Болятко Екология ядерной и возобновляемой енергетики 2010

Важное преимущество ветровых волн и зыби – возможность использовать их энергию в акваториях с любыми географическими условиями без строительства больших и дорогих плотин. В целом серьёзным препятствием развития энергетики на ресурсе морских волн является их изменчивый сезонный и суточный характер. Тем не менее в настоящее время в мире эксплуатируются около 1000 автономных навигационных буев, использующих энергию воды, и прогнозируется получение от океанских волн мощности не менее 10 ГВт.

5.2. Приливные электростанции

Приливы и отливы, ежедневно возникающие на побережьях океанов, вызваны воздействием Луны. Из-за её притяжения подвижная водная поверхность вытягивается, образуя два «горба»: один со стороны Луны, другой – с противоположной. Они перемещаются благодаря вращению Земли, а на побережьях наблюдаются два прилива и два отлива в сутки (рис. 5.4). Солнце своим притяжением тоже вызывает приливы, но из-за удалённости его от нашей планеты солнечные приливы слабее лунных.

Воткрытом океане приливы практически не ощущаются, а проявляются лишь у побережья, где приливная волна выходит на мелководье. Например, для Атлантического побережья подъём уровня воды составляет 1–3 м. В узких местах морей, в пределах вытянутых эстуариев рек и широких отмелей высота подъёма воды может достигать 18 м (берега Канады).

Впроектах приливных электростанций (ПЭС) обычно предусматривается создание двух бассейнов – верхового и низового – с водопропускными отверстиями и затворами. Верховой бассейн наполняется во время прилива, а затем опорожняется в низовой, опорожнившийся при отливе. Приливно-отливная вода, движущаяся в обоих направлениях, используется для вращения турбин

(рис. 5.5).

Высота приливной волны H увеличивается как

где d – глубина и L – ширина бассейна.

Величину прилива можно оценить по формуле [5] для приливного потенциала W, кВт· ч:

161

где Hср – средняя величина прилива, м; S – площадь бассейна, м2.

Однако для практических оценок величину технического потенциала (ПЭС) двухстороннего действия при условии работы с максимальной выработкой энергии при реальном значении КПД турбин следует заменить числовой коэффициент в формуле (5.8) на значение 0,64 · 106.

Получаемая энергия может использоваться там, где есть значительные области с приливно-отливными потоками и большими (6 м и более) перепадами уровней при отливе и приливе.

На Земле не так много мест, где выполняются эти условия: побережья штата Мэн (США) и провинции Нью-Брансуик (Канада), некоторые заливы Желтого моря, Персидский залив, Аляска, некоторые побережья Аргентины, юг Англии, север Франции, север европейской России и ряд заливов Австралии. Но и в таких подходящих местах в настоящее время вряд ли могли бы по стоимости вырабатываемой электроэнергии ПЭС конкурировать с современными ТЭС.

На рис. 5.6 показана схема распространения волны и наполнения водоёма, отделённого от океана плотиной с дополнительной подкачкой воды в момент высокой волны.

Впервые использование приливной энергии в заливах или устьях рек было осуществлено во Франции и в России. В 1967 г. во Франции в устье р. Ла-Ранс, впадающей в пролив Ла-Манш, где средняя амплитуда приливов составляет 8,4 м, была введена в эксплуатацию первая промышленная приливная электростанция мощностью 240 МВт, состоящая из 24 агрегатов (рис. 5.7).

В России c 1968 г. на побережье Баренцева моря действует Кислогубская ПЭС мощностью 1,7 МВт. В России апробирован наплавной способ строительства: на Белом море работает Кольская ПЭС. Она представляет собой бетонный плавучий блок, который поднимаясь во время прилива и опускаясь при отливе, накапливает водную энергию, направляет её в гидравлические турбины, вращающие генераторы, которые вырабатывают электроэнергию.

