Деньги из ветра

Ветровые фермы уже много лет активно строят по всему мир, как на суше, так и на воде. Ветрогенераторы вырабатывают порядка 2% всей мировой электроэнергии. Причем стоимость энергии, производимой ветром, во многих странах уже сравнима со стоимостью электричества, вырабатывемого ТЭЦ и ГЭС.

Возвращение к истокам

Человек издавна использует энергию ветра. Еще на заре цивилизации ее применяли в мореплавании. Считается, что древние египтяне ходили под парусами 5000 лет назад. Известные всем ветряки (крылья ветряной мельницы, прикрепленные к башне) обеспечивали работу ирригационной системы на древнем Крите. Работающие за счет ветра мельницы для помола зерна являются одним из наиболее крупных технических достижений средних веков. В XVI в. в городах Европы начинают строить водонасосные станции, в Голландии ветряки применялись для перекачки воды из низин и отвоеванных у моря земель и были основным средством для поддержания равнин незатопленными. В засушливых областях Европы ветряные мельницы использовались для орошения полей.

Первая ветрянная мельница для производства электрической энергии была изобретена во второй половине XVIII в. в США Чарльзом Ф. Брашем. К 1940 г. в Соединенных Штатах были построены более 6 млн ветряков, в основном для подъема воды и производства электроэнергии. Но с начала 50-х годов централизованная электрификация хозяйств приостановила рост и развитие ветряных турбин во всем мире почти на 20 лет, ведь обмолот зерна и подъем воды с помощью электричества оказались эффективнее. И только после того, как мир пережил несколько нефтяных кризисов, интерес к ветроэнергетике возобновился. Ведь ископаемые ресурсы тают на глазах. Как сообщается в ежегодном отчете компании ТНК-BP, запасов нефти при современных темпах ее добычи хватит на 40 лет, природного газа — на 60, каменного угля — на 200 с небольшим. Энергопотребление же в мире только растет, а значит, запасов останется на еще меньший срок, несмотря на внедрение новых технологий добычи ресурсов. Согласно данным SPE International (Society of Petroleum Engineers) сегодня ископаемое топливо является источником 80% энергии, производимой в мире, а энергопотребление увеличивается на 1,6% в год.

Чистое топливо

Ветер — практически идеальный источник энергии: неисчерпаемый, бесплатный и безотходный. Запасы энергии ветра более чем в 100 раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Ветряки не потребляют ископаемого топлива. Более того, работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет эксплуатации позволяет сэкономить примерно 29 тыс. т угля или 92 тыс. баррелей нефти. Он не загрязняет атмосферу. Такая установка сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 т углекислого газа, 9 т оксида серы, 4 т оксидов азота. По оценкам Global Wind Energy Council, к 2050 г. мировая ветроэнергетика позволит уменьшить ежегодные выбросы СО2 на 1,5 млрд т.

Необходимое условие установки ВЭС — достаточная среднегодовая скорость ветра (более 6—7 м/с). Как правило, это открытые территории, где круглый год дуют сильные ветры (равнины, морское побережье, мелководье). В последние годы технологии ветрогенераторов бурно развиваются, и принципы, по которым 20 лет назад строили ветряные фермы, уже считаются устаревшими. Новые разработки позволяют извлекать энергию даже в довольно безветреных районах.

В ближайшие годы большинство государств мира планируют значительно увеличить выработку энергии от использования ветроэнергетики. Так, правительство Канады предполагает к 2015 г. производить порядка 10% тока из энергии ветра, а Германия и Новая Зеландия к 2020 г. выработают по 20% электроэнергии с помощью ВЭС. Ветроэнергетический потенциал Великобритании через два года увеличится до 10%. К 2010 г. в ЕС ветрогенераторами будет производиться около 40 тыс. МВт, а к 2020 г. — 180 тыс. МВт. Установленные мощности Китая к этому времени вырастут до 30 тыс. МВт. Индия к 2012 г. построит 12 тыс. МВт новых ветроэлектростанций.

Перспективные инвестиции

Капиталовложения в строительство больших ветропарков в Европе составляют порядка $1 тыс. на 1 кВт установленной мощности. Ис каждым годом, по мере усовершенствования конструкций ВЭС (улучшаются их аэродинамика и электрические параметры, уменьшаются механические потери) и увеличения их мощности, затраты на единицу произведенной энергии снижаются. По данным British Wind Energy Association, в 2005 г. средняя стоимость 1 кВт, выработанного береговой ветряной электростанцией, составляла около 4,9 цента, а сегодня достигает 3,5—3,8 цента за 1 кВт.ч (10 лет назад этот показатель составлял 16 центов).

Себестоимость энергии, производимой ВЭС, уже сопоставима с ценой электроэнергии, вырабатываемой ТЭС и ГЭС. В 2006 г. в США электричество, производимое ветряными фермами, стоило 5,58 цента за 1 кВт, угольными ТЭЦ — 5,31 цента, газовыми — 5,25 цента. С учетом зеленых тарифов (за выработанное ВЭС электричество платят дороже, чем атомной или тепловой генерации), большого срока службы (порядка 20 лет) и отсутствия необходимости в частом техобслуживании капитальные затраты на строительство ВЭС довольно быстро окупаются.

