Энергия мирового океана как нетрадиционный источник энергии

Альтернативные источники энергии: морские волны и течения

Энергия волн

Сила волн на поверхности морей и океанов, как и любая другая энергия, может использоваться для полезной работы, в том числе для обеспечения работы электростанций. По мнению экспертов, волны Мирового океана могут удовлетворить от 20% энергетических потребностей человечества. Справедливости ради стоит отметить, что в большей степени сейчас развивается приливная энергетика. Напомним, Пронедра уже сообщали ранее о самых крупных проектах этой отрасли.

Тем не менее, волновая энергетика представляется исследователям не менее серьёзным направлением альтернативной энергетики. По самым смелым оценкам, волны генерируют порядка 2 ТВт энергии, что в два раза превосходит совокупный объём выработки энергии во всём мире в настоящее время. Привлекательность использования волн заключается в первую очередь в их высокой удельной мощности, которая по своему уровню превышает показатели солнечной и ветровой энергетики. В условиях десятиметровой высоты волн удельная мощность достигает 2 МВт на погонный метр.

Технически использование энергии волн возможно только в прибрежных зонах, где мощность составляет максимум 75–80 кВт на метр, а средняя высота волн — до двух метров. Впрочем, такой уровень наблюдается в большей части Мирового океана в спокойных погодных условиях. Усреднённый показатель удельной мощности волн в Северном полушарии составляет в пределах 25 кВт на метр. Регионы, наиболее потенциально пригодные для запуска волновых электростанций — это территории с побережьем большой протяжённости и наличием стабильных сильных ветров. В такие зоны входят в том числе европейское западное побережье, британский север, берега Тихого океана в Северной и Южной Америке, Новой Зеландии и Австралии, а также Южной Африке.

Принципы работы волновых станций

Выработка энергии из волн океана осуществляется специальными волновыми электростанциями, которые располагаются в акваториях. Кроме генерации электроэнергии, при задействовании дополнительного оборудования волновые станции могут выполнять и другую полезную работу, в том числе выработку тепла, пресной воды, кислорода, водорода и других химических веществ из морской воды при помощи процессов электролиза, а также осуществлять производство сжатого воздуха.

Работа станций выполняется благодаря воздействию волн на их рабочие тела, в роли которых могут выступать, в зависимости от конкретного проекта, поплавки, лопасти турбин, маятники, трубы, волноприёмники или волноотбойники. Движения волн в конечном итоге трансформируются во вращение генераторов при помощи силовых преобразователей — воздушных и гидравлических турбин, цепных и зубчатых передач или же водяных колёс. Полученная в результате воздействия волн механическая энергия превращается в электрическую, после чего транспортируется потребителям через морской кабель на побережье.

Видео: Student Energy

Волны могут использоваться для получения энергии на станциях, работающих по принципу «колеблющегося тела». Рабочие тела станций представляют собой буи, секции которых объединены в один конвертер. Между секциями устанавливаются гидравлические поршни, которые под воздействием вертикальных колебаний волн через специальные двигатели вращают генератор. Применяется преобразование не только энергии колебаний волн, но и изменения их профиля при использовании принципа «поверхностного качения». В качестве рабочих тел устанавливаются поплавки. В конструкциях станций типа «утка Соллера» несколько десятков поплавков монтируются на общий вал. Типы «плот Коккереля» и «морской змей» предусматривают установку секций поплавков, которые соединяются шарнирно и изгибаются под воздействием волн. Несмотря на громоздкость конструкций и сложности с закреплением оборудования станций в определённых точках, в целом волновые установки поплавковых типов являются наиболее популярными и демонстрируют КПД в пределах 80%.

Есть и такие типы станций, как «осциллирующий водяной столб» и «пульсирующий водяной столб Массуды». В этих станциях вода под воздействием колебаний волн поступает в камеры с воздухом. В процессе прохождения через камеры вода создаёт избыточное давление воздуха, выталкивая его. Воздух в свою очередь, вращает турбину. В качестве варианта решения используется движение не воздуха, а самой воды, перемещающейся по камере. В Японии на станции «Каймей», построенной по проекту «водяного столба», в 1980 году были проведены испытания эффективности работы, в ходе которых выяснилось, что конструкции такого типа имеют низкий КПД, не превышающий 25%.

