Болятко Екология ядерной и возобновляемой енергетики 2010

ка ГЭС: проектная мощность достигнута в 1953 г., при этом первый генератор начал работу ещё в 1941 г.

Мощность крупнейшей в России Саяно-Шушенской ГЭС в верховьях Енисея с высотой плотины 250 м и 10 гидроагрегатами составляет более 6 ГВт, среднегодовая выработка электроэнергии – 23 млрд кВт· ч, а водосброс плотины – 14 тыс. м3/с.

Выработка электроэнергии на ГЭС за год определяется накопленным запасом и напором воды и характеризуется значительной сезонной неравномерностью. Для большинства рек России маловодный период наблюдается зимой, когда потребность в электроэнергии наибольшая. Чтобы избавиться от этой неравномерности поверхностного стока воды сооружают огромные водохранилища на реках выше ГЭС (табл. 5.1, рис. 5.2).

Для их создания порой требуется затопить огромные территории, занятые сельхозугодиями, лесными массивами, населёнными пунктами, промышленными предприятиями. Водохранилища, образованные плотинами ГЭС, могут оказывать вредное воздействие на окружающую среду: уничтожать уникальную флору и фауну, сокращать сток рек и сезонные паводки, наносить ущерб ландшафту, вызывать климатические изменения, увеличивать давление на земную кору и тем самым создавать напряжения в породе, что может вызвать землетрясения.

Таблица 5.1 Объём и площадь водохранилищ некоторых крупных ГЭС

	Объём	Площадь
Водохранилище	водохранилища,	водохранилища,
	км3	км2
Братское на Ангаре	169	5400
Красноярское на Енисее	73	2000
Куйбышевское на Волге	58	6500
Рыбинское на Волге	25	4600
Лейк-Мид (ГЭС Боулдер, США)	44	5000
«Три ущелья» (Санься, Китай)	39	330

Благодаря высокой автоматизации и низким эксплуатационным расходам себестоимость электроэнергии на ГЭС, как правило, в 6–8 раз меньше, чем на ТЭС и АЭС. При этом численность экс-

151

плуатационного персонала ГЭС примерно в 20 раз меньше, чем на ТЭС и АЭС.

При оценке энергетических ресурсов условно принимают, что каждый выработанный на ГЭС 1 кВт· ч электроэнергии эквивалентен с учётом КПД 0,32 кг у.т., что примерно равно удельному расходу топлива лучшими ТЭС.

Вто же время к серьёзным недостаткам ГЭС относятся высокие капитальные затраты на строительство, отчуждение под водохранилища больших земельных площадей, переселение людей и зависимость от погодных условий.

Всвоё время в Советском Союзе широкое распространение получили малые ГЭС (МГЭС), которые затем были законсервированы или списаны. В прошлом их было построено более 7000 общей мощностью 1,5 млн кВт, в конце ХХ в. их число резко снизилось, что связано в том числе и с развитием крупных ГЭС. Сейчас есть предпосылки возврата к МГЭС на новой основе, за счёт производства современных гидроагрегатов мощностью от 10 до 6000 кВт.

Потенциал МГЭС в России оценивается в 360 млрд кВт· ч в год, который в настоящее время употребляется всего на 1 %.

Вначале работа малых ГЭС отличалась неэффективным использованием стока рек, остановкой в период паводков и неустойчивым режимом. Со временем были повышены надёжность и экономичность их работы. По сравнению с крупными ГЭС они имеют важные преимущества, связанные с относительно небольшими единовременными затратами, а их строительство вполне оправдано в районах, удалённых от основных источников энергии.

Существуют две основные схемы концентрации напора гидротехническими сооружениями – плотинная, уже рассмотренная ранее, и деривационная (от англ. derivation – отведение, ответвление).

Разновидность деривационной схемы – гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), основанные на использовании двух бассейнов, расположенных на разной высоте. Вода сливается из верхнего бассейна для вращения турбин и получения электроэнергии в дневное время и перекачивается в верхний бассейн в ночное время при спаде расхода электроэнергии.

