Ветроэнергетика офшорных зон

В настоящее время 89-91% всех промышленных ветрогенераторов в мире представляют из себя горизонтально-осевые системы (Horizontal-Axis Wind Turbines, HAWT), имеющие пропеллерно-лопастные турбины и сосредоточенные в пределах морских побережий и шельфов с сильными (12-25 м/с), устойчивыми ветрами. Такие ветроустановки получили название «офшорных». По данным Всемирной ветроэнергетической ассоциации (WWEA) в списке стран, обладающих ветроэнергетическими мощностями более 1000 МВт, только Австрия (последняя 20-я позиция) не имеет выхода к морю.

Имеющая место крайняя диспропорция является главным противоречием современной ветроэнергетики: мощности сосредоточены там, где они меньше всего нужны, так как на морские побережья легче и дешевле всего доставлять традиционные энергоносители (уголь, нефтепродукты, сжиженный газ).

На самом деле область успешного применения ветрогенератов HAWT еще более ограничена, привязана к атмосферным фронтам от океанских течений, например Гольфстрима, и благоприятным географическим широтам. Вот почему офшорная ветроэнергетика на севере Западной Европы развивается динамично, а средиземно- и черноморские страны прогрессируют в этом направлении очень медленно. Если на атлантическом побережье башням ветроэнергетических установок (ВЭУ) достаточно высоты в 40-45 м, то дислокация их же на Крымском полуострове требует вертикального подъема турбин на 100 м. Метеоусловия для ветрогенерации на большинстве высокоширотных побережий российского Дальнего Востока не столь благоприятны, чем на юге Китая и в Индии.

Следующим природным фактором, ограничивающим применение систем HAWT в офшорных зонах, является суровость и продолжительность зимнего времени года. Тихоходные (20-45 об./мин) пропеллерно-лопастные турбины промышленной мощности при отрицательных температурах подвержены обледенению, от чего не имеют доступно эффективных средств и способов защиты.

В континентальном климате с преобладанием средне-скоростных, переменчивых по направлению и порывистых ветров, при низких температурах офшорные системы HAWT резко утрачивают свои технико-экономические преимущества и становятся не приемлемыми. Именно таким является опыт строительства башкирской, калмыцкой, калининградской и других ВЭС в России, аналогичных объектов материковой дислокации за рубежом.

Часть башен в составе материковых ветропарков всегда находится в ремонте. Эксплуатационный пробег установок большой и крупной мощности падает с 20-25 до 10-12 лет, в обратном порядке возрастают сроки окупаемости капиталовложений, получение прибыли от которых не предвидится. Отсюда понятно решение, принятое Бельгией, о прекращении работы ветропарков на суше и их возвращении в благоприятные офшорные позиции.

Между тем, энергетический запрос континентальных территорий по меньшей мере в 100 раз превышает потребности офшорных зон. Но офшорные ветрогенераторы HAWT промышленной мощности не поддаются адаптации к материковому климату, а попытки решить проблему в направлении развития малой ветроэнергетики не приводят к успеху. Причина – энергоснабжение от маломощных ветряков в 10 и более раз дороже, чем от сетевых источников, а их полный износ в турбулентных потоках происходит всего за 1,5-2 года.

Весь опыт мирового энергетического развития подводит к окончательной оценке, что создание материковой ветроэнергетической индустрии на базе пропеллерно-лопастных систем HAWT любого уровня мощности не возможно. С такой технологией ветроэнергетика не в состоянии вырваться из офшорных зон.

Материковые виндроторы

Из развития техники известны вертикально-осевые ветрогенераторы (Vertical-Axis Wind Turbines, VAWT) или виндроторы, успешно работающие на средне-скоростных (6-9 м/с) ветрах в неустойчивых воздушных средах. Их ортогональные турбины само-ориентируются на ветер, работают в более скоростных режимах 120-300 об./мин, что позволяет устранять обледенение. Единственным слабым местом виндроторов является их недостаточная для промышленных целей мощность, которая на практике не превышает пока 15-20 кВт.

По моему мнению, создание материковой ветроэнергетики осуществимо исключительно с применением вертикально-осевых турбин или виндроторов (так называемая, WR-генерация), на условиях модернизации до промышленно значимых мощностей.

В свою очередь достижение виндроторами промышленных мощностей возможно посредством совершенствования аэродинамических качеств, от чего трудно ожидать резкого скачка эффективности, а также на условиях обеспечения в 5-20 и более раз большей, чем сейчас площади, обметаемой их ортогональными турбинами. В свою очередь это может быть решено в двух практически исполнимых направлениях. Первое направление – усиление конструктивно-силовых схем виндроторов (рис. 1). Второе направление – применение WR-кассетных конструкций или кластерных моделей VAWT.

Рис. 1. Один из вариантов материкового виндротора в усиленно-каркасном исполнении

Другая стратегия развития ветроэнергетики континентальных стран, включая Россию, ошибочна в силу текущего уровня развития техники и объективных климатических условий.

Автономность – главный козырь ветроэнерегетики

Важной особенностью ветроэнергетики является нецелесообразность подключения ВЭУ к единой энергетической системе, так как такое подключение повышает риски дестабилизации ЕЭС. Сетевая интеграция ветроустановок и станций не только сложна, технико-экономически не оправданна, но и практически невозможна. Автономность, являясь сильной стороной альтернативного энергоснабжения, должна не подвергаться сомнению, а всемерно использоваться на практике.

