Ветроэнергетика в Крыму начала свой путь в теории с 1918, а в практике в 1931 и это уже была самая крупная в мире ветроэлектроэлектростанция на плато Ай-Петри над Ялтой. Сегодня ветроэнергетика в Крыму остается областью споров, проб и ошибок.
Небольшой обзор, скорее для экскурсоводов и вдумчивых туристов по материалам научно-популярных изданий (с сокращениями).
Токи ветров
Валерий Чумаков
К началу 20 века в вопросе использования энергии ветра Россия была в числе самых передовых стран. У нас крутилось более 250 тысяч ветряных мельниц, а их общая мощность зашкаливала за гигаватт. В 1918 году русский профессор В. Залевский создал «полную теорию ветряных мельниц».
В теории был сформулирован ряд требований к эффективной ветроустановке. Чуть позже другой известный русский ученый, Николай Жуковский, организовал в основанном им Центральном аэрогидродинамическом институте (ЦАГИ) отдел ветровых двигателей.
Вместе с эрой электричества начиналась и эпоха нефти. Со временем стало понятно, что и пшеницу молоть, и воду качать гораздо удобнее и выгоднее с помощью установок, работающих не на переменчивом ветре, а на надежных и дешевых угле и солярке. К середине 1920-х годов в СССР численность ветряных мельниц сократилась в три раза.
Впрочем, совсем отказаться от энергии ветра человек был еще не готов. В 1931 году недалеко от Ялты заработала спроектированная ЦАГИ крупнейшая в мире промышленная ветровая электростанция (ВЭС) Д-30 мощностью 100 кВт. В 1934 году под руководством Ю.В. Кондратюка был подготовлен проект гигантской 12-мегаваттной ВЭС на горе Ай-Петри с башней высотой 165 метров и двумя 80-метровыми ветроколесами, размещенными на двух уровнях. Идею поддержал лично нарком Орджоникидзе, и уже в 1936 году в Крыму начались строительные работы. Однако на следующий год, после кончины Орджоникидзе, противники Кондратюка добились сокращения проекта до одноуровневой 5-мегаваттной установки, а в 1938 году Главэнерго принимает решение прекратить строительство и вообще свернуть любые работы по созданию мощных ВЭС. Все, что осталось от замысла крымской ветровой суперэлектростанции — опыт проектирования огромной железобетонной башни, удерживаемой изнутри натянутыми стальными тросами. Спустя три десятка лет эти расчеты пригодились в ходе проектирования Останкинской телебашни.
Малые ветрогенераторы (до 30 кВт) продолжали производить. В СССР в 1950-е годы их делали по 9000 штук в год, в основном для северных поселков и целинных земель. Тогда же на целине была построена первая ветродизельная электростанция (ВДЭС) мощностью 400 кВт.
Окончательно интерес энергетиков к ветру пропал к началу 1960-х. «Нефтяное» электричество было настолько дешевым и удобным, что тягаться с ним стало сложно. Хотя ветер и оставался бесплатным энергоресурсом, производство из него электричества вовсе не отличалось дешевизной. С учетом 20— 30-летнего срока службы ветроустановок себестоимость электроэнергии доходила на рубеже 1970-х и 1980-х годов до 40 центов за киловатт-час. А тот же киловатт-час, снимаемый с обычной теплоэлектростанции (ТЭС), стоил менее 4 центов.
Между тем еще в начале 1970-х человечество испытало первый нефтяной кризис. Случилось это 16 октября 1973 года во время конфликта Израиля с Сирией и Египтом, получившего название Войны Судного дня. В тот день арабские страны объявили, что не будут продавать нефть государствам, поддерживающим Израиль. И уже к вечеру цены на «черное золото» подскочили с 3 до 5 долларов за баррель (чуть меньше 160 литров), а за следующий год цены выросли до 12 долларов. В результате, хотя Израиль победил в вооруженном конфликте, оказалось нелегко определить, кто же в итоге извлек из него больше выгоды. Ведь именно тогда арабские страны почувствовали, что, используя цены на нефть, могут управлять почти всем миром.