Ещё один принцип — «искусственный атолл» — предполагает размещение в акватории бетонной конструкции с обширной наклонной поверхностью для наката волн. Посредине такой поверхности на отметке выше уровня моря обустраивается накопительный бассейн, при попадании в который вода раскручивает лопасти турбины.

Действующие и будущие проекты

Попытки воплотить в жизнь идеи использования энергии волн предпринимались ещё до двадцатого века. В частности, первая в истории официально зарегистрированная заявка на оформление патента, предусматривающего возведение морской мельницы, была подана в Париже ещё в 1799 году. Практические же попытки строительства морских электростанций предпринимались в 1890–1900 годах.

Интерес к волновой энергетике возродился уже в семидесятые годы двадцатого века, после того, как в мире разразился нефтяной кризис. В Норвегии в 1985 году появились сразу две волновых электростанции, вырабатывающие энергию в промышленных масштабах. Мощность первой первоначально составляла 500 кВт и была наращена до 850 кВт. Конструкция предусматривала генерирующую установку пневматического типа. Вторая станция мощностью 450 кВт работает по принципу «атолла» с использованием энергии набегающей волны на поверхность конусообразного типа.

Волновая электростанция в Норвегии

К настоящему времени доля использования станций, работающих на волнах, совсем невелика. По большей части реализация таких проектов носит экспериментальный характер. Тем не менее, волновая энергетика нашла своё применение в сегменте энергообеспечения отдельных автономных объектов, таких как маяки, буи, морское научно-исследовательское оборудование, буровые платформы. К примеру, на волновых генераторах сейчас во всём мире работают около четырёх сотен маяков и буёв. Крупные же электростанции можно в буквальном смысле пересчитать по пальцам, причём часть из них пока ещё находится в стадии строительства. Давайте ознакомимся ближе с самыми известными проектами.

Oceanlinx и Biowave

Австралийская компания Oceanlinx по заказу энергетического оператора Diamond Energy и при содействии Australian Renewable Energy Agency построила за $8 млн волновую электростанцию в зоне Порт-Кембла (пригород Вуллонгонга). Станцию запустили в 2005 году. В процессе эксплуатации было принято решение провести модернизацию мощностей и после некоторого перерыва волновые генераторы заработали вновь в 2009 году. Мощность объекта составляет 1 МВт, потребителям же поступает порядка 450 кВт энергии. Генераторы построены по принципу «осциллирующего водяного столба» и работают на сжатом воздухе, вытесняемом из специальных камер под воздействием морских волн. Следующий проект компании — возведение волновой станции мощностью 10 МВт.

Волновая электростанция в зоне Порт-Кембла

Ещё одна австралийская станция — BioWave — была установлена компанией BioPower Systems у побережья Порт-Фэри в 2015 году. Мощность генерирующего объекта, основное назначение которого — проверка и демонстрация возможностей волновой станции, составляет 250 кВт. На данный проект ушла более солидная сумма в $21 млн, половина из которых была профинансирована Australian Renewable Energy Agency, а ещё $5 млн выделило государство. Станция работает по принципу воздействия волн на плавающие буи-лопасти, причём полезную работу совершают как колебания поверхности моря, так и толща воды на глубине. Влияние волновых сил вызывает движение качающейся конструкции под названием O-Drive, установленной на дне, которая и раскручивает генератор.

Волновая электростанция BioWave

Aguçadoura Wave Farm и Mutriku Breakwater

В 2008 году был запущен и почти сразу приостановлен волновой проект у португальского городка Агусадова в округе Порту. Мощность станции достигала 2,25 МВт. Объект стоимостью €8 млн строился три года по шотландскому проекту, основанному на принципе «колеблющегося тела», разработанному компанией Pelamis Wave Power по заказу португальского оператора Enersis. Станция была оснащена тремя змеевидными преобразователями энергии волн Pelamis P-750. Выработанная энергия подавалась на берег, расположенный в пяти километрах от места размещения станции.

