Использование энергии ветра.

Возобновляемые источники энергии в современном мире

Возобновляемая энергетика является одним из самых быстро развивающихся секторов экономики. Технологии возобновляемых источников энергии (ВИЭ) отвечают всем требованиям и ограничениям современных технологий генерации и потребления энергии и дополняют существующие системы производства энергии, а также могут внести большой вклад в дальнейшую модернизацию энергетического сектора.

Более того, ВИЭ могут способствовать выполнению общей стратегии устойчивого развития. Они помогают снизить зависимость от импорта энергии, тем самым обеспечивая безопасность энергоснабжения. ВИЭ также могут улучшить условия конкуренции на рынке и имеют положительное влияние на региональное развитие и занятость населения. Европейская индустрия возобновляемой энергетики уже достигла уровня оборота в 10 млрд. Евро, а занятость в ней составляет 200 тысяч человек. Европа является мировым лидером в развитии технологий возобновляемой энергетики.

Такое развитие возобновляемой энергетики в ЕС было в значительной мере стимулировано активной законодательной политикой, которая создала условия для роста возобновляемой энергетики.

К возобновляемым источникам энергии относятся: энергия Солнца, ветра, энергия рек и водотоков, приливов и волн, тепловая энергия земли (геотермальная) и гидросферы (теплого воздуха и вод океанов, морей и водоемов), а также энергия биомассы (дрова, отходы сельскохозяйственного производства, лесной, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности, бытовые отходы).

На современном этапе наибольшее развитие получило использование энергии ветра, Солнца и малых рек. Поэтому эти виды ВИЭ будут рассмотрены более подробно.

Использование энергии ветра.

Энергетический кризис 1973 г. стал той точкой отсчета, после которой началось интенсивное развитие возобновляемых источников энергии вообще и ветроэнергетики в частности.

Уже в 1974 г. во многих промышленно развитых странах мира стали разрабатываться и приниматься государственные многолетние программы исследований, разработок и использования возобновляемых источников энергии.

Целью пятилетней программы ERDA (США), принятой в 1974 г., являлась разработка экономически выгодных конструкций ветроэлектростанций (ВЭС) большой мощности, предназначенных для параллельной работы с сетями действующих энергосистем. Ассигнования на выполнение программы с 1979 г. составили 147,6 млн. долл.

Первым регионом массового строительства ВЭС (ветроферм) стал штат Калифорния. Бюджетные дотации на ввод в действие новых мощностей и налоговые льготы обеспечили строительный бум. В 1982-86 гг. Калифорния превратилась во всемирный центр ветроэнергетики. Примерно 95% всех выпускаемых в мире ВЭС в тот период устанавливались в Калифорнии. Несмотря на большие объемы выполненных работ и средств, вложенных в создание ВЭС мегаваттного класса, начинать массовое применение пришлось с установок мощностью 20-100 кВт.

Строительный бум завершился в 1986 г., когда прекратилось действие льгот на вновь вводимые мощности и изменились условия заключения контрактов на поставку: с 1987 г. контракты стали заключаться при ценах 700-1000 долл/кВт, а ранее ВЭС поставлялись по цене 1500-2000 долл/кВт.

После кратковременного спада строительство ВЭС в Калифорнии возобновилось, и в 1993 г. в США работали ВЭС общей установленной мощностью 2,4 млн. кВт.

На начальной стадии эксплуатации производство электроэнергии от ВЭС в Калифорнии было убыточным: в 1982 г. себестоимость электроэнергии составляла 30 цент/кВт.ч, в 1986 г. - 12 цент/кВт.ч, а в 1994 г. был достигнут важный рубеж снижения себестоимости лучших ВЭС до 5 цент/кВт.ч., при котором ВЭС становятся рентабельными по сравнению с АЭС и электростанциями, работающими на угле.

