|
Aktualności
|
|
Informacje
Numery
Numer 12/2008
Elektrownie pływowe nabierają mocy
|
|
Gigawaty z… arktycznych mórz
Opracowano na podstawie artykułu „Małaja i nietradicionnaja energetika Rossii”, Nowosti Elektrotechniki nr 21/2008.
Elektrownie pływowe, stanowiące szczególny rodzaj elektrowni wodnych, wykorzystują energię przypływów i odpływów morskich, a w istocie kinetyczną energię ruchu obrotowego Ziemi. Siłownie te buduje się na morskich wybrzeżach, gdzie siły grawitacji Słońca i Księżyca zmieniają poziom wody dwukrotnie w ciągu doby.
|
Ogółem na wszystkich kontynentach pracuje obecnie zaledwie 10 obiektów tego rodzaju. Niestety na świecie nie ma zbyt wielu miejsc nadających się do budowy wielkich elektrowni pływowych.
Do tego celu konieczne jest, by różnica poziomów wody podczas przypływu i odpływu wynosiła co najmniej 5 m. Dogodnym miejscem jest zwłaszcza ujście rzeki wpływającej do morza, gdy wysokie jej brzegi umożliwiają budowę zapory, pozwalającej na wpłynięcie wód morskich w dolinę rzeki podczas przypływu i wypuszczenie ich poprzez turbiny wodne do morza podczas odpływu. W Europie takich lokalizacji jest tylko około stu, a ich łączny potencjał wytwórczy sięga zaledwie 12 000 MW. Natomiast w Rosji znajdują się wręcz wymarzone miejsca dla przyszłych siłowni tego rodzaju o największych mocach. Między innymi dlatego rosyjskie badania nad utylizacją energii pływów morskich rozpoczęto już wkrótce po II wojnie światowej.
W 1968r. w zatoce Kisłaja nad Morzem Barentsa w obwodzie murmańskim uruchomiono eksperymentalną elektrownię pływową Kisłogubska, pierwszy obiekt tego rodzaju w b. ZSRR, a drugi w świecie po Rance (Francja) ukończonej dwa lata wcześniej. Po raz pierwszy w światowej praktyce hydrotechnicznej zaporę elektrowni zbudowano bez użycia pomocniczej tamy. Później sposób ten wykorzystywano w innych krajach m.in. przy budowie elektrowni wodnych w dorzeczu Missouri. W elektrowni Kisłogubskiej zainstalowano dwa różne hydroagregaty: jeden kapsułowy produkcji francuskiej (24 większe hydrozespoły tego typu pracują w elektrowni Rance) oraz jeden prototyp rodzimej produkcji z tzw. ortogonalną turbiną o mocy 200 kW i średnicy koła 2.5m. Pozytywne doświadczenia eksploatacji eksperymentalnej siłowni sprawiły, że w Rosji opracowano ambitne plany wykorzystania energii pływów na niewyobrażalną dotychczas skalę. Największym obiektem może w (dalekiej) przyszłości stać się Penżynska elektrownia pływowa o docelowej mocy osiągalnej 87 GW (!!!). Znacznie mniejsza będzie zlokalizowana nad Morzem Ochockim lektrownia Tugurska (3.6 GW), gdzie różnica wysokości pływów wynosi aż 15m. Realne kształty przybierają natomiast plany budowy potężnej Miezienskiej elektrowni około 300 km na północny wschód od Archangielska. Jednak najwcześniej ma rozpocząć się budowa pierwszej rosyjskiej przemysłowej elektrowni pływowej (800 MW) na półwyspie Kolskim koło Murmańska. Znaczące osiągnięcia rosyjskich konstruktorów i budowniczych sprawiły, że zamierzenia te, a zwłaszcza elektrownia Miezienska, wywołują rosnące zainteresowanie zarówno w kraju, jak i zagranicą.
