Энергия приливов или приливная энергия используется путем преобразования энергии приливов в полезные формы энергии, в основном в электричество, с использованием различных методов.
Хотя энергия приливов еще не получила широкого распространения, она имеет потенциал для будущего производства электроэнергии . Приливы более предсказуемы, чем ветер и солнце . Среди источников возобновляемой энергии приливная энергия традиционно страдает от относительно высокой стоимости и ограниченной доступности участков с достаточно высокими диапазонами приливов или скоростями потока, что ограничивает ее общую доступность. Однако многие недавние технологические разработки и усовершенствования, как в конструкции (например, динамическая приливная энергия, приливные лагуны ), так и в турбинной технологии (например, новые осевые турбины , поперечноточные турбины ), указывают на то, что общая доступность приливной энергии может быть намного выше, чем предполагалось ранее, и что экономические и экологические издержки могут быть снижены до конкурентоспособного уровня.
Исторически приливные мельницы использовались как в Европе, так и на атлантическом побережье Северной Америки. Поступающая вода хранилась в больших прудах-хранилищах, и когда прилив уходит, она вращает водяные колеса, которые используют механическую энергию для измельчения зерна. [1] Самые ранние случаи датируются средневековьем или даже римскими временами . [2] [3] Процесс использования падающей воды и вращающихся турбин для производства электроэнергии был внедрен в США и Европе в 19 веке. [4]
Производство электроэнергии с помощью морских технологий выросло примерно на 16% в 2018 году и примерно на 13% в 2019 году. [5] Для достижения дальнейшего снижения затрат и крупномасштабного развития необходима политика, поощряющая НИОКР. Первой в мире крупномасштабной приливной электростанцией была французская приливная электростанция Ранс , которая вступила в строй в 1966 году. Это была крупнейшая приливная электростанция с точки зрения мощности до тех пор, пока в августе 2011 года в Южной Корее не открылась приливная электростанция на озере Сихва. Станция Сихва использует защитные дамбы в комплекте с 10 турбинами мощностью 254 МВт. [6]
Приливная энергия берется из океанических приливов Земли . Приливные силы возникают в результате периодических изменений гравитационного притяжения небесных тел. Эти силы создают соответствующие движения или течения в мировом океане. Это приводит к периодическим изменениям уровня моря, меняющимся по мере вращения Земли. Эти изменения очень регулярны и предсказуемы из-за постоянной закономерности вращения Земли и орбиты Луны вокруг Земли. [7] Величина и вариации этого движения отражают изменение положения Луны и Солнца относительно Земли, эффекты вращения Земли и местную географию морского дна и береговых линий .
Приливная энергетика - единственная технология, которая использует энергию, заложенную в орбитальных характеристиках системы Земля-Луна и, в меньшей степени, системы Земля-Солнце. Другие природные энергии, используемые человеческими технологиями, происходят прямо или косвенно от Солнца, включая ископаемое топливо , традиционную гидроэлектроэнергию , ветер , биотопливо , волновую и солнечную энергию . Ядерная энергия использует минеральные месторождения делящихся элементов Земли, а геотермальная энергия использует внутреннее тепло Земли , которое возникает в результате сочетания остаточного тепла от планетарной аккреции (около 20%) и тепла, образующегося в результате радиоактивного распада (80%). [8]
Приливный генератор преобразует энергию приливных потоков в электричество. Большие приливные колебания и более высокие скорости приливных течений могут значительно увеличить потенциал участка для производства приливной электроэнергии. С другой стороны, приливная энергия обладает высокой надежностью, отличной плотностью энергии и высокой долговечностью. [9]
Поскольку приливы Земли в конечном итоге возникают из-за гравитационного взаимодействия с Луной и Солнцем, а также вращения Земли, приливная энергия практически неисчерпаема и поэтому классифицируется как возобновляемый энергетический ресурс. Движение приливов вызывает потерю механической энергии в системе Земля-Луна: это происходит в результате перекачивания воды через естественные ограничения вокруг береговых линий и последующего вязкого рассеяния на морском дне и в условиях турбулентности . Эта потеря энергии привела к замедлению вращения Земли за 4,5 миллиарда лет с момента ее образования. За последние 620 миллионов лет период вращения Земли (продолжительность суток) увеличился с 21,9 часов до 24 часов; [10] за этот период система Земля-Луна потеряла 17% своей вращательной энергии. Хотя приливная энергия отнимет у системы дополнительную энергию, эффект незначителен и не будет заметен в обозримом будущем.