Успехи ветроэнергетики в США стимулировали ее развитие и в Европе, где первоначально (80-е годы) наибольших успехов добилась Дания. Здесь еще в конце 19 века впервые в мире создали ветроустановку для выработки электроэнергии, а в последней четверти 20 века на ее долю приходилось 45 % мирового экспорта ветроэнергетических установок (ВЭУ). В области использования энергии ветра Дания продолжает оставаться страной-лидером и хотя по объему выработки электроэнергии на ВЭС и установленной мощности ВЭС ее далеко обошли Германия, Испания и США, только в Дании ветровая энергия обеспечивает 18 % годового электропотребления.

Здесь разработана и введена в действие система налоговых льгот производителям ВЭС, субсидируется подключение ВЭС к сети, предоставляются льготные кредиты на строительство, гарантируется прием электроэнергии, вырабатываемой ВЭУ, по утвержденным правительством ценам.

Датские фирмы Vestas, Micon и Nordex контролируют более 1/3 мирового рынка сетевых ВЭС, и в значительной степени определяют уровень мировой ветроэнергетики (рис. 1.1.).

Общее состояние в мире характеризуется табл. 1.1, охватывающей развитие ветроэнергетики в различных странах и в мире на рубеже 21 века. Суммарная мощность ветроустановок (ВЭУ) достигла 24000 МВт. Страна-лидер в ветроэнергетике – США – потеряла свои позиции, и на первое место вышла Германия, в которой общая установленная мощность ВЭУ в 2001 г. составила 8, 754 ГВт . На второе место в мире вышла Испания с установленной мощностью 3,337 ГВт , США оказались на третьем месте 2,525 ГВт), Дания - на четвертом (2, 417 ГВт), Индия - на пятом (1, 248 ГВт). По данным Европейской Ветроэнергетической Ассоциации в 2001 г. был поставлен рекорд прироста установленной мощности. Он составил за год 4497 МВт, т.е. 35% к предыдущему году.

Таблица 1.1

Установленная мощность ветроустановок, подключенных
к электрическим сетям в странах мира, МВт

Рис. 1.1. Ветроагрегат мощностью 750 кВт фирмы Nordex

В самом конце прошлого века (1999 г.) Мировая Ветроэнергетическая ассоциация приняла Программу «Wind Force 10», цель которой – достижение 10% - ной доли ветроэнергетики в мировом производстве электроэнергетики к 2020 г. (табл. 1.2) при увеличении годового производства электроэнергии в мире почти в два раза. На момент публикации программа казалась абсолютно нереальной. Однако жизнь показывает, что в 2000-2001 гг. превышены даже эти показатели. Так, на 2000 г. прогноз 17017 МВт, факт – 18449 МВт, на 2001 г. прогноз 21510 МВт, факт – 24000 МВт.

Таблица 1.2

Программа развития ветроэнергетики: «Wind Force 10» - достижение доли 10% к 2020 г.

Высокие темпы прироста мощностей ВЭС продолжают сохраняться: в 2002 г. общая установленная мощность ВЭС достигла уровня 39 млн. кВт. Европейская ассоциация ветроэнергетики и организация «Greenpeace» опубликовали совместный доклад «Wind Force 12», подготовленный для Всемирной конференции по устойчивому развитию в Йоханнесбурге. Показано, что к 2020 г. доля ветроэнергетики в мировом производстве электроэнергии повысится до 12 %. Согласно приводимому в докладе прогнозу к 2030 -2040 гг. совокупные мощности ВЭС достигнут 3 ТВт, и их годовая выработка обеспечит 20 % мирового энергопотребления. Установленная мощность ВЭС в Европе в 2002 г. составила 74% от общей мощности ВЭС на земном шаре, при этом 84% европейских ВЭС сосредоточено в Германии, Испании и Дании.

