CC BY
129 ПРИЛИВНАЯ ЭНЕРГЕТИКА И ЭНЕРГЕТИКА МОРСКИХ ТЕЧЕНИЙ
TIDE ENERGY AND SEA TIDE ENERGY
Статья поступила в редакцию 27.01.11. Ред. рег. № 937 The article has entered in publishing office 27.01.11. Ed. reg. No. 937
УДК 504.05
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОСЛЕДСТВИЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ ОКЕАНА
С.М. Говорушко
Тихоокеанский институт географии ДВО РАН 690041 Владивосток, ул. Радио, д. 7 Тел./факс: 8(4232)311653, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 16.02.11 Заключение совета экспертов: 24.02.11 Принято к публикации: 28.02.11
Рассмотрено современное состояние мировой альтернативной энергетики. Дана характеристика основных видов энергии океана (приливная, волновая, осмотическая, энергия океанических течений, энергия перепада температур). Проведен анализ воздействия на окружающую среду вследствие их использования. Сделан вывод о будущем неизбежном росте значимости применения этих видов энергии в глобальном энергобалансе.
Ключевые слова: альтернативная энергетика, волновые электростанции, осмотическая энергия, приливные электростанции, энергия разницы температур, энергия течений, энергия океана, экологические последствия.
ENVIRONMENTAL CONSEQUENCES OF OCEAN ENERGY USING
S.M. Govorushko
Pacific Geographical Institute FEB RAS 7 Radio str., Vladivostok, 690041, Russia Tel./fax: 8(4232)311653, e-mail: [email protected]
Referred: 16.02.11 Expertise: 24.02.11 Accepted: 28.02.11
The current state of the global alternative electricity industry is described. Characteristics of main types of ocean energy (tidal, wave, osmotic, energy of ocean currents, energy of temperature difference) are given. The analysis of the impact on the environment due to their use is realized. Concluded that the future growth of the significance of these kinds of electricity industry in energy balance is inevitable.
Keywords: alternative power structures, environmental consequences, energy of currents, energy of temperature differences, ocean energy, osmotic energy, tidal stations, wave farms.
Сергей Михайлович Говорушко
Сведения об авторе: Тихоокеанский институт географии ДВО РАН (Владивосток), главный научный сотрудник, доктор географических наук.
Образование: Дальневосточный государственный университет (отделение геоморфологии). Основной круг научных интересов: взаимодействие природы и общества. Публикации: 151.
Современное состояние мировой альтернативной энергетики
К объектам альтернативной энергетики относятся электростанции, использующие возобновляющиеся источники энергии. Строго говоря, гидроэнергия тоже является возобновляющимся источником, но ее наряду с тепловой и атомной обычно относят к традиционной энергетике. Можно выделить следующие источники энергии, использующиеся в этом виде электроэнергетики [1]:
- солнечная (фотоэлектрическая энергия);
- ветровая;
- энергия земных недр (высокотемпературная геотермальная энергия);
- энергия океана;
- энергия биомассы (при производстве электроэнергии используется биогаз).
Мировой технический потенциал возобновляющихся источников энергии в целом оценивается следующими цифрами (в млрд т условного топлива в год): биомасса - 5,6; гидроэнергия - 2,8; ветровая энергия - 2,8; геотермальная энергия - 1,9; термальная энергия моря - 0,9; энергия приливов/отливов -0,04; солнечные элементы и солнечные коллекторы (децентрализованные) - 2,0; гелиоэлектростанции -4,3. Суммарная величина составляет 20,3 млрд т условного топлива [2].
Общая мощность всех существовавших к концу 2008 г. объектов нетрадиционной энергетики составляла 280 гигаватт, в том числе ветровая энергетика - 121, микроГЭС - 85, энергия биомассы - 52, солнечная электроэнергия - 13, геотермальная энергия - 10, солнечная тепловая энергия - 0,5; приливная энергия - 0,3 ГВ. Пятерка стран-лидеров по производству электроэнергии выглядела следующим образом: 1) Китай; 2) США; 3) Германия; 4) Испания; 5) Индия [3].
Пока удельный вес альтернативной энергетики в мировом производстве электроэнергии совершенно незначителен и составляет 3,4% [4]. Однако ее развитие опережающими темпами (в 2006-2008 гг. ежегодный прирост составлял 14-15%) делает возможным достижение существенных показателей, по крайней мере, в отдельных странах.