Вмире построены и действуют более 300 ГАЭС общей мощностью порядка 100 ГВт, охватывающих диапазон напоров от нескольких метров до 2000 м, используемые в качестве маневренных

152

источников выравнивания нагрузки энергосетей. Зарубежный опыт работы энергосистем с преобладанием ТЭС и АЭС показывает, что для их оптимальной работы необходимо иметь ГАЭС с суммарной мощностью 10–12 % от мощности всех электростанций, входящих

всостав энергосистемы.

ВРоссии с 1987 г. работает Загорская ГАЭС в Подмосковье имеющая мощность шести блоков 1200 МВт и среднегодовую выработка электроэнергии 1900 млн кВт· ч. Станция обеспечивает более надёжное энергоснабжение Москвы и Московской области, а по результатам экспертизы Загорская ГАЭС признана предприятием, оказывающим минимальное воздействие на природный комплекс Сергиево-Посадского района.

5.1.2. Ресурсы тепловой энергии океана

Растущие цены на органическое топливо, трудности, связанные с его получением, и истощение топливных ресурсов вызвали во многих странах всё больший интерес к утилизации энергии Мирового океана, доступная часть которой во много раз превышает уровень современного потребления энергии в мире.

В разных видах Мировой океан аккумулирует энергию, поэтому главный вопрос: как найти оптимальные способы её использования? Нетрадиционные источники гидравлической энергии можно разделить на следующие виды:

•приливные ГЭС (ПГЭС);

•свободнопоточные (океанические непериодические течения, речные течения, течения в искусственных безнапорных водоводах) ГЭС;

•волновые ГЭС (на берегу, в акватории в зоне свободных волн).

Для получения электроэнергии запасы энергии океана используются в различных технологических схемах. Например, морская волна высотой 3 м несёт около 90 кВт мощности на каждый метр побережья.

В табл. 5.2 приведены некоторые свойства океанских ресурсов энергии, важных при определении размеров будущих преобразователей, необходимой мощности и режимов использова-ния энергии.

153

В данной таблице показана величина средней плотности энергии. Она измеряется высотой эквивалентного столба морской воды, обладающей потенциальной энергией, которую может создать 1 кг той же воды (или воздуха для океанских ветростанций), использованной в качестве рабочего тела в преобразователе соответствующего вида ресурса (тепло, солёность, уровень, скоростной напор). За стабильность источника энергии принята доля времени (%), в течение которого мощность источника остаётся постоянной.

Например, сравнивая океанские преобразователи энергии с традиционными, отметим, что для ГЭС характерна величина порядка

50–100 м водн. ст.

Таблица 5.2 Сравнительные характеристики океанских источников энергии [3]

Вид	Среднегодовая		КПД	Средняя	Стабиль-
источника	энергия,		преобра-	плотность	ность
	кВт· ч/год, ×1012		зования,	энергии,	источника,
	всего	доступная	%	м	%
Течения	40–70	0,4	75	0,01–0,05	75
Волны	600	25	90	1,5–5,0	35
Приливы	25	0,25	35	6–14	100
Перепады	250 000	400	6	200–300	75
температуры				240
Перепады	250	20	25		100
солёности				3000
Водоросли	125	1,25	35		50
Ветер	20 000	13	60	5–90	30

Преобразование тепловой энергии, запасённой океаном, в механическую и далее в электрическую происходит согласно циклу Карно тепловой машины. Доля преобразованной энергии может быть оценена через КПД термодинамического цикла:

КПД = T T ,

(5.2)

где T – разница значений температуры поверхностного (тёплого) и глубинного (холодного) слоёв воды, T – абсолютная температура поверхностного слоя океана.

