Ветер, ветер, ты могуч или Россия дай газа опять и снова
По просьбе уважаемых мной читателей портала оверклокерс, поговорим в душный июльский вечер о якобы зеленом будущем новой формации: о ветрогенераторах или больше известных в народе под прозвищем «ветряки». Эти «мельницы» своими исполинскими размерами напоминают творение внеземных сил: здоровенные махины с десятиэтажный дом непрестанно трудятся на полях, а то и на морях, захватывая потоки ветра своими высокотехнологичными лопастями, а дальше в игру вступает ротор, выдавая на ура драгоценные мегаватты электроэнергии. Тут на ум сразу же приходит безоблачное будущее: поставил один раз такую махину и знай себе накапливай электрический ток, расходуя на нужды человечества или своей ячейки общества, это: экологично, безопасно, а главное — без постоянных затрат, песня в общем. Но так ли это, разберемся позже, а пока короткий экскурс в историю службы воздушных «лопастей» на благо человека.
реклама
История вопроса
реклама
Как бы ни хотелось думать, а мечта о «халявной» энергии возникла не сегодня или вчера, а аж почти тысячу лет назад на территории Ближнего Востока. Тогдашние средневековые изобретатели додумались «запрячь» потоки непрестанно дующего воздуха с помощью деревянных лопастей прямоугольной формы, на которые была натянута плотная ткань. Такой нехитрый ход позволил худо-бедно заставить ветер выполнять неблагодарную работу, требующую тяжелого физического труда: молоть зерно и функционировать в виде простейшего насоса для орошения засушливых восточных земель. Зоркие крестоносцы как бы мимоходом позаимствовали идею взаимодействия воздуха и человека, попутно уже европейские кулибины усовершенствовали восточное изобретение, заменив вертикальную ось мельницы на горизонтальную. Такая нехитрая модификация позволила мельницам не переставать работать и зимой, когда водяные собратья просто обрастали льдом. Ну а дальше.
А дальше шотландский профессор Джеймс Блант взял да построил первый прообраз ветроэнергетической установки на своем земельном участке. И такая инженерная конструкция использовалась для «запитки» загородного дома, а излишки электроэнергии «сливались» для уличного освещения.
реклама
Ну а дальше пошло-поехало: в Дании к первой половине XIX века действовало 72 ветряка мощностью от 5 до 25 кВт, ну а первый праотец современных ветряков был создан конечно же на «родине слонов» в СССР — ветрогенератор в Ялте выдавал 100 кВт чистой электроэнергии и обладал коэффициентом нагрузки в 32%, на уровне современных образцов подобного рода. Ну а как только цена нефти благодаря очередной арабо-израильской войне скаканула неприлично вверх, интерес к ветрякам возрос неимоверно: даже США и страны Европы решили включиться в эту гонку. Аэродинамическое и акустическое проектирование, материалы лопастей — все эти исследования были профинансированы в воистину космических масштабах.
реклама
Итогом такой своеобразной гонки и стали современные высокотехнологичные ветряки, и к полевым и морским ветрогенераторам добавились плавающие ветровые турбины. Подобного рода мигрирующие платформы ака ветряная ферма, способны, без преувеличения, сильно помочь с электроэнергией удаленным районам и районам со «сложной» географической судьбой. Но ввиду сложности и новизны, такие плавучие конструкции мало распространены: наблюдать это чудо инженерной мысли можно лишь в парочке мест: около Японии и США и ряде прибрежных стран.
Минусы ветрогенерации
Ради шутки набрал поисковый запрос «ветряки остановились»: и гугл сразу выбросил кричащие заголовки. Судите сами, с такими «заглавиями» правительство любой страны семь раз подумает, нужно ли диверсифицировать нефтяную и газовую зависимость, в зависимость от настроений природы по части ветряной активности.
