Опыт международного сотрудничества в сфере ветроэнергетики показывает, что в российских условиях целесообразно ориентироваться, прежде всего, на продукцию отечественных предприятий – разработчиков и производителей ВЭУ и комплектующих. Тем более что в последние годы заметны признаки повышения активности разработчиков и производителей ВЭУ. Дальнейшее развитие ветроэнергетики в России в значительной мере зависит от поддержки государства в виде утвержденной «Программы развития ветроэнергетики», а также введения системы льгот производителям и потребителям, включая льготные кредиты на приобретение ВЭУ и предоставление участков для ведения строительства. В России в настоящее время автономная ветроэнергетика — это то направление использования возобновляемых источников энергии, в развитии которого больше всего нуждается страна. 70% территории России с населением более 10 млн человек не имеет централизованного электроснабжения. Использование новых технологий позволит за счет работы ВЭУ экономить не менее 50% органического топлива на дизельных электростанциях. Применение таких технологий могло бы существенно снизить энергетическую напряженность, наблюдаемую в таких районах, как Приморье, Сахалин, Камчатка, Чукотка.
Самой характерной чертой так называемой «традиционной» электроэнергетики можно назвать ее давнюю и основательную изученность. Это направление электроэнергетики прошло длительную проверку в самых разнообразных условиях эксплуатации, и основную часть электроэнергии человечество во всем мире получает именно от традиционных электростанций.
Большинство же направлений так называемой «нетрадиционной» электроэнергетики, будучи основанными на вполне традиционных принципах, как источники первичной энергии используют либо локальные источники, как, например, геотермальные или ветряные, либо источники, находящиеся в стадии освоения, которые могут найти практическое применение в перспективе, например, термоядерная энергетика. Основные черты нетрадиционной энергетики – это ее экологическая чистота, а также чрезвычайно большие затраты на капитальное строительство и, как правило, малая единичная мощность.
Рассмотрим подробнее ветроэнергетику, отрасль, находящуюся на данный момент на втором месте в кластере нетрадиционной энергетики.
Специализация ветроэнергетики – преобразование кинетической энергии движения воздушных масс в атмосфере в электрическую, механическую, тепловую либо любую другую форму энергии, удобную для использования на нужды человечества. Это преобразование можно осуществить с помощью следующих агрегатов: ветрогенератор для получения электрической энергии, парус для использования в транспорте, ветряная мельница для преобразования в кинетическую энергию и др.
Энергия ветра относится к возобновляемым источникам энергии, так как ветер – следствие активности Солнца. Ветроэнергетика – самая бурно развивающаяся отрасль нетрадиционной энергетики. На начало 2016 года при общей установленной мощности всех ветрогенераторов, подошедшей к отметке в 432 гигаватта, ветроэнергетика превзошла суммарную установленную мощность атомной энергетики. Однако, к сожалению, на практике в среднем за год мощность ветрогенераторов на несколько порядков ниже, чем установленная, это связано с нестабильностью ее источника – ветра. В то же время АЭС практически всегда работают в режиме установленной мощности.
Особенно интенсивно развивают отрасль ветроэнергетики такие страны, как Дания (на 2015 год ветроэнергетикой произведено 42% всего электричества), Португалия (на 2014 год доля ветроэнергетики – 27%), Никарагуа (21% на 2014 год), Испания (20%), Ирландия (19%), Германия (8%). К 2014 году на коммерческой основе использовали энергию, выработанную ветроэнергетикой, 85 стран. К концу 2015 года в отрасли ветроэнергетики официально было занято более 1 000 000 человек во всем мире, около 500 000 из них – в Китае, около 138 000 – в Германии.
