Публикации - Электроэнергетика

Владимир Дорогайкин: Куда и почему дует ветер. Нетрадиционные источники энергии могут существенно улучшить экологический фон планеты

Развитие ветроэнергетики в мире

В российской действительности термин «ветроэнергетика» является столь же редким и необычным, как и термин «нетрадиционные источники энергии». Однако в последнее время тема нетрадиционных и возобновляемых источников энергии все чаще становится предметом дискуссий на высоком правительственном уровне, руководством страны предпринимаются первые шаги по реализации программ развития этого высокотехнологического сектора.

Ветроэнергетика использует для выработки энергии (электрической, тепловой, механической) кинетическую энергию ветра. Во всем мире кинетическая энергия, содержащаяся в ветре, в 80 раз превышает совокупное энергопотребление населением Земли, хотя основная часть ветроэнергетических ресурсов приходится на мировой океан. Это говорит о том, что энергия ветра может стать потенциальной альтернативой в частичном замещении традиционных источников выработки электроэнергии. Согласно оценкам Всемирной ветроэнергетической ассоциации (WWEA), к 2010 г. установленная мощность ветроэнергетических установок (ВЭУ) в мире составит порядка 160 ГВт.

Одним из основных преимуществ использования ВЭУ является отсутствие необходимости использования ископаемого топлива для выработки электроэнергии, как следствие, эти установки практически не оказывают вредного воздействия на атмосферу а зависимость от ископаемых источников энергии (газ, уголь, мазут и т.д.) может быть существенно снижена. Помимо этого суммарные затраты (производство, установка, последующее обслуживание и отсутствие топливного снабжения) в источник генерации на основе ВЭУ при схожих параметрах выработки электроэнергии находятся на уровне или даже немного ниже, чем в большинстве систем, основанных на традиционных видах топлива. Существенным моментом является тот факт, что применение ВЭУ возможно в составе как объединенных энергосистем, так и изолированных (с некоторыми ограничениями), что делает их более гибкими в использовании.

Основным недостатком ВЭУ является высокая капиталоемкость возведения (начальные затраты). Ветроэлектростанции (ВЭС) большой мощности (более 200-300 МВт) занимают большие площади, что ограничивает возможность их использования в определенных регионах. Еще одним существенным недостатком ВЭУ является неравномерный характер выработки электроэнергии по причине нестабильности ветра, что ограничивает возможности использования установок в децентрализованных системах без поддержки иных источников генерации (дизель-генераторов, аккумулирующих систем и т.д.). ВЭУ в процессе работы производят аэродинамические шумы, уровень которых может достигать более 50 дБ, что также ограничивает их использование вблизи населенных пунктов.

Ветроэнергетика является одним из наиболее быстро растущих секторов энергетики, в т.ч. в секторе возобновляемых источников. За последние 10 лет средние темпы роста мировой установленной мощности ВЭУ равнялись примерно 29% в год (табл. 1), а на конец 2006 г. установленная мощность составила порядка 74 ГВт или около 1,85% от совокупной установленной мощности объектов электрогенерации (порядка 4 тыс. ГВт).

Наибольшее распространение технологии, связанные с ветроэнергетикой, получили в экономически развитых зарубежных странах. В отличие от России, представители этих стран намного раньше озаботились поиском альтернативных и экологически чистых источников энергии. Интерес к данной области был вызван двумя ключевыми факторами: во-первых, истощением ресурсной базы традиционных источников энергии, находящихся на их территории, и ростом цен на энергоносители на мировом рынке, во-вторых, активизацией деятельности экологических организаций вследствие серьезного ухудшения экологического фона планеты.

Странами-лидерами по установленной мощности ВЭУ, являются Германия, Испания, США, Индия и Дания. По состоянию на конец 2006 г., на Германию приходилось около 27,9% от суммарной установленной мощности ВЭУ в мире, на Испанию - 15,7%, США - 15,7%, Индию - 8,5%, Данию 4,24% и Китай 3,06%.(табл. 2).

Таблица 1. - Установленная мощность ВЭУ в странах-лидерах в 2006 г. (статистика WWEA)

Страна

 

Введенная мощность ВЭУ в 2006 г.

