ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА МИРОВОГО ОКЕАНА
Кандидат технических наук А. А. ГОРЛОВ (Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН)
Мы уже рассказывали на страницах журнала1 о новых, перспективных для мирового судостроения проектах возобновляемой энергетики океана. Фактически их можно разделить на два направления.
Первое занимается крупными морскими береговыми гидросооружениями приливной и волновой энергетики. В России для решения этих вопросов создан специальный центр, их экономика неплохо изучена.
Второе направление - энергетика шельфа, акваторий открытых морей и океана (энергетика Мирового океана). За рубежом исследования и разработки в этой области за последнее десятилетие существенно активизировались и уже спровоцировали создание нового сектора мировой экономики с миллиардными инвестициями. В нашей стране это направление пока пребывает в зачаточном состоянии.
Россия омывается тринадцатью морями, её морская граница простирается на 40 тыс. км, а граница экономической зоны расположена в 370 км от берегов и островов. Совокупные запасы энергии океана в нашей стране колоссальны. Так, для Чёрного моря удельная мощность энергии волнения составляет 8 кВт/м, Каспийского - 11 кВт/м, Баренцева - 29 кВт/м, Балтийского - 8 кВт/м, Охотского - 30 кВт/м.
Скорости течений в Охотском море достигают 2.5 м/с, значительные течения наблюдаются в ряде мест рядом с побережьями Баренцева моря, Сахалина
1 Горлов А.А. Возобновляемая энергетика Мирового океана; Горлов А.А. Возобновляемая энергия для океанологических исследований // Энергия: техника, экология, экономика. 2012. № 12; 2013. № 3.
и Камчатки. Самых высоких скоростей -до 4 м/с - течения достигают в горле Белого моря и в 26 проливах между Курильскими островами.
Наибольшие ветровые ресурсы в России сосредоточены на побережьях и в акваториях северных и восточных морей, особенно во льдах и на островах Арктики. Несмотря на это 70% территории России снабжается электроэнергией преимущественно при помощи автономных энергоустановок, работающих на дорогом привозном топливе.
Огромные территории страны, главным образом на северном и восточном побережьях, вообще не получают электроэнергии. Из-за проблем северного завоза во многих районах страны (в том числе прибрежных и островных), отрезанных от сетей централизованного электроснабжения, стоимость энергии с учётом доставки топлива очень высока и достигает 25-100 руб/кВт • ч.
Такая ситуация подтверждает потенциальную конкурентоспособность морских ВИЭ. Так, например, по прогнозам компании ЯепешаЫеиК, к 2020 г. в Великобритании коммерческая стоимость 14 энергии от оффшорного ветра будет 8 составлять 5 руб./(кВт • ч), а от морских =| волн и приливных течений в диапазоне от ° 8 до 17 руб./(кВт • ч). §
Учёными ОИВТ РАН и МГУ2 подготов- | лена подробная карта распределения * среднегодовых скоростей ветра на высо- ^ те 50 м на территории России, которая 1 показывает, что наибольшие ветровые § ресурсы в нашей стране сосредоточе- £ ны на северных и восточных морских ! побережьях и островах Арктики (рис. 1). |
2 Фортов В.Е., Попель О.С. Энергетика в современном мире. М.: Изд. дом "Интеллект". 2011.
© А. А. Горлов
9
Рис. 1.
Среднегодовые скорости ветра (м/с) на высоте 50 м.
Здесь постоянно наблюдаются сильные и частые ветры в сочетании с низкими температурами воздуха. Так как плотность у холодного воздуха выше, чем у тёплого, выработка энергии здесь больше при той же скорости. Особенно перспективно использование ветровых ферм мощностью 100-200 МВт на плавучих и льдоустойчивых платформах в арктических и дальневосточных морях, где скорости ветра чрезвычайно высоки. Конечно, для этого потребуется решить множество технических задач, связанных с особенностями сурового климата, таких как выбор подходящих материалов
для конструкций, низкотемпературных смазок, масел и гидравлических жидкостей, обогрев отдельных элементов ВЭУ и т.п. Менее мощные морские ветровые фермы можно размещать в Балтийском, Чёрном, Каспийском и других морях. Оффшорная ветроэнергетика быстрыми темпами развивается в США, Германии, Испании, Франции, Нидерландах, Норвегии, Швеции, Дании и многих других странах.
В соответствии с одним из последних британских проектов, "London Array", предполагается в Северном море на акватории, удалённой на 22 км от по-
Рис. 2.
Морская энергетическая ветровая ферма "London Array".
Рис. 3.
Проект морского энергетического парка на базе установок Приливных течений "БеаОеп" на севере Шотландии.
бережья, площадью около 90 кв. миль, разместить морскую ферму из 341 ВЭУ каждая мощностью более 3 МВт (рис. 2). Суммарная мощность этого проекта в 1 ГВт позволит обеспечить энергией 750 000 домов и сократить объём выбросов углекислого газа почти на 2 млн т/год. Крупные международные компании Dong Energy, E.ON и Masdar уже инвестировали в проект 1.9 млрд фунтов стерлингов, а к 2015 г. планируется привлечь инвестиции ещё на 1 млрд фунтов стерлингов. В последние годы большой интерес к морской энергетике проявляет Китай, где создаётся в заливе Bohai Bay гигантская оффшорная ветровая ферма мощностью 1000 МВт.
