Как найти ветер в поле?

Ветер, как и солнечный свет, водные потоки, морские приливы или геотермальное тепло, относится к числу возобновляемых ресурсов. Этим они выгодно отличаются от традиционных источников энергии, таких как нефть, газ или уголь. К тому же так называемая альтернативная энергетика наносит существенно меньший вред окружающей среде, выгодна в использовании, а некоторые из ее ресурсов (тот же ветер) не просто возобновляемы, но и вовсе неисчерпаемы. Однако ветроэнергетика имеет и свои особенности и недостатки.

Кто сеет ветер, пожнет электроэнергию

Ранние инструменты для использования энергии ветра всем хорошо известны. Это паруса и ветряные мельницы, которые превращают кинетическую энергию движения воздуха в механическую. В 1929-1931 годах советский ученый-самоучка Анатолий Уфимцев сконструировал первую в нашей стране ветроэнергетическую станцию. В ней кинетическая энергия ветра превращалась в механическую (вращение турбины), а затем электрическую (с помощью генератора). Производительности этой установки хватало для электроснабжения дома и мастерской изобретателя.

Ныне это устройство, функционировавшее вплоть до 1957 года, является старейшей в России сохранившейся ветроэлектростанцией. Ее можно увидеть по адресу: г. Курск, ул. Семеновская, д. 13. С 1950 по 1955 годы в СССР ежегодно выпускалось по несколько тысяч ветроустановок, однако в 1960-х годах советская экономика перешла на электроэнергетику других типов.

Современные ветроэнергетические установки (ВЭУ) делятся по своему расположению на несколько типов. Самый известный из них – это наземный ветряк, который чаще всего устанавливается на возвышенностях и в «продуваемых» местах. Другой тип – прибрежная ветроустановка: она располагается на небольшом расстоянии от берега моря или океана. А так называемые офшорные ветрогенераторные электростанции (ВЭС) строят в море за несколько десятков километров от берега в шельфовой зоне, что позволяет с помощью морских ветров бесперебойно получать электроэнергию. Для установки и обслуживания подобных электростанций используется специальная морская техника.

Важными преимуществами метода получения энергии с помощью ветра является отсутствие необходимости использования топлива и сопутствующих выбросов вредных веществ в атмосферу. При этом возведение такой установки занимает всего неделю (в отличие от длительных сроков строительства тэпло-, гидро- или атомных электростанций). Хотя комплексы, которые часто называют «ветряными фермами», и занимают большие площади, их территории могут безопасно использоваться для сельскохозяйственных нужд.

Сельхозугодья могут располагаться буквально у основания ветряка. Для производства электрического тока достаточно скорости воздушных масс всего от 2 м/с. При сильных порывах ветра (более 25м/с) специальная тормозная система останавливает ветрогенератор. Помимо сокращения выбросов углекислого газа, при использовании ветряков также происходит значительное снижение стоимости электроэнергии для потребителя, а период окупаемости оборудования не превышает 7-8 лет.

В последние годы ветряки становятся все выше, а их лопасти длинней и легче, что позволяет им работать даже при небольшой силе ветра. Эти сооружения устанавливаются повсеместно: в лесах, полях, на побережьях, в прибрежных водах морей и океанов (офшорные парки). Даже в густонаселенных мегаполисах архитекторы умудряются внедрить ветрогенераторы в конструкции небоскребов, переведя их на частичное самообеспечение. Например, ветровые мини-турбины SkyWind NG используются в частных домовладениях и для электроснабжения телекоммуникационного оборудования.

Страны-лидеры в ветроэнергетике

В ряде стран ветроэнергетика уже заняла значимую долю в выработке электроэнергии. Так, за первые шесть месяцев 2020 года ветряные и солнечные станции обеспечили 42% выработки электроэнергии в Германии и 33% — в Великобритании.

Дания. С 2000 года по настоящее время датчане увеличили долю ветряной электроэнергии в общем объеме национальной энергетической системы с 12% до 42%. На данный момент, общая мощность ветропарков Дании составляет 5 ГВт. В силу небольших размеров, эта страна не может конкурировать по объему производимой ветряками энергии с Китаем или США. Однако по количеству киловатт ветровой энергии на душу населения Дания является несомненным мировым лидером. Датские власти обнародовали программу, в соответствии с которой к 2050 году страна полностью откажется от использования традиционных энергоресурсов. До недавнего времени, ветрогенерационные установки датской компании Vestas, наряду с немецкими ветряками Enercon и Siemens Gamesa, оставались самыми востребованными в мире.

