Изменчивый ветер

Foto Irina Baryshnikova

Ветер знает всё, что у тебя внутри.

Харуки Мураками «Токийские легенды»

На протяжении всей своей истории человечество пытается найти «идеальную энергию». Нефть, газ, уголь, ветер, солнце, атом... Поиски продолжаются. 

Во времена моего детства было принято считать, что будущее за атомом. Но авария на Чернобыльской АЭС сильно изменила мировоззрение многих. На сегодняшний день производство атомной энергии падает во всем мире кроме Китая.

Фокусима также не добавила оптимизма в данном вопросе. И какие бы сейчас аргументы не приводили сторонники атомной энергетики (и, надо сказать, иногда вполне разумные), каждый из нас был бы готов немного переплатить, чтобы не видеть АЭС из своего окна.

В реальном мире возобновляемая энергия дешевеет, тогда как строительство новых АЭС - весьма дорогое удовольствие, а многие стареющие станции убыточны. Помимо этого остается насущный вопрос ядерных отходов. На устранение последствий той же Фокусимы уже потрачено 40 млрд. долларов денег налогоплательщиков.

Но эта статья не о том, что атом - это «не путь». Вполне допускаем, что на следующем витке развития к нему еще могут вернуться. 

Но на сегодняшний день какого-то одного универсального решения просто не существует. Ведь помимо экономической целесообразности теперь приходится учитывать и экологические проблемы. И этот аспект очень значим. Возможно, без него вопрос об альтернативной энергетике еще долго волновал бы только ученых.

Итак, ветроэнергетика - отрасль энергетики базирующаяся на преобразовании кинетической энергии воздушных масс в атмосфере в электрическую (ветрогенераторы), механическую (ветряные мельницы), тепловую или в любой другой вид энергии.

Ветроэнергетика является бурно развивающейся отраслью. В 2014 году количество электрической энергии, произведенной всеми ветрогенераторами в мире, составило 706 тераватт-часов (и это около 3% всей произведенной за год электроэнергии). 

Конечно, это бесконечно мало, чтобы назвать «устойчивым трендом», но на «тенденцию» вполне тянет. 

И хотя 3% выглядит не очень внушительно, но нужно понимать, что не везде одинаково активно используют ветрогенераторы. Где-то пусто, где-то густо. Некоторые страны - настоящие лидеры в этом вопросе. В частности, в Дании с помощью ветрогенераторов производится 42% всей электроэнергии, в Португалии - 27%, в Никарагуа - 21%, в Испании - 20%, в Ирландии - 19%, в Германии - 8%. В Шотландии с помощью ветра получают электричества на 25% больше, чем потребляют все жилые объекты. В 2014 году 85 стран мира использовали ветрогенераторы на коммерческой основе. В ветроэнергетике занято более 1 млн. человек (в том числе 500 т. в Китае и 138 т. в Германии).

Из истории...

Бесспорно, люди очень давно "приспособили" для своих нужд именно ветер. Еще в 200-м году до н. э. в Персии существовали ветряные мельницы для размола зерна. В Китае откачивали воду с рисовых полей насосами, использующими силу ветра.

В XVI веке и в городах Европы начали строить водонасосные станции с использованием ветряных мельниц. В Нидерландах ветряные мельницы откачивали воду с земель в бесконечной битве голландцев с северным морем.

Для производства электричества ветряную мельницу впервые стали использовать в Дании (там же она и была изобретена). Первая была построена в 1890 году, а к 1908 году было уже возведено 72 ветроэлектростанции мощностью от 5 до 25 кВт. Это были по тем временам грандиозные конструкции: высота башен достигала 24 м, а диаметр лопастей 23 м.

Где-то с середины 40-х годов прошлого века интерес к ветру начал угасать. У мира было полно забот и без этого. К тому же другие источники электроэнергии бурно развивались в те годы и были лишены огромного недостатка ветрогенерации - зависимости от погоды.

Но после войны, «судного дня» и нефтяного кризиса 1973 года самые «продвинутые» опять вспомнили о ветре. Кризис продемонстрировал тотальную зависимость многих стран от углеводородов и заставил многих начать поиск снижения этой зависимости.

Как это работает?

Установить ветряную электростанцию где угодно не получиться. Для этой цели подходят только те районы, где наблюдаются постоянные сильные ветра. Но и здесь есть свои ограничения. Строительство электростанции будет эффективно, если средняя скорость ветра превышает 4,5 м/с.

Наиболее перспективными местами для установки ветрогенраторов являются прибрежные зоны. Дело в том, что воздушные потоки у поверхности земли (или моря) турбулентны. 