Цена электричества от ветра в лучшем случае применения крупных ветрогенерирующих объектов на 50-60% превышает стоимость сетевого питания. С учетом иных, кроме автономности, достоинств ветрогенерации (возобновляемость, экология) данный экономический показатель принято справедливо считать приемлемым. Будет неправильным достигнутый ценовой показатель ухудшать, в том числе затратами на строительство и эксплуатацию протяженных линий электропередачи.

Когда разница в цене на электричество отличается на проценты, а не в десятки раз, имеется возможность решить проблему единого тарифа фискальной политикой государства.

Сегодня по данным НИИЭС, 20 млн человек сельского населения РФ относятся к потребителям, не имеющим централизованного электроснабжения либо имеющие нестабильные коммуникационные связи с ЕЭС. Эта категория граждан сезонно увеличивается в 2-3 раза за счет горожан, выезжающих на летний отдых в сельскую местность.

Согласно переписи 2010 года в России насчитывается 102,2 тыс. сельских населенных пунктов с количеством жителей до 100 человек или 68% от общего числа поселений. За последние 20 лет имеет место устойчивая тенденция к снижению удельного веса крупных сельских поселений (более 100 чел.) с 49 до 32%.

Создание материковых ветрогенерирующих мощностей в России следует начать с решения проблем сельских потребителей на принципах строительства:

• модернизированных WR-генераторов кустового энергоснабжения 10-100 домохозяйств, фермерских сельхозпроизводителей;

• WR-генераторов крупной мощности от 400 кВт в виде автономных установок или виндроторных ветропарков модернизированного типа.

Генерирующие компании ЕЭС инвестируют в автономную ветроэнергетику либо выкупают по рыночной стоимости освободившиеся мощности.

Будущее ветроэнергетики

Экспертная оценка энергетического потенциала атмосферных потоков в пределах России составляет 30% от достигнутой мощности всех электростанций страны или порядка 60-70 ГВт.

Минэнерго РФ, считая сведения из регионов достоверными, понижает планку возможностей ВЭИ до 14 ГВт.

По мнению Международной финансовой корпорации (IFC) объем внутреннего рынка России составляет 27 млрд евро или 30-35 ГВт (среднее значение между теоретическими расчетами и данными Минэнерго РФ от регионов). При этом, называя цену вопроса, IFC исходит из того, что зависимость РФ от импортного ветроэнергетического оборудования будет и далее сохраняться на уровне существующих 80%.

Организация автономного энергоснабжения потребителей от ветра в сельской местности, в малых населенных пунктах высвободит мощности ТЭК России для нужд больших городов, крупных промышленных объектов, что потребует финансирования на первом этапе модернизации в объеме 4-5 млрд евро, сопоставимом со стоимостью ветроэнергетической программы Германии. Такое совпадение не случайно, поскольку расчеты основываются на ценах за оборудование, работы и услуги от западноевропейских монополистов.

Качественно изменить ситуацию поможет также международная кооперация по промышленному освоению модернизированных систем WR-генерации материкового назначения. Вложенные средства будут по-объектно окупаться за 4-5 лет, чего от зарубежных технологических систем HAWT ожидать не приходится.

Экспортный потенциал инновационного ветроэнергетического машиностроения материкового назначения оценивается в денежном выражении по меньшей мере в 0,9 млрд евро за 1 ГВт мощности и может дать в перспективе большие выгоды, чем продажи российского вооружения.

Сегодня первые российские инвестиции сделаны частным капиталом в объекты ветроэнергетики за рубежом: «Газпромбанком» и «Лукойлом» приобретены ветропарки во Франции и Болгарии соответственно. Открытые сведения о сделках не содержат признаков инвестиций в прогрессивные технологии, далеки они от вложений в отечественную энергетику и альтернативные инновации.

Следует признать, что мировая, а вместе с ней и российская ветроэнергетика не может предложить инвесторам заманчивые инновационные проекты, так как доминирующие в ней технологии без качественных и принципиальных новаций тиражируются более 30 лет и продолжают оставаться в практически неизменном виде. Отсутствие интеллектуального обновления, упорный отказ от модернизации, хотя бы видимости адаптации оборудования под материковые условия применения является одной из причин нарастающих затруднений в области мирового ветроэнергетического машиностроения, что косвенно подтверждается политикой IFC, а именно, активным предложением кредитов правительствам субъектов РФ (Мурманская, Калужская и др. областям) на условиях закупки по импорту морально устаревших неликвидов. По официальным сведениям Минсельхоза России подобную по направленности настойчивость в масштабе 50 МВт проявляет компания ZEAG ZEITER Energie-Agentur GmbH (Германия) в отношении Саратовской области, что является не единичной попыткой и примером на более низком уровне межгосударственных деловых отношений.

Выводы

Материковая ветроиндустрия затребована и может быть создана только посредством решительной «деофшоризации» мощностей на основе развития и применения технологии виндроторной генерации.

Существующие технологии WR-генерации подлежат модернизации в целях повышения энергопотенциала автономных ВЭУ и кластерных систем.

Программы строительства объектов материковой ветроэнергетики мощностью в сотни мегаватт безосновательны и бесперспективны. Действенный проект индустриального развития предполагает средне-мощные установки, их станции и ветропарки модернизированного типа.

Внешние финансовые заимствования на начальном этапе данного проекта имеют под собой оправдание и прагматический смысл единственно тогда и только тогда, если в целевом порядке направленны на модернизацию, выполнение НИОКР и пилотные испытания индустриальных ветрогенерирующих систем, эффективно адаптированных для материкового применения.