Прилив сил

Когда Парижская Академия наук отказалась рассматривать проекты вечных двигателей, формально она была совершенно права. Вечных двигателей не существует. Но есть почти вечные. По сути, вся наша Вселенная — огромный perpetuum mobile, который работает вот уже более 13 миллиардов лет и пока не собирается останавливаться. Надо просто суметь им воспользоваться.

В некоем научном трактате начала прошлого тысячелетия безымянный автор описал замечательный вариант вечного двигателя. Изобретатель предложил собрать крепкий шест, достаточно длинный для того, чтобы дотянуться до Луны. Его наземный конец он соединил с шатунным механизмом и возвратной пружиной. По замыслу изобретателя Луна должна была с помощью шеста приводить шестерни механизма в движение, а в ту пору, когда ночное светило уходило «за Землю», пружина возвращала шест в исходное положение, где он дожидался нового прихода земного спутника. Нам неизвестно, пытался ли древний изобретатель воплотить свой аппарат в жизнь, но, вероятно, он сильно удивился бы, узнав, что предложенный им достаточно длинный шест давно существует и работает. И не один, а целых два — второй связывает нас с Солнцем. Шесты эти мы называем гравитацией. Правда, шестерни они не вращают, но дважды в день вызывают изменения уровня воды в больших водоемах. То, что изменение уровня воды в океане зависит от движения по небу основных светил — Луны и Солнца, отмечал еще в IV веке до Рождества Христова греческий купец и географ Пифей — тот самый, что первым описал полярный день, северное сияние и вечные льды. В самом начале нашей эры его наблюдения развил в своих трудах учитель Цицерона — Посидоний, полагавший, что эти светила обладают особым полумагическим притяжением наподобие магнита. Но вскоре труды Посидония были надолго забыты, и первые приливные мельницы строились без их учета.

Небесные тягачи

Научная теория приливов появилась в 1687 году, и создал ее основоположник теории всемирного тяготения Исаак Ньютон. Основными «виновниками», как люди верно догадывались, оказались Луна и Солнце. Своим притяжением каждое из светил стремится вытянуть Землю. Это связано с тем, что гравитация быстро убывает с расстоянием. Из-за этого Луна притягивает ближнюю часть нашей планеты на 6,5% сильнее, чем дальнюю. Под действием этой разности сил Земля давно бы стала похожа на дыню, если бы не вращение, которое все время подставляет Луне другой бок, едва только начинает развиваться деформация. В результате по нашей планете, чуть отставая от Луны, постоянно бегут две приливные волны. В твердом веществе их амплитуда составляет около полуметра. Вода более подвижна, но и ее подъем в открытом море не превышает метра. С приближением к суше высота морской приливной волны многократно увеличивается. Наиболее интенсивным рост этот оказывается в узких местах побережий — в проливах, сужающихся заливах, устьях рек. Доходит до того, что некоторые реки во время мощных приливов меняют направление течения на противоположное. На Северной Двине замедление течения во время приливов отмечается за 200 километров от устья, а на Амазонке — за 1400. В узком речном русле прилив может создавать высокую, до 5 метров, волну, движущуюся против течения со скоростью 7 м/с. В Бразилии ее называют порока, во Франции — маскаре, в Британии — бор. В дни особенно сильных приливов порока проходит по Амазонке до 300 километров — у побережья уже давно начался отлив, а волна все еще идет вверх по реке. Солнце тоже порождает пару приливных волн, но они заметно слабее лунных. Дело в том, что размеры Земли весьма незначительны в сравнении с расстоянием до Солнца, так что перепад силы его притяжения на ближнем и дальнем краях земного шара составляет менее 0,02%. Однако солнечная гравитация на два порядка сильнее лунной, и поэтому приливы, вызванные Солнцем, уступают лунным не в сотни, а только в 2,5 раза. Когда лунная и солнечная волны накладываются и усиливают друг друга, случаются особенно высокие приливы. Их называют сизигийными, поскольку происходит это в дни сизигий — новолуний и полнолуний. Прямая противоположность им — приливы, происходящие в моменты квадратур (первой и последней четвертей Луны). В такие дни Луна и Солнце располагаются по отношению к Земле под прямым углом и ослабляют приливное влияние друг друга. В результате вода во время сизигийных приливов может подниматься в 2—3 раза выше, чем во время квадратурных. Высота прилива в некоторых местах действительно впечатляет. Например, в Гранвиле (Франция) перепад уровня воды достигает 14,7 метра, в устье реки Северн (Бристольский залив, Англия) доходит до 16,3 метра, а в районе залива Фанди (атлантическое побережье Канады) — почти до 20 метров (высота семиэтажного дома). Но есть и такие места, где приливы почти не ощущаются. Скажем, в районе Трапезунда (Черное море, Турция) вода поднимается всего на 8 сантиметров, а в Финском заливе амплитуда прилива редко превосходит 4—5 сантиметров. Приливные волны бегут по поверхности Земли навстречу вращению, постепенно его замедляя. Постоянные потери вращательной энергии нашей планеты составляют около 2 тераватт — как раз столько электроэнергии потребляет сегодня все человечество. Но масса Земли столь велика, что это приводит к удлинению суток всего на 2 миллисекунды за столетие. Небольшая часть этой энергии идет на постепенное повышение лунной орбиты, радиус которой растет примерно на 3 сантиметра в год, а остальное растрачивается на внутреннее трение в горных породах и, главным образом, в водных массах. В далеком будущем, через миллиарды лет, вращение Земли синхронизируется с Луной. Сутки тогда сравняются с лунным месяцем, а приливы, по крайней мере лунные, прекратятся.

