Новая энергетика

Ветроэнергетика: опыт и перспективы

Новости - Современные Российские разработки

«Жить не так уж необходимо, плавать по морям необходимо», - гласит древнегреческая пословица. Эллинское государство периода своего расцвета было и впрямь империей мореплавателей, торговцев и первооткрывателей. Перемещения на гигантские по тогдашним понятиям расстояния происходили под парусом. Парус и был для всего человечества первой «ветроэнергетияческой установкой» (ВЭУ). Именно с помощью паруса энергия ветра преобразовывалась в кинетическую энергию движения судна.

 Старый знакомый

Парусные суда господствовали на морях сотни лет. Эффективность и полезность использования энергии ветра не ставилась под сомнение вплоть до появления первых двигателей - сначала паровых, затем - работающих на углеводородном топливе. Но и с первыми пароходами - тихоходными и чадящими - долго еще спорили быстрокрылые барки, яхты и другие представители семейства «парусных».

Пока моря бороздили парусные красавцы, на суше люди также приспосабливали ветер для своих нужд. Десятки тысяч ветряных мельниц издавна исправно мололи зерно, откачивали воду, совершали много других полезных действий. Трудами многих изобретателей они были усовершенствованы. Ветряная мельница оказалась существенно проще водяной. Только в России их было больше 250000.

ХХ век, начинавшийся при тусклом свете уличных газовых рожков, в корне изменил технологическую картину мира. Сталь, нефть, газ, новые материалы и возможности отодвинули далеко на задний план достижения сотен лет человеческой цивилизации, стремясь к новым завоеваниям и вершинам.

Однако к концу века мировых войн жители Земли все чаще стали задумываться - что станет с цивилизацией, когда запасы угля, нефти и газа, предусмотрительно накопленные матерью-природой миллионы лет назад, иссякнут? Откуда появится свет в «лампочке Ильича», на чем будут ездить «железные кони», за счет каких источников будут работать заводы и фабрики?

Как это уже бывало не раз, лучшие умы потихоньку стали вспоминать давно забытое старое, усовершенствуя и дополняя его современными достижениями. Одна из перспектив энергообеспечения - ветер, влиять на появление которого могут только атмосферные фронты и другие погодные условия. Сам он будет задувать с разной силой в большинстве точек земного шара, пока существует наша планета.

Новая жизнь старой мельницы

Первые проекты ветроагрегатов, способных вырабатывать электроэнергию, появились еще в 20-е годы ХХ века. Первый экземпляр ветродвигателя с роторами (цилиндрами) на четырех крыльях, диаметром 20 м, был установлен в 1926 г. в Берлине на башне высотой 15 м. Его крылья были сделаны из легкого металла - лоталя. Тогда же предпринимались попытки создать силовые установки на основе ветроагрегата для морских и речных судов. Работы эти, основанные на эффекте Магнуса (при вращении цилиндра в набегающем на него потоке воздуха появляется поперечная сила, действующая на него), со временем были свернуты. В 80-е годы Жак-Ив Кусто построил корабль, работающий на том же принципе, доказав, как минимум, что «в этом что-то есть».

Сегодня старая добрая «мельница», оснащенная электронным управлением и гигантскими лопастями (до 120 и более м в диаметре), ротором и генератором, вполне способна вырабатывать - уже не муку, но электроэнергию. Действие современных ВЭУ основано на преобразовании энергии ветра уже не в кинетическую, как это было в случае с парусными судами, а в электрическую, которую можно передавать на расстояния и использовать для получения света и тепла.

Современные ветряки - это сооружения высотой с многоэтажный дом с огромными лопастями. Спроектированы ветряки в основном с тремя лопастями, укрепленными на горизонтальной оси.

Некоторые ветродвигатели похожи на вертикально расположенное велосипедное колесо с лопастями вместо спиц, другие - на карусель. Но все проекты имеют одну особенность - гигантские размеры ветроколес. Это понятно: чем больше лопасти, тем легче даже самый слабый ветер сможет их вращать. Но если ветроколесо такое большое, то устанавливать его надо на очень высокой башне - ведь иначе лопасти будут цепляться за землю. Поэтому сегодня уже появляются идеи создания так называемых ветросиловых плотин - наземного и морского базирования. Один из таких проектов представляет собой металлический каркас высотой 350 и шириной 500 м, на котором установлены 224 ветрогенератора. Каркас крепится к понтонам. Закрепленные на якоре понтоны сами устанавливаются против ветра.

