Energy Matters: Приливные электростанции (ч. 1). Прогулки вокруг бухты Суонси.

Во время своего недавнего визита в Суонси Дэвид Кэмерон сказал:
«С того момента, как я услышал о проекте (Суонси-Бэй, приливная станция), мне всегда хотелось изучать его, потому что, похоже, у него есть настоящий потенциал преобразования для Суонси — это, очевидно, и энергетическая сторона - чистая, зелёная энергия, а также возможные рекреационные и экономические преобразования. Меня волнуют проекты, которые действительно могут изменить [мир]

Приливная генерация - это технология, которую Energy Matters не изучила подробно, поэтому я кратко рассмотрю её потенциал как источник энергии (я игнорирую его рекреационные преимущества), используя бухту Суонси и готовящиеся крупные проекты приливных станций, которые планируются последовать за ним, в качестве примеров того подхода, которому, по-видимому, обречена следовать Великобритания. Является ли этот подход действительно преобразующим? Или это просто ещё одна мечта о зелёной трубе, ведущей в никуда?

Приливная станция Бухта Суонси  с искусственной лагуной

Компания «Tidal Lagoon Swansea Bay plc» разрабатывает 320-Мвт проект по приливной станции в заливе Суонси. Компания стремится начать строительство в первой половине 2015 года с первой выработкой электроэнергии во второй половине 2018 года. Проект Swansea Bay является первым из ряда проектов приливных станций, подготовленных разработчиком Tidal Lagoon Power plc (TLP), с пятью последующими полномасштабными станциями на разных этапах разработки, которые могут быть введены в эксплуатацию к 2023 году. TLP предполагает, что общая потенциальная выработка электроэнергии из этого ряда станций может соответствовать или превышать 25 ТВтч в год , <...> что эквивалентно примерно 8% спроса на электроэнергию в Великобритании».

 

(Пять последующих станций на разных этапах развития - Кардифф, Ньюпорт, Западная Камбрия, Колвин-Бэй и залив Бриджвотер).

Что мы знаем о проекте Swansea Bay Tidal Lagoon? Первое, что в качестве самостоятельного проекта он не является ни эффективным, ни экономически выгодным. При установленной мощности 320 МВт и годовой выработке 495 ГВтч он имеет коэффициент загрузки (КИУМ) всего 18%, что примерно вдвое меньше, чем у офшорной ветрогенерации. В отчете Poyry говорится, что капитальные затраты составляют 913 миллионов фунтов стерлингов (2,853 долларов США/кВт), стоимость электроэнергии на уровне 150 фунтов/МВт-ч и цена исполнения в 168 фунтов/МВт-ч, что намного выше, чем цена исполнения в Хинкли-Пойнте (92,50/MWh) , Однако цена исполнения, по прогнозам, снизится до паритета с Хинкли для гораздо более крупного Lagoon 3, который планируется ввести в эксплуатацию в 2023 году.
Есть также вопросы относительно того, являются ли эти оценки реалистичными. Недавняя оценка проекта Томасом А. Аткинсом предполагает, среди прочего, то, что выработка электроэнергии завышена на 25%. Если это так, коэффициент загрузки снижается до 13,5%, а уровень цен и цена исполнения значительно возрастут.

Однако более фундаментальной проблемой является регулируемость (диспетчеризация). С солнечной и ветровой генерацией мир имеет обилие прерывистой нетрадиционной возобновляемой энергии, но интеграция больших её объемов в энергосети создает серьёзные проблемы. То, что действительно нужно миру, это источник регулируемой возобновляемой энергии, которая может использоваться в качестве базовой нагрузки или балансирующей нагрузки. Может ли приливная генерация это обеспечить?

В докладе, озаглавленном «Tidal Lagoon Swansea Bay, Введение в проект» говорится, что это возможно. Этот отчёт содержит карту, показывающую время прилива на различных участках, отобранных Tidal Lagoon Power plc вокруг береговой линии Великобритании, часть которой воспроизводится ниже, как показано на рисунке 1. Подпись под картой содержит следующее утверждение: «Разница во времени приливов вокруг Великобритании создает потенциал для генерации базовой энергонагрузки (равномерной) с помощью сети приливных станций».

Рисунок 1: Места в Великобритании, отобранные Tidal Lagoon Power plc как имеющие потенциал к размещению приливных станций.
Но так ли это?

