Целесообразность применения приливных электростанций в Дальневосточном Федеральном Округе

Введение

Одной из главных задач, стоящих перед современным обществом,
является сохранение природных ресурсов и улучшение эффективности их
использования для улучшения качества жизни будущих поколений. Одним из способов
выполнить поставленную задачу является использование возобновляемых источников
энергии для снижения количества выбросов диоксида углерода в атмосферу. Одним
из источников возобновляемой энергии является гидроэнергетика: энергия морских
течений, приливов, волн, рек.

В данном исследовании мы выдвигаем предположение, что крупнейшие
течения морей Дальнего Востока России обладают достаточным энергетическим
потенциалом для использования в них установок, преобразующих кинетическую
энергию движения жидкости. Целью данного исследования является подтверждение
или опровержение данного предположения.

Для достижения поставленной цели были поставлены следующие
задачи:

·       
Проанализировать имеющиеся данные о крупнейших течениях в морях
Дальнего Востока России

·       
Проанализировать сложившееся состояние R&D в отрасли конструирования подобных
устройств, вывести основные критерии для возможности использования их в морях
Дальнего Востока России

·       
На основании полученных данных сформировать представление о
целесообразности применения устройств, трансформирующих кинетическую энергию
жидкости, высказать предложения по их улучшению

Основная часть

1.     Состояние
технологической исследованности установок, использующих кинетическую энергию
жидкости

К установкам, использующим кинетическую энергию жидкости, в
общем случае, можно отнести любые гидравлические машины, состоящие из ротора и
статора, пропускающие через рабочее колесо – ротор, рабочую жидкость
превращающие механическую энергию вращения рабочего колеса в электрическую. В
энергетической парадигме России [1] такие гидравлические машины, в основном –
турбины ГЭС. Однако в данном исследовании речь пойдёт о новом виде
гидравлических машин, которые не требуют для эксплуатации возведения
капиталоёмких гидротехнических сооружений. В западной технической литературе такие
устройства получили название Tidal Energy Converter (Рисунок 2) – конвертеры приливного потока (досл.), потому
что изначально были созданы, для превращения кинетической энергии приливов в
заливах и эстуариях Великобритании. Но принцип их работы позволяет использовать
любое устойчивое течение для получения электроэнергии (ветровое, термохалинное,
приливы, течения рек).

Что касается топологии установки, она состоит из открытого
(или в насадке) ротора, соединённого с генератором в герметичном корпусе, системы
передачи энергии вращения (механическая или магнитная), систем передачи
электрической энергии (надводные и подводные линии электропередачи), основания
(системы якорей или балласта) а также вспомогательных систем, осуществляющих
контроль за работой установки (Рисунок 1).

Мощность (Рисунок 3), которую может выработать такая
установка, пропорциональна скорости течения и определяется по следующей формуле
[8]

                                   (1.1)
Где:

P – Установочная мощность
устройства, Вт;

ρ – плотность воды, кг/м³;

А – площадь сечения ротора, м²;

V – скорость течения
жидкости, м/с;

η – общий КПД устройства.

Рисунок 1
– Устройство электростанции течений

Рисунок 2
– Приливная электростанция Atlantis AR1000

Рисунок 3
– Функции теоретической и доступной плотности мощности от скорости течения

Таким образом, на Рисунке 3 видно, что главной
характеристикой, показывающей возможность установки устройства в данном течении
является скорость. Глубина и ледовые условия также играют важную роль, так как
они определяют топологию и капитальные затраты на строительство, а
соответственно увеличат необходимое количество вырабатываемой мощности для
окупаемости устройства. Руководствуясь этим графиком, в дальнейшем исследовании
мы будем акцентировать внимание именно на этих трёх характеристиках исследуемых
регионов.

2.    
Океанологическая изученность морей Дальнего Востока России

К морям Дальнего Востока России принято относить Японское
море, Охотское море и Берингово море. Их интенсивное океанологическое изучение
было начато в начале 20 века. Основной вклад в изучение течений и ледовых
условий внесли учёные из России, Японии и США. Из значимых исследований стоит
отметить огромный вклад Международного Симпозиума по Охотскому морю, учёных
университетов Токио, Хоккайдо, Владивостока, Санкт-Петербурга и
Южно-Сахалинска. Большой объем проведённых исследований позволяют анализировать
гидрологическую, метеорологическую и ледовую обстановку в приведенных морях.

Берингово, Охотское и Японское моря – внутренние моря Тихого
океана, играющие важную роль в формировании Северо-Тихоокеанского течения. Все
эти моря сообщаются с Северо-Тихоокеанским течением, являются ледовитыми, но
имеют ряд особенностей в областях химического состава, геоморфологии и
океанологии, которые могут быть важными для выбора места для установки
гидрокинетической установки.

