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)
Необходимость длительной бесперебойной работы потребителей (требуется применение дизель-генератора)
В настоящее время наиболее экономически целесообразно получение с помощью ветрогенераторов не электрической энергии промышленного качества, а постоянного или переменного тока (переменной частоты) с последующим преобразованием его с помощью ТЭНов в тепло, для обогрева жилья и получения горячей воды. Эта схема имеет несколько преимуществ:
Отопление является основным энергопотребителем любого дома в России.
Схема ветрогенератора и управляющей автоматики кардинально упрощается.
Схема автоматики может быть в самом простом случае построена на нескольких тепловых реле.
В качестве аккумулятора энергии можно использовать обычный бойлер с водой для отопления и горячего водоснабжения.
Потребление тепла не так требовательно к качеству и бесперебойности: температуру воздуха в помещении можно поддерживать в широких диапазонах 19—25 °C, а в бойлерах горячего водоснабжения 40—97 °C без ущерба для потребителей.
Экологические аспекты ветроэнергетики
Ветрогенератор мощностью 1 МВт сокращает ежегодные выбросы в атмосферу 1800 тонн СО2, 9 тонн SO2, 4 тонн оксидов азота.
По оценкам Global Wind Energy Council к 2050 году мировая ветроэнергетика позволит сократить ежегодные выбросы СО2 на 1,5 миллиарда тонн.
Ветряные энергетические установки производят две разновидности шума:
механический шум — шум от работы механических и электрических компонентов (для современных ветроустановок практически отсутствует, но является значительным в ветроустановках старших моделей)
аэродинамический шум — шум от взаимодействия ветрового потока с лопастями установки (усиливается при прохождении лопасти мимо башни ветроустановки)
В настоящее время при определении уровня шума от ветроустановок пользуются только расчётными методами. Метод непосредственных измерений уровня шума не дает информации о шумности ветроустановки, так как эффективное отделение шума ветроустановки от шума ветра в данный момент невозможно.
Источник шума Уровень шума, дБ
Болевой порог человеческого слуха 120
Шум турбин реактивного двигателя на удалении 250 м 105
Шум от отбойного молотка в 7 м 95
Шум от грузовика при скорости движения 48 км/ч на удалении в 100 м 65
Шумовой фон в офисе 60
Шум от легковой автомашины при скорости 64 км/ч 55
Шум от ветрогенератора в 350 м 35—45
Шумовой фон ночью в деревне 20—40
В непосредственной близости от ветрогенератора у оси ветроколеса уровень шума достаточно крупной ветроустановки может превышать 100 дБ.
Примером подобных конструктивных просчётов является ветрогенератор Гровиан. Из-за высокого уровня шума установка проработала около 100 часов и была демонтирована.
Законы, принятые в Великобритании, Германии, Нидерландах и Дании, ограничивают уровень шума от работающей ветряной энергетической установки до 45 дБ в дневное время и до 35 дБ ночью. Минимальное расстояние от установки до жилых домов — 300 м.
Низкочастотные колебания, передающиеся через почву, вызывают ощутимый дребезг стекол в домах на расстоянии до 60 м от ветроустановок мегаваттного класса.
Как правило, жилые дома располагаются на расстоянии не менее 300 м от ветроустановок. На таком расстоянии вклад ветроустановки в инфразвуковые колебания уже не может быть выделен из фоновых колебаний.
При эксплуатации ветроустановок в зимний период при высокой влажности воздуха возможно образование ледяных наростов на лопастях. При пуске ветроустановки возможен разлет льда на значительное расстояние. Как правило, на территории, на которой возможны случаи обледенения лопастей, устанавливаются предупредительные знаки на расстоянии 150 м от ветроустановки.
Кроме того, в случае легкого обледенения лопастей были отмечены случаи улучшения аэродинамических характеристик профиля.
Визуальное воздействие ветрогенераторов — субъективный фактор. Для улучшения эстетического вида ветряных установок во многих крупных фирмах работают профессиональные дизайнеры. Ландшафтные архитекторы привлекаются для визуального обоснования новых проектов.
В обзоре, выполненном датской фирмой AKF, стоимость воздействия шума и визуального восприятия от ветрогенераторов оценена менее 0,0012 евро на 1 кВт·ч. Обзор базировался на интервью, взятых у 342 человек, живущих поблизости от ветряных ферм. Жителей спрашивали, сколько они заплатили бы за то, чтобы избавиться от соседства с ветрогенераторами.