Прошлой зимой, благодаря внезапно утихнувшим ветрам Северного моря, электроэнергия, а точнее цены на нее, взяли да и поднялись почти на десятизначную величину: в той же Британии цена одного 1 мегаватт-часа увеличилась в семь раз. В такой ситуации европейские «экотеррористы» почему-то дружно забыли о вредности традиционных источников энергии, по этой причине пришлось задействовать газовые и угольные электростанции. И покупать драгоценный газ сами знаете где. И да, дабы не отставать от сестрицы Европы, солнечный Техас лютой зимой тоже решил временно «порвать» с зеленой ветрогенерацией: на «удивление», лопасти ветряков обмерзли и не захотели вращаться, следовательно, пик вырабатывания электричества достиг нулевых значений, а южане просто-напросто стали мерзнуть в своих хлипких домиках. А ведь ветроэнергетика была самым быстрорастущим источником электричества в энергосистеме Техаса.
А как насчет «экологичности», есть ли тут «вот это повороты» на фронте борьбы с «грязной энергогенерацией». Казалось бы, где ветрогенераторы и вред окружающей природе, но вот незадача, порой, чтобы установить «поля» ветряков, необходимо взять да вырубить гектары лесов. Подобный случай произошел в Германии — авангарде «зеленого» перехода, где власти земли Гессен решили, что лес совсем не нужен и для строительства 20-турбинной ветряной электростанции можно безболезненно избавиться от «излишков» лесного массива.
История пока продолжается, и будущее этого «заповедника ветрогенерации» туманно, но точно известно, что гигантские лопасти представляют особенную опасность для птиц и летучих мышей. И это не просто слова, а целое исследование. Ниже наглядно представлены в графической форме угрозы «птичьего сообщества» в США:
И вспоминая морские передвижные ветряные парки. Эти-то точно лишены недостатков сухопутных собратьев по генерации энергии. А вот и нет. Эти гигантские плавучие платформы очень часто становятся угрозой для миграции рыб. Да и вид портят. Что очень критично для курортных районов.
Ну и до кучи другие проблемы:
Установка и пуск ветряка требует высокой инвестиционной стоимости. Именно стартовый этап, само возведение проекта является весьма дорогостоящим мероприятием. Необходима соответствующая инфраструктура.
Для обоснования строительства ветроустановки необходимо проведение длительных исследований ветра в районе строительства. И то не факт, что подобные изыскания не подведут: многочисленные случаи пропажи ветра в Северном море зимой 2021-2022 годов не дадут соврать.
Как нетрудно догадаться, вращающиеся лопасти гигантского размера создают шум, который вряд ли придется по вкусу жителям близлежащих домов. В некоторых странах даже есть подобие законов, запрещающих строительство ветропарков вблизи строений.
Плюсы
Экологически чистая электроэнергия (ну почти). Производство электроэнергии с помощью “ветряных мельниц” не сопровождается выбросами CO2 и иных вредных веществ. Ветрогенератор только получает энергию, ничего не отдавая взамен, поэтому внести в экологию какие-либо изменения он не может.
Ветер — полностью возобновляемый источник энергии.
Выработка электроэнергии не зависит от времени суток и времени года, если дует ветер. Это привет солнечным батареям.
Ветряная энергетика более рентабельна в сравнении с солнечной энергетикой. Все-таки мест, где дуют сильные ветра, больше чем мест, где постоянно солнечно.
В некоторых регионах, ветряная генерация — единственная зеленая альтернатива «грязной» энергии.
Итого
На самом деле, делать какие-то долгосрочные прогнозы глупо, ибо согласно расчетам ученых Международного агентства по возобновляемым источникам энергии (IRENA), возобновляемые источники энергии становятся все дешевле по сравнению с любым новым энергопроизводством, работающим на ископаемых видах топлива, но вот поди же ты, после 24 февраля, которое естественно никто из британских ученых не предсказал, уголек и газ резко подскочили в цене, а ветер имеет свойство непринужденно останавливаться, никого не предупреждая, а зимой ветряки, опять же внезапно, могут обледенеть. Но тут хотя бы на помощь приходит традиционная энергогенерация. Ну и вдобавок: современная ветроэнергетическая технология еще далека от совершенной, и современные ветряки работают только на 35% своей мощности. Какая уж тут эффективность. Но определенно, будущее за ветрогенераторами есть, правда пока еще сильно туманное. И в частности, рассматривая Россию, ввиду крайней дешевизны энергии АЭС, гидро- и прочих видов, на текущей момент строительство ветряков и ветропарков является экономически нецелесообразным. За редким исключением.