Для нетрадиционных возобновляющихся источников энергии характерны следующие особенности:
- низкая удельная плотность энергии;
- значительные трудности в концентрировании энергии;
- неравномерность ее распределения во времени и пространстве;
- трудности использования в энергосистемах в качестве заменяющих энергообъектов;
- сравнительно высокие экономические издержки, даже с учетом отсутствия затрат на топливо;
- удобство работы в автоматическом режиме;
- возможность локального использования в труднодоступных районах [5].
Основные виды энергии океана и экологические последствия ее использования
Основными видами энергии океана являются энергия приливов и отливов, волн, течений, разницы солености и температур. Степень разработки технологий и стоимость получения электроэнергии из различных источников сильно отличаются. Некоторые из них уже используются для получения электроэнергии. Другие пока не нашли практического применения, хотя их потенциал очень велик.
Приливная энергия
Величина приливной энергии тесно связана с высотой приливов. Районирование Мирового океана по этому показателю приведено на рис. 1. Существуют три основных типа приливных электростанций:
- системы, использующие кинетическую энергию движущейся воды (подобные ветровым электростанциям, работающим благодаря движущемуся воздуху);
- заграждающие электростанции, способные использовать потенциальную энергию разницы в высоте приливов и отливов; для них необходимо сооружение плотин, полностью перегораживающих приливной эстуарий;
- станции, использующие сочетание потенциальной и кинетической энергии; в этом случае сооружается дамба длиной 30-50 км перпендикулярно берегу, ее конец имеет Т-образную форму и ограждение участка акватории не производится [6].
Примером электростанции первого типа является станция SeaGen (рис. 2), построенная в заливе Стрэнгфорд Лоу (Strangford Lough), Северная Ирландия. Она была сооружена в апреле 2008 г. и включена в энергосистему в июле 2008 г. На ней установлен подводный электрогенератор мощностью 1,2 МВт, производящий электроэнергию в течение 18-20 часов в сутки. Скорость приливных течений достигает здесь 4 м/с [7]. Такие турбины имеют минимальное влияние на окружающую среду.
В электростанциях второго типа во время прилива вода поступает в отгороженный бассейн. Когда уровни воды в нем и в море сравняются, затворы водопропускных отверстий закрываются. С наступлением отлива уровень воды в море понижается, тогда турбины и соединенные с ним электрогенераторы начинают работать, а вода из бассейна постепенно уходит [8]. Такие приливные электростанции могут быть и двустороннего действия. В этом случае турбины работают как при движении воды из моря в бассейн, так и обратно. Приливные электростанции двустороннего действия способны вырабатывать электроэнергию в течение 4-5 ч с перерывами в 1-2 ч четыре раза в сутки [9].
Подобных электростанций также немного. ПЭС «Ля Ранс» (рис. 3), построенная в 1966 г. в эстуарии р. Ранс (Северная Бретань, Франция), имеет самую большую в мире плотину, ее длина составляет 800 м. Она вырабатывает мощность 240 МВт.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
-t
Рис. 2. SeaGen - первая промышленная электростанция, использующая кинетическую энергию приливных течений, Сев. Ирландия Фото: http://en.wikipedia.org/wiki/SeaGen, 14 мая 2008 Fig. 2. SeaGen, the world's first commercial tidal generator, in Strangford Lough, Northern Ireland. Photo credit: http://en.wikipedia.org/wiki/SeaGen, 14 May 2008
Рис. 3. Крупнейшая в мире приливная электростанция «Ля Ранс» (эстуарий р. Ранс, Северная Бретань, Франция) Фото: http://en.wikipedia.org/wiki/Rance_tidal_power_plant Fig. 3. La Rance, largest tidal barrage plant in the world (estuary of Rance river, Brittany coast of northern France) Photo credit: http://en.wikipedia.org/wiki/Rance_tidal_power_plant
Есть также несколько небольших электростанций. Например, Кислогубская ПЭС (Баренцево море, Россия) была построена в 1968 г., ее мощность по состоянию на 2009 г. составляет 1,7 МВт [10]. Строительство канадской ПЭС Аннаполис в заливе Фанди завершено в 1984 г. Ее мощность 20 МВт [11].
Последствия строительства этой электростанции проанализированы очень детально, что объясняется следующими причинами:
- большой продолжительностью обсуждения целесообразности ее сооружения (более 70 лет);
- хорошей разработанностью экологического законодательства в США и Канаде;
- экономическими возможностями этих государств;
- значительным интересом общественности к охране природы;
- расположением залива на границе двух государств, что обусловливает их ответственность друг перед другом [9].