Суммарная установленная мощность ВЭУ по итогам 2006 г.

МВт

%

МВт

%

Германия

2 194

14,72

20 622

27,9

Испания

1 587

10,65

11 615

15,7

США

2 454

16,46

11 603

15,7

Индия

1 840

12,34

6 270

8,5

Дания

8

0,05

3 136

4,24

Китай

1 145

7,72

2 405

3,06

Прочие страны

5 672

38,06

18 253

24,9

Всего в мире

14 900

100,0

73 904

100,0

Хотя до сих пор лидерами по использованию энергии ветра остаются страны Европы и Северной Америки, существенное увеличение темпов роста наблюдается в развивающихся странах, таких как Китай, Индия и т.д.

Развитие ветроэнергетики в России

Первые системные шаги в использовании ветровой энергии в СССР были сделаны еще в 1920-х. Результатом теоретических и экспериментальных работ по проектированию более совершенных ветродвигателей для нужд сельского хозяйства стал выпуск многолопастных ВЭУ цельнометаллической конструкции – ТВ-5 и ТВ-8. К концу 1930-х годов относятся разработки более крупных ВЭУ с увеличенной установленной мощностью непосредственно для выработки электроэнергии. Наиболее крупные установки были укомплектованы генераторами мощностью 15 кВт. Такие агрегаты прежде всего использовались на 16 станциях Северного морского пути в качестве автономных источников энергии. Экспериментальные ВЭУ показали хорошую производительность и высокую надежность работы в условиях Крайнего Севера.

Первая в мире ВЭУ промышленного назначения мощностью 100 кВт – самая мощная для своего времени – была разработана в Центральном Аэрогидродинамическом Институте им. Н.Е. Жуковского (ЦАГИ) и установлена в Крыму, в районе Балаклавы, недалеко от Севастополя в 1931 г. Станция работала через трансформатор параллельно с общегородской сетью напряжением 6 кВ, питаемой Севастопольской электростанцией. Было начато строительство второй подобной установки на соляных промыслах Кара-Богаз-Гол вблизи Каспийского моря. Обе установки были разрушены в 1942 г. во время военных действий.

В послевоенные 1950-е гг. в СССР выпуском ВЭУ занималось 44 предприятия. Максимальный уровень производства был достигнут в 1955 г. и составил 9142 установки. Для обеспечения водоснабжения объектов сельского хозяйства в семи областях Советского Союза в 1958 г. работали 2352 ВЭУ, которые окупали себя в среднем за 1-2 года работы. С развитием централизованного электроснабжения ВЭУ стали терять свое прежнее значение для сельского хозяйства. Уделом ветроэнергетики на новом этапе развития страны стало обеспечение энергией объектов сельского хозяйства, не подключенных к электрическим сетям. Последним достижением в развитии крупномасштабной ветроэнергетики было строительство Ново-Ишимской многоагрегатной ВЭС-400 в 1960 г.

В период с 1968 по 1975 гг. были разработаны новые ветроэлектрические установки мощностью от 1 до 30 кВт. Но, в целом, начало 1970-х гг. прошлого столетия является тем этапом, когда ветроэнергетика потеряла свою актуальность для промышленной тепловой электроэнергетики на фоне дешевого газа, угля и торфа. Именно тогда был прекращен серийный выпуск многих установок, а применявшиеся ранее ВЭУ были постепенно заброшены после проведения на большей части густонаселенных территорий СССР линий централизованного электроснабжения. Мировой интерес к развитию ветроэнергетики стал возрождаться в середине 1980-х гг. В России, где цены на энергоносители всегда значительно отличались от общемировых, первые проекты по строительству ВЭС появились только в начале 1990-х гг. В настоящий момент в России, в отличие от многих как развитых, так и развивающихся стран, использование ветроэнергетики носит весьма «умеренный» характер как по показателю установленной мощности ВЭУ (немногим более 10 МВт), так и по темпам развития сектора. Доля выработки электроэнергии с помощью ВЭУ в России составляет менее 0,01% общей выработки (в Дании этот показатель >24 %). В России расположено более 9 наиболее крупных ветроэнергетических станций (ВЭС), установленной мощностью от 0,2 до 5,1 МВт (Рисунок 2). Более 10 станций находится на этапе разработки и строительства.