Турбулентность - это явление, связанное с образованием в потоке воздуха (в нашем случае) большого количества нелинейных и линейных  волн различных размеров. В простанародье мы называем это «завихрениями». Этот эффект заметен до высоты 2 км, но резко снижается на высоте уже 100 м. Таким образом, генератор необходимо располагать выше этого слоя, что позволяет увеличить диаметр лопастей.

Мощность ветрогенератора напрямую  зависит от площади лопастей. На сегодняшний день турбины класса 1,5 - 2,5 МВт занимают около 80% рынка.

Самый мощный на сегодня генератор был построен компанией Enercon. Его мощность составляет 6 МВт, высота башни 124 м и диаметр ротора 114 м.  Правда датская компания Vestas с 2014 года тестирует новую турбину мощностью 8 МВт. Судя по всему, она и станет самой мощной турбиной в ближайшее время.

Ветрогенератор начинает производить ток при скорости ветра 3 м/с и отключается при ветре более 25 м/с. Максимальная мощность достигается при скорости ветра около 15 м/с.

Существует устойчивое заблуждение, что ветровые турбины работают лишь малую часть времени. На самом деле генераторы производят ток 65-80% времени. Время от времени изменяется выдаваемая мощность.

Колебания скорости ветра приводят к тому, что производство максимальной мощности осуществляется лишь 10% времени. В итоге среднегодовое производство электричества составляет около 30% от номинальной мощности. Для станций на ископаемых источниках энергии этот показатель находится в интервале от 0,4 до 0,8.

Экономика

Основную часть стоимости электроэнергии, вырабатываемой ветряной электростанцией, составляют первоначальные затраты на строительство (приблизительно 1 кВт установленной мощности обходится в 1000 $).

В процессе работы ветряные генераторы не потребляют ископаемого топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет работы позволяет сэкономить около 29 тысяч тонн угля или 92 тысячи баррелей нефти. На самом деле не очень впечатляет. Пока. 

Но если мощность всех ветрогенераторов в настоящее время порядка 380 ГВт (380000 МВт), то уже сейчас ветер заменяет примерно 4,8 млн. баррелей в день (дневная добыча порядка 90 млн. баррелей в день).

Подсчеты «на пальцах», но порядок понятен. Однако дело даже не в экономии ископаемого топлива. Ветрогенератор мощностью 1МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 тонн СО2, 9 тонн SO2, 4 тонн оксидов азота. 

Себестоимость электроэнергии от ветряных электростанций сильно зависит от скорости ветра: как подует, так и будет стоить кВт*ч для потребителя.

Сегодня ветровая энергетика дает электричество такой же стоимости, как и новые станции, работающие на обычном топливе. Разница в гораздо больших капитальных затратах.

Еще одним экономическим преимуществом ветряных электростанций является то,  что вблизи них нет нужды обустраивать «мертвую» зону, как около других станций. Вся земля может использоваться в сельскохозяйственных целях, что, в принципе, и происходит обычно.

Говоря об экономики ветряной генерации, нельзя не сказать про так называемый «зеленый тариф». Это и политический, и экономический механизм, предназначенный для стимулирования развития отрасли. В него входят гарантия подключения к сети (а это важно, сеть не любит ветер); долгосрочный контракт на покупку всей произведенной электроэнергии и надбавка к стоимости электроэнергии (надбавка обычно выплачивается достаточно продолжительное время - 10-25 лет и гарантирует возврат вложенных в проект средств). 

Идея возникла в США еще в 1978 году. Цель была проста - энергосбережение и развитие новых видов энергетических ресурсов.

На сегодняшний день более 50 стран приняли аналогичные законы, касающиеся выработки электроэнергии при помощи зеленых тарифов.

Лидеры отрасли

Ветроэнергетика в Китае развивается очень бурно (а что не бурно развивается в Китае?). В 2016 году в Китае работало 158 ГВт ветряных электростанций, что почти 40% ветряных мощностей всего мира. Это покрывает 3,3% общих потребностей страны в электричестве. Так что Китай занимает уверенно первое место по количеству установленных ветряных генераторов.

Китайцы подсчитали, что стоимость вырабатываемой электроэнергии будет ниже, если производить все оборудование в Китае. А что может остановить китайцев? Правильно, ничего. К 2010 году практически 100% строящихся ветряных турбин имели китайское происхождение. Крупнейшие на сегодняшний день производители этого оборудования в Китае - компании Sinovel, Goldwind и Dongfang.

Германия занимает третье место в мире по установленным мощностям (около 40 ГВт или 8% от электрических мощностей страны). Интересно, что к решению активизировать работу по внедрению ВИЭ Правительство Германии подтолкнула авария на Чернобыльской АЭС. На сегодняшний день в стране больше 25 тысяч ветряных турбин. 

