Ученые разработали первую карту волновой энергии России. Оказалось, что наиболее «мощные» моря расположены в северной части Тихого океана: здесь можно получать количество энергии, сопоставимое с тем, что дают самые крупные электростанции мира. О том, какие волны рождаются и живут в наших морях, а также о видах России на «энергетический урожай», «Огоньку» рассказал старший научный сотрудник кафедры океанологии географического факультета МГУ Станислав Мысленков.
— Станислав Александрович, какова цель создания веб-атласа волновой энергии морей России?
— Основная идея — развитие возобновляемой энергетики. Начиная с первых водяных мельниц человечество пытается использовать энергию природы, так что, по сути, тут ничего нового нет. Во всем мире растет интерес к получению электричества из энергии солнца и ветра. Многие страны Европы уже выполнили программы, согласно которым к 2020-му они должны были получать 20 процентов электроэнергии при помощи возобновляемых источников. В Германии на эти показатели вышли даже с опережением графика. Поэтому во всем мире ученые проводят исследования, чтобы понять, где именно и какое количество энергии можно получить, как она распределена по сезонам и так далее.
Благодаря этим знаниям можно выяснить, где правильно разместить генераторы и какие комбинации разных источников энергии оптимальны. В этом смысле изучение потенциала волновой энергии — одно из самых интересных направлений. Региональные атласы волновой энергии есть у многих стран, которые заняты развитием возобновляемой энергетики. А вот в России до сих пор подобного атласа не было, хотя для нас это было бы очень актуально, ведь общая протяженность морских границ России составляет почти 40 тысяч километров.
— Можете сказать, возобновляемую энергию какого типа изучать проще?
— Я полагаю, солнечную. Потому что количество солнечной энергии зависит от широты местности и сразу понятно, что на экваторе солнца больше, чем в средней полосе. Правда, необходимо еще учитывать облачность, что несколько усложняет расчеты. Ветровая энергия распределяется совершенно по-другому, есть, например, районы пассатов, где сильные ветры дуют регулярно, есть ревущие 40-е широты, где ветер есть круглый год, а есть районы, где практически все время штиль.
— А что такое волновая энергия и насколько сложно вырабатывать из нее электричество?
— Волновая энергия возникает, когда ветер передает импульс волнам. Регионы, где волновые электростанции можно потенциально успешно развивать,— это любые побережья, где есть стабильные сильные ветра и, следовательно, волны. Это в первую очередь западное побережье Европы, Британские острова, берега Тихого океана в Северной и Южной Америке, Новой Зеландии и Австралии, а также Южная Африка.
Энергию волн можно преобразовывать в электричество, и сегодня работает уже очень большое количество различных установок. Практический интерес к волновой энергии возник после нефтяного кризиса 1970-х, и в 1985 году в Норвегии появились две опытно-промышленные волновые электростанции. Но есть и немало сложностей. Море — среда агрессивная, соленая вода разъедает установки, и поэтому генератор должен быть надежно защищен от проникновения воды, а также быть достаточно прочным, чтобы выдержать экстремальные штормы. Также нужно обеспечить надежность системы, по которой энергия будет подаваться на берег к потребителю.
— Какие страны наиболее активно осваивают это направление сегодня?
— В первую очередь, Великобритания, Португалия, Австралия и США. Так как Великобритания находится на островах в Северной Атлантике, то там в течение года происходит очень много штормов и волны очень большие. Здесь уже более 15 лет создают и тестируют различные конструкции генераторов. Здесь у берегов Корнуолла находится одна из крупнейших на сегодня в мире волновых электростанций «WaveHub» мощностью в 20 МВт. Она расположена в море на расстоянии 16 километров от берега. Мощную волновую электростанцию собираются запустить в США. Она представляет собой огромный буй весом 826 тонн, который преобразует энергию волн в электрическую. Предполагается, что он будет генерировать около 1,25 МВт энергии, обеспечивая электричеством населенный пункт, где проживает около 18 тысяч человек.
— А что у нас в стране?
— Мы относимся к числу стран, которые хотели бы заниматься волновой энергетикой, но сталкиваемся с рядом сложностей.
Например, в хорошо изученном, вполне доступном Черном море волновой энергии довольно мало, потому что там слабые ветры и штормы случаются редко. А северные моря, наоборот, сложно осваивать с точки зрения инфраструктуры и элементарной географической доступности.
— Считается, что в России первый экспериментальный волновой генератор начал работать в 2014 году в Приморском крае на морской экспериментальной станции Шульца на полуострове Гамова. Он работает сейчас?
— Вообще, у нас было несколько проектов экспериментальных волновых генераторов, однако успешно работающих промышленных установок на данный момент нет. Но разработки активно ведутся, наши инженеры работают над этой задачей, уже получено много патентов в этой области. Однако для производства установки, ее тестирования необходимы большие инвестиции, которых пока нет...
