Прилив энергии. Как Россия может заработать на Луне

Французский старт и российское продолжение

История заметных по размерам приливных электростанций началась в 1966 году, когда во Франции времён Шарля Де Голля была построена ПЭС "Ля Ранс" на 245 мегаватт мощности. Это не очень большая электростанция (новую индустрию редко начинают с больших), она вырабатывает примерно 500 миллионов киловатт-часов в год. Как и многие ПЭС, она работает чуть более 2000 часов в год, что меньше, чем ТЭС (обычно 4000 — 5000 часов в год) и тем более АЭС. Примерно столько же работают солнечные электростанции в современных США. Но у приливов есть и преимущества: они не потребляют топливо. За счёт этого цена, по которой ПЭС продаёт электричество, меньше, чем у АЭС и ТЭС.

Столь позитивный опыт привлёк внимание нашей страны, в ту пору крайне чуткой к зарубежным технологическим новинкам. Почти молниеносно в Кислой Губе (Мурманская область) была построена советская ПЭС. На ней был был смонтирован французский гидроагрегат на 0,4 МВт — уменьшенная копия турбин "Ля Ранс" с диаметром рабочего колеса всего 3,3 метра. В 1990-х годах по понятным причинам станцию закрыли.

Однако 90-е пришли не навсегда, и в XXI веке отечественная энергетика вновь заинтересовалась дешёвой энергией. В начале 2007 года созданный на Севмаше новый блок с ортогональной турбиной на 1,5 мегаватта был отбуксирован по морю на Кислогубскую ПЭС. Турбина радикально отличалась от демонтированного старого французского агрегата. Её лопасти ориентированы не вдоль, а поперёк поступающей с приливом воды. Каждая из вертикально установленных лопастей спроектирована подобно самолётному крылу и имеет такой профиль, чтобы и при приливе, и при отливе направление вращения лопастей не менялось.

Это позволило получать энергию как при приливе, так и при отливе без смены направления вращения турбины — очевидное преимущество в плане упрощения её эксплуатации. При одинаковом диаметре рабочего колеса масса и цена ортогональных агрегатов в два раза ниже, чем у обычных осевых той же мощности. Объём бетона в здании ПЭС с ними меньше на 12 процентов. Они просты по геометрии лопастей — их может делать любой механический завод. ПЭС впервые перестали нуждаться в дорогих гидроагрегатах вроде задействованных на "Ля Ранс". 

Важно и то, что новая приливная турбина не встраивается в плотину на месте, что долго и трудоёмко, а смонтирована в отдельном плавучем блоке. Соответственно, работы по её установке намного проще и дешевле, а выпускать их можно серийно, интегрируя турбины с плавучими блоками на любом судостроительном заводе.

Оказалось также, что выработку станции можно очень точно планировать на будущее. Дело в том, что прилив приливу рознь. Не только дистанция между Луной и Землёй, но и угол между Луной и Солнцем влияют на приливы. Для каждых суток эти параметры слегка разнятся. Когда векторы приливных сил от Луны и Солнца частично гасят друг друга, наступает квадратурный прилив — наименьший из возможных. Когда они складываются, прилив называют сизигийным — наибольшим. Выработка при этом может отличаться в разы. Но, как теперь стало ясно, имея таблицу приливов, можно заранее предсказать их силу — и выработку ПЭС — в любой день на десятилетия вперёд. Это ценное качество для электростанции. Например, ГЭС год от года непредсказуемо различаются по выработке (сухой год — дождливый год).

Десять лет эксплуатации показали, что ортогональная замена надёжна и эффективна. В 2007 году казалось, что перед российской приливной энергетикой большое будущее. "Русгидро" решил создавать опытно-промышленную Северную ПЭС на 12 мегаватт. Однако подсчёты показали, что она будет недешёвой. И это естественно: из опыта строительства ГЭС известно, что любая станция с плотиной тем дешевле на единицу мощности, чем она мощнее. ГЭС на 12 мегаватт практически всегда будет давать энергию намного дороже, чем ГЭС на 12 гигаватт.

Беломорский гигант

Казалось бы, за чем дело стало? В стране немало мест с более крупными заливами и высокими приливами. Был предложен проект Мезенской ПЭС в Белом море с плотиной на 50 километров и мощностью от 8 до 19,7 гигаватта (в зависимости от размеров отсекаемой части залива). Хотя там нежарко, даже зимой мощные приливы ломают лёд и дадут станции работать. При 11,4 гигаватта мощности годовая выработка была бы 39 миллиардов киловатт-часов в год. Это очень немало — Волжско-Камский каскад ГЭС с его 800 водохранилищами в год вырабатывает чуть меньше. Разумеется, Мурманск и Архангельск столько потребить не могут, а соседние страны ЕС по понятным причинам могут не пойти на покупку пусть и самой "зелёной" электроэнергии, но произведённой русскими.