Miezienska elektrownia pływowa została zaprojektowana u ujścia rzeki Miezień do Morza Białego, gdzie wysokość przypływów sięga 10.3 m. Zapora elektrowni zamknie basen morski o obszarze 2640 km2. Moc zainstalowanych hydrogeneratorów ma wynieść 11 400 MW, a roczna produkcja energii elektrycznej 38.9 mld kWh. Budynek siłowni ma obejmować 150 „pływających” bloków o cienkościennej konstrukcji betonowej, zaś sama zapora będzie składać się ze 172 również „pływających” bloków, każdy z czterema kanałami przepustowymi dla wody. Łączna długość zapory wzniesionej z płyt ze zbrojonego betonu wyniesie 53.2 km; umieszczone zostaną w niej także śluza dla statków i przejścia dla ryb. Podobna konstrukcja zapory i budynku została zastosowana z powodzeniem w Kisłogubskiej elektrowni pływowej oraz na przeciwpowodziowej tamie chroniącej Sankt-Petersburg. Do wykonania konstrukcji Miezienskiej elektrowni pływowej, usytuowanej prawie dokładnie na kole podbiegunowym, zostaną wykorzystane lodo- i mrozoodporne betony również przetestowane w elektrowni Kisłogubskiej. Oddziaływanie lodu i morskiej wody na konstrukcje elektrowni stanowi złożony zespół mechanicznych, fizyko-chemicznych i biologicznych zjawisk wywołujących destrukcję betonu. Zimą spiętrzenie lodu przy zaporze będzie sięgać 7 m, zaś grubość warstwy oblodzenia betonowych ścian może wynieść 2.5 m. Tak potężne warstwy kry i lodu mogą zupełnie sparaliżować pracę siłowni; skutecznymi środkami zapobiegawczymi przed tymi zagrożeniami mają okazać się m.in. użycie betonu lodoodpornego, specjalne rozmieszczenie wlotów wody do turbin i kanałów wylotowych wody oraz pionowe ustawienie ścian zapory pokrytych powłoką antylodową. W rosyjskiej Arktyce sprawdziły się betony na bazie cementów odpornych na siarczany z dodatkami plastyfikatorów zapewniających trwałość, odporność na ścieranie przez lód i nieprzenikalność dla wody. Domieszki biocydów mają natomiast zapobiec obrastaniu przez florę morską. Mrozoodporny beton zastosowany w elektrowni Kisłogubskiej po 32 latach eksploatacji nie wykazuje żadnych uszkodzeń, a jego wytrzymałość przekracza 60 MPa (przy projektowej wartości 40 MPa).
Miezienska elektrownia pływowa zostanie wybudowana z pomocą tzw. „pontonowej” technologii bez użycia tamy. Pozwoli to na skrócenie okresu inwestycji do 11 lat, przy czym pierwsze hydrozespoły zostaną uruchomione już w ósmym roku budowy. Sposób ten polega na wykonywaniu zbrojonych bloków „pontonowych” budynku elektrowni i zapory na doku w awanporcie, a następnie holowaniu tych konstrukcji na miejsce przeznaczenia. Bloki te są składane z użebrowanych, betonowych paneli wyposażanych w trakcie montażu na doku w niezbędne urządzenia robocze. Technologia „pontonowa” została użyta po raz pierwszy w dziejach budownictwa hydroenergetycznego przy wznoszeniu elektrowni Kisłogubskiej. Dzięki niej obniżono o jedną trzecią koszty (a także czas) budowy w porównaniu z tradycyjną metodą wykorzystującą specjalną tamę. Prototypem wielkich „pontonowych” bloków przyszłej elektrowni Miezienskiej są betonowe konstrukcje zapory przeciwpowodziowej wzniesionej w pobliżu Sankt-Petersburga.
