ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЕ ИСТОЧНИКИ ЭНЕРГИИ

ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА

13.1. НЕМНОГО ИСТОРИИ

Энергию ветра использовали с древних времен. Раньше всего человек научился делать парусные лодки, двигавшиеся за счет энергии ветра. В Древней Персии ветроколеса широко применялись для помола зерна. После арабских завоевательных походов эта технология распространилась по всему ис­ламскому миру и даже дошла до Китая.

В Европе ветротурбины появились в XI в. Два века спустя они стали играть важную роль в жизни европейских стран, особенно в Голландии.

В Америке ветроустановки широко использовались при освоении западных территорий для подъема воды из скважин и на лесопилках.

На первом этапе ветроустановки применялись для преобразования кинетиче­ской энергии ветра в механическую энергию на валу ветроколеса, которая затем приводила в действие определенные механизмы. Позже ветроустановки стали использоваться и для выработки электроэнергии.

Хотя ветер сам по себе несет бесплатную энергию, однако затраты на со­здание и эксплуатацию ветроустановки таковы, что стоимость вырабатываемой электроэнергии оказывается существенной. Освоение относительно дешевых технологий использования жидких органических топлив и природного газа тор­мозило разработки альтернативных источников энергии.

По окончании Второй мировой войны в связи с низкой стоимостью нефти интерес к ветроэнергетике резко упал. И лишь в 1973 г. после разразившегося нефтяного кризиса разработки ветроустановок вновь стали интенсивно вестись во многих странах мира. Бурное развитие разработок стимулировалось госу­дарственной поддержкой, налоговыми льготами. Накопленный опыт позволил добиться пятикратного снижения стоимости электроэнергии, вырабатываемой

ветроустановками, объединяемыми в так называемые ветровые фермы. Так, если в начале 1980 г. стоимость 1 кВт • ч электроэнергии от ветроустановок была в лучшем случае около 25 центов, то к 1996 г. в наиболее благоприятных условиях эксплуатации она снизилась до 5 центов. При этом, однако, следует отметить, что оценка величины стоимости электроэнергии зависит от принятых допущений и используемых расчетных моделей. Расчетная стоимость I кВт • ч определяется рядом факторов, указанных ниже:

1. Стоимостью капитальных затрат. Она обычно характеризуется удельным по­казателем — стоимостью I кВт установленной мощности. Сегодня она со­ставляет порядка 1000 долл./кВт. Удельные затраты на создание ветровых электростанций стали сопоставимыми с затратами на традиционные тепловые электростанции, работающими на ископаемом топливе, и на гидроэлектро­станции. Однако последние имеют коэффициент использования установлен­ной мощности не менее 50 %, тогда как КИУМ для ветроустановок состав­ляет всего около 20 %. Напомним, что КИУМ равен отношению количества электроэнергии, выработанной электростанцией за год при нормальных усло­виях работы, к максимально возможной выработке электроэнергии, которой можно было бы достичь, если бы станция работала непрерывно в течение года с установленной мощностью. Малое значение КИУМ для ветроустано­вок связано с изменчивостью интенсивности ветровых потоков.

При расчете удельных капитальных затрат необходимо учитывать стоимость самих денежных средств, обычно получаемых в банке в виде кредита под соответствующие проценты (см. § 1.12). Стоимость 1 кВт • ч произведенной электроэнергии чрезвычайно чувствительна к изменениям стоимости де­нежных средств, которая включает в себя стоимость кредита, налоговые и страховые отчисления и т. п. Влияние различных факторов рассматривается в задаче 13.17 в конце этой главы.

2. Стоимостью топлива, которая для ветроустановок и гидростанций равна нулю.

3. Расходами на обслуживание и ремонт станции.

4. Стоимостью списания электростанции.

5. Стоимостью земли, на которой установлена станция.

С учетом влияния перечисленных факторов расчетная стоимость вырабаты­ваемой электроэнергии может существенно изменяться и в какой-то степени является неопределенной. Тем не менее существенное снижение этой стоимости за последние 15-20 лет — факт вполне определенный.

Интересно отметить, что с 1997 г. в некоторых странах продажа ветроэлектро - энергии производится по схемам так называемого «зеленого» ценообразование Сознательные покупатели, заботящиеся об экологической обстановке, оказыва­ются готовыми платить за электроэнергию по повышенным тарифам, внося тем самым вклад в развитие экологически чистых источников энергии.

