Есть ли будущее у волновых электростанций? Почему это выгодно? Волновые электростанции в России.

Типы волновых электростанций: плюсы и минусы

Есть ли будущее у волновых электростанций? Почему это выгодно? Волновые электростанции в России.

24 декабря 2021

Долгое время в качестве основных источников энергии использовались уголь, нефть и газ. В связи с уменьшением объема этих ресурсов большой толчок в развитии получила альтернативная энергетика.

Примером служат волновые электростанции. Они помогают использовать колоссальную энергию океанов, морей и рек.

Существуют разные типы волновых электростанций (ВЭС), но в основе каждой лежит преобразование механического действия волн.

Устройство ВЭС, работающих по принципу качения

Подобные сооружения располагают на воде. В процессе их строительства учитывают два типа энергии. Первой можно назвать энергию поверхностного качения волн. Здесь используется их способность раскачивать поплавки. Так называют особые преобразователи, которые отслеживают профиль волны. Существует несколько видов поплавков.

«Утка» Солтера

Такое необычное название присвоили цепочке из большого количества поплавков, установленных на одном валу. Чтобы обеспечить эффективную работу ВЭС, их должно быть не менее 20-30 шт. «Утка» – это и есть тот поплавок. Он был разработан инженером Стивеном Солтером. Еще изобретение называют эдинбургской «уткой». Как работает волновая электростанция такого типа:

  1. Волны заставляют поплавки двигаться, но за счет своего веса они возвращаются в начальное положение.
  2. Это заставляет прийти в движение и насосы внутри вала. Предварительно их заполняют специально подготовленной водой.
  3. Далее приводятся в действие турбины между поплавками.
  4. Вырабатывается энергия, которую передают на берег по кабелю на дне.

Подобные системы уже работают. Они расположены у западных берегов Британских островов для обеспечения электроэнергией Великобритании. Мощность установки составляет 45 тыс. кВт. Ее вырабатывают 20-30 поплавков диаметром 15 м на валу длиной 1,2 км.

Преобразователи Pelamis

Так называемые «морские змеи» Pelamis представлены секциями. Они имеют цилиндрическую форму и соединяются между собой шарнирами. Сооружение в воде полузатоплено. Принцип работы волновой электростанции очень прост. Энергия вырабатывается в несколько этапов:

  1. Конструкция начинает изгибаться под влиянием волн.
  2. Гидравлические поршни, расположенные в местах соединения, начинают перемещаться, тем самым перекачивая масло через двигатели.
  3. Последние приводят во вращение электрогенераторы.
  4. Они вырабатывают электричество, которое до берега передают по кабелю, идущему от поплавка на дно.

Несколько подобных «змей» объединяют между собой, а электричество с них передают по одному кабелю. Мощность одной такой ВЭС достигает 21 МВт, что достаточно для снабжения электричеством 15 тыс. домов. Изобретение принадлежит специалистам компании «Океанское энергоснабжение» в Эдинбурге, где подобную ВЭС используют для энергообеспечения местных жителей. Из ее минусов называют:

  • значение среднегодового коэффициента мощности меньше 0,4;
  • завышенный уровень удельных капитальных затрат (суммы затрат при строительстве одного комплекса, деленной на единицу полученного продукта);
  • высокая материалоемкость (количество материалов на производство).

Контурный плот Коккереля

В основе схемы работы волновой электростанции такого типа тоже лежит перемещение относительного друг друга секций, которые соединены шарнирами. Возникшие колебания принимают на себя насосы с электрогенераторами. Плот длиной 100 м, высотой 10 м и шириной 50 м, состоящий из 3 секций, выдает мощность до 2 тыс. кВт.

Эффективность модели достигает 45%, что меньше по сравнению с «уткой» Солтера, но зато конструкция плота схожа с судостроительной. Первое испытание изобретения было проведено в проливе Солент под городом Саутгемптон. Оно было частью проекта «Волновая ферма» фирмы Pelamis Wave Power. Для передачи электроэнергии на берег тоже используют кабель, расположенный на дне моря.

Кинетическая энергия волн в ВЭС

Кинетическая энергия волн просто огромна. К примеру, на шотландском побережье они смогли выломать и сдвинуть каменный блок весом 1350 т. При ударе о побережье длиной 10 миль волн высотой 1 м за 10 секунд вырабатывается более 35 тыс. л. с. мощности. Кинетическую энергию используют двумя способами.

  • волну пропускают через полую камеру, чтобы она вытолкнула воздух, который заставит турбину вращаться;
  • волну направляют в трубу большого диаметра, где она вращает турбинные лопасти, тем самым запуская генератор.

В основе обоих методов лежит один принцип – применение энергии колеблющегося столба воды. При регуляции потока делают так, чтобы он проходил через турбину только в одном направлении.