Подпишитесь на наш канал в Яндекс.Дзен или telegram-канал @overclockers_news — это удобные способы следить за новыми материалами на сайте. С картинками, расширенными описаниями и без рекламы.
Борьба с ветряными мельницами: ветроэнергетика и глобальное потепление
В 2022 году исполняется 50 лет со времен публикации знаменитого документа «Пределы роста», подготовленного Римским Клубом. Это был обзор технологических и общественных тенденций, характерных для конца XX века – в целом сводившийся к мысли, что гибкость рынка и бережливое отношение к природе не компенсирует ее истощения. В 2014 году на русском языке вышла книга «Пределы роста: 30 лет спустя». Значительное внимание в книге уделяется возобновляемым источникам энергии, в частности – солнечным батареям и ветрофермам. Рисунок 3.15 из этой книги демонстрирует, что к началу XXI века стоимость солнечного кВт⋅ч в целом стабилизировалась после многолетнего нисходящего тренда, а стоимость ветряного кВт⋅ч продолжала снижаться:
Вне Хабра нам довелось затронуть эту тему с уважаемым @SLY_G, и он навел меня на интересные источники и идеи, указывающие на чрезмерный оптимизм по поводу ветроэнергетики, ее краткосрочных эффектов и углеродного следа. Скептические оценки крупномасштабной ветроэнергетики впервые получили научное обоснование в 2011-2013 годах – правда, пока они основаны в основном на эмпирических догадках и компьютерном моделировании. И всё-таки, я хотел бы раскрыть эту тему подробнее.
Бурное развитие ветроэнергетики в начале XXI века обусловлено как глобальной работой по сокращению парниковых выбросов, так и освоением прибрежных территорий. В отчете 2017 года указано, что наибольших успехов в развитии ветряных ферм добиваются Китай, США, Германия, Индия и некоторые другие страны, владеющие хорошо освоенными побережьями мелководных морей. Вот данные о ежегодном вводе в строй новый ветряных мощностей за 2000-2015 год и суммарные данные о выработке ветряной энергии в те же годы (рис. 26.1 из вышеупомянутого отчета):
Также рассмотрим подробную карту, демонстрирующую распределение действующих и строящихся ветроферм в Северном море. Карта составлена Ульрике Клееберг по состоянию на 2020 год:
Здесь хорошо видно, что действующие ветрофермы расположены в наиболее мелководных областях поблизости от британских, голландских и датских берегов (исключение – прямоугольный регион у берегов Швеции, также расположенный близко к материку, но на сравнительно глубоководной территории).
Аналогичная «кучность» ветровых ферм наблюдается и на суше, в частности, в Техасе и в других аграрных регионах США. К началу 2010-х появились убедительные данные, что при развертывании на больших площадях ветряки не только теряют эффективность в пересчете на каждую отдельную мачту, но и оказывают серьезное негативное воздействие на циркуляцию воздуха. Ниже мы подробнее рассмотрим физику этих процессов и остановимся на феномене «ветровой тени».
Любая крупномасштабная энергетика влияет на окружающую среду. Пока мы всеми силами пытаемся уменьшить углеродный след, краткосрочные и долгосрочные воздействия возобновляемой энергетики на метеорологию и климат остаются малоисследованными. Только в октябре 2018 года в журналах Environmental Research Letters и Joule вышли две статьи, иллюстрирующие, что использование ветроферм на суше приводит к разогреванию атмосферы и изменению ее циркуляции. Эффект особенно заметен в темное время суток, а сам разогрев происходит даже быстрее, чем при постепенном насыщении атмосферы углекислым газом. До конца текущего века ветряки могут повысить температуру в 48 «континентальных» штатах США на 0,24 °C.