Приближённая оценка показывает, что в среднем перепад температуры между поверхностью и глубиной порядка 400 м Мирового океана составляет 12 °С и только в некоторых районах вблизи

154

экватора достигает 20 °С. Считая, что свободная ото льда площадь океана равна 3·1014 м2, в слое толщиной 100 м величина запасённой в воде тепловой энергии

W =ρ V c	T,	(5.3)
где ρ – плотность воды, кг/м3; V –	объём нагретой	воды, м3;

c = 4,19 · 103 Дж/(кг· К) – теплоёмкость воды. Таким образом, тепловая энергия W = 15 · 1023 Дж или W = 1582,5 Q.

Воды океана находятся в постоянном движении, хотя средние скорости этого движения малы и измеряются несколькими сантиметрами в секунду, так что круговорот вод происходит в океане за период T = 1000 лет [3]. Поэтому возобновляемая мощность, которая непрерывно должна поступать в океан для сохранения естественного перепада температур, будет равна P = W/T = 50 ТВт, а с учётом КПД = 4 % при перепаде температур 12 °С примерно 2 ТВт.

Более точные оценки [4] должны учитывать распределение температуры, реализацию возможности теплового источника, перемещение водных масс и поглощение солнечного излучения. Мощность преобразователя тепловой энергии (c линейным размером вдоль течения L), забирающего воду с площади S при скорости течения v на глубине забора холодной воды H, определяется следующей формулой:

W =ρ c T S× H v ηM ηK /L,

(5.4)

где ηK – КПД идеальной тепловой машины; ηM = 0,1−0,5 – КПД

всех технических систем преобразования энергии.

Значение электрической мощности, вычисленное по формуле (5.4), равно примерно 1 ГВт для минимального ηM и перепада

температур T = 10 К между поверхностным слоем и слоем на глубине 1000 м при скорости течения v = 0,1 м/с на площади S = 1 км2.

Идея использования разницы температур (температурных градиентов) морей у поверхности моря (например, более 35 °С в Красном море) и на больших глубинах (8 °С) давно и хорошо известна как способ получения энергии. Тёплая вода омывает теплообменник с фреоном с температурой кипения 27 °С, который, испаряясь, вращает турбину, вырабатывающую электроэнергию. В другом теплообменнике с температурой 8 °С фреон сжижается и снова включается в оборот.

155

Данный способ преобразования энергии океанских градиентов был впервые опубликован ещё в 1891 г. французским физиком д’Арсонвалем. Его ученик Жорж Клод начал экспериментальные работы по использованию тепла океана для получения электрической энергии в 20-е годы прошлого века. Для получения холодной воды он в своей энергетической установке смонтировал на судне почти полукилометровую трубу (рис. 5.3), которая отломилась во время первого же шторма.

Однако две недели установка вырабатывала мощность 22 кВт за счёт тепла океана, хотя на собственные нужды она потребила значительно больше. Тем не менее правильность принципа была доказана.

Французский учёный сделал ещё несколько попыток по созданию подобных установок, но ни разу ему не удалось получить из океана больше энергии, чем необходимо на собственные нужды. Эта особенность была связана с малой мощностью установки, что приводило к большим потерям в общем балансе.

В дальнейшем такие установки получили название ОТЕС (Ocean Thermal Energy Conversion). В качестве рабочего тела для тепловой машины должна быть выбрана рабочая жидкость, закипающая при температуре нагревателя, а пары её после совершения работы в турбине должны сконденсироваться при температуре холодильника.

Нагревателем служит тёплая вода верхних слоёв океана, при которой кипят многие жидкости, например аммиак. Благодаря уникальным термодинамическим свойствам аммиак стал широко применяться в наши дни в энергетических установках, использующих тепло океанических вод. При этом установка представляет собой замкнутый цикл: после холодильника жидкий аммиак снова закачивается в нагреватель. Цикл непрерывно повторяется, пока работает установка

Если в качестве рабочей жидкости использовать морскую воду, то для её закипания при температуре поверхностных вод в тропиках требуется понизить атмосферное давление в 15 раз. Образовавшийся пар пойдёт в турбину, заставляя её вращаться и вращать электрогенератор. Затем пар поступает в холодильник, превращаясь с помощью холодной глубинной воды в пресную воду, которая

156

выбрасывается в море. Такой цикл называется открытым, или незамкнутым.