Плюс таких ВЭС в том, что скорость воздушного потока легко изменить в большую сторону. Этого достигают за счет уменьшения диаметра проходного канала.

В результате даже медленные волны заставляют турбины вращаться с высокой частотой.

Плюсы волновых электростанций

У разных волновых электростанций свои плюсы и минусы, но можно выделить несколько общих пунктов. Преимущества заключаются не только в том, что ВЭС – это хорошая альтернатива нефти, газу и углю. Ученые считают, что именно за волновыми электростанциями будущее. Тому есть веские причины:

  • Станции гасят волны, чем обеспечивают безопасность портов, гаваней и береговых сооружений от разрушений.
  • Можно уменьшить воздействие воды на опоры мостов, если устанавливать на них небольшие волновые генераторы.
  • Волновая энергетика выгоднее, чем ветровая, поскольку удельная мощность волн выше, чем ветра.

Недостатки ВЭС

На ВЭС приходится около 1% всей вырабатываемой электроэнергии, хотя они имеют большой потенциал. Ограничение в использовании связано с ценами на электроэнергию. В сравнении с 1 кВт, сгенерированным на АЭС или ТЭС, тот же киловатт на ВЭС будет стоить в разы дороже. К недостаткам относят и следующее:

  • при покрытии преобразователями значительных площадей акватории можно нанести вред экологии, ведь волны важны для газообмена атмосферы и океана;
  • некоторые типы волновых генераторов опасны для судоходства, что может уменьшить количество рыбаков в крупных рыбопромышленных зонах.

Учитывая достоинства и недостатки волновых электростанций, можно сделать вывод об их эффективности. Сегодня ВЭС нашли свое применение для обеспечения электроэнергией сравнительно небольших объектов.

К ним относят автономные маяки, маленькие поселения, береговые сооружения и буровые платформы. Специалисты продолжают работать над улучшением конструкции ВЭС с целью снизить стоимость получаемой энергии.

Волновые электростанции

Есть ли будущее у волновых электростанций? Почему это выгодно? Волновые электростанции в России.

Волновая электростанция — это электрическая станция, которая располагается в водной природной среде с целью получения электроэнергии из кинетической энергии водных масс. Океаны обладают колоссальной энергией, но человек пока только начинает ее осваивать. Именно эту задачу и выполняют волновые электростанции.

Принцип работы

Принцип работы волновой электростанции основан на преобразовании кинетической энергии волн в электрическую. Существует несколько способов устройства подобных станций различных по принципу работы и конструкции.

  1. Принцип «осциллирующего водяного столба». В этом конструктивном варианте волны,
    осуществляя толчковые движения, заполняют собой специально изготовленные камеры, в которых содержатся воздушные массы. Воздух сжимается, создается избыточное давление, под действием которого он поступает на турбину, вращая ее лопастные механизмы. Вращательное движение турбины передается на генератор, который вырабатывает электрический ток.
  2. Принцип «колеблющегося тела». На принципе «колеблющегося тела» работают разнообразные буи, «морские змеи» и др. В этом варианте конструкции несколько секций соединяются в конвертер, между которыми на подвижных платформах монтируются гидравлические поршни. К поршню (группе поршней) подсоединён гидравлический двигатель, он приводит во вращательное движение электрический генератор. Под раскачивающимся действием волн конвертер приводит в движение поршни, а они, в свою очередь, приводят в работу гидравлический двигатель и соответственно генератор.
  3. Установка с «искусственным атоллом». Это бетонное сооружение состоит из корпуса, на котором размещается поверхность для наката волн. В средней части располагается накопительный резервуар (бассейн). Из него через приёмное отверстие вода поступает на гидротурбину. Генератор устанавливается в верхней части сооружения. Для поднятия воды в бассейн, который расположен выше уровня моря, используют эффект «набегания волны» на специальную наклонную поверхность.

Волновые электростанции в России

В России, как и во всех странах, имеющих выход к морскому побережью, после многих лет затишья, возвращается интерес к источникам энергии, способным восстанавливаться, к ним относятся и волновые электростанции.

Первая в нашей стране электростанция, основанная на преобразовании энергии волн, построена в 2014 году на Дальнем Востоке в Приморском крае на полуострове Гамова. Это универсальная станция, она способна преобразовывать не только энергию направленных водных масс, но и энергию природных приливов и отливов.

Профильные министерства нашей страны, совместно с руководством государства разработали план развития зеленой энергетики до 2021 года, в соответствии с которым альтернативные энергетические источники будут составлять до 5% от общего количества вырабатываемого электричества в стране. Этим планом предусмотрено и дальнейшее развитие волновых электрических станций.

Волновые электростанции в мире

Первая в мире электростанция на волнах появилась в 1985 году в Норвегии, ее мощность составляла 500 кВт.

Первой в мире промышленной электрической станцией, использующей энергию волн для производства электрической энергии, принято считать Oceanlinx в Австралии.