Главным фактором воздействия приливных электростанций этого типа на окружающую среду является снижение естественного водообмена отсеченной части акватории с морем, что вызывает следующие последствия:
- изменение распределения скоростей течения в заливе;
- перераспределение донных отложений;
- снижение устойчивости водной среды залива (опреснение, повышение температуры, загрязнение и т. д.) вследствие влияния наземных процессов;
- уменьшение амплитуды колебания уровня воды в заливе;
- снижение мутности воды [9, 12].
Прежде всего, это влияет на гидробионты, поскольку нарушение обмена соленой и пресной воды и перераспределение донных отложений приводит к изменению условий жизни морской флоры и фауны. Исследования, проведенные на приливной электростанции «Ля Ранс», показали существенное изменение состава донных гидробионтов, но не зарегистрировали снижения их численности [13]. В то же время в Кислой губе зафиксировано резкое снижение биопродуктивности и двойное сокращение видового состава флоры и фауны [14].
Снижение мутности увеличивает проникновение солнечного света и повышает продуктивность фитопланктона. Прохождение рыб через турбины вызывает их смертность от перепада давления, контакта с лопастями, кавитации и т.д. Даже в наиболее экологически совершенных типах турбин смертность рыбы при прохождении через них составляет 15%. Также возможна гибель крупных морских млекопитающих, прежде всего китов и дельфинов [15]. Кроме того, плотины нередко препятствуют возобновлению рыбных запасов, поскольку приходящие в заливы на нерест рыбы (лососевые, сельдь, корюшка и т.д.) не могут туда попасть [14]. Тем не менее, по сравнению с
гидроэлектростанцией аналогичной мощности экологическое влияние ПЭС гораздо меньше.
Концепция приливных электростанций третьего типа была запатентована в 1997 г. голландскими инженерами K. Hulsbergen и R. Steijn. Пока электростанции такого типа не строились, однако потенциально пригодные для этого участки имеются вблизи побережий Китая, Южной Кореи и Великобритании [16].
Волновая энергия
Волновая мощность Мирового океана оценивается в 2,7 млрд кВт [17]. Для производства электроэнергии возможно использование ветровых волн и зыби. Основной задачей получения электроэнергии из морских волн является преобразование движения вверх-вниз во вращательное для передачи непосредственно на вал электрогенератора с минимальным количеством промежуточных преобразований. При этом желательно, чтобы большая часть оборудования находилась на суше для простоты обслуживания. Волновая станция производства фирмы Pelamis Wave Power (Великобритания) показана на рис. 4.
Рис. 4. Испытания волновой электростанции фирмы Pelamis Wave Power у побережья Шотландии. Станция состоит из 4 секций диаметром 3,5 м, ее суммарная длина составляет 140 м. Фото: Pelamis Wave Power Fig. 4. Sea trials of a Pelamis machine near the estuary of Scotland's River Forth, where it flows into the North Sea. Each Pelamis machine is 140 metres long and 3.5 metres in diameter and is made up of four sections. Photo credit: Pelamis Wave Power
Особенностью морского волнения является его неравномерность во времени: максимальные значения в 5-11 раз выше средних [5]. Для него характерна также пространственная неоднородность (рис. 5). Потоки волновой энергии максимальны в прибрежных зонах высоких широт, при этом плотность волновой энергии в южном полушарии существенно выше. Берега низких широт характеризуются сравнительно небольшими потоками энергии. Резкая граница по величине потоков волновой энергии для тихоокеанских берегов Северной и Южной Америки, а также американских берегов Атлантического океана проходит приблизительно у 30° с.ш. и ю.ш. Для восточных берегов Атлантики граница резкого изменения потока энергии в южном полушарии смещается к 10° ю.ш. [18].
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
150' 120 ЯГ 60* 30* О' 30* 60* 90* 120* 150' 180* 150*
150' 120' ЭР' 60' 30' 0' 30' 60' 90' 120' 150' 130' 150'
Pile. IIl\ihlilinn noJiFionoft lEicpriiK (kBt Eia i"oi!ii:i.:n mcrp c^poiita hojiklc). riy6j]i{KycTCfl c pa:apemc}mfl Pelamis Wave Power. Fig. 5. Wave energy level (kilowatts per tnelre of wave from). Reproduced with permission of Pelamis Wave Power.
Средняя максимальная плотность волновой энергии составляет 40 кВт/м береговой линии [19]. В целом повышенная плотность характерна для прибрежной зоны Тихого океана, которая обладает и наибольшей длиной. Этот показатель для Атлантического и Индийского океана несколько ниже [18].
