Арктический регион является экономически перспективной территорией ввиду огромных запасов нефти, газа и других полезных ископаемых, а также имеет стратегическую важность для военной, судоходной и промышленной деятельности. На сегодняшний день существует огромное количество инвестиционных проектов по освоению и развитию арктических территорий Российской Федерации, обуславливающих рост спроса на электроэнергию в данном регионе.
Однако использующаяся сейчас дизельная генерация не может в полной мере обеспечить качественное и доступное энергоснабжение с учётом бурных темпов развития и остаётся существенным сдерживающим фактором в процессе использования ресурсного потенциала Крайнего Севера.
С технической точки зрения необходимость замещения дизельной генерации обоснована сильным износом оборудования в 50–70%, что приводит к большому удельному расходу топлива более 300 г/ кВт·ч и, как следствие, низкой эффективности производства [1].
С экологической точки зрения огромное значение имеют выбросы углекислого газа, которые негативно сказываются на климатической обстановке и наносят серьёзный ущерб окружающей среде. В современных условиях, когда глобальные изменения климата накладывают обязательства по сокращению выбросов парниковых газов и улучшению экологической обстановки, стратегическое развитие предполагает внедрение новых современных технологий для энергоснабжения удалённых районов Крайнего Севера и отказ от использования дизеля, как основного вида топлива. Кроме того, при цене 2000 руб. за тонну CO2 присутствует статья колоссальных расходов при использовании дизеля помимо затрат на его транспортировку [2].
Для решения описанных выше проблем предлагается использовать на территории Арктической зоны РФ энергокомплекс, в состав которого помимо дизельных генераторов войдут плавучие приливные электростанции.
Арктический регион характеризуется огромной протяжённостью береговой зоны, имеющей сложные очертания, которые формируют множество потенциальных створов для малых приливных электростанций. Целесообразность строительства плавучих приливных электростанций (ППЭС) определяется необходимостью энергоснабжения большого количества небольших поселений, расположенных на прибрежных территориях вдоль линии Северного морского пути (СМП).
С точки зрения физики такие ППЭС могут использовать напорную характеристику приливно-отливных течений и кинетическую энергию потоков воды.
Конструкция ППЭС выполнена в виде понтонного основания, на котором установлен свободнопоточный гидроагрегат и другое вспомогательное оборудование в герметичном контейнере. В качестве основного оборудования плавучих ПЭС предлагается использовать гидроагрегат с ортогональной турбиной, ввиду простоты и сравнительно небольшого веса конструкции. Для фиксации установки в месте эксплуатации используется вмонтированное якорное крепление, упрощающее монтажные и демонтажные работы. Мощность такой установки, в зависимости от диаметра рабочего колеса и длины лопасти, может составлять до нескольких мегаватт. Для повышения коэффициента использования энергии приливного потока также предполагается устанавливать концентратор.
В качестве каркасного основания для более мощных проектов целесообразно также использовать баржи различных типов, снятых с судоходных маршрутов и таким образом решить вопрос их утилизации. Важным аспектом также является возможность швартовки такой электростанции к причалам и пристаням не требующих сложных строительных операций и высоких затрат.
Для проведения натурных испытаний и подтверждения результатов теоретического исследования предлагается собрать опытный образец. Вся конструкция с аналогичным мелкомасштабным оборудованием может быть произведена, например, компанией «Делан Энерго», специализирующихся на производстве составных частей для микро-ГЭС [3]. По данным компании единичная мощность установки составляет до 100 кВт с рабочей скоростью от 0,7 до 6 м/с.
Далее оценим эффекты от внедрения данного типа электростанций установленной мощностью в 1 МВт, то есть объединённых в единую систему из десяти модулей. При действии прилива четыре раза в сутки (n) по четыре-пять часов (τ) с периодичность в один-два часа [4] и средним коэффициентом использования приливного потока Ср = 0,4, согласно [5], годовая выработка электроэнергии от свободнопоточной ППЭС составит:
E = NCpnτ365 = 1×0,4×4×4×365 = 2336 МВт·ч.
В результате снижения нагрузки на ДЭС сокращается количество дизельного топлива, расходуемого при генерации электроэнергии, экономия составит:
M = 300×2336×103×10–6 = 701 т/год.
В денежном эквиваленте, при средней цене дизеля 150 тыс. руб. за тонну с учётом транспортировки, экономия составит:
M = 701×150×103 = 10,5 млн руб. в год.
При уменьшении расхода дизельного топлива при производстве электроэнергии снижаются и выбросы парниковых газов, в частности 2,99 тонн CO2 на тонну дизельного топлива [6], таким образом, уменьшение выбросов составит:
M = 2,99×701 = 2096 тонн в год.
В денежном эквиваленте снижение выбросов CO2 при плате 2000 руб. за тонну экономия составит:
P = 2096×2000 = 4,2 млн руб. в год.
Таким образом, экономия от внедрения плавучей приливной электростанции составляет 14,7 млн руб. в год на 1 МВт установленной мощности ППЭС.
При необходимости регулирования режима работы напорной или свободнопоточной ППЭС на днище баржи целесообразно смонтировать систему танк-контейнеров и водоводов, позволяющих обеспечить более ровную выработку электроэнергии, или установить на барже блочно-модульную систему накопления.
Учитывая требования по локализации для производства основного оборудования, для масштабного серийного производства рекомендуется привлечь такие компании, как «Атомэнергомаш», «Силовые машины» и «Севмаш».
Таким образом, внедрение плавучих приливных электростанций для энергоснабжения отдельных населённых пунктов в Арктике позволит не только сократить вредные выбросы и расходы на дизельное топливо, но получить необходимую исследовательскую, аналитическую и проектную базу для дальнейшего развития приливной энергетики в России.
Применение таких ППЭС может быть экономически и энергетически оправдано ввиду использования современных технологий, упрощающих и удешевляющих их строительство, а также применения методов оптимизации их режимов работы и регулирования неравномерности выработки электрической энергии. При этом отсутствие тепловой генерации на данном типе электростанций позволит минимизировать «растепляющее» воздействие и сохранить естественный температурный режим. Замещение приливными электростанциями дизельной генерации позволит снизить выбросы CO2 в атмосферу и сократить расходы по обеспечению дизельным топливом населённых пунктов Арктической зоны Российской Федерации.