Она начала своё функционирование в 2005 году, потом была произведена ее реконструкция, и в 2009 году станция заработала вновь. Работа станции основана на принципе «осциллирующего водяного столба».

Мощность установки сейчас составляет 450 кВт.

Первая коммерческая волновая электростанция начала работу в 2008 году в Агусадоре, Португалия. Это установка-пионер, которая использует непосредственно механическую энергию волны.

Работа станции основана на принципе «колеблющегося тела».

Разработала проект английская компания Pelamis Wave Power, мощность станции составила 2,3 МВт, и есть возможность увеличения мощности путем монтирования дополнительных секций.

В Великобритании построили самую большую в мире волновую электростанцию Wave Hub, она расположена у полуострова Корнуэлла. Электростанция оборудована 4-мя генераторами мощностью по 150 кВт каждый. Работа станции основана на принципе «колеблющегося тела».

Почему это выгодно?

В существующем мире человек все чаще задумывается о необходимости применения возобновляемых источников энергии при получении электроэнергии. Одним из таких вариантов является энергия морских волн.

С учетом того, что мировой океан обладает огромным потенциалом, энергией которого можно обеспечить почти 20% от необходимого количества энергопотребления, то и развитие «зеленой» энергетики как нельзя актуально в наше время.

Это можно объяснить следующим причинами:

  1. Природные богатства планеты находятся на грани истощения, запасы традиционных источников энергии: угля, нефти и газа – подходят к концу.
  2. Атомная энергетика из-за своей потенциальной опасности не получила должного распространения.
  3. «Зеленая» энергетика не вредит окружающей среде и является возобновляемой.
  4. Потенциал волновых электростанций оценивается в 2,0 млн. МВт, что сравнимо по мощности с тысячей работающих атомных станций.

Ученые всего мира продолжают работы по совершенствованию способов преобразования энергии волн океана, и перечисленные выше причины являются важным аргументом для продолжения этих изысканий.

Плюсы и минусы использования

У любого агрегата всегда есть положительные и отрицательные аспекты его использования, и именно соотношение этих параметров определяет целесообразность его применения. Волновые электростанции не являются исключением, рассмотрим все за и против использования этого источника энергии.

К плюсам использования можно отнести:

  • Экологическая безопасность установок;
  • Волновые электростанции могут выполнять защитные функции, путем гашения волн вблизи портовых акваторий и прочей береговой линии;
  • Возобновляемый источник энергии;
  • Низкая себестоимость получаемой электроэнергии;
  • Продолжительный срок эксплуатации.

К минусам данного типа электростанций относятся:

  • Малая мощность вырабатываемой энергии;
  • Не стабильный характер работы, вызванный атмосферными явлениями в окружающей среде;
  • Может создавать опасность для хода судов и промышленного лова рыбы.

Приведенные выше «минусы» использования постепенно утрачивают свою актуальность, ученые и конструкторы продолжают свою работу. Разработка новых, более мощных генераторов, позволяет получать большее количество электрической энергии, при тех же исходных параметрах первичной энергии, которой является энергия волн. Решаются задачи по передаче полученной энергии на большие расстояния.

Волновая электростанция: виды и принцип работы

Есть ли будущее у волновых электростанций? Почему это выгодно? Волновые электростанции в России.

Большинство электростанций работают на угле, газе или нефтяных продуктах. Подобная ситуация привела к тому, что природные ресурсы стали заметно уменьшаться.

В связи с этим, уже долгое время ведутся исследования, выполняются практические разработки, касающиеся использования альтернативных источников электроэнергии. К настоящему времени внедряются гелиосистемы, ветряные электростанции и другие установки.

Среди них особое место занимает волновая электростанция, использующая огромные запасы энергии морей и океанов.

Как работают волновые электростанции

Вся работа волновых электростанций основывается на кинетической энергии движущихся масс морской и океанской воды.

https://www.youtube.com/watch?v=KIitKtU54c8

Преобразование может выполняться в нескольких вариантах:

  • Волна проходит сквозь пустую камеру, выталкивает из нее воздух, под действием которого начинается вращение турбины. Далее вращательное движение передается генератору.
  • Волна пропускается через большую трубу с установленными в ней лопастями. Они начинают вращаться и приводят в действие генератор.
  • «Колеблющееся тело». Данный вариант предусматривает соединение нескольких плавающих секций в общий конвертер. Между ними устанавливаются подвижные платформы с гидравлическими поршнями. Затем один или несколько поршней соединяются с гидравлическим двигателем, обеспечивающим движение электрического генератора. Волны раскачивают и последовательно приводят в движение всю систему.
  • «Искусственный атолл». Представляет собой сооружение из бетона с поверхностью, на которую накатываются волны. Его средняя часть отведена для накопительного резервуара, расположенного выше уровня моря. Вода поднимается в бассейн по специальной наклонной поверхности за счет эффекта набегающей волны. Далее, через отверстие водяной поток попадает на турбину и вращает лопасти.

