Море волнуется раз... Еще много, много раз

Энергия волнения океана оценивается в 2 ТВт, и этот огромный ресурс может внести существенный вклад в смягчение зависимости от ископаемого топлива и тем самым уменьшение его вредного воздействия на окружающую среду.

Средняя годовая удельная энергия волнения Мирового океана составляет около 40 кВт/м. Россия омывается тринадцатью морями, морская граница нашей страны простирается на 40 тыс. км, а удельная мощность энергии волнения, например, в Охотском море составляет 30 кВт/м.

Российские ученые уже давно интересовались этой проблемой. Так, основоположник эры космических полетов Константин Эдуардович Циолковский опубликовал в 1935 году статью «Волнолом и извлечение энергии из морских волн». Прошло несколько десятков лет, и в США профессором М. Мак-Кормиком, а также группой ученых в Японии были разработаны рабочие проекты массивных волноломов со встроенными в них воздушными преобразователями, использующими энергию набегающих волн.

За последнее десятилетие работы по волновой энергетике значительно активизировались в Великобритании, США, ведущих странах Европы и Азии. Созданы десятки различных демонстрационных установок волновых преобразователей (ВП), некоторые из которых уже используются в коммерческих целях. Но из множества технических предложений пригодными для практической реализации оказываются лишь десятки; из них после натурных экспериментов в реальной океанской среде остаются считанные единицы. Это объясняется низкой концентрацией энергии, непостоянством ее в пространстве и времени, широким спектром и многомерностью колебаний волнения, агрессивностью океанской среды и значительными трудностями в передаче энергии на берег. Серьезное препятствие создает необходимость обеспечения живучести ВП в случае экстремальных штормовых нагрузок.



Концепт-проект ВП Wave Hunter

Российской компанией «Гидроэнергоспецстрой» разрабатывается проект ВП Wave Hunter, предназначенный как для защиты береговых сооружений от воздействия волнения, так и для выработки электроэнергии. По утверждению компании, этот ВП позволяет снизить разрушающую энергию волн в десять раз, преобразовывая при этом в полезную работу до 40% начальной энергии волнения, для чего, при постоянно меняющихся параметрах стихии, используются специальные системы автоматического регулирования демпфирующих усилий элементов ВП.

Идею использования преобразователя воздушного типа, назвав его кессоном, предложил также Циолковский. В Японии в 80-х годах был создан макет плавучего ВП «Каймей» воздушного типа под названием «осциллирующий водный столб» (ОВС) мощностью 1 МВт, который был размещен на барже водоизмещением 500 тонн и состоял из 22 воздушных камер с турбогенераторами мощностью по 125 кВт.

В 2010 году на севере Испании был введен в действие первый коммерческий ВП Mutriku типа ОВС мощностью 296 кВт, в береговых бетонных кессонах которого колебания уровня воды при волнении создают воздушные потоки, вращающие турбогенераторы. Подобные ВП разработаны недавно в России специалистами «РусГидро» для установки в плотину Северной приливной электростанции, а также в виде автономного блока донного базирования «ВОЛНЭС-30» мощностью 30 кВт. Низконапорная ортогональная турбина вращается в одном направлении независимо от направления движения воздуха по воздуховоду. Но все же энергию волн более целесообразно использовать в открытом море, а не у берега, где она снижается вследствие трения и обратной циркуляции воды. Сегодня на судостроительных верфях создаются крупные плавучие установки с ВП типа ОВС, такие, например, как австралийский ВП Oceanlinx, размерами в десятки метров и мощностью от 100 кВт до 1,5 МВт.


1. ВП Oyster на стапеле

2. Плавучий ВП Pelamis

В основе следующего класса ВП также лежит идея К. Э. Циолковского – преобразование колебательного движения устройства вида «плавающая дверная петля огромных размеров» во вращательное движение с помощью прикрепленных к петле «стержней» и «зубчатых колес». В 70-х годах в Великобритании были созданы и испытаны ВП типа «плот Коккереля» и «утка Солтера», в которых качающиеся элементы с шарнирными соединениями передавали энергию волнения с помощью гидравлической системы электрогенераторам. Из современных плавучих ВП первой коммерческой установкой, поставляющей электроэнергию в береговую сеть, является шотландский ВП Pelamis мощностью 750 кВт, состоящий из пяти шарнирно соединенных цилиндрических секций диаметром 3,5 м и общей длиной 180 м. Перемещение секций на волнении приводит в действие гидроприводы генераторов. Для реализация этого проекта в Шотландии было привлечено более 50 млн фунтов стерлингов. При солидной финансовой поддержке немецкого концерна EON сегодня компания Pelamis Wave Power намерена совместно с инвесторами реализовать в суровых водах северной Шотландии три проекта, каждый мощностью по 50 МВт, состоящих из плавучих ВП Pelamis единичной мощностью 750 кВт. Новый перспективный британский ВП прибрежного типа Oyster 800 мощностью 800 кВт представляет собой больших размеров панель, шарнирно закрепленную на фундаменте относительно недалеко от берега. Волны вызывают колебания пластины и работу гидравлики. Интересно, что затраты на создание следующего ВП этой серии снизились почти на 70%. Недавно поддержку солидных концернов Fortum и DCNS получил похожий проект подводного ВП WaveRoller, принцип действия которого также основан на колебании шарнирной массивной панели, устанавливаемой на дне на глубине от 8 до 20 м. Это обеспечивает работу гидравлической системы и электрогенератора ВП единичной мощностью от 500 кВт до 1 МВт. Намечена совместная реализация демонстрационного проекта такого преобразователя мощностью 1,5 МВт у берегов Франции.