Тот факт, что от нефтяной зависимости необходимо освобождаться, стал очевиден уже во время первых кризисов, поэтому к началу 1980-х годов исследования и разработки в области альтернативной энергетики были расконсервированы и продолжены.
Главным источником ветровой энергии на нашей планете, как и двигателем большинства других земных процессов, служит самая близкая к нам звезда — желтый карлик по имени Солнце. Именно его излучение, неравномерно нагревая планету, создает в ее атмосфере зоны различного давления. Воздух стремится перетечь из зоны высокого давления в зону низкого. Эти перемещения образуют крупномасштабные воздушные течения, которые называются ветром. Принято считать, что он «начинается» со скорости движения воздуха 0,6 м/с. Все, что находится ниже этой черты, определяется как штиль. Однако ветровая энергетика более требовательна, для нее необходима скорость ветра не ниже 5—6 м/с. Лишь при такой скорости ветрогенераторы начинают вырабатывать энергию надлежащего качества. Оптимальной считается сила ветра 14—17 м/с. У поверхности земли такие скорости бывают нечасто, поэтому ветряки устанавливаются на башни высотой десятки метров.
Современные ветродвигатели делятся на два основных типа:
- карусельные, с вертикальной осью вращения,
- крыльчатые — с горизонтальной.
Крыльчатые ветряки имеют более привычный вид, напоминающий старые мельницы, только лопастей у них меньше. Строители старинных неторопливо крутящихся ветряков старались сделать побольше «крыльев», чтобы лучше использовать силу ветра. Однако эффективность растет с числом лопастей нелинейно: четыре лопасти не будут вдвое эффективнее, чем две.
Основным параметром, влияющим на мощность установки, является длина лопастей. Она доходит до 60 метров, а то и больше в отдельных случаях. Их длина ограничена скоростью движения концов лопастей, которая не должна превосходить примерно треть скорости звука. К тому же по расчетам инженеров корпорации Boeing, ведущей компании по производству лопастей для промышленных ветрогенераторов, при диаметре ротора более 120 метров растет риск того, что разновысотные ветры просто разнесут дорогую установку.
Что и произошло с ветроустановкой на горе Ай-Петри. От ветрогенератора осталась только башня.
В карусельных ветряках такая система не нужна, и это одно из главных их преимуществ. Работа такой установки не зависит от направления ветра, а высота не ограничена теми максимальными 120 метрами, что останавливают проектировщиков крыльчатых установок. Вдобавок карусельные ветряки начинают работать при значительно меньшей скорости ветра, чем крыльчатые.
Устанавливаемый на крыше бытовой ветряк дает мощность до 1,5 кВт.
Однако при всех плюсах карусельных ветряков коэффициент полезного использования силы ветра у крыльчатых конструкций пока значительно выше, поэтому и распространены они гораздо шире. Сейчас на их долю приходится более 90% всех промышленных энергоустановок в мире.
Ветровых генераторов построено уже немало. Одна только датская фирма Vestas Danich Wind Technology с начала 1980-х годов возвела по всему миру более 11 тысяч ВЭС. На Западе ветровая энергетика входит в число самых быстрорастущих отраслей энергодобычи. По данным Всемирной ветроэнергетической ассоциации (WWEA), суммарная установленная мощность ВЭС в мире увеличивается на 25—27% в год и в конце 2007-го достигла 94 ГВт — это примерно 1,3% от всего объема потребляемой человеком энергии.
В некоторых странах, например в Дании, доля ветровой энергетики составляет более 20%. А в Испании 22 марта 2008 года дули такие сильные ветра, что местные ВЭС обеспечили в тот день 40,6% всего энергопотребления страны.
