Рассекая волны

«Гидрокинетическая энергия – это богатый возобновляемый источник, способный поднять на новый уровень устойчивость электросетей и снизить уязвимость инфраструктуры, – прокомментировал выделение средств директор Программы перспективных исследовательских проектов Агентства энергетики (ARPA-E) Лэйн Дженатовски. – Однако пока он запретительно дорог в сравнении с другими способами генерации. Команды SHARKS сосредоточатся на преодолении этого барьера. Они займутся разработкой новых эффективных гидрокинетических турбинных систем (HKT), способных использовать американские приливные, речные и океанские энергоресурсы для развития экономически привлекательных возможностей в сфере электрогенерации».

Катамараны и подводные змеи

Как говорится в официальном пресс-релизе на сайте ARPA-E, команды будут работать не последовательно, а параллельно, разрабатывая конкурирующие решения. Это должно привести к снижению так называемой нормированной стоимости электроэнергии в конструкции турбин. Снижать стоимость планируется через повышение эффективности генерации, увеличение площади ротора на единицу эквивалентной массы, снижение затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание, минимизацию потенциального воздействия на окружающую среду и повышение надёжности системы. В команды войдут эксперты по гидродинамике, структурной динамике, системам контроля, силовой электронике, электросетям и повышению производительности.

Крупные субсидии ($3,3 и $3,6 млн соответственно) получили команды из Университета Аляски в Фэрбэнксе (University of Alaska Fairbanks) и компании Ocean Renewable Power из Портленда (штат Мэн).

Участники первой работают над созданием компактной и недорогой речной турбины, совмещённой с плавающим генератором BladeRunner, причём соединяет их торсионный кабель, так что турбина может уклоняться от речного мусора. Помимо невысокой цены и простоты монтажа, технология сочетает в себе три инновационных решения, важных для внедрения на отдалённых территориях. Во-первых, архитектура BladeRunner позволяет увеличить площадь захвата на эквивалентную массу на 130% по сравнению с аналогами. Во-вторых, новый электростатический генератор C-Motive позволяет эффективно преобразовывать низкоскоростное вращение в электричество сетевого напряжения. И в-третьих, развернуть систему в рабочее состояние, равно как и извлечь её, можно прямо с берега.

Их коллеги из Портленда разрабатывают RivGen – аналогичную систему, но не берегового базирования, а рассчитанную на буксировку в центр реки. Турбины, прикреплённые к фермам в виде катамаранов, разворачиваются массивами. Команда во всю испытывает свои установки, также ориентированные на использование в отдалённых регионах, на открытой воде, работая над их производительностью и эффективностью. Главная задача, которую себе поставили учёные, – избавить удалённые от больших транспортных потоков населённые пункты от потребности в дизельном топливе – основном энергоносителе для таких мест.

$4,2 млн получила калифорнийская компания SRI International на попытку освоить энергию океанского прилива с помощью хитрой системы подводных змеев, соединённых кабелями с генераторами. «Трансмиссия, встроенная в страховочный трос змея, эффективно передает его движение на роторные генераторы с использованием лишь одного вращающегося подшипника», – говорится в описании проекта, получившего название Manta («Скат»). Система также рассчитана на энергоснабжение удалённых объектов.

Фундаментальные проблемы

Одна из первых попыток освоить гидрокинетическую энергию была предпринята в СССР в 1968 году, когда в узкой части губы Кислая была построена Кислогубская приливная электростанция – до сих пор единственная в нашей стране. Впрочем, на сегодняшний день станция не обеспечивает электричеством даже себя.

Морские и речные течения в качестве источника энергии вновь привлекли внимание инженеров в 1970-е, на фоне нефтяного кризиса. В 1974 году несколько концептуальных проектов было представлено на Энергетической выставке Макартура во Флориде. Через два года компания British General Electric при государственной поддержке провела исследование, вскоре после которого было развёрнуто несколько экспериментальных турбин в Джубе на Белом Ниле. В 1980-е проекты по исследованию перспектив гидрокинетической энергии были развёрнуты во многих странах, в том числе в Канаде и Японии, а в 1993 году вдоль британского побережья были обнаружены отдельные участки, где течение потенциально способно выдавать 58 ТВт/ч энергии в год.

На сегодняшний день в мире действуют девять приливных электростанций и несколько десятков экспериментальных проектов по освоению энергии океанских и морских течений. Однако сколько-нибудь ощутимого экономического эффекта они не приносят.

«Технологии морской энергетики находятся на ранней стадии развития из-за фундаментальных проблем, связанных с выработкой энергии из динамических, низкоскоростных и высокоплотных ресурсов в коррозионной морской среде. Эти проблемы усугубляются высокими затратами и сложными процедурами выдачи разрешений на испытания в воде», – говорится на официальной странице программы по развитию морской и гидрокинетической энергетики Минэнерго США.