Имеются дальнейшие перспективы реализации энергии морских приливов. Опыт эксплуатации показал, что ПЭС устойчиво работают в энергосистемах в пике нагрузок при гарантированной по-

162

стоянной месячной выработке электроэнергии. Они не загрязняют атмосферу вредными выбросами, не затапливают земель и не представляют потенциальной опасности. Капитальные вложения на сооружения ПЭС не превышают затрат на ГЭС, и стоимость электроэнергии самая дешёвая в энергосистеме.

Несмотря на ряд преимуществ, строительство таких станций ограничено малым числом мест, где оно экономически выгодно. Кроме того, импульсивный характер работы ПЭС нуждается в создании накопителей энергии большой ёмкости и мощности.

Распространению приливных электростанций препятствуют, по крайне мере, два момента: суточная и месячная неравномерность, связанная с вращением Земли и вращением Луны вокруг Земли. Эта неравномерность ведёт к переменной мощности приливных станций.

ПЭС имеют сравнительно небольшой технический потенциал (≈0,014 Q/год), поэтому они могут представлять лишь региональный интерес.

Что касается перспектив приливной энергетики в России, то следует отметить: в силу природных условий проектируемые ПЭС должны обладать весьма большой мощностью в несколько тысяч МВт с большим числом (по нескольку сотен) гидроагрегатов на каждой станции. Это влечёт за собой весьма длительные сроки строительства, огромные капиталовложения и делает создание этих ПЭС предметом отдалённого будущего. Сейчас подготовлены проекты Мезенской станции на Белом море мощностью 11 ГВт и Тугурской ПЭС в Охотском море (8 ГВт).

В настоящее время в мире работают 10 приливных станций. По оценкам специалистов, использование приливных станций может покрыть 15–20 % потребностей в электроэнергии.

5.3. Использование геотермального тепла

Рассмотрим другой прибыльный быстро развивающийся альтернативный источник: геотермальную энергию. В среднем из недр Земли к поверхности поступает тепло мощностью 32 млрд кВт, но эта энергия сильно рассеяна.

В настоящее время в сравнении с инсталлированной мощностью около 10,5 ГВт геотермальная энергия не достигла масштаба использования ветровой (~142 ГВт) и солнечной (более 18 ГВт) энер-

163

гии. Однако необычайно эффективная геотермальная энергия широко распространяется, и, по оценкам специалистов, в следующие пять лет её мощность удвоится.

В отличие от ветра и солнца, геотермальное тепло имеет высокую способность обеспечивать постоянной энергией независимо от климатических условий. Главные достоинства геотермальной энергии – её практическая неиссякаемость и полная независимость от условий окружающей среды, времени суток и года.

Геотермальная энергия представляет собой естественное тепло земного ядра, которое имеет температуру даже выше, чем солнечная поверхность. Только в верхнем трёхкилометровом слое Земли запасено тепловой энергии, эквивалентной энергии примерно 300 млрд т угля. Чистый, возобновляемый источник национальной энергии, которая не может никогда быть переправлена за границу страны.

Температура геотермальных вод изменяется от 30 до 300 °С, от слаботермальных до перегретых, а по степени минерализации – от пресных до крепких рассолов (более 100 г/л). Скорость водоотдачи изменяется в пределах 0,005–0,02 м3/с. По газовому составу воды делятся на агрессивные (углекислые и сероводородные) и нейтральные (азотные и метановые).

Фактически первое индустриальное применение сухого пара геотермального тепла произошло в Италии (месторождение Лардерелло) в 1904 г., и с тех пор предприятие безупречно даёт энергию 1 млн жителей (рис. 5.8).

Старейшие и наиболее эффективные по применению геотермальной энергии – промышленные системы, использующие сухой геотермальный пар, поднимающийся прямо из скважины подземного резервуара на турбины генератора, вырабатывающего электричество. Другая область использования геотермальной энергии – извлечение горячей воды под давлением из подземных резервуаров и перекачивание её в ёмкости для снижения давления, вызывающее образование пара, вращающего турбины. Затем охлаждённый пар конденсируется в воду, которая возвращается в подземные резервуары для повторного использования. В настоящее время большинство предприятий применяют именно такую технологию.