Светильники на солнечных батареях

Во всех случаях используется энергия движущейся водяной массы. Поток регулируется таким образом, чтобы его движение через турбину происходило в одном направлении. В случае необходимости скорость воздушного потока можно увеличить путем снижения диаметра проходной трубы. Частота вращения турбины возрастет даже при незначительной скорости движения волн.

Принцип качения в работе ВЭС

Принцип качения, используемый в работе волновых электростанций, следует рассмотреть более подробно.

Большинство подобных сооружений работают на основе энергии, возникающей при поверхностном качении волн.

Именно они осуществляют раскачивание специальных преобразователей, изготовленных в виде поплавков и способных отслеживать профиль волны. Подобные конструкции выпускаются в нескольких вариантах:

Первый вариант представляет собой цепочку с большим количеством поплавков, установленных на общий вал. Из-за своей конфигурации конструкция получила название «Утка» Солтера. Для эффективной работы станции их требуется от 20 до 30 единиц. Каждый из поплавков и является так называемой «уткой», разработанной инженером Солтером.

Действие такой электростанции осуществляется в следующем порядке:

  • Под влиянием волн поплавки двигаются, но под собственным весом они приходят в первоначальное состояние.
  • Подобные колебания вызывают движение насосов, установленных внутри вала. Внутри них находится предварительно залитая вода.
  • Турбины, расположенные между поплавками, приходят в действие, после чего начинается выработка электроэнергии, передаваемой на берег по проложенному кабелю.

Подобные системы уже используются на практике. Их средняя мощность находится в пределах 45 тысяч кВт. Общая длина вала составляет 1,2 км, количество поплавков разное – от 20 до 30 шт. Диаметр каждого – 15 м.

Другой вариант получил название «морских змеев», изготовленных в виде секций цилиндрической формы и соединенных друг с другом шарнирами. Сооружение погружено в воду и находится в полузатопленном положении.

Зарядное устройство на солнечных батареях

Выработка электроэнергии происходит следующим образом:

  • Колебания волн приводят к изгибу конструкции.
  • В местах соединений располагаются гидравлические поршни. Изгиб цилиндра приводит их в движение, после чего начинается перекачивание масла через движители, соединенные с генераторами.
  • Начинается выработка электрического тока, передаваемого на берег по кабелю, проложенному на дне.

Одна система объединяет сразу несколько конструкций, поэтому их общая мощность может достигать показателя более 21 МВт.

Еще одна волновая электростанция представлена так называемым контурным плотом Коккереля. В данной конструкции секции также перемещаются относительно друг друга, а соединение осуществляется с помощью шарниров.

Возникающие колебания передаются насосам, соединенным с генераторами. Длина сооружения составляет 100 м, ширина – 50 м и высота – 10 м. Всего в конструкцию входит три секции, производящие мощность 2 тысячи кВт.

Волновые электростанции России и других стран

Наша страна имеет протяженную береговую линию, а многие места пригодны для установки таких сооружений. Поэтому российские инженеры ведут активные разработки в области волновых электростанций, работающих на возобновляемых источниках энергии.

Первое сооружение подобного типа уже построено на полуострове Гамова Приморского края, географически расположенного на Дальнем Востоке.

Данная станция считается универсальной, поскольку кроме энергии направленных волн, она способна преобразовывать и использовать в работе энергию, заключенную в приливах и отливах.

Установка признана перспективной, дающей толчок дальнейшему развитию волновых электростанций.

Если рассматривать установки других государств, то самое первое сооружение в мире, использующее энергию волн, появилось в Норвегии в 1985 году. Это была экспериментальная конструкция мощностью всего 500 кВт. Промышленный вариант был сооружен в Австралии в 2005 году. Это станция Oceanlinx, мощность которой после реконструкции 2009 года достигает 450 кВт.

Преобразование тепла в электричество

Первая установка, построенная на коммерческой основе, появилась в португальском городе Агусадоре в 2008 году. Данная установка работает на принципе колеблющегося тела, непосредственно используя механическую энергию волн. Ее мощность достигла 2,3 МВт и этот показатель может быть увеличен за счет дополнительных конструктивных элементов.

Выгодно ли использовать энергию волн

Энергия волн считается возобновляемой, к тому же огромный потенциал океана может дать около 20% от всей потребной электроэнергии. Развитие этого направления выгодно со всех сторон, поскольку природные ресурсы начинают активно истощаться, а уголь, нефть и газ рано или поздно закончатся.

Атомная энергетика не сможет решить всех будущих проблем. В связи с потенциальной опасностью и отсутствием гарантированной защиты, АЭС развиваются не так активно, как это необходимо.