В последнее время внимание снова привлечено к открытому циклу, который не только устраняет все проблемы, касающиеся обращения с аммиаком, но и возможностью получения пресной воды, недостаток которой особенно ощущается в жарких странах.

Другим ресурсом тепловой энергии океана является возможность использования перепада температур между холодным воздухом и незамерзающей тёплой водой подо льдами Арктики, где в течение большей части года эта величина может достигать T = 30°. Расчёты показывают, что полярная ТЭС при мощности в 1 МВт будет возмущать тепловой режим на площади всего около 20 м2. Однако особенностью такой станции является сезонный характер её работы. Например, для нашего сектора Арктики устойчивая разность температуры T = 10 °С наблюдается только в течение примерно полугода, а в другое время требуется переход на другой вид источника.

5.1.3. Ресурсы океанических течений

Около 0,02 % солнечной энергии, поступающей в Мировой океан, преобразуется в кинетическую энергию: это 5–7 ТВт, что равняется современному потреблению энергии всего человечества. Пятая часть этой энергии идёт на преодоление сил трения, остальная – расходуется на перенос водных масс. Этот перенос проходит по горизонтали и вертикали с разными скоростями: от нескольких сантиметров до нескольких метров в секунду.

В результате взаимодействия образующихся потоков с дном и берегами, вращения Земли и влияния ветров над океанской поверхностью возникают течения с заметной концентрацией энергии, которую можно использовать для нужд энергетики.

Для течений со средними скоростями 1 м/с имеется достаточно мест для размещения океанских ГЭС в открытом океане и вблизи берега, а в проливах и между островами можно использовать не только поверхностные, но и глубинные потоки, обладающие подходящими скоростями. Например, из Великих океанических течений Гольфстрим в Атлантическом и Куросио в Тихом океанах с суммарной мощностью в 15 и 50 ГВт соответственно.

157

С практической точки зрения течения должны обладать устойчивыми потоками, определяющими стабильность работы гидростанций. Так, средние сезонные колебания расхода воды в Гольфстриме составляет 15–20 % максимального значения, а для более стабильного – Куросио не выше 10–15 %.

Однако энергия океанских течений характеризуется низкой плотностью, а использование этого источника влечёт создание и обслуживание объёмных сооружений для утилизации их кинетической энергии в толще океана.

Расчёты показывают, что с площади 1 м2 в поперечном сечении океанских течений при скорости 1 м/с можно получить не более 600 Вт электрической мощности. Механическая мощность P, извлекаемая из океанского течения, определяется (аналогично, как и для воздушного потока):

	P =ηS	ρv3	,	(5.5)
		2

где v – скорость течения воды с плотностью ρ, протекающей через площадь сечения S; η = 0,5–0,75 – коэффициент преобразования энергии. Например, для мощности 40 МВт получаем согласно (5.5) диаметр рабочего колеса равный 200 м, если средняя скорость течения равна 1,5 м/с.

Океанские течения могут рассматриваться как источник возобновляемой энергии, по крайней мере для региональной энергетики. В последнее время начаты работы по использованию энергии Гольфстрима и предполагается освоить 1 % его энергии, что не должно отразиться на общем балансе энергии течения.

5.1.4. Гидроэнергетические узлы в проливах

Данное направление в гидротехническом строительстве предполагает вторжение в естественную динамику океанских вод, влекущее изменения в природную среду отдельных регионов и планеты в целом. Одним из множества таких проектов является создание тёплого течения в Арктике, так называемый полярный Гольфстрим. Результатом такого проекта станет таяние арктических льдов, повышение средней температуры воздуха, что существенно улучшит климатические условия в северных районах нашей страны, а также США и Канады.