Первая в мире коммерческая волновая электростанция была открыта в португальском районе Агусадора 23 сентября 2008 г. Ее генераторы работают с мощностью 2,25 МВт. Считается, что в дальнейшем можно будет увеличить количество генераторов этой станции, подняв тем самым ее мощность до 21 МВт [20].
Воздействие волновой энергетики на окружающую среду невелико и выражается в следующем:
- изменении динамики перемещения наносов в прибрежной зоне;
- визуальном воздействии;
- косвенном воздействии, обусловленном большой материалоемкостью волновых станций.
Воздействие на динамику перемещения наносов происходит при размещении волновых станций в прибрежной полосе. Они принимают на себя часть энергии, играя роль волноломов. В силу этого нарушается баланс между эрозией и аккумуляцией наносов. При размещении преобразователей энергии на глубоководных участках в открытом море влияние на устойчивость побережья не происходит [21].
Визуальное воздействие состоит в том, что при установке волновых станций вблизи побережья возникают проблемы эстетического характера, так как они видны с берега. Косвенное воздействие состоит в том, что для производства волновых станций тре-
буется значительное количество металлов, выплавка которых с экологической точки зрения достаточно вредна.
Кроме того, наличие непрерывной линии волновых станций может стать препятствием для навигации и оказаться опасным для судов при штормах. В целом волновая энергетика имеет наименьшие экологические последствия из всех энергетических отраслей [22].
Осмотическая энергия Из всех видов энергии океана наиболее велики запасы осмотической энергии. Для ее получения необходимо наличие двух растворов с разной концентрацией соли. Районами, где можно использовать такую энергию в больших масштабах, являются устья рек. Пресная и морская вода заполняют замкнутую камеру, разделенную полупроницаемой мембраной. Вследствие различий в значениях химического потенциала пресной и соленой воды происходит диффузия пресной воды через мембрану. В результате этого в камере с морской водой создается избыточное гидростатическое давление, которое и приводит в движение турбину. Первая в мире электростанция на основе осмотической энергии (мощностью 4 кВт) была открыта 24 ноября 2009 г. норвежской энергокомпанией 81а1кгай в Тофте (60 км от Осло), Норвегия [23].
Экологические последствия эксплуатации соляных станций следующие [5]:
- повреждения живых организмов при заборе воды или на мембранах;
- воздействие на пресноводные виды при спуске воды большей солености;
- изменение циркуляции воды, что отражается на движении питательных веществ и концентрации кислорода;
- попадание токсических биоцидов, используемых для предотвращения загрязнения мембран, в трофические цепи.
Энергия океанических течений Этот вид энергии пока относится к категории потенциально пригодных источников. Океанические течения содержат огромные запасы энергии, которую можно преобразовать в электрическую. Например, Гольфстрим несет воды в 50 раз больше, чем все реки мира. На его основе возможно получение мощности более 100 млн кВт. Производство электроэнергии базируется на кинетической энергии движущейся воды (аналогично ветровым электростанциям, работающим благодаря движущемуся воздуху).
В настоящее время существует ряд проектов использования энергии океанических течений для производства электроэнергии. Наиболее близок к практической реализации проект строительства такой электростанции в районе Бермудских островов. Предполагается, что она будет обеспечивать около 10% общей потребности этой заморской территории Великобритании в электроэнергии [24]. Детально разработанные проекты имеются также для Флоридского и Гибралтарского проливов, восточного побережья Японии (течение Куросио).
Районы Мирового океана, наиболее благоприятные для сооружения таких электростанций, показаны на рис. 6. Пока стоимость такой электроэнергии слишком высока. Кроме того, надо отметить, что многие из этих участков являются районами интенсивного судоходства и турбины должны располагаться с учетом максимальной осадки судов.
Г5р- 120' 90" 60' 30' 0' 30' 60' 90' 120' 150' 180" 150'
Рис. Ь. PaiioEiLi Мирового Океана, наиболее блашнриятнис Для сооружения лзсктростанцип, использующих "энергию океанических течении.
Составлена автором на основе данных J.S. Kenny (2007)
Pig. t>. Marine areas most Favourable for construction of electric siations using energy of oceanic currents. Compilled by author with wilh the use of data of J.S. Kenny (2007)
Воздействие подобных электростанций на окружающую среду пока совершенно не исследовано. Очевидно, что основными факторами такого влияния будет гибель рыб и крупных морских млекопитающих вследствие контакта с лопастями турбин и изменение характера водной циркуляции, что может отразиться на состоянии некоторых видов гид-робионтов.
