ИСТОРИЯ

ВЕТРОВАЯ ТУРБИНА. ГЛОБАЛЬНАЯ ПОТРЕБНОСТЬ

Ветровая энергетика, как элемент зеленых технологий имеет инвестиционную привлекательность по причинам:

  1. Доступность, бесплатность энергии ветра на 70% всей суши Земли (Renewable capacity statistics, IRENA 2019);
  2. Доступность энергии ветра без климатических преград: день-ночь, в т.ч. «полярная», облачность, снежный покров;
  3. На рынке есть предложение wind turbine (WT) разного размера для гарантированного энергоснабжения. Потребитель заинтересован в снижении цены предложения;
  4. Энергоснабжение отдаленных от сетей территорий (распределенное энергопотребление или distributed power consumption) далеко от решения во многих странах. Повышение уровня жизни и доступности образования невозможны без массовой электрификации.

Сегодня в мире используют два типа ветровых турбин: с горизонтальной осью (HTWT) и вертикальной осью (VTWT).

Турбины HTWТ привлекают инвесторов высоким коэффициентом использования энергии ветра (КИЭВ или WPUF — Wind Power Utilization Factor), высоким КПД (Efficiency) электрогенераторов, масштабируемостью, воспроизводимостью экономической модели. Проекты с турбинами HТWТ публикуют цифры: 90% турбин имеет мощность >500 кВт (kW), средняя цена постройки около 1000$/kW, средняя цена электроэнергии от 0,1 (несколько WT) до 0,15 (одна WT) $/kWh, срок окупаемости 10 лет и более, что сопоставимо с инвестициями в атомную энергетику (IRENA 2019).

WT производят с учетом экстремальных погодных факторов. Однако, ветер как дает энергию, так и убивает турбины. Так в Gujarat, Индия в 1998 г. 111 турбин вырваны ураганом (Jargstorf, 2010), десятки турбин в Miyako Jima, Япония (Gardiner, 2004), Cangnan Xiaguan, Китай уничтожены в 2006 году. Десятки турбин разрушены ледяным дождем в Texas, США в 2019 году.

Слабая устойчивость HТWТ при ураганах, ледяном ветре из-за сложности, уязвимости механизма ротора позволяет думать о VТWТ как об альтернативе. Интегральный коэффициент использования ветра (КИЭВ, WPUF) VТWT в 1,5-4 раза ниже, чем у HТWТ, поэтому VТWT «в инвестиционных шоу» проигрывают конкуренцию.

Две базовые конструкции VТWT являются производными от ротора Darrieus (в его основе подъемная сила крыла) или ротора Savonius (в основе разница силы лобового сопротивления лопастей на ветре). Наиболее успешным VТWT считается тип Darrieus с WPUF 0,43. и тип Savonius на основе полусферы с WPUF 0,19-0,20 (Gipe, 2009). Увеличение эффективности Savonius возможно за счет новых аэродинамических форм, дефлекторов, башен, которые увеличивают затраты, но не доходы владельца VТWT. Считается, что для создания Darrieus требуется меньше материалов в расчете $/kW, чем для Savonius.

Преимущества. VТWT в отличии от HТWT работает при любом направлении ветра. VТWT не требует механизма поворота лопастей ротора, высокой башни с поворотным механизмом. За счет приземного расположения генератора, редуктора, простой конструкции VТWT требуют меньше затрат при эксплуатации. Некоторые VТWT рассчитаны на порывы штормового ветра до 60 м/сек (SeaTwirl, 2021).

Первая радость инвесторов от перспектив VТWT Darrieus была разрушена негативной практикой. Так, 95 штук TW«FloWind» развернутых в Калифорнии с 1982 года (перевалы Альтамонт и Техачапи) производили до 100 миллионов kW/h в пике, но из-за отказа оборудования и форсмажорного роста затрат на содержание TW«FloWind», прогнозируемая прибыль не была получена, проект был остановлен в 1992. Негативный трек «FloWind» используется противниками Darrieus, как аргумент «против» VТWT (Gipe, 2009).

За последние 30 лет появились новые математические модели проектирования, новые типы турбин, конструкционных материалов, мощные постоянные магниты, что позволяет ученым и инвесторам видеть новые горизонты. В качестве примера VTWT «SeaTwirl». Турбина типа Darrieus размещается на якоре в незамерзающем море высоких широт, устойчива к штормам с ветром 60 м/сек и показывает яркие цифры цены дешёвой электроэнергии в 0,05 Э/kW при жизненном цикле VTWT 25 лет (SeaTwirl, 2021). Остается открытым вопрос морской коррозии, но этот фактор станет понимаем только после 5 лет эксплуатации морских турбин. Австралийский проект «VAWT-X Energy» заявляет высокий WPUF в 45%, быструю окупаемость инвестиций на примере VTWT VX-80 в течение 5 лет, что меньше срока окупаемости HTWT. Цена генерации электричества у VTWT VX-80 составляет 0,18 $/кВт.