Геотермальное тепло можно использовать не только для работы турбин, но и теплоснабжения зданий, бассейнов, таяния снега и

164

льда на улицах городов, как, например, это происходит в Исландии, где 57 % электричества и 87 % тепла дают геотермальные источники.

Бинарный геотермальный цикл предлагает развивать энергетическую мощность для тех мест, где нет достаточного тепла для получения пара. В этом случае умеренно горячую воду пропускают через вспомогательный газ, который превращает её в пар при более низкой температуре, чем вода. Потом этот вторичный раствор превращается в пар, использующийся для работы турбины.

Запасы геотермальных вод и пароводяных смесей в некоторых районах стран СНГ оцениваются в 25 млн м3/сут (воды) и 500 тыс. т/сут (пара) в том числе: Западная Сибирь 54 %, Кавказ 10 % Восточная Сибирь и Дальний Восток 17 %.

ВРоссии, на Камчатке, с 1960 г. действует Паужетская ГеоТЭС мощностью 11 МВт. На Камчатке сегодня есть 73-мегаваттные генерирующие мощности, работающие на геотермальной энергии. Эти мощности производят четверть региональной электроэнергии

изначительно уменьшают зависимость региона от дорогого привозного топлива.

Проектируются станции на Камчатке, в Ставропольском крае и Дагестане. Общие тепловые ресурсы термальных вод в России оценивают в 500 МВт.

ВКалифорнии, на месторождении Большие Гейзеры, построены самые крупные в мире ГеоТЭС общей мощностью 900 МВт, где параллельно из термальной воды извлекаются полезные ископаемые. В Германии, вблизи Мюнхена, намечено построить геотермальную установку мощностью 25 МВт для снабжения теплом здания, для чего будет пробурена скважина глубиной 1700 м, отку-

да будет поступать вода с температурой до 90 °С.

В Новой Зеландии земная кора в ряде месторождений прогрета до самой поверхности, и пар появляется уже на глубине 30–60 м. Максимальная температура 263 °С получена на глубинах до 600 м, скважины дают около 25 т высококачественного пара в час и более 150 т перегретой воды. Пар содержит мало коррозирующих примесей.

165

5.4. Энергия растворения пресных вод в океане

Этот вид возобновляемых энергетических ресурсов основан на преобразовании части тепловой энергии океана при испарении воды с его поверхности. Известно, что на процессы испарения затрачивается более 50 % солнечной энергии.

При поступлении пресной воды в виде осадков и речного стока в океан в процессе смешивания с солёными водами выделяется энергия, пропорциональная величине изменения энтропии системы «пресная вода – океанская вода».

В случае растворения в объёме V некоторого количества вещества (массы m, молярной массы µ) равновесное значение осмотического давления P определяется так:

где α – степень диссоциации молекул растворимого вещества; k – число ионов, образующихся при диссоциации; R – универсальная газовая постоянная; T – температура. При сложном составе раствора осмотическое давление определяется как сумма парциальных, создаваемых всеми входящими растворимыми компонентами с их собственными µ, k, α.

Величина равновесного осмотического давления характеризует максимальную плотность энергии, соответствующую градиенту концентрации между растворителем и раствором. Для морской воды с солёностью 35‰ осмотическое давление равно примерно 2,4·106 Па и по величине близко к средней плотности температурного градиента в океане.

В свою очередь, равновесное значение полной энергии растворения, связанной с глобальным круговоротом воды, определяется величиной испаряемой массы воды (1,2 · 107 м3/с), а средняя мощность такого источника станет равной почти 30 ТВт. С учётом технического использования только части этой мощности, а также невысокого КПД преобразования солёностной энергии (от 3 до 20 %), величина мощности уменьшится до 9 ГВт. Но даже при минимальном значении КПД возможности этого источника оказываются сравнимыми с возможностями теплового градиента океанских вод при примерно равной плотности энергии. Однако техническая про-

166

работка последнего способа получения энергии на 10 лет опережает таковую для преобразования градиента солёности.