К положительным качествам ВЭС можно отнести следующие:

  • Безопасная продолжительная эксплуатация без нарушений экологии.
  • Станции заодно гасят волны возле портов и берегов, выполняя функции защиты.
  • Волны являются возобновляемым источником энергии.
  • Низкая себестоимость полученной электроэнергии.

Минусами волновых установок считаются:

  • Небольшая мощность большинства установок.
  • Отсутствие стабильности в работе под влиянием погоды и природных условий.
  • Возможная опасность для рыболовецких и других судов.

Альтернативная энергетика: за чем будущее?

Есть ли будущее у волновых электростанций? Почему это выгодно? Волновые электростанции в России.

Сегодня весь мир обеспечен электроэнергией благодаря сжиганию угля и газа (ископаемое топливо), эксплуатации водного потока и управлению ядерной реакцией. Эти подходы достаточно эффективны, но в будущем нам придётся от них отказаться, обратившись к такому направлению, как альтернативная энергетика.

Во многом эта необходимость обусловлена тем, что ископаемое топливо ограничено. Кроме того традиционные способы добычи электроэнергии являются одним из факторов загрязнения окружающей среды. Поэтому мир нуждается в «здоровой» альтернативе.

Предлагаем свою версию ТОПа нетрадиционных способов получения энергии, которые в будущем могут стать заменой привычным электростанциям.

7 место. Распределённая энергетика

Перед тем как рассматривать альтернативные источники энергетики, разберём одну интересную концепцию, которая в перспективе способна изменить структуру энергетической системы.

Сегодня электроэнергия производится на больших станциях, передаётся на распределительные сети и поступает в наши дома. Распределённый подход подразумевает постепенный отказ от централизованного производства электричества. Добиться этого можно посредством строительства небольших источников энергии в непосредственной близости к потребителю или группе потребителей.

В качестве источников энергии могут использоваться:

  • микротурбинные электростанции;
  • газотурбинные электростанции;
  • паровые котлы;
  • солнечные батареи;
  • ветряки;
  • тепловые насосы и пр.

Такие миниэлектростанции для дома будут подключены к общей сети. Туда будут поступать излишки энергии, а при необходимости электросеть сможет компенсировать недостаток питания, например, когда солнечные панели работают хуже из-за облачной погоды.

Однако реализация этой концепции сегодня и в ближайшем будущем маловероятна, если говорить о глобальных масштабах. Связанно это в первую очередь с большой дороговизной перехода от централизованной энергетики к распределённой.

6 место. Грозовая энергетика

Зачем генерировать электричество, когда его можно просто «ловить» из воздуха? В среднем один разряд молнии – это 5 млрд Дж энергии, что эквивалентно сжиганию 145 л бензина. Теоретически грозовые электростанции позволят снизить стоимость электроэнергии в разы.

Выглядеть всё будет так: станции размещаются в регионах с повышенной грозовой активностью, «собирают» разряды и накапливают энергию. После этого энергия подаётся в сеть.

Ловить молнии можно с помощью гигантских громоотводов, но остается главная проблема – за доли секунды накопить как можно больше энергии молнии.

На современном этапе не обойтись без суперконденсаторов и преобразователей напряжения, но в будущем возможно появление более деликатного подхода.

Концепт громовой электростанции

Если говорить об электричестве «из воздуха», нельзя ни вспомнить о приверженцах образования свободной энергии. Например, Никола Тесла в своё время якобы продемонстрировал устройство для получения электрического тока из эфира для работы автомобиля.

Ещё много интересного в наших соцсетях

Подробнее: Интересные изобретения Николы Теслы

5 место. Сжигание возобновляемого топлива

Вместо угля на электростанциях можно сжигать так называемое «биотопливо». Таковым является переработанное растительное и животное сырьё, продукты жизнедеятельности организмов и некоторые промышленные отходы органического происхождения. В качестве примера можно привести обычные дрова, щепу и биодизель, который встречается на заправках.

В энергетической сфере чаще всего применяется древесная щепа. Она собирается при лесозаготовке или на деревообрабатывающем производстве. После измельчения она прессуется в топливные гранулы и в таком виде отправляется на ТЭС.

К 2021 году в Бельгии должно завершиться строительство крупнейшей электростанции, которая будет работать на биотопливе. Согласно прогнозам, она должна будет производить 215 МВт электроэнергии. Этого хватит на 450 000 домов.

Интересный факт! Многие страны практикуют выращивание так называемого «энергетического леса» – деревья и кустарники, наилучшим образом подходящие для энергетических нужд.

Будет ли альтернативная энергетика развиваться в направлении биотоплива пока маловероятно, ведь есть более перспективные решения.

4 место. Приливные и волновые электростанции

Традиционные гидроэлектростанции работают по следующему принципу:

  1. Напор воды поступает на турбины.
  2. Турбины начинают вращаться.
  3. Вращение передаётся на генераторы, которые вырабатывают электроэнергию.