Иными словами, главная техническая проблема гидрокинетической энергетики вытекает из её отличия от гидроэнергетики. В отличие от традиционных ГЭС, использующих искусственно увеличенный с помощью плотины напор воды, гидрокинетические установки работают с естественными природными течениями, куда менее эффективными с точки зрения энергоотдачи. По сути, HKT работают, как ветровые турбины, только под водой. Для таких установок подходят как реки и моря, так и искусственные каналы.

Чаще всего разработчики гидрокинетических проектов имеют в виду небольшие отдалённые населённые пункты, обычно снабжаемые энергией за счёт привозного топлива. Однако в представлении Минэнерго США возможности HKT-систем могут быть использованы в самых разнообразных сферах – от наблюдения за окружающей средой и разведения агрокультур до опреснения и добычи полезных ископаемых. Несколько лет назад одну из таких систем, разработанную компанией Oceana Energy, взял на вооружение американский ВМФ для энергоснабжения «отдалённых поселений на Аляске».

Однако пока доля гидрокинетической генерации в общем энергобалансе ничтожно мала, в первую очередь из-за её низкой эффективности и высокой себестоимости оборудования. В то же время речные и морские течения и морские приливы – это хорошо прогнозируемый источник энергии, и многие специалисты рассматривают его в качестве дополнения к другим ВИЭ.

Жизнеспособный энергетический ресурс

Минэнерго США вплотную занялось гидрокинетическими установками в 2010 году, когда на грант от Управления экономического развития был построен исследовательский центр Риверсфер при Тулейнском университете (Луизиана). Впрочем, взрыв в том же году нефтедобывающей платформы Deepwater Horizon неподалёку от луизианских берегов надолго отодвинул гидрокинетические проекты на второй план – учёные сконцентрировали усилия на ликвидации последствий аварии.

Работы в этом направлении закипели с новой силой лишь прошлой весной в рамках вновь созданной Программы перспективных исследовательских проектов Агентства энергетики (ARPA-E). Команды работают в двух разных направлениях, разрабатывая недорогие и компактные гидрокинетические системы для отдалённых областей и системы для производства энергии в промышленных масштабах.

Если Аляскинский университет в Фейрбанксе и компания Ocean Renewable Power сосредоточились на первом направлении, то их коллеги из Университета Вашингтона в Сиэтле с проектом «Локализованные проточные турбинные группы» (Confinement-Exploiting Cross-Flow Turbine Array) намерены стать существенной частью городской системы энергоснабжения. Их основная идея в том, чтобы под водой использовать эффект, который часто применяется в ветровых электростанциях – ряды ветряков, расположенные определённым образом, увеличивают производительность каждого из них в отдельности.

«Когда турбины находятся в непосредственной близости, их взаимодействие может существенно увеличить выходную мощность. Вашингтонский университет предлагает объединить достижения в управлении турбинами, гидродинамических конфигурациях и оптимизации геометрии массива, чтобы извлечь выгоду из нестационарной нелинейной гидродинамики», – говорится в описании проекта, получившего $2 млн в рамках программы SHARKS.

Проект RITE

Подобное решение уже было реализовано этой осенью в Нью-Йорке, где компания Verdant Power развернула комплекс из трёх турбин в водах судоходного пролива Ист Ривер. Проект, получивший название RITE (Roosevelt Island Tidal Energy), стал первым в своём роде, получившим лицензию на промышленное использование от Федеральной комиссии по энергетическому регулированию (Federal Energy Regulatory Commission). Турбины RITE будут подключены к сети энергохолдинга Con Edison и станут частью системы энергоснабжения острова Рузвельт. В случае беспроблемной эксплуатации и подтверждённого экономического эффекта проект планируется масштабировать.

«Мы гордимся запуском первого лицензированного проекта в сфере приливной энергетики в США, – сказал на открытии RITE генеральный директор Verdant Power Джон Баниган. – Приливная энергия – это жизнеспособный энергетический ресурс, способный продвинуть промышленность в США и во всём мире».

Схема проекта PacWave

Но более перспективным для развития морской гидрокинетической энергетики эксперты считают не восточное атлантическое, а северо-западное тихоокеанское побережье. Уже несколько лет на базе Орегонского университета Минэнерго США реализует проект PacWawe. По сути, это масштабная испытательная HKT-площадка, преобразующая энергию волн в электричество и даже подключённая к сети города Ньюпорт. Причина, по которой её построили именно в этом месте, – необычайная «энергетическая плотность волн», которая здесь вдвое выше, чем, к примеру, у берегов Шотландии. Ожидается, что в 2021–2022 годах PacWawe станет полноценной электростанцией, состоящей из 20 конвертеров волновой энергии, и частью региональной энергосистемы. Общая выходная мощность установки должна составить 20 МВт.