Перспективным вариантом преобразования энергии растворения может оказаться использования запасов солей в солевых куполах (рис. 5.9), служащих сейчас естественным хранилищем нефти.

Например, много таких куполов расположено в море вдоль Мексиканского залива, где ведётся интенсивная добыча нефти. Оценки показывают, что при среднем содержании соли в куполе примерно 7 млрд т и при максимальной эффективности можно получить 22 млн т у.т., в то время как запас нефти всего 14 млн т.

В нашей стране значительное количество солёностной энергии выделяется в дельтах ряда рек (например, Амура), впадающих в моря, связанные с океаном. При использовании только 10 % его среднего стока (11 тыс. м3/с) и КПД = 20 % вырабатывается энергия примерно 2 ГВт.

5.5. Влияние гидроэнергетики на окружающую среду

Общее мировое производство электроэнергии в наше время достигло величины порядка 16 млн ГВт ч в год, из них 17 % приходится на гидростанции, и, несмотря на строительство новых гидростанций, их доля в производстве энергии снижается. В перспективе мировое производство энергии на ГЭС не будет превышать 5 % от общего производства энергии. Широкое освоение гидроэнергии подтвердило общий тезис, что ни одно энергетическое нововведение не обходилось без ущерба для среды. Более того, не удавалось даже предсказать, где будут возможные потери. Так, особенностью широкомасштабного использования океанской энергетики является появление нового типа воздействия на среду в области, формирующей и поддерживающей на границе гидро- и атмосферы климатические условия, обеспечивающие жизнь на планете.

С одной стороны, энергетика на возобновляемых ресурсах океана не затрагивает запасов ископаемого топлива, не даёт увеличение в атмосфере концентрации вредных химических веществ и аэрозолей. А с другой стороны, тезис об экологической чистоте гидроэнергетических технологий со временем подвергнут сомнению.

В СССР в результате реализации общегосударственной программы бурного освоения гидроэнергетических ресурсов затоплен-

167

ными оказались громадные территории, и общие потери земель составили около 100 000 км2. Переселение людей с обжитых плодородных территорий даже превысило эвакуацию населения из Чернобыльской зоны.

Немалую роль играют перераспределение грунтовых вод, цветение воды, уничтожение нерестилищ ценных пород рыб, влияние гигантских площадей водохранилищ (в нашей стране − до 6500 км2) на изменение регионального климата.

Подъем грунтовых вод, вызванный этими водохранилищами, приводит к подтапливанию, заболачиванию, засолению близлежащих территорий и, как результат, к изъятию сельскохозяйственных угодий. Дамбы для электростанций вызывают затопление прилегающих земель и нарушают свободное течение рек. После строительства на Волге каскада из восьми ГЭС места нерестилищ осетровых рыб сократились более чем в 10 раз.

Имеются данные, что в результате заиления водохранилища теряют свою ценность как энергетические объекты через 50–100 лет после их строительства. Например, подсчитано, что высотная Асуанская плотина, построенная на Ниле в 1960-е гг., будет наполовину заилена уже к 2025 г.

Серьёзную опасность представляют высотные плотины при их случайном или преднамеренном разрушении. При строительстве станций в горах существуют проблемы, связанные с сейсмостойкостью, возможностью образования трещин в плотине и даже её разрушением.

Крупнейшей аварией за всю историю ГЭС является прорыв плотины китайского водохранилища Банкяо в 1975 г. Выпадение обильных осадков переполнило водохранилище, шлюзовые затворки оказались заблокированы, началось разрушение боковых дамб и основной плотины. В результате каскадного разрушения плотин ниже по течению сразу погибло 26 тыс. человек, а после затопления утонуло ещё 145 тыс. Общее число пострадавших составило

11млн человек.

В1979 г. в Индии из-за перелива и последующего разрушения плотины произошла крупнейшая катастрофа, жертвами которой стало более 2000 человек.

