Размещено на http://www.allbest.ru/

Как нам обустроить ветроиндустрию России

(Часть I -- ветроэнергетика средних мощностей)

А.В. Губанов, инженер-конструктор, независимый аналитик, награжден Орденом Почета, в качестве изобретателя - медалями международных Салонов инноваций в Москве и Женеве; г. Москва, vagezit@mail.ru

“Нам нужны предложения, а не критика и пессимизм” - В.В. Путин

Предисловие или вхождение в тему

Основные концептуально-прикладные контуры и аспекты развития ветроэнергетики на материковых территориях в их климатических особенностях и ограничениях были изложены автором в статье “Ветроиндустрия как проект развития” [1]. Однако для удобства читателя будет полезным кратко повторить основные принципы.

Существующие способы ветрогенерации делятся на два основных вида:

· технология воздушного винта (ВВ), реализуемая с помощью горизонтально-осевых ВЭУ с тяжелыми и тихоходными турбинами пропеллерного типа, их вращение поступает в генераторы после повышающей планетарной мультипликации;

· технология аэродинамического крыла (АК), где используются легкие скоростные турбины вертикального вращения с ортогональными лопастями крыловидного профиля (виндроторы), частота вращения которых передается в генераторы напрямую.

Технология ВВ доминирует в мировой ветроэнергетике, но применяется только в благоприятных зонах по морским побережьям и на шельфах, где имеются сильные 15-25 м/с устойчивые ветра, что лишь дважды в сутки меняют своё направление с дневного на ночной бриз. Для материковых территорий данная технология с её тяжелыми, инерционными, плохо ориентируемыми на ветер турбинами неприемлема, что подтверждается отсутствием её во внутриконтинентальных регионах, несмотря на многочисленные попытки адаптации и применения. В этой связи является характерным констатация низкой эффективности, отказ от строительства Дальневосточной ВЭС и её исключение из ФЦП “Экономическое и социальное развитие Дальнего Востока и Забайкалья на период до 2013 года” (www.rushydro.ru/fctivity/via/).

Со стороны необходимого скоростного режима технология АК не имеет никаких преимуществ, это все те же ветра с упомянутой динамикой. Однако она реализуется легкими виндроторами, не требующими ориентации на ветер. Локальное производство энергии от них не сопровождается “сетевыми” сложностями. Во многом решающими качествами являются пригодность системы при отрицательных температурах, снежных осадках, работа без срывов и отключений во время штормовых ветров. Однако до настоящего времени виндроторы не могли генерировать промышленные мощности (по данным от производителей не более 10-15 кВт) и в силу данного ограничения не имели серьезного индустриального значения.

На сегодня можно констатировать, что в развитие аэродинамики крыла имеются модернизированные технология и устройство ветрогенерации поливиндроторными обоймами-кластерами (патенты RU 2482328, 2504686), самопроизвольно разворачивающимися клином на ветер, что определяет как их название -- ПВР “АэроКлин”, так и позволяет создать альтернативную материковую энергетику в неблагоприятных климатических условиях, в определенной части преодолев существующие ограничения для систем средней мощности. Новые отечественные модели сохраняют достоинства технологии АК, дополнив их способностью генерировать электроэнергию в диапазоне 20-120 кВт.

Качественное сравнение технологий

В сравнительной таблице [2] была сделана попытка количественного сопоставления инновации с традиционными ВЭУ. Имеются причины, основания и возможность привести уточненные и более развернутые данные (табл. 1), дополним их сведениями о материалоемкости основного технологического оборудования (табл. 2).

Таблица 1. Сводная сравнительная таблица двух типов ветроустановок

* - без учета веса планетарного редуктора и механизма принудительной ориентации на ветер.

Таблица 2. Материалоемкость технологического оборудования

*- без учета веса планетарного мультипликатора и устройства принудительной ориентации на ветер.

Даже в идеальных условиях работы винтовые ВЭУ уступают в выбранном ракурсе сравнения поливиндроторным обоймам-кластерам. Если к этим данным добавить отказ при переходе к новой технологии от таких не менее массивных и дорогих элементов конструкции, как повышающий планетарный редуктор, требующий незамерзающего моторного масла и его регулярной замены при загустении; компьютерный блок управления, привод и механизм принудительной ориентации на ветер, приходим к заметному снижению стоимости ветроэнергетического объекта.

В наших реальных природных условиях, когда “ветер небо тучей кроет, вихри снежные крутя” (ключевое слово выделено) с винтовыми ВЭУ в воздушных потоках нестабильной направленности над материковыми просторами происходят окончательные неприятности. Их тяжелые турбины даже при наличии высокотехнологичных спецсредств принудительной ориентации хронически не успевают разворачиваться “лицом” на атмосферный фронт, а в позиции ребром турбины на ветер вращение их лопастей прекращается полностью и генерируемая мощность падает до нулевого или близкого к этому значения. Между тем общеизвестна обратная зависимость: чем меньше фактическая мощность ветрогенератора, тем больше себестоимость его электроэнергии. Эффективность винтовых ВЭУ по паспортным данным и на деле разнятся при внутриконтинентальной дислокации самым кардинальным образом.

Ничего подобного не происходит с виндроторами и обоймами-кластерами из них. Ветроколеса при достаточном ветровом напоре не прекращают и не падают в частоте вращения при любых флюктуациях воздушной среды. Их работа более стабильна и независима от внешних обстоятельств, сезонных негативных изменений в погоде, показатели по вырабатываемой мощности в годовом цикле близки к заявленному значению, себестоимость электроэнергии в плотную приближена к сетевому уровню.