Германия реализует стратегию так называемого «энергетического поворота» (нем. Energiewende) по полному переходу на «зеленую энергетику» и на данный момент уже имеет самую высокую ветроэнергетическую мощность в Европе. Крупнейшими в стране офшорными ВЭС являются три установленные в Северном море ветряные фермы Gode Windfarms, общей мощностью 582 МВт, которые при этом находятся в собственности датской компании Ørsted.

По состоянию на 2019 год, около 12% электроэнергии в Германии поступало с АЭС, а 40% приходилось на угольную энергетику. В 2020 году до 44,6% всей электроэнергии, вырабатываемой в Германии, приходилось на возобновляемые источники (на ветроэнергетику – 27% всей мощности). Согласно планам властей, к 2030 году не менее 65% производимой в стране электроэнергии будет экологически чистой. Планируется полностью отказаться от атомной энергии к 2022 году, а от использования угля в качестве топлива для ТЭС – к 2038 году.

В США находятся 6 из 10 крупнейших в мире наземных ветряных электростанций. Нынешний президент страны Джо Байден планирует в ближайшие десять лет инвестировать в реформирование отрасли 1,7 триллиона долларов. В первый же день своего президентства он подписал указ о возвращении США в Парижское соглашение по климату: «революция чистой энергии» Байдена должна к 2050 году перевести американскую экономику на использование энергии из возобновляемых источников и снизить вредные выбросы в атмосферу до ноля.

Интересно, что в прошлом около 40% всей электроэнергии в США производилось с использованием угля из штата Вайоминг, где и в наше время ежесекундно добывается 12 тонн этого энергоносителя. По иронии судьбы, в этом же регионе находится несколько горных хребтов и плато, в которых образовались естественные воронкообразные долины, где постоянно дует ветер. Поэтому в строительство ВЭУ здесь инвестируют не только крупные компании, но даже местные фермеры. Например, компания миллиардера Уоррена Баффета PacifiCorp установила 158 ветряков на территории бывшей шахты Гленрок.

На Китай приходится более трети мировой мощности всей современной ветроэнергетики. Именно в этой стране находится самая производительная в мире береговая ветряная электростанция мощностью 7965 мегаватт (МВт), что в пять раз больше, чем у ближайшего конкурента. Сейчас каждая третья турбина для ветряков производится именно в Китае.

Куда дует ветер перемен в энергетике?

Недостатки ветроэлектростанций не так очевидны, как их преимущества, но они тоже есть. Так, популярно мнение о том, что из-за встречи с лопастями ВЭУ гибнут птицы. На самом деле, современные ветряки имеют скорость вращения лопастей до 15 оборотов в минуту, и пернатые их хорошо видят и избегают столкновений. К тому же, ветроустановки нередко снабжены устройствами для отпугивания птиц.

Другой минус – география возможного расположения ветряков часто не совпадает с локацией потребителей. Например, в Германии большинство ВЭУ сосредоточены на севере страны, а основная часть потребителей электроэнергии – на юге. Данная проблема решается путем реконструкции энергосистемы, что связано со значительными временными и финансовыми затратами.

Еще один недостаток – как и любой механизм с движущимися частями, ветряк издает определенный шум. Если роторы ветроустановок вращаются медленно, то их почти неслышно. Однако в сильный ветер, работая на полную мощность, они издают звук, который напоминает летящий вдали самолет. Поэтому некоторые жители той же Германии требуют от операторов близлежащих ветропарков выключать ветрогенераторы с 22 до 6 часов. Всего в Германии насчитывается не менее 1000 различных групп и инициатив, которые выступают против строительства ветропарков неподалеку от жилищ.

