3.3.2.3. Ветровая энергия

Около 25 % солнечной радиации, достигающей нижних слоев атмосферы, превращается в кинетическую энергию ветра.²

Общий годовой потенциал ветровой энергии Земли оценивается в огромную цифру – 17,1 тыс. ТВт*ч и значительно превышает энергетические потребности человечества.³ При этом ветер - не только практически неисчерпаемый энергетический ресурс, но и доступный, безопасный, а также экологически чистый источник энергии.

Использование энергии ветра является одним из самых эффективных способов обеспечения энергетических потребностей в XXI веке; ветроэнергетические установки по эффективности сопоставимы с лучшими гидроэлектростанциями.²

Ветроэнергетика является сегодня ведущей и самой инвестиционноемкой отраслью альтернативной энергетики в мире, которая приносит прибыль без государственных субсидий.⁴

Для энергии ветра часто необходима передача на большие расстояния, поскольку центры ее потребления не всегда находятся в регионах с достаточным ветровым режимом (особенно это касается прибрежных ветровых установок). Министры энергетики 10 стран Евросоюза (Бельгии, Великобритании, Германии, Дании, Ирландии, Люксембурга, Нидерландов, Норвегии, Франции, Швеции), расположенных на побережье Северного моря и по соседству с ним, подписали в конце 2010 г. в Брюсселе меморандум о реализации проекта создания единой оффшорной сети ветроэнергетических установок (ВЭУ) общей мощностью 140 ГВт.¹ Это позволит избежать зависимости потребителей электричества от местных погодных условий.

С целью снижения себестоимости электроэнергии, вырабатываемой на ВЭУ идет поиск новых технических решений, позволяющих снизить капитальные затраты на установку энергоустановок. Так, например, турбина с двумя лопастями, изобретенная специалистами Nordic в отличие от трехлопастной дольше служит, ее дешевле и легче транспортировать, проще устанавливать и обслуживать. Двухлопастная технология позволяет снизить стоимость ветроустановки на 10%, а себестоимость ее монтажа — на 25-30%. Эта технология пригодна стран, где много регионов с неразвитой инфраструктурой.²

Другая технология датских ученых в сотрудничестве с зарубежными партнерами позволит снизить капитальные затраты для ветроустановок, расположенных в шельфовой зоне. Это принципиально новая конструкция ВЭУ с вращающейся плавающей подводной конструкцией. Плавающие ВЭУ экономически более оправданы так как стоимость материалов и их транспортировки при строительстве фундаментов для традиционных ВЭУ оказывается слишком высокой.

Технология «плавающих ВЭУ» открывает возможность размещения ветропарков неподалеку от больших городов, на глубоководных участках у побережья, где дуют более стабильные и сильные ветры. Такие места есть в Европе, Азии и Северной Америке.³

3.3.2.4. Энергия моря

Энергия морских приливов

Притяжение Луны и Солнца порождают в Мировом океане приливную волну. Максимальная высота приливо-отливных колебаний в заливе Фанди на атлантическом побережье Канады составляет 19,6 м. В Мезенском заливе Белого моря эта высота равна 10 м, в Пенжинской губе Охотского моря - 13 м. Скорости приливо-отливных течений достигают 4 м/с, плотности энергии при этом составляют до 4 кВт/м². Благоприятными условиями для строительства приливных электростанций (ПЭС) являются значительные высоты прилива, большая площадь бассейна, малая длина створа и соответственно малые затраты на строительство плотины.¹

Суммарная мощность морских приливов оценивается в диапазоне - от 1 до 4 млрд кВт, в то время как мощность водотоков всех рек - в 850 млн кВт, поэтому ПЭС как вид возобновляемой энергетики являются одним из самых перспективных.²

ПЭС по сравнению с гидроэлектростанциями имеют ряд серьезных преимуществ: нет нужды в водохранилищах, занимающих огромные территории; выработка ПЭС не зависит от колебаний стока, Но главное – на ПЭС в принципе невозможна авария с такими последствиями, как на ГЭС.

Главным препятствием для проектирования и строительства ПЭС являются суточная неравномерность и прерывистость приливной энергии.

Благоприятные условия для строительства ПЭС имеются в 23 странах мира. Общее количество пунктов, в которых сооружение ПЭС экономически оправданно около 80.

Bceгo в настоящее время в мире действуют десять напорных ПЭС: ПЭС «Ране» во Франции, Кислогубская ПЭС в России, семь ПЭС в Китае суммарной мощностью 10 МВт (построенные в 1971—1980 гг.) и ПЭС «Аннаполис» в Канаде (20 МВт, 1985 г.).

Хотя приливная энергия является предсказуемой и весьма надежной формой возобновляемой энергии, однако при ее преобразовании существуют и некоторые неудобства:

• несовпадение основных периодов возникновения приливов с привычным для человека периодом солнечных суток;

• изменение высоты прилива и мощности приливного течения с периодом в две недели;

• необходимость создания больших потоков воды с большим расходом при малом перепаде высот, что заставляет использовать большое количество сравнительно маломощных турбин, работающих параллельно;

• более высокие в сравнении с ГЭС капитальные затраты на сооружение.

С целью устранения несовпадения во времени прохождения максимума нагрузки и выработки энергии ПЭС были предложены многобассейные схемы ПЭС, однако их стоимость резко возрастает. Идеальным вариантом адаптации ПЭС к графикам суточного потребления может быть совместное использование ПЭС и располагаемой рядом ГАЭС.