Крылья и карусели

Исследование и эксперименты, проведенные при финансовой поддержке государств и фондов по развитию альтернативной энергетики, дали новый толчок для развития технологий использования энергии ветра. Современные промышленные ветряки разительно отличаются от ветряных мельниц, которые можно увидеть в музеях сельского быта. Но даже спустя столетия принцип их работы практически не изменился: энергия вращающихся под напором ветра лопастей через систему трансмиссии передается на электрический генератор. Благодаря трансмиссии генератор может работать эффективно при различных скоростях ветра.

Хотя ветряки различаются по своей конструкции, однако наиболее широко распространены ветродвигатели двух типов: с горизонтальной (крыльчатые) и вертикальной (карусельные) осями вращения. Крыльчатые ВЭС представляют собой лопастные механизмы с горизонтальной осью вращения. В таких моделях роторный вал и генератор располагаются сверху, при этом система направляется на ветер. Малые ветряки регулируются с помощью флюгерных конструкций, в то время как на больших (промышленных) установках имеются датчики ветра и сервоприводы, которые поворачивают ось вращения на воздушный поток. Большинство промышленных ветрогенераторов с горизонтальной осью оснащены коробками передач, которые позволяют системе подстраиваться под текущую скорость ветра. Достоинства горизонтальной оси — изменяемый шаг лопаток турбины, который дает возможность использовать энергию ветра по максимуму в зависимости от времени дня и сезона. Высокая мачта позволяет добираться до более сильных воздушных потоков. Коэффициент использования энергии ветра у крыльчатых ВЭС (чаще всего их ветроагрегаты бывают двух- или трехлопастными) намного выше, чем у других ветряков, недаром они занимают более 90% рынка.

Достойная альтернатива горизонтальным системам — карусельные, или роторные ВЭС. Такие устройства запатентовал во Франции Джордж Джин Мари Дарье в 1920 г., но интенсивной их разработкой начали заниматься лишь с 1970 г. Основным преимуществом вертикальной системы является отсутствие необходимости направления оси на ветер — установка использует воздух, поступающий с любого направления. Когда ветровой поток усиливается, карусельные ВЭС быстро наращивают силу тяги, после чего скорость вращения ветроколеса стабилизируется. Поэтому особенно эффективными ветрогенераторы с вертикальной осью вращения показали себя в областях с переменным ветром. Они могут работать даже в сильный шторм, тогда как горизонтальные автоматически отключаются, если сила воздушного потока превышает максимально допустимое значение. Кроме того, плоские прямоугольные лопасти вертикальных ВЭС производят меньше шума, проще в изготовлении и подвергаются гораздо меньшим нагрузкам в процессе эксплуатации, чем криволинейные вращающиеся части горизонтальных систем. Соответственно, вертикальные ветроустановки дешевле и долговечнее. Между тем у вертикальных моделей есть и недостатки. Из-за потерь на вращении против потока воздуха большинство систем почти в два раза менее эффективны, чем с горизонтальной осью вращения. Поскольку некоторые элементы системы находятся внизу и, соответственно, под весом конструкции, то их ремонт или замена могут предполагать демонтаж всего агрегата.

Борьба с недостатками

Наряду с неоспоримыми достоинствами, у ветровых станций имеется и ряд минусов. В непосредственной близости от ветрогенератора уровень шума может превышать 100 дБ. Помимо шума, воспринимаемого человеческим ухом, вокруг ВЭС возникает опасный инфразвук частотой 6—7 Гц, вызывающий вибрацию. От него дребезжат стекла в окнах и посуда на полках. При эксплуатации ВЭС в зимний период при высокой влажности воздуха возможно образование ледяных наростов на лопастях. В этом случае при пуске системы лед может разлетаться на значительное расстояние. Металлические сооружения ветроустановки, особенно элементы в лопастях, могут вызвать значительные помехи в приеме телепередач и радиосигналов. И чем крупнее агрегат, тем большие помехи он может создавать. Необходимо принимать во внимание и тот факт, что под ветрогенераторы необходима определенная площадь.

Ветер — нерегулируемый источник энергии. Выработка электричества зависит от его силы — фактора, отличающегося большим непостоянством. Соответственно, выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью как в суточном, так и в недельном, месячном, годовом и многолетнем разрезе. Учитывая, что энергосистема сама имеет неоднородности нагрузки (пики и провалы в энергопотреблении), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, значительная ее доля ветроэнергетики в генерации способствует дестабилизации энергосистемы. Проблемы в сетях и диспетчеризации энергосистем из-за нестабильности работы ветрогенераторов начинаются после достижения ими 20—25% общей установленной мощности генерации. Для решения этой проблемы необходимо создавать резерв мощности в энергосистеме (например, в виде газотурбинных электростанций), а также механизмы сглаживания неоднородности выработки энергии (в виде ГЭС или ГАЭС). Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемый от нее ток. Да и энергосистемы с большой неохотой подключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлению в ряде стран специальных законодательных актов, обязующих их это делать.