ИСТОРИЯ
ИСТОРИЯ

Оптимизм WT, как правило, оставляет без внимания проблему размещения WT в высоких широтах. Самое высокое потребление энергии на жизнеобеспечение никак не соответствует степени развития альтернативной энергетики. Конкуренты WT — солярные батареи, привлекательны как экономический проект, но их работа ограничена на Севере. Отменяют привлекательность солярной электростанции недостаток солнца или полярная ночь, дождь, снег, лед, ветер, которые разрушают конструкции и крепления. HТWT и VТWT могут являться основой альтернативной энергии выше 50˚ широты (для северного полушария), но этому мешает ледяной ветер и снежный покров. Обледенение блокирует вращение ротора, дает не правильный баланс, пульсирующий крутящий момент, что разрушает HТWT и VТWT. Именно обледенение погубило турбины TW«FloWind» на горных перевалах Калифорнии, эта проблема далека от решения. Получается, что на Севере VТWT и HТWT ломают снег, лёд, коррозия и штормовой ветер. На Юге VТWT и HТWT ломают коррозия, тропические штормы, ураганы. Высокий риск разрушения лежит в основе высоких страховых взносов и снижает экономическую привлекательность WT. Важной задачей при проектировании, производстве WT становится снижение «углеродного следа». Вред, наносимый Земле из-за потребления ископаемого топлива для производства базовых элементов WT, на всех этапах строительства HTWT >500 kW столь высок, что вызывает вопросы и озабоченность. Получается, что чем больше WPUF, тем больше прочность элементов WT, больше использование нефтяных полимеров, цветных, редкоземельных металлов, затрат электроэнергии на производство металла и органического синтеза, больше разница между пользой и вредом для Земли, больше голосов против строительства новых мега-ветрогенераторов.

В ЧЕМ ПРОБЛЕМА ЭНЕРГЕТИКИ ВЕТРА

HTWT >500 кВт уже стали обычным бизнес-проектом. Увеличение размеров ротора вместе с привлекательной ценой kW/h увеличивает сопутствующие, «скрытые» расходы, например, строительство дороги, формирование котлованов в скальных породах и т.п. Уменьшение размеров HTWT снижает экономические выгоды владельца, но не отменяет негативные факторы.
Выделяют экономические критерии ветровой энергетики (D.Al Kacaprakakis, D.G.Kristacis 2012):

  • доступный ветровой потенциал и географические особенности места установки
  • физические размеры WT
  • номинальная мощность WT
  • необходимость в регулярном техническом обслуживании WT
  • стоимость WT
  • доступная площадь на месте установки WT с учетом номинальной мощности WT
  • наличие фактора экстремального ветра, урагана, обледенения и необходимость страховой программы
  • ограничения, вызванные воздействием WT на окружающую среду, ее обителей и деятельностью человека
  • требование коммунального предприятия к параметрам качества электроэнергии, производимой WT
  • цена передела и аккумулирования электроэнергии в рамках маломощной частной электростанции
  • существующая техническая инфраструктура на месте установки WT: сеть дорог, расстояние до линий электропередачи.

Рассмотрим крайние величины, что привлекают внимание и, те, что остаются на периферии.
Производимая мощность WT связана со скоростью ветра, этот критерий позволяет сделать предварительную оценку. Производимая мощность ветрогенератора ИСТОРИЯ по A.Hasankhani, A.Vafaeizadeh et all., 2021.

ИСТОРИЯ
ИСТОРИЯ

это скорость ветра, скорость отключения генератора и номинальная скорость ветра WT, которые определяют диапазон выработки энергии ветряной турбиной в различных диапазонах скорости WT.

ИСТОРИЯ

обозначают номинальную мощность ветрогенератора и мощность отключения ветрогенератора, соответственно.

ИСТОРИЯ

скорость ветра.
Конечные цифры экономического анализа доступны в результате использования расчетных данных для HTWT, и отдельно для VTWT. Общую стоимость производства электроэнергии WT за 24 часа считают следующим образом.

Окончательные показатели экономического анализа могут быть получены с использованием расчетных данных для HAWT и отдельно для VAWT. Общая стоимость производства электроэнергии по массе за 24 часа будет рассчитана следующим образом.

ИСТОРИЯ
ИСТОРИЯ

выработка электроэнергии от генератора

 
ИСТОРИЯ

стоимость производства электроэнергии от TW, принятой 0,15$/кWt

На 2/3 площади всей суши WT способны генерировать электроэнергию при скорости ветра от 5 до 25 m/s. На паспортный/номинальный режим работы WT выходят при ветре более 10 м/с (IRENA, 2018). К таким территориям относят морское побережье, предгорья, островные территории, ровные степи и пустыни. Tакие территории, последние полвека, уверенно осваивают HTWT.
Следовательно, при скорости ветра Scut-in с 3 до 10 м/с, и при Scut-off >25 м/с WT физически не производит заявленную в паспорте электроэнергию (номинальная мощность), а потребитель фактически вводится в заблуждение. Встречается, при экономических расчетах указывают 3 m/s как стартовую величину Scut-in для генерации электроэнергии по номинальной мощности WT Srated, вводя тем самым в заблуждение третьих лиц (A.Lopatin, V.Kucherov et all. 2014).
Экономические расчеты размещения WT целесообразно вести для участков со среднегодовой скоростью ветра более 7,5 m/s. Экономически не выгодно размещать WT в регионе со среднегодовым ветром 4-5 m/s. Ряд инновационных WT ведут свой экономический анализ для ветра 6,5 m/s, например «VAWT-X Energy». Проблема доступности WT работающих на ветре 3-5 m/s, а это около 30% суши, сейчас не имеет решения.
Для примера, в таблице приводим технические характеристики VTWT которые обеспечивают Scut-in для ветра <4 m/s, в сравнении с HTWT (M.A.Hyams, 2012). Обращает внимание разница между Scut-in и Srated, последняя соответствует Ptwind (в таблице Manuf.power rating) которую демонстрирует продавец и считает бухгалтер покупателя.

