ГИДРОЭНЕРГЕТИКА НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ. НОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ

Гидроэнергетика нового поколения Наука и новые технологии Александр ЯКОВЕНКО, Елена РУССЕЙКИНА, Московский государственный университет природообустройства Традиционная гидроэнергетика, с плотинами и затоплением больших территорий должна в будущем уступить место агрегатам, которые совершенно не вредят окружающей среде. Их применение будет не только новаторским, но и достаточно эффективным. Из основных возобновляемых источников энергии – водного, воздушного (ветрового) и солнечного – первый был и будет самым надежным, эффективным, доступным, дешевым. Генерация на его основе будет развиваться активнее, особенно в кризисных ситуациях. Два остальных возобновляемых источника (солнце и воздух) могут быть дополнением к гидроэнергетике нового типа при комбинированных энергокомплексах типа гидро-гелио-пневмоЭС. По отдельности сегодня их разработка технически сложна и дорогостояща, малодоступна для рядового потребителя в отдаленных от центра территориях. Использование воды Океаны, моря, реки и другие водоемы занимают большую часть планеты. Вода содержит в себе колоссальную энергию, даже если взять только кинетическую энергию движущейся воды, то есть течения, приливы, силу волн, естественные или искусственные потоки. Энергию рек люди стали использовать давно, начиная с водяных мельниц (деревянных норий, 5000 лет назад в Сирии) и кончая гигантскими гидроэлектростанциями ХХ века. В ХХI веке появились новые технологии использования малых потоков рек (с расходом от 3‑5 м3 /сек для малых плотинных ГЭС). Появляются уже гидроустановки, получающие электроэнергию от сверхмалых потоков (низкопотенциальных, от 20 литров /сек), с большими возможностями по мощностям (до 100 кВт) и от искусственно созданных потоков, так называемых «кинетических гидроколец» (эти установки, по аналогии с механическими типами кинетических колец, мы назвали «гидроколлайдерами»). Появляется и генерация энергии с помощью комбинированных систем в стоячих водоемах или в искусственных бассейнах. Технология позволит обеспечить потребителя почти в любой отдаленности от центральных энергосистем. Главное в этой технологии регенерации энергии – это использование динамики потоков или гидроимпульсов. Создается новая энергетика – «индивидуальная», где генерация и потребление максимально сближены и обеспечивают потребителя и соседей собственной энергией по схеме взаимовыручки, в отличие от традиционных видов генерации, энергию которых надо доставлять через сотни километров. Если рационально использовать гидроресурсы, то потенциал гидроэнергетики, особенно малой, без плотин и микро-ГЭС, к 2030 году может превысить 70 процентов от общей энергетики. Простота и доступность индивидуальной энергетики, в т. ч. и микро-ГЭС, снизит потребление энергии ветра и солнца как неудобные и чрезмерно затратные для общего пользования, а уж зависимость от топливной энергетики и подавно резко уменьшится. В использовании течений морей, приливов и силы волн человечество пока делает робкие шаги, хотя многие страны буквально тонут в мировом океане. Надо эффективно и рационально использовать возможности воды, а не создавать гидросистемы, заранее обрекая полученную энергию на дороговизну. Имеются в виду каскады плотин на реках и затопление земель. Неосуществленный проект В России у изобретателей появляются щадящие технологии использования силы рек и моря, есть проекты, которые позволят получать энергию даже после сноса плотин и спуска водохранилищ. Страны ЕС намерены использовать ветроэнергетический потенциал Северного моря. Девять европейских стран, включая Нидерланды, Норвегию и Швецию, подписали программу действий по укреплению энергетического сотрудничества в Северном море. Они будут вести сотрудничество в следующих направлениях: планирование и использование морского пространства; создание электросетей, способных принять большое количество энергии от