Еженедельник "Снабженец"
http://www.snab.ru

Полная версия этой статьи в формате PDF:
СКАЧАТЬ

Возобновляемая энергетика сегодня и завтра В нашем мире беспощадно сжигаемого топлива, формировавшегося целыми геологическими эпохами, а растрачиваемого за столетия, беспрерывного накопления миллионов тонн неразлагаемого пластикового мусора и растущего дефицита прес­ной воды словосочетание «возобновляемые источники энергии» ложится неким бальзамом на душу. Значит, мы в состоянии не только перемалывать ресурсы матушки-природы, но и каким-то образом находиться с ней в гармонии, соизмеряя свои потребности с ее возможностями. О возобновляемой энергетике в мире, в т. ч. и в России, говорят уже давно, а в некоторых странах, особенно европейских, многое уже сделано и продол­жает делаться. Тенденции и перспективы Понятие «нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» включает энергию солнца, ветра, геотермальных вод, приливов и волн, биомассы. Сюда же можно отнести и малую (до 30 МВт) гидроэнергетику, использующую энергию малых рек и водотоков, как равнинных, так и горных. Общими для всех этих направлений являются два их качественных отличия от традиционной энергетики. Во-первых, сохранение невозобновляемого и быстро истощаемого сегодня органического топлива (неф­ти, газа, угля) для будущих поколений, а во-вторых, — экологическая без­-опасность. Другими словами, генерирование энергии с наименьшим вредом для окружающей среды. Наиболее интенсивно в мире развивается фотоэнергетика, т. е. использование энергии солнца. По отношению к 2007 г. прирост производства достиг 50–55%, хотя мощность выпускаемых фотоэлектрических систем невелика — около 10 МВт. Для ее существенного увеличения необходим значительный рост КПД фотопреобразователей — с нынешних 12–14% до 35–40%. Ветроэнергетика также совершенствуется достаточно быстро, хотя и не такими темпами, как солнечная. Ее прирост по установленной мощности к прошлому году составляет 20–25%. Единичная мощность ветро­-энергетических установок (ВЭУ) достигла 5 МВт, а общая превышает 100 МВт. По этому показателю происходит сближение традиционной и возобновляемой энергетики. Что касается энергии, выделяющейся при сжигании биомассы (отходов животноводства, птицеводства, деревообработки), а также геотермальной энергии, то соответствующий мировой прирост по установленной мощности достаточно невелик — около 8–10% в год. Если же говорить в целом, то в настоящее время доля возобновляемой энергетики (без малой гидроэнергетики) составляет в мире примерно 3% от общего коли­чест­ва генерируемой электроэнергии. В белой книге Евросоюза (1997 г.) была поставлена задача увеличения доли возобновляемой энергетики в общем балансе с 6% в 2000 г. до 12% в 2010 г. (И это совершенно реальные цифры, поскольку уже в 2007 г. подобный показатель в Германии достигал 11,5%.) К 2020 г. предполагается довести указанную долю до 20%. В США и Китае соответствующие показатели оцениваются приблизительно в 10 и 13%. Как отмечают специалисты, Россия имеет разработки достаточно высокого уровня по всем направлениям. Однако по объемам производства «экологичной» электроэнергии она очень серьезно (на 5–10 лет) отстает от ведущих в этой области стран, в частности Германии и Японии. До последнего времени в РФ даже не существовало законодательной базы поддержки отрасли. Первые шаги в этом направлении были сделаны в прошлом году, когда Госдума приняла поправки к федеральному закону «Об электроэнергетике», направленные на стимулирование развития возобновляемой энергетики. Недавно Правительство РФ утвердило Правила квалификации генерирующего объекта, функционирующего на основе использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ), вступившие в силу 1 октября 2008 г. Кроме того, Президент РФ Дмитрий Медведев подписал Указ № 889 «О некоторых мерах по повышению энергетической и экологической эф­фективности российской экономики». Эти документы закладывают основу мер поддержки и стимулирования, способствующих эффективной реализации проектов по применению ВИЭ. Дальнейшие действия должны быть направлены на то, чтобы придать законодательным инициативам рабочий характер. Но главное уже озвучено — государство готово поддерживать проекты, связанные с возобновляемыми источ­ни­ками. Согласно перспективным планам, долю возобновляемой энергетики в общем российском балансе генерируемой энергии предполагается увеличить с существующих 0,7% до 4,5% к 2020 г. Более того, в настоящее время научные учреждения заканчивают разработку концепции энергетической стратегии развития России на