Большие ветряные электростанции, как правило, включены в общую сеть, а более мелкие станции используются для снабжения электроэнергией территориально удаленных районов. Энергия ветра, в отличие от ископаемых видов топлива, практически неисчерпаема, повсеместно доступна и намного более экологически безопасна, однако непостоянство ветровых потоков, при большой пропорции ветроэнергетики в общем производстве электроэнергии, создает проблемы надежности производства электроэнергии. Частично эту проблему решает интеллектуальное управление распределением электроэнергии.
Технический потенциал вертоэнергетической отрасли в России оценивается свыше 50 000 кВт⋅ч /год. Экономический же потенциал примерно равен 260 млрд кВт⋅ч /год, что составляет треть от производства электроэнергии в России в целом. В России основные энергетические ветровые зоны расположены на побережье Северного Ледовитого океана, а также на островах океана от Кольского полуострова до Камчатки. Также ветроэнергетические области расположены в районах Нижней и Средней Волги и Дона, а также на побережьях Каспийского, Охотского, Баренцева, Балтийского, Черного и Азовского морей. Отдельные зоны также расположены в Карелии, на Алтае, в Туве и на Байкале. В этих районах максимальная средняя скорость ветра всегда приходится на осенне-зимний период года, совпадающий с периодом максимальной потребности в электроэнергии и тепле. Около трети всего экономического потенциала ветроэнергетической отрасли в нашей стране сосредоточено на Дальнем Востоке, 14% – в Северном экономическом районе, около 16% – в Западной и Восточной Сибири.
Крупнейшие российские ветроэлектростанции расположены в Крыму – это Донузлавская ВЭС с суммарной мощностью 18,7 Мвт, Останинская ВЭС с суммарной мощностью 26 МВт, Тарханкутская ВЭС – 15,9 МВт и Восточно – Крымская ВЭС. Эти станции в общей сложности располагают 522 ветрогенераторами общей установленной мощностью 59 МВт. Еще одна достаточно крупная российская ветроэлектростанция с установленной мощностью в 5,1 МВт находится в районе поселка Куликово, Зеленоградский район, Калининградская область. Она состоит из 21 установки датской компании SEASEnergiServiceA.S. На Чукотке расположена Анадырская ВЭС, состоящая из 10 ветроагрегатов по 250 кВт каждая.
Существует большое количество проектов ВЭС, находящихся на разных стадиях проработки.
В 2003 – 2005 годах в рамках РАО ЕЭС проводились эксперименты с целью создать комплексы на базе ветрогенераторов и двигателей внутреннего сгорания. В поселке Тикси был установлен один агрегат. Все проекты РАО, так или иначе связанные ветроэнергетикой, были переданы компании РусГидро. В конце 2008 года компания РусГидро начала поиск перспективных площадок для строительства ветряных электростанций.
Воздушные потоки у поверхности земли либо воды являются турбулентными, то есть нижележащие слои тормозят вышележащие. Эффект турбулентности заметен до высоты в 2 км, однако он резко снижается уже на высотах более 100 метров. Расположение генератора выше этого приземного воздушного слоя позволяет одновременно освободить площадь на земле под мачтой для другой деятельности и увеличить диаметр лопастей генератора. В 2010 году ветрогенераторы уже вышли на этот рубеж высоты, и их количество в мире резко растет из года в год.
Для производства энергии из ветра наиболее перспективными считаются прибрежные зоны, однако стоимость инвестиций на постройку комплекса ВЭС по сравнению с сушей выше минимум в полтора – два раза. Офшорные ветроэлектростанции строятся в море, на расстоянии 10 – 12 километров от берега. Башни таких ВЭС устанавливаются на фундаменты из забитых в дно на глубину до 30 метров свай. Помимо самого ветрогенератора, офшорная электростанция включает в себя подводные кабели до побережья и распределительные подстанции. Для фиксации турбин помимо забитых в дно свай могут использоваться также другие типы подводных фундаментов, а также плавающие основания. В декабре 2007 года компанией HTechnologiesBV был построен первый в мире прототип плавающей ветряной турбины. В 10,6 морских миль от побережья Южной Италии на участке моря глубиной 108 метров на плавающую платформу был установлен ветрогенератор с установленной мощностью 80 кВт.
