Энергетика Мирового океана

Капитан Немо. Но я не пожелал пользоваться благами земли и предпочел позаимствовать у моря количество энергии, потребной для нужд корабля.

Профессор Аронакс. У моря?
Капитан Немо. Да, профессор, в море нет недостатка в этой энергии.

Жюль Верн. Двадцать тысяч лье под водой (1870 год)

Автор этой статьи опубликовал в 1988 году брошюру «Энергия океана: фантазия и реальность». За прошедшие с того времени годы энергетика Мирового океана не только стала абсолютной реальностью, но и превратилась в отдельный сектор глобальной экономики с миллиардными инвестициями. В России это направление использования возобновляемых источников энергии до сих пор пребывает в зачаточном состоянии, и о нем мало осведомлены специалисты. «Энергополис» подготовил краткий обзор крупнейших проектов и последних достижений этого направления энергетики.

Энергия морского ветра

Проекты морской возобновляемой энергетики следует делить на два направления. Первое занимается крупными береговыми гидросооружениями приливной и волновой энергетики. Второе направление – энергетика шельфа, акваторий открытых морей и океана.

Чего в океане не меньше, чем воды, так это ветра. Поэтому все чаще на шельфе и в открытом море, где сила ветра гораздо выше, чем на суше, и нет дефицита свободных площадей, во многом по сходной с офшорными технологиями добычи нефти и газа строятся ветропарки. Для установки ВЭУ используются стационарные, устойчивые к воздействию волн и льда основания и платформы. Гигантские лопасти океанских ВЭУ с рабочим колесом диаметром более 120 м изготавливаются из композитных материалов, широко применяемых в современном судостроении.

Офшорная ветроэнергетика быстрыми темпами развивается в США, Китае, Испании, Франции, Норвегии, Швеции и многих других странах. Германия, Великобритания, Дания, Нидерланды и Бельгия обладают суммарным ветроэнергетическим потенциалом шельфовых зон, в три раза превышающим общий объем энергопотребления этих стран. Германия намерена в ближайшее время разместить в Северном и Балтийском морях более 40 ветровых энергетических ферм общей мощностью около 12 ГВт.

Великобритания активно строит морские ветровые фермы заявленной суммарной мощностью более 40 ГВт. Тендеры на создание к 2020 году в этой стране новых морских ветровых ферм общей мощностью 32 ГВт выиграли европейские энергетические концерны RWE, E.ON и Siemens. Реализация этих проектов обеспечит 25% всей потребляемой электроэнергии в стране, а их суммарная стоимость составит более 110 млрд евро. Только за 2013 год суммарная мощность ветровых энергетических установок Объединенного королевства увеличилась на 79% и составила 3,3 ГВт за счет ввода четырех больших ферм, одной из которых является крупнейшая в мире офшорная ветровая ферма London Array. Эта ферма мощностью 630 МВт состоит из 341 морской ветровой турбины мощностью около 3 МВт, размещенной на акватории площадью около 90 кв. миль.

Кроме названных проектов, можно упомянуть подписанное межгосударственное соглашение 2012 года между Великобританией и США о сотрудничестве в разработке плавучих ветровых установок в районах с глубинами более 60 м, которые очень привлекательны в силу высоких скоростей ветра. Подобные работы активно проводятся также в Японии и во Франции судостроительной корпорацией DCNS.

Энергия поверхностного волнения и приливных течений

Параметры ветрового волнения очень изменчивы во времени и пространстве. Поэтому из тысячи проектов только отдельные волновые преобразователи (ВП) доводятся до натурных испытаний. В США и ряде европейских стран созданы десятки демонстрационных установок, многие из которых близки к практическому использованию. Работы в этом направлении очень активизировались в Великобритании, где сегодня разрабатывается около 25% всех мировых проектов по энергетике волнения и течений.

Энергия волнения в Великобритании имеет потенциал для производства 50 ТВт·ч электроэнергии. Еще порядка 17 ТВт·ч там можно получать от приливных течений. Это без учета соотносимого по величине потенциала приливной энергии в эстуарии реки Северн, относительно которого еще окончательно не решено, какие технологии использовать – с плотиной или без нее.

Первым коммерческим ВП, поставляющим электроэнергию в береговую сеть, стала плавучая установка Pelamis мощностью 750 кВт. Она состоит из пяти шарнирно соединенных цилиндрических секций диаметром 3,5 м и общей длиной 180 м. Перемещение секций на волнении приводит в действие гидроприводы генераторов.