период до 2030 г. И в ней решению указанной проблемы придается особое значение. Как показывает статистика, основным направлением развития возобновляемой энергетики является использование энергии солнца и ветра. О них и стоит поговорить несколько подробнее. Дорогой подарок Солнца Превращение энергии солнечного излучения в электрическую основано на внутреннем фотоэффекте. При этом физическом явлении в полупроводнике под действием света происходит генерация свободных носителей заряда. На практике большое распространение получили кремниевые фотоэлементы, названные солнечными батареями (СБ). Такими устройствами в свое время оснащались космические аппараты. Наибольшая чувствительность кремниевых элементов приходится на зеленые лучи, т. е. на длины волн, которым соответствует максимум энергии излучения Солнца. Посколь­ку батареи преобразуют в электро­энергию немногим более 10% падающей на них энергии солнечного излучения, то для питания бортовых систем необходимы устройства очень большой площади. Сегодня это сложные развертываемые конструкции, раскидывающие свои гибкие панели только после вывода аппарата на орбиту. Земные собратья подобных систем также получают распространение, особенно в Европе. Так, в Германии, например, на исследование проблемы использования солнечной энергии в нынешнем году было на­правлено 750 млн евро. А с 1990-х гг. здесь был успешно реализован проект «Тысяча крыш», в рамках которого фотоэлектрические установки (ФЭУ) смонтировали на крышах 2250 домов. При этом правительство субсидировало 50% издержек в западных немецких землях и 60% — в восточных. А сами федеральные земельные учреждения дополнительно выделили 20 или 10% средств так, чтобы общий размер субсидий составил 70%. При реализации проекта роль резервного источника играла централизованная электросеть, которая покрывала недостаток энергии, а в случае избытка последней забирала излишек. Более того, генерируемую солнечными батареями электроэнергию правительство принимало по тарифам, в 3–4 раза превышающим расценки, установленные для других источников энергии. Такая «поблажка» обусловлена объективными факторами, сдерживающими развитие солнечной энергетики. Помимо низкого КПД фотопреобразователей это и высокая стоимость получаемой электроэнергии. У солнечных батарей она в 3– 4 раза больше, чем у оборудования традиционной энергетики. Сперва при реализации проекта использовались только модули немецких фирм, но с начала 1992 г. к применению были допущены все модули, производимые ЕС. К концу 1994 г., после установки всех систем суммарная мощность оборудования составила почти 6 МВт, т. е. больше, чем в любой другой стране мира. Однако следует отметить, что даже для соседних земель при реализации проекта наблюдалось очень большое различие в размерах затрат на системы — от 17 до 27 тыс. марок за 1 кВт·ч. В среднем ФЭУ оказались наиболее дороги в Гамбурге. Вскоре после этого в США была начата еще более крупномасштабная программа «Миллион крыш», рас­считанная на период до 2010 г. На ее реализацию из федерального бюджета выделили около 6 млрд долл. Однако и Германия посчитала возможным замахнуться на большее, не испугавшись таких масштабов. В январе 1999 г. здесь стартовал проект «Сто тысяч крыш», для реализации которого потребуется не менее 2500 т кремния. Ну а Япония решилась по количеству «солнеч­ных» крыш составить конкуренцию Америке. Резонно предположить, что в ближайшие годы количество подобных проектов будет только увеличиваться. В России фотоэлектрические модули и элементы выпускают около 12 раз­личных предприятий и организаций, в частности, ОАО «НПП “Квант”» (г. Москва), рязанский завод «Крас­ное знамя» и фирма «Солнеч­ный ветер» из Краснодара. Послед­няя поставляет свои изделия в Арген­тину, Германию, Грецию, Изра­­иль, Италию, Тайвань и ЮАР. Рассмотрев «плюсы» и «минусы» фотоэнергетики, осталось оценить перспективность ее развития для России, с ее суровым и отнюдь не солнечным климатом. А, как известно, производительность солнечной батареи зависит от освещенности, т. е. от величины, равной отношению светового потока, падающего на поверхность, к ее площади. Следова­тельно, на работу ФЭУ влияют и такие факторы, как географическая широта места или сезон года. Отвечая оппонентам, специалисты, высказывающиеся «за», утвер­ж­дают, что СБ лучше всего работают при -40 ?