Строительство ГЭС обходится дороже ТЭС и возможно только в местах с большими запасами энергии воды. Но самая главная проблема – это нанесение вреда экосистемам из-за необходимости строительства плотин.

Приливные электростанции работают по схожему принципу, но используют для выработки энергии силу приливов и отливов.

«Водные» виды альтернативной энергетики включают такое интересное направление, как волновая энергетика. Её суть сводится к генерации электричества посредством использования энергии волн океана, которая гораздо выше приливной. Самой мощной волновой электростанцией на сегодня является Pelamis P-750, которая вырабатывает 2,25 МВт электрической энергии.

Раскачиваясь на волнах, эти огромные конвекторы («змеи») изгибаются, вследствие чего внутри приходят в движение гидравлические поршни.

Они прокачивают масло через гидравлические двигатели, которые в свою очередь вращают электрогенераторы. Полученное электричество доставляется на берег через кабель, который проложен по дну.

В перспективе количество конвекторов будет многократно увеличено и станция сможет вырабатывать до 21 МВт.

3 место. Геотермальные станции

Альтернативная энергетика неплохо развита и в геотермальном направлении. Геотермальные станции вырабатывают электричество, фактически преобразуя энергию земли, а точнее — тепловую энергию подземных источников.

Существует несколько типов таких электростанций, но во всех случаях они основываются на одинаковом принципе работы: пар из подземного источника поднимается по скважине и вращает турбину, подключенную к электрогенератору. Сегодня распространена практика, когда в подземный резервуар на большую глубину закачивается вода, там она под воздействием высоких температур испаряется и в виде пара под давлением поступает на турбины.

Возобновляемое будущее

Есть ли будущее у волновых электростанций? Почему это выгодно? Волновые электростанции в России.
Марина Ионаускайте

В результате президентских выборов 8 ноября 2021 года страну с крупнейшей экономикой мира возглавил Дональд Трамп — человек, известный своим скептическим взглядом на проблему глобального потепления и выступающий за предоставление преференций компаниям, которые добывают ископаемое топливо.

Парадоксальным образом, это событие обострило общественное внимание к проблемам возобновляемой энергетики (ВИЭ).

Может ли позиция одного человека серьезно замедлить неизбежный процесс энергетического перевооружения человечества? И если нет, то не помешают ли этому процессу иные, более объективные проблемы – технологические и экономические?

Что такое возобновляемая энергетика?

Для начала определимся с терминологией. Возобновляемая энергетика в широком смысле включает в себя все возобновляемые ресурсы, используемые как в электроэнергетике, так и просто в качестве топлива.

Другими словами, этот диапазон включает все, от банальных дров до заливаемого в бензобаки биоэтанола.

Однако здесь речь пойдет только об электроэнергетике — использование топлива непосредственно для отопления, неэлектрического транспорта и т. п. мы пока оставим в стороне.

Среди ВИЭ особняком стоит гидроэнергетика. С формальной точки зрения гидроэлектростанции, несомненно, относятся к возобновляемой энергетике. Более того, сегодня они составляют ее подавляющую часть (около 70%).

Стоит вспомнить о том, что промышленная энергетика как таковая началась в XIX веке с ГЭС на Ниагарском водопаде.

Но, возможно, именно потому, что развитие этой отрасли давно переросло масштабы детских экспериментов, экологи предъявляют к ней все больше претензий и вообще ставят под сомнение ее принадлежность в ВИЭ. Мы посвятим гидроэнергетике отдельную статью.

Другим возобновляемым источником энергии, несомненно, является (или станет в более или менее отдаленном будущем) термоядерный синтез. Проблемы этой отрасли энергетики также будут рассмотрены отдельно.

Темой нашего разговора станет то, что обычно подразумевает под возобновляемой энергетикой широкая публика. Это пестрый набор от уже вполне привычных солнечных и ветровых электростанций до пока экзотических приливных и волновых. Чтобы разобраться в том, что из себя представляет возобновляемая энергетика сейчас и каково ее возможное будущее, нам придется ненадолго вернуться в прошлое.

Олег Королев

История вопроса

Вообще говоря, в возобновляемой энергетике нет ничего нового. Много тысячелетий назад человечество научилось использовать для своих надобностей силу ветра (а также энергию текущей воды).

И как только у цивилизации возникла потребность в промышленной электроэнергетике, эти традиционные источники были поставлены ей на службу.

Первая ветроэлектростанция появилась еще в XIX веке, а солнечные батареи вышли из стадии экспериментов в 1950-х годах.

Однако в течение долгого времени считалось, что возобновляемая энергетика не имеет перспектив. Ну кому она нужна при цене в несколько долларов за баррель, как это было в 1960-х? Первый всплеск интереса к этой теме произошел в период нефтяного кризиса 1970-х. Но в середине 1980-х цена на нефть упала, и интерес тотчас угас.