Другим направлением использования приливной энергии, снижающем капитальные затраты на строительство электростанции, является применение свободнопоточных турбин, помещаемых в потоке приливного течения. Несколько лет назад у берегов Великобритании начала работать опытная электростанция, использующая энергию приливных течений. Установку построила компания «Marine Current Turbines» совместно с партнерами из Германии. Проект финансируется правительствами двух стран и Европейской комиссией. Следующий этап этого проекта - создание «фермы» приливных турбин общей мощностью 4-5 МВт. Недостаток свободнопоточных турбин - пониженный КПД.¹

Энергия морских волн и турбулентности

С точки зрения энергетики морские волны представляют собой концентрированную форму ветровой энергии. Средняя для океанских волн энергия оценивается в 50 кВт/м.¹ В основе работы волновых преобразователей энергии лежит воздействие волн на рабочие органы, выполненные в виде поплавков, маятников, лопастей, оболочек и т.п. Механическая энергия их перемещений с помощью электрогенераторов преобразуется в электрическую. Существуют также преобразователи, использующие энергию колеблющегося водяного столба, вызывающего изменение давления воздуха над жидкостью. В Японии в 1976 г. построена энергоустановка «Каймей» («Морской свет») - самая мощная действующая энергетическая установка с пневматическими преобразователями мощностью 1000 кВт. В Норвегии с 1985 г. действует первая в мире промышленная волновая станция мощностью 850 кВт.

В Португалии в 2008 г. в районе Агусадора, в 5 км от берега введена в строй электростанция мощность которой планируется довести до 21 МВт. Это позволит снизить выбросы углекислого газа тепловыми станциями на 60 тыс. т. в год.

В Великобритании (г. Эдинбург) компания Aquamarine Power совместно с ирландской компанией Airtricity (подразделением компании Scottish and Southern Energy) к 2020 году планируют построить в Великобритании и Ирландии россыпь приливных и волновых электростанций общей мощностью в один гига ватт.

К 2020г. в Британии общая доля морской энергии может достичь около 10%, а Шотландия намерена в том же году половину своего энергопотребления обеспечивать за счет ветра, приливов и волн.²

Американские ученые предложили использовать для выработки энергии явление турбулентности, превратив турбулентные движения из главного недостатка океана в важнейшее его достоинство — неиссякаемый источник энергии. Для коммерциализации новой технологии выработки электроэнергии разработчики создали компанию «Vortex Hydro Energy», которая сегодня уже имеет таких серьезных партнеров, как Министерство энергетики и Управление военно-морских исследований США.

Разработчики планируют запустить пилотную установку мощностью 50 кВт на реке Детройт и убеждены, что вскоре в прибрежных районах Мирового океана появится немало таких установок, суммарная мощность которых превысит 1 ГВт.

Для преобразования механической энергии волн в электрическую сегодня предложены десятки разнообразных схем, которым предстоит найти свое практическое применение в будущем.¹

Энергия разницы температур в Мировом океане

Мировой океан — крупнейший естественный коллектор солнечного излучения. В нем между теплыми, поглощающими солнечное излучение, поверхностными водами и более холодными придонными существует разность температур в 10—20ºC. Особый интерес представляется в Арктике, где в зимнее время температуры воздуха ниже -20°С при относительно постоянных температурах воды подо льдом (+2 - +3°С). Расчеты показывают, что при таком перепаде температур каждый 1 м3 морской воды, пропущенный за 1 с через преобразователь, позволит получить около 10 кВт мощности при КПД установки 5 %.²

Компактные установки, способные обеспечить военно-морские базы электричеством и питьевой водой, крайне актуальны для ВМФ США. Корпорация Lockheed Martin к 2015 году по контракту с ВМФ должна запустить на Гавайях пилотную тепловую электростанцию мощностью 5 МВт. Если она оправдает надежды, то партнеры приступят к реализации сразу двух больших проектов мощностью 100 МВт на Гавайях и на острове Гуам. Кроме того, в течение двух лет на удаленной базе Диего Гарсия компания OCEES International начнет строить для моряков небольшую установку в 13 МВт нетто-мощности, которая заменит нынешние дизель-генераторы и будет выдавать по 4,7 млн. литров пресной воды в сутки.

Активная коммерческая генерация энергии из температурного градиента океана начнется через 20-30 лет.¹

Использование энергии океанских течений

Наиболее мощные течения океана — крупный потенциальный источник энергии.

Особенно интересен в этом отношении Атлантический океан (Гольфстрим, Северное Пассатное, Бенгельское, Гвинейское, Флоридское течения). В Тихом океане внимание привлекают течение Куросио и экваториальные течения, которые использовались древними цивилизациями при освоении новых тихоокеанских островов и континентов. Могут быть также использованы течения в различных проливах: Гибралтарском, Баб-эль-Мандебском, в Ла-Манше, между островами Курильской гряды и т. д. В узких и не слишком глубоких проливах системы Ла-Манш и в проливах между некоторыми островами Курильской гряды нередки течения со скоростями до 10 м/с.

Однако практическое создание океанских электростанций на энергии течений связано с рядом технических трудностей, прежде всего с созданием энергетических установок больших размеров, представляющих потенциальную угрозу судоходству. В качестве других недостатков следует отметить подверженность этих конструкций обрастанию и коррозии, а также сложности передачи энергии.

В США фирмой «Гольфстрим энержи» разрабатывается проект строительства океанской электростанции мощностью 136 МВт на Гольфстриме во Флоридском проливе. Эта электростанция может стать «первой ласточкой» в освоении энергии Мирового океана. Японские ученые, считают очень эффективным применение подобных сооружений на тихоокеанском течении Куросио.¹