ветровых электростанций; обмен информацией; признание энергетических стандартов друг друга, – что позволит с минимальными затратами использовать богатый ветроэнергетический потенциал региона Северного моря. Эффективней было бы использовать водный потенциал перечисленных стран и уже попутно – ветровой. Например, был один из оригинальных проектов, предложенный в начале 80-х годов ХХ века испанским инженером Феликсом Канью и незаслуженно забытый: строительство донной ж /б плотины для подводной ГЭС в северной части Гибралтарского пролива. Океанологи определили, что вдоль марокканского побережья из Атлантического океана в Средиземное море «вливается» поверхностным течением около 100 000 м3 воды в секунду, а у берегов Испании в океан движется придонный поток в обратном направлении. Энергию этой мощной донной реки и предложил использовать Феликс Канью, для этого надо было построить железобетонную плотину, в пропускных арках которой должны были разместиться электрогенераторы горизонтального типа. Но стройка века не состоялась из‑за сложности возведения подводной бетонной плотины, хотя гидротурбины, говорят, уже были созданы фирмами Англии. Несмотря на сложность и дороговизну строительства, донные морские плотины гораздо экологичнее и эффективнее, чем речные поперечные гравитационные, т. к. не требуют подпора воды, затопления земель и строительства пропускных шлюзов. Варианты донной плотины Хотя европейские энергетические фирмы и охладели к крупным подводным плотинам из‑за сложности и дороговизны их возведения, но если предлагаемые новые современные технологии их возведения снизят цену наполовину, то, возможно, некоторые потребители (страны) обратят внимание на эти сооружения, т. к. по мощности донные плотинные ГЭС не будут уступать речным гидроэлектростанциям или целым каскадам речных ГЭС и в то же время не отнимают места на суше. Автор позволит себе предложить свои варианты донной морской плотины, на его взгляд, более технологичные и экономичные, а значит, реальные в осуществлении. Подобные плотины можно возводить всюду, где есть постоянные донные течения, даже на течении Гольфстрим, у берегов Флориды, в проливе Лаперуза (скорость течения 4,5 м /сек), в проливах Англии и Шотландии, Кореи и Японии, где скорости от 3 м /сек. Так как проект Ф. Канью был предложен для Испании, то и рассмотрим вариант именно для этого региона. Вдоль южного побережья средиземноморской Испании, от Гибралтара и далее на восток, необходимо выбрать благоприятное дно, примерно около 1‑1,5 километра в море от берега с оптимальными глубинами до 20‑35 метров, с донным течением не менее 2 м /сек. Под защитой искусственной дамбы у берега можно создать искусственную бухту (по той же технологии, что и плотину), где разместятся вспомогательные суда, причалы, полигоны для изготовления необходимых форм и размеров ж /б конструкций, а временная гидро-гелио-ветростанция (предложенная тоже авторами) или малая ГАЭС с импульсными турбинами может дать необходимую энергию для нужд строительства, сборочным цехам и жилым поселениям. В акватории этой искусственной бухты и начинается монтаж самой плотины, уходящей в глубину от берега, при соблюдении некоторых условий. Возможно, будет необходимо возвести на конце будущей плотины маяк. Если плотина (по одному из вариантов) будет «притоплена» на 7‑8 метров, то маяк определит, где могут проходить маломерные суда и где крупные корабли, а если по гребень плотины выше уровня моря (другой вариант), то он тем более необходим. Маяк устанавливается на искусственном острове, сооруженном из железобетонных колец диаметром от 6 до 12 метров с анкеровкой в дно. Кольца изготовляются по той же технологии, что и ячеистые контейнеры для тела плотины (методом пневмонабрызга, «мокрый торкрет»). От маяка и идет подготовка ложа будущей плотины по дуге, вогнутой по течению. Для монтажа плотины пустотелыми конструкциями не обязательно использовать сложные специальные плавсредства. Доставка с берегового полигона ячеистых конструкций