Ветроэнергетика: цифры и факты. Часть 1. Технологии

№ 6’2014
PDF версия
В течение последних лет сектор ветроэнергетики растет впечатляющими темпами, и сейчас эта тема актуальна как никогда. Надвигающийся кризис требует незамедлительного и конкретного решения многих энергетических и климатических проблем, с которыми сталкивается мир, а альтернативная энергетика является именно той отраслью, которая способна предложить выход из него. Чтобы осознанно выбирать политические решения, необходимо ясно представлять особенности энергетических рынков и глубоко разбираться в них. Данная работа призвана внести свой вклад в решение этой задачи, для чего в ней предоставлена детальная информация по различным аспектам ветроэнергетики.
В данном обзоре представлены такие важнейшие аспекты, как оценка ресурсов, существующие и перспективные технологии, дизайн ветроэнергетических установок (ВЭУ), исследования и разработки, сетевая интеграция, экономика и рынок, экологические вопросы, сценарии развития и задачи.

Начиная с 2004 г. сектор ветроэнергетики существенно расширился. Общая установленная мощность увеличилась с 40 000 МВт в конце 2003 г. до 120 000 МВт в конце 2010 г., в среднем ежегодные темпы роста достигали почти 25%. Евросоюз является бесспорным мировым лидером в области технологий альтернативной энергетики. К концу 2007 г. на Европу приходилось 60% от общего объема вырабатываемой мощности, а доля европейских компаний на мировом рынке была около 66%. Уровень проникновения ВЭУ в электроэнергетический сектор Дании достигает 21%, а в Германии и Испании он составляет около 7 и 12% соответственно.

Достижения на региональном уровне еще более впечатляющие: на севере Германии (земля Шлезвиг-Гольштейн) установленная мощность ВЭУ превышает 2500 МВт, чего достаточно для удовлетворения 36% общей потребности в электроэнергии, а в Наварре (Испания) около 70% спроса обеспечивается за счет силы ветра.

Огромный шаг вперед был сделан в марте 2007 г., когда главы государств ЕС приняли обязательные целевые программы, предусматривающие получение к 2020 г. 20% энергии из возобновляемых источников (рис. 1). В январе 2008 г. Европейская комиссия опубликовала законопроект по возобновляемым источникам энергии, предложив стабильную и гибкую программу в рамках ЕС, которая должна обеспечить массовое развитие ветроэнергетики в Европе. Если подобная политика поддержки проектов EWEA будет продолжена, то установленная мощность ВЭУ в Евросоюзе к 2020 г. достигнет 90 000 МВт, что соответствует 5%-ному вкладу в общий энергетический баланс.

Глобальные совокупные запасы энергии ветра составили 19 900 МВт к 2007 г.

Рис. 1. Глобальные совокупные запасы энергии ветра составили 19 900 МВт к 2007 г.

В части 1 приведены основные аспекты технологии ветроэнергетики, которая достигла быстрого прогресса во многих областях. Ряд проблем уже решен, но многое еще предстоит выяснить в фундаментальных вопросах метеорологии, аэродинамики, материаловедения и в прикладных областях, таких как дизайн ВЭУ и стратегия их обслуживания, а также планирование электрических сетей. Существует несколько недостаточно проверенных концепций конструкции турбин, достойных серьезного рассмотрения. В этом разделе представлены базовые технологии ветроэнергетики, текущее состояние и возможные тенденции развития.

 

Оценка ресурсов

Методы оценки ветровых ресурсов хорошо известны. Для больших площадей она осуществляется для того, чтобы определить имеющиеся запасы энергии в регионе и найти лучшие территории для установки ветротурбин. Такая оценка также содержит прогнозы по ветровым ресурсам и производству энергии для определенных областей (рис. 2, 3). Ее точность в отношении производства энергии имеет решающее значение для собственника проекта и финансирующей организации, поэтому здесь приводится объяснение многих факторов, которые могут повлиять на объем выработки энергии.