В этой связи министр экономики ФРГ Петер Альтмайер подготовил законопроект, согласно которому новые ветропарки должны будут строиться на расстоянии не менее одного километра от поселений. В свою очередь министр охраны окружающей среды и ядерной безопасности ФРГ Свенья Шульце заявила, что этот закон, если он будет принят, не позволит Германии достичь в сфере энергетики поставленных целей. «Правило одного километра» сократит на 20-50% и так ограниченное пространство, доступное для строительства ветропарков. Кроме того, это правило снизит возможность замены уже работающих ветрогенераторов на более мощные.

Эксперты имеют свои решения этой проблемы. Так, Фолькер Квашинг, профессор систем возобновляемой энергии в Берлинском институте техники и экономики, предлагает правительству подумать о стимулах для жителей населенных пунктов, рядом с которыми установлены или планируются ветропарки. Это могут быть инвестиции в местную инфраструктуру, как уже было сделано в ряде городов, или компенсация жителям части стоимости электроэнергии. Правда, случай Германии уникален: в других европейских странах ветряки официально можно устанавливать на расстоянии 500 метров от жилых зданий или даже ближе.

И, наконец, главный недостаток. Ветроэлектростанции намного менее продуктивны, чем традиционные ТЭС, ГЭС и АЭС. Это обусловлено тем, что источник энергии (ветер) непостоянен: сегодня его скорости достаточно, завтра может быть штиль, а послезавтра – вовсе шторм. Из-за этой особенности поступление электричества в общую сеть происходит неравномерно. Поэтому полностью отказаться от использования традиционных ГЭС и ТЭС на современном этапе развития альтернативной энергетики не представляется возможным, так как они необходимы для стабилизации работы электросетей.

Фактическое подтверждение данному постулату случилось совсем недавно. В январе-феврале 2021 года арктические циклоны, принесшие обильные снегопады и непривычно низкие температуры воздуха на территорию Северной Америки и Западной Европы вызвали масштабные «блэкауты». Только в американском штате Техас миллионы людей временно остались без электричества. Сразу же появились многочисленные предположения о том, что ВЭУ и электроэнергетика с использованием солнечных панелей не способны работать в условиях зимних бурь. Некоторые «горячие головы» даже стали предлагать вернуться к использованию традиционного угля. Однако на поверку ситуация оказалась хоть и сложной, но не столь драматичной.

Действительно, когда в конце января 2021 года значительную часть Германии накрыли снегопады, снег засыпал многие солнечные панели, а безветренная погода остановила работу ветряков. Национальная телевещательная компания Rundfunk Berlin-Brandenburg (RBB) выпустила видеосюжет, в котором сообщалось, что из-за снегопадов прекратили работу около 30 000 немецких ветрогенераторов, а доля «зеленой электроэнергии» в общем объеме генерации в Германии временно опустилась до 0-3%. Зато загрузка угольных электростанций в период форс-мажорной ситуации достигала 100%, и якобы именно они вырабатывали большую часть электроэнергии в стране.

Впоследствии сотрудники RBB удалили сюжет с официального Youtube-канала телекомпании, однако его вновь загрузили на собственном канале члены немецкой группы протеста против ветроэнергетики – Vernunftkraft.du. А NoTricksZone (организация, также занимающаяся противодействием распространению «зеленой энергетики») распространила цитату из этого видео, где сотрудник электростанции LEAG Lausitz скептически отзывается об альтернативных источниках электроэнергии. Харальд Шварц, профессор Бранденбургского технического университета, также отметил, что он «очень скептически относится к ветровой и солнечной энергии». Шварц высказал мнение о том, что Германии стоит больше полагаться на природный газ из России, уголь из Польши и атомную электроэнергию из Франции.

На самом деле, информация о десятках тысяч ветряков, временно остановивших работу в Германии, оказалась фейком. Тем не менее, адепты ВЭУ были вынуждены признать, что при сильных порывах ветра и больших низких температурах ветряки приходится отключать. Соответственно требуется «подстраховка» в виде ТЭС или иных традиционных источников электроэнергии, чтобы миллионы домохозяйств не оказались в ситуации «блэкаута». Что касается возможного шума от ветрогенератора, то в его низком уровне вы можете самостоятельно убедиться на Экоплощадке «Зеленый КОТ», в составе которой функционирует датская ветроэнергетическая установка фирмы Vestas.