может осуществляться с помощью специальных понтонов, а монтаж ведется плавучими кранами, причем транспортировка и засыпка установленных ячеистых конструкций скальным грунтом и подводное бетонирование также могут осуществляться с помощью тех же понтонов, оборудованных бункерами с трубчатыми транспортерами (хоботами), что намного удешевит работы. Пролив бетоном скального наполнителя и стыков конструкций может также осуществляться с барж бетононасосами. Глубина до 35 метров способствует использованию для контроля легких водолазов и специальных монтажных батискафов. Во время монтажа в тело плотины по ярусам вставляются специальные блоки с горизонтальными цилиндрическими отверстиями, куда затем монтируются гидротурбины с электрогенераторами. Для электрогенераторов с гидротурбинами блоки изготовляются отдельно на полигоне. Энергоблок может устанавливаться уже в собранном виде под водой, а если генераторы еще не готовы, то энергоблоки могут монтироваться уже после создания плотины, в пустые ячейки блоков с помощью монтажных батискафов. Удобно будет, если размеры всех блоков будут, например, равны 2 × 2 × 4 метра, а блоки с генераторами представляют заданных размеров кубы с продольными отверстиями, со специальными пазами и крепежом для монтажа и фиксации сборных энергоблоков. Изгибающаяся в плане форма донной плотины увеличит подпор воды. Увеличится скорость направляемого в отверстия потока и повысится КПД генераторов. При указанных примерных размерах плотины в ней могут разместиться от 300 до 500 генераторов при мощности одного генератора в 100 кВт, но генераторы могут быть и более мощные, все зависит от силы течения и возможностей строительных фирм. В случае отказа работы генератора он просто извлекается из бетонного блока с помощью подводного монтажного батискафа и заменяется другим. Если конфигурация берега Испании позволит построить не одну подобную плотину, то наверняка проблема с недостатком электроэнергии уменьшится или решится полностью, без строительства АЭС, солнечных и ветроэлектростанций. Причем – как для Испании, так и для соседних стран (с помощью экспорта энергии). Использование нефтяных платформ Если все‑таки условий для строительства таких конструкций не будет, то автор предлагает оригинальную конструкцию облегченной плотины-«моста», в просветы опор которой помещаются горизонтально-лопастные гидротурбины с вертикальной осью вращения. Такая подводная ГЭС должна быть не меньше по мощности, но пока об этом судить рано, так как это пионерское решение и нигде еще не применялось. На базе горизонтально-лопастных гидротурбин могут создаваться одиночные энергоустановки на морских платформах, в комбинации с ветроагрегатами нового поколения. Здесь могут использоваться списанные или запрещенные нефтяные платформы. Грубый расчет говорит, что одна нефтяная платформа может дать количество энергии, равное четверти выдаваемой Саяно-Шушенской ГЭС. На базе такой энергетики можно строить аквагорода, особенно у тех стран, где есть недостаток земель и большая зависимость от экспорта топлива. Строительство традиционных ветроэлектростанций на суше уже считается не столь экологичным. Сейчас их стремятся выносить в море, подальше от берега, на искусственные острова, что сильно удорожает вырабатываемую энергию (нужны линии электропередачи). Донные плотинные ГЭС и автономные донные и плавающие энергоблоки гораздо безопасней и дешевле. Для Испании, имеющей береговую протяженность около 4000 километров, нет необходимости засорять поля традиционными «ветряками» и покрывать гектары земель солнечными батареями, энергия которых почти в четыре раза дороже. Комбинированные системы типа гидро-гелио-пневмоЭС могут решить энергетическую проблему любой страны (условно один метр берега моря или другого водоема, может дать 1‑2 кВт /сек энергии). В нашем проекте солнце и воздух (ветер) являются только стартером и поддержкой работы донных ГЭС морского базирования. Вернемся к поверхностному течению у берегов Марокко. Грех не