В конкурентоспособную технологию возобновляемые источники энергии превратили европейские страны, в первую очередь Германия, Испания, Великобритания и Дания. С середины 1990-х годов европейские власти не на шутку озаботились экологией.

Были приняты меры по искусственному экономическому стимулированию ВИЭ, и инновационные проекты стали окупаемыми. Этот шаг в то время вызвал такой же шквал критики, как и прочие попытки ЕС использовать неэкономические методы регулирования (в том числе, например, дотации фермерам).

Суть критики во всех случаях сводилась к тому, что за неэффективную генерацию в конечном счете все равно платит потребитель.

Стоимость возобновляемой энергии поначалу превышала рыночную во много раз, и каждый золотой киловатт был оплачен из кармана европейского потребителя. Потребитель негодовал.

Тем временем остальной мир воспринимал эту практику как блажь богатых европейцев, дорогостоящую игрушку, которая будет заброшена через несколько лет.

Как ни парадоксально, альтруистичная инициатива, призванная возложить на благополучную часть человечества бремя расходов на сохранение биосферы, стала лишним поводом для взаимного недоверия между развитым и развивающимся миром.

Тем не менее вслед за правительственными дотациями в отрасль пришли большие деньги. Благодаря этим вливаниям в ней резко ускорилось развитие технологий, что в свою очередь стало причиной постоянного снижения стоимости строительства новых ВИЭ-электростанций.

В результате цена одного ватта мощности солнечной электростанции упала с $76 в 1977 году до $0,3 в 2015 году. А снижение стоимости возобновляемой энергетики при одновременном повышении стоимости нефти делало ВИЭ-электростанции все более привлекательными.

Перелом произошел в конце 2000-х годов, когда возобновляемая энергетика достигла такого уровня конкурентоспособности, что вышла за пределы Европы и начала активно развиваться в прагматичных США и, что еще более важно, в развивающихся странах. Последовал взрывной рост ввода мощностей на ВИЭ — так, общая мощность ветроэлектростанций с 2005 по 2015 год выросла более чем в 7 раз, солнечных электростанций — более чем в 30 раз!

Марина Ионаускайте

Светлое настоящее

К настоящему времени возобновляемые электростанции во многих странах достигли сетевого паритета — стоимость их электроэнергии сравнялась со средней по региону. Технология ВИЭ стала полноценно конкурировать с традиционной энергетикой и перестала требовать субсидий.

Показателен пример Китая — страны, отнюдь не склонной к вкладыванию огромных денег в экономически бессмысленные проекты. По итогам 2015 года совокупная мощность солнечных электростанций Китая достигла 43 ГВт, ветряных электростанций — 145 ГВт (для сравнения: мощность всех атомных электростанций России — около 27 ГВт).

В результате Китай стал безусловным мировым лидером в возобновляемой энергетике.

Если сегодня Дональд Трамп или кто угодно другой попытается остановить рост доли ВИЭ в общем энергобалансе, давая преференции ископаемому топливу или смягчая экологические ограничения, у него уже ничего не получится, ну разве что слегка замедлятся темпы роста. Даже в России, для экспортных доходов которой развитие возобновляемой энергетики представляет прямую угрозу, были, хоть и со скрипом, приняты меры по стимулированию строительства ВИЭ-электростанций.

Но существуют ли естественные пределы этого роста?

Почему нельзя получать 100% энергии от солнца и ветра?

Наиболее серьезный фактор, ограничивающий развитие возобновляемой энергетики, — неравномерность и нерегулируемость выработки ВИЭ-электростанций (в первую очередь наиболее распространенных ветровых и солнечных). Их производительность зависит от изменчивой погоды — скорости ветра, наличия облачности и других факторов.

При доле возобновляемой энергетики до 20% это не сулит больших проблем: колебания выработки можно регулировать, загружая или нагружая традиционные электростанции (АЭС и ТЭС). Таким образом, энергосистема, в которой соседствуют разные способы генерации, обладает определенной гибкостью.

Но если доля ВИЭ будет продолжать расти, надежность энергосистемы придется укреплять специальными мерами.

В наиболее выгодном положении тут находятся страны с большим числом гидроэлектростанций (такие как Швейцария, Норвегия и тот же Китай), поскольку ГЭС легко быстро изменяют мощность, компенсируя колебания выработки ВИЭ-электростанций.

Прекрасной альтернативой гидроэлектростанциям служит гидроаккумулирующая электростанция (ГАЭС), которую современные технологии позволяют возвести практически везде.

Она фактически представляет собой огромный аккумулятор, запасающий энергию путем закачки воды в верхний бассейн и отдающий электричество в сеть при сбросе воды вниз через турбины.