Кстати,  четыре из пяти крупнейших производителя ветряных генераторов - компании из Германии (Enercon, REpower Systems, Fuhlander и Nordex AG).

Дания была пионером в развитии ветроэнергетики, лидером и осталась. Датские компании Vestas и Siemens Wind являются одними из крупнейших на рынке ветрогенераторов, занимая около 40 % рынка. 99 % своей продукции эти компании отправляют на экспорт.

42% от всего потребляемого электричества в Дании  обеспечивает  ветер. Кроме этого, Дания лидер в офшорной ветроэнергетике (когда ветряные генераторы устанавливаются непосредственно в море). 

Недостатки

А теперь о самом интересном. Почему? Да потому что очень много споров по поводу ВИЭ вообще и ветряной энергетики в частности сейчас происходит. И, надо признать, что у скептиков достаточно сильные аргументы.

Вот самый важный, наверное, момент. Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Она очень сильно зависит от скорости ветра - фактора, который находится «вне зоны нашего влияния». Неравномерность. Вот слово, которое отпугивает многих, когда речь заходит об энергии ветра. 

Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в сеть отличается большой неравномерностью. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородную нагрузку, введение одной нестабильной системы в другую нестабильную систему способствует еще большей дестабилизации. Поэтому в энергосистеме должны присутствовать источники энергии, сглаживающие колебания выработки энергии ветряными электростанциями. Это «особенность» сильно повышает себестоимость ветряного кВт*ч.

Проблемы в энергосистеме начинаются, если доля «ветра» в них начинает превышать 20-25%.

Эта проблема частично отступает, если ветрогенераторы находятся непосредственно рядом с потребителями и подключены к местным энергосетям.

Помимо этого нужно заметить, что еще одной проблемой является ремонт ветрогенератора или замена крупной детали. На высоте более 100 метров это становится сложной и весьма дорогостоящей задачей.

Есть еще ряд трудностей, связанных с экологией. Дело в том, что ветрогенераторы изымают часть кинетической энергии движущихся воздушных масс, что приводит к снижению скорости их движения. При массовом использовании ветрогенераторов это замедление, теоретически, может менять локальные (и даже глобальные) климатические условия. А отбор энергии ветра может привести к изменению влажностного режима прилегающих к ветряной электростанции территорий.

Другая проблема - это шум. Шум, производимый ветряными генераторами делится на механический и аэродинамический. В непосредственной близости от ветрогенератора уровень шума может превышать 100 дБ (болевой порог для человека составляет 120дБ). На расстоянии 350 м уровень шума снижается до 35-45 дБ, что соизмеримо с шумом от проезжающего автомобиля. В некоторых странах существуют ограничения на уровень шума от ветрогенераторов.

Еще одна неприятность от ветрогенераторов - это низкочастотные вибрации. До 60 метров стекла в домах дрожат. И поэтому тоже строить что-то ближе 300 метров в некоторых странах запрещено.

Если углубляться, то у противников ветряной генерации есть еще много претензий - это и зона «мерцания тени», и помехи для радио- и телесигналов,  и гибель популяции летучих мышей... Одним словом, много. Скорее всего, многие из этих вопросов решаемы. Деньги и желание вполне могут снять многие вопросы к ветрогенераторам уже в ближайшее десятилетие.

Перспективы

Здесь, конечно, у каждой страны свои «вершины». Так, бесспорный лидер Дания планирует 50% всей электроэнергии в 2020 году получать от ветрогенерации. Франция - построить к 2020 году ветряных электростанций суммарной мощностью 25000 МВт. Канада заявила о планах увеличить долю ветряной энергии до 20% к 2025 году. 

Россия пока ни о каких грандиозных планах не заявляла. Хотя, если учесть, что на сегодня за год наша страна производит столько же электричества на ветряных электростанциях, сколько Китай за 2 часа, то какими бы ни были планы, они будут слишком масштабными и мало выполнимыми.

Для того, чтобы ветряная энергетика заработала в полную силу, необходимо разобраться со всеми теми проблемами, о которых я говорила выше.

Так, например, один из самых существенных недостатков ветряной генерации - нестабильность. Для решения этой проблемы есть несколько вариантов решения. Уже сегодня с точностью 95% можно спрогнозировать почасовую выдачу энергии на сутки вперед. Это существенно улучшает надежность станции.

Кроме того ученые предлагают объединять в единую сеть удаленные друг от друга ветрогенераторы, чтобы сглаживать колебания ветра на различных участках.

Я не буду утверждать, что все просто. Ведь это не так. Но процесс идет, и остановить его уже достаточно трудно. Станет ветряная энергетика существенной частью нашей жизни или нет, покажет время. В любом случае, уже очень трудно игнорировать эту тенденцию. 

Кутняк Екатерина