Aguçadoura Wave Farm

Получаемой энергии было вполне достаточно для обеспечения потребностей 1,6 тыс. домохозяйств в близлежащем населённом пункте Повуа-ди-Варзин. Предполагалось, что мощность будет наращена до 21 МВт путём установки дополнительных 25 преобразователей. После такой модернизации станция сможет обеспечить энергией уже 15 тыс. домов, что эквивалентно предотвращению выброса в атмосферу 60 тыс. тонн углекислого газа за год. Планам пока не суждено сбыться — станция не работает по техническим причинам. Пронедра писали ранее, что, в отличие от португальского проекта, испанская Mutriku Breakwater мощностью 300 кВт работает до сих пор и входит в топ-10 объектов альтернативной энергетики.

Oyster (Шотландия)

В акватории Северного моря, у шотландского побережья Оркнейских островов, заработала волновая станция Oyster мощностью 600 кВт, построенная местной компанией Aquamarine Power. Генератор работает с использованием донного насоса, который под воздействием волнового поплавка закачивает на берег морскую воду. Поступающая вода, в свою очередь, обеспечивает движение лопастей генератора. Станция обеспечивает энергией несколько сотен домохозяйств. В компании обсуждаются планы строительства ещё двух десятков аналогичных станций, что дало бы возможность поставлять электроэнергию ещё 9 тыс. домохозяйствам. Не исключается и вариант установки новых поплавковых насосов, которые будут подавать дополнительный объём морской воды к одному мощному гидрогенератору на побережье.

Волновая станция Oyster

Станция с защитой от штормов (Дания)

Компания Wave Star Energy в экспериментальном порядке запустила опытную установку в районе мыса Ханстхольм (Северное море), расположив её в трёх сотнях метров от побережья. Работает пока один генерирующий модуль электростанции мощностью 500 кВт. Необычность конструкции заключается в устройстве поплавков, участвующих в преобразовании кинетической энергии волн в электричество. Первоначальное авторство этой идеи, высказанной ещё в 2000 году, принадлежит спортсменам, занимавшимся парусным спортом. Разработчики предложили обеспечить полную защиту станции от штормовых волн путём предоставления полной свободы движения поплавковой системе. В частности, при высоте волны до 2,5 метра установка работает в штатном режиме. Если же волны превышают 3 метра, система поплавков просто поднимается и опускается вслед за увеличившимися колебаниями морской поверхности. Свободное перемещение поплавков обеспечивается специальными подвижными балансирами, опоры которых закрепляются на дне. Впрочем, станция имеет определённые ограничения в работе, а именно не предназначена для использования на глубинах более семи метров. Тем не менее, подходящих районов для запуска таких станций на европейской территории вполне достаточно, в том числе в Ирландии, Франции, Великобритании и Португалии.

Опытная установка в районе мыса Ханстхольм

Будущий рекордсмен по мощности — Wave Hub

В 2009 году на побережье британского графства Корнуолл (омывается Ла-Маншем и Кельтским морем) стартовало возведение крупнейшей волновой станции в мире в рамках проекта Wave Hub. Оператором проекта является компания Carnegie Wave Energy (Австралия), которая получила на строительство грант Европейского фонда регионального развития в сумме £9,6 млн для строительства первого мегаваттного генератора. Конструкция генератора предусматривает установку турбин PowerBuoy производства американской компании Ocean Power Technologies. Станция строится по технологии поплавковых рабочих тел. Проектная мощность объекта составит 50 МВт. Предполагается, что запуск станции состоится в 2018 году. Вторая очередь проекта, предусматривающая наращивание мощности выработки, рассчитана на 2020–2021 годы. По неофициальным данным, оператору уже удалось достигнуть мощности станции в 20 МВт.

Строительство инфраструктуры проекта Wave Hub

Американский «Парфенон» и проекты ВМС США

Нидерландская компания Waterstudio реализовала пилотный проект Parthenon, построив подводную стену с электрогенераторами в нью-йоркской гавани на реке Гудзон. Установка не только производит энергию экологически чистым способом, но и выступает в роли защиты прибрежной зоны и местного порта от волнового воздействия. Инновационный волнолом состоит из колонн, по внешнему виду напоминающих греческие, чем и было обусловлено название проекта. Каждая такая колонна представляет собой турбину метрового диаметра, вращающуюся в обе стороны под воздействием речных волн. В настоящее время проект имеет демонстрационный статус.