Приливную энергию можно разделить на четыре метода генерации:
Генераторы приливных потоков используют кинетическую энергию движения воды к силовым турбинам аналогично ветряным турбинам , которые используют ветер для питания турбин. Некоторые приливные генераторы могут быть встроены в конструкции существующих мостов или полностью погружены под воду, что позволяет избежать проблем с эстетикой или визуальным воздействием. Сужения суши, такие как проливы или заливы, могут создавать высокие скорости на определенных участках, которые можно улавливать с помощью турбин. Эти турбины могут быть горизонтальными, вертикальными, открытыми или канальными. [12]
Приливные заграждения используют потенциальную энергию разницы в высоте (или гидравлическом напоре ) между приливом и отливом. При использовании приливных заграждений для выработки электроэнергии потенциальная энергия прилива улавливается за счет стратегического размещения специализированных плотин. Когда уровень моря поднимается и начинается прилив, временное увеличение приливной силы направляется в большой бассейн за плотиной, содержащий большое количество потенциальной энергии. С отливом эта энергия затем преобразуется в механическую энергию , поскольку вода выпускается через большие турбины, которые вырабатывают электроэнергию с помощью генераторов. [13] Плотины по сути представляют собой плотины по всей ширине приливного устья.
Новый вариант проектирования приливной энергии заключается в строительстве круглых подпорных стенок со встроенными турбинами, которые могут улавливать потенциальную энергию приливов. Созданные водоемы аналогичны приливным плотинам, за исключением того, что это место является искусственным и не содержит ранее существовавшей экосистемы. [12] Лагуны также могут быть в двойном (или тройном) формате без накачки [14] или с накачкой [15] , которая выравнивает выходную мощность. Накачивающая мощность может быть обеспечена за счет возобновляемой энергии, избыточной для потребностей сети, например, от ветряных турбин или солнечных фотоэлектрических батарей. Избыточную возобновляемую энергию можно было бы использовать и хранить на более поздний период, а не сокращать. Географически разбросанные приливные лагуны с временной задержкой между пиковым производством также сгладят пиковое производство, обеспечивая производство, близкое к базовой нагрузке, с более высокими затратами, чем другие альтернативы, такие как централизованное теплоснабжение, хранение возобновляемой энергии. Отмененная приливная лагуна Суонси-Бей в Уэльсе, Великобритания, могла бы стать первой когда-либо построенной приливной электростанцией такого типа. [16]
Динамическая приливная энергия (или DTP) — это теоретическая технология, которая будет использовать взаимодействие между потенциальной и кинетической энергией приливных потоков. Он предлагает строить очень длинные плотины (например, длиной 30–50 км) от побережья прямо в море или океан, не ограничивая территорию. Различия в фазах приливов возникают поперек плотины, что приводит к значительному перепаду уровня воды в мелких прибрежных морях, где наблюдаются сильные колеблющиеся приливные течения, параллельные берегу, такие как в Великобритании, Китае и Корее.
Первое исследование крупномасштабных приливных электростанций было проведено Федеральной энергетической комиссией США в 1924 году. В случае строительства электростанции должны были быть расположены в северной приграничной зоне американского штата Мэн и в юго-восточной приграничной зоне канадской провинции Нью-Йорк. Брансуик с различными плотинами, электростанциями и шлюзами, окружающими заливы Фанди и Пассамакуодди (примечание: см. карту в ссылке). Из исследования ничего не вышло, и неизвестно, обращалась ли к Канаде по поводу исследования Федеральная энергетическая комиссия США. [17]
В 1956 году коммунальное предприятие Nova Scotia Light and Power of Halifax заказало пару исследований возможности развития коммерческой приливной энергетики на новошотландской стороне залива Фанди. Два исследования, проведенные Stone & Webster из Бостона и Montreal Engineering Company из Монреаля , независимо друг от друга пришли к выводу, что миллионы лошадиных сил (т.е. гигаватт) можно получить от Фанди, но затраты на разработку будут коммерчески непомерно высокими. [18]
В апреле 1961 года был также опубликован отчет международной комиссии под названием «Исследование международного проекта приливной электростанции Пассамакуодди», подготовленный федеральными правительствами США и Канады. По соотношению выгод и затрат проект был выгоден США, но не Канаде. Также предусматривалась система автомагистралей вдоль верха плотин.