С, поскольку при высокой температуре снижается выходное напряжение. Но дело ведь не в морозе — в космосе эти устройства работают почти при абсолютном нуле, — а в том, что на большей части территории нашей страны не так уж много солнечных дней в году. Кроме того, какое дождливое выдалось лето 2008 г. во многих областях Нечер­но­земья и даже Черноземной зоны, знают все. Во Владимирской области, например, многие садовые участки были залиты водой, урожай на грядках собирали раньше срока, чтобы не сгнил. Ну а о покрывающем Москву и ближайшую область одеяле облаков пополам со смогом уже и не стоит говорить. А ведь здесь живет чуть ли не 15 млн человек, т. е. каждый десятый россиянин. (Кстати, ясный морозный день тоже особо не поможет, ведь высота Солнца над горизонтом зимой очень мала — на широте Москвы в день зимнего солнцестояния она составляет менее 11?, а значит, не так уж велика и создаваемая освещенность.) Понятно, что Россия — не Турция, в которой, едучи вдоль средиземноморского побережья из Анталии в Аланию, солнечные панели можно узреть чуть ли не на каждом доме. И даже не Крым, который только-только начал приобщаться к европейской «солнечной» перспективе. В этой связи речь может идти, наверное, лишь о южных областях РФ либо о регионах с континентальным климатом. В средних же широтах солнеч­ные панели (коллекторы и батареи) могут стать удобным подспорьем в деле тепло- и энергообеспечения садовых или дачных домиков. Ведь так приятно вечером пройтись по аллейке с маленькими, приглушенно светящимися изящными фонариками, запасшими для вас днем солнеч­ную энергию. Пока дует ветер Поклонникам ветроэнергетики в России повезло больше — их сторонники более многочисленны. Да и с ветрами у нас все в порядке: перемещение воздушных масс наблюдается везде. При этом по соседству, в Дании, существует изрядный опыт эксплуатации таких установок. В акватории датского побережья махают «крыльями» целые парки огромных «ветряков» — и с большим успехом. Более того, немецкий энергетический концерн E.ON предполагает создать тут крупнейший в мире ветропарк Roedsand II. С этой целью он заказал компании Siemens изготовление 90 ветроэнергетических установок единичной мощностью 2,3 МВт с крыльями размахом 93 м. Общая мощность парка, который расположится у южной части острова Лоланд в Балтийском море, будет достигать 207 МВт. Монтаж оборудования намечен на 2010 г. В 2007 г. полная установленная мощность всех ВЭУ в мире достигла 93 849 МВт, в т. ч. в Дании — 3125 МВт (20% общего производства электро­энергии в стране), в Германии — 22 247 МВт (14,3%). Соответст­вующий прирост в этих государствах составляет около 500–800 МВт/год. В США в 2007 г. доля ветроэнергетики составила более 1%, или 48 млрд кВт·ч электроэнергии. Ну а в Португалии и Испании в некоторые дни прошлого года на долю этого источника приходилось около 20% вырабатываемой электроэнергии. Ветроэнергоустановки могут быть как наземного, так и прибрежного (морского) базирования, что обуславливает два направления развития отрасли: оншорное и оффшорное. Для создания прибрежных парков необходимы гораздо более значительные инвестиции как непосредственно в строительство, так и в подключение к электрической сети. Как следствие, стоимость 1 кВт установленной мощности прибрежных ВЭУ в среднем составляет около 1800 евро, в то время как у наземного оборудования этот показатель уже снизился до уровня менее 1000 евро. Но есть у прибрежных установок и несомненное достоинство — они не требуют отчуждения все более дорожающей земли. Поэтому перспективы развития данного сектора ветроэнергетики просто огромны. Первые небольшие прибрежные ветропарки появились еще в начале 1990-х гг., а спустя несколько лет начали активно строиться и более мощные комплексы. На сегодняшний день ВЭУ генерируют электроэнергию у побережья восьми государств: Дании, Нидерландов, Великоб­ритании, Ирландии, Швеции, Гер­мании, Испании и Японии. От берега они удалены на расстояние от нескольких десятков метров до 50 км, при этом средняя удаленность равна 4,7 км. Глубина воды в этих местах варьируется от нескольких сантимет­ров до 44 м, а в среднем составляет чуть более 9 м. В России оффшорных ветропарков нет, а крупнейший наземный, Куликово, расположенный в Калинин­градской области, вступил в действие летом 2002 г. Эта станция состоит из 21 ВЭУ датского производства суммарной мощностью 5,1 МВт. Эксплуатация техники осуществляется без обслуживающего персонала. Запуск и остановка происходят в автоматическом режиме, а информация о возможных сбоях передается по компьютерной сети или системе сотовой связи. Сегодня станция Куликово со среднегодовой выработкой около 6 млн кВт·ч производит до 3% всей электроэнергии региона. Недалеко от башкирской деревни Тюпкильды в 2001 г. был открыт другой крупный