В настоящее время в Шотландии реализуются три проекта морских волновых ферм на базе установок Pelamis, каждый мощностью по 50 МВт. Кроме того, на севере Шотландии к 2020 году будут смонтированы генерирующие морские ВИЭ мощностью 1,2 ГВт, а весь этот сектор будет к этому времени оцениваться в 3,7 млрд фунтов.

Наибольшее число ВП приходится на плавучие установки точечного типа, подобные океанологическим буям. Одними из наиболее эффективных ВП этоготипа являются американские PowerBuoy мощностью от 40 до 150 кВт. Заякоренный на дне, такой ВП работает за счет вертикального перемещения поплавка, скользящего вдоль центральной направляющей буя. У побережья Великобритании начинается реализация многомиллионного проекта Wave Hub, где сеть из десятка PowerBuoy будет размещена на одной акватории и подключена к береговой энергосети.

В последнее десятилетие быстрыми темпами развиваются технологии TISEC (Tidal In-Stream Energy Conversion), позволяющие использовать кинетическую энергию приливно-отливных течений без трудоемких и дорогостоящих гидросооружений. Подобные подводные свободнопоточные преобразователи более 20 лет назад были разработаны в СССР учеными и специалистами Института океанологии им. Ширшова (ИОРАН), но так и не нашли своего применения в современной России. На шельфе Франции судостроительная корпорация DCNS начала сооружение первой в мире коммерческой подводной фермы стоимостью 55 млн долларов и мощностью 8 МВт, состоящей из четырех энергоустановок OpenHydro. Первая в мире британская коммерческая установка SeaGen диаметром турбины 16 м и мощностью 1,2 МВт является одним из самых мощных и крупных в мире генераторов, использующих энергию приливных течений. Лопасти совершают всего около восьми оборотов в минуту, поэтому отсутствует негативное воздействие на окружающую среду. На севере Шотландии, где скорости течений достигают 4 м/с, предполагается развернуть подводный парк из 66 подобных турбин суммарной мощностью 99 МВт. Аналогичные проекты разрабатываются для Индии, Кореи и других стран.

Передача и накопление энергии океана

В 2010 году десять стран ЕС объединились для создания интеллектуальной электрической сети (smart grid), которая должна объединить различные ВИЭ и традиционные энергетические установки на суше с морскими установками. В рамках этого проекта планируется привлечь инвестиции на сумму 30 млрд евро и создать к 2030 году в Северном море единую сеть офшорных ветровых и морских установок общей мощностью 150 ГВт, что позволит странам ЕС обмениваться возобновляемой энергией и быть независимыми от погодных условий. Кроме того, ведущие энергетические компании стран бассейна Северного моря совместно развивают проект производства газа из воды P2G (Power to Gas) за счет электроэнергии, вырабатываемой ВИЭ. Перспективы реализации проекта P2G основаны на ожидаемом значительном росте мощностей различных ВИЭ и возможности использовать избыток электроэнергии, произведенной от них, без специальных накопителей. Страны ЕС уже имеют развитую инфраструктуру транспортировки и хранения природного газа, пригодную для замещения этого газа «зеленым». Эти два проекта определены самыми приоритетными в сегодняшней экономике ЕС.

Тепловая энергия океана

Огромные ресурсы и стабильность разницы температур между поверхностными и глубинными водами являются основой преобразователей энергии ОТЕС (Ocean Thermal Energy Conversion), которые могут работать непрерывно десятки лет при практически нулевом выбросе тепла и углекислого газа в окружающую среду. Установки ОТЕС мультипродуктивны: кроме электроэнергии, они позволяют производить из океанской воды большие объемы пресной воды, потребность в которой становится все острее. ОТЕС открытого цикла мощностью 10 МВт могут производить в день до 35 тыс. куб. м воды. К тому же на базе ОТЕС можно методом электролиза получать из морской воды жидкий водород, а извлекая из окружающего воздуха азот, возможно вырабатывать аммиак, потребность в котором для производства удобрений и пластмассы очень велика.

Использование энергии холодных глубинных океанских вод (Deep Ocean Water – DOW), позволяет развивать ряд новых технологий: высокоэкономичные системы кондиционирования помещений и интенсивного охлаждения в морозильных камерах (Sea Water Air Condition – SWAC); производство пресной воды из морской методом испарения (Low Temperature Thermal Desalination – LTTD); развитие агрокультуры, для чего в почве у корней растений прокладываются трубы, по которым течет холодная вода с океанских глубин. Конденсат увлажняет землю, создавая уникальные условия для роста и сокращения сроков созревания растений. Еще одной технологией DOW является развитие марикультуры путем подъема холодной, чистой, богатой полезными веществами глубинной воды, что создает великолепные условия для выращивания различных видов водорослей, моллюсков, лангустов, рыбы, морских животных. На островах Гавайи, Маврикий и Японском архипелаге уже применяются такие технологии в коммерческих целях.