Французский дебют

Первыми за сооружение электростанций, извлекающих энергию из приливных движений воды, взялись французы. В 1925 году они присмотрели перспективное место под приливную электростанцию вблизи деревни Абер-Врак (департамент Финистер). И не просто присмотрели, а даже начали строительство, но из-за финансовых проблем к 1930 году его забросили. Однако конструкторские наработки, которые энергетики планировали использовать в этой первой ПЭС, пригодились при сооружении следующей, которая и стала первой действующей. Место для нее в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, выбрал еще в 1921 году инженер Жерар Буасноэ. Даже самые низкие квадратурные приливы поднимаются здесь на 8 метров, а в дни сизигий вода захлестывает за 13-метровую отметку. Но путь от идеи до ее воплощения оказался долгим. Лишь в 1943 году Общество по изучению использования приливов (Société d'étude pour l'utilisation des marées, SEUM) провело необходимые исследования и составило техническое обоснование проекта ПЭС. Сами же работы по строительству начались только в 1961 году. Главным специалистом проекта стал известный французский архитектор Луи Арретч. Плотину спроектировал Альбер Како, получивший к тому времени титул «лучшего инженера Франции». Два года ушло на осушение строительной площадки. 20 июля 1963 года, когда бассейн будущей ПЭС был надежно заблокирован двумя мощными дамбами, состоялась церемония закладки первого камня, а 26 ноября 1966 года построенную ПЭС открыл лично президент Франции генерал Шарль де Голль. Сооружение оказалось впечатляющим. Приливный бассейн площадью 22,5 км² отгораживала плотина длиной почти 800 метров. На ней смонтированы 24 турбины общей мощностью 240 мегаватт. По сей день эта электростанция остается крупнейшей в провинции Бретань и производит более 600 миллионов киловатт-часов в год. В пересчете на современные деньги ее постройка обошлась французам в 740 миллионов евро, но станция уже давно окупилась, и теперь ее электричество стоит всего 1,8 цента за киловатт-час — в полтора раза дешевле энергии столь популярных во Франции АЭС.

Советский ответ

В России на некоторых участках побережья Белого и Баренцева морей приливы поднимают воду на высоту до 10 метров. Еще в XVII веке здесь строились первые приливные мельницы. И когда в начале 1960-х годов руководство СССР узнало, что французы строят первую ПЭС, началось соревнование. Место для возведения советской ПЭС было выбрано в 90 километрах от Мурманска в Кислой губе, недалеко от поселка Ура-Губа. Оно будто специально было создано природой для такого проекта: естественный залив площадью более миллиона квадратных метров с узкой, всего 40 метров, горловиной. Единственным, но существенным минусом площадки было то, что располагалась она вдали от других промышленных объектов. Да и дорог к ней нормальных не было. Для быстрого возведения наши конструкторы под руководством инженера и изобретателя Льва Бернштейна придумали способ строительства, который сейчас называется «наплавным» и применяется почти везде, где требуется возвести крупное водное или подводное сооружение. Здание размером 36×18,5 метра и высотой более 15 метров, которое одновременно являлось и плотиной, было построено не в Кислой губе, а в строительном доке на мысе Притыка, рядом с Мурманском. Вместе со смонтированным в нем оборудованием его вплавь отбуксировали по месту службы, где и установили на выровненное и подготовленное к этому дно. Но, несмотря на такое ноу-хау, французы все равно опережали наших гидростроителей. Когда стало ясно, что перегнать их не удастся, советские чиновники, дабы минимизировать политические издержки, оперативно объявили проект «технической ересью», подлежащей немедленной заморозке. Стройка застыла на год, и лишь публикация в газете «Известия» статьи «Наказанная проблема» заставила пересмотреть абсурдное решение и выделить средства на завершение объекта. Станцию открыли в 1968 году. На ней была установлена турбина диаметром 3,3 метра и мощностью 400 киловатт производства французской фирмы «Нейрпик», которая оборудовала и первую французскую ПЭС.