Глобальные годовые запасы энергии ветра (МВт) в 1991–2007 годах

Рис. 2. Глобальные годовые запасы энергии ветра (МВт) в 1991–2007 годах

Европейский атлас ветра (наземные регионы)

Рис. 3. Европейский атлас ветра (наземные регионы)

Прогнозирование является важной составляющей ветроиндустрии. В зависимости от структуры рынка владелец проекта или покупатель электроэнергии может получить значительные финансовые выгоды при точном планировании производства ветроэнергии. Операторы электроэнергетических систем с высоким уровнем проникновения ветроэнергетики также нуждаются в прогнозах для оптимизации своей работы.

 

Технологии ветротурбин

Стремительный технический прогресс технологий ветротурбин очевиден. На рис. 4 показано, как изменялись габариты, мощность и сложность ветрогенераторов, о чем наглядно свидетельствует  увеличение мощности коммерческих турбин примерно в 100 раз за 20 лет. Ветрогенераторы могут быть созданы на основе простых электрических машин, но есть ряд основных требований, которые отличают эту отрасль машиностроения от любой другой:

  • Электрическая машина должна работать как необслуживаемый электрогенератор и при этом взаимодействовать с сетью по многим характеристикам, обеспечивающим качество энергии.
  • Скорость ветра меняется за время от нескольких секунд до нескольких лет, что вносит неопределенность по всем параметрам, от механических нагрузок до объема производства энергии.
  • Технология ветроэнергетики должна быть конкурентной по себестоимости с другими возобновляемыми источниками энергии, а также с традиционными способами ее производства.
Увеличение размеров и мощности коммерческих ветротурбин в 1980–2020 годах

Рис. 4. Увеличение размеров и мощности коммерческих ветротурбин в 1980–2020 годах

Эволюция дизайна ветрогенераторов привела к тому, что в настоящее время преобладают трехлопастные турбины с переменной скоростью вращения и регулируемым углом поворота лопастей. К принципиальным проблемам проектирования ВЭУ относятся совместимость с сетью, стоимость энергии (включающая в себя расходы на обеспечение надежности), уровень акустических шумов, внешний вид и пригодность для размещения в конкретном регионе.

Однако осталось еще много нерешенных технических вопросов. В частности, при производстве больших турбин рассматриваются следующие проблемы:

  • концепции турбин большого диаметра, низкоскоростные генераторы;
  • концепции высокоскоростных генераторов и редукторов;
  • промежуточные требования для среднескоростных генераторов, сокращение количества ступеней редуктора.

Кажется удивительным, что оптимальный размер турбины для «обычных» континентальных ветряных электростанций до сих пор не является очевидным. В данной главе рассматривается ряд важных технических вопросов и делаются выводы относительно некоторых радикальных альтернативных концепций.

 

Конструкция парка ВЭУ

Ветротурбины группируются в ветроэнерго­станции (парки), причем существует ряд факторов, влияющих на выбор площадок для размещения установок и на их конфигурацию. Дизайн ВЭУ важен с точки зрения как снижения затрат, так и повышения общественной привлекательности, причем и на суше, и на море. Особенно это относится к наиболее крупным установкам, размеры которых могут быть больше, чем у обычных генерирующих станций высокой мощности. Очевидно, что расположение ветротурбин внутри парка не только влияет на производство энергии, но и определяет внешний вид окружающей среды, а также оказывает шумовое воздействие на нее. Это расположение можно оптимизировать с учетом определенных ограничений, используя программное обеспечение, разработанное специально для ветроэнергетики.

Существует также проблема «сбалансированного дизайна», связанная с проведением строительных и электротехнических работ. Поскольку в ветроэнергетике только набирается опыт разработки проектов в различных условиях, стоимость проекта и другие важные вопросы следует четко определить заранее, а соответствующие риски должны быть не больше, чем при проектировании других электростанций аналогичного размера и мощности.

