Возобновляемые источники энергии: энергия ветра

В ближайшие  годы будет продолжаться тенденция  ухудшения горно-геологических условий  добычи углеводородных ресурсов и ужесточения  экологических стандартов при сжигании традиционного топлива во всех отраслях национальной экономики. Одновременно по мере научно-технического прогресса будет возрастать конкурентоспособность альтернативных источников энергии, среди которых наиболее важную роль будут играть нетрадиционные возобновляемые источники энергии.

Одним из видов нетрадиционных возобновляемых источников энергии является энергия ветра. Энергия ветра на земле неисчерпаема, а в последние 15 - 20 лет бурно развивалось ее использование для производства. Многие столетия человек пытается использовать энергию ветра себе во благо, строя ветростанции, выполняющие различные функции: мельницы, водяные и нефтяные насосы, электростанции.

В связи с  постоянными выбросами промышленных газов в атмосферу и другими  факторами возрастает контраст температур на земной поверхности. Это является одним из основных факторов, который приводит к увеличению ветровой активности во многих регионах нашей планеты и, соответственно, актуальности строительства ветростанций.

Как показали практика и опыт многих стран, использование  энергии ветра крайне выгодно, поскольку, во-первых, стоимость ветра равна нулю, а во-вторых, электроэнергия получается из энергии ветра, а не за счет сжигания углеводородного топлива, продукты горения которого известны своим опасным воздействием на человека.

Специфика и  условия работы ветроэлектростанций в нашей стране значительно отличаются от зарубежных. Работа автономных систем энергоснабжения в условиях потребления энергии небольшой мощности не позволяет использовать те преимущества, которые имеет ветроэнергетика за рубежом. Большие расстояния между населенными пунктами делают перспективным направлением развития ветроэнергетики в России совершенствование ВЭУ малой мощности (от 10 кВт) в условиях их изолированности от крупных энергосистем.

Россия располагает  значительными ресурсами ветровой энергии, в том числе и в тех районах, где отсутствует централизованное энергоснабжение. Побережье Северного Ледовитого океана, Камчатка, Сахалин, Чукотка, Якутия, а также побережье Финского залива, Черного и Каспийского морей имеют высокие среднегодовые скорости ветра.

 

 

География распределения  ветроэнергетических ресурсов позволяет  рационально их использовать как  автономными ветроэнергетическими установками, так и при работе ВЭУ в составе местных энергетических систем. Валовой ветровой потенциал России оценивается в 80*1015 кВт/ч/ год, экономический – 40*109 кВт/ч/год (рис. 2). Анализ векового хода скорости ветра на европейской территории России показывает, что вековые вариации ветроэнергетических характеристик могут достигать значительных величин (30-50 процентов для среднемесячных и 15-25 процентов - для среднегодовых скоростей ветра), учет которых необходим при решении практических задач ветроэнергетики.

 

 

Для стремительного развития ветроэнегетики в России необходимо следующее:

во-первых, масштабное внедрение ветроустановок в состав «большой энергетики», особенно с учетом неизбежного снижения цен на ветроустановки и роста цен на традиционное топливо (нефть, уголь и т.д.);

во-вторых, создание ВЭУ как  большой, так и малой мощности для решения проблем энергообеспечения удаленных и изолированных районов, которые недостаточно обеспечены электроэнергией и практически не имеют другой, экономически выгодной альтернативы, как строительство ветроэлектростанций;

в-третьих, внедрение стимулирующих механизмов: налоговые льготы; предоставление кредитов на продолжительный срок под льготный процент с отсрочкой платежей до окончания строительства; введение экологического налога; установление местных тарифов, которые позволят обеспечить возвращение капитальных вложений в ветроэнергетику; субсидирование пользователей ВЭУ; создание информационной сети, системы образования, стажировок и т.д.

 

Энергия ветра на Урале

 

В Нижней Салде (Свердловская область) проходят испытания опытного образца парусной ветроэлектростанции — первой и пока единственной в стране. Автор проекта - местный изобретатель кандидат технических наук Анатолий Волков. Инвестором выступил генеральный директор торгового дома «Казанова» (Екатеринбург, продажа интимных принадлежностей и товаров для здоровья) Алексей Баталов.

Проект ветроэлектростанции  парусного типа — своеобразная альтернатива ветрякам, широко известным в Западной Европе и США с 70-х годов. Там  они начали массово производиться, когда промышленно развитые страны охватил энергетический кризис, вызванный резким подорожанием нефти.

