9.6. Использование морских возобновляемых ресурсов
Ресурсы морей и океанов можно разбить на три группы:
1) вертикальные термоградиенты и океанические ветры;
2) морская биомасса и геотермальные воды;
3) поверхностные волны, течения и перепады солености.
Мощности и стоимости различных потенциальных источников энергии приведены в табл. 9.1.
Таблица 9.1
Характеристика потенциальных источников энергии
Источники энергии |
Мощность, млн. кВт |
Стоимость производства электроэнергии, цент/(кВтч) |
Вертикальные термоградиенты Поверхностные волны Морские течения Океанические ветры Перепады солености Топливная биомасса Геотермальные воды |
10000 500 60 170 3500 770 3000 |
4 – 7 11 – 24 13 – 32 5 – 9 14 – 29 11 – 15 25 – 30 |
9.6.1. Приливные электростанции
Огромная часть поверхности нашей планеты покрыта водами океанов и морей, которые могут быть использованы для создания экологически идеальных возобновляемых источников энергии, мощность которых намного превосходит потребности человечества. В первую очередь к этим источникам следует отнести энергию приливов, приливных и других течений, волн и тепловую энергию океанов.
В приливных электростанциях (ПЭС) применяются морские плотины, которые используют изменение уровня морской воды, возникающего за счёт приливов и отливов.
Приливы связаны с гравитационным воздействием Луны и в меньшей степени Солнца на моря и океаны Земли. На частицу воды действуют, в частности, две силы: притяжения со стороны Луны и центробежная за счёт вращения системы Земля-Луна относительно их центра масс, расположенного на расстоянии L=4670 км от центра Земли по направлению к Луне (средний радиус Земли r=6370 км) (рис. 9.11).
Это приводит к тому, что силы в точках X и Y на противоположных поверхностях океана Fx и Fy оказываются равными по величине и противоположными по направлению.
В результате возникают два приливных подъёма воды в противоположных точках поверхности Земли, расположенных на пересечении прямой, проведенной от Луны через центр Земли.
Высота приливной волны в открытом океане не превышает 1 м, что явно недостаточно для энергетических целей.
Однако при движении через сужающиеся проходы между островами или при подходе к побережью, имеющему специфический профиль, за счет эффекта воронки или резонансных процессов высота подъёма воды может возрасти в несколько раз.
Рис. 9.11. Схема расположения Луны и Земли (массы М и М1 соответственно)
Систематические колебания уровня воды в океанах и морях во время прилива и отлива вызываются силами притяжения в космической системе Солнце–Земля–Луна. На большинстве побережий смена этого явления (прилив-отлив) наблюдается через каждые 6 ч 12 мин; в некоторых местах эта величина может значительно увеличиваться, что зависит от ряда условий.
В открытом океане амплитуда колебаний уровней не превышает 2 м. Но под деформирующим влиянием формы залива, бухты, фиорда, эстуария – устья реки на побережье амплитуда прилива может возрасти на 10 – 15 м и более. Так, например, в заливе Фанди на Атлантическом побережье Северной Америки, вблизи от границы США и Канады, зарегистрированы приливы с максимальной амплитудой 19,6 м. В нашей стране наибольшие амплитуды прилива наблюдаются на Охотском море (до 11 м), в Мезенском заливе Белого моря – около 10 м) и на Кольском побережье – 7,4 м.
В отличие от энергии рек приливная энергия отличается большой нес- табильностью в многолетнем и годичном периодах. В течение месяца амплитуды колебаний могут изменяться несколько раз. За расчетный период с достаточной точностью можно принимать так называемый синодический месяц, равный в среднем 29,53 суток – (время между двумя полнолуниями или новолуниями). Для водноэнергетических расчетов ПЭС использует хронологический график колебаний уровней моря.
Основная идея использования приливной энергии путем строитель- ства приливных электростанций (ПЭС) в простейшем виде заключается в том, что в отгороженном от моря суженном его участке, называемом бассейном, во время прилива получается перепад уровней между морем и бассейном, а во время отлива создается перепад между бассейном и морем, что при достаточных напорах обеспечивает работу турбин в обоих направлениях. В остальное время агрегаты ПЭС, вследствие недостаточных напоров, должны останавливаться и энергия в систему не выдается.
С учетом вынужденных остановок ПЭС, вызванных падением напоров, а также многих других факторов, технически возможно использовать лишь около 1/з потенциальной энергии. Благоприятные топографические условия в сочетании с большими амплитудами встречаются нечасто, а поэтому и мест для сооружения эффективных ПЭС не так уж много. В некоторых условиях более эффективными оказываются ПЭС с двумя, тремя и более бассейнами, со сложными циклами работы, с установкой не обычных турбин, а насосо-турбин двухстороннего действия.
За период около 50 лет в ряде стран составлялось значительное коли-чество проектов ПЭС. Многие из них пересоставлялись неоднократно и уточ-нения продолжаются до сих пор.
В нашей стране ведутся проектные разработки по Лумбовской ПЭС на Кольском полуострове с выработкой энергии 800 млн кВт. ч при мощности 320 МВт. Изучаются возможности строительства в перспективе крупных ПЭС, например, Мезенской ПЭС на побережье Белого моря мощностью 6 ГВт (млн кВт), двух ПЭС на побережье Охотского моря – Тугурской – 9 ГВт (млн кВт) и Пенжинской, мощность которой 35 ГВт (млн кВт) в 3 раза больше мощности уникальной ПЭС Шозе (рис. 9.12).
В эксплуатации пока находятся лишь ПЭС Ране мощностью 240 МВт во Франции, первые агрегаты которой пущены в 1966 г., а также отечественная экспериментальная Кислогубская ПЭС небольшой мощности, построенная в 1968 г. на Кольском полуострове вблизи г. Мурманска.
При проектировании и строительстве ПЭС возникает много вопросов, которые требуют еще разрешения путем проведения больших научно-ис- следовательских работ, апробирования их в натурных условиях. К таким вопросам, в частности, относятся:
– меры борьбы с весьма вредными явлениями коррозии бетона и металлических конструкций под воздействием агрессивной морской воды;
– мероприятия по защите сооружений от волновых динамических воздействий и морских течений, борьба с наносами;
– трудности обеспечения устойчивости грунтов у водопропускных сооружений при переменном движении воды в двух противоположных направлениях;
– способы борьбы с живыми организмами, особенно с моллюсками и т. п.
Рис. 9.12. Схематический план расположения ПЭС Ранс и ПЭС Шозе