В последние годы в Институте океанологии им. Ширшова РАН во­зобновились работы по направлению «микроэнергетика океана», целью которых является создание источников энергии для системы долговременных океанских исследований за счет использования возобновляемой энергии океана (АСОИ ЭО). Одним из основных элементов такой системы является поверхностный энергетический буй – ретранслятор океанологических данных и управляющих команд, соединенный кабелем со стационарной узловой платформой (СУП). Электропитание такого буя может обеспечиваться установкой, использующей энергию поверхностного волнения. В ИО РАН имеется значительный технологический задел по макетам ВП различного типа. Если размеры ВП значительно меньше длины волны, то эффективность ее работы не зависит от направления движения волн. Такие установки называются точечными. Особенный интерес к точечным преобразователям связан с тем, что они не только могут обладать достаточно высоким КПД преобразования, использоваться как в одиночку, так и совместно, образуя целые энергосистемы, но и тем, что они собирают энергию с участка фронта волны, превышающего их линейные размеры. Были разработаны модели и проведены исследования эффективности отбора энергии волнения для точечных ВП: использующего энергию орбитального движения воды; пневмодинамического типа; колебательного движения твердой пластины; с динамическим якорем; с внутренней инерционной массой. Совместно с МЭИ был разработан точечный ВП с линейным индукционным генератором. Для повышения энергетических показателей этого ВП использовались магнитные материалы из группы редкоземельных магнитов, применение которых дало возможность уменьшить массу и габариты генератора. В дальнейшем разработки линейного генератора для ВП были продолжены в МЭИ под руководством известного ученого-энергетика А. Ф. Дьякова. Однако начиная с 1993 года работы по созданию ВП прекратились и не проводились в России более 15 лет из-за отсутствия финансирования, а за рубежом за последние десять лет подобные проекты привели уже к разработке коммерческих установок большой мощности.

Среди них можно отметить нидерландский ВП Archimedes Wave Swig (AWS) мощностью до 2 МВт, устанавливаемый на массивном фундаменте под водой и состоящий из части, жестко закрепленной на основании, и поплавка, совершающего вертикальные перемещения под воздействием поверхностного волнения. Отбор энергии осуществляется с помощью линейного генератора с постоянными магнитами, закрепленного внутри цилиндрических частей. Линейный индукционный генератор используется также в конструкции ВП Seabased мощностью 40 кВт. Подводный блок с генератором устанавливается на дне и соединяется тросом с поплавком на поверхности океана. Колебания волнения отслеживаются поплавком и передаются по тросу на исполнительный механизм линейного генератора. Весной 2013 года при поддержке концерна Fortum стартовал проект стоимостью 25 млн евро, предполагающий на базе ВП Seabased развертывание крупнейшей в мире волновой энергетической фермы у побережья Швеции общей мощностью более 10 МВт. Планы компании Seabased распространяются также на рынки Норвегии, Великобритании и Франции. По оценкам компании общий объем рынка волновой энергетики в этих странах составляет около 145 млрд евро.



Cпециалистами «РусГидро» разработан в виде автономного блока донного базирования «Волнэс-30» мощностью 30 кВт

В 2006 году при поддержке нефтяного концерна Total компанией Ocean Power Technologies, Inc. (OPT) был создан ВП точечного типа – энергобуй PB40 мощностью 40 кВт. Этот проект WavePort продолжает выполняться в настоящее время с участием ряда компаний ЕС. В 2007 году компания ОРТ получила от правительства США заказ на поставку волнового буя PowerBuoy для автономного обеспечения энергией глубоководных систем сбора данных об океане (DWADS), а затем на четырехлетнюю программу LEAP (Littoral Expeditionary Autonomous PowerBuoy), которая была направлена на расширение возможностей в борьбе с терроризмом и повышение обороноспособности страны. Новый коммерческий вариант волнового буя ряда PB150, генерирующего 150 кВт электроэнергии, напоминал заякоренную вертикально в океане «гантель» длиной около 38 м. Макет этого буя, установленный у побережья Нью-Джерси, смог выдержать испытания 15-метровыми волнами во время урагана Ирэн. Проект был успешно выполнен прежде всего вследствие использования океанских технологий, обеспечивших путем автоматической настройки эффективную работу энергоустановки в постоянно меняющихся условиях окружающей среды. Корпорация Lockheed Martin подписала соглашение о сотрудничестве с компанией OPT в проектах развития коммерческих технологий волновой энергии в США и по всему миру. С 2012 года началось создание у берегов штата Орегон (США) волнового энергетического парка, состоящего на первом этапе из десяти буев PB150 общей мощностью 1,5 МВт. Окончательная мощность проекта составляет 50 МВт. Компания ОРТ совместно с Lockheed Martin планирует осуществление подобных проектов у берегов Австралии и Японии, а также продолжает расширение своей линейки энергетических буев. Недавно в Шотландии закончились морские испытания нового волнового буя Mark 3 PowerBuoy мощностью до 866 кВт, длиной 43,5 м и диаметром поплавка 11,5 м. Сейчас компания ОРТ уже разрабатывает гигантский точечный ВП Mark 4 Power Tower мощностью 2,4 МВт.

Таким образом, за рубежом наблюдается рост единичных мощностей ВП с тенденцией перехода от производства отдельных блоков к созданию на их основе энергетических парков значительной суммарной мощности. Важно отметить, что для создания ВП в основном применяются океанские подводные и судостроительные технологии. Зарубежные компании – создатели ВП при поддержке крупных корпораций ведут активную работу по экспорту своих технологий в различные страны мира. Это особенно важно отметить сегодня, когда Россия наконец перешла к программе отечественного импортозамещения.