Безусловным лидером ветроэнергетики является Германия, где установлено более 22 ГВт ветровых мощностей. Здесь работают и самые крупные в мире ветрогенераторы мощностью 6 МВт (компания Enercon, 2005 год) и 5 МВт (REpower Systems, 2004 год). Высота башни 5-мегаваттного исполина составляет 120 метров, диаметр ротора — 126 метров, а гондола (верхняя часть установки, включающая турбину и генератор) весит более 200 тонн. В пятерку лидеров ветроэнергетики входят также США (16,8 ГВт), Испания (15,1 ГВт), Индия (7,9 ГВт) и Китай (6 ГВт).
Применение современных технологий, постройка новых мощных генераторов и государственная поддержка позволили значительно снизить себестоимость электричества, производимого на ветряках. Например, в США она составляет 5 центов за киловатт-час при средней скорости ветра 7 м/с и 3 цента при скорости ветра 9 м/с. Это меньше себестоимости электричества, производимого на ТЭС (в тех же США — 4,5—6 центов за киловатт-час).
Однако перед ветроэнергетикой стоят еще и другие проблемы неэкономического характера. Главный ее недостаток — непостоянство. Ветер, как известно, то дует, то нет. И дует отнюдь не равномерно: то слабо, то сильно, то порывами.
Поэтому если ветряк обслуживает какой-то конкретный объект, к нему приходится добавлять целый комплекс аппаратуры.
- Во-первых — инвертор, который преобразует полученную энергию в ток промышленного качества (для России — 220 В, 50 Гц).
- Во-вторых — батарею аккумуляторов для выравнивания мощности.
- В-третьих — резервный дизель-генератор на случай длительного безветрия. Добавление всех этих агрегатов, которые значительную часть времени будут простаивать, увеличивает себестоимость производимой энергии в 2—3 раза.
Поэтому лучший выход — подключение ветрогенераторов к единой энергетической системе. Тогда нехватка электричества от одного ветрогенератора будет компенсироваться избытком от другого, а в случае обширного штиля — усиленной работой прочих участников процесса энергопроизводства.
Вторая проблема — относительно низкая интенсивность. Средний промышленный ветрогенератор выдает порядка 1 МВт электрической мощности. На площади в 1 км2 можно разместить десяток-другой таких установок, только тогда они не будут мешать работе друг друга. С учетом непостоянства ветров с 1 км2 можно снимать в среднем 5—10 МВт электроэнергии, а для получения 1 ГВт понадобится площадь 100—200 км2.
Для сравнения: Курская АЭС мощностью 4 ГВт вместе со всеми вспомогательными сооружениями и даже с рабочим поселком занимает площадь 30 км2.
Стандартный способ решения этой проблемы — отведение под ВЭС пустующих земель либо использование пустующей территории ВЭС для выращивания сельскохозяйственных культур. Проще говоря, сдача их в аренду фермерам по сниженным ценам.
- примечание от Игоря Русанова "аэро-овцеводческое хозяйство" это идея профессора Гинзбурга для плато Ай-Петри. "Весной 1940 года известный ученый, академик архитектуры Моисей Гинзбург дал интервью газете "Красный Крым", подробно рассказав, каким будет Южный берег. И ведь на тот момент под мечтой были реальные основания, на нее даже выделили деньги. В общем, закройте глаза и представьте... От Массандры до окраины нынешней Алупки, носившей имя Сара (от одноименной речки), протянулся сплошной пояс санаториев, домов отдыха, курортных отелей и пансионатов. Вся Массандра — один большой противотуберкулезный санаторий, над Ливадией также располагаются до 8 таких здравниц. Широкий пояс зелени отделяет их от остальных курортных учреждений. Ялта и Мисхор стали центрами по лечению нервно-соматических болезней, а вся Алупка — детским курортом. Рядом с санаториями появились коттеджи, где размещаются вместе с семьями пациенты, здоровье которых требует долгого пребывания в Крыму. Между Симферополем и Cимеизом курсирует электричка. "В комфортабельных отделанных вагонах курортники совершат замечательное путешествие по Крыму. У Алушты поезд выйдет к Черному морю, отсюда по горным карнизам на высоте 180–200 метров поезд промчится через Гурзуф, Ялту, Алупку", — рисовал будущее академик Гинзбург. Это дорога не единственная: параллельно ей протянуты еще 4 ветки. Быстроходные катера курсируют между городами и поселками Южного берега, а многочисленные фуникулеры (до 10), эскалаторы и подвесная дорога сделали доступными любой уголок... Из всех планов реальностью стала лишь канатная дорога."