Развивая ветротехнологии, ученые пытаются устранить неудобства при эксплуатации системы. Конструкторам удалось снизить уровень шума и вибраций подбором скорости вращения ветроколес и совершенствованием профилей лопастей. В последние годы появляются и вовсе бесшумные модели устройств. Отсутствие шума обеспечивается за счет снижения трения между основными вращающимися элементами конструкции благодаря применению принципов магнитной левитации, что повысило и КПД установок. Такие ветряки можно устанавливать практически в любом месте, даже довольно близко от жилых помещений или на крыше жилого дома. А сооружение около ВЭС ретрансляторов сводят до минимума теле- и радиопомехи. Для экономии пространства устанавливают ВЭС не только на суше (оншорные), но и в море (оффшорные), иногда на значительном расстоянии от берегов. Это значительно повысило их работоспособность, ведь на воде сила ветра гораздо выше. Разработаны даже плавающие системы для морских станций большой глубины. Подымают ветрогенераторы и в воздух. Уже есть аппарат, способный оторваться от земли на 300 м с установленным на нем ветряком. Он работает в широком диапазоне скоростей ветра (от 1 до 28 м/с) и может перемещаться в особо ветреные регионы.

Работают специалисты и над созданием новых высокомощных проектов. Например, американская компания Maglev Wind Turbine Technologies намерена наладить производство турбин с вертикальной осью максимальной мощностью в 1 гигаватт. Новая установка способна поставлять в сеть до 8,75 ТВт-ч энергии ежегодно, что позволит сэкономить примерно 5,5 миллионов баррелей нефти. Одна турбина Maglev может обеспечить электропитанием 750 тысяч домов, а занимает площадь всего около 40 гектаров. Тогда как 1 тыс. традиционных ветровых генераторов могут обеспечить энергией 500 тысяч домов, занимая при этом территорию в 26 тысяч гектаров.

Норвежская компания StatoiHydro и немецкий концерн Siemens AG разрабатывают плавающие ветрогенераторы для морских станций большой глубины. StatoilHydro построила демонстрационную версию мощностью 2,3 МВт в июне прошлого года. Турбина Hywind производимая компанией Siemens Renewable Energy, весит 5300 тонн при высоте 65 м. Установлена она на плавучей платформе в десяти километрах от острова Кармой, неподалеку от юго-западного берега Норвегии. В будущем компания планирует довести мощность турбины до 5 МВт, а диаметр ротора — до 120 м.

В разработку новых моделей ветровых турбин вкладывют немалые деньги и государственные структуры, и частный бизнес. Так что будущее у ветровой энергетики есть и весьма впечатляющее.

Крупнейшие ветроэлектростанции мира

Roscoe Wind Farm (США) — самая мощная оншорная (наземная) ветряная электростанция (установленная мощность — 781,5 МВт)

Ветропарк Roscoe Wind Farm расположен рядом с городом Роско в центральной части штата Техас (США) на площади около 40 тысяч гектаров. Был введен в строй осенью 2009 года. Включает в себя 627 ветроустановок производства компаний Mitsubishi, General Electric и Siemens общей установленной мощностью 781,5 МВт. Производимой им электроэнергии достаточно для обеспечения электричеством 250 тыс. домов в Техасе. Стоимость проекта составила более $ 1 млрд. Инвестор — компания E.ON Climate and Renewables. До этого самым большим наземным ветропарком считался Horse Hollow Wind Energy Center, расположенный в 160 км к западу от Далласа, штат Техас. Его суммарная мощность составляет 735,5 МВт.

Horns Rev 2 — самая мощная оффшоная (морская) ветряная электростанция (установленная мощность — 209,3 МВт)

Турбины ветропарка Horns Rev 2 расположены на площади 35 кв. км. в Северном море, в 30 км от западного побережья Ютланда. ВЭС была введена в строй в сентябре 2009 г. Она состоит из 91 ветрогенератора производства компании Siemens мощностью 2,3 МВт каждый. Размах лопастей каждого из них — 93 метра, высота ветроустановки — 114,5 м над уровнем моря. Суммарно эта оффшоная ветроэлектростанция производит 209,3 МВт энергии. Этого количества хватает для обеспечения электроэнергией 200 тыс. домов в течение года. Возводила Horns Rev 2 датская компания Dong Energy. Стоимость проекта составила 1 миллиард долларов. Вторым по величине оффшорным ветропарком (194,4 МВт) считается Lynn and Inner Dowsing, расположенный на мелководье у побережья Линкольншира (Великобритания) в 5,2 км от береговой линии. Его строительство было завершено в 2008 году.

Татьяна ГРОМОВА