Оценка выбора места установки может производиться по
нескольким критериям. Во-первых, течение должно обеспечивать достаточную скорость
не только для запуска ротора, но и для экономически целесообразного жизненного
цикла установки. Существуют различные подходы к оценке данных величин скорости,
но конвенциональными считаются 0,2 м/с для старта и 2,5 м/с для экономически
целесообразного существования установки.

Для выбора топологии установки и расчёта мощности важными
характеристиками будут являться глубина, на которой проводились измерения и
плотность.

Из результатов прямых измерений, проводившихся в конце
1980-х ­ 1990-х [5-16], была составлена Таблица 1. Помимо заявленных физических
характеристик, требуемых для расчёта теоретической мощности установки для
каждого крупного течения, были подобраны крупные потребители с примерным
населением – потенциальные клиенты. Эта информация может быть использована для
дальнейших маркетинговых исследований.

Результаты прямых измерений можно сопоставить с результатами
математического моделирования океанических течений. Они взяты из
исследовательского проекта NASA – OSCAR
– Earth & Space Research [17]
(Рисунок 4), обработаны для данных течений по состоянию на 12.07.2019 и
приведены в Таблице 2

Рисунок 4 –
Web-интерфейс проекта OSCAR — Earth & Space Research

Таблица 1 – Физические характеристики течений

Таблица 2

3.      Оценка
экономической целесообразности применения устройств в течениях морей Дальнего
Востока

 За неимением концепции топологии устройства для оценки
экономической целесообразности применения подобных устройств предлагается
применить подход, использованный Segura, E.A [2]. Мы примем в качестве
топологии – ферму из 42 устройств с горизонтальным ротором, расположенных на площади
10 км² с минимальной глубиной 17 м (площадки с глубиной дна более 100
м откинем за экономической нецелесообразностью установки). Капитальные затраты
на установку примем равной рассчитанной Segura, E.A. Стоит заметить, что, возможно, Segura закладывал слишком высокую
стоимость материалов. Стоимость гидротехнического бетона учёный оценил в 0.3 €/кг
~ 21 руб/кг, когда рыночная цена составляет 2.6 руб/кг.[18]

Для целей исследования необходимо пересчитать для каждого
течения вырабатываемую мощность предполагаемой фермы на скорости по результатам
прямых измерений и на скорости, полученные в результате математического
моделирования течений. На основании полученных данных необходимо рассчитать
чистую приведённую стоимость (NPV) и внутреннюю норму
доходности (IRR), которые сможет генерировать ферма в
приведенных условиях и оценить данные проекты с точки зрения их инвестиционной
привлекательности.

Важным допущением, влияющим на результаты расчета, является
то, что в данном исследовании годовая выработанная мощность считается как для
установившегося течения (т.е. имеющего постоянную скорость во времени). Это
расходится с реальной физической моделью океанических течений, векторы
скоростей которых изменяются с течением времени. Однако, результаты прямых измерений
расходятся с результатами математического моделирования, и подобная грубая
оценка может показать какие из результатов имеет смысл исследовать дальше и
верифицировать.

Результаты вычислений чистой приведенной стоимости и нормы
внутренней доходности для предложенных мест установки приведены в таблице. Для
расчета были приняты срок эксплуатации 20 лет, ставка дисконтирования 11%.

Таблица 3

Рисунок 4

Можно отметить, что, несмотря на
существенное расхождение данных прямых измерений и данных, полученных путём
математического моделирования, Цусимское течение остаётся наиболее
целесообразным течением, для расположения в нём расчётной фермы из устройств,
генерирующих электричество, вне зависимости от выбора пролива, в котором они
будут установлены. Приморское течение же, наоборот – с большой вероятностью (с
учётом принятых в расчете допущений) не является сколько либо целесообразным.
Течения Охотского моря, гипотетически, могут также быть использованы, но при
существенном снижении капитальных затрат на строительство и решения ряда
проблем: например, ледовитости этого моря. Для размещения подобных объектов в
течениях Берингова моря необходимо либо существенное улучшение технологий,
позволяющих строительство на глубине более 1000м, либо создание нового класса
устройств, способных изменять свой уровень по вертикали и изменение вида
основания.

Заключение.       

