Коммерческий ветер

Энергия из воздуха: история и современность

Устройства, которые приводит в движение сила ветра, появились очень давно: детская бумажная вертушка — одна из самых древних игрушек. Ветряные мельницы — привычный элемент пейзажа на картинах европейских художников. Сегодня таким же типичным элементом ландшафта во всем мире становятся ветроэнергетические установки.

Как стать богатым

Когда именно люди начали строить ветряные мельницы, точно не известно. Отсылки ко временам вавилонского царя Хаммурапи или древних греков некоторыми учеными оспариваются. А первые задокументированные находки разрушенных мельниц относятся к X веку н. э., они были сделаны в Персии. Первое упоминание о мельнице, наиболее похожей на ту, какой мы привыкли ее видеть, было сделано на Британских островах и относится к 1185 году. Это сооружение для человека того времени становится таким значимым, что владеть мельницей означает быть богатым.

Ветер для плодородия

Традиционное предназначение ветряных мельниц в средние века — помол зерна и измельчение чего-либо (от красок до табака и специй). Но в Нидерландах в XVI веке мельницы приспособили для перекачки воды и осушения водоемов — таким образом крестьяне решали вопрос повышения плодородности почвы. Система откачки воды с помощью ветряных мельниц стала важнейшей частью использования польдеров — участков суши, отвоеванных у болот и моря. С той же целью в XIX веке мельницы активно строились и на Американском континенте. Веком ранее первые поселенцы столкнулись с непригодностью больших массивов земли для земледелия, использование мельниц помогало решить эту проблему.

Неоцененные усилия

Первый ветряк для выработки электроэнергии был построен в 1887 году в Шотландии: инженер Джеймс Блайт соорудил его во дворе своего дома. Конструкция имела 10 м в диаметре и вполне там помещалась. Жилище профессора получало энергию от аккумуляторов, которые заряжались от этого ветряка — благо ветер на шотландских пустошах дует часто. Интересно, что у Блайта образовывались излишки энергии, и он предлагал с их помощью освещать одну из местных улиц, но поддержки у соседей и тех, кто принимал решения в его родном Мерикирке, не нашел. Увы, его техническое устройство не было признано экономически выгодным, в том числе из-за суеверий соседей. Строительство ветряка для местной психиатрической больницы тоже не послужило толчком к развитию ветроэнергетики в регионе — резервный источник питания хоть и использовался, но так и не был оценен по достоинству.

Первая ветростанция

Зато в Дании примерно в то же время идея ветряков была встречена на ура. Там в 1890 году появилась первая настоящая ВЭС — ветроэлектростанция, а через год разработан ветрогенератор, способный дать постоянный поток электроэнергии. Вскоре в Дании стало появляться множество мини-ВЭС, так что эту страну можно считать родиной ветроэнергетики или по крайней мере главным популяризатором этого вида генерации в то время.

Советский ветер

Работы по развитию ветроэнергетики активно велись и в СССР (несмотря на разработку месторождений углеводородов): этим начиная с 1920-х годов занимался Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ). Понятно, что в тот период все внимание было приковано к развитию сельского хозяйства. Разработанный в ЦАГИ ветряк мог обеспечить работу мельницы или осветить 200 сельских дворов. А в 1931 году в Крыму была запущена ветростанция с колесом диаметром 30 м и мощностью 100 кВт — самая мощная на тот момент в мире (ветроагрегаты в Дании и Германии того времени имели диаметр колеса до 24 м, а их мощность не превышала 50–70 кВт). Опорную конструкцию ветродвигателя построили по проекту В. Г. Шухова. После 10 лет работы ветростанция была разрушена во время боев за Севастополь.

О том, как электричество пришло на Чукотку, рассказывает в своей автобиографической трилогии «Время таяния снегов» писатель Юрий Рытхэу. В его родном стойбище Улак электрическое освещение появилось в конце 1930-х годов именно благодаря ветродвигателю, который обеспечивал электроэнергией и яранги оленеводов, и соседнюю полярную станцию.

Во время освоения целины в Казахстане была построена первая многоагрегатная ветроэлектростанция общей мощностью 400 кВт, работавшая в паре с дизельным двигателем. Она стала прообразом систем «ветро-дизель».

Свет Уфимцева

Сегодня, по мнению многих экспертов, развитие ВИЭ во многом сдерживает проблема создания эффективного и экономически выгодного способа накопления энергии. Без этого ветровая энергия становится весьма ветреной: сегодня ветер есть, завтра — нет. Решить эту проблему пытался еще в 1931 году курский изобретатель Анатолий Уфимцев, которого называли поэтом в области техники. Электрическое перо, бесклапанный керосиновый двигатель, двигатели для молотилок, летательный аппарат с круглым крылом — сфероплан, трехколесное шасси с носовым колесом — Уфимцев был неутомимым изобретателем. Он же разработал и запустил первую в мире ветроэлектростанцию с инерционным аккумулятором. Она начала строиться ровно 100 лет назад — в 1923 году, возводилась с перерывами (по разным причинам) и за два года достигла высоты 45 аршин, то есть 32 метров.

Так писал об этом известный советский писатель: «Над всей этой дряхлостью и над всеми колокольнями двух десятков церквей возвышается железная ажурная башня. Это Уфимцев — внук известного астронома-самоучки Федора Алексеевича Семенова — строит ветродвигатель. Среди покривившихся особнячков, в которых люди прятались от жизни, растет ветроэлектростанция. Это то важное, новое, что входит в жизнь Курска и, вонзившись железным каркасом в небо, обещает дать энергию — электричество…» (Горький М. Собрание сочинений: в 30 т. Т. 17. Рассказы, очерки, воспоминания. 1924–1936).