Чтобы оценить это смелое утверждение, мы должны сначала взглянуть на то, как проект Swalsea Bay Tidal Lagoon будет генерировать энергию. Приливы в Великобритании полусуточные, что означает, что в сутки есть два прилива и два отлива. На рисунке 2 показаны приливы в Суонси в течение 24-часового периода приблизительно 20 марта 2015 года (данные времени приливов Суонси). Величина прилива 10,4 м в течение этого периода является типичной для Суонси:

Рисунок 2:приливы в бухте Суонси, 24-часовой период около 20 марта 2015 г.

Рисунок 3, также воспроизведённый из отчёта по проекту, показывает, как будет генерироваться энергия. На каждом отливе вода сохраняется в лагуне и высвобождается, когда уровень воды относительно уровня моря за пределами лагуны достигает оптимального значения, и при каждом приливе то же происходит в обратном порядке (обратите внимание, как повторяется утверждение относительно генерации базовой нагрузки в подписи к рисунку):

Рисунок 3: 48-часовая последовательность производства энергии, генерируемая в приливной искусственной лагунной станцией Tidal Lagoon Swansea Bay, введение в проект.

Результат можно рассматривать как волну, в которой в среднем 3½ часа идет генерация с последующим 2½ часовым периодом без генерации. Это дает четыре всплеска приливной энергии в день, с отсутствием генерации между ними, как показано схематически на рисунке 4:

Рисунок 4: Ежедневная генерация относительно приливного цикла, бухта Суонси, с использованием данных прилива 20 марта 2015 года.

Этот цикл включения-выключения действительно можно сгладить, объединив его с генерацией приливной станции равной мощности, где приливной цикл смещён на три часа относительно Суонси. Для предотвращения всплесков потребуется тонкая настройка, но это не должно создать слишком много трудностей.
Но вот проблема. Рисунок 5 представляет собой  гистограмму, показывающую разницу во времени прилива для каждой из 66 возможных парных комбинаций из 12 сайтов, для которых времена приливов приведены на рисунке 1. Нет двух сайтов, где разница составляет три часа или хотя бы четыре часа. Различия группируются вокруг нуля и шести часов, что означает, что объединение результатов с любых двух сайтов или группы сайтов будет скорее подчеркивать, чем сглаживать прерывистую подачу энергии:

Рисунок 5: Гистограмма различий во время приливов для всех 66 возможных парных комбинаций 12 потенциальных мест приливных лагун (станций), отобранных Tidal Lagoon Power.

Наибольший интерес представляет то, как будет выглядеть комбинированная генерация Бухта Суонси и пяти других предлагаемых проектов приливных лагун при работе на полную мощность (30 трлн. Ч/год). На рисунке 6 показана кривая дневной генерации из шести проектов. Это так далеко от обеспечения базовой нагрузки сети, как только возможно. (Я оценил мегаватты, предположив, что генерация из каждой лагуны пропорциональна площади лагуны и факторизует результаты, так что общая генерация равна среднесуточной генерации (30TWh/365=82 GWh):

Рисунок 6: Объединенная ежедневная генерация из залива Суонси и пять других предлагаемых приливных лагун, работающих на полную мощность, с использованием данных прилива 20 марта 2015 года для Суонси

Разумеется, с более удачным выбором станций-лагун можно было бы объединить результаты нескольких станций в нечто более похожее на генерацию базовой нагрузки. Но это не может быть сделано с местами, отобранными Tidal Lagoon Power plc. Тот факт, что компания Tidal Lagoon Power plc не признала это, можно только вежливо назвать случайным недосмотром.
И дальше всё становится хуже...

На рисунке 7 показаны приливы Суонси в течение всего месяца марта 2015 года. Диапазон приливов варьируется от 10,4 м во время сизигийных приливов до 3,5 м во время квадратурных приливов, и эти вариации в генерации не могут быть сглажены путем объединения генерации разных станций, поскольку сизигийные и квадратурные приливы определяются орбитами Солнца и Луны относительно Земли и происходят раз в две недели повсюду одновременно:

(комментарии переводчика:

• Spring tide - Сизигийный прилив— наибольший прилив, когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют вдоль одного направления (такое положение светил называется сизигией).
• Neap tide - Квадратурный прилив— наименьший прилив, когда приливообразующие силы Луны и Солнца действуют под прямым углом друг к другу (такое положение светил называется квадратурой )

Рисунок 7: приливы бухта Суонси, март 2015 г.