Турбины занимают только 1 % от всей территории ветряной фермы. На 99 % площади фермы возможно заниматься сельским хозяйством или другой деятельностью[28], что и происходит в таких густонаселённых странах, как Дания, Нидерланды, Германия. Фундамент ветроустановки, занимающий место около 10 м в диаметре, обычно полностью находится под землёй, позволяя расширить сельскохозяйственное использование земли практически до самого основания башни. Земля сдаётся в аренду, что позволяет фермерам получать дополнительный доход. В США стоимость аренды земли под одной турбиной составляет $3000-$5000 в год.
Источник энергии Удельный показатель площади земельного участка, требующейся для производства 1 млн кВт·ч за 30 лет
Геотермальный источник 404
Ветер 800—1335
Фотоэлектрический элемент 364
Солнечный нагревательный элемент 3561
Уголь 3642
Вред, наносимый животным и птицам
Причины гибели птиц (из расчёта на 10 000) штук
Дома/ окна 5500
Кошки 1000
Другие причины 1000
ЛЭП 800
Механизмы 700
Пестициды 700
Телебашни 250
Ветряные турбины Менее 1
Популяции летучих мышей, живущие рядом с ВЭС на порядок более уязвимы, нежели популяции птиц. Возле концов лопастей ветрогенератора образуется область пониженного давления, и млекопитающее, попавшее в неё, получает баротравму. Более 90 % летучих мышей, найденных рядом с ветряками обнаруживают признаки внутреннего кровоизлияния. По объяснениям учёных, птицы имеют иное строение лёгких, а потому более резистентны к резким перепадам давления и страдают только от непосредственного столкновения с лопастями ветряков[30].
В отличие от традиционных тепловых электростанций, ветряные электростанции не используют воду, что позволяет существенно снизить нагрузку на водные ресурсы.
Металлические сооружения ветроустановки, особенно элементы в лопастях, могут вызвать значительные помехи в приёме радиосигнала. Чем крупнее ветроустановка, тем большие помехи она может создавать. В ряде случаев для решения проблемы приходится устанавливать дополнительные ретрансляторы.
Заключение
К 2030 году ожидается рост энергопотребления как минимум в полтора раза по сравнению с показателями этого года. Это определено скорректированным вариантом генеральной схемы размещения объектов электроэнергетики в соответствии с долгосрочным прогнозом спроса на электроэнергию.
Для этого потребуется дополнительно построить не менее половины от существующих мощностей - примерно 100 ГВт. Учитывая, что износ действующих мощностей составляет более 60%, то объем вводов и модернизации старых мощностей необходимо удвоить. Возникает вопрос: на какие типы станций следует делать ставку в ближайшие 20 лет в России?
Европейский союз уже сформулировал стратегию по развитию собственной энергетики: к 2020 году в каждой стране ЕС не менее 20% энергии должно вырабатываться с использованием возобновляемых источников энергии. Нередко их именуют альтернативными. Имеется в виду, что они способны заменить собой энергетику, работающую на органическом топливе (газ, уголь, нефтепродукты). Как правило, выделяют следующие основные источники альтернативной энергии: энергия ветра, солнечная энергия, энергия воды (кроме гидроаккумулирующих элеткростанций), геотермальная энергия, низкопотенциальная тепловая энергия земли, биомасса и биогаз.
Политика ЕС как раз и направлена на максимальное использование потенциала этих источников. Логика принятия решений понятна: с одной стороны, ужесточаются экологические требования, что сделает альтернативную энергетику в недалеком будущем конкурентоспособной по отношению к традиционной, с другой стороны, страны Евросоюза стремятся диверсифицировать энергетические потоки и стать более независимой. А что происходит с возобновляемыми источниками энергетики (ВИЭ) в России?
Существует ряд нормативно-правовых актов по стимулированию развития ВИЭ в России: от ФЗ "Об электроэнергетике", определяющий понятие и виды ВИЭ, устанавливающий полномочий Правительства РФ в этой сфере, закладывающий основы государственной поддержки ВИЭ, до распоряжения Правительства РФ от 08.01.2009 N1-р "Основные направления государственной политики в сфере повышения энергетической эффективности электроэнергетики на основе ВИЭ на период до 2020 г.". В этих документах содержатся целевые показатели объема производства и потребления электроэнергии, произведенной на ВИЭ. Однако эти цифры не столь амбициозны, как в Европе: к 2020 году установлен ориентир в 4,5%. Почему так мало?
