Владимир Сидорович - Мировая энергетическая революция. Как возобновляемые источники энергии изменят наш мир
Вернувшись из области футурологии к нашим прогнозам, отметим, что дальнейшее развитие солнечной энергетики будет во многом зависеть от энергетической эффективности солнечных модулей, темпов удешевления оборудования, а также, в меньшей степени, развития аккумуляторных технологий, о которых будет рассказано в главе «Нестабильность ВИЭ и системы хранения энергии». В то же время на основе текущих трендов и имеющихся прогнозов можно с высокой долей уверенности заявить, что солнечная энергетика в течение двух – четырех десятилетий превратится в главный генератор – основного производителя электричества для планеты, существенно сократив сферу применения углеводородов.
Ветроэнергетика
Ветер является главным возобновляемым источником электрической энергии на сегодняшний день (без учета гидроэнергетики). Установленная мощность ветряных электростанций в мире составила в конце 2013 г. 318 ГВт. К июню 2014 г. она выросла до 336[74], а к концу года – до 370 ГВт[75]. 2014 г. стал рекордным по объему введенных новых ветроэнергетических мощностей в мире, а начиная с 2009 г. их годовой прирост ни разу не опускался ниже 35 ГВт. Для получения представления о масштабах изменений отметим, что построенные за один лишь 2014 г. мощности мировой ветроэнергетики превышают совокупную установленную мощность российских ГЭС и в два раза больше всех действующих атомных электростанций Российской Федерации.
Тысячелетняя история
Человек использует энергию ветра с незапамятных времен. В исторических источниках можно найти сведения об орошении полей в Месопотамии с помощью ветряных колес задолго до начала нашей эры и использовании ветряных мельниц в Египте, Персии и Китае в первом тысячелетии. В Европе ветряные мельницы, отдаленные прообразы современных ветрогенераторов, известны начиная с XII века. В Средние века ветродвигатели широко использовались для подъема воды, орошения полей, помола зерна и приведения в движение станков. До начала XIX века вода и ветер по сути являлись единственными источниками механической энергии, используемыми человечеством для обеспечения жизнедеятельности и развития, да и в конце того столетия с помощью этих источников вырабатывалось до 50 % глобальной энергии.
Согласно данным статистики, в 1882 г. в Германии насчитывалась 18 901 ветряная мельница. В России, по некоторым данным, к началу XX века число ветряных мельниц превышало 200 000. К этому времени технология их строительства была доведена до совершенства, а конструкция стала практически идеальной – с вращающимися крышами и саморегулирующимися в зависимости от направления и силы ветра крыльями.
Началом использования ветра для электрической генерации принято считать создание Чарльзом Брашем электростанции на основе ветряной мельницы для электроснабжения своего дома в 1888 г. В 1891 г. была построена первая ветряная электростанция в Дании. В 1920 г. немецкий физик Альберт Бец сформулировал закон, который был впоследствии назван его именем. По этому закону ветрогенератор может преобразовать не более 59,3 % кинетической энергии ветра. Теория Беца и сейчас является основой, на которой строятся расчеты современных ветряных электростанций, и нынешние ветряные турбины все ближе подбираются к заветной цифре.
Живя в «энергетической сверхдержаве», строящей свое материальное благополучие на эксплуатации месторождений ископаемого топлива, мы не забыли о том, что СССР являлся одним из мировых лидеров ветроэнергетики и имел для ее развития собственную мощную научно-теоретическую базу. В 1918 г. русский ученый В. Залевский создал «Полную теорию ветряных мельниц», в 1925 г. профессор Н. Е. Жуковский разработал теорию ветродвигателя и организовал отдел ветряных двигателей в ЦАГИ. В 1931 г. курский изобретатель А. Г. Уфимцев на десятилетия опередил свое время, построив первую в мире ветроэлектрическую станцию с инерционным аккумулятором, благодаря которому ветроустановка выдавала электричество даже при отсутствии ветра.
В 30-х гг. прошлого века в СССР производился широкий ассортимент ветроустановок мощностью 3–4 кВт, которые выпускались целыми сериями. В 1931 г. в Крыму, в районе Балаклавы, вступила в строй крупнейшая на тот момент в мире сетевая ветроэнергетическая установка. Опорная мачта ветродвигателя была построена по проекту В. Т. Шухова. Ветрогенератор с диаметром колеса 30 м и мощностью 100 кВт был на то время самым мощным в мире (мощность ветроагрегатов в Дании и Германии была в пределах 50–70 кВт при диаметре колеса до 24 м). Следом на юге страны были установлены десятки подобных ветрогенераторов. В 1938 г. в Крыму развернулось строительство ветроэлектростанции мощностью 5 МВт. В конце 1940-х гг. в ЦАГИ и других организациях активно велась разработка ветряных электростанций. С начала 1950-х гг. страна производила до 9000 ветроустановок в год с единичной мощностью до 30 кВт. В годы освоения целины в Казахстане была сооружена первая многоагрегатная ветроэлектростанция, работавшая в паре с дизелем, общей мощностью 400 кВт – прообраз современных европейских ветропарков и систем ветродизель.