Изменения в генерации пропорциональны, но намного больше, чем изменения в силе приливов, поскольку энергия, вырабатываемая турбинами, является функцией с более высоким коэффициентом зависимости. Насколько высокий этот коэффициент, зависит от ряда факторов, но он, вероятно, будет где-то между квадратом и кубом от силы приливов, поэтому я использовал их как верхний и нижний предельные случаи. Применяя их к диапазонам приливов в марте 2015 года, Суонси дает результаты, показанные на рисунке 8, где в течение марта 2015 года отображается куб и квадрат силы приливов для каждого из 119 циклов приливов и отливов: (Обратите внимание, что шкалы скорректированы так, чтобы средние значения отображались в одном и том же месте по шкале Y и что график отображает общую генерацию в течение каждого ~6-часового цикла прилива или отлива. Результат во время каждого из этих циклов будет состоять из 3½ часов генерации, за которым следует 2½ часа без генерации, как показано на рисунке 4.)

Рисунок 8: Цикл генерации приливной энергии, как кубическая функция от силы прилива (красный) и квадратичная (синий), Бухта Суонси с использованием данных о приливах в марте 2015 г.

Рисунок 9 преобразует данные на рисунке 5 в МВт-ч, так что общая генерация в марте соответствует среднемесячной генерации 42 000 МВт-ч от залива Суонси (495 000 МБт в год, 31 раз в 31 год). Заметим ещё раз, что итоговые суммы поколений предназначены для 6-часовых циклов прилива и не показывают ежедневных колебаний:

Рисунок 9: Рисунок 9 Данные энергии приливов бухты Суонси преобразуются в мегаватты. Кубическая функция = красный, квадратичная функция= синий

Как обсуждалось выше, мы не можем сгладить эти колебания, объединив результаты с разных станций. Мы можем это сделать только путем хранения энергии для последующего использования. Итак, сколько мощности хранения нам нужно? Чтобы сгладить выработку станции бухта Суонси до такой степени, что она обеспечивает постоянную базовую нагрузку, нам потребуется около 7,5 ГВтч для квадрата квадратичной функции от силы приливов и около 11,7 ГВтч для варианта с кубической функцией (обратите внимание, что нам нужно рассматривать только более высокий пик во второй половине месяца). Короче говоря, нам  понадобится ещё один гидроаккумулятор, спроектированный Dinorwig (9,1 ГВтч). И строительство другого аккумулятора Dinorwig для проекта, который генерирует всего 495 ГВт/год, явно нежизнеспособно.

Но это расчёт только для проекта Бухта Суонси. Как будет выглядеть полномасштабный набор из всех указанных приливных станций на 30 ГВт/год, если учитывать полусуточные и внутримесячные колебания? Рисунок 10 дает мою оценку. Чтобы сделать его более читаемым, фигура охватывает только период с 19 марта по 28 марта 2015 года, т. е. пик и задний фронт цикла, показанного на рисунке 4, цикл, который повторяется один раз в каждый лунный месяц (29,5 дней).

Сделаны следующие допущения:

• Была объединена генерация станции Суонси и пяти станций, которые в настоящее время находятся на рассмотрении в целях развития (Кардифф, Ньюпорт, Западная Камбрия, Колвин-Бэй и Бриджуотер-Бей);
• Сигизийные-квадратурные колебания взяты с рисунка 9;
• Учитываются внутрисуточные колебания, показанные на рисунке 6;
• Генерация в мегаваттах учтена в соответствии с суммарной выработкой энергии приливов в течение десяти дней (240 часов/8760 часов, 30 TWh годовой генерации=0,82 TWh).

Кривые спроса и генерации энергии ветра взяты от Gridwatch:

Рисунок 10: Комбинированная генерация из залива Суонси и пяти других предлагаемых приливных станций, работающих на полную мощность, с использованием данных приливов Бухта Суонси на период с 19 по 28 марта 2015 года. Для сравнения добавлена ветрогенерация.

Всё, что можно сказать в пользу графика генерации приливной энергии, является то, что она предсказуема. А вот как источник энергии базовой нагрузки даже ветер выглядит предпочтительней.

Наконец, сколько потребуется аккумулирующих мощностей для преобразования энергии прилива, созданной в течение этого периода, в генерацию базовой нагрузки, чтобы она могла на равных конкурировать с ядерной энергией, как утверждают некоторые её сторонники? Это получается примерно в 500 ГВт-ч, в 15 раз больше, чем в текущие гидроаккумулирующие мощности Великобритании, или, если вам нравится, пять миллионов 100 кВт-ч промышленных аккумуляторных батарей Tesla. И даже при таком большом количестве аккумулирующих систем это всего около 8% от общего спроса на электроэнергию в Великобритании.

Теперь мы в состоянии ответить на вопрос, поставленный в начале этого поста; сила прилива действительно революционная и прогрессивная, или это просто ещё одна мечта о зелёной трубе, идущая в никуда? Ясно, что последнее, хотя это, конечно, не означает, что политики не собираются следовать за этой мечтой.