Во-первых, стоимость строительства таких объектов в несколько раз дороже, чем традиционных тепловых станций, работающих на газе. Дело в том, что практически все оборудование для ВИЭ импортное и зависит от курса национальной валюты. Во-вторых, отечественные электрические сети не приспособлены для работы с подобными объектами. Зачастую из-за различных условий использования источников энергии (солнечной активности, ветра) энергия не может вырабатываться постоянно: в среднем такие станции могут работать на 30-40% от своего максимального значения. Поэтому необходимо постоянно планировать под них существенные резервы мощностей, которые могли бы задействоваться при перерывах в работе ВИЭ. В третьих, отсутствует реальная государственная поддержка объектов альтернативной энергетики. В ЕС государство напрямую дотирует производство с использованием альтернативных источников энергии каждого киловатт-часа, кроме того, генерирующие компании субсидируются на протяжении периода окупаемости проекта. В США применяются иные меры стимулирования, включающие налоговые льготы и инвестиционные кредиты.
Сегодня в России также ведется активная подготовка к принятию нормативно-правовых актов по поддержке развития ВИЭ с учетом западного опыта.
Логика развития такова: возобновляемые источники энергии экономически эффективнее развивать вблизи центров их потребления. За счет экономии на прокладку сетевой инфраструктуры (электрических и газовых сетей) достигается достаточно неплохие параметры стоимости строительства, которые соизмеримы со всеми затратами по доставке энергии от "большой" энергетики.
С учетом надбавок для генерации ВИЭ такие проекты должны быть выгодны для инвесторов. Переход к возобновляемым источникам энергии в ближайшее время будет только усиливаться с учетом перманентного роста стоимости энергоресурсов и электроэнергии. Более того, в перспективе к 2020 году стоимость выработки электроэнергии на традиционных установках и с использованием ВИЭ должны сравняться. В свою очередь, массовое внедрение этих технологий способствует их дальнейшему удешевлению, что дает новые возможности для компаний, планирующих инвестировать в ВИЭ, и предприятий, планирующих снизить энергопотребление за счет энергосберегающих мероприятий и собственной генерации на такие источники.
В каких сегментах альтернативной энергетики у России есть конкурентные преимущества? Безусловно, наша страна обладает одним из огромных потенциалов в ветровой генерации, энергии приливов и отливов. Однако, на мой взгляд, целесообразно развивать только те проекты в сфере альтернативной энергетики, в которых у российского машиностроения и других связанных с ВИЭ отраслей есть конкурентные преимущества перед иностранными производителями. Если проанализировать данные проекты по их экономической эффективности, то на первый план выходит такой источник энергии как биомасса. Россия обладает самыми масштабными запасами биомассы в мире, в первую очередь по лесным ресурсам. Поэтому разумнее было бы создавать механизмы поддержки именно в этой сфере.
Кроме того, альтернативная энергетика требует пересмотра политики развития и сетевой инфраструктуры. В первую очередь это касается проектов в сфере внедрения интеллектуальных сетей (smart gid) на высоком классе напряжения (ЕНЭС) и распределительных сетях. Такое комплексное развитие всех направлений энергетики позволит сделать этот процесс более устойчивым в будущем. Любая альтернатива в конечном итоге должна укладывать в базис развития энергетики на длительную перспективу.
Список литературы
1. Алексеев Б.А. Международная конференция по ветроэнергетике / Электрические станции. 1996. №2.
2. Безруких П.П. Экономические проблемы нетрадиционной энергетики / Энергия: Экон., техн., экол. 1995. №8.
3. Богуславский Э.И., Виссарионов В.И., Елистратов В.В., Кузнецов М.В. Условия эффективности и комплексного использования геотермальной солнечной и ветровой энергии // Международный симпозиум “Топливно-энергетические ресурсы России и др. стран СНГ". Санкт-Петербург, 1995.
4. Дьяков А.Ф., Прокуроров Н.С., Перминов Э.М. Калмыцкая опытная ветровая электростанция / Электрические станции 1995. № 2.
5. Логинов В.Б. Новак Ю.И. Высокоэффективные ветроэнергетические установки / Проблемы машиностроения и автоматизации. 1995. №1-8.
6. Селезнев И.С. Состояние и перспективы работ МКБ "Радуга" в области ветроэнергетики / Конверсия в машиностроении. 1995. №5.
7. Соболь Я.Г. "Ветроэнергетика" в условиях рынка (1992-1995 гг.) / Энергия: Экон., техн. экол. 1995. №11.