Учитывая темпы ввода новых ВЭУ и ежегодный прирост установленной мощности ВЭС, Европейская ассоциация ветроэнергетики (EWEA) пересмотрела программу «Wind Force 10» и опубликовала доклад «Wind Force 12», в котором показана возможность к 2020 г. повысить долю ветроэнергетики в мировой выработке электроэнергии до 12 % . Опираясь на европейский опыт развития ветроэнергетики в последние годы, авторы доклада показывают, что технически возможен и экономически оправдан рост установленных мощностей в ветроэнергетике на 25% в год до 2007 г. с выходом на 120,6 ГВт, подключенных к энергосистемам.

К 2012 гг. прирост снизится до 20% в год с выходом на 352,241 ГВт установленных мощностей. Затем прирост снизится до 10% в 2016 г. С 2020 г. прирост мощностей выровняется на уровне 150 ГВт ежегодно, и к 2030 - 2040 гг. совокупные мощности достигнут примерно 3000 ГВт, что будет соответствовать порядка 20% мирового энергопотребления.

Ожидается, что ведущую роль в реализации программы будут играть страны Европы и Северной Америки. Важный вклад внесут и такие страны, как КНР. Однако в развивающихся странах для реализации целей программы необходима стабильная политическая среда. Шельфовые установки будут важным фактором европейского рынка. Средняя мощность турбин увеличится с нынешнего уровня в 1 МВт до 1,3 МВт в 2007 г. и 1,5 МВт в 2012г.

Уже сейчас на долю европейских стран приходится 75% всей электроэнергии, вырабатываемой на ВЭС в мире. А к 2010 г. европейские ВЭС увеличат выработку в 5 раз и 30 млн. европейцев будут обеспечены экологически чистой электроэнергией. Распределение установленных мощностей ВЭС в современной Европе представлено в табл. 1.3. В Германии, Испании и Дании на ВЭС производится около 80% всей электроэнергии, вырабатываемой ветроэнергетикой, поэтому представляет интерес более подробно остановиться на перспективах развития ВЭС в этих странах.

Германия. В 2002 г. установленная мощность ВЭС возросла на 3247 МВт. В дальнейшем, по оценке экспертов Германской Ассоциации по ветроэнергетике (BWE) ежегодное увеличение установленной мощности ВЭС составит около 2500 МВт. К настоящему времени почти 50 % пригодных для размещения ВЭС территорий уже используются.

Удвоение установленной мощности и достижение отметки 20 000 МВт на суше является и теоретически, и практически абсолютно реальным. Если еще учесть работу первых шельфовых ВЭС, то тогда общая установленная мощность всех ВЭС в Германии достигнет к 2010 году 23 000 МВт. Это позволит получать 8% электроэнергии за счет возобновляемой энергетики.

Прогнозируется, что к 2030 году объем электроэнергии, выработанной на всех ВЭС Германии, составит 28%. В дальнейшем, основная ставка будет сделана на модернизированные традиционные ВЭС и на шельфовые ВЭС.

Испания. Правительством страны был утвержден национальный энергетический план развития энергетики Испании на период с 2002 по 2011 гг.

Таблица 1.3

Мощность Европейских ВЭС в 2002-2003 г. (МВт)

В соответствии с новым планом объемы электроэнергии, выработанной за счет ветра, должны увеличиться на 45% в сравнении с целью, намеченной в 1999 году. В целом вся возобновляемая энергетика должна развиваться динамичнее и масштабнее, чем использование природного газа.

Внимание к использованию ВИЭ в Испании вызвано увеличением за последние 10 лет спроса на экологически «чистую» электроэнергию. Спрос составил в среднем 3,09% в год. Для сравнения в среднем по Европе эта цифра равна 1,1%. В Испании, как и в других странах ЕС, поставлена главная цель развития возобновляемой энергетики - 12 % электроэнергии за счет ВИЭ к 2011 году.

В ближайшие 10 лет в стране прогнозируется увеличение спроса на электроэнергию до 30%. Основными источниками производства энергии станут природный газ и возобновляемая энергетика. Применение угля, нефти и атомной энергетики будет снижаться.