ИСТОРИЯ
ИСТОРИЯ
ИСТОРИЯ
ИСТОРИЯ
ИСТОРИЯ

Учитывая вышеизложенное, пионерские проекты инновационных VTWT пугают инвесторов негативным треком аналогов и высокой ценой стартовых инвестиций. Экономный домовладелец анализирует свои затраты, доход и не видит смысла в инвестициях в VTWT на 10 лет. Таким образом, редко когда установка бытовой VTWT становится доходным проектом.
Задачи повышения WPUF и увеличение производства электроэнергии WT —  цель большинства проектов. Оба результата достигаются за счет применения инновационных материалов (S.C. Bhatia, 2014). В результате, за счет снижения затрат на конструкцию, повышения WPUF турбины, Efficiency генератора общая стоимость WT с 1983 по 2018 гг. снизилась почти в три раза (IRENA, 2019).
Из чего складывается цена HWTW? Компоненты ротора, который составляет примерно 20% от стоимости ветряной турбины, включает в себя лопасти из композиционных материалов для преобразования энергии ветра в энергию вращения с низкой скоростью. При этом, композитные пластмассы имеют высокий «углеродный след».

ИСТОРИЯ

Компоненты генератора и редуктора составляет примерно 34 % от стоимости HTWT. Как правило, электрический генератор синхронный, содержит чистую медь как основу электромагнитов. В генераторах малой мощности электро-движущую силу (ЭДС) формируют неодимовые магниты.
Редуктор предназначен для преобразования низкоскоростного входящего вращения ротора в высокоскоростное вращение электрогенератора. Редуктором могут быть планетарная передача, привод с регулируемой скоростью, бесступенчатая трансмиссия. Все три производятся из качественной стали с известным углеродным следом.
Управляющая электроника представлена контроллерами и реле сильного тока для механизмов изменения шага лопастей, поворота, электродинамического тормоза ротора. Вся электротехника производится из синтетических пластиков, стали обогащённой редкими и цветными металлами.
Компоненты структурной поддержки, который составляет примерно 15 % от стоимости WT, включают в себя башню и механизм рыскания ротора. Все компоненты производятся из стали, композиционных материалов, включая алюминий, магний, никель, кобальт и требует значительных затрат ископаемой энергии при их производстве.
Логично допустить, что чем больше размер ротора турбины и доли в WT новых технологий, тем больше ископаемой энергии пошло на ее создание, и тем больший углеродный след имеет эта WT. Противоречие превышает порог ответственности за Планету и обеспечивает значительные капиталовложения инвесторов. Противоречие ставит вопрос: современные WT точно «зеленые», если имеют такой мощный «углеродный след»?
Инновационные материалы и технологии не отменяют регулярное техническое обслуживание, в т.ч. страховые выплаты. Известно, что чем сложнее организована кинематическая и электрогенерирующая цепь, тем больше рисков аварии она имеет.
Чем крупнее турбина, тем больше она производит электроэнергии и шума. Передача энергии требует наличие проводника с крупной жилой из меди, алюминия. Шум заставляет удалять WT от места фактического потребления энергии, т.е. от человека, тратить много электрического провода. Ритмичный шум от HTWT опасен для большинства живых существ и не пригоден для соседства с человеком. Генератором неотвратимого шума является вращение лопастей HTWT, обычно, чем сильнее ветер, тем больше шум.
Попытка уйти от рисков связанных с крупными WT встречает другую проблему. Малые HTWT и VTWT не способны «сливать» электроэнергию в единую сеть без предварительного накопления. Это требует использования электрических аккумуляторов. Последние дороги, имеют ограниченный ресурс заряд-разряд, служат не более 5 (свинцовые) и 7 (литиевые) лет и кратно повышают цену электроэнергии до неприятных значений при запуске проекта, т.е. они существенно выше 0,15 $/кВт.  Дополнительно к аккумуляторам требуется контроллер заряда, инвертор для перевода накопленного постоянного тока в переменный 50Hz бытовой сети. Практические решения прямого накопления энергии, например тепловой, еще только начинают получать решение. Наличие домашней WT часто становиться не источником бесплатной энергии, а признаком принадлежности к правильной социальной группе, которая думает о будущем Планеты. Получается, что у расчетливого домовладельца, как мини-инвестора, нет мотивации для покупки частной электростанции, со сроком окупаемости более 10 лет.

ПРИСОЕДИНЯЙТЕСЬ К НАМ!