 От агрегата к станции

Один ветряк, конечно, не способен внести значительного вклада в общую картину мировой энергетики. Сегодня все большее распространение получают ветроэнергетические станции (ВЭС). Основным типом используемых на станциях ВЭУ является трехлопастное ветроколесо с горизонтальной осью вращения (99% ветроагрегатов). Некоторые ВЭУ функционируют с переменной скоростью или вообще не используют редуктор и работают по методу прямого привода. В настоящее время одна стандартная турбина может обеспечить производство 5 МВт электроэнергии, что в десять раз лучше, чем было 20 лет назад.  Самые крупные коммерчески используемые ВЭУ имеют мощность в 5 МВт. Этого достаточно для обеспечения электроэнергией поселка из 1600 современных домов. Такие агрегаты имеют диаметр лопастей, равный 80 м, и высоту башни в 80 м. В настоящее время разрабатываются турбины мощностью от 3 до 5 МВт. В 2002 г. немецкая компания Enercon завершила создание прототипа ВЭУ на 4,5 МВт с диаметром ротора в 112 м. В октябре 2004 года этот ветроагрегат был включен в рабочий режим в земле Шлезвиг-Гольштейн (Германия).

Относительно небольшое распространение (Канада, Южная Корея)  получили ортогональные ветроагрегаты. Серийно они выпускаются только в Канаде. Там же построен самый крупный ортогональный ветроагрегат мощностью 4 МВт. Сведений о его эксплуатации не имеется. ВЭУ других типов в настоящее время в мире не используются.

Потенциал использования энергии ветра достаточно велик - подсчитано, что длительность действия энергетического потока ветра составляет от 2000 до 5000 часов в год в зависимости от места положения, диаметра ветрового колеса и высоты его оси над землей. Ветроэнергетика достаточно активно развивается в  ряде стран Западной Европы, Азии и США. За период с 1995 по 2004 гг. мировой рынок ветровых энергетических турбин рос ежегодно в среднем на  40%. В 2001 г. генерирующие мощности в мире выросли почти на 30%. Из крупных энергетических компаний интерес к подобным установкам проявляет «Шелл».

 Ветроэнергетика в России

Энергетические ветровые зоны в нашей стране расположены, в основном, на побережье и островах Северного Ледовитого океана от Кольского полуострова до Камчатки, в районах Нижней и Средней Волги и Каспийского моря, на побережье Охотского, Баренцева, Балтийского, Черного и Азовского морей. Отдельные ветровые зоны расположены в Карелии, на Алтае, в Туве, на Байкале.

Максимальная средняя скорость ветра в этих районах приходится на осенне-зимний период - период наибольшей потребности в электроэнергии и тепле. Около 30% экономического потенциала ветроэнергетики сосредоточено на Дальнем Востоке, 14% - в Северном экономическом районе, около 16% - в Западной и Восточной Сибири.

По оценкам экспертов, валовой ветровой потенциал России составляет 80*1015  кВт.ч/год, технический ветровой потенциал - 6,2*1015 кВт.ч/год, экономический ветровой потенциал - 40*10 9 кВт.ч/год.

70% территории России, где проживает 10% населения, находятся в зонах децентрализованного энергоснабжения, которые практически совпадают с зонами потенциально реализуемого ветропотенциала (Камчатка, Магаданская область, Чукотка, Сахалин, Якутия, Бурятия, Таймыр и др.). Это делает целесообразным использование ВЭУ для обеспечения электроэнергией автономных потребителей.

 Действующие, строящиеся и проектируемые ВЭС

В 1992-1994 гг. было начато строительство Калмыцкой ВЭС мощностью 22МВт (АО «Калмэнерго»), Заполярной ВЭС мощностью 2,5МВт (АО «Комиэнерго»), Куликовской ВЭС мощностью 5,1 МВт (АО «Янтарьэнерго») и др. Строительство Калмыцкой и Заполярной ВЭС на базе отечественных установок с 1997 г. практически прекращено из-за отсутствия финансирования.