Впрочем, это вовсе не значит, что для ПЭС нет места в российской энергетике. Энергия волжских ГЭС тоже ведь не потребляется на месте. Киловатт-часы ГЭС под Волгоградом нередко уходят в Москву, а иногда и дальше. Высоковольтные ЛЭП постоянного тока дают потери всего в 3–5 процентов на 1000 километров (в зависимости от напряжения). То есть выработка энергии в Белом море для снабжения Москвы экономически вполне окупаема. Бразилия использует тот же метод для снабжения городов, удалённых от ГЭС на 2400 километров. Мезенская ПЭС почти вдвое ближе к Москве.

Крест Чубайса

Что же пошло не так? Почему новых ПЭС с дешёвой энергией так и не строится в нашей стране? Всё достаточно просто. В начале века власти планировали объединение энергосистем "ЕЭС России" и Европейского союза. Тогда у высших государственных чиновников ещё не было понимания того, что дальнейший роман с Европой, мягко говоря, не заладится. Существовала и иллюзия, что экономика и промышленность страны будут расти, а старые электростанции — выходить из строя. Знаменитый "крест Чубайса" — пересечение графиков выработки и потребления — показывал, что к 2015 году потребность страны в энергии будет 1,4 триллиона киловатт-часов, а советские, старые по возрасту тепловые электростанции перестанут работать.

Поэтому известный реформатор провёл ряд норм, стимулировавших ввод новых ТЭС. Как и в ряде других предсказаний этого же "эффективного менеджера", в жизни всё случилось наоборот. Советские электростанции всё ещё работают, создавая избыток мощностей, из-за чего тот же Чубайс предлагает их закрывать волевым решением. Промышленность так и осталась на уровне ниже 1991 года, отчего потребление электроэнергии только-только достигло РСФСР 1990 года. Экономический рост в настоящее время не планируется, поэтому новые электростанции пока просто не нужны — ни тепловые, ни возобновляемые.

Есть ли будущее у российских ПЭС?

Стагнация экономики вряд ли будет продолжаться вечно. Поэтому стоит отметить, что на Мезенской ПЭС выгодные проекты такого рода в нашей стране не заканчиваются. Самые высокие приливы в России наблюдаются в Охотском море — в Тугурской и Пенжинской губах. Первая расположена у впадения Амура в океан, вторая у перешейка, связывающего Камчатку с материком. Расчётная мощность проектируемой Тугурской ПЭС — 8–12 гигаватт, выработка — 20–30 миллиардов киловатт-часов в год. В радиусе 1200 километров от неё — Хабаровск и Владивосток, а также Китай, избавляющийся от угольной энергетики, но пока ещё не достроивший всю необходимую структуру для полностью возобновляемой и атомной энергетики.

Такой потребитель вполне может окупить строительство ПЭС. Сложнее с Пенжинской ПЭС, чей  проект рассчитан на 87 гигаватт. Это мощнее любой существующей электростанции. Её выработка составит около 200 миллиардов киловатт-часов — 20 процентов потребления России. На Дальнем Востоке для неё маловато потребителей, а до основных центров КНР от Камчатки далековато.

Итак, Мезенская ПЭС — пока самый близкий и реалистичный проект такой электростанции. Следующий за ним — Тугурский, а Пенжинский, рассуждая реалистично, будет актуален разве что при реализации экстремального сценария потепления и соответствующего бурного роста населения Дальнего Востока. 

Заграница ПЭС поможет?

Если в России из-за "креста Чубайса" и стагнации промышленности ПЭС пока остаются маниловщиной, то, может быть, их внедрят в тех странах, где нет ни Чубайса, ни проблем с ростом?

На первый взгляд такие перспективы есть. В Южной Корее в 2011 году была введена в строй самая мощная на сегодня ПЭС — Сихвинская. Мощность её 254 мегаватта, а годовая выработка — 550 миллионов киловатт-часов. После её завершения корейцы было вошли во вкус и запланировали три ПЭС на 2,5 гигаватта.

Увы, дальше начались проблемы. Хотя этот тип электростанций не затопляет новые площади, он слегка уменьшает зону, заливаемую приливами и осушаемую отливами. Корейские экологические активисты посчитали, что сужение приливной зоны сузит ареал некоторых видов птиц. Поэтому пока конкретные сроки ввода новых ПЭС там не ясны. Сейчас в Корее электричество получают главным образом из угля. На 10 000 тонн сжигаемого угля преждевременно умирает один человек. Сомнительно, что для птиц угольная пыль так же безвредна. Неизвестно, уменьшится ли их число от ПЭС, но точно известно, что из-за их отсутствия корейцы умирают не в теории, а вполне реально.