Ортогональные турбины

Конечно, даже для конца 1960-х эта мощность была не слишком впечатляющей. И все же Кислогубская ПЭС принесла миру ничуть не меньше пользы, чем ее «конкурентка» на Рансе, поскольку стала одной из ведущих мировых экспериментальных площадок по отработке новых технологий приливной энергетики. В числе последних связанных с ней ноу-хау — разработка новой ортогональной турбины, работающей при любом направлении потока. Обычно на приливных электростанциях используют осевые турбины, напоминающие ходовой винт корабля. Сложная форма лопаток делает их дорогими. Кроме того, они рассчитаны на постоянное направление течения. Поэтому между приливами и отливами на них приходится поворачивать лопасти. В ортогональных турбинах прямые лопасти с крыловидным профилем устанавливаются параллельно оси вращения, а вода течет перпендикулярно им. При любом направлении потока вся конструкция вращается в одну и ту же сторону, заданную профилем «крыла». Такие турбины уже давно применялись в ветроэнергетике, но для приливной оказались неэффективными. Разработанные в середине 1980-х годов в Канаде и Японии прототипы имели низкий КПД (около 40%), и в итоге идею забросили. Однако в российском НИИ энергетических сооружений в результате десятилетней работы смогли найти оптимальные очертания камеры и лопастей ортогональной турбины и подняли КПД до 60—70%. Это несколько меньше, чем дают осевые агрегаты, но зато новая конструкция почти вдвое легче, а простая конструкция позволяет изготавливать ортогональные турбины на любом механическом заводе — не только на специальном турбиностроительном. В 2004 году первый экспериментальный агрегат нового типа мощностью 200 киловатт установили на Кислогубской ПЭС вместо выработавшей свой ресурс осевой турбины. Но основные надежды разработчики связывают с будущими крупными проектами ПЭС, где применение ортогональных турбин сулит значительный экономический эффект. Запуском французской и советской ПЭС было положено начало приливной энергетике, но ждать продолжения пришлось долго. Следующая промышленная ПЭС открылась только в сентябре 1984 года. На этот раз на приливы польстилась Канада. Свою 20-мегаваттную станцию она построила в устье реки Аннаполис, на острове Хогс, где амплитуда приливов колеблется от 4,4 до 8,7 метра. Но наступивший период дешевой нефти на долгие два десятилетия сделал освоение энергии приливов нерентабельным.

Турбины морского течения

Активное использование сил морских течений началось только в начале нового тысячелетия. В сентябре 2003 года 300-киловаттная ПЭС была запущена в Норвегии. Представители соорудившей ее компании Hammerfest Stroem заявили, что, если установка себя оправдает, они готовы развернуть массовое строительство приливных станций. А чуть раньше, в июне того же года, опытную турбину мощностью 300 киловатт на Девонском побережье Великобритании установила компания Marine Current Turbines (MCT). Впрочем, Девонская ПЭС в корне отличается от своих предшественниц. Прежде всего тем, что у нее отсутствует плотина, а значит, нет и отгораживаемого ею приливного бассейна. В сущности это обычный «ветряк», только опущенный под воду. Этот способ получения приливной энергии еще в 1960-х годах предлагал использовать советский ученый — доктор технических наук Б.С. Блинов. Он называл такие гидроэлектростанции свободнопоточными, в отличие от классических плотинных (гравитационных). По расчетам, в такой электростанции двухлопастный пропеллер метрового диаметра при скорости течения 2 м/с (7 км/ч) может выдавать до 7 киловатт мощности. Агрегат MCT снабжен однонаправленным пропеллером диаметром 11 метров. Приливное течение вращает его со скоростью до 20 оборотов в минуту. Всесторонне протестировав свое детище, компания MCT в августе 2008 года поставила еще одну станцию мощностью 1,2 мегаватта у берегов Северной Ирландии, в зоне действия приливного течения залива Стрегфорд Лоу. Новая ПЭС получила название SeaGen («морской генератор»). Две ее турбины диаметром по 16 метров закреплены на горизонтальной балке, которая перемещается по подводной башне и может для ремонта поднимать турбины над водой. Со временем MCT планирует построить у побережья Великобритании целую батарею таких установок и «выкачивать» не менее 10 гигаватт приливной энергии.