Воздействие ветроэнергетики на окружающую среду в конце XX и начале XXI века изучалось в основном на материале моделей общей циркуляции (МОЦ). К настоящему времени накоплено много данных о скорости ветра и антропогенной турбулентности в районах, занятых ветрофермами, но прочие метеорологические факторы в таких моделях почти не учитываются, так как сложно организовать непрерывный сбор данных с работающей ветрофермы, особенно в научных целях. По данным исследования, выполненного в 2010 году в университете Чикаго, известна как минимум одна попытка составить такое множество «эксплуатационных» данных в полевых условиях: данные собирали с 18 июня по 9 августа 1989 года на ветроферме в Сан-Горгонио, штат Калифорния. На ферме в 41 ряд располагались турбины высотой по 23 метра с лопастями длиной по 8,5 метров; расстояние между рядами составляло 120 метров.
Исследование показало, что в области, подветренной относительно этой фермы, температура была выше, чем в наветренной, но именно в ночные и ранние утренние часы. В дневные часы ветроферма, напротив, охлаждала подветренную область.
В гарвардской статье из журнала «Joule» приводятся более полные данные (пусть и полученные на основе компьютерного моделирования). Согласно этим моделям, при увеличении площадей ветроферм в 10-100 раз по сравнению с современными (до 3 000 – 300 000 км 2 ) в ветренных регионах должна существенно уменьшаться скорость ветра, а также должны изменяться границы приземного пограничного слоя атмосферы и конвективные явления в этом слое. Следовательно, в приземном слое должна расти средняя температура, перераспределяться влажность, а вертикальный атмосферный газообмен при этом будет нарушаться.
Наиболее важные изменения касаются перераспределения влажности в атмосфере, и на границе моря и суши такое перераспределение еще критичнее, поскольку осадки начинают выпадать в море, не доходя до сельскохозяйственных территорий.
Ветровая тень
Явление ветровой тени хорошо изучено на примере разницы в естественном орошении горных склонов. Аналогичное явление в городской застройке называется «застойная воздушная зона». С геофизической точки зрения естественная ветровая тень выглядит так:
Именно поэтому наветренный и подветренный склоны в горах отличаются даже визуально: на наветренный склон выпадает гораздо больше осадков, поэтому он покрыт разнообразной растительностью, а противоположный склон (особенно в ущелье) при этом может быть практически голым.
Тем не менее, в горах формирование ветровой тени является естественным процессом, и горные экосистемы успевают приспосабливаться к розе ветров и неравномерным осадкам. Ветрофермы же приводят к возникновению совершенно новой техногенной ветровой тени, которую можно назвать динамической. Доказано, что обширные поля ветряков существенно ослабляют бриз, а сами ветряки отбирают энергию друг у друга – буквально «разбирают» энергию ветра, из-за чего эффективность всей ветрофермы снижается. Можно сказать, что ветрофермы плохо поддаются горизонтальному масштабированию.
Из-за массового использования кинетической энергии ветра в районах ветроферм постепенно усугубляются два взаимосвязанных процесса:
1) образуется застойная зона: ветроферма нарушает циркуляцию воздуха и лишает подветренную территорию не только ветра, но и влаги. Когда ветрофермы расположены в море, ширина этой зоны составляет около 5 километров, а на суше может превышать 20 километров, в некоторых случаях достигая 50 километров.
2) нарушается отвод излишков тепла из приземного слоя атмосферы. В результате аграрные территории, на которых развернуты ветрофермы, перегреваются и страдают от засухи:
На побережье Северного моря дефицит скорости ветра наиболее выражен весной (22,6%) и летом (20,8%). Поскольку именно сейчас летние температуры в Европе бьют рекорды, особенно опасна ветровая тень, затрудняющая поступление прохладного морского воздуха на материк. Кроме того, ветровая тень влияет на давление и влажность в приземном слое воздуха, в частности, на образование росы и даже на концентрацию углекислого газа, который служит питанием для растений и источником фотосинтеза.