— Насколько дороги такие технологии сегодня?
— Стоимость волновых генерирующих установок пока довольно высока — порядка 1 млн рублей для генератора 3 кВт, по сравнению с ветровыми и солнечными это существенно дороже. Тем более еще нет промышленного производства таких установок, только опытные образцы.
— Когда вы говорите, что в морях много или мало энергии, это как вычисляется? О каких вообще величинах идет речь?
— По мнению экспертов, волновая энергия Мирового океана может удовлетворить не менее 20% энергетических потребностей человечества. Вообще же, есть такое понятие как мощность, которая измеряется в киловаттах. У волны энергии намного больше, чем у ветра, просто потому, что плотность воздуха меньше, чем воды. Если у воздуха это примерно 1,2 грамма на килограмм, то у воды почти в тысячу раз больше. И если на вас воздействует поток воздуха объемом 1 кубометр и такой же поток воды, то вы очень наглядно почувствуете разницу в их мощи. Так вот, если, например, высота волны около метра, это даст 1 кВт энергии на метр фронта волны, когда высота волны 2 метра, будет уже 4–5 кВт, и так далее.
А теперь сравните. Если взять солнечную панель площадью квадратный метр, то днем в Москве вы будете получать в среднем 200–300 Вт. А ночью этой энергии вообще не будет. В северных районах показатели еще ниже. С ветровой энергией сложнее, так как формально надо учитывать только площадь ветровой установки: например, стандартное большое ветроколесо имеет диаметр 100 метров, однако ветер дует с разных сторон, ветроколесо должно поворачиваться всегда против ветра, и по факту получается большая площадь отчуждения.
— Тысячи киловатт энергии хватит, чтобы запитать прибрежный поселок?
— Давайте посчитаем. Потребление энергии у дачных домов порядка 5 кВт летом и 7 — зимой. То есть одной установки на 1000 кВт хватит для обеспечения энергией 100 домов. Если взять Баренцево море, то мы имеем на побережье в среднем 5–10 кВт с 1 метра, следовательно, длина установки должна составлять 100–200 метров. Если же, как предлагают некоторые современные проекты, в каком-то месте океана поставить цепь установок протяженностью 100–200 км, то они вполне могут сравниться с самыми мощными гидроэлектростанциями. Скажем, с Саяно-Шушенской ГЭС у нас на Енисее или с ГЭС «Три ущелья» в КНР — она расположена на реке Янцзы и производит порядка 22,5 ГВт. Это, кстати, не только самая мощная гидроэлектростанция в мире, но и самое большое по массе сооружение, созданное человеком.
Так что величины сопоставимы, и когда мы решим ряд технических проблем, то получим фактически неисчерпаемый источник чистой энергии. В том, что это получится, я не сомневаюсь, ведь человечество смогло обуздать даже атомную энергию.
— Как долго вы создавали российский атлас волновой энергии?
— Мы начали работу еще в 2010 году в рамках мегагранта «Оценка природных катастроф в прибрежной зоне морей России» под руководством немецкого океанографа Питера Колтерманна, который тогда заведовал лабораторией природных рисков географического факультета МГУ. Затем мы продолжили работу, получая гранты на изучение ветрового волнения разных акваторий.
— Как вы создавали атлас?
— Сложность в том, что волновая энергия очень изменчива во времени и пространстве: грубо говоря, с утра был штиль, а в обед уже шторм. Поэтому, чтобы посчитать среднее количество возникающей энергии в одной точке, нам нужно иметь данные за много лет. Для этого мы брали ретроспективные данные о скорости ветра за 30–40 лет, а затем получали параметры волновой энергии при помощи математических моделей и суперкомпьютеров. К сожалению, в мире крайне мало точек, где инструментальное измерение параметров волн проводится продолжительное время. Поэтому здесь единственный вариант — математические модели, которые позволяют получить данные на определенной сетке с высоким разрешением по пространству и времени. Чтобы проводить такие расчеты, нужны достаточно большие компьютерные мощности, а у нас в МГУ такие суперкомпьютеры есть. С их помощью мы моделируем распространение волн за длительный промежуток времени и, по сути, получаем анимацию, смотрим, как зарождаются штормы, как они перемещаются, взаимодействуя друг с другом, как затухают.
— В Атласе есть данные по 9 из 12 российских морей. Какие из них обладают большим потенциалом по волновой энергии, а какие с этой стороны не столь интересны?