Волновая электростанция Parthenon

Parthenon не является единственным американским проектом волновой энергетики, однако как гудзонский генератор, так и остальные станции в этой стране строятся в качестве эксперимента. Эксперты полагают, что строительство и запуск волновых электростанций со временем даст возможность удовлетворить до 28% потребностей страны в энергии. Развитию идей волновых электростанций в американском государстве способствуют разработки, применяемые в военно-морских силах страны. В соответствии с программами развития флота, к 2020 году ВМС должны сократить потребление энергии из традиционных источников на 50% путём перехода на использование технологий альтернативной энергетики.

Одним из «военных проектов» волновой энергетики является экспериментальная станция, построенная на гавайских островах. По данным Минэнерго США, финансирующего данную разработку, с учётом количества американских регионов, расположенных в береговых зонах, можно сказать, что потенциал такого вида источников энергии в стране неисчерпаем. Детали проекта не разглашаются, видимо ввиду военного назначения станции. Известно лишь, что военные моряки уже могут снабжать энергией, выработанной на волновой станции, корабельные топливозаправочные комплексы морского базирования, а также населённые пункты, расположенные на побережье. Станция подключена к единой энергосистеме штата через подводный кабель километровой длины.

Кроме того, в лабораториях ВМС США проверяются на предмет эффективности новые технологии получения энергии из движения волн океана. Одна из них получила название AquaHarmonics. Разработчики технологии одержали победу в конкурсе Wave Energy Prize, организованном Минэнерго США. По данным администрации конкурса, условием для участия в нём была разработка проекта волновой электростанции, стоимость которой была бы в два раза меньше, чем у стандартных проектов при аналогичной эффективности. Создателям же энергетического конвертера AquaHarmonics удалось значительно превзойти ожидаемый результат — производительность их установки в четыре раза превысила существующие аналоги.

Ситуация в России

В России также, как и в ряде других государств, которые имеют непосредственный выход к морю, наблюдается рост заинтересованности разработчиков не только к созданию технологий альтернативной генерации на теоретическом уровне, но и непосредственно к строительству станций на территории своей страны. Первым реализованным решением в сфере волновой энергетики России стал запуск станции на полуострове Гамова в Приморье в 2014 году. Испытания технологии проводятся на базе мощностей морской научной станции «Мыс Шульца» по инициативе Уральского федерального университета, а также Тихоокеанского океанологического института РАН.

В ходе опытной эксплуатации волновой станции были получены определённые результаты, свидетельствующие в первую очередь о том, что волновая энергетика является достаточно перспективным направлением для России. Исследователи пришли к мнению о том, что волновые станции могут выполнять сразу несколько функций. Помимо выработки энергии, конструкции таких объектов могут служить в роли волногасителей и также автоматических пунктов охраны государственных границ. С другой стороны, непосредственная эксплуатация объекта показала, что повсеместное строительство волновых станций большой мощности может быть сомнительным решением до тех пор, пока активно используются проверенные временем традиционные методы генерации. В связи с этим, целесообразным представляется эксплуатация волновых станций только в малозаселённых регионах, в том числе на побережье Приморья, Дальнего Востока и на берегах Северного Ледовитого океана.

Помимо практической реализации проектов, в стране ведётся работа над созданием новых технологий генерации энергии из морских волн, а также сопутствующего оборудования в соответствии с правительственной стратегией развития «зелёной энергетики», рассчитанной до 2020 года. К примеру, в рамках исследований был оформлен российский патент на преобразователь качания рабочего тела, при любых значениях амплитуды и направления перемещения поплавка, во вращательное движение турбины. При этом поплавок связан штанговой конструкцией с преобразующим механизмом, расположенным на берегу.