При этом уже известно, что морские ветроэлектростанции способствуют перемешиванию воды, а не только приповерхностного воздуха. Естественные факторы перемешивания прибрежной воды – это, в основном, приливы и приток пресной речной воды. В районе ветроэлектростанций значительно глубже становится тот пласт воды, которая стабильно обогащается атмосферным кислородом. Это не только идет на пользу местным экосистемам, но и способствует гниению затонувшей биомассы – в результате вода лучше насыщается питательными веществами, и море может прокормить больше обитателей.
Обледенение лопастей
Прибрежные ветрофермы становятся зоной длительного контакта материковых и морских ветров – и из-за этого в холодных широтах лопасти ветряков начинают обледеневать. Обледеневшие лопасти утяжеляются, хуже вращаются, из-за чего выработка энергии на ветроферме может снижаться на 20% и более. Лопасти покрываются льдом неравномерно, из-за этого у них смещается центр тяжести, и они быстрее изнашиваются. Проблема обледенения винтов и корпуса давно известна и хорошо исследована в авиастроении, но в контексте ветряков имеет свои нюансы. Структура льда зависит от влажности воздуха: если воздух сухой, то лопасти покрываются изморозью, а если влажный – стекловидным льдом, аналогичным гололеду (здесь LWC – Liquid Water Content, по-русски этот показатель называется «водность»):
Стекловидный лед не только образует более толстый и неровный слой, чем обычная изморозь, но и медленнее тает. Полевые исследования с применением дронов показывают, что толщина льда на лопастях может достигать 30 сантиметров, и в такой период турбина дает только 20% энергии от базового показателя. Эти же исследования показали, что лопасти обмерзают неравномерно: в основном лед накапливается на кончиках лопастей. Испытания, проводившиеся в университете штата Айова (в том числе, в аэродинамической трубе), показали, что существует два основных способа для борьбы с обледенением лопастей. Во-первых, турбину можно подогревать изнутри, устанавливая нагревательные элементы именно на кончиках лопастей. Во-вторых, можно изготавливать лопасти из гидрофобного пластика, либо наносить на них нанопокрытия, обеспечивающие эффект лотоса.
Прочие технологические проблемы
Однако описанные подходы дополнительно девальвируют «зеленый» экологический компонент ветроэнергетики. Нагревание турбин зимой увеличивает их углеродный след, а конструирование лопастей из современных полимерных материалов ставит вопрос о переработке и захоронении отработанных турбин. Срок службы ветроэлектростанции составляет 15-25 лет в зависимости от условий эксплуатации, поэтому в Европе уже выработано целое поколение ветряков; но их замена обусловлена не только износом, но и заменой старых турбин на более мощные. Переработка лопастей – перспективная отрасль, спрос на материалы от отработанных ветряков диктуется, прежде всего, авиапромом. Но эта отрасль пока только формируется, а закладка новых площадей под кладбища лопастей – это превращение бывших сельхозугодий в пустыри. При этом в новых поколениях ветряков все активнее используются редкоземельные элементы, о токсичности которых я ранее упоминал в публикации о смартфонах. Таким образом, по данным этой статьи 2018 года, 100 МВт ветровой энергии обходится в:
20 000 квадратных метров сведенной растительности,
6 000 000 м 3 газообразных токсичных выбросов,
1,2 млн литров отравленной воды,
272 млн кг сильно загрязненного техногенного песка,
Заключение
Энергетика – это, прежде всего, стабильный поток извлекаемой энергии, и именно по этому показателю ветроэнергетика проигрывает как традиционным, так и «зеленым» источникам энергии. Выработка ветряной энергии варьируется от сезона к сезону, а потребление – в течение суток. При этом, относительно крепкий и постоянный ветер ловится именно на морских ветрофермах, проблемы которых я осветил выше. Мнение, что «где-нибудь ветер дует всегда», и для устойчивости ветряной энергетики пока просто не хватает введенных мощностей, упирается в проблему горизонтального масштабирования. Естественно, в долгосрочной перспективе ветряная энергетика позволила бы уменьшить содержание CO2 в атмосфере, но в краткосрочной не только не справляется с собственным углеродным следом, но и иссушает приземный слой атмосферы, усугубляя эффект нарастающей жары.
