Новая ВИЭ-волна

Фото: wirestock на Freepik

Энергия морских волн – перспективное направление ВИЭ-генерации. Особенно это касается России, омываемой множеством морей и океанов. По расчётам учёных море может обеспечить почти 20% необходимой человеку энергии. Вдобавок к тому волновая энергия имеет высокие шансы взять первенство в борьбе за звание самой чистой, так как при производстве оборудования для солнечных и ветровых парков образуется немало токсичных отходов, а гидроэлектростанции имеют свои экологические недостатки.

Благодаря высокой удельной мощности морской волны по сравнению с ветром и солнцем волновая генерация – наиболее интересный перспективный источник неиссякаемой энергии. Тем более что уже существует множество разных конструкций волновых электростанций.

Укрощая океаны

В рамках программы научно-исследовательской деятельности, активно поддерживаемой в «ЛУКОЙЛе», наша небольшая команда задалась целью оценить принципиальную возможность использования волновых электростанций на производственных объектах компании. Опыт проектирования и строительства генерирующих объектов в разных уголках нашей страны оказался весьма кстати.

За основу исследования взята запатентованная в одной из стран СНГ схема электростанции, смонтированной на стационарной платформе и состоящей из волнового модуля и пневмогидравлического аккумулятора (см. рисунок). Выходя из него под напором, вода через трубопровод подаётся на гидротурбину. Единичная мощность волнового модуля размерами 5×5 м составляет 300 кВт, количество модулей выбирается в зависимости от потребности производственного объекта в электроэнергии.

Устройство модельной волновой электростанции

Опишем устройство и принцип работы электростанции. На металлической платформе 1, прикреплённой ко дну, размещены цилиндр c поршнем и пневмогидравлический аккумулятор. Поршень 11 неподвижно закреплён на трубе-водоводе 7. Плавучий понтон 8, под воздействием волн перемещаясь вверх и вниз вдоль направляющей решётки 9 (трение снижается с помощью опорных роликов 10), через систему клапанов внутри поршня закачивает воду в пневмогидроаккумулятор 4. Это наполовину заполненный воздухом цилиндрический сосуд, назначение которого – сглаживать пульсации давления воды, направляемой на гидротурбину. Номером 3 обозначен предохранительный клапан, обеспечивающий сброс лишней воды в море. Из аккумулятора вода через регулятор давления 5 по трубопроводу 6 попадает в гидроагрегат на рабочие лопатки турбины. Здесь можно использовать выпускаемое промышленностью оборудование, предварительно выбрав подходящий тип турбины.

Полезная работа совершается за счёт взаимодействия двух противоположно направленных сил. Это сила плавучести понтона и вес присоединённого к нему цилиндра вместе с балластом в виде воды в гидроаккумуляторе. Данные силы можно подобрать так, чтобы результирующая в пике достигала десятков и даже сотен тонн, обеспечивая эффективную электрогенерацию.

На гребне

Наиболее подходящие потребители в нашем случае – морские платформы и прибрежные промысловые объекты. Мы ориентировались на типичную стационарную нефтегазодобывающую платформу, оборудование которой в режиме эксплуатации в среднем потребляет мощность 3,6 МВт. Обычно такую нагрузку покрывает энергокомплекс из четырёх дизель-генераторов по 1,3 МВт (три рабочих, один резервный). Чтобы обеспечить такую платформу питанием от волновой электростанции, в море необходимо разместить семнадцать волновых модулей (с учётом необходимости резервирования потребителей I категории электроснабжения). Конструкция волновой электростанции при такой схеме несколько изменится, например, пневмогидроаккумулятор можно увеличить в объёме и расположить на отдельной платформе, сделав его общим для семнадцати волновых модулей. При этом сами модули можно дополнить солнечными панелями или даже ветрогенераторами. На отдельной платформе расположится коммутационное оборудование, соединённое по линии 6 кВ с распределительным устройством нефтяной платформы.

При проектировании волновой станции мощностью 5 МВт мы имеем возможность варьировать остальные её характеристики в довольно широких пределах:

Чтобы станция выдала номинальные параметры мощности и частоты, должны быть обеспечены определённые расчётные условия. Например, высота волны – не менее 0,5 м, оптимальная периодичность 6 с, глубина моря – до 20 м, причём оно не должно замерзать зимой. Участков, где можно обеспечить подобные требования, в нашей стране предостаточно.

Экономика

Укрупнённо рассчитав капитальные и эксплуатационные затраты, мы сравнили экономические показатели дизельного и волнового энергокомплексов (см. таблицу).

Как видно из таблицы, предложенное решение обещает значительный экономический эффект, но здесь не учтено, что на периоды штиля волновую электростанцию нужно резервировать дизельными системами или источником бесперебойного питания с ёмкими аккумуляторными батареями (в зависимости от конкретных климатических условий). Для более точных расчётов необходимо также учесть все затраты на логистику стройматериалов и оборудования, автоматизацию волновой электростанции и её обслуживание. Всё это должно выясниться на этапе предпроектной проработки. Тем не менее мы считаем, что предлагаемое техническое решение перспективно, то есть волновая электростанция может быть основным источником энергии для морской добывающей платформы, что позволит свести к минимуму потребление ею ископаемого топлива.

Слева направо: Евгений Хамидуллин, Султан Наджафов, Викентий Мартемьянов

Волновые станции также можно строить в регионах, где нет месторождений углеводородов, а транспортировка топлива затруднена или экономически нецелесообразна. Со временем производство используемого в них оборудования будет расширяться, а значит, волновая генерация станет более экономически эффективной. Мы верим, что в ближайшем будущем начнётся быстрое развитие волновой энергетики и компания «ЛУКОЙЛ» возьмёт на себя роль ведущего интегратора подобных технологий.

ОБ АВТОРАХ: Султан НАДЖАФОВ, Викентий МАРТЕМЬЯНОВ, Евгений ХАМИДУЛЛИН – специалисты Управления сопровождения энергетических объектов ООО «ЛУКОЙЛ-Энергоинжиниринг».