Об установке первой в мире плавающей коммерческой ветроэнергетической турбины производства компании SiemensRenewableEnergy с установленной мощностью в 2,3 МВт объявили 5 июня 2009 года компании SiemensAGи норвежская Statoil. Однако, даже несмотря на снижение затрат на строительство морских ветрогенераторов в 2010-х годах, офшорная ветроэнергетика и по сей день остается одним из наиболее дорогостоящих источников электроэнергии. На офшорных ветроэлектростанциях стоимость производства электроэнергии колеблется от 125 до 200 долларов США/ МВт·ч. Компаниями MHI – Vestas, DONGEnergy и Siemens было подписано соглашение, суть которого сводится к стремлению этих компаний приложить все усилия для того, чтобы к 2020 году снизить стоимость офшорной электроэнергии до отметки в 120 долларов США/МВт·ч.
Начиная с 2009 года среднее годовое увеличение суммы установленных мощностей всех ветрогенераторов в мире составляет около 40 гигаватт за год. Этот рост обусловлен прежде всего бурным развитием ветроэнергетической отрасли в таких странах, как США, Индия, КНР и ФРГ. На конец 2010 года сложилась такая картина расположения ветряных электростанций: 44% в Европе, 31% в Азии и 22% в Северной Америке.
В Китае в 2009 году 1,3% электроэнергии страны выработали ветряные электростанции. 1 января 2006 года в КНР был принят «Закон о возобновляемых источниках энергии». Этот закон ставит целью увеличение доли возобновляемых источников энергии в энергетике страны с 5% до 15% до 2020 года, а также говорит об обязательстве правительства инвестировать в развитие области возобновляемых источников энергии 180 млрд долларов США в течение этого времени.
Общие запасы энергии движения воздуха превышают запасы гидроэнергии всех рек на нашей планете более чем в 100 раз.
К 2025 году Германия планирует получать 45% электроэнергии из возобновляемых источников. Ранее целью было получение 12% электроэнергии из возобновляемых источников к 2010-му, однако этот уровень был достигнут в 2007 году.
Дания к 2020 году 50% потребности страны в электричестве намерена обеспечивать за счет возобновляемых источников энергии. При сохранении текущих темпов развития ветроэнергетики (около 3% в год), этот показатель будет достигнут уже в 2018 году.
К 2020 году власти Франции планируют построить ветроэлектростанций на 25 000 МВт, в том числе офшорных ветроэлектростанций на 6000 МВт.
В 2008 году ЕС установил цель: к 2010 году получать более 40 000 МВт электроэнергии от ветрогенераторов, а к 2020 году – более 180 000 МВт.
В Китае планировалось до 2010 года увеличить установленные мощности ветроэнергетического сектора до 5 000 МВт, а к 2020 году – до 30 000 МВт, однако бурное развитие ветроэнергетики в стране позволило превысить порог установленной мощности в 30 000 МВт уже в 2010 году[4].
Наибольшая часть стоимости электроэнергии, получаемой от ветрогенераторов, определяется первоначальными капиталовложениями на строительство сооружений ВЭУ (стоимость 1 кВт установленной мощности ВЭУ примерно равна 1000 долларов США).
В процессе эксплуатации ветрогенераторы не потребляют ископаемого топлива. За 20 лет работы ветрогенератора мощностью 1 МВт можно сэкономить примерно 29 000 тонн угля или 92 000 баррелей нефти.
Для сравнения: себестоимость электроэнергии, производимой на угольных электростанциях США, составляет 4,5 – 6 центов/КВт⋅ч. В Китае же средняя стоимость электричества составляет около 4 цента/КВт⋅ч.
