Приливные Электростанции

Если сопоставить возможный  энергопотенциал ПЭС с потенциалом  действующих в России электростанций, видно, что приливные электростанции даже при их полном развитии не решат  всех проблем энергетики. Однако оценка уже выполненных проектов показывает, что в удалённых от центра остродефицитных  регионах Севера Европейской части  страны и Дальнего Востока только приливные электростанции могут  решить актуальные проблемы энергетики и экологии этих регионов. Использование  энергии приливов позволяет реализовать  её основное положительное качество — гарантированное постоянство  среднемесячного потенциала в сезонном и многолетнем периодах для обеспечения  эффективной гармоничной работы с электростанциями различных видов, например по технологии выработки водорода.

Технологии

Оценка эксплуатируемых  ПЭС и современных проектах ПЭС  показывает, что в техническом  аспекте проблема их строительства  практически полностью решена. Так, в России по проектам института «Гидропроект»  при сооружении ПЭС, ЛЭП и морских  гидротехнических комплексов успешно  апробирован наплавной способ строительства (без перемычек), ускоряющий в 1,5—2 раза сроки возведения объектов и удешевляющий их стоимость на 33—42% .

 Особое значение имеет  опыт наплавного способа строительства  крупных блоков водопропускных  сооружений в защитной дамбе  г. Санкт-Петербурга, которые можно  рассматривать в качестве прямого  прототипа для наплавных блоков  будущих мощных Мезенской, Тугурской  и Пенжинской ПЭС. Продолжительность  строительства ПЭС с применением  наплавного способа менее срока  сооружения идентичных ГЭС. Так,  пуск первых агрегатов по ТЭО  Тугурской ПЭС обоснован в  конце восьмого года, а в проекте  Мезенской ПЭС — в конце  седьмого года.

Большим прорывом являются упомянутые выше ортогональные гидроагрегаты.

Исключительное значение для долговечности ПЭС имеют  разработанные в России технологии создания практически водонепроницаемых (W>14) и особо высокой морозостойкости (F>1000) бетонов. За 40 лет службы в зоне прилива в здании Кислогубской ПЭС в Заполярье в тонкостенной (15 см) конструкции эти бетоны не имеют разрушений, а их прочность повсеместно выше 70 МПа (при проектной 40 МПа).

Также уникальное значение имеет 40-летний опыт полной защиты арматуры и оборудования Кислогубской ПЭС от электрохимической коррозии с помощью катодной системы

Уникальна и апробированная в течение 30 лет на Кислогубской ПЭС электролизная установка, полностью обеспечившая защиту турбинных водоводов ПЭС от биологического обрастания. В то же время на ПЭС Ранс каждый из 24 агрегатов раз в два года выводится из эксплуатации для очистки поверхностей отсасывающей трубы от обрастателей.

Проекты приливных электростанций России

Тугурская ПЭС

Местоположение электростанции (Тугурская ПЭС): Россия, Тугурский  залив в южной части Охотского  моря, район города Николаевска-на-Амуре, 600 км до Хабаровска, 940 км до Японии.

Природные условия:

•   средняя величина прилива на входе в залив - 4,74 м;

•   залив защищен  грядой Шантарских островов от сильных  ветров и тяжелых льдов Охотского  моря;

•   площадь бассейна (при расположении ПЭС на входе  в залив) - 1800 м, ширина залив на входе - 37 км (что позволяет разместить там около 1000 гидроагрегатов мощностью  по 7-9 МВт).

Цели проекта:

•   сокращение добычи, транспортировки и сжигания топлива  для тепловых электростанций на 7 млн.т  условного заменяемого топлива;

•   уменьшение загрязнения  атмосферы Дальнего Востока на 17 млн.т выбросов в год;

•   обеспечение дешёвой  и возобновляемой энергией морских  приливов потребителей всего региона, в том числе Южной Кореи, Японии и Китая.