На существующем этапе
технологического развития, электростанции течений имеют существенные
ограничения в применении. Одни из них: высокая капитальная стоимость,
требования к основанию и скоростям течений. В данной работе была
проанализирована экономическая целесообразность установки подобных устройств в
течениях Дальневосточных Морей России. Произведенный анализ имеет существенные
упрощения. Так, например, была взята средняя скорость течения, а не эпюра
скоростей или значения вектора скорости по разным направлениям. Однако, даже с
подобными упрощениями, например, можно судить о нецелесообразности
использования Приморского течения. Расхождение данных прямых измерений и данных
математической модели говорят о необходимости дальнейшего исследования
параметров течения при проектировании и расчете реальных нагрузок.

Список литературы

1.     Основные
характеристики российской электроэнергетики.  Официальный сайт Министерства
энергетики Российской Федерации. [Электронный ресурс]. 2018. URL:
https://minenergo.gov.ru/node/532 (дата обращения: 17.10.2019).

2.    
E. Segura, R. Moraes, J. A. Somolinos. Cost
Assessment Methodology and Economic Viability of Tidal Energy Projects // Energies
2017, 10, 1806; doi:10.3390/en10111806

3.    
ERPI Methodology for Estimating Tidal Current
Energy Resources and Power Production by Tidal In-Stream Energy Conversion
(TISEC) Devices. – 2006. 57 p.

4.    
Assessment of Energy Production Potential from
Tidal Streams in the United States – Final Project Report // Georgia Tech
Research Corporation. – June, 2011. – 109 p.

5.    
Panteleev, G., M. Yaremchuk, O. Francis, P. J.
Stabeno, T. Weingartner, and J. Zhang (2016), An inverse modeling study of
circulation in the Eastern Bering Sea during 2007–2010, J. Geophys. Res.
Oceans, 121, 3970–3989, doi:10.1002/2015JC011287.

6.    
Aagaard, K., T. Weingartner, S. L.Danielson, R.
A. Woodgate, G. C. Johnson, and T. E. Whitledge (2006), Some controls on flow
and salinity in Bering Strait, Geophys. Res. Lett., 33, L19602,
doi:10.1029/2006GL026612

7.    
Ohshima, K. I., M. Wakatsuchi, Y. Fukamachi, and
G. Mizuta, Near-surface circulation and tidal currents of the Okhotsk Sea
observed with satellite-tracked drifters, J. Geophys. Res., 107(C11), 3195,
doi:10.1029/2001JC001005, 2002.

8.    
Simizu, D., and K. I. Ohshima (2006), A model
simulation on the circulation in the Sea of Okhotsk and the East Sakhalin Current,
J. Geophys. Res., 111, C05016, doi:10.1029/2005JC002980.

9.    
P.J.Stabeno, R.K.Reed., J.E. Overland,  Lagrangian
Measurements in the Kamchatka Current and Oyashio// Journal of Oceanography. –Vol.
50, pp. 653-662. 1994

10.
Lynne D. Talley, Yutaka Nagata, The Okhotsk Sea
and Oyashio Region (Report of Working Group I) // PICES Scientific Report No 2.
–235 p. – 1995

11.
Shevchenko G.V., Kantakov G.A., Chastikov V.N.
Results of direct measurements of the currents in the La Perouse (Soya) Strait
// Izv. TINRO. – 2005. – Vol. 140. – P. 203-227.

12.
Tetsutaro Takikawa, Jong-Hwan Yoon, Kyu-Dae Cho,
The Tsushima Warm Current through Tsushima Straits Estimated from Ferryboat ADCP
Data// Journal of Physical Oceanography. – 2005. – Vol. 35. – P. 1154-1168.

13.
R.S. Bessonov, A.R. Galautdinova, V.A. Dubina. Features
Of The Water Dynamics Near Eastern Primorye Coast. // Far Eastern State
Technical Fisheries University Scientific Works. – Vol. 41. – ISSN 2222-4661

14.
Lynne D. Talley et. al. Japan/East Sea Water
Masses and their Relation to the Sea’s Circulation // Oceanography. – 2006. –
Vol. 19. – P. 32-49.

15.
L.D.Talley. Okhotsk Sea Circulation //
Encyclopedia of Ocean Sciences. – Elsevier. Ltd. – 2001. – Vol 4. – P 200-207

16. Lynne D. Talley et. al. Japan/East Sea Water Masses and their
Relation to the Sea’s Circulation // Oceanography. – 2006. – Vol. 19. – P.
32-49

17. Earth :: a global
map of wind, weather and ocean conditions [Электронный ресурс]. 2019. URL: https://earth.nullschool.net/about.html (дата обращения: 17.10.2019).

18. Группа компаний BESTO
– производство и продажа сухих строительных смесей, цемента и бетона [Электронный
ресурс]. 2018. URL: https://www.avtobeton.ru/gidrotehnicheskij-beton.html
 (дата обращения: 17.10.2019).