ВЭС Уфимцева дала первый ток 4 февраля 1931 года, освещая в последующие годы дом и мастерскую изобретателя. В 1932 году на местной электростанции случилась авария, и станция Уфимцева стала работать на город. Но спустя четыре года, после смерти ученого, она остановилась, а попытки снова ввести ее в строй не были успешными.

Запасы ветра

Общемировые запасы энергии ветра оцениваются в 170 трлн кВт·ч (170 тыс. ТВт·ч) в год. Это в восемь раз превышает нынешнее глобальное потребление электроэнергии. Наша страна обладает самым большим в мире ветроэнергетическим потенциалом — порядка 40 млрд кВт·ч электроэнергии в год. Районы Русского Севера, в частности Обская губа, Кольский полуостров, большая часть прибрежной полосы Дальнего Востока, по мировой классификации относятся к самым ветреным зонам. Среднегодовая скорость ветра на высотах 50–100 м (это высота современного ветроагрегата) там составляет 11–12 м/с. А коммерческим считается ветер с параметрами 6–16 м/с.

Ветропарк на глубине

Морские ветроустановки вырабатывают порядка 10% всей мощности ВЭС в мире. Но, оказывается, их можно строить и на глубоководье. Первая такая ВЭС работает с 2017 года в Шотландии. Эти ветроустановки — не башни, опирающиеся на сваи, вбитые в дно, а своего рода гигантские поплавки, которые утяжеляются якорями. Появление технологии связано с тем, что несмотря на хорошую скорость ветров в морских районах с большими глубинами, установить там стандартный ветряк невозможно. Станция, расположенная в 25 км от берега, поставляет электроэнергию в сеть ближайшего городка.

Многие страны, например Китай, планируют строить подобные плавучие ВЭС, в том числе размещая их там, где глубина моря достигает 800 метров. Это даст прибрежным государствам дополнительную возможность развивать большую ветроэнергетику.

Найти правильное место

Одно из основных понятий в ветроэнергетике — ветропотенциал, он характеризует постоянство режима, в котором дует ветер. Например, ветер может быть постоянным, но слабым, тогда площадка не будет считаться пригодной для строительства ветропарка. Прежде чем построить ветроэлектростанцию, проводятся подготовительные работы по оценке характеристик ветра.

Ветроизмерительный комплекс (ВИК) на месте будущего ветропарка работает год и более, это необходимо, чтобы оценить сезонные колебания. Он собирает информацию о силе и направлении ветра на высоте свыше 30 метров. ВИК представляет собой башню, оснащенную датчиками давления, влажности, температуры, флюгерным датчиком, который определяет направление ветра, а также анемометрами — они устанавливаются на разных уровнях комплекса и позволяют оценить такой параметр, как горизонтальная скорость ветра. Информация с датчиков собирается регистратором данных. Все эти данные позволяют оценить окупаемость и другие экономические параметры будущего объекта.

На пути у птиц?

Среди аргументов, которые приводят скептики и противники массового развития ветроэнергетики, можно услышать такой: якобы ветряки мешают привычной жизнедеятельности птиц и приводят к их гибели. Несколько лет назад было проведено исследование Bird Collision Avoidance Study. Орнитологи круглосуточно вели съемку в ветропарке Thanet в проливе Ла-Манш. За два года наблюдений было отмечено всего шесть эпизодов столкновений пернатых с ветряками. Таким образом, опасения, что башни угрожают популяции птиц, оказались сильно преувеличены — те вполне в состоянии изменить траекторию полета, если на пути встретится ветряк. А по данным Европейской ассоциации ветроэнергетики, количество птиц, погибших от столкновения с ветряками, в 3,5 тыс. раз меньше, чем, например, от встречи с кошками.

Праздник ветра

Сегодня ветроустановки обеспечивают около пятой части всей энергии, получаемой на базе возобновляемых источников, а к 2030 году, по прогнозу Международного энергетического агентства, этот показатель достигнет одной трети (в сценарии устойчивого развития).

Ветер неутомимо работает днем и ночью на суше и на море, чтобы давать человечеству чистую энергию. Неудивительно, что с недавних пор у этого трудяги появился собственный «профессиональный» праздник — Всемирный день ветра. Он отмечается 15 июня по инициативе Европейской ассоциации ветроэнергетики (European Wind Energy Association, EWEA) и Всемирного совета по ветроэнергетике (Global Wind Energy Council, GWEC) с 2007 года.

В этот день в мире проводится множество мероприятий для взрослых и детей: экскурсии на ветростанции, встречи с экспертами, лекции и семинары. Основные задачи этих мероприятий — знакомство широкого круга общественности с достижениями и преимуществами ветроэнергетики, а также развенчание мифов, до сих пор сопровождающих этот вид генерации. Вот один из мифов: многие считают, что ВЭС — это источник шумового загрязнения, которое негативно влияет на здоровье и качество жизни людей. Однако шум от ветростанции из 10 ветряков в 300 метрах (именно на таком расстоянии от ВЭС разрешено строить дома) составляет всего 35–45 дБ, что значительно меньше шума в оживленном офисе (60 дБ) и сопоставимо с фоновым шумом в сельском районе ночью (20–40 дБ).