- Но и в проекте Солнечной электростанции у Казантипского залива 1980-х годов предусматривалось использование территории для выпаса овец.
Находиться рядом с действующим ветряком не слишком комфортно, поскольку он изрядно шумит. В этом и состоит третья проблема. Непосредственно рядом с гондолой мощного ветрогенератора интенсивность шума может достигать 100 дБ, как на станции метро, на которую прибывают сразу два поезда. У подножия башни шум составляет около 60 дБ, как на улице большого города. Чтобы снизить его до приемлемого уровня в 35—45 дБ, характерного для тихой улицы или городского двора, практически во всех странах, где применяются промышленные ветряки, законом установлено, что расстояние от них до ближайшего жилья должно быть не менее 300 метров.
Кроме шума есть и другие проблемы, связанные с близким соседством ветрогенераторов и населенных пунктов. Когда в 1986 году англичане установили на Оркнейских островах экспериментальный ветродвигатель, местные жители стали жаловаться на то, что он мешает им смотреть телевизор. Снабженные металлическими молниеотводами лопасти генератора создавали мощнейшие помехи для телевизионного сигнала. Пришлось устанавливать на острове дополнительный телевизионный ретранслятор. А жители города Бун (США), возле которого в 1980 году построили ВЭС мощностью 2 МВт, стали жаловаться, что у них в шкафах гремит посуда, а с полок падают горшки с цветами. Оказалось, что станция при работе, кроме обычного акустического шума, производила еще и инфразвук частотой 6—7 Гц, неощутимый человеческим ухом, но создающий вибрацию и вообще небезопасный для организма. От этой проблемы почти полностью удалось избавиться путем доработки лопастей генераторов.
Между прочим, ремонт ВЭС — тоже непростая задача. Лопасти и генератор весом в десятки и сотни тонн надо поднимать на башню высотой 80 метров — почти 30-этажный дом. Помогают в этом деле специальные краны, изначально встроенные в башни многих современных ветроэнергетических установок. Есть и другие проблемы: попадание птиц в лопасти работающих агрегатов, небольшие изменения микроклимата в районах крупных ВЭС, опасность пожара установки от трения деталей, привлекательность башен для молний и, наконец, изменение пейзажа.
Сегодня во многих развитых странах приняты специальные законы, поддерживающие дело строительства ветрогенераторов. Для компаний, которые решаются вложить деньги в это полезное дело, предусмотрены льготное налогообложение и высокая цена покупки электричества государством, снижена арендная ставка на землю, упрощена процедура подключения к общей энергетической системе. В результате подавляющее большинство ВЭС в мире строится сегодня на деньги частных инвесторов.
В списке 75 стран, в энергосистемы которых входят ВЭС, Россия занимает пятидесятое место. Это в 1350 раз меньше, чем в Германии, в 5,5 раза меньше, чем на Украине (89 МВт) и даже в 2 раза меньше мощностей карликового государства Люксембург (35,3 МВт), по площади сравнимого с городским округом Сочи. Следом за Россией в этом списке обозначены Кооперативная Республика Гайана (13,5 МВт) и заморская территория Нидерландов в Карибском море — Кюрасао (12 МВт).