использовать и его, при условии если «толщина» скоростного потока не менее полутора-двух метров, а скорость течения не менее 2‑2,5 м / сек. Один поперечный квадратный метр здесь содержит от 30 кВт / сек; при больших скоростях (от 3,5‑4 м / сек) мощность потока доходит до 80 кВт / сек. ГЭС для поверхностных течений Авторы могут предложить гидродвигатель и конструкцию ГЭС для условий поверхностных течений, в т. ч. для приливов и отливов (любой глубины, от 1 метра). Единственное условие: в тех местах, где будут помещены гидроустановки, использующие поверхностные потоки, судоходство невозможно, так как ГЭС использует горизонтально расположенные лопасти гидродвигателя, плавающего или притопленного типа, но для фауны моря они совершенно безопасны. Эта же схема гидротурбин отлично приспособлена к будущим приливным электростанциям (ПЭС нового поколения), не требующих перегораживающих плотин или барьеров, использующих только динамику прилива и отлива. В отличие от подводных мачтовых ГЭС фирмы «Marine Curent Turbines» (водяные мельницы) и фирмы «SMO Hydrovision» (ГЭС-перевертыши), где лопасти вращаются в вертикальной плоскости, и требуют глубину минимум в 20 метров, предлагаемые ГЭС используют максимально набегающий поток, при любом направлении течения, с глубиной потока от 1,5 метров и выше. Кроме того, эта схема гидротурбин, при некоторой доработке, может использовать волновую энергию моря, там, где волны постоянны по высоте и времени, особенно на мелководье. Гидростанции поверхностных течений могут быть одиночно плавающие, якорного типа, или стационарные, опирающиеся на дно (виде кольцевого столба диаметром до 12 метров, заполненного скальным грунтом) и с добрым десятком генераторов в машинном помещении, размещенном выше поверхности моря, или в виде «подводного корабля», стоящего на якорях в поверхностном или в погруженном состоянии, и имеющего возможность менять позицию в зависимости от условий течений или ледового состояния. Для последнего варианта можно использовать списанные подводные лодки или утилизированные ж / д цистерны, но можно и изготавливать на верфях специальные цилиндрические понтоны, заполненные соответствующим оборудованием и отбуксированные к месту эксплуатации. Мощность подобных гироэнергетических комплексов ограничена только количеством генераторов и силой поверхностного потока в море или в реке. Они могут заполнять опустевшие верфи (например, в Хорватии), легко масштабируются, увеличивая общую мощность до огромных размеров. Вообще, странам, почти полностью омываемым морями, имеющим огромный гидроэнергетический потенциал, странно жаловаться на недостаток энергии. Гидростанции поверхностных течений могут быть одиночно плавающие, на якорных стоянках или на платформах, которые, развиваясь, могут создавать пространственные конструкции, аквагорода. Альтернатива гидрогигантам Предложенные подводные «плотинные» ГЭС, автономные кассетные донные гидроэлектростанции, приливные ГЭС нового поколения, гидроаккумулирующие станции прибрежного базирования и ГЭС для поверхностных течений со временем найдут применение и в России: на Дальнем Востоке, в северных морях и на глубоких местах сибирских рек. Даже подо льдом – со льда удобней вести ремонт и монтаж донных блоков. Здесь особенно рационально использовать автономные донные энергетические кассетные блоки и плавающие ГЭС на базе подводных лодок или оборудованных цистерн. Подсчитано, что только 0,1 процента энергии морей может обеспечить 15 миллиардов человек дешевой энергией, без топлива и экзотических генераций. А если прибавить энергию ветра, солнца и др. безопасную, то цифра «потребителей» увеличится на порядок, надо только помочь изобретателям превратить свои разработки в реальные изделия. Энергию воды, солнца и ветра не надо добывать, перевозить, перерабатывать, она всюду в избытке, вокруг нас. Предлагаемый проект – альтернатива гигантским плотинам, перегораживающим реки, и малой плотинной гидроэнергетике. Можно, кстати, строить вдоль рек (есть