После перерыва в 1960–1980-х гг., когда развитие электроэнергетики было ориентировано на создание «сконцентрированных» генерирующих мощностей – крупных ТЭС, ГЭС и АЭС, было принято Постановление Совета министров СССР № 1052 «Об ускоренном развитии ветроэнергетической техники в 1988–1995 гг.». В соответствии с ним к 1995 г. предполагалось ввести 57 000 ветроустановок. (Это совершенно невероятная цифра, достаточно заметить, что число ветроэнергетических установок в Германии, входящей в тройку крупнейших мировых производителей электричества из ветра, сегодня не превышает 25 000.) Существовали планы по постройке экспериментальных системных ветростанций, в том числе: Ленинградской ВЭС на берегу Финского залива (25 МВт), Джунгарской ВЭС в Казахстане (15 МВт), Крымской ВЭС на восточном побережье Крыма (125 МВт). По ряду известных причин этим планам, увы, не суждено было сбыться. Между тем именно в наши «лихие 90-е» начался расцвет современной мировой ветроэнергетики.
Чистая энергетика больших мощностей
В наше время развитие ветроэнергетической отрасли в мире происходит главным образом путем создания крупных, состоящих из множества турбин ветряных электростанций (их называют ветропарками или ветряными фермами) как на материке (оnshore), так и на море в прибрежных зонах, на шельфе (offshore). Морские ветряные электростанции существенно дороже береговых по капитальным затратам на единицу мощности, но они способны вырабатывать больше энергии.
Установка единичных ветряных генерирующих установок практикуется реже. В этом состоит существенное отличие ветроэнергетики от солнечной генерации, для которой характерен распределенный характер и в которой значительная доля общей выработки энергии принадлежит малым мощностям. Ветроэнергетика – это в первую очередь энергетика относительно крупных генерирующих предприятий, хотя распределенная генерация здесь также применяется.
История развития ветроэнергетики – это история роста размеров и мощности ветряков, наглядно демонстрирующая темп и глубину изменений в альтернативной энергетике. В 80-х гг. прошлого века средняя ветряная турбина имела ротор диаметром 17 м и выдавала всего лишь 75 кВт мощности. Современная ветряная турбина – существенно более крупный генерирующий объект. Находящееся приблизительно на 100-метровой мачте трехлопастное «колесо» диаметром те же 100 м обладает, по данным Европейской ассоциации ветроэнергетики, средней мощностью 2,2 МВт (на европейских береговых электростанциях) или 3,6 МВт (на морских)[76]. Разница объясняется сложностью строительных работ в морских условиях – на фундамент рационально ставить наиболее мощные установки. В 2014 г. введен в экспериментальную эксплуатацию крупнейший на сегодняшний день ветрогенератор датского производства мощностью 8 МВт, установленный на 140-метровой мачте. Такой агрегат способен в одиночку обеспечить электричеством небольшой город – 7500 средних европейских домохозяйств. Уже ведутся работы над 10-мегаваттной установкой.
Ветроэнергетика превратилась в мощную отрасль энергетики и экономики в целом, играющую все более важную роль в энергоснабжении многих государств. Уже в 85 странах электричество вырабатывается с помощью энергии ветра на коммерческой основе. Среди них лидируют (по установленной мощности): Китай (91 ГВт), США, Германия, Испания и Индия[77].
Выработка энергии ветряными электростанциями в Китае еще в 2012 г. превысила генерацию атомными электростанциями, а в 2013 г. ветряные электростанции произвели уже на 22 % больше электроэнергии, чем АЭС. В 2014 г. в Поднебесной было установлено 20,7 ГВт новых мощностей ветроэнергетики[78] (для сравнения: это больше, чем три Саяно-Шушенские ГЭС). Четырнадцатый год стал рекордным по вводу ветроэнергетических мощностей и в Германии, установившей примерно 1700 турбин общей мощностью 4,8 ГВт[79] – больше, чем когда бы то ни было.