EarthPolicyInstitute (США) в марте 2006 года сообщил о том, что в двух районах США стоимость электроэнергии, полученной от ветрогенераторов, стала ниже стоимости электроэнергии, получаемой на традиционных электростанциях. Компании AustinEnergy из Техаса и XcelEnergy из Колорадо первыми стали продавать ветроэнергию дешевле вырабатываемой на традиционных электростанциях.
Одна из наиболее распространенных в регионах России проблем – это не превышающая 5 м/с среднегодовая скорость ветра. Из-за этого ветрогенераторы с горизонтальной осью вращения лопастей практически не применимы, т.к. только их стартовая скорость начинается с 3 – 6 м/с, и при скорости ветра, не превышающей 5 м/с, получить сколь-нибудь существенное количество энергии от таких ветрогенераторов не получится. Однако на сегодняшний день все большая часть производителей ветрогенераторов предлагает так называемые роторные установки, то есть ветрогенераторы с вертикальной осью вращения лопастей. Принципиальное отличие от установок с горизонтальной осью вращения заключается в том, что роторной установке достаточно ветра со скоростью 1 м/с, для того чтобы начать вырабатывать электричество. На данный момент наиболее прогрессивной технологией является сочетание в одном устройстве электрогенераторов двух типов – вертикального ветрогенератора и солнечных батарей. Удачно дополняя друг друга, два этих источника гарантируют производство достаточного количества электроэнергии в любых климатических и территориальных условиях.
Другой основной экономической проблемой ветроэнергетики является нерегулируемый источник энергии. Количество выработанной электроэнергии зависит от силы ветра – природного фактора, отличающегося большим непостоянством. Из-за этого фактора выдача электроэнергии с ветрогенератора в энергосистему отличается большой неравномерностью в суточном, недельном, месячном, годовом и даже многолетнем разрезах. Принимая во внимание тот факт, что сама энергосистема также имеет пики и провалы энергопотребления, регулировать которые ветроэнергетика пока не может, введение большой доли электроэнергии, получаемой от ветроэлектростанций, в энергосистему только усугубит неоднородности нагрузки и способствует дестабилизации энергосистемы в целом. Отсюда следует вывод, что введение большой доли ветроэнергетики в энергосеть требует наличия резерва мощности в данной энергосистеме, а также механизмов сглаживания неоднородности выработки электроэнергии на ветроэлектростанции путем, возможно, аккумулирования производимых в определенные промежутки времени излишков электроэнергии при помощи гидроаккумулирующих электростанций. Данные особенности отрасли способствуют удорожанию полученной ветроэнергии. Энергосистемы, как правило, с большой неохотой подключают ветрогенераторы к электросетям, что способствует замедлению темпов развития отрасли, но также приводит к появлению законодательных актов, обязующих энергосистемы это делать.
Проблемы в сетях и диспетчеризации энергосистем из-за нестабильности работы ветроэлектростанций проявляются после достижения доли ветроэнергетики, равной 20 – 25% от общей установленной мощности энергосистемы. Легко подсчитать, что для России это будет показатель, близкий к 50 – 55 тыс. МВт.
Небольшие единичные ветроустановки могут иметь проблемы с сетевой инфраструктурой, так как стоимость распределительного устройства и линии электропередачи для подключения к энергосистеме может оказаться слишком большой. Проблему частично можно решить подключением ветроустановки к местной сети, где есть энергопотребители. Подключение осуществляется через уже существующее силовое и распределительное оборудование. В этом случае ВЭС снижает потребляемую местной сетью электроэнергию извне. Внешние линии электропередачи и трансформаторная подстанция местной сети оказываются менее нагруженными, хотя общее энергопотребление может быть выше.
Другой повсеместно возникающей проблемой при эксплуатации ветроэлектроустановок в зимний период является обледенение лопастей. При запуске ветроустановки возможен разлет осколков льда на значительные расстояния. Как правило, на территории, на которой возможны случаи обледенения лопастей, устанавливаются предупредительные знаки на расстоянии 150 метров от ветроустановки.
