Токи ветров

Но пора его бессрочного отпуска подходит к концу: человечество все активнее пытается избавиться от нефтяной зависимости. И существенную помощь в этом может оказать одна из мощнейших земных стихий.

К началу прошлого 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». Хотя правильнее было бы назвать эту работу «теорией ветровых двигателей», поскольку собственно мельничного дела, то есть процесса помола зерна, профессор в ней не касался. Зато 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. К этому времени уже стало ясно, что из ветра можно извлекать не только механическую, но и электрическую энергию.

Нефтяной излом

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.

И хотя эта история не лишена политической интриги, принятое в итоге решение объяснялось не только ею: интерес к ветру ослабевал повсеместно. Так, в США в 1940 году построили ветроэнергетическую установку мощностью 1250 кВт, которая проработала несколько лет. Когда же одна из лопастей на ней повредилась, ремонтировать ее не стали. Оказалось, что установка дизельной электростанции обойдется дешевле. Тем не менее 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.

С тех пор нефтяные кризисы сотрясают планету с завидной регулярностью: в 1979 году — в связи с войной между двумя крупными нефтедобытчиками Ираном и Ираком; в 1990 году — в связи с нападением Ирака на Кувейт; в 2000 году — когда оказалось, что мировая транспортная инфраструктура не справляется с растущими потребностями в нефти. С того времени цена на нефть упорно ползет вверх.

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.

По горизонтали и по вертикали

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, и крыльчатые — с горизонтальной. Последние 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. А с ростом скорости вращения эффективность все больше зависит от аэродинамических показателей, а не от числа лопастей. Если учесть, что в мощных ветроустановках до 40% стоимости может приходиться на ротор, то становится понятным, почему сегодня у большинства мощных ветряков лишь две-три лопасти (а в некоторых случаях, правда довольно редко, — всего одна с противовесом). 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.

Чтобы эффективность установки была максимальной, ее надо разворачивать перпендикулярно ветру. В маленьких бытовых ветрогенераторах с этой задачей справляется хвостовой стабилизатор, действующий по принципу флюгера. Однако повернуть промышленный ветрогенератор общим весом в десятки, а то и сотни тонн такой стабилизатор уже не в силах, и эти функции возложены на специальную систему электронного управления рысканьем (поворотами по азимуту).

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.

Простейший карусельный ветряк используется в приборе для измерения скорости ветра — анемометре. На концах горизонтальной перекладины закреплены чашки. В одну из них ветер «задувает», а другую «обдувает» со дна. Ясно, что давление воздуха на первую чашку будет больше, чем на вторую. Перекладина начинает вращаться вокруг вертикальной оси, и чем сильнее ветер, тем быстрее. На ось можно насадить много таких перекладин, а еще удобнее прикрепить к ней высокие корытообразные лопасти. Теоретически их высота может измеряться хоть километрами.

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. Положение могут изменить ортогональные карусельные ветряки. В них лопасти-полубочки заменены вертикальными крыльями, сделанными по принципу самолетных. Такой ветродвигатель сначала надо закрутить с помощью какого-нибудь стороннего агрегата, зато, выйдя на рабочий режим, он теоретически способен развить мощность в 20 МВт, в то время как самые мощные «крыльчатки» выдают 5—6 МВт.

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. Тут, правда, надо учитывать, что из-за неравномерности ветровой нагрузки реальная энергоотдача ВЭС оказывается в 2—6 раз ниже установленной мощности. Тем не менее 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).

Проблемы чистого источника

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. Получается, что сегодня генератор выдает одну мощность, завтра — другую, а послезавтра ветер затих и электричество вовсе пропало. 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. Кроме того, многие государства стали создавать «морские ветропарки», застраивая ветряками прибрежные шельфовые зоны.

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. Но несмотря на все это, генераторы продолжают строить. И не только потому, что дорожает нефть. Не так давно для их использования появился новый стимул — Киотский протокол. ВЭС, в отличие от ТЭС, не выбрасывают в атмосферу ни одного грамма углекислого газа, а значит, не способствуют «глобальному потеплению». На научном языке это называется «нулевой эмиссией» парниковых газов. Для развитых государств, которым протокол предписывает сокращать эмиссию, перевод части энергетики на экологически чистые источники, каковыми являются Солнце и ветер, — достойное и удобное решение.

ВЭС в России не нужны?!

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.

Иное дело в России. К сожалению, от былого лидерства нашей страны в использовании энергии ветра не осталось и следа. В списке 75 стран, в энергосистемы которых входят ВЭС, Россия занимает пятидесятое место. На конец прошлого года общая мощность ВЭС в стране исчислялась 16,5 МВт. 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). Еще год назад мы занимали 49-ю строчку, но в прошлом году Россию обошла Республика Чили, запустившая 18-мегаваттную ВЭС.

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. В планах была установка на морском побережье 25 мачт высотой по 60 метров с 2-мегаваттными ветрогенераторами. Однако в прошлом году реализация этих проектов была приостановлена из-за отсутствия государственной поддержки. По нашим законам 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. А раз так, то лучше пустить деньги на строительство АЭС. Что у нас пока и делают.

Ветры перемен

Перечисленные выше российские проекты пока не закрыты, и их сторонники еще не отказались от своих планов — и спонсоры, и разработчики ждут принятия российскими законодателями «Закона о малой энергетике». А на Западе тем временем вводят новые мощности и создают новые конструкции.

По прогнозам WWEA, общие мощности мировой ветроэнергетики к 2010 году вырастут до 170 ГВт, то есть почти вдвое по сравнению с 2007 годом. К этому времени Великобритания планирует построить 2000 ветряных ферм и довести долю ветровой энергии в своем балансе до 10%. США намереваются за этот же период увеличить свои ветровые мощности в пять раз.

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. Компания планирует построить первый гелиевый ветряк к концу будущего года. Заказы на воздушные генераторы уже принимаются. Мощность их будет пока небольшой, от 10 до 25 кВт, чего, впрочем, с лихвой должно хватить, например, для полного энергоснабжения средних размеров коттеджа. Ориентировочная стоимость — от 3 до 5 тысяч долларов за киловатт мощности.

Но и 300 метров над землей для ветрогенераторов — далеко не предел. 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.

_{Материал опубликован в журнале «Вокруг света» № 8, август 2008}