Это тем более обидно, что экономический потенциал у российской ветроэнергетики огромен. По подсчетам специалистов, он составляет 260 миллиардов киловатт-часов в год, то есть почти треть производства электроэнергии, вырабатываемой всеми электростанциями страны. Крупнейшая в России Куликовская ВЭС в Калининградской области была запущена в 2002 году. Ее мощность сегодня составляет 5,1 МВт, за год она выдает в среднем 6 миллионов киловатт-часов электроэнергии. Кроме того, работают Анадырская ВЭС (2,5 МВт), ВЭС у деревни Тюпкильды (Башкортостан, 2,2 МВт) и несколько мелких электростанций мощностью до 1,5 МВт.
Существует и специально принятая «Программа развития ветроэнергетики РАО ЕЭС России», проработаны и приняты программы строительства крупных ВЭС. Некоторые из них даже начали строить. В 20 километрах от Элисты заложена площадка Калмыцкой ВЭС с планируемой мощностью 22 МВт, существуют проекты Ленинградской ВЭС (75 МВт), Морской ВЭС (Карелия, 30 МВт), Приморской ВЭС (30 МВт), Магаданской ВЭС (30 МВт), Чуйской ВЭС (Алтай, 24 МВт), Усть-Камчатской ВДЭС (16 МВт) и так далее. В 2005 году совместно с датской фирмой Ramboll и Датским энергетическим управлением было начато строительство Морского ветропарка мощностью 50 МВт в Калининградской области.
По законам Российской Федерации экологически чистые ВЭС ничем не отличаются от ТЭС или АЭС. Они облагаются теми же налогами, их совсем не просто встроить в общую энергосистему, а хозяева должны сами обустраивать инфраструктуру, подводить ЛЭП, оборудовать подъездные пути и прочее. В результате ВЭС в России используется недостаточно эффективно (пример тому Куликовская ВЭС со средней энергоотдачей 13% от установленной мощности), и, как следствие, ветровой киловатт-час обходится в полтора раза дороже атомного.
=========================
В мае 2005 года климатологи Кристина Арчер и Марк Джекобсон из Университета Стэнфорда составили глобальную планетную карту ветров на высоте 80 метров. По словам ученых, энергия ветров планеты более чем в 100 раз превышает энергию ее рек. Пользуясь новой картой, современные ветроэнергетики могут теперь выбирать самые ветреные участки для строительства своих установок.
В России наиболее перспективны в этом смысле районы Обской губы, Кольского полуострова, прибрежная полоса Дальнего Востока. Средняя скорость ветра здесь держится на уровне 11—12 м/с. Есть у нас и более ветреные места. Например, на островах, расположенных рядом с Владивостоком, на высоте 150 метров скорость ветра никогда не опускается ниже 11 м/с. А ведь 150 метров — это 50-метровая башня на 100-метровом холме.
Но ветряк можно поднять и выше. Причем для этого вовсе не обязательно строить гигантские башни. Компания Magenn Power, например, планирует для этого просто скрестить карусельный ветряк с дирижаблем. То есть использовать в качестве оси вращения ротора заполненный гелием аэростат. Предложенная конструкция, получившая рабочее название MARS (Magenn Power Air Rotor System), поднимается на высоту около 300 метров, где средняя скорость ветра может доходить до 20 м/с, и там уже вращается, передавая вырабатываемый ток по кабелю на землю. У такой конструкции есть целый ряд преимуществ. Она практически не занимает места на земле, мобильна, да и шума от нее особого нет.
Профессор Брайан Робертс из Сиднейского технологического университета и американская компания Sky WindPower предлагают поднять их еще выше — на 4,5 километра. Установка FEG (Flying Electric Generators) внешне напоминает вертолет с четырьмя несущими винтами. Для полета она использует принцип воздушного змея, рабочую поверхность которого как раз и составляют эти четыре винта, они же — роторы ветрогенераторов. По расчетам, стоимость производимого FEG электричества не превысит 2 центов за киловатт-час. Уменьшенная модель аппарата уже прошла успешные испытания, и сейчас разработчики ищут инвестора, готового заплатить 3 миллиона долларов за первый промышленный экземпляр. Что называется, бросить деньги на ветер. В самом прямом и выгодном смысле.
Добавить новый отзыв