— В России наибольшая энергия сосредоточена на севере и востоке, в первую очередь, это Берингово, Охотское и Баренцево моря, что связано в первую очередь с силой ветра: ведь волны рождаются ветром. Но чтобы образовались действительно большие волны, сильный ветер должен дуть долго и желательно не меняя направления. Однако на всех морях ветровые условия различны. Например, в Баренцево море приходят циклоны и большая океанская зыбь из Атлантики, на Дальнем Востоке и летом, и зимой дуют сильные ветры — муссоны. А в Берингово море приходят отголоски мощных тайфунов и страшных ураганов, которые развиваются в Тихом океане. Там рождаются очень большие волны, и энергия, проникающая в наши моря, очень велика, соответственно, и большие показатели по волновой энергии.
— А где у нас самые слабые волны?
— Самые слабые показатели у Черного, Каспийского и Балтийского морей. Эти моря относятся к внутренним, они сообщаются с Мировым океаном через узкие проливы, через которые энергия пройти уже не может (а Каспийское море вообще не имеет связи с океаном). Ну и ветровые условия в этих морях более мягкие.
— В атласе нет моря Лаптевых, Чукотского моря и Восточно-Сибирского.
— Это у нас в разработке, их отложили во вторую очередь, потому что эти моря больше половины года покрыты льдом. Соответственно, когда моря замерзают, ветры продолжают дуть, но волновой энергии там нет. Мы их добавим в следующем году.
— А как давно у нас вообще ведется наблюдение за ветровым волнением?
— В Советском Союзе активные исследования, связанные с изучением высоты волн и других параметров, велись примерно с 1940–1960-х годов — тогда исследовать морское волнение стали во всем мире. В России же такие работы начались благодаря известному ученому, океанологу Василию Шулейкину. Он стал одним из первых заниматься изучением теории ветровых волн. Василий Владимирович проводил также измерение скорости ветра, измерение высоты волн и еще в 1950-е и вывел первые эмпирические зависимости — какой высоты будет волна при определенной скорости ветра.
При Василии Шулейкине была создана Черноморская гидрофизическая станция в поселке Кацивели, где проводили целый ряд уникальных работ. В частности, моделировались варианты создания ГЭС на приливных морях, теоретически и экспериментально изучались уникальные скоростные возможности дельфина, что могло оказаться важным при проектировании надводных и подводных кораблей, регистрировались инфразвуковые колебания, возникающие в атмосфере при обтекании ветром взволнованной поверхности воды. И именно здесь у нас установили первые приборы по измерению параметров волн.
— Сегодня такие измерения ведутся везде?
— Целенаправленной программы для длительных измерений параметров волн во всех морях у нас, к сожалению, нет. Для этого нужно достаточно дорогостоящее оборудование, на которое из-за общего положения науки у нас в стране денег нет.
— Насколько связано развитие вашей работы с научным флотом?
— Сегодня это мало связано, потому что в основном нам нужны суперкомпьютеры для моделирования и данные океанских буев, которые собирают самую разную информацию. А вот с этим пока большие проблемы, потому что такие приборы стоят порядка 3–5 млн рублей, и они у нас в единичном количестве. Чтобы вы понимали, подобная работа — задача Росгидромета, который обслуживает метеостанции, устанавливает оборудование и делает все измерения, которые ученые потом могут использовать для научных работ. Но оснащение Гидрометеослужбы и зарплата сотрудников в этом ведомстве пока оставляют желать лучшего.
— Когда, по вашим предположениям, ваш атлас понадобится в России с практической точки зрения?
— Атлас может использоваться уже сегодня, потому что помимо перспективной волновой энергии там есть данные по энергии ветра. Иными словами, перед тем как покупать ветровую установку за миллион рублей, вы можете посмотреть по карте, где дуют более сильные ветры и сколько электроэнергии там можно получить.
— И какие регионы у нас самые перспективные в этом отношении?
— Балтийское побережье, Мурманск, та же Териберка. В Черноморском регионе максимальные скорости ветра в районе Керченского пролива и Тамани, хорошие ветры на Апшеронском полуострове, на побережьях Белого моря. Ну и очень много таких районов на Дальнем Востоке.
— Я спрашиваю, потому что в прошлом месяце была опубликована энергетическая стратегия РФ до 2030 года и там про альтернативную энергетику фактически ничего нет…
— Конечно, в России пока мы не можем говорить о конкуренции возобновляемой энергетики с традиционной углеводородной. Последняя значительно дешевле и, будет превалировать, судя по прогнозам, в ближайшие 30 лет.
Поэтому в России возобновляемые источники энергии, в том числе волновая, будет активно развиваться в труднодоступных регионах, например, летом на той же Чукотке, где, например, в некоторых районах электричества иногда нет вообще: туда невозможно протянуть ЛЭП, а завозить дизельное топливо для электростанций дорого и не всегда возможно. Поэтому развитие солнечных, ветровых и волновых станций для таких территорий — выход из положения. Это позволит не просто сделать приемлемой жизнь людей, но и дать людям работу, создавать предприятия и так далее.