Крупнейшей ВЭС в России является Куликовская ВЭС в Калининградской области, ее мощность составляет 5,1 МВт. Возведена она была в результате сотрудничества нашей страны с зарубежными производителями. Затраты только на приобретение оборудования составили 924 долл./кВт. Общие капитальные вложения с учетом строительства – 2158 долл./кВт (для тепловой генерации капвложения составляют порядка 1000 долл./кВт установленной мощности). За период своей работы с 1 сентября 1999 г. по 1 сентября 2002 г. Куликовская ВЭС выработала 6058,8 тыс. кВт·ч электроэнергии. Единственным нареканием к датскому оборудованию являются проблемы, возникающие при необходимости ремонта узлов ВЭУ. Особенность конструкции ВЭУ датской фирмы Vestas состоит в том, что на них предусмотрена возможность только блочной замены составных частей оборудования, что вызывает дополнительные затраты на обслуживание.

В современной России рынок оборудования для ветроэнергетики развит слабо. Его отличительной чертой является то, что мощность производимого отечественного ветроэнергетического оборудования существенно ниже зарубежных аналогов. Мощность российских ВЭУ варьируется от1 до 16 кВт (зарубежных от 100 кВт до 5 МВт). Таким образом, построить ВЭС, аналогичные по мощности западным аналогам, на базе отечественного оборудования не представляется возможным. В связи с этим основная масса российских ВЭС комплектуется оборудованием зарубежных производителей, таких как Vestas, Windworld, HAG и других (таблица 3). Оборудование российских производителей наиболее целесообразно использовать в частных хозяйствах с отсутствием централизованного энергоснабжения и низким уровнем энергопотребления

Потенциал использования и перспективы развития ветроэнергетики в России

Таблица 2 – Ветроэнергетический потенциал регионов России

 

Потенциал, млрд кВт·ч/г.

Совокупный

Технический

Европейская часть России

29 600

2 308

Экономические районы

Северный

11 040

860

Северо-западный

1 280

100

Центральный

2 560

200

Волго-Вятский

2080

160

Центрально-черноземный

1 040

80

Поволжский

4 160

325

Северо-Кавказский

2 560

200

Уральский

4 880

383

Сибирь и Дальний Восток

50 400

3 910

Всего

80 000

6 218

Совокупный потенциал генерации электроэнергии с использованием энергии ветра на территории России оценивается в 80000 млрд. кВт•ч/год. Технический потенциал сопоставим по величине с совокупным и составляет 6218 млрд. кВт•ч /год. Экономический же потенциал значительно ниже – 31-250 млрд. кВт•ч/год. Анализ показывает, что около 30% экономического потенциала сконцентрировано на Дальнем Востоке, около 16% в Западной Сибири и еще 16% в Восточной Сибири. По некоторым оценкам совокупный потенциал ветроэнергетики между Европейской и Азиатской частями России распределяется в соотношении 37% на 63% (таблица 4).

Специфика использования энергии ветра в качестве источника электроэнергии заключается в том, что размещение относительно стабильно работающей ВЭУ можно осуществить практически в любой точке земного шара, а вот экономически обоснованными местами ее размещения будут только зоны с высокими среднегодовыми скоростями ветра (зоны высокопотенциальных ветровых потоков). На территории России представляется экономически целесообразным освоение лишь менее 0,04% валового потенциала энергии ветра. Более низкий относительный показатель экономического потенциала по отношению к валовому только у солнечной энергии. В номинальном эквиваленте экономический потенциал ветроэнергетики ниже потенциала всех существующих возобновляемых источников энергии (таблица 5), однако по темпам развития в мире с ветроэнергетикой может сравниться только энергетика на биомассе.

Таблица 3 – Потенциал некоторых ВИЭ в России

Вид ресурса

Потенциал (млн. т.у.т.)

Валовой

Технический

Экономический

Малые гидроресурсы (до 30 МВт)

360,4

124,6

65,2

Владимир Дорогайкин,

эксперт-аналитик отдела исследований электроэнергетической отрасли ИПЕМ

Газета "Промышленный Еженедельник"

25 июня 2007 года