Дания первой на континенте начала масштабное использование энергии ветра и сейчас является ведущим мировым производителем ветроэнергетического оборудования. К 2030 г. в Дании планируют за счет ВЭС обеспечить 50 % потребности в электроэнергии, что позволит сократить выброс парниковых газов в атмосферу. Наращивать установленную мощность ВЭС датчане предполагают как за счет строительства и установки более мощных агрегатов на суше, так и путем создания крупных шельфовых ВЭС. Первая ВЭС в море появилась именно в Дании в 1991 г., имеющая в составе 11 ВЭУ мощностью по 450 кВт. А крупнейшая из морских ВЭС находится в 3-х км от Копенгагена в протоке Ересунн и состоит из 20 ВЭУ мощностью по 600 кВт, которые должны вырабатывать до 0,35 млрд. кВт.ч электроэнергии в год.

Учитывая, что до 75 % установленной мощности всего мирового парка ВЭС сосредоточено в Европе и здесь же произведено более 90% всех ВЭУ, можно считать, что и в перспективе уровень мировой ветроэнергетики будет определяться европейскими ВЭС (рис.1.2).

Рис.1.2. Развитие ветроэнергетики в Европе и мире.

В странах ЕС поставлена цель – обеспечить за счет ВИЭ к 2020 г. производство 20% валового энергопотребления, из которых 2,4 % должна обеспечить ветроэнерегетика, что больше, чем малая гидроэнергетика и фотоэлектричество вместе взятые (2,1% и 0,2% соответственно).

Мировой прогноз развития ветроэнергетики также показывает (табл. 1.4), что, несмотря на снижение темпов роста установленных ВЭС, к середине 21 века более 3 % всей электроэнергии в мире будет вырабатываться за счет использования энергии ветра.

А с учетом того, что общий годовой потенциал ветровой энергии Земли оценивается в огромную цифру – 17,1 тыс. ТВт.ч и значительно превышает энергетические потребности человечества, можно говорить о неограниченных возможностях использования энергии ветра в обозримом будущем.

Таблица 1.4.

Прогноз темпов развития и доли ветроэнергетики в мировом валовом энергобалансе.

В первой половине ХХ века использованию энергии ветра в России придавалось большое значение. Трудами известных российских ученых-аэродинамиков, среди которых Н.Е. Жуковский, В.П. Ветчинкин и Г.Х Сабинин, была решена задача теоретического обоснования работы ветродвигателя, определены их эффективные конструкции. На рубеже 20-30х годов в СССР работал центральный ветроэнергетический институт (ЦВЭИ). В эти же годы была разработана и построена в Балаклаве (Крым) крупнейшая в мире ВЭС мощностью 100 кВт. В 50-х годах на нужды сельскохозяйственного производства работали тысячи небольших ВЭУ, обеспечивая подъем воды и электрификацию ферм. Однако с развитием централизованного энергоснабжения выпуск ВЭУ был прекращен и даже мировой энергетический кризис 1973 г, который наша страна практически не ощутила, не заставил обратить серьезное внимание на ветроэнергетику. А то, что было сделано: организация НПО «Ветроэн», разработка программы развития ВИЭ, выпуск опытных образцов ВЭУ разной мощности, не идет ни в какое сравнение с тем, что в 80-90-х гг. делалось в области ветроэнергетики в развитых странах Европы и Америки. И сегодня Россия, имея всего около 11МВт установленной мощности ВЭС, занимает в мировом ветроэнергетическом табеле о рангах место лишь в четвертом десятке.

Основные данные о ВЭС на территории России приведены в табл. 1.5, причем следует обратить внимание на то, что они укомплектованы в основном зарубежными ветроагрегатами.

Вопросы строительства крупных сетевых ВЭС в стране еще не вышли из стадии изучения и опыт эксплуатации существующих ВЭУ должен быть обобщен и изучен, что требует принятия соответствующей программы работ. Иначе ценный опыт будет утерян и в дальнейшем не удастся избежать повторения ошибок.

Таблица 1.5

ВЭС в России.