Небесные тягачи
Научная теория приливов появилась в 1687 году, и создал ее основоположник теории всемирного тяготения Исаак Ньютон. Основными «виновниками», как люди верно догадались, 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 приливах, 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 пяти 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 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 солнечные волны накладываются и усиливают друг друга, случаются особенно сильные приливы. Их называют сизигийными, поскольку происходят 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 просто поражает. 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. Например, 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. Но масса Земли столь велика, что это приводит к удлинению суток всего на две миллисекунды за столетие. Небольшая часть этой энергии идет на постепенное увеличение лунной орбиты, радиус которой растет примерно на три сантиметра в год. В далеком будущем, через миллиарды лет, вращение Земли станет синхронным с вращением Луны, сутки тогда сравняются с лунным месяцем, и лунные приливы прекратятся.
Энергию приливов – чайной ложкой
Несмотря на то что дармовой энергии у нас под ногами просто море в прямом и переносном смысле этого слова, человечество до сих пор так и не научилось толком ее использовать. Достаточно сказать, что впервые за сооружение электростанций, извлекающих энергию из приливных волн, взялись только в 1925 году. И то забросили это дело, едва начав. Произошло это близ деревни Абер-Врак, что во Франции. Как всегда, помешали финансовые проблемы. Но конструкторские разработки, к счастью, сохранили. И лишь в 1943 году Общество по изучению использования приливов в устье реки Ранс, впадающей в Ла-Манш, провело необходимые исследования и составило техническое обоснование проекта ПЭС – приливной электростанции. А сами работы по строительству начались вообще лишь в 1961 году.
Два года ушло на осушение строительной площадки. Наконец, 20 июля 1963 года, когда бассейн будущей ПЭС был надежно заблокирован двумя мощными дамбами, состоялась церемония закладки первого камня. И вот 26 ноября 1966 года президент Франции генерал Шарль де Голль открыл первую в мире ПЭС. Сооружение поражало воображение. Приливной бассейн площадью 22,5 кв. км отгораживала плотина длиной почти 800 метров. На ней смонтированы 24 турбины общей мощностью 240 мегаватт. По сей день станция производит более 600 миллионов киловатт-часов в год. В пересчете на современные деньги ее постройка обошлась французам в 740 млн евро. Но ПЭС уже давно окупила себя. Сегодня ее электричество стоит всего 1,8 цента за киловатт-час. Это в полтора раза дешевле энергии, получаемой на столь популярных во Франции АЭС.
Понятное дело, в СССР партийное руководство, едва узнав о затее французов, тут же дало команду советским ученым дать им достойный ответ. Что и было сделано. Место выбрали для возведения ПЭС самое что ни на есть удачное: в 90 км от Мурманска, в Кислой губе. 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 недостатком было то, что располагалась ПЭС вдали от других промышленных объектов. Да и дорог к ней нормальных не было.
Для быстрого возведения конструкторы под руководством инженера и изобретателя Льва Бернштейна придумали способ строительства, который сейчас называется «наплавным». Он применяется практически везде, где требуется возвести крупное водное или подводное сооружение. Здание размером 36 на 18 метров 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 сооружение вплавь отбуксировали по месту службы.
Но, несмотря на такое ноу-хау, французы все равно опережали наших гидростроителей. Когда стало ясно, что за ними не угнаться, партноменклатурщики оперативно объявили проект «технической ересью», подлежащей немедленному замораживанию. Стройка застыла на год, и лишь публикация в газете «Известия» статьи «Наказанная проблема» заставила пересмотреть абсурдное решение и выделить средства на завершение строительства. Станцию открыли в 1968 году. На ней была установлена всего одна турбина диаметром лишь 3,3 метра и мощностью 400 киловатт, к тому же французского производства.
И все же эта ПЭС принесла миру ничуть не меньше пользы, чем ее «конкурентка» на Рансе. Она стала одной из ведущих мировых экспериментальных площадок по отработке новых технологий приливной энергетики. Например, разработка ортогональной турбины, работающей при любом направлении потока. Такие турбины уже давно применялись в ветроэнергетике, но для приливной оказались малоэффективными. Разработанные в середине 80-х годов в Канаде и Японии проекты-прототипы имели слишком низкий КПД (около 40%), и в итоге идею забросили. Но тут в российском НИИ энергетических сооружений смогли найти оптимальные очертания камеры и лопастей ортогональной турбины и подняли КПД до 70%.
Что там впереди?
После французской и советской ПЭС долго еще никто в мире не отваживался на столь амбициозные проекты. Лишь в 1984 году на энергию приливов покусилась Канада. В 2003 году обзавелись своими ПЭС Великобритания и Норвегия. В 2008-м у берегов Северной Ирландии англичане вводят в строй еще одну ПЭС. О своем желании оприходовать энергию приливов заявили Южная Корея, Аргентина, Индия. Но все же французский первенец остается до сих пор самым мощным среди собратьев. На 240 мегаватт так никто и не посягнул.
Сегодня, когда мировой кризис сделал привлекательными самые смелые, вчера еще казавшиеся многим несуразными проекты альтернативной энергетики, сильные мира сего сразу зауважали ученых и кинулись мести по их сусекам. И много чего нашли крайне удивительного.
Оказалось, что в России еще в советские времена были полностью просчитаны такие грандиозные проекты, что только ахнешь. Так, на Охотском море, воспользовавшись таким уникальным наследием, теперь планируют построить Тугурскую 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 кв. км – в 120 раз больше, чем на Рансе. Стоимость проекта – 12 миллиардов долларов. В мире есть еще ряд проектов сопоставимого масштаба. В Англии, на реке Северн, где высота прилива составляет 8 метров, планируется построить ПЭС мощностью 8,6 гигаватта с площадью бассейна 450 кв. км. Индия предполагает отгородить 1970 кв. км в Камбейском заливе с семиметровыми приливами и получить мощность 7 гигаватт. Столько же собирается получить и Аргентина, которая присмотрела место для ПЭС в устье реки Уругвай, где высота прилива достигает шести метров.
Но все эти планы кажутся детской эабавой 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 кв. км она может выдавать 87 гигаватт мощности. Украины в числе дерзких и умелых нет.
Подготовил Николай Сиряк.