Крупнейшая в истории катастрофа на гидроэнергетическом объекте России и одна из самых значительных в истории мировой гид-

168

роэнергетики – авария на Саяно-Шушенской ГЭС. Эта индустриальная техногенная катастрофа произошла в августе 2009 г. В результате аварии погибло 75 человек, разрушены девять из десяти гидроагрегатов, помещениям станции нанесён серьёзный ущерб, работа станции приостановлена. Последствия аварии сказались на экологической обстановке акватории, прилегающей к ГЭС, на экономике региона. Непосредственной причиной аварии было названо усталостное разрушение шпилек крепления крышки турбины гидроагрегата, что привело к её срыву и затоплению машинного зала станции.

При преобразовании любых видов океанической энергии неминуемы определенные изменения естественного состояния затрагиваемых экосистем. К отрицательным последствиям гидротермальной энергетики можно отнести возможные утечки загрязняющих океан веществ, выделение CO2 из воды, появление региональных и биологических аномалий.

Строительство приливных электростанций и использование волновой энергетики неблагоприятно сказываются на состоянии побережья: изменяются условия подтопления, засоления, размыва берегов, формирование пляжей и т.д.

Например, промышленным стокам, загрязняющим воды Мирового океана, мешают распространяться естественные барьеры, создаваемые в океане градиентами температуры, плотности, солёности, скорости. Развитие океанской энергетики предусматривает как раз возможность воздействия на эти барьеры. Кроме того, в прибрежных районах могут возникнуть новые искусственные водоразделы, препятствующие оттоку загрязнённых вод в результате эксплуатации протяжённых сетей волновых электростанций.

Работа океанских тепловых электростанций может стать источником увеличения в атмосфере концентрации углекислого газа за счёт выхода растворённого газа на поверхность из глубинных слоёв в результате нагревания и снижения давления. Особенно интенсивно этот процесс может идти в теплообменниках станций.

Требует детального рассмотрения воздействие океанских станций на биопродуктивность океана: с одной стороны, подъём холодных вод богатых биогенными солями и повышение концентрации растворённого кислорода будут способствовать росту биопро-

169

дукции, но, с другой стороны, сброс холодных вод может привести к гибели теплолюбивых видов морских организмов.

По величине рассеяния приливной энергии можно оценить общую мощность Мирового океана: половина всей энергии расходуется на трение о дно в мелководных прибрежных морях. Эта величина составляет примерно 10 000 ТВт· ч/год при мощности порядка 1 ТВт. Из-за ограниченности мест, где целесообразно строить ПЭС, общая мощность реальных станций оценивается только в 200 ГВт, что составляет по годовой выработке только несколько процентов от прогнозируемого потребления энергии.

Существует мнение, что увеличение приливного трения за счёт использования энергии приливов может привести к существенному изменению скорости вращения планеты в течение достаточно короткого геологического времени. Приливное трение замедляет вращение Земли вокруг своей оси. Так, 400 млн лет тому назад скорость вращения планеты была в 1,1 раза больше, а земной год состоял из более 400 сут. Следовательно, величину преобразования приливной энергии следует значительно (до 3 раз) уменьшить.

Любые варианты преобразования волновой энергии изменяют естественный волновой режим побережья, воздействуют на условия существования гидробионтов.

Геотермальные воды используются двумя способами: фонтанным (теплоноситель сбрасывается в окружающую среду) и циркуляционным (теплоноситель закачивается обратно в продуктивную толщу). Первый способ дешевле, но экологически небезопасен, второй – дороже, но обеспечивает сохранность окружающей среды, поскольку в термальных водах содержится большое количество солей различных токсичных металлов и химических соединений, а также радионуклидов.

Значительную нагрузку окружающая среда испытывает в период разработки месторождения, строительства паропроводов и здания геотермальной электростанции, но оно обычно ограничено районом месторождения. Например, для работы станции мощностью 1000 МВт требуется 150 скважин, которые занимают территорию более 19 км2. Геотермальные станции, имея КПД в 2−3 раза меньше, чем АЭС и ТЭС, дают в 2−3 раза больше тепловых выбросов в атмосферу и требуют в 4–5 раз больше охлаждающей воды по сравнению с ТЭС.

170