Алексей Воробьев-Обухов

Дамба первой в мире приливной электростанции в устье реки Ранс. Франция. Фото: SPL/EAST NEWS

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.

Первая советская экспериментальная ПЭС в Кислой губе первоначально была оснащена французской 400-киловаттной осевой турбиной. Сейчас там исследуется новейшая ортогональная турбина меньшей мощности. Фото: ИТАР-ТАСС

Водный помол

Самые древние приливные мельницы работали на реке Флит, в районе современного Лондона, еще во времена Римской империи, но об этом нам известно только по косвенным данным. Старейшая из тех, остатки которых удалось раскопать археологам, относится к концу VIII века. Эта небольшая мельничка при основанном святым Патриком монастыре Нендрам в Северной Ирландии устроена была чрезвычайно просто. Во время прилива вода через открытые воротца заполняла небольшой бассейн. Когда прилив сменялся отливом, ворота закрывались и вода из бассейна спускалась через специальное сливное отверстие, под которым находилось закрепленное горизонтально колесо с мельничными лопастями. Поток воды вращал лопасти, и это вращение передавалось на рабочие жернова диаметром 83 сантиметра. Нехитрая установка развивала мощность чуть меньше одной лошадиной силы и позволяла перемалывать до 4 тонн муки за сутки. Первое документальное упоминание о приливной мельнице относится к 1086 году. В знаменитой «Книге Страшного суда», составленной по результатам первой в средневековой Европе поземельной переписи, проведенной по приказу Вильгельма Завоевателя, говорилось о приливной мельнице, расположенной в Дувре, на берегу пролива Па-де-Кале. Кроме нее в книге упоминалось о мельнице на реке Ли в местечке Три-Миллс-Айленд (сегодня эта территория относится к Лондону). Старейшая сохранившаяся до наших дней приливная мельница была также построена в Англии, в городке Вудбридж, еще в 1170 году. Она была уже значительно больше и мощнее, чем в Нендраме. Колесо мельницы было вертикальным, наподобие пароходных, а площадь ее приливного бассейна составляла 28 000 м2 (около 3 гектаров). Мельница несколько раз реконструировалась и благополучно молола зерно несколько веков вплоть до 1957 года. К тому времени это была последняя действующая промышленная приливная мельница. В 1973 году после пятилетней реставрации заброшенного комплекса в нем был открыт музей индустриальной революции. В музейные экспонаты превратились и несколько других приливных мельниц — в Англии, Бельгии и Нидерландах. Все они работают, только муку в них сегодня перемалывают для туристов. А в целом в начале прошлого века только по берегам Атлантического океана работало более 750 таких мельниц. Около 300 — в Северной Америке, 200 — в Британии и примерно 100 — во Франции. Кое-где были построены приливные насосы, приливные подъемники и даже приливные лесопилки. И большая часть этих установок создавалась без всякого теоретического обоснования.

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 (Soci'et'e d"'etude pour l"utilisation des mar'ees, 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 36x18,5 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.

Ротор ПЭС SeaGen в сборочном цехе. Фото: SEA GEN

Биологическая проницаемость

Приливная энергетика в экологическом плане является одной из самых чистых. В отличие от ТЭС приливные станции не выбрасывают в атмосферу ни углекислого газа, ни серы, ни золы. В отличие от ГЭС для их постройки не нужно затоплять земли. Кроме того, нет опасности рукотворного речного цунами при прорыве плотины. В отличие от АЭС даже в случае самой серьезной аварии радиационный уровень в округе не вырастет ни на один рентген. Исследования на Кислогубской ПЭС показали, что приливные турбины вполне биологически проницаемы. Через них без повреждений проходит около 85% рыбы, для которой плотины ГЭС совершено непреодолимы. Вода идет через турбину гидроэлектростанции под чудовищным напором, и лопасти ее ротора просто перемалывают все, что в них попадает. В случае ПЭС напор гораздо слабее и лопасти крутятся значительно медленнее. Не наносят они существенного вреда и основному рыбьему корму — планктону, его тут погибает не более 10% (на ГЭС — от 83 до 99%). Экологи опасались, что в бассейне ПЭС упадет соленость воды, что отрицательно скажется на его фауне. Этот эффект действительно имеет место, но оказался столь мал (0,5—0,7 промилле), что не сказывается на растениях и животных.

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.