Возможность получать огромные доходы от внедрения на мировой рынок мультипродуктивных OTEC обу­славливает к ним большой интерес. Так, военно-космический концерн Lockheed Martin Corporation получил в 2009 году от ВМФ США грант в сумме 12,5 млн долларов на строительство к 2015 году плавучей ОТЕС мощностью 10 МВт. В дальнейшем планируется создание 100 МВт установок у берегов Гавайев, возле Пуэрто-Рико, а также около американских военных баз на островах Диего-Гарсия, Маршалловых и на Гуаме. Строительство столь мощных ОТЕС потребует создания трубопровода холодной воды длиной 1 км и диаметром 10 м. Весной 2013 года было подписано соглашение с корпорацией Lockheed о создании к 2017 году на шельфе Южного Китая первой в мире коммерческой плавучей ОТЕС мощностью 10 МВт.

С 2010 года к созданию ОТЕС в Тихом океане и Карибском бассейне также приступила французская военно-судостроительная корпорация DCNS. Сегодня освоение тепловой энергии океана входит в национальные программы США, Франции, Японии, Швеции, Индии, Китая, Тайваня, Нидерландов и других стран.

Для России прорывным направлением, но пока все-таки фантастическим может оказаться создание арктических ОТЕС – энергоустановок, использующих для своей работы перепад температур между относительно теплой подледной водой и морозным наружным воздухом. Еще в СССР рядом организаций, в том числе ИОРАН, были начаты НИР по созданию АОТЕС.

Микроэнергетика и энергосбережение

Наряду с известными экономическими и экологическими преимуществами, которые обеспечиваются малой распределительной энергетикой для автономных и удаленных объектов, энергетика Мирового океана позволяет значительно сократить расходы природного топлива еще в некоторых очень энергоемких областях. Так, в сочетании с современными достижениями в области измерительной техники, связи и программного обеспечения микроэнергетика океана дает возможность создавать новые уникальные автономные морские технические средства долговременных исследований и обеспечивать полную автоматизацию наблюдений, сбора и обработки информации.

Это направление впервые в мире было начато ИОРАН более 25 лет назад, а за рубежом такие работы активизировались только в последние годы, но с большой финансовой поддержкой и поэтому очень интенсивно. Для исследования океана в США были созданы скользящий по поверхности океана за счет тяги, создаваемой волнением, автоматический аппарат Wave Glider, целая флотилия подводных аппаратов SAUV с солнечной энергетикой, а также серия глайдеров типа SLOCUM и SOLO-TREC, перемещающихся в глубину и на поверхность за счет использования тепловой энергии океана. Широкое использование подобных и других средств океанотехники с энергоснабжением от возобновляемой энергетики океана позволит экономить топливо и экспедиционные затраты и перейти к новой парадигме наблюдений в Мировом океане без привлечения дорогостоящих научно-исследовательских судов. Так, средняя стоимость только одной двухмесячной океанской экспедиции превышает 1,5 млн долларов США, а для непрерывного, качественного изучения океана требуются десятки научно-исследовательских судов.

Создание благоприятного инвестиционного климата

Для развития морских ВИЭ правительства ведущих стран мира используют специальные финансовые и законодательные механизмы, позволяющих компаниям – разработчикам ВИЭ морского сектора прибыльно развиваться, а инвесторам этой отрасли быть твердо уверенными в долговременной государственной поддержке и стабильности данного сектора экономики. Например, в Великобритании основным механизмом такой финансовой поддержки являются сертификаты по обязательствам ВИЭ (Renewables Obligation Certificates – ROCs), которые обязывают все фирмы, поставляющие электроэнергию потребителям, получать установленную законодательством определенную часть своей энергии от возобновляемых источников. Правительство также установило на продажу электроэнергии от морских ВИЭ льготные тарифы (Feed-In-Tariff), уже показавшие свою эффективность в ветроэнергетике Германии, Испании и Дании. Исследования, выполненные компанией RenewableUK, показали, что каждый фунт стерлингов бюджетных денег, вложенных в морской сектор, обеспечил даже в период общего кризиса 6 фунтов частных инвестиций.

Развитие энергетики Мирового океана как инновационного направления проходит в условиях широкой международной кооперации. В конце 2013 года Всемирный банк объявил о финансовой поддержке до 2030 года программы альтернативной энергетики в развивающихся странах объемом в сотни миллиардов долларов США. Это обеспечит геополитические преимущества развитым странам, способным уже сегодня экспортировать технологии морских ВИЭ.