Константин Ранкс: В поисках идеального «ветряка»
В последнее десятилетие ветроэнергетика наряду с солнечной энергетикой стала восприниматься как один из самых главных способов экологичного решения энергетических проблем. Воистину, что может быть лучше и проще — отбирать энергию от дармового ветра, как делали наши предки, строя ветряные мельницы сотнями лет? Но оказалось что ресурс не безграничен и, планируя энергетические решения, следует учитывать данный фактор, пишет обозреватель «Объектива» морской геолог Константин РАНКС.
То, что ветер непостоянен, было известно всегда. В русском языке даже есть особый синоним вздорности, непостоянства — «ветряный». А, кстати, для нормальной работы ветрогенераторов необходим ветер вполне определенных кондиций — чаще всего в пределах от 4 до 30 метров секунду.
Ещё очень желательно, чтобы он быстро не менял направление, и уж тем более — свою скорость. И совсем хорошо, чтобы не было такого опасного явления как обледенение . А с увеличением их размеров растет опрокидывающий эффект, из-за того что скорость ветра растёт с высотой. В общем, у ветряков есть свои проблемы. Но главная (глобальная) — это наличие самого ветра.
Ветер, ветер — ты могуч?
Ветер нужного качества есть не везде — достаточно посмотреть на специальную карту энергии ветра в мире. Больше всего ветра в приморских районах и в предгорьях. Но для того что бы ветер дул, нужен перепад давления в атмосфере. А для этого нужно чтобы сформировались определенные условия, а именно, перепад температур.
Проще говоря, в масштабе нашего континента надо, чтобы на севере было холодно, на юге тепло, даже жарко. Чтобы циклоны активно перемещались с Атлантики на северо-восток и заполнялись где-то там, за Уралом.
Но, если перепад температур будет меньше, то и интенсивность этого процесса снизится. То есть, глобальное потепление, более всего заметное именно в средних и особенно высоких широтах, обязательно приведёт к уменьшению скорости ветра над континентом.
И, судя по имеющимся у специалистов данным, так оно и есть. Как пишут на американском информационном агрегаторе Big Think, внимание общественности обратила первой французская Les Echos, опубликовав карту изменений скорости ветра за период с 1959 по 2021 год. Голубой и синий цвет — это снижение скорости, а розовый и красный — повышение средней скорости. Заметно, что самое большое увеличение скорости в регионе отмечено на Балканах и в северо-западной Турции, а самое большое понижение, вплоть до 15% — в Северном море, на восточном побережье Испании, на юге Франции, в Скандинавии, в Украине, Белоруссии, в западных областях России.
Кризис слабого ветра
Эстония и Латвия на карте отмечены бледно-розовым цветом, здесь средняя скорость ветра осталась неизменной или увеличилась максимум на 5%. Однако эта карта не отвечает на вопрос — как по времени распределяются эти изменения, они растянуты на 60 лет или это события последних десятилетий?
Les Echos обратила внимание на кризис с производством электроэнергии летом 2021 года, когда в Европе началось долговременное безветрие. Сообщалось, что коэффициент использования установленной мощности, отражающий отношение реальной выработки к теоретически возможной, снизился 13% в Германии и Великобритании и на 15-16% — в Ирландии и Чехии.
Падение выработки на ветространциях потребовало использования других видов топлива. В наиболее выигрышной позиции была Франция, которая только на 8% зависит от ветроэнергетики, а так же страны Восточной Европы, в которой она также не развита. А вот Дания, Ирландия, Португалия, Испания, Германия, Великобритания испытали значительные трудности. Минувшим летом так же были периоды штиля. И вот вопрос — это случайность, или тенденция?
Мёртвый штиль
Вполне логично, что процесс уменьшения средней скорости ветра будет развиваться и в будущем по мере усиления процесса потепления в высоких, то есть северных широтах. Перепад температур между югом и севером будет уменьшаться, и сейчас уже авторы Big Think отмечают, что Межправительственная группа экспертов по изменению климата (МГЭИК) уже предсказала снижение средней скорости ветра на 6-8% по всей Европе к 2050 году.
Но это не означает, что ветер равномерно снизит свою скорость и нас ждёт уменьшение энергоотдачи на эти же проценты. К сожалению, это такая же иллюзия, как и в случае с «глобальным потеплением». Средняя скорость ветра — это всё равно что «средняя температура по больнице». Опасность в том, что погода становится неровной, по принципу качелей.
Погода может изменяться в течение года плавно, и мы получим одно значение средней температуры и средней скорости ветра. Но пресловутое «глобальное потепление» — это синоним изменения климата, его характера. Теперь в течение года ветер то разгоняется до штормовых значений, а то просто перестает дуть. Но в среднем, за год — его средняя скорость меняется очень незначительно.
Беда в том, что при очень сильном ветре ветряки тоже не могут работать, и мало того — он их может просто повалить. Особенно если ветер совпадает (что чаще всего и бывает) с сильными осадками. А значит — время, когда ветрогенераторы не могут нормально выдавать электроэнергию в течение года опять сокращается. И это сокращение может быть гораздо больше, чем вышеуказанные 6-8% средней величины.
Возможные решения
Надо вспомнить, что идея массированного применения ветрогенераторов появилась уже 100 лет назад, и, к слову сказать, уже тогда понимали основные проблемы, связанные с этим. Стоит вспомнить работу курского изобретателя Анатолия Уфимцева, который ещё в 20-ые годы прошлого века придумал, а затем построил первый в мире ветрогенератор, который запасал энергию ветра в тяжёлом маховике весом в 380 кг, который вращался в ваккуумной камере. В случае падения ветра ещё несколько часов маховик, за счёт инерции мог крутить динамо-машину.
Проблему обледенения лопастей ветряка и неравномерной нагрузки на лопасти в верхней точке их вращения и в нижней точке успешно решили финские специалисты из компании Merivento в 2012 году. Их ветряк мощностью 3600 киловатт и диаметром ротора 118 метров может работать в гарантированном диапазон рабочих температур от -30º до +40º. Лопасти ветрогенератора оснащены противообледенительной системой, а от неравномерности воздушного потока защищает система, которая автоматически регулирует угол атаки лопасти, аналогичная той, что стоит на вертолетах.
Но эти технические решения весьма дороги. Возможно, стоит обратить внимание на то, что в ветропарках должны быть турбины разного типа — одни лучше работают при слабом ветре, а для других и штормовой и порывистый нипочём. Ну и самое главное — не нужно думать, что какой-то один вид генерации решит все проблемы — необходимо взвешенное решение, которое учитывает и имеющиеся условия, и тенденции к их изменению.