158

Создание тёплого течения может произойти за счёт перекачки поверхностных вод из Чукотского в Берингово море. Для этого необходимо перегородить плотиной Берингов пролив и установить в ней насосы мощностью 20 ГВт, ежегодно перекачивающие до 140 000 км3 воды. Мощность насосов и объём перекачиваемой воды определены из условия получения устойчивого изменения климата за три года после пуска этого сооружения. Протяжённость плотины составит около 80 км с высотой 50 м.

По оценкам авторов проекта, нежелательные последствия для климата в бассейнах Охотского и Японского морей из-за поступления холодных вод и льда в Берингово море не выйдут за пределы встречающихся в природе похолоданий. Однако этот проект может привести к серьёзным экологическим последствиям для животного мира Арктики, не говоря уже о гигантских энергетических затратах.

Был предложен подобный проект по использованию течения в Гибралтарском проливе с расходом воды порядка 30–40 тыс. м3/с и получением ежегодно до 150 млрд кВт· ч электроэнергии. Проект предусматривает строительство в проливе плотины с агрегатами, а напор воды должен обеспечиваться понижением уровня Средиземного моря за счёт уменьшения поступления морской воды из Атлантического океана.

Однако при осуществлении и этого проекта велика вероятность появления значительных проблем в экологии Средиземного моря. Кроме того, очень большие затраты препятствуют быстрому принятию этого проекта.

Рассматривается и более реальный проект строительства электростанции в искусственном проливе, который может быть проложен из Средиземного моря во впадину Каттара (в Ливийской пустыне), дно которой лежит на 135 м ниже уровня моря. Этот перепад может обеспечить электроэнергией в ныне пустынных землях и значительно увлажнить климат. Конечно, и этот проект может привести к серьёзным последствиям для природы северо-запада Африки.

5.1.5. Использование энергии волн

Появление волн на океане происходит благодаря рассеиванию части энергии ветров при взаимодействии с океанской поверхно-

159

стью. В океане много видов волн, но с точки зрения выработки электроэнергии заслуживают внимания лишь три типа: приливные волны, ветровые волны и зыбь. Если полная кинетическая энергия атмосферы оценивается на два порядка выше кинетической энергии Мирового океана, то суммарная энергия волн составляет лишь доли процента от энергии ветров (мощность приблизительно равна 3 ТВт). В Мировом океане имеется небольшое число акваторий со стабильным по мощности волнением. Например, в Северном море обычная волна обладает мощностью около 40 кВт на метр гребня только в течение 30 % времени существования и 10 кВт/м в остальное. Для оценки энергетической возможности волн воспользуемся следующим соотношением:

W = 0,25ρg H 2 v L,

(5.6)

где ρ – плотность морской воды в волне высотой H; v – скорость распространения волны; L – характерный горизонтальный размер преобразователя.

Среднегодовой энергетический потенциал волн Северного моря у Западного побережья Великобритании оценивается в 30– 40 кВт/м. Для морей, омывающих берега нашей страны, рассчитаны осреднённые удельные мощности: от 6–8 кВт/м (Чёрное море), 20–30 (Японское) до 15–45 (Берингово).

В своей ставшей уже классической работе [6] академик В.В. Шулейкин отметил три направления использования энергии поверхностных вод. Во-первых, это энергия качки (движение поплавка передаётся поршню насоса); во-вторых, ударное давление, когда кинетическая энергия волны передаётся подвижной детали; и, наконец, в-третьих, использование гидравлического тарана, при котором часть кинетической энергии большой массы воды передаётся малой массе, за счёт чего вода приобретает бóльшую скорость и способна подняться на значительную высоту.

Гидравлический таран – изобретение французского физика Жозефа Мишеля Монгольфье (одного из двух братьев, создавших в 1783 г. воздушный шар), позволяющее решать ряд важных экологических задач. Например, создавать искусственный апвеллинг – подъём глубинной массы воды на поверхность без затраты какойлибо энергии, кроме энергии волн, обеспечивая интенсивный рост фитопланктона. Весьма перспективно применение гидравлических преобразователей для аэрации воды в застойных водоёмах.

160