Технические показатели: установленная  мощность ПЭС - 7980 МВт, годовая выработка  электроэнергии - 20 млрд. кВт.

Планируемый срок строительства  Тугурской ПЭС - 11 лет, ввод первых агрегатов - на 7 году. Строительство будет проводиться  прогрессивным наплавным способом (без перемычек), что позволяет  перенести в условия промышленного  центра (доки г.Находка или Японии) более 82 % строительно-монтажных работ. Необходимый объём и эффективность  инвестиций определяется при заключении контракта.

Удельные капитальные  вложения на ПЭС (даже без учёта экологического эффекта) - 1055 долл. США в ценах 1999 г. на 1 кВт установленной мощности (в этом же районе для новой Средне-Угурской ГЭС этот показатель планируется  на уровне 1185 долл. США).

Стоимость энергии на Тугурской  ПЭС - меньше, чем на ГЭС, ТЭС и  АЭС (доказано за 30 лет эксплуатации первой промышленной ПЭС Ранс во Франции). Срок окупаемости капитальных вложений - 7,5 лет. Научное обоснование выполнено  ОАО «Научно-исследовательский институт энергетических сооружений».

Мезенская приливная станция

Мезенская ПЭС проектируется  на побережье Белого моря в Мезенском  заливе, где сосредоточены основные запасы приливной энергии Европейской  части России и величина прилива  достигает 10,3 м. Было рассмотрено 8 вариантов  расположения ПЭС. За базисный был принят наиболее выдвинутый в море створ, позволяющий  разместить здание ПЭС и водосливную  плотину на естественных глубинах. Площадь отсекаемого будущей  плотиной бассейна - 2640 кв. км. Возможная  мощность ПЭС была определена в 19,7 млн. кВт с выработкой 49,1 млрд. кВт-ч  электроэнергии. Расчеты энергоэкономической  эффективности ПЭС в первой четверти нового века определили ее мощность в 11,4 млн. кВт с выработкой 38,9 млрд. кВт-ч при 3400 часах годового использования. Энергию планируется использовать на внутреннем и внешнем рынках Северо-западного  региона, в объединениях энергосистем «ЕЭС России» и Европейского сообщества.

Сооружения 

Здание ПЭС запроектировано  в виде 150 наплавных блоков тонкостенной ячеистой конструкции. Водопропускная плотина выполняется из 172 наплавных  блоков с 4-мя донными водоводами в каждом. Левобережная и правобережная плотины общей протяженностью 53,2 км, на глубине до 10 метров, выполняются с креплением откосов наплавными железобетонными плитами. В плотине также размещаются шлюз для судов и рыбопропускные сооружения. Обоснование надежности и прочности наплавных блоков ПЭС, работающих под воздействием сочетания нагрузок, было произведено на основе расчетов их напряженно-деформированного состояния, с учетом 30-летнего опыта эксплуатации наплавного здания Кислогубской ПЭС и опыта создания защитной дамбы Санкт-Петербурга.

Мезенская ПЭС будет построена  с помощью наплавной технологии строительства без перемычек. Общий  срок строительства ПЭС проектируется  на 11 лет с пуском первоочередных агрегатов на 8 году. Технология строительства  предусматривает сооружение в аванпорте  гидроузла (используемого в период строительства в качестве дока) железобетонных наплавных блоков здания ПЭС и  водопропускных сооружений и перегон  блоков по судовому эксплуатационному  каналу в створ. Наплавная технология была впервые в практике энергетического  строительства применена при  сооружении Кислогубской ПЭС. Это позволило  на треть сократить смету расходов по сравнению классической схемой строительства  за перемычками. Прототипом крупных  наплавных блоков Мезенской ПЭС  следует считать наплавные блоки  водопропускной плотины в русловой части комплекса по защите г. Санкт-Петербурга от наводнений, установленные в 1985 г.