И тем не менее это ни на что не влияет. Защита окружающей среды для значительной части мира давно уже превратилась в светскую религию. Человек прибегает к вере там и тогда, когда у него не хватает точных знаний о вопросе. Экологи, конечно же, испытывают серьёзный дефицит знаний об экологии — иначе они бы поинтересовались экологической обстановкой в районе ПЭС "Ля Ранс" и узнали бы, что никакого вымирания из-за неё не последовало. Имей местные зелёные активисты достаточно знаний, то догадались бы, что отказ от ПЭС убивает людей, вдыхающих серосодержащие продукты сгорания угля.

Но, откровенно говоря, эти знания корейским экологам особо ни к чему. Они, как и их коллеги в других странах, слепо верят в то, что любое масштабное вмешательство человека в созданное природой греховно по определению. Поэтому и слышать не хотят, что замена ТЭС на ПЭС это вмешательство сократит.

Расставляя палочки над "Т"

В конце 1990-х годов группа очень креативных голландских инженеров решила внести разнообразие в мир ПЭС. Они задумались над причинами, по которым приливы в отдельных местах бывают выше десятка метров (Пенжинская губа), а в других ограничиваются метром. Дело в том, что в большинстве морей мира приливные волны движутся не прямо на берег, а вдоль него, что не даёт им набрать большую высоту. Исключения появляются там, где берег изобилует длинными выступами в сторону моря. Из-за взаимодействия идущих вдоль берега под углом друг к другу приливных волн в отдельных местах прилив и достигает рекордных значений.

Голландцы предложили попросту изменить рельеф берега вручную. Для этого нужно построить уходящую прямо дамбу длиной от 30 и более километров. На её дальнем конце — построить перпендикулярно другую дамбу, создавая огромную "Т". По расчётам, такие "Т" смогут поднимать высоту приливных волн достаточно, чтобы ПЭС можно было делать в ножке буквы "Т" — буквально в любом месте континентального шельфа.

 

Следует высоко оценить идею голландских специалистов. Моделирование вполне подтвердило их расчёты — станция на сорокакилометровой дамбе действительно будет иметь мощность в десяток гигаватт. Длина дамб в проектах российских ПЭС сравнима — в районе 50 километров для, например, Мезенской. Нет особых сомнений и в эффективности Т-образной станции в подъёме уровня прилива. Взглянем на Тугурскую губу — рядом с ней лежит огромная естественная буква "Т" (Сахалин), да и сам залив даёт не одну "Т". Для Пенжинской губы буквой "Т" работает вся Камчатка, да и более мелкие полуострова. Немало полуостровных "Т" и на берегах Белого моря, близ Мезенской губы.

Увы, у Т-образных станций есть слабое место. Глубины в российских заливах, пригодных для ПЭС, умеренны (~25 метров). Ставить дамбу на такую глубину несложно. Все отечественные ГЭС на крупных реках требовали плотин сопоставимой высоты. Сложнее с дамбами, уходящими в море на 40 с лишним километров (а короче их не сделать — прирост высоты прилива будет слишком мал). Здесь нужно уникальное сочетание малой глубины и плоского дна на полсотни километров шельфа. Такие места в мире есть, например прямая от британского побережья к Доггер-Банке в Северном море. Но их мало, и везде постройке станций противодействуют "зелёные" активисты.

Голландцы-разработчики предложили свой проект Китаю. На китайском побережье высоких приливов почти нет, как нет и "несогласных", а чистой энергии задыхающемуся в смоге государству остро не хватает. У берегов КНР шельф простирается до самой Кореи и Тайваня. Однако здесь далеко не такие малые глубины, как на Доггер-Банке. Хотя Китай вкладывает в возобновляемую энергетику десятки миллиардов долларов в год, он инвестирует их в то, что может окупиться. Пока это только ветряки и солнечные батареи. Окупить дамбы по 80 километров, уходящие в глубину на сто метров, пока не удаётся даже на страницах технико-экономического обоснования. 

Всё плохо или всё хорошо?

Так что же, неужели крупные ПЭС при всех их достоинствах так и останутся уделом прошлого? Определённо, вряд ли. Как мы знаем, в России к голосу экологов прислушиваются мало. Крупные ПЭС по удельной стоимости уступают даже крупным ГЭС, пока самым дешёвым из известных источников энергии. Поэтому логично предположить, что в случае нового витка экономического роста Мезенская ПЭС в европейской части страны всё же будет построена. Ну а при действительно долгом и энергичном экономическом росте не избежать и освоения дальневосточных приливов. Вполне может быть, что Россия ещё окажется впереди остальных стран в деле использования гравитации Луны.