Ещё одна разработка российских специалистов, работающих в проекте OceanRusEnergy, представляет собой поплавок-капсулу с удельной характеристикой генерации энергии на уровне более 4 кВт на каждую тонну веса генератора. В 2014 году проект признан лучшим стартапом Свердловского региона. Кроме того, представители проекта презентовали волновой буй — специализированный комплекс для исследования волнового потенциала в конкретных районах акватории. Исследования такого рода необходимы в том числе для определения оптимальных зон для размещения волновых электростанций. Такая техника даст возможность получить точные показатели, в отличие от методики спутниковых измерений, данных которых не являются исчерпывающими. Примечательно, что созданный OceanRusEnergy буй также работает на преобразовании энергии волн.

Генератор 640 в воде

К слову, для обеспечения работы команды OceanRusEnergy в Уральском федеральном университете создана специальная научная группа с привлечением специалистов упомянутого Тихоокеанского океанологического института. Группа планирует выпустить на рынок целую линейку продуктов, включающую десять моделей генераторов для волновых станций, две из которых уже созданы.

Плюсы и минусы волновой энергетики

Очевидно, что основным преимуществом волновой энергетики является то, что в ней используются исключительно возобновляемые источники. На фоне истощающихся запасов углеводородного сырья, глобального загрязнения окружающей среды выбросами ТЭС и снижения популярности атомных станций на фоне их повышенной опасности, любая альтернативная генерация имеет большой потенциал для развития. Помимо ценности волновой генерации в энергетическом аспекте, развитие данной отрасли будет иметь и значительный экономический эффект. По мнению World Energy Coucil, рынок строительства и эксплуатации станций мощностью до 50 МВт оценивается в $750 млрд. На рынок сопутствующего оборудования, в том числе систем дистанционного управления станциями и роботов для обслуживания, к 2025 году будут приходиться ещё $50 млрд.

Итак, энергетические преимущества волновой генерации:

• стабильные характеристики вырабатываемой энергии, в т. ч. частота и напряжение;
• независимость генерации от времени суток;
• возможность наращивания мощности в холодное время года

Дополнительные плюсы волновых станций:

• производство побочных продуктов, в том числе водорода, кислорода и тепла;
• большой срок эксплуатации станций;
• возможность установки станций на действующих причалах, мостах и в портах;
• совмещение энергогенерации с функциями волногасителей и других защитных гидротехнических сооружений

Волновая энергетика, в то же время, обладает рядом недостатков, наличие которых тормозит развитие отрасли. Основной проблемой является финансовая сторона данного сегмента — расходы на генерацию достаточно велики в сравнении с традиционными методами выработки энергии. В частности, себестоимость волновой генерации выше в несколько раз раза, чем на АЭС и ТЭС. Кроме того, волновой энергетике присущ и ряд «частных» проблем.

Характерные недостатки волновых станций:

• зависимость от меняющихся физических характеристик волн;
• нестабильность эффективности работы вследствие изменения погодных условий;
• уязвимость конструкций перед штормовыми явлениями и сильной волной;
• неиспользуемый избыток мощности по этим же причинам;
• относительно небольшая мощность генерации;
• помехи для судоходства и рыбной ловли;
• нарушение естественного газообмена морской среды, в котором участвуют волны

Энергия течений

Помимо волновой генерации, одним из перспективных направлений развития морской энергетики является использование силы течений, таких мощных, как Гольфстрим и Куросио, а также Флоридского течения. Эти течения несут в год 83, 55 и 30 млн кубометров водных масс соответственно со скоростью около 2 метра в секунду. Для того, чтобы примерно оценить потенциал только Гольфстрима, следует знать, что его мощность составляет в пределах 50 ГВт. Впрочем, в силу своих технических возможностей люди могут рассчитывать лишь на 15% этой энергии.

В любом случае, океанические течения являются привлекательным сегментом для генерирующих компаний, поскольку данный источник характеризуется стабильностью скорости, силы и направления движения воды. В настоящее время выработка энергии с использованием силы течений осуществляется при помощи насосов водяного и объёмного типа. К первым относятся погружные роторные устройства, оснащённые лопастями, которые приводятся в движение силой воды. Вторые включают в себя сопла, при движении в полости которых водные массы засасывают атмосферный воздух, раскручивающий в свою очередь пневмотурбину.