Между Великобританией и США в 2012 г. было подписано соглашение о сотрудничестве в разработке морских ветровых технологий для акваторий с глубинами более 60 м, где более высокие скорости ветра. Правительство Великобритании недавно выделило 25 млн фунтов стерлингов на создание плавучей ВЭУ мощностью до 7 МВт, а в США несколько компаний при финансовой поддержке Министерства энергетики также
приступили к разработке аналогичных проектов. Подобные работы ведутся во Франции судостроительной корпорацией DCNS, в Японии, Испании и других странах. Если учесть общую площадь морей России, то будет ясно, что перспективы для создания плавучих ветровых ферм в нашей стране просто огромные.
Возможна также установка в Арктике и на Дальнем Востоке энергетических ферм, состоящих из десятков сво-боднопоточных преобразователей энергии приливных течений единичной мощностью до 2 МВт - в том числе и подо льдом на шельфе некоторых морей. Энергия приливных течений имеет важное преимущество перед другими морскими ВИЭ вследствие предсказуемости времени, продолжительности и уровня энергии. В последнее десятилетие быстрыми темпами начали развиваться технологии TISEC (Tidal In Stream Energy Conversion), позволяющие использовать кинетическую энергию приливно-отлив-ных течений непосредственно в потоке, без специальных трудоёмких и дорогостоящих гидросооружений. Плотность воды гораздо выше плотности воздуха,
Рис. 4.
Проект плавучей энергетической фермы у берегов северной Шотландии, состоящей из волновых установок Ре!ат1э.
поэтому подводные турбины вращаются на малых оборотах, не нарушая экологической обстановки в окружающей среде. Подобные подводные свободнопоточные преобразователи были разработаны в Институте океанологии РАН ещё более 20 лет назад.
Первая в мире коммерческая установка энергии приливных течений "БваОвп" была создана и подключена к распределительной энергосистеме в Великобритании в начале прошлого века, а в 2008 г. два таких коммерческих подводных энергоблока с турбинами диаметром 16 м и суммарной мощностью 1.2 МВт были установлены в акватории Северная Ирландии, где скорости течений достигают 4 м/с. На севере Шотландии компания МСТ намерена развернуть 66 турбин БваОвп суммарной мощностью
99 МВт, что достаточно для обеспечения
100 тыс. домов. Этот проект станет одним из крупнейших в мире по использованию энергии течений (рис. 3).
В открытых, свободных ото льда акваториях всех морей перспективно устанавливать плавучие волновые энергетические установки, объединённые в фермы мощностью в десятки мегаватт. Характерен опыт в этой области Великобритании. Разработки шотландской компании PWP, начатые в 1998 г., позволили уже к 2004 г. впервые подключить к энергосети страны морскую волновую установку Ре1ат1э, а к 2008 г. по заказу крупной компании Б.ОЫ. была создана для Португалии первая в мире волновая ферма. Сегодня плавучие установки Ре1ат1э мощностью 750 МВт достигают в длину 180 м, что значительно боль-14ше, чем у моделей первого поколения § (рис. 4). Компания намерена совместно 1 с инвесторами реализовать в суровых Н водах северной Шотландии три проекта, 1 мощностью по 50 МВт каждый. § Достаточно перспективным прорывным * направлением для России может окая- заться разработка и создание АОТЕС3 -1 энергоустановок, использующих для сво-| ей работы перепад температур между £ относительно тёплой подлёдной водой I и морозным наружным воздухом, темпе-| ратура которого в зимние месяцы может
3Арктические ОТЕС (Ocean Thermal Energy Conversion).
достигать 50°С4. Например, на Новосибирских островах за год бывает всего от двух до четырёх дней с температурой воздуха выше -10°С, на побережье моря Лаптевых до 14 таких дней, а на архипелаге Северная Земля - до 12. В остальное время года здесь наблюдаются морозы со значительными минусовыми температурами, когда разность температур воды и воздуха составляет более 26°С, что может быть использовано для производства электроэнергии.
Если принять площадь, доступную для отбора энергии, всего в один процент от площади всего Северного Ледовитого океана, то по некоторым расчётам, даже при минимальном перепаде температур в 10°С получается огромное значение ресурсов тепловой энергии, только для Арктики составляющее 10 ТВт. При этом удельная мощность будет примерно 8 кВт/м2, при разности 20°С - 60 кВт/м2, а при разности 30°С - 125 кВт/м2.
Ещё в СССР ряд организаций, и ИОРАН среди них, начали научно-исследовательские работы по созданию АОТЕС. Несмотря на то что в 90-х годах в России такие работы фактически были прекращены, оставшийся научно-технический задел позволяет продолжить развитие этого направления морских ВИЭ.
Существуют различные схемы работы АОТЕС: с наличием паровой или гидравлической турбины или при её отсутствии; с различными рабочими жидкостями, в том числе и смешиваемыми с водой; на основе веществ с фазовыми переходами; на базе эффекта памяти формы материалов; комбинированные преобразователи, например, с фазовым переходом и
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.