ГАЭС имеют и свои недостатки: высокую стоимость строительства и потерю до 20% электроэнергии в процессе работы. Еще одно часто используемое (но тоже не лишенное недостатков) решение — высокоманевренная газотурбинная электростанция, которая также может быстро изменять мощность.

Радикально решить проблему могло бы дешевое и практичное устройство по хранению энергии. Разработка подобного «супераккумулятора» ведется уже много лет по самым разным направлениям: это и маховики, и устройства на основе сжатия газов, и разнообразные электрические аккумуляторы, и водородная энергетика, и многое другое.

Увы, пока создать отвечающую всем предъявляемым требованиям технологию не удалось, и перспективы ее создания туманны.

Стоит отметить прогресс в совершенствовании аккумуляторов, сделавший возможным создание вполне практичных электромобилей, но одно дело — аккумулятор для автомобиля, а другое дело — для электростанции в тысячи раз большей емкости.

Тем не менее даже и без «супераккумулятора» имеющимися методами (ГЭС, ГАЭС, газотурбинные станции, резерв в виде традиционной энергетики, переброска электроэнергии между энергосистемами, оптимальное сочетание различных видов возобновляемой энергетики) вполне возможно обеспечить надежность энергосистемы при доле ВИЭ в 50% и даже более.

Олег Королев

Частные трудности

Итак, существующие технологии принципиально не позволяют довести долю возобновляемой энергетики до 100%. Кроме того, каждая разновидность ВИЭ имеет свои собственные ограничения.

1. Солнце. Панель с фотоэлементами можно прикрутить в любом месте, где хотя бы иногда светит солнце. Благодаря этой впечатляющей простоте солнечная энергетика ежегодно демонстрирует впечатляющие темпы роста. С дальнейшим совершенствованием технологии производства, снижением стоимости и повышением КПД ее конкурентоспособность будет только возрастать.

Но солнечная энергетика имеет естественное ограничение в виде количества попадающей на поверхность земли солнечной энергии, которое сильно снижается в высоких широтах.

С совершенствованием солнечных панелей граница их экономически эффективного применения сдвигается все дальше на север, но этот процесс займет еще не один год. При этом, что интересно, солнечные электростанции уже доказали свою эффективность в Якутии.

В маленьких изолированных энергосистемах их электричество оказывается значительно дешевле, чем энергия дизельных станций, работающих на топливе — чрезвычайно дорогом из-за сложной схемы доставки.

2. Ветер. Ветряные электростанции к настоящему времени достигли высокого конструктивного совершенства, и технологических прорывов здесь ждать не приходится.

В густонаселенных странах развитие ветроэнергетики начинает тормозиться сложностями с выделением земель. В результате новые ветроэлектростанции все чаще выносят в море, что приводит к повышению стоимости проектов.

Но в целом ветроэнергетика обладает огромными возможностями для дальнейшего ввода мощностей, особенно в развивающихся странах.

3. Вулканы. Геотермальная энергетика естественным образом ограничена районами вулканической активности и не занимает заметной доли в общем энергобалансе. Ведущиеся разработки с целью использования тепла глубинных горных пластов вряд ли смогут конкурировать по экономическим параметрам с ветровой и солнечной энергетикой.

4. Биотопливо. Конкурентоспособность использования биомассы для получения энергии не очевидна. Даже при наличии отработанных технологий она ограничена ресурсной базой: население планеты растет, и сельхозугодья все более востребованы для того, чтобы обеспечить людей продуктами питания. Растить сельхозкультуры на топливо в таких условиях становится все менее целесообразно.

5. Волны и приливы. Приливная энергетика в своем классическом виде (с отгораживанием плотинами целых заливов) так и не смогла стать экономически эффективной.

Более перспективной представляется активно разрабатываемая сейчас технология «подводного ветряка», приводимого в действие приливными течениями. Такие установки уже созданы и работают, перспективы их совершенствования оптимистичны.

Волновая энергетика при всем своем колоссальном потенциале на данный момент так и не вышла из стадии экспериментов, и в ближайшее время не видно предпосылок к изменению ситуации.

Прогноз

Каким будет будущее возобновляемой энергетики в ближайшие 20–30 лет? Нас ждет ее дальнейшая экспансия, особенно в развивающиеся страны. Новые технологии будут делать ее все более дешевой и экономически эффективной. При этом традиционная энергетика будет продолжать сдавать свои позиции, главным образом из-за все более жестких экологических ограничений.

Как и сейчас, в сфере ВИЭ будут абсолютно доминировать ветровая и солнечная энергетика, с постепенным увеличением доли последней.

Ряд стран столкнется с вопросом обеспечения надежности энергосистем при росте доли ВИЭ до 50% и более, что может несколько затормозить развитие сектора, но не станет неразрешимой проблемой.

При поддержке:

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.