Правительство Канады, Новой Шотландии и Нью-Брансуика заказало исследование (переоценка приливной силы Фанди) для определения возможности приливных заграждений в заливе Чигнекто и бассейне Минас - в конце устья залива Фанди. Было признано, что три объекта являются финансово целесообразными: залив Шеподи (1550 МВт), бассейн Камберленд (1085 МВт) и залив Кобекид (3800 МВт). Они так и не были построены, несмотря на их очевидную осуществимость в 1977 году. [19]
Снохомиш PUD , коммунальный район, расположенный в основном в округе Снохомиш, штат Вашингтон, начал проект по приливной энергетике в 2007 году. [20] В апреле 2009 года PUD выбрал OpenHydro, [21] компанию, базирующуюся в Ирландии, для разработки турбин и оборудования. для возможной установки. Первоначально проект предполагал размещение генерирующего оборудования в районах с сильными приливами и эксплуатацию этого оборудования в течение четырех-пяти лет. После испытательного срока оборудование будет демонтировано. Первоначально в бюджет проекта была заложена общая стоимость 10 миллионов долларов, причем половина этого финансирования была предоставлена PUD из резервных фондов коммунальных предприятий, а половина - за счет грантов, в основном от федерального правительства США. PUD оплатил часть этого проекта из резервов и получил грант в размере 900 000 долларов США в 2009 году и грант в 3,5 миллиона долларов США в 2010 году в дополнение к использованию резервов для оплаты расходов примерно в 4 миллиона долларов США. В 2010 году смета бюджета была увеличена до 20 миллионов долларов, половина из которых должна быть оплачена коммунальным предприятием, а половина - федеральным правительством. Коммунальное предприятие не смогло контролировать расходы по этому проекту, и к октябрю 2014 года затраты выросли примерно до 38 миллионов долларов и, по прогнозам, будут продолжать расти. PUD предложил федеральному правительству выделить дополнительно 10 миллионов долларов на покрытие этих возросших расходов, ссылаясь на джентльменское соглашение . [22] Когда федеральное правительство отказалось платить эту сумму, PUD отменил проект, потратив почти 10 миллионов долларов из резервов и грантов. PUD отказался от всех исследований приливной энергии после того, как этот проект был отменен, и не владеет и не эксплуатирует какие-либо источники приливной энергии.
В 1966 году компания Électricité de France открыла приливную электростанцию Ранс , расположенную в устье реки Ранс в Бретани . Это была первая в мире [23] приливная электростанция. В течение 45 лет электростанция была крупнейшей приливной электростанцией в мире по установленной мощности: ее 24 турбины достигают пиковой мощности 240 мегаватт (МВт) и средней мощности 57 МВт, что составляет коэффициент мощности примерно 24%.
Первый в мире испытательный стенд морской энергетики был создан в 2003 году, чтобы положить начало развитию индустрии волновой и приливной энергетики в Великобритании. Европейский центр морской энергии (EMEC) , базирующийся в Оркнейских островах, Шотландия, поддержал развертывание большего количества устройств, работающих на волновой и приливной энергии, чем на любом другом объекте в мире. EMEC предоставляет различные испытательные площадки в реальных морских условиях. Его приливно-отливная испытательная площадка, подключенная к сети, расположена у водопада Варнесс , недалеко от острова Эдей , в узком канале, который концентрирует прилив, текущий между Атлантическим океаном и Северным морем. В этом районе очень сильное приливное течение, скорость которого во время весенних приливов может достигать 4 м/с (8,9 миль в час; 7,8 узлов; 14 км/ч). Среди разработчиков приливной энергии, которые проводили испытания на объекте: Alstom (ранее Tidal Generation Ltd); «АНДРИТЦ ГИДРО» Хаммерфест; Корпорация ресурсов Атлантиды; Натуричность; ОпенГидро; Scotrenewables Tidal Power; Фойт. [24] Ресурс может составлять 4 ТДж в год. [25] В других частях Великобритании годовая энергия в размере 50 ТВт-ч может быть извлечена, если мощность 25 ГВт будет установлена с поворотными лопастями. [26] [27] [28]
Приливная сила может повлиять на морскую жизнь. Вращающиеся лопасти турбин могут случайно убить плавающую морскую жизнь. Такие проекты, как проект в Стрэнгфорде, включают механизм безопасности, который отключает турбину при приближении морских животных. Однако эта особенность приводит к значительным потерям энергии из-за большого количества морских обитателей, которые проходят через турбины. [52] Некоторые рыбы могут избегать этого места, если им угрожает постоянно вращающийся или шумный объект. Морская жизнь является огромным фактором при размещении генераторов приливной энергии , и принимаются меры предосторожности, чтобы гарантировать, что от нее будет затронуто как можно меньше морских животных . База данных Тетис обеспечивает доступ к научной литературе и общей информации о потенциальном воздействии приливной энергии на окружающую среду. [53] С точки зрения потенциала глобального потепления (т.е. углеродного следа), воздействие технологий производства приливной энергии колеблется от 15 до 37 гCO 2 -экв/кВт.ч. при среднем значении 23,8 гCO 2 -экв/кВт.ч. [54] Это соответствует воздействию других возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра и солнца, и значительно лучше, чем технологии, основанные на ископаемом топливе.