В настоящее время построены и действуют на немецком и датском оборудовании Маркинская ВЭС (АО «Ростовэнерго»), ВЭС на о.Беринга (АО «Камчатэнерго») и Куликовская ВЭС (АО «Янтарьэнерго»).

Куликовская ВЭС. Первый агрегат пущен в мае 1998 г., последний - в июне 2002 г. Затраты на сооружение: по оборудованию - $924/кВт.ч, по капвложениям - $2158/кВт.ч. За период с 1 сентября 1999г. по 1 сентября 2002г. ВЭС выработала 6058,8 тыс. кВт.ч электроэнергии. Эксплуатационный персонал отмечает проблемы ремонта узлов ветроагрегатов, конструкция которых предусматривает только блочную замену, а также сложности организации сервисного обслуживания с привлечением датских фирм.

Анадырская ВЭС (Чукотский АО). Сроки проектирования и строительства: январь 2001 - октябрь 2002 гг. Пуск на полную мощность - июль 2003 г. Мощность станции - 2,5 МВт. Установлено 10 ветроагрегатов типа АВЭ-250 отечественного производства для северных условий. Среднегодовая скорость ветра - 6,5 м/с, максимальная - 52 м/с. За период с 1 июля 2003г. по 1 апреля 2004г. выработано 2370,68 кВт.ч электроэнергии. Подтверждена работоспособность ветроагрегатов при скоростях ветра от 4,8 м/с до 30 м/с и при температурах до -42 градусов, при параллельной работе ВЭС (70% мощности) и ДВС (30% мощности).

 Государственная поддержка ВЭС: зарубежный опыт

В странах, которые развивают ветроэнергетику, уже давно отработаны механизмы развития этой, пока еще нетрадиционной и во многом экспериментальной, отрасли энергетики.

В США, где  значительные количества ветроэнергии можно получать в районе Великих озер, на Восточном побережье и особенно на цепочке Алеутских островов, поддержка ветроэнергетики и других возобновляемых источников энергии осуществляется на федеральном и местном (штат, город) уровнях. Штаты Нью-Йорк, Висконсин, Мичиган и Пенсильвания используют механизмы государственной закупки возобновляемой электроэнергии как средство стимулирования и поддержки источников чистой энергии. В штате Нью-Йорк государственная закупка чистой энергии по итогам 2005 г. может составить 10%, к 2010 г. - 20%.В Пенсильвании государственная закупка уже в течение нескольких лет составляет 5%. Существует система государственных доплат за выработанную ВЭУ энергию (1,5 цента за кВт.ч).

В Австралии на каждый выработанный на возобновляемых источниках энергии МВт выдается сертификат. По итогам финансового года за каждый отсутствующий сертификат взимается штраф в размере около $21. Принятым в Германии законом об использовании возобновляемых источников энергии в течение первых пяти лет эксплуатации предусмотрена фиксированная стоимость энергии, отпускаемой ВЭС потребителю на уровне около 0,09 евро/кВт.ч. Величина квот на возобновляемую энергию в Великобритании составляет 3% от годового объема и возрастет до 10% к 2010 г.

Для поддержки начинаний в области ВИЭ в Индии создано министерство нетрадиционных источников энергии. При нем организован фонд субсидирования и выдачи кредитов для строительства объектов ВИЭ. Кредит выдается на 6 лет с освобождением от выплаты процентов на 1 год. Для объектов ветроэнергетики введены такие льготы: освобождение от налога на прибыль на первые 5 лет после сооружения, разрешение на списание 100% стоимости ВЭС через год эксплуатации, гарантированная стоимость продажи энергии, вырабатываемой ВЭС, в размере $0,07-0,08/кВт.ч.

Прекращение с 2002 г. государственных дотаций на производство электроэнергии ВЭС в Дания - привело к существенному сокращению производства ВЭУ и строительства ветроэнергетических станций.

В странах с достаточно развитой ветроэнергетикой принят ряд мер, стимулирующих работы в этом направлении. В Германии, США, Дании, Испании введена обязательность покупки для энергосистемы энергии ВЭС в режиме естественного ветра.  В Германии, США, Испании, Индии, Нидерландах, Англии существуют налоговые льготы на производство оборудования и создание ВЭС, государственные и региональные инвестиции в создание новых типов оборудования и создание ВЭС, государственные гарантии для инвесторов.

В России закон о возобновляемых источниках энергии до сих пор не принят.