Приливные электростанции

Приливная электростанция (ПЭС) — это гидроэлектростанция, преобразующая энергию приливов и отливов в электрическую. Относится к возобновляемым источникам энергии (ВИЭ). Принцип действия основан на использовании разницы уровней воды между морем и бассейном, образующейся при повышении (прилив) и понижении (отлив) уровня океана. ПЭС являются одним из наиболее предсказуемых видов возобновляемой энергетики, так как циклы приливов и отливов обусловлены гравитационным воздействием Луны и Солнца и поддаются точному расчёту на десятилетия вперёд.

История развития

Первые проекты использования энергии приливов относятся к Средневековью, когда в Европе (например, в Бретани, Франция) и на побережье Англии строили так называемые «приливные мельницы». Они представляли собой запруды с воротами: во время прилива вода заполняла пруд, а при отливе, проходя через мельничное колесо, приводила его в движение. К XVIII веку в Европе насчитывалось несколько сотен таких мельниц.

Промышленное освоение приливной энергии началось в XX веке. В 1966 году была введена в эксплуатацию первая в мире крупная приливная электростанция — Ля-Ранс (La Rance) во Франции, мощностью 240 МВт. Она работает по сей день и является одной из крупнейших в мире по выработке электроэнергии среди ПЭС.

В СССР и России активные исследования в этой области велись с 1930-х годов. В 1968 году на Кольском полуострове была запущена экспериментальная Кислогубская ПЭС — первая в России и одна из первых в мире приливных станций с обратимыми турбинами. Её мощность составляла 400 кВт (позднее модернизирована до 1,7 МВт). В 1970-х годах были разработаны проекты крупных ПЭС в Мезенском заливе (Белое море) и Пенжинской губе (Охотское море), однако они не были реализованы из-за высокой стоимости и сложности строительства в условиях Севера.

В 2011 году в Южной Корее была запущена крупнейшая на сегодняшний день ПЭС в мире — Сихвинская (Sihwa Lake Tidal Power Plant), мощностью 254 МВт. Она превзошла по мощности станцию Ля-Ранс.

Принцип работы и устройство

Основные компоненты

Типичная приливная электростанция балочного типа (с плотиной) включает:

• Плотина (дамба) — перегораживает устье реки, залив или бухту, отделяя бассейн от моря. Строится из бетона, железобетона или каменной наброски.
• Водопропускные отверстия — шлюзы, через которые вода свободно входит в бассейн во время прилива и выходит из него во время отлива.
• Здание электростанции — машинный зал, в котором размещены гидроагрегаты (турбины и генераторы).
• Турбины — гидравлические турбины, работающие в двух направлениях (прямом и обратном) или только в одном. Наиболее распространены обратимые турбины (типа «каплан» или «бульб»), которые могут работать как в режиме генерации при движении воды в обе стороны, так и в режиме насоса (для подкачки воды в бассейн).

Циклы работы

Существует несколько режимов работы ПЭС:

1. Однобассейновая схема с одним действием — вода пропускается через турбины только во время отлива (из бассейна в море) или только во время прилива (из моря в бассейн). Выработка прерывистая.
2. Однобассейновая схема с двойным действием — турбины работают как при заполнении бассейна (прилив), так и при его опорожнении (отлив). Это увеличивает время выработки до 10–12 часов в сутки.
3. Двухбассейновая схема — используется два бассейна (верхний и нижний). Вода перепускается из верхнего в нижний через турбины, что позволяет сгладить колебания мощности и приблизить выработку к непрерывной. Однако такие схемы требуют больших капиталовложений.
4. Режим насосной аккумуляции — в периоды низкого спроса на электроэнергию (ночью) турбины работают как насосы, закачивая воду в бассейн. В часы пик эта вода сбрасывается, генерируя электроэнергию. Это повышает ценность ПЭС для энергосистемы.

Классификация

По типу конструкции и способу размещения различают:

• Плотинные (балочные) ПЭС — классический тип с возведением плотины и шлюзов. Примеры: Ля-Ранс, Сихвинская, Кислогубская.
• Бесплотинные (свободнопоточные) ПЭС — используют энергию приливных течений без перегораживания залива. Устанавливаются подводные турбины (аналогичные ветрогенераторам, но под водой), которые вращаются под действием приливного потока. Такие системы менее мощные, но не требуют масштабного строительства и меньше влияют на экологию. Примеры: экспериментальные установки в Шотландии (проект MeyGen) и Канаде.
• ПЭС с динамическим приливным напором — гипотетический тип, основанный на создании искусственного перепада уровней за счёт длинной дамбы, не перегораживающей залив полностью, а лишь направляющей поток.