Энергия перепада температур Еще одним значительным потенциальным источником энергии является перепад температур, обусловленный тем, что солнечная радиация не проникает глубоко в океанические воды и поэтому ниже теплого слоя на небольшой глубине находятся холодные воды. Такие электростанции могут использовать тепло поверхностных вод, превращая охлаж-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 1 (93) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
дающую жидкость в пар. Холодная вода с глубин в сотни метров будет охлаждать и конденсировать этот пар, создавая область низкого давления, в которую будут стремиться новые порции пара, вращая турбины [25].
Использование подобных электростанций может привести к изменению циркуляции вод, нарушениям биологического баланса, изменению климата. Для создания таких станций будет необходимо большое количество цветных металлов (магний, титан и т.д.) и новых синтетических материалов, производство которых связано с серьезным загрязнением природной среды. Подъем богатых питательными веществами вод с больших глубин может благоприятно отразиться на организмах, обитающих в поверхностных водах.
Заключение
В настоящее время использование энергии океана для производства электроэнергии совершенно незначительно, однако ее потенциальные запасы очень велики. Очевидно, что постепенно будет происходить рост их значимости в глобальном энергобалансе. С точки зрения влияния на природные компоненты волновая и приливная энергетика являются наиболее экологически «чистыми» из всех видов энергетики.
Список литературы
1. Гоголев Г.А. Оценка потенциала территории Российской Федерации для использования возобновляемых источников энергии // Известия РАН. Серия географическая. 2009. № 1. С. 83-93.
2. Окружающая среда. Энциклопедический словарь-справочник. М.: Прогресс, 1999. Т. 1.
3. http://www.ren21 .net/pdf/RE_GSR_2009_Update.pdf.
4. http://en.wikipedia.org/wiki/Renewable_energy.
5. Васильев Ю.С., Хрисанов Н.И. Экология использования возобновляющихся энергоисточников. Л.: Изд-во ЛГУ, 1991.
6. http ://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_tidal_power.
7. http://en.wikipedia.org/wiki/Strangford_Lough.
8. Некрасов А.В. Энергия океанских приливов. Л.: Гидрометеоиздат, 1990.
9. Марфенин Н.И., Малютин О.И., Пантюлин А.Н. и др. Влияние приливных электростанций на окружающую среду. М.: Изд-во МГУ, 1995.
10. http://en.wikipedia.org/wiki/Kislaya_Guba_ Tidal_ Power_Station.
11. http://www.eoearth.org/article/Bay_of_Fundy.
12. Несветова Г.И., Бойцов В.Д. Экологические изменения в губе Кислая Баренцева моря под влиянием приливной электростанции // Заполярная мари-культура. Мурманск: ПИНРО, 1994. С. 18-38.
13. Charlier R.H. Forty candles for the Rance River TPP tides provide renewable and sustainable power generation //Renewable and Sustainable Energy Reviews. Vol. 11, Is. 9, December 2007. P. 2032-2057.
14. Преображенский Б.В., Жариков В.В., Дубей-ковский Л.В. Основы подводного ландшафтоведе-ния. Владивосток: Дальнаука, 2000.
15. http://en.wikipedia.org/wiki/Tidal_power.
16. http://en.wikipedia.org/wiki/Dynamic_tidal_power.
17. Инженерная экология и экологический менеджмент. М.: Логос, 2003.
18. Современные глобальные изменения природной среды. М.: Научный мир, 2006. Том 2.
19. Griffiths J. Marine renewables. Wave, tidal and ocean currents technologies // Renewable Energy World. 2003. Vol. 6, Is. 4. P. 170-177.
20. http://en.wikipedia.org/wiki/W ave_farm.
21. Агеев В.А. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии. 2004 // bravotech.ru/files/ energiya_okeana.pdf.
22. Govorushko S.M. A comparative environmental assessment of power-generating industries energy & environment. A world of challenges and opportunities. New-York: Science Press, 2003. P. 501-506.
23. http://en.wikipedia.org/wiki/Osmotic_power.
24. Kenny J.S. Ocean current electricity generation, 2007,
http://www.ema.co.tt/docs/expert_literture/Ocean%2 0current%20electricity%20generation.pdf.
25. Говард А.Д., Ремсон И. Геология и охрана окружающей среды. Л.: Недра, 1982.
