Вниз по течению

Традиционная гидроэнергетика полагается на плотины, водохранилища, трубопроводы деривации и другие искусственные сооружения, помогающие накопить потенциальную энергию воды. Энергия же гидрокинетическая извлекается из её естественного движения, так что гидроагрегаты могут быть размещены в руслах рек с минимальным воздействием на окружающую среду и очень малыми затратами на инфраструктуру.

Сегодня во всём мире обретают популярность гидрокинетические электростанции, которые преобразуют энергию движущейся воды в электроэнергию с помощью подводных турбин. Интересный проект в данной сфере был выполнен в 2009 году в Гастингсе (штат Миннесота), где сразу после русловой гидроэлектростанции мощностью 4,4 МВт на реке Миссисипи (см. рис. 1) были установлены две гидрокинетические турбины с паспортной мощностью по 100 кВт.

Рис. 1. ГЭС в Гастингсе располагается между шлюзами и водосбросом

Прицепной энерговагон

Рассказывает Уэйн Крус, генеральный директор хьюстонской компании Hydro Green Energy.

— Гидрокинетическая технология Hydro Green Energy работает в речных, приливных и, потенциально, океанических течениях. В наших проектах Hydro+ мы размещаем гидрокинетические турбины на опорных платформах за традиционной, уже имеющейся ГЭС из расчёта по одной турбине на каждый гидроагрегат. И они извлекают часть энергии, остающейся в потоке воды, которая выходит из гидроагрегата ГЭС через отсасывающую трубу и направляется вниз по течению.

Наша схема запатентована. Можно сказать, что это гидроэнергетическая версия когенерации: мы дважды извлекаем чистую энергию из одного и того же водного ресурса.

В реках, если нет проблем с водностью, гидрокинетические системы обеспечивают коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) более 99%, поскольку энергия вырабатывается при постоянном однонаправленном течении воды. В условиях океанических приливов и отливов, когда поток меняет своё направление, КИУМ будет около 30%.

Наша компания выпускает турбины (см. рис. 2) с частотой вращения ротора 21 об./мин - это чрезвычайно низкий показатель. Такой ротор можно остановить примерно за восемь секунд. А чтобы из воды извлечь турбину для обслуживания, понадобится меньше двух минут, при этом ниже ватерлинии останется очень мало инфраструктурных элементов.

Рис. 2. Низкооборотная турбина специально разработана для речных гидрокинетических систем

Платформы, с поверхности которых гидрокинетические турбины опускаются в воду, и сами турбины способны выдерживать большие колебания уровня воды, значительное увеличение скорости потока и прямые удары крупных и быстро движущихся объектов. Во время чрезвычайно сильных паводков или наводнений платформы с турбинами можно вывезти из русла реки.

Генерируемая мощность пропорциональна кубу скорости потока. Скорости же в Гастингсе варьируются от 3,5 м/с (в ближайшей к отсасывающей трубе точке) до 1 м/с (примерно через тридцать метров вниз по течению).

В турбины Hydro Green Energy встроены синхронные генераторы переменного тока, рассчитанные на срок службы не менее 20 лет. КПД гидрокинетических блоков в Гастингсе составляет 0,62 - это самый высокий показатель в отрасли на данный момент. Ежегодно установленные нами турбины вырабатывают 1,4 гигаватт-часа электроэнергии.

Удачное место

В отличие от многих новых объектов возобновляемой генерации на территории США, на ГЭС в Гастингсе не возникло каких-либо трудностей с подключением к энергосети. Вся необходимая сетевая инфраструктура уже имелась.

И поскольку ГЭС в Гастингсе работает при известном перепаде уровней верхнего и нижнего бьефа, мощность, вырабатываемая гидрокинетическими турбинами, легко предсказуема, а потому ценна для оператора энергетической системы.

Отметим ещё один аспект, важный с точки зрения эксплуатации. Вода, попадающая в гидрокинетическую установку, заранее очищается от мусора.

Технические новации

Благодаря тому, что турбина крепится к платформе, энергоустановку легко модифицировать или модернизировать. «Если мы разработаем новый профиль лопастей или внедрим какие-либо иные технические достижения, которые позволят повысить мощность, - рассказывает Крус, - то сможем поднять агрегат из воды и модернизировать за один день».

Ради защиты рыб, ныряющих птиц и других видов речной фауны число лопастей ограничено тремя, а вращаются они с частотой 21 оборот в минуту в трубчатом кожухе диаметром 3,6 м. Между тем традиционные гидроагрегаты могут иметь ротор с восемью, десятью лопастями и более, который делает сотни оборотов в минуту.

Компьютерное моделирование, проведённое при проектировании турбины, не показало существенного влияния на такие параметры воды, как температура, концентрация растворённого кислорода и мутность. Тем не менее компания собирает данные о параметрах воды в Гастингсе.

Глобальный тренд

Потенциал развития традиционной гидроэнергетики во многих странах в основном исчерпан, но этого, к счастью, пока нельзя сказать о гидрокинетической генерации. Так, по данным Министерства энергетики США, если использовать уже отработанные на практике технологии, реки на континентальной территории страны могут дать дополнительную электрическую мощность в 12,8 ГВт.

Интерес к предмету не ограничивается Соединёнными Штатами. В сотрудничестве с Организацией объединённых наций Китай открыл Международный центр малой гидроэнергетики. Выпускаемые им аналитические обзоры описывают проекты в Перу, Южной Корее, Уганде, Китае, Шотландии, Швейцарии и других странах.

Серьёзные исследования по данному направлению идут в Великобритании, правда, в основном с прицелом на утилизацию энергии океанических течений вокруг Британских островов. Так, в Шотландии действует Европейский центр морской энергетики, где реализуется целый ряд интересных пилотных проектов. После 2016 года там появились и коммерческие инсталляции. Впрочем, индустрия гидрокинетической генерации в целом пока ещё находится на самых начальных этапах развития.

* * *

В отличие от непостоянных солнца и ветра гидроэнергия доступна днём и ночью. Однако от гидрокинетических турбин, установленных просто в русле реки, трудно получить устойчивый и одинаковый поток в течение всего года. Так что сочетание традиционных ГЭС при водохранилищах с гидрокинетическими системами будет, видимо, наилучшим вариантом.