Представляют интерес  и разработанные в НИИЭС новые  эффективные технологии: применение для железобетонных конструкций  армоопалубочных панелей, а также  апробированный на Кислогубской ПЭС  раздельный способ сезонного бетонирования, исключающий укладку бетона в  доке в зимний период. Унифицированные  ребристые армоопалубочные панели для сборных элементов стен и  перекрытий имеют продольные и поперечные ребра с рабочей арматурой  и объединяются в монтажные блок-секции. Применение блок-секции из армопанелей  с бессварными сухими стыками  позволяет снизить трудоемкость строительных работ до 3,5 раз. Исследования конструкций из двухслойных армопанелей  показали безопасность работы наплавных  блоков при строительстве в доке, перегоне и эксплуатации в океанической среде.

Защита ото льда

Ледовая обстановка Мезенского залива исключительно тяжелая. Зимой  со стороны моря лед у плотины  ПЭС может тороситься до величины 7 м, а наледи на вертикальные бетонные стенки в зоне прилива - достигать  толщины 2,5 м. Многолетние исследования Мезенского залива и моделирование  ледового режима ПЭС в лаборатории  ледотермики ВНИИГ позволили  разработать систему защиты от воздействия  льда: раздельное размещение турбинных  и водосливных отверстий, применение ледостойкого бетона, выполнение вертикальных напорных граней толщиной не менее 4 метров и применение на них антиобледенительных  покрытий, удаление входа в турбинные  водоводы от напорной грани и др.

Гидроагрегаты

При выборе для Мезенской  ПЭС гидроагрегата были рассмотрены  все существующие в настоящее  время для ПЭС прямоточные  агрегаты: капсульные гидроагрегаты  фирмы «Нейрпик» двустороннего  действия, работающие на ПЭС Ранс во Франции и на Кислогубской ПЭС; гидроагрегат «Страфло» одностороннего действия, находящийся в опытной эксплуатации на ПЭС Аннаполис в Канаде; горизонтальная трехлопастная турбина фирмы Sulzer (SEW) одностороннего действия, предусмотренная  для проекта ПЭС Мерсей и Тугурской  ПЭС, а также (как вариант) - для  Мезенской ПЭС. Базовой для Мезенской ПЭС рассмотрена поперечно-струйная турбина

Экологическая безопасность

Энергия Мезенской ПЭС  является возобновляемой и экологически безопасной. Воздействие ПЭС на окружающую среду имеет сугубо локальный, а  не глобальный характер, и несопоставимо  с экологическими последствиями  от воздействия тепловых, атомных  и гидравлических станций. Сооружение ПЭС приведет к сокращению величины естественного водообмена с заливом (до 50 %) и изменению гидродинамических  характеристик приливных и штормовых  явлений, ледотермического режима, солености, миграции наносов, к снижению амплитуды  прилива и среднего уровня водной поверхности бассейна (на 1,5 м). Внутри отсеченного плотиной бассейна скорости приливных течений уменьшатся, но общая схема течений сохранится, исключая опасность появления застойных  зон. В целом компоновка ПЭС позволяет  практически сохранить структуру  потока и перекрыть транспорт  наносов из моря. Полная стабилизация наносов ожидается на 2 году эксплуатации ПЭС. Ледотермический режим у  ПЭС изменится незначительно. Ледовый  режим за плотиной сохранится на естественном уровне, а в бассейне будет наблюдаться  практически полная аккумуляция  речного льда (без выноса в море), что вызовет незначительное (на 5 %) увеличение толщины ледового покрова  и очищение бассейна позже естественного  на 1-2 недели. Расположение плотины  вне фронтального раздела солености  предопределяет малое влияние ПЭС  на режим солености Мезенского залива. Изменения выразятся лишь в снижении солености в бассейне на 0,5-1,5 %. Гидрохимические  характеристики бассейна останутся  неизменными. Только при длительных (более 2-3 недель) периодах изоляции бассейна от моря дефицит кислорода может  достигать опасного предела. Продуктивность биоценозов (планктон, водоросли, бентос) бассейна ПЭС будет поставлена в  прямую зависимость от режима работы агрегатов и водопропускных отверстий. При сохранении проектного режима в  течение 8-10 лет ожидается полное восстановление гидробиоценозов и  даже увеличение их биомассы в силу уменьшения в бассейне скорости течений, прибойности и мутности. Вопросы  рыбного хозяйсва из-за недостатка средств в проекте рассмотрены  не в полном объеме, однако следует  отметить возможность беспрепятственного прохода всех видов промысловых  рыб через водопропускные отверстия  ПЭС и горизонтальные осевые гидроагрегаты (доказано натурными исследованиями на Кислогубской ПЭС).