 

Оффшорные ВЭУ

Хотя сектор оффшорных ВЭУ сейчас существенно меньше, чем континентальных, в некоторых странах он является базовой частью энергетической политики, и с ним связаны большие надежды. Морские проекты, как правило, относятся к наиболее крупным и рискованным, однако многие организации сейчас вполне способны создавать и строить такие установки.

За последнее время были разработаны специальные суда и приспособления для возведения оффшорных турбин, поскольку доступ к ним во многом влияет на стоимость и безопасность. Технологии производства турбин сильно отличаются для различных шельфовых проектов. Есть веские причины строить для данного сектора самые большие установки, мощность турбин, нацеленных на офшорный рынок, составляет 5 МВт и более.

Существуют и более тонкие различия в технологиях, связанные с разными условиями окружающей среды и повышенными требованиями к надежности. Для офшорного применения разрабатываются по-настоящему инновационные проекты и наиболее передовые концепции, например плавающие ВЭУ.

 

Малые ветротурбины

Малые и очень малые ветровые турбины находятся на другом конце «мощностной шкалы», однако они также востребованы на рынке. Как и в традиционных секторах электроснабжения сел и частных домов, яхт и телекоммуникационных станций, значительный спрос на «микрогенераторы» в городах активизирует процесс разработки малых ветротурбин, способных заметно улучшить ситуацию в экономике. Кроме того, рост цен на топливо подталкивает развитие технически сложных ветродизельных систем. Наличие широкого спектра специфичных рынков означает, что сектор малых ветротурбин даже более разнообразен, чем обычных ВЭУ большой мощности. Следует отметить, что многие из этих рынков имеют потенциал для роста.

 

Исследования и разработки

Довольно широко распространено заблуждение, что ветроэнергетика относится к «зрелым» отраслям промышленности, не требующим особых усилий по проведению научных исследований. Европейская программа, предусматривающая увеличение производства энергии из возобновляемых источников к 2020 г. до 20% от общего баланса, ставит перед учеными и разработчиками новые задачи. В недавно опубликованном Плане стратегических исследований (Strategic Research Agenda) предлагается европейская технологическая платформа для ветроэнергетики (TPWind — www.windplatform.eu), отражающая амбициозный взгляд Европы на данную проблему. Согласно этому проекту общая мощность ветроэнергетических установок к 2030 г. должна достичь 300 ГВт, что составит почти 28% потребления энергии в ЕС.

Кроме того, концепция TPWind включает в себя объекты офшорной ветроэнергетики, которые должны обеспечить около 10% энергии ЕС к 2030 г. Промежуточным этапом является выработка 40 ГВт к 2020 г., что примерно в 30 раз превышает текущие показатели ВЭУ морского базирования. Чтобы обеспечить эффективную реализацию платформы TPWind и решить поставленные задачи, нужно провести соответствующие исследования. Для этого установлены приоритетные направления НИОКР на срок до 2030 г. для сектора ветроэнергетики и определены четыре основные темы исследований:

  • Условия работы ветротурбин.
  • Технологии ветротурбин.
  • Интеграция ветроэнергии.
  • Развертывание и эксплуатация оффшорных установок.

Для реализации программы широкомасштабного развития ветроэнергетики необходимы стабильный и четко определенный рынок, а также соответствующая политическая и правовая среда. Стратегия развертывания рынка включает в себя, наряду с прочим, снижение себестоимости и эффективную интеграцию ветростанций в природную среду.

В странах ЕС финансирование усилий на разработку и исследования вызывает определенное беспокойство. Действительно, текущая поддержка ветроэнергетики недостаточна для достижения задач, поставленных в отношении доли возобновляемых источников энергии в общем балансе и удовлетворения целей Лиссабонской стратегии роста и занятости. Наиболее важным компонентом здесь является вклад Европы. Стратегический план по энергетическим технологиям (SETPlan) предлагает ряд инструментов для решения этой проблемы, к которым относятся европейские промышленные инициативы, включающие в себя программы развития ветро­энергетики. 

По материалам EWEA (European Wind Energy Association)

Продолжение

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.