Испытания турбины в рамках проекта по освоению энергетического потенциала Гольфстрима

Эксперименты в Азии

В мире пока нет полноценных коммерческих станций, которые работают в промышленных масштабах на силе течений. Все проекты, которые уже реализованы или только находятся на стадии выполнения, носят экспериментальный характер. Одним из успешных проектов является станция, построенная в восточной части тайваньского региона и работающая на энергии течения Куросио. По данным руководителя проекта Чень Янь-иня, его исследовательская группа сумела добиться наиболее впечатляющих результатов — станция уже выработала порядка 26 кВт электроэнергии. Непосредственно мощность генератора достигает 50 Квт. По словам лидера команды, для Тайваня получения альтернативных источников энергии имеет ключевое значение, поскольку остров крайне зависим от атомной генерации.

Работают над освоением энергии тихоокеанского Куросио и в другом азиатском регионе — Японии. Интерес к альтернативной энергетике в этой стране значительно вырос после массового закрытия АЭС на фоне фукусимской катастрофы. Разработкой волновой станции совместно занялись компании NEDO, Toshiba и IHI. Выработанное решение отличается оригинальностью — турбины будут изготовлены в виде плавучих кайтов (аналог воздушных змеев), которые предназначены для размещения под водой. Каждый кайт будет закреплён на дне при помощи якоря. Их оснастят двумя турбинами, вращающимися в противоположных направлениях.

Испытания турбины в районе течения Куросио

Предполагается, что начальная мощность генераторов составит 1 Мвт. Специалисты уже подсчитали, что скорость течение в зоне возможного строительства станции составляет 20 километров в час, что с учётом плотности воды эквивалентно воздушному потоку со скоростью 180 километров в час. До конца текущего года инженеры корпораций будут проводить оценку проекта на предмет возможности его реализации. Последняя представляется достаточно сложной, поскольку установка турбин потребует трудоёмких работ глубоководных работ, а также значительных финансовых вложений.

Системы Seaflow и Seagen

С 2003 года в Великобритании не прекращается тестирование на надёжность роторных систем, рассчитанных на выработку энергии из морских течений. Первая установка получила название Seaflow, а вторым появился её модернизированный вариант Seagen. Последний запустили у побережья ирландского Странгфорда в Ольстере. Конструкция обеих турбин позволяет противостоять разрушительному воздействию колоссальных масс воды, перемещающихся с большой скоростью. В британском регионе уже запущена и третья турбина по проекту Scottish Power Renewables — у берегов Шотландии, в районе Оркнейских островов.

Американские решения

Как и в случае с волновыми станциями, реализацией проектов в сфере энергетики течений в США занимаются в том числе военно-морские силы. Один из проектов компании Eaton Corporation, разработчики которого рассчитывают на военное финансирование, предусматривает установку у флоридского побережья турбин мощностью 1 МВт. Зона расположения генератора, в роли производителя которого выступит компания Triton, специализирующаяся на постройке субмарин, будет выбрана на глубине от 30 до 500 метров, где скорость течения является стабильной и составляет до 9 километров в час.
Широкую огласку получил предстоящий коммерческий проект Coriolis. В его рамках предполагается установка во флоридском регионе 242 турбин диаметром 168 метров. При этом расстояние от верха турбины до поверхности воды достигнет 30 метров, что необходимо для предотвращения создания препятствий для судоходства. Ширина системы по фронту составит 60 километров. В зоне установки турбин ширина течения достигает 80 километров. Мощность каждой такой турбины ожидается в пределах 43 МВт. По расчётам специалистов, реализация проекта обойдётся дешевле, чем строительство и эксплуатация аналогичных по мощности ТЭС.

Результаты испытаний, которые проводились как на экспериментальных, так и на коммерческих электростанциях, свидетельствуют о том, что развитие сегмента выработки энергии из силы волн и течений морей и океанов представляется перспективным направлением, однако тормозится рядом проблем. Несмотря на сложность и трудоёмкость работы по строительству морских генерирующих объектов, очевидно, что после преодоления технических и финансовых вопросов, связанных с их постройкой, последние не только займут достойное место в мировой энергетике, но и могут потеснить на рынке традиционные электростанции.

Источник