135-метровый ветряк с вертикальной осью вращения мощностью 1 МВт установят у берегов Норвегии
Шведская компания SeaTwirl подписала контракт с оператором Westcon на строительство и развёртывание у берегов Норвегии своей первой плавучей ветряной турбины с вертикально ориентированной осью вращения мощностью 1 МВт.
SeaTwirl описывает свою конструкцию как простую и надежную. Это ветряная турбина с вертикальной осью (VAWT), вращающийся цилиндр, который отличается от ветряных турбин с горизонтальной осью (HAWT), которые обычно используются сегодня. VAWT являются многообещающей технологией по нескольким причинам.
Во-первых, они могут принимать и использовать ветер со всех направлений, поэтому им не нужны тяжелые и дорогие системы, чтобы направлять их на ветер, как это делают HAWT. Во-вторых, генераторы могут устанавливаться на уровне или ниже ватерлинии. Для обычных ветряков HAWT необходимо устанавливать это тяжелое снаряжение прямо на вершину опорных башен, где находится главная ось, создавая конструкцию с тяжелым верхом, которая требует чрезвычайной прочности башни и огромных противовесов под поверхностью, чтобы удерживать их в вертикальном положении. Это означает больше материалов и больше затрат.
В-третьих, их можно размещать гораздо ближе друг к другу, чем HAWT, поскольку они создают минимальный кильватерный след по ветру. HAWT должны быть расположены дальше друг от друга, что снижает прибыльность конкретной площади.
В конструкции SeaTwirl три лопасти VAWT жестко закреплены на длинном плавучем шесте с низким центром тяжести и тяжелой массой внизу, которая выступает в роли киля. Вся опора вращается, приводимая в движение лопастями, которые ловят ветер, а генератор собирает энергию и отправляет ее обратно на берег по кабелям.
Поскольку сама главная башня находится на плаву и держится более или менее вертикально за счет киля, подшипники генератора не должны воспринимать вес всей конструкции. Таким образом, они могут быть меньше, легче и дешевле. Как и в случае с другими конструкциями VAWT, техническое обслуживание должно быть намного проще и дешевле, чем с HAWT, потому что части, которые требуют работы, располагаются на уровне моря, а не на вершине огромных башен. Таким образом, их можно обслуживать без необходимости использования дорогих кранов.
В настоящее время SeaTwirl готовится к созданию своей первой версии мощностью 1 МВт. Она построит свою первую турбину модели S2x недалеко от Бока в Норвегии. Ожидается, что он будет введен в эксплуатацию в 2023 году с испытательным периодом около пяти лет.
S2x будет примерно в 30 раз больше, чем первый прототип S1. Он достигнет высоты около 55 м над поверхностью, а его утяжеленный центральный стержень погрузится на глубину 80 м. Устанавливать такие ветряки планируют в местах с глубиной не менее 100 м. Ветряк отключит питание, если скорость ветра превысит 25 м/с (90 км/ч), но он выдержит даже экстремальные скорости ветра до 50 м/с (180 км/ч). Компания заявляет, что срок службы должен составлять около 25-30 лет.
Обещанная SeaTwirl нормированная стоимость электроэнергии (англ. Levelised Cost of Energy, LCOE) 1-МВт плавучей турбины будет ниже $50 за МВт·ч, что примерно соответствует современному положению дел в наземной ветряной генерации
Источник https://overclockers.ru/blog/ProKino/show/70561/veter-veter-ty-moguch-ili-rossiya-daj-gaza-opyat-i-snova
Источник https://habr.com/ru/post/687000/
Источник https://www.ixbt.com/news/2022/09/14/135metrovyj-vetrjak-s-vertikalnoj-osju-vrashenija-moshnostju-1-mvt-ustanovjat-u-beregov-norvegii.html