Преимущества и недостатки

Преимущества

• Предсказуемость и стабильность — приливные циклы известны на годы вперёд, что позволяет точно планировать выработку (в отличие от ветра и солнца).
• Высокая плотность энергии — вода имеет плотность в 800 раз больше, чем воздух, поэтому приливные турбины могут генерировать значительную мощность при меньших размерах.
• Долгий срок службы — ПЭС могут работать 50–100 лет и более (станция Ля-Ранс эксплуатируется с 1966 года).
• Низкие эксплуатационные расходы — после строительства затраты на топливо отсутствуют, обслуживание минимально.
• Экологичность — отсутствие выбросов CO₂, парниковых газов, радиоактивных отходов.

Недостатки

• Высокая стоимость строительства — возведение плотин, шлюзов и турбин в морской среде требует огромных капиталовложений (срок окупаемости может составлять 20–30 лет).
• Прерывистость выработки — мощность меняется в течение суток (два прилива и два отлива), что требует либо аккумулирования энергии, либо интеграции с другими источниками.
• Влияние на экосистему — плотина нарушает естественный водообмен, изменяет солёность, уровень воды и течение, что может привести к гибели планктона, рыб и птиц. В бассейне ПЭС Ля-Ранс отмечалось изменение видового состава флоры и фауны.
• Ограниченность мест — пригодные участки побережья с амплитудой приливов не менее 5–7 метров встречаются редко (Белое море, Охотское море, Ла-Манш, залив Фанди в Канаде, некоторые районы Китая и Кореи).
• Сложность строительства — требуется возведение сооружений в суровых морских условиях (приливы, льды, шторма).

Крупнейшие приливные электростанции мира

Приливная энергетика в России

Россия обладает одним из крупнейших в мире потенциалом приливной энергии. Наиболее перспективные районы:

• Побережье Белого моря (Мезенский залив) — амплитуда приливов до 10 м. Проект Мезенской ПЭС мощностью 8–12 ГВт (крупнейший в мире по замыслу) не реализован.
• Побережье Охотского моря (Пенжинская губа) — амплитуда до 13 м. Проект Пенжинской ПЭС мощностью до 87 ГВт (гигантский) остаётся на стадии предпроектных проработок.
• Кольский полуостров — действует Кислогубская ПЭС (экспериментальная, используется для отработки технологий).

В 2000-х годах на Кислогубской ПЭС была проведена модернизация: установлена ортогональная турбина (с вертикальной осью вращения) российского производства, что позволило повысить эффективность и снизить воздействие на рыбу. В 2010-х годах обсуждалось строительство Малой Мезенской ПЭС (около 50 МВт) для обеспечения энергией изолированных посёлков, но проект не был реализован.

Перспективы развития

Основные направления развития приливной энергетики:

• Бесплотинные технологии — снижение экологического воздействия и стоимости за счёт отказа от плотин. Крупнейший проект — MeyGen (Шотландия), где установлены подводные турбины мощностью 1,5 МВт каждая.
• Гибридные системы — комбинирование ПЭС с ветропарками, солнечными станциями и накопителями энергии (гидроаккумулирующие станции, литий-ионные батареи) для сглаживания прерывистости.
• Новые материалы и конструкции — использование композитных материалов для лопастей турбин, устойчивых к коррозии и обрастанию; разработка турбин, работающих при малых напорах.
• Малые ПЭС — строительство модульных станций мощностью 1–10 МВт для удалённых прибрежных поселений (например, в Канаде, на Аляске, в Норвегии, на Дальнем Востоке России).

По оценкам Международного энергетического агентства (МЭА), технически доступный мировой потенциал приливной энергии составляет около 800–1200 ТВт·ч в год (примерно 3–5% от текущего мирового потребления электроэнергии). Однако экономическая реализация сдерживается высокой стоимостью и экологическими рисками.

Экологические аспекты

Строительство плотинных ПЭС вызывает значительные изменения в прибрежных экосистемах:

• Затопление приливно-отливных зон (ватов) — мест обитания водоплавающих птиц, моллюсков, ракообразных.
• Изменение солёности и температуры воды в бассейне, что может привести к гибели чувствительных видов (например, лососёвых).
• Нарушение миграции рыб (особенно проходных) — плотина становится препятствием. Для снижения ущерба применяются рыбопропускные шлюзы и турбины, безопасные для рыбы (например, с низкой скоростью вращения).
• Седиментация — в бассейне накапливается ил и песок, что может снизить его объём и эффективность станции.

Бесплотинные ПЭС считаются более экологичными, однако их воздействие на морскую фауну (столкновения с лопастями, шум) также изучается.

Источники

• Б. Б. Карелин, В. В. Кузнецов. «Приливные электростанции». — М.: Энергоатомиздат, 1987.
• А. Д. Гиргидов, А. А. Гиргидов. «Возобновляемые источники энергии: приливные электростанции». — СПб.: Изд-во Политехнического университета, 2012.
• Данные Международного энергетического агентства (IEA) по возобновляемой энергетике, 2023.
• Материалы конференции «Приливная энергетика: состояние и перспективы» (Мурманск, 2021).
• Статья «Tidal power» в Encyclopaedia Britannica, 2024.