российский ветропарк, построенный ОАО «Башкирэнерго». Станция состоит из четырех агрегатов типа ЕТ 550/41 мощностью по 550 кВт производства немецкой фирмы Hanse­atische AG. Оборудование также полностью автоматизировано и обеспечивает среднегодовую выработку электроэнергии 2 млн кВт·ч. Сущест­вуют подобные станции и в других регионах России, например, в Кал­мыкии и на Чукотке. Ну а каковы же в ветроэнергетике могут быть доводы «против»? Во-первых, неоднородность ветровых потоков. В приземном слое на перемещение воздушных масс оказывает влияние рельеф местности, наличие растительности, строений и прочих препятствий. В результате движение воздуха становится турбулент­ным. Однако с увеличением высоты влияние земли на линейность ветрового потока снижается, а его скорость возрастает. Отсюда следует вывод, что для получения большей мощности ветроколесо необходимо поднимать на максимально возможную высоту. Современные ВЭУ мощностью до 5 МВт имеют высоту до 130 м, а при мощности 150–200 кВт их высота составляет не менее 30 м. Следующий критичный фактор — сложность доставки и установки, если речь идет о крупногабаритном оборудовании. Для транспортировки и монтажа колеса и опоры необходима крановая техника большой грузоподъемности. Автокраны, пригодные для монтажа мощных ветроагрегатов, достаточно редки, а в некоторых местностях и попросту отсутствуют. Так, например, для монтажа ВЭУ Wincon 200 мощностью 200 кВт и высотой 28 м с гондолой массой 8 т, которая была установлена вблизи одного из отелей Мурманска, нашел­ся только один кран, работавший на пределе своих возможностей. При мощности установки 300 кВт пришлось бы использовать вертолет, что значительно увеличило бы расходы на ее возведение. Таким образом, развитие ветроэнергетики требует одновременного решения во­проса о создании специального кранового хозяйства. То же можно сказать и о противопожарном оборудовании. Пожары на установках, правда, случаются довольно редко, но, как правило, их результатом становится полное разрушение турбины. Если в гондоле ВЭУ появился огонь, его распространение весьма трудно остановить. Ведь напора воды зачастую не хватает для того, чтобы достать струей до такой высоты. Пожары на ветроэнергетических установках обусловлены двумя основными причинами: ударами молнии или техническими ошибками и неисправностями. В обоих случаях горят смазочные материалы, масла, трансмиссионные жидкости и оболочка гондолы. Однако не каждый удар молнии приводит к пожару, чаще его следствием является разрушенная лопасть, которую потом заменяют. Вероятность ударов существенно зависит от места расположения ВЭУ и ее размеров. Достаточно часто молнии попадают в ветроустановки на севере Германии и в Альпах, в то время как в Дании их удар в «ветряк» — редкость. Очень большой ущерб молнии наносят ВЭУ в Японии, особенно в ветреные зимы с переменной погодой. С развитием ветроэнергетики размеры и мощности оборудования увеличиваются, что делает его все более подверженным подобным повреждениям. Оффшорные ветропарки также находятся в зоне повышенного риска. Изготовление лопастей из углеродных волокон с высокой электропроводностью увеличивает уязвимость установок. По мере роста их мощности и размеров производители все большее внимание стали уделять системам молниезащиты. Например, в ВЭУ типа V-90, выпускаемых фирмой Vestas Wind Systems, встроены предохранительные электроды. Другие компании вообще не применяют углеродные волокна в больших лопастях. Британская фирма ЕА Technology пытается решить проблему «профилактическим» методом, а именно: использованием системы предварительной локации молний. Такой комплекс предсказывает возможное место возникновения молниевых разрядов за два часа, давая возможность операторам заранее остановить свои агрегаты для предотвращения ущерба. Наконец, следует помнить, что работающая ветроустановка является источником не только воспринимаемого органами слуха звукового шума, но и инфразвука (менее 16–25 Гц), подавляюще действующего на организм и психику животных и человека. Поэтому «ветряки» монтируют в некотором отдалении от ферм и поселков на открытом пространстве. Точнее, расстояние от ВЭУ до ближайшего жилья должно быть не менее чем в 10 раз больше расстояния от оси вала до поверхности земли. Уровень звука, создаваемый одиночной установкой на удалении 50 м и высоте над землей 1,5 м, не должен превышать 60 дБА. Такой же фон, в соответствии с требованиями СНиП II.12-77, допускается в жилых и общественных помещениях вблизи работающего агрегата. При этом уровень инфразвука не должен превосходить 