Конкуренция нарастает

В 2005 году другая британская компания SMD Hydrovision анонсировала новую технологию сбора энергии приливов TidEl. Она тоже не требует плотин и бассейнов.

Родная гигантомания

Но 254 мегаватта — это далеко не предел. В России еще в советские времена были полностью просчитаны куда более грандиозные проекты. Так, на Охотском море запланирована постройка Тугурской ПЭС мощностью 8 гигаватт. Энергию этой электростанции предполагается направлять в Юго-Восточную Азию. А на Белом море уже в этом году должны начаться подготовительные работы по строительству Мезенской ПЭС, где будут установлены 10-метровые ортогональные турбины суммарной мощностью 11 гигаватт. Площадь отсекаемого приливного бассейна составит 2640 км² — в 120 раз больше, чем на Рансе! Для этого понадобится плотина протяженностью 53 километра, которая будет сооружаться уже описанным наплавным способом, в деталях отработанным при строительстве защитной дамбы Санкт-Петербурга. Несмотря на огромную стоимость проекта — около 12 миллиардов долларов — в расчете на киловатт установленной мощности, он получится в 1,5—2 раза дешевле, чем проектируемые сейчас Гилюйская и Средне-Учурская гидроэлектростанции. В мире есть еще ряд проектов сопоставимого масштаба. В Англии, на реке Северн, где высота прилива составляет 8 метров, планируется построить ПЭС мощностью 8,64 гигаватта с площадью бассейна 450 км². Индия предполагает отгородить 1970 км² в Камбейском заливе 7-метровыми приливами и получить мощность 7 гигаватт. Столько же приливной энергии намерена добывать Аргентина, которая присмотрела место для ПЭС в устье реки Уругвай близ города Сан-Хосе, где высота прилива достигает 6 метров. Но все эти планы кажутся детской забавой в сравнении с колоссальным российским проектом — Пенжинской ПЭС. Она спроектирована для района Пенжинской губы в Охотском море, где приливы достигают рекордных для Тихого океана 13 метров. При площади бассейна 20 500 км² она могла бы выдавать 87 гигаватт мощности.

От мала до велика

Но не стоит думать, что специалисты приливной энергетики предались гигантомании. В июне 2006 года двое ученых из британского Университета Саутгемптона, Стив Тёрнок и Сулейман Абу-Шарх, разработали портативный приливный генератор для индивидуального пользования. Внешне он напоминает небольшую самолетную турбинку диаметром 25 сантиметров. Основное ее преимущество — простота и дешевизна. Разработчики хотят к 2011 году наладить промышленное производство таких индивидуальных турбин, чтобы каждый, кто живет недалеко от зоны прилива, мог «запитать» от океана, моря или реки свой телевизор, компьютер или электробритву. И уж вовсе в эстетических целях энергию приливов хотят использовать дизайнеры. В рамках проекта «Алуна» в Англии и Австралии планируется соорудить огромные лунные часы диаметром 45 метров и высотой 15. По замыслу британского дизайнера Лауры Уильямс, руководителя созданной специально для этого организации Aluna Limited, часы будут представлять собой три светящихся диска. Внешний светлый сектор станет отображать фазу Луны. В полнолуние он будет полностью освещен, в новолуние — практически черен. Небольшой освещенный сектор на среднем диске должен указывать положение нашего спутника относительно находящегося в центре наблюдателя. А внутренний, торчащий из земли диск отобразит уровень прилива в данное время в данном месте. Энергию же для «Алуны» станет давать небольшая расположенная поблизости приливная турбина. Все это, конечно, пока проект, но проект красивый. Потому что ведь так хорошо будет постоять или посидеть под такими часами и посмотреть на Луну, которая приводит в действие всю эту красоту. Тем более что, привыкнув к бешеным ритмам современного мира с его кризисами и скачками цен на нефть, мы так редко смотрим на наш величественный, спокойный и близкий спутник.