Еще одной, пока не решенной, проблемой является испытываемая крупными ветроустановками проблема с ремонтом. Замена крупногабаритной детали, например, лопасти или ротора, на высоте более 100 метров является технически сложным и дорогостоящим мероприятием.
Неизбежной проблемой при эксплуатации крупных ветроэлектростанций являются радиопомехи. Металлические элементы сооружения ветроустановки, особенно в лопастях, могут вызвать значительные помехи в приеме радиосигнала. Проблему можно решить установкой дополнительных ретрансляторов, что в свою очередь увеличивает размер капиталовложений на постройку ВЭС.
Другой аспект влияния ветроэнергетики на климат заключается в том, что для производства электроэнергии ветрогенераторы изымают часть кинетической энергии движения воздушных масс, что приводит к снижению скорости их движения. При массовом использовании ветрогенераторов, как, например, в Европе, теоретически это замедление воздушных потоков может оказать заметное влияние на локальные и даже глобальные климатические условия. Конкретнее – снижение средней скорости движения воздушных масс способно сделать климат указанного региона более континентальным. Это произойдет за счет того, что более медленно движущиеся воздушные массы будут успевать чуть сильнее нагреваться летом и, соответственно, чуть сильнее охлаждаться зимой. Также отбор части кинетической энергии у ветра может поспособствовать изменению влажностного уровня на прилегающей территории. К сожалению, ученые пока только разворачивают масштабные исследования в данной области. Существующие научные работы на эту тему не дают количественную оценку воздействия широкомасштабного применения ветроэнергетики на климат, однако они позволяют заключить, что это воздействие может быть не столь пренебрежимо малым, как считалось ранее. Согласно моделированию Стэнфордского университета, большие офшорные ветроэлектростанции могут существенно ослабить ураганы в прибрежных зонах, уменьшая экономический ущерб от их воздействия. Отсюда можно сделать вывод о полезном климатическом воздействии ВЭС.
Использование ветроэлектростанций существенно облегчает нагрузку и вред, наносимый водным ресурсам планеты, так как в отличие от традиционных электростанций ВЭС не используют воду.
Ветроэлектростанции при работе производят две разновидности шума: механический – от работы механических и электрических компонентов (в современных моделях ветроустановок практически отсутствует) и аэродинамический – шум, порождаемый взаимодействием ветрового потока с лопастями ветроустановки.
Также работающая ветроэлектростанция вызывает низкочастотные колебания, передающиеся через почву. На расстоянии до 60 метров от ветроустановок мегаваттного класса эти колебания вызывают ощутимое дребезжание стекол, однако на расстояниях свыше 300 метров от работающей установки ее вклад в инфразвуковые колебания уже невозможно выделить из общего фона колебаний.
Исходя из изложенных выше данных, можно понять, что на данный момент весьма затруднительно сделать однозначный вывод о целесообразности внедрения большой доли ветроэнергетики в общую энергосистему страны. С одной стороны, увеличение доли возобновляемых источников энергии в энергетике, как России в частности, так и всего мира в целом, совершенно необходимо и даже неизбежно, так как запасы ископаемого органического топлива не бесконечны и ни для кого не является секретом, что рано или поздно оставшиеся его запасы иссякнут. Ветроэнергетика же имеет ряд неоспоримых плюсов по сравнению с традиционной энергетикой, таких как:
Во-первых, дешевизна получаемой электроэнергии и ее быстрая окупаемость за счет того, что основная часть стоимость электроэнергии закладывается из расходов на строительство ветроустановки и ее достаточно редкого тех. обслуживания;
Во-вторых, ветрогенераторы в процессе выработки электроэнергии не потребляют ископаемого топлива, тем самым существенно сокращая выбросы в атмосферу углекислого газа, оксидов серы и азота;
В-третьих, электростанции не используют водные ресурсы в процессе выработки электроэнергии, что снижает нагрузку на водные ресурсы планеты, а также вред, им наносимый;
С другой стороны, использование ветрогенераторов влечет за собой ряд проблем, находящихся на разных стадиях изучения и поисков их решения.