В стремлении снизить стоимость  выработки ветроэнергии западные страны пошли по двум направлениям. Первое — создание гигантских ветроэлектростанций, мощность которых достигает 5 МВт (что  сопоставимо с мощностью миниТЭЦ), а диаметр ветроколеса превышает 100 м. По сведениям Европейской ассоциации ветряной энергетики, в 2006 году в ЕС установлены станции совокупной мощностью 7,6 тыс. МВт и стоимостью около 9 млрд евро. И объем выработки оправдывает затраты на создание столь грандиозных сооружений.

Второй путь — строительство  ветропарков, состоящих из множества  стандартных ветроустановок, равномерно распределенных по большой площади  поверхности поля. Ветропарки широко распространены в Германии, США, Дании.

Нижнесалдинский изобретатель предложил третий путь — искусственное увеличение скорости ветра, за счет чего вырабатываемая мощность многократно возрастает. Суть ноу-хау — в использовании совместно с ветрогенератором гибкой воронки-паруса. «Представляете купол парашюта? В купол попадает поток воздуха. Этот ветер концентрируется в критической части, усиливаясь в два раза, а мощность возрастает в четыре», — поясняет Анатолий Волков.

Идея родилась четыре года назад, и все это время Волков искал средства на ее реализацию. Обратился в министерство промышленности, энергетики и науки Свердловской области. Там проект горячо поддержали, вынесли два положительных заключения, однако денег не дали. Вместо этого обратились к нескольким уральским олигархам с просьбой выступить инвесторами, но также безрезультатно. А в прошлом году вопрос поиска средств решился самым неожиданным образом: в сентябре с проектом ознакомился Алексей Баталов, а уже в ноябре изобретатель и совладелец торгового дома «Казанова» заключили договор о сотрудничестве.

Парусная ветроэлектростанция  в отличие от обычных ветряков располагается на земле. Ее можно  сложить в простой рюкзак

На первый этап реализации проекта предприниматель выделил 1 млн рублей. Деньги пошли на разработку конструкторской документации и  закупку специальной ветровой турбины в США: оборудование для ветроэлектростанций отечественный энергомаш не производит. Уже создан опытный образец, рассчитанный на мощность 400 Вт (это объем энергопотребления небольшого частного дома).

Преимущество  парусной ветроэлектростанции перед  стандартными ветряками в том, что  она не требует сооружения мачты  высотой несколько десятков метров. Чтобы поймать большой поток  ветра, ей достаточно находиться на земле. Это существенно снижает себестоимость и придает сооружению мобильность. При весе турбины всего 5 кг нашу электростанцию можно положить в рюкзак и перенести на другое место. Парус делается из ткани, лопасти пластиковые и складываются. Такие ветроэлектростанции пригодятся сотрудникам МЧС, пограничникам, альпинистам, туристам, фермерам, а также для бытовых целей.

Предлагаемая  им технология может использоваться не только для производства энергии  в малых объемах, но и для обеспечения  промышленных объектов. Однако для  создания опытного образца парусной ветроэлектростанции мощностью 1 МВт требуются инвестиции в несколько миллиардов рублей. Изобретатель и предприниматель готовы предложить правительству Свердловской области выступить соучредителем создаваемого предприятия.

Парусная ветро-электростанция позволяет решить проблему слабого ветра, но лишь частично: «При появлении гидравлического сопротивления в зоне усиленной скорости ветра возникает обтекание этого препятствия снаружи. Это дает основание усомниться в высокой эффективности использования паруса. Парус позволяет концентрировать ветер, однако в Свердловской области часто бывают безветренные дни, когда и концентрировать-то нечего. Поэтому необходимо провести независимые экспериментальные исследования.

Безусловно, проект изобретателя из Нижней Салды требует внимательного изучения. Но он рождает надежду на возможность использования возобновляемых энергоисточников в виде ветра даже в центре Евразии, где воздушные потоки не столь сильны, как в Западной Европе. Для промышленного Урала это особенно значимо.

 

Экономика ветроэнергетики

 

Ветряные генераторы практически не потребляют ископаемого  топлива. Работа ветрогенератора мощностью 1 МВт за 20 лет эксплуатации позволяет  сэкономить примерно 29 тыс. тонн угля или 92 тыс. баррелей нефти. Себестоимость  электричества, производимого ветрогенераторами, зависит от скорости ветра:

Скорость ветра   Себестоимость (для США, 2004 год)

7,16 м/c   4,8 цента/кВт·ч;

8,08 м/с   3,6 цента/кВт·ч;

9,32 м/с   2,6 цента/кВт·ч.