проект), продольные береговые «плотины» с искусственными быстротоками, которые не требуют затопления земель, так как используют только необходимый для гидротурбин нового поколения динамический расход воды, чем сохраняют судоходство и естественное существование рыбного поголовья. ГЭС с горизонтальнолопастными турбинами, под мостовыми пролетами, комбинированные с ветровыми турбинами-трансформерами по краям моста, могут найти применение на сибирских реках и на Дальнем Востоке. Также предлагается защищать берега рек, со слабыми грунтами и с опасными разливами, специальными ж /б цилиндрами с заполнением их местным инертным материалом, а в некоторых блоках размещать особой конструкции гидродвигатели с выдвижными лопастями (гидротурбины-трансформеры). Эти стенки из «трубчатого шпунта» создают защиту берегов на слабых грунтах, ликвидируют или ослабляют разрушения от разливов и затоплений и дают электроэнергию, сравнимую с существующими малыми плотинными ГЭС. Они могут разместиться по всему руслу реки. Если защитить, например, наиболее опасные части рек Эльбы и Дуная подобными энергоблоками, то меньше было бы неприятностей от ежегодных разливов, да еще и дополнительно получалась бы электроэнергия, которая окупала бы ежегодные затраты на защиту и восстановление аварийных береговых откосов и сооружений. Новаторство для возобновляемой энергетики Сейчас имеются десятки разработок для малой гидроэнергетики (в том числе и в нашем коллективе). Но не секрет, что бесплотинные малые ГЭС на реках, даже на водопадах и донных течениях пока почти не востребованы. Они дешевле, быстровозводимы, просты в эксплуатации и используют широкий диапазон глубин рек, от 0,15 метра и выше, при единственном условии, что скорость течения должна быть не менее 0,8 м / сек. Но есть разработки мини-ГЭС, действующих даже в «стоячих» водах озер, в искусственно созданных водоемах – так называемые пневмо-ГЭС. Такие энергокомплексы могут размещаться даже на крышах промышленных зданий, в технических этажах или подвалах. Представьте – индивидуальная ГЭС и тепловая станция на крыше или в подвале здания! Россия может стать «двигателем» в развитии автономного энергоснабжения высотных сооружений, использующих ВИЭ. Можно не только проектировать и разрабатывать новые конструкции, но и изготовлять их варианты, обеспечивая индивидуальными и автономными типами энергоустановок. Уже сейчас некоторые высотные здания пытаются обеспечить энергетикой солнечных батарей и традиционных ветроустановок, но для этого часто приходится подгонять архитектуру сооружения под конструкции. Здесь и могут пригодиться комбинированные системы энергообеспечения, типа гидро-гелио-пневмоЭС, где сравнительно «небольшие» площади солнечных батарей и нетрадиционные типы ветроустановок являются «стартерами» работы ГЭС (нового типа), размещенных на технических этажах или крышах. Спрос на чистую индивидуальную энергию будет огромен, учитывая нынешнее увлечение высотными зданиями. Создание энергетической компании для «высоток» необходимо уже сейчас – для этого нужно только желание архитекторов сотрудничать с новаторами в области энергетики. Устройства, предлагаемые авторами, компактны, просты и автономны. Конструкции универсальны, т. е. могут эксплуатироваться и в малых речках, глубиной потока от 0,15 метра, и в больших потоках любой глубины, а также при морских приливах и отливах. Кроме того, испытываются мини-ГЭС типа «гидроколлайдеров», которые могут использовать быстротоки горных рек или работать вообще без естественных речных потоков и даже вдали от них на большом расстоянии. Подобные «гидроколлайдеры» с успехом могут заменить уголь и мазут на тепловых станциях. Интерес могут представлять также автономные ГЭС, работающие на энергии взрывной волны, используя любые утилизированные взрывчатые вещества или газовое топливо. Молодежный творческий коллектив – «iзобретатель» из МГУ природообустройства может предоставить свои разработки по этой теме и другим темам в малой гидроэнергетике.