1. Одной из основных проблем отрасли является фактор неравномерности выдачи электроэнергии вследствие нестабильности источника – ветра. Эту проблему частично можно решить почасовым планированием фактической мощности на основе прогнозирования погодных условий, в частности скорости ветра. Зная о неблагоприятных условиях, можно подготовить резерв мощностей путем использования солнечных панелей совместно с ветроустановкой, для того чтобы избежать провала в энергоснабжении. Излишки энергии можно аккумулировать при помощи ГАЭС с той же целью. Решение проблемы неравномерности выдачи электроэнергии является приоритетной задачей, так как неравномерность ВЭУ пагубно влияет на стабильность энергосистемы страны в целом.
2. Другой проблемой является необходимость устанавливать дорогостоящий инвертор тока для преобразования переменного или постоянного тока, получаемого от ветрогенератора, в ток 220 В, 50 Гц. Этот фактор, а также необходимость применения дорогостоящих аккумуляторов для автономной работы и дизель-генератора для обеспечения длительной бесперебойной работы потребителей существенно увеличивает стоимость вырабатываемой энергии.
3. Еще одной, практически неизученной, но в перспективе самой существенной проблемой является глобальное климатическое влияние. Основывающаяся на отборе части кинетической энергии ветра, ветроэнергетика способствует снижению скорости движения воздушных масс и изменению влажностного режима территории. Вместе взятые, эти факторы способны изменить климат как на отдельной территории (например, Европы), так и на всей планете.
Частичным решением этих проблем может стать отказ от преобразования получаемого тока в ток промышленного качества и использование исходного постоянного или переменного тока переменной частоты с целью его последующего преобразования с помощью ТЕНов в тепло для обогрева жилья и получения горячей воды, ведь отопление является основным энергопотребителем в России. Такая система позволит: упростить схему ветрогенератора и управляющей автоматики (схема автоматики в таком случае может быть выстроена на использовании нескольких простых тепловых реле); использовать в качестве аккумулятора обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения; существенно снизить требования к качеству и – главное – к бесперебойности тока. Температуру воздуха в доме можно поддерживать в диапазоне 19-25 °С, а в бойлерах горячего водоснабжения – в пределах 40-97 °С без ущерба для потребителей.
Подводя итог, можно сделать такой вывод: увеличение доли ветроэнергетики в энергосистеме России целесообразно при применении вышеизложенных методов решения сопутствующий проблем, однако это потребует финансовой и законодательной помощи со стороны государства.
Литература
1. Владимир Сидорович. Мировая энергетическая революция: Как возобновляемые источники энергии изменят наш мир. – М.: Альпина Паблишер, 2015.
2. Д. де Рензо, В.В. Зубарев. Ветроэнергетика. Москва. Энергоатомиздат, 1982.
3. Е.М. Фатеев. Вопросы ветроэнергетики. Сборник статей. Издательство АН СССР, 1959.
4. БИКИ, 25.07.09 г., «На рынке ветроэнергетического оборудования КНР».
5. Современные проблемы энергосбережения и пути оптимизации использования электрической энергии. Омельченко Д.П., Уваров И.П., Современные проблемы науки и образования. 2014. № 6. С. 103.26.
6. Итог реформы электроэнергетики в России. Чебанов К.А., Карамян О.Ю., Соловьева Ж.А. Деловой журнал Neftegaz.RU. 2016. № 9. С. 30-33.
7. Технологическое развитие российского топливно-энергетического комплекса под влиянием экономических санкций. Карамян О.Ю., Чебанов К.А., Соловьева Ж.А. Современные проблемы науки и образования. 2015. № 1.