Для сравнения: себестоимость электричества, производимого на угольных электростанциях США, 4,5—6 цента/кВт·ч. Средняя стоимость электричества в Китае 4 цента/кВт·ч.

При удвоении установленных  мощностей ветрогенерации себестоимость  производимого электричества падает на 15 %. Ожидается, что себестоимость  ещё снизится на 35—40 % к концу 2006 г. В начале 80-х годов стоимость ветряного электричества в США составляла $0,38.

В марте 2006 года Earth Policy Institute (США) сообщил о том, что в двух районах США стоимость  ветряной электроэнергии стала ниже стоимости традиционной энергии. Осенью 2005 года из-за роста цен на природный газ и уголь стоимость ветряного электричества стала ниже стоимости электроэнергии, произведённой из традиционных источников. Компании Austin Energy из Техаса и Xcel Energy из Колорадо первыми начали продавать электроэнергию, производимую из ветра, дешевле, чем электроэнергию, производимую из традиционных источников.

Ветроэнергетика является нерегулируемым источником энергии. Выработка ветроэлектростанции  зависит от силы ветра — 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 энергопотребления), регулировать которые ветроэнергетика, естественно, не может, введение значительной доли ветроэнергетики в энергосистему способствует её дестабилизации. Понятно, что ветроэнергетика требует резерва мощности в энергосистеме (например, в виде газотурбинных электростанций), а также механизмов сглаживания неоднородности их выработки (в виде ГЭС или ГАЭС). Данная особенность ветроэнергетики существенно удорожает получаемую от них электроэнергию. Энергосистемы с большой неохотой подключают ветрогенераторы к энергосетям, что привело к появлению законодательных актов, обязующих их это делать.

Проблемы в  сетях и диспетчеризации энергосистем из-за нестабильности работы ветрогенераторов начинаются после достижения ими доли в 20-25 % от общей установленной мощности системы. Для России это будет показатель, близкий к 50 тыс. — 55 тыс. МВт.

По данным испанских  компаний «Gamesa Eolica» и «WinWind» точность прогнозов выдачи энергии ветростанций при почасовом планировании на рынке «на день вперед» или спотовом режиме превышает 95 %.

Небольшие единичные  ветроустановки могут иметь проблемы с сетевой инфраструктурой, поскольку  стоимость линии электропередач и распределительного устройства для  подключения к энергосистеме  могут оказаться слишком большими. Проблема частично решается, если ветроустановка подключается к местной сети, где есть энергопотребители. В этом случае используется существующее силовое и распределительное оборудование, а ВЭС создаёт некоторый подпор мощности, снижая мощность, потребляюмую местной сетью извне. Трансформаторная подстанция и внешняя линия электропередач оказываются менее нагруженными, хотя общее потребление мощности может быть выше.

Крупные ветроустановки испытывают значительные проблемы с  ремонтом, поскольку замена крупной детали (лопасти, ротора и т. п.) на высоте более 100 м является сложным и дорогостоящим мероприятием.

В России считается, что применение ветрогенераторов в  быту для обеспечения электричеством малоцелесообразно из-за:

Высокой стоимости инвертора ~ 50 % стоимости всей установки (применяется для преобразования переменного или постоянного тока получаемого от ветрогенератора в ~ 220В 50Гц (и синхронизации его по фазе с внешней сетью при работе генератора в параллель))

Высокой стоимости аккумуляторных батарей — около 25 % стоимости установки (используются в качестве источника бесперебойного питания при отсутствии или пропадании внешней сети)

Для обеспечения  надёжного электроснабжения к такой  установке иногда добавляют дизель-генератор, сравнимый по стоимости со всей установкой.

В настоящее  время, несмотря на рост цен на энергоносители, себестоимость электроэнергии не составляет сколько-нибудь значительной величины у основной массы производств  по сравнению с другими затратами; ключевыми для потребителя остаются надёжность и стабильность электроснабжения.

Основными факторами, приводящими к удорожанию энергии, получаемой от ветрогенераторов, являются:

Необходимость получения электроэнергии промышленного  качества ~ 220В 50 Гц (требуется применение инвертора)

Необходимость автономной работы в течение некоторого времени (требуется применение аккумуляторов)