Снижение цен на углеводородное топливо в 1990-х годах привело к неко­торому замедлению темпов освоения ветроэнергетики. Однако новый подъем цен на нефть в начале нового века вновь вызвал бурный рост интереса к этой отрасли во многих странах1*.

Несмотря на то что на сегодняшний день вклад ветроэнергетики в мировой энергетический баланс остается пока небольшим, на практике доказаны ее не­оспоримые преимущества перед традиционной энергетикой, прежде всего по следующим показателям:

1) экологическая чистота: ветроустановки не выделяют С02, как это проис­ходит при сжигании топлива;

2) выработавшие свой ресурс ветростанции не представляют опасности, как, например, АЭС;

3) стоимость списания (утилизации) ветротурбин по окончании их эксплуа­тации гораздо меньше, чем других типов электростанций;

4) земли, отчуждаемые для строительства ветростанций, пригодны для па­раллельного использования, например, в сельском хозяйстве.

Для объективности следует иметь в виду, что ветротурбины оказывают и не­которое негативное влияние на окружающую среду. Так, вращаюшиеся лопасти могут представлять некоторую опасность для птиц, имеют место шумовые воз­действия и т. п.

Оптимальные размеры ветротурбин уже долгое время являются предметом обсуждения на разных уровнях. Машины большой мощности по своей кон­струкции и некоторым характеристикам имеют масштабные преимущества, но проигрывают небольшим установкам по технико-экономическим показателям. Рассмотрим эту проблему на основе упрощенных оценок.

Для заданного ветрового потока количество энергии, которое можно полу­чить, пропорционально площади, ометаемой ветроколесом. Эта площадь для ветроколеса диаметром 100 м эквивалентна плошали, ометаемой 100 машинами с диаметром ветроколеса 10 м. Грубо можно считать, что масса ветротурбины пропорциональна диаметру ветроколеса в третьей степени. Тогда суммарная масса 100 упомянутых выше малых машин составит всего 10 % массы одной эквивалентной большой машины. Следовательно, полная масса всех установок,

Прим. ред. В начале 2008 г. суммарная установленная мощность действующих в мире вет­роустановок превысила 100 ГВт. Прирост мощности ветроустановок за год, по данным Меж­дународного энергетического агентства, составил 28 %, в том числе в США 46 %, в Испании 30 %, в Германии 8 %. В Дании в 2007 г. доля ветроэлектроэнергии во всей вырабатываемой электроэнергии достигла 20 %, в Испании 9,8 %, в Португалии 8,1 %, в Ирландии 6,9 %, в Германии 6,4 %. В странах Европейского Союза вклад ветроэнергетики в энергетический баланс региона возрос с 0,09 % в 2000 г. до 3,7 % в 2007 г.

производящих одинаковое количество электроэнергии, изменяется обратно про­порционально диаметру ветроколеса. Если считать, что стоимость ветроустановки растет пропорционально увеличению её массы, то можно прийти к выводу, что более экономично использовать большое число малых ветротурбин, чем одну большую ветроустановку. Однако, с другой стороны, с увеличением требуемой мощности будет необходимо все большее и большее число малых ветроколес. что приведет к загромождению все больших территорий.

Другим немаловажным экономическим фактором является сложность самой конструкции турбины. Большие машины имеют более высокую эффективность и требуют меньших затрат на обслуживание, хотя для их возведения и обслу­живания необходимо большее количество дополнительного вспомогательного оборудования. Их преимущество состоит и в том, что они занимают гораздо меньшие площади, чем предназначенные для выработки той же мощности ма­лые ветротурбины1*.

Достоинствами малых ветротурбин являются их сравнительно меньшая мас­са, а следовательно и стоимость, гибкость при создании ветроферм из большо­го числа ветротурбин более высокая надежность всей фермы (выход из строя нескольких агрегатов не оказывает существенного влияния на мощность ветро - фермы) и др.

В последние годы наблюдается явно выраженная тенденция разработки и использования сетевых ветроустановок все большей единичной мощно­сти. Так если еще в 1996 г. средняя мощность устанавливаемых ветротурбин была на уровне 500-750 кВт, то в настоящее время ветровые электростан­ции создаются преимущественно из одиночных ветроагрегатов мощностью 1-2 МВт. Ведутся активные разработки ветроустановок единичной мощностью более 5 МВт.