100 дБ. Кто поставил на ветер Лидером по количеству установленных в прибрежной зоне ВЭУ является крупнейший в мире производитель ветроэлектростанций, датский концерн Vestas Wind Systems (вместе с дочерним предприятием NEG-Micon). Большая часть его действующего оборудования приходится на модели Vestas V-80 мощностью 2 МВт и Vestas V-90 (3 МВт). Последняя имеет ветро­колесо с 44-метровыми лопастями, изготовленными из углеволокна. Высота башни составляет 80 или 105 м. В этих ВЭУ используют асинхронный генератор, номинальная мощность которого вырабатывается при скорости ветра 15 м/с. Второй по количеству действующих оффшорных ВЭУ стала бывшая датская компания Bonus Energy, ныне Siemens Wind Energy, входящая в состав концерна Siemens. Наиболее массовая модель этого производителя — установка Bonus 2,3 мощностью 2,3 МВт. У такого оборудования с асинхронным генератором длина лопасти ветроколеса равна 40 м, а высота башни составляет 60 или 80 м. Номинальная мощность обеспечивается при скорости ветра 13–14 м/с. Наиболее мощными (5 МВт) из оборудования данного типа являются ВЭУ германских компаний REpower и Multibrid. Установка REpower 5M с ветроколесом диамет­ром 126 м и башней высотой около 100 м также снабжена асинхронным генератором. Для выработки номинальной мощности требуется скорость ветра от 13 м/с. Серийное производство оборудования началось в 2006 г. Интересно, что первая тестовая установка этой модели была смонтирована еще в конце 2004 г. вблизи немецкого местечка Brunsbuttel, совсем недалеко от атомной станции, уже останавливавшейся из-за неполадок в системе безопасности. Подобное соседство стало наглядной демонстрацией принципиального европейского отказа от атомной энергетики в пользу возобновляемой. ВЭУ Multibrid M5000 с ротором диаметром 116 м оснащена синхронным генератором, номинальная мощность которого (5315 кВт) рассчитана на скорость ветра от 12 м/с. Первые серийные установки были созданы в 2007 г. для перспективного немецкого ветропарка Alpha Ventus. В этот комплекс войдут 12 гигантских «ветря­­ков» весом по 1000 т. В России тоже есть фирмы, занимающиеся изготовлением и монтажом ветроэнергетических установок разной мощности. Правда, поскольку у нас пока нет оффшорных ветропарков, то и отечественное оборудование гораздо скромнее по масштабам в сравнении с зарубежным. Но и у него есть сегодня свой потребитель, а на большее мы пока не замахиваемся. Жаль, что лишь одна из таких компаний участвовала в международной выставке «ЭлектроТехноЭкспо ’2008», проходившей недавно в Экспоцентре на Красной Пресне. Возобновляемая энергетика на этом форуме была заявлена отдельным разделом, а реально ее представил только один экспонент — Научно-инженерный центр «Виндэк» (г. Москва). Предприятие предлагает как сами ветроэнергетические установки, так и генераторы серии «Виндэк» к ним. Оборудование номинальной мощностью от 50 до 5000 Вт рассчитано на скорость ветра от 5 до 10 м/с, однако способно работать и в более широком диапазоне (3–50 м/с) его скоростей. Генераторы с малой частотой вращения (200–650 об/мин.) вырабатывают как постоянный (14,5; 28,5; 57 и 114 В), так и переменный (220, 380 В) ток. Их важнейшей особенностью является малый момент страгивания (0–1 Н·м), обеспечивающий генерацию тока практически сразу же с момента запуска. Номенклатура предприятия вклю­чает одно-, двух- и трехлопастные, а также вертикально-роторные установки, осуществляющие гарантированное питание линий связи и бытовых приборов. Такое оборудование вполне подойдет службам МЧС, геологам, туристам и другим потребителям. * * * Подводя некоторые итоги сказанному, следует отметить, что большинство российских специалистов рассматривают возобновляемые источники энергии не в качестве особой панацеи, а как звено, включаемое в действующие системы энергоснабжения. В этом смысле упор в ближайшее время следует делать на то, чего у нас пока в избытке, — уголь, которого, в отличие от нефти и газа, хватит еще на 300–400 лет*, энергию больших и малых рек. Не нужно забывать и важнейшую роль для нас атомной энергетики. Возобновляемая же энергетика, несомненно, должна быть достойно представлена в общем объеме генерируемой электроэнергии и тесно переплетена с традиционной. Тогда у нас будет достаточно времени, чтобы изобрести что-то совершенно новое, экологически чистое и эффективное. А то ведь и прогнозируемый срок в 300 лет в итоге превратится в 100-летний — топливо мы сегодня сжигаем с большим удовольствием, чем отходы. Светлана Семенова * По данным некоммерческого партнерства «Горнопромышленники России».