Основная экологическая проблема, связанная с приливной энергией, связана с ударами лопастей и запутыванием морских организмов, поскольку высокая скорость воды увеличивает риск проталкивания организмов рядом или через эти устройства. Как и в случае со всеми морскими возобновляемыми источниками энергии, существует также обеспокоенность по поводу того, как создание электромагнитных полей и акустических излучений может повлиять на морские организмы. Поскольку эти устройства находятся в воде, акустическая мощность может быть выше, чем у устройств, созданных с помощью энергии морского ветра . В зависимости от частоты и амплитуды звука , генерируемого устройствами с приливной энергией, этот акустический выход может оказывать различное воздействие на морских млекопитающих (особенно на тех, кто использует эхолокацию для общения и навигации в морской среде, таких как дельфины и киты ). Удаление энергии приливов также может вызвать экологические проблемы, такие как ухудшение качества воды в дальней зоне и нарушение процессов образования отложений . [55] [56] В зависимости от размера проекта, эти последствия могут варьироваться от небольших следов отложений, накапливающихся возле приливного устройства, до серьезного воздействия на прибрежные экосистемы и процессы. [57]
Установка плотины может изменить береговую линию в заливе или устье реки , что повлияет на большую экосистему, которая зависит от приливных отмелей . Препятствуя потоку воды в залив и из залива, также может быть меньше промывки залива или устья, вызывая дополнительную мутность (взвешенные твердые вещества) и меньшее количество соленой воды, что может привести к гибели рыб, которые служат жизненно важным источником пищи. для птиц и млекопитающих. Мигрирующая рыба также может быть не в состоянии получить доступ к нерестовым ручьям и может попытаться пройти через турбины. Те же акустические проблемы применимы и к приливным заграждениям. Уменьшение доступности судоходства может стать социально-экономической проблемой, хотя можно добавить шлюзы, чтобы обеспечить медленный проход. Однако плотина может улучшить местную экономику за счет увеличения доступа к земле в качестве моста. Более спокойная вода также может позволить лучше отдохнуть в заливе или устье реки. [57] В августе 2004 года горбатый кит проплыл через открытые шлюзовые ворота Королевской электростанции Аннаполиса во время слабого прилива и оказался в ловушке на несколько дней, прежде чем в конечном итоге нашел выход в бассейн Аннаполиса . [58]
С экологической точки зрения основными проблемами являются удары лопастей о рыбу, пытающуюся войти в лагуну , акустический шум турбин и изменения в процессах седиментации. Однако все эти воздействия локализованы и не затрагивают весь лиман или залив. [57]
Соленая вода вызывает коррозию металлических деталей. Обслуживание генераторов приливных течений может быть затруднено из-за их размера и глубины в воде. Использование коррозионностойких материалов, таких как нержавеющая сталь, сплавы с высоким содержанием никеля, медно-никелевые сплавы, никель-медные сплавы и титан, может значительно уменьшить или устранить коррозионные повреждения.
Механические жидкости, такие как смазочные материалы, могут вытечь, что может нанести вред близлежащим морским обитателям. Правильное техническое обслуживание может свести к минимуму количество вредных химических веществ, которые могут попасть в окружающую среду.
Биологические события, которые происходят при размещении любой конструкции в зоне сильных приливных течений и высокой биологической продуктивности океана, гарантируют, что конструкция станет идеальным субстратом для роста морских организмов.
Приливная энергия имеет высокую первоначальную стоимость, что может быть одной из причин, почему она не является популярным источником возобновляемой энергии , хотя исследования показали, что общественность готова платить и поддерживать исследования и разработки устройств приливной энергии. [59] [60] [61] Методы производства электроэнергии из приливной энергии являются относительно новой технологией. Однако приливная энергетика все еще находится на очень ранней стадии исследовательского процесса, и в будущем, возможно, удастся сократить затраты. Экономическая эффективность варьируется в зависимости от места расположения приливных генераторов. Одним из показателей экономической эффективности является коэффициент Гибрата, который представляет собой длину заграждения в метрах, деленную на годовое производство энергии в киловатт-часах . [62]
Поскольку приливная энергия надежна, можно разумно предсказать, сколько времени потребуется, чтобы окупить высокие первоначальные затраты на эти генераторы. Благодаря успеху значительно упрощенной конструкции ортогональная турбина обеспечивает значительную экономию средств. В результате сокращается период производства каждого энергоблока, требуется меньшая металлоемкость и повышается техническая эффективность. [63]
Возможный риск заключается в том, что повышение уровня моря из-за изменения климата может изменить характеристики местных приливов и отливов, что приведет к снижению выработки электроэнергии в будущем. [64] [65]
Высокие коэффициенты нагрузки, обусловленные тем, что вода примерно в 800 раз плотнее воздуха, а также предсказуемый и надежный характер приливов и отливов по сравнению с ветром, делают энергию приливов особенно привлекательной для производства электроэнергии. Мониторинг состояния является ключом к его экономичному использованию. [66]
{{cite web}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link) CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: archived copy as title (link)