Przy wyborze rodzaju turbiny dla elektrowni Miezienskiej rozpatrywano wszystkie istniejące rozwiązania tj. hydroagregaty kapsułowe o dwustronnym przepływie wody (rewersyjne) zastosowane w elektrowni Rance i Kisłogubskiej, hydroagregat „Straflo” o jednokierunkowym przepływie wody eksploatowany w elektrowni pływowej Annapolis (Kanada) i pozioma turbina firmy Sulzer. Alternatywnym wariantem dla podanych turbin osiowych o nastawianych łopatkach była nowa konstrukcja – wynalazek rosyjskiego instytutu naukowo-badawczego NIIES -turbiny poprzeczno-strumieniowej zwana także ortogonalną. Turbina ta ustawiona poziomo, prostopadle do strumienia wody, nie zmienia kierunku obrotów przy zmianie kierunku przepływu (z przypływu na odpływ morza i odwrotnie), co stanowi cenną zaletę eksploatacyjną. W przypadku tradycyjnych konstrukcji pozbawionych tej cechy przy zmianie kierunku przepływu wody konieczne jest zatrzymanie maszyny, przestawienie łopatek i następnie jej ponowne uruchomienie. Podobne maszyny, będące pewną modyfikacją wiatrowych turbin Darrieus’a o pionowej osi testowano w Japonii i Kanadzie, lecz ich sprawność nie osiągnęła nawet 40%, co przesądziło o rezygnacji z dalszych badań. W latach 1989-2000 naukowcy wspomnianego instytutu wyznaczyli optymalne parametry i geometrię tej maszyny, uzyskując sprawność w przedziale 60-65%. Rosyjskie turbiny ortogonalne nadają się do wykorzystania zarówno w elektrowniach pływowych, jak i w małych elektrowniach wodnych o wysokości napływu 5-7m. Przy jednakowej średnicy roboczego koła łączna masa (a zatem i cena) ortogonalnych turbin jest 2.2 razy mniejsza od masy osiowych turbin np. Sulzera. Mniejszy i tańszy jest również budynek maszynowni. Główną zaletą rosyjskiej konstrukcji turbin jest prostota geometrii łopatek, dzięki której może je produkować praktycznie każdy zakład mechaniczny. Zastosowanie ortogonalnych turbin pozwala więc na pokonanie zasadniczej bariery dla rozwoju elektrowni pływowych, a mianowicie konieczności wykorzystania wielkiej liczby kosztownych hydroagregatów.
Energia z Miezienskiej elektrowni pływowej będzie w pełni odnawialna i zarazem ekologicznie bezpieczna. Wpływ siłowni na środowisko naturalne, mimo jej gigantycznej wielkości, ma być ograniczony i wyłącznie lokalny. Przegrodzenie zatoki zaporą zmniejszy o połowę wymianę wody z zalewem oraz doprowadzi do nieuniknionych, aczkolwiek niewielkich zmian charakterystyk hydrodynamicznych zjawisk pływowych i sztormowych, warunków lodotermicznych, zasolenia, migracji osadów, a także do obniżenia amplitudy przypływów i średniego poziomu (ok.1.5m) lustra wody w basenie. Wzniesienie zapory, nie naruszając w istotnym stopniu rozkładu strumieni przepływu wody, ograniczy transport osadów z morza do zatoki. Jedynie przy dłuższych okresach (ponad 2-3 tygodnie) odcięcia basenu od morza może nastąpić niebezpieczny deficyt tlenu w wodzie. Oczekuje się, że przy normalnej pracy elektrowni biocenozy w zatoce utrzymają korzystne warunki rozwoju i wzrostu. Również niezagrożona ma być fauna; w szczególności ryby otrzymają możliwość swobodnego przepływu przez kanały przelotowe i turbiny w zaporze elektrowni.
Z analiz rosyjskiego instytutu Energosietprojekt wynika, że produkcja Miezienskiej elektrowni może pokryć 6.5% obecnego zapotrzebowania na energię elektryczną europejskiej części kraju. Źródło to może zapewnić dostawę aż 4000 MW mocy z łącznej ilości 9000 MW planowanej do przesyłania projektowaną linią prądu stałego z Rosji do Europy Zachodniej. Dla przyszłej współpracy energetycznej nie powinien okazać się przeszkodą nieciągły (4-6 godzin na dobę) charakter generacji w elektrowni pływowej. Przewidywany koszt jednostkowy budowy Miezienskiej elektrowni wynosi 1072 USD/kW i 0.314 USD/kWh (w cenach z 1991r.). Dla porównania w projektowanych rosyjskich hydroelektrowniach pierwszy z tych wskaźników zawiera się w granicach 1300-1600 USD. W ogóle koszt wytwarzania energii elektrycznej w pływowych elektrowniach uznaje się za najniższy z możliwych. Dowiodła tego eksploatacja francuskiej elektrowni Rance, której koszt jednostkowy produkcji kilowatogodziny wyniósł 0.18 wobec 0.22 w elektrowniach wodnych, 0.34 w cieplnych i 0.26 w atomowych tego kraju (ceny we frankach z 1995r.).
|
|
|
|