Эксплуатация Мезенской ПЭС  в энергосистеме Европы

Из проведенного институтом Энергосетьпроект анализа следует, что при проектном обосновании  установленной мощности вновь вводимых в энергосистеме Европейской  части России пиковых энергоустановок (ГЭС, ГАЭС, ГТУ), необходимо учитывать  возможность сооружения Мезенской  ПЭС. Электроэнергия станции может  обеспечить до 6,5 % современного энергопотребления  Европейской части России. Общая  мощность энергопередачи постоянного  тока из России в Западную Европу планируется  в 9 млн. кВт, из которых 4 млн. кВт может  дать Мезенская ПЭС. Результаты исследований показали, что не существует технических  препятствий по использованию прерывистой  генерации Мезенской ПЭС в  объединенной энергосистеме Европы. Управление рабочей мощностью ПЭС  в соответствии с требованиями энергосистемы  позволяет обеспечить эквивалентную  в режимном отношении работу энергосистемы с ПЭС и без ПЭС.

Стоимость ПЭС 

При использовании энергии  Мезенской ПЭС в энергосистеме  России и ОЭС «Восток-Запад» оказывается  целесообразным (расчет на уровень 2015 г.) использовать на станции мощность 11,4 млн. кВт. Капитальные затраты  на сооружение ПЭС при постановке новых ортогональных гидроагрегатов составят 1072 $/кВт и 0,314 $/кВт-ч (уровень  цен 1991 г.). Для сравнения можно  привести размеры капвложений в  строительство новых ГЭС: Гилюйской - 1587 $/кВт и 0,63 $/кВт-ч и Средне-Учурской - 1316 $/кВт и 0,28 $/кВт-ч. Экономическая  состоятельность Мезенской ПЭС  во многом определяется наплавным способом ее строительства и применением  современного силового оборудования (сокращение затрат на ортогональные гидроагрегаты  до 50 % по сравнению с осевыми машинами). Кроме того, имеется резерв снижения стоимости эксплуатации ПЭС, если учитывать  экономический эффект от экологической  чистоты станции. Доходы от эксплуатации ПЭС неизменно превалируют над  расходами. Так, в Англии для ПЭС  Мерсей (700 МВт) отношение дохода к  расходу определено в 1,22, а для  ПЭС Северн (82 млн. кВт) - в 3,0. Стоимость  электроэнергии ПЭС в энергосистеме  самая низкая. Это доказывается эксплуатацией  ПЭС Ранс в энергосистеме Франции, где стоимость электроэнергии ПЭС (1995 г.) составила 18,5 сантима/кВт-ч при  стоимости в том же году энергии  на ГЭС - 22,61, ТЭС - 34,2, и АЭС - 26,15 сантима/кВт-ч. Причем, тенденция разрыва стоимости  в пользу ПЭС со временем будет  увеличиваться.

Пенжинская  ПЭС

Пенжинская приливная  электростанция — проектируемая  приливная электростанция в Пенжинской губе, располагающейся в северо-восточной  части залива Шелихова Охотского  моря. Территориально должна располагаться  в Магаданской области и Камчатском крае России.