Резервы функциональности модернизированной технологии

Безопасность. В базовом техническом решении новой ветрогенерирующей технологии отсутствуют решения проблем безопасности и эксплуатационной оптимизации. Между тем их актуальность весьма велика. По данным Бофорта критическая скорость ветра, начиная с которой происходят необратимые разрушения ветрогенераторов, составляет 45 м/с. Технические данные на серийно выпускаемые ВЭУ промышленных мощностей уточняют эту величину в пределах 50-60,8 м/с. Вероятность столь значительных по силе ветров на материковых территориях маловероятна, но она имеет место, чем в купе с заводскими дефектами, сверх нормативным износом отдельных узлов пренебречь невозможно. Следствием потенциальной опасности катастроф является удаление ветрогенераторов от объектов энергопотребления, друг от друга при строительстве ветропарков с отведением значительных площадей под земли отчуждения. Экономические показатели ветроэнергетики существенно ухудшаются за счет дополнительных затрат на прокладку и обслуживание протяженных коммуникаций, налогов и арендной платы за землю.

Позитивным показателям в пользу поливиндроторной технологии способствует также её бесшумность (до 20 дБ), тогда как воздушно-винтовые ВЭУ не вписываются в европейский стандарт равный 35-45 дБ и вынуждены размещаться вдали от жилых и производственных помещений. Между тем, малые и средние предприятия сразу и совершенно твердо теряют интерес к созданию собственной генерации из ВИЭ, если невозможно её организовать в пределах собственных территорий.

Поливиндроторная обойма-кластер позволяет решить проблемы безопасности посредством простейшей целевой модификации (патентная заявка на изобретение RU 201 314 7499). Побочным положительным эффектом от сеточного ограждения является защита птиц от контактов с работающими турбинами. В странах Западной Европы действует порядок, согласно которому все ВЭУ, как отдельно стоящие так и в составе ветропарков, останавливаются в периоды массовых перелетов птиц. Понятно, что такое правило создает проблемы в энергоснабжении. Поливиндротор М устраняет эти неудобства в интересах потребителей энергии ветра.

Эксплуатационная оптимизация. На стоимость электричества от возобновляемого и автономного источника энергии -- ветра, в самой решительной степени влияют затраты на техническое обслуживание и ремонт технологического оборудования. Даже в самой благоприятной климатической зоне турбинно-генераторные блоки должны быть подняты над землей на 40 и более метров. По совершенно справедливому замечанию [3] устанавливать ветрогенераторы на меньшей высоте -- то же самое, что расположить солнечные батареи в тени.

На указанной минимальной высоте еще возможно осуществление ремонтно-эксплуатационных работ с привлечением специальных автокранов, имеющих большой вылет грузоподъемной стрелы, но по-часовая аренда такого крана, резко ухудшает экономические показатели ветроэнергетики. Кроме того не все регионы располагают такими механизмами, а прочность покрытия многих дорог в удаленных районах исключает их свободное перемещение.

Еще с более фатальными последствиями, а то и просто с прямой финансовой катастрофой мы имеем дело, когда высота мачты ВЭУ превышает 40 метров, за этим следует безальтернативная необходимость применения сторонней вертолетной техники особого гражданского назначения.

Цикличность техобслуживания винтовых ВЭУ происходит с большой регулярностью, поскольку их повышающие планетарники требуют систематической замены загущенного моторного масла. Что же касается виндроторов, то необходимость в такой процедуре совершенно отсутствует.

Если для воздушно-винтовых технологий ветрогенерации здесь не существует простых и дешевых решений, то поливиндротор М такую возможность нам предоставляет самым немудреным способом

Технологическое оборудование дополняется собственным стреловым краном, с помощью которого турбинно-генераторные блоки в режиме планового технического обслуживания, ремонта либо аварийной ситуации опускаются в фундаменту установки. В идеале поливиндротор М следует оснастить резервным блоком и заменять на него вышедший из строя генерирующий узел. Удобные для таких операций периоды безветрия либо затишья приходятся, как правило, на ночное время, т. е. пройдут совершенно незамеченными для потребителей электроэнергии от ВИЭ.

Немалые затраты на сооружение 100-метровых башен по-прежнему отягощают ветроэнергетику, но теперь по завершению их строительства негативные последствия от вынужденно-высотного расположения генераторов минимизируются, что оздоравливает экономику процесса в целом.

Ветроэнергетические фобии и их преодоление

Одну из ветроэнергетических фобий, утверждавших о бесперспективности рассматриваемого вида возобновляемого источника энергии на материковых территориях в силу имеющихся здесь непреодолимых климатических проблем и ограничений, стало возможным поставить под частичное сомнение для среднемощных систем благодаря новой технологии и устройству ветрогенерации поливиндроторными обоймами-кластерами.

Но с фобией об экономической несостоятельности ветроэнергетики в целом дело обстоит намного сложнее. В качестве примера приведем следующую цитату с сокращениями:

“Мы приняли программу развития ВИЭ, прежде всего, солнечной и ветряной энергии …. на …. 6 ГВт мощности, ... предстоит освоить эти технологии, …. производство энергооборудования …. Тем не менее, мы не полностью разделяем оптимизм …. относительно возобновляемой энергии: пока это очень дорогое удовольствие” [4].

Рассмотрим как с ценой вопроса обстоит дело по существу, если взять за основу упомянутую отечественную систему средней мощности.

Ветро-индустриализацию предстоит начать с малых городов и населенных пунктов, где в первую очередь будут затребованы технологические обоймы-кластеры в составе 4 и 8 ортогональных турбин (как это следует из нижеприведенной табл. 3),

Таблица 3. Области применения и комплектация поливиндроторов

генерирующие мощности 40 и 80 кВт соответственно на номинальной скорости ветра 15-17 м/с, что предполагает подъем энергоблока на высоту по меньшей мере 100 метров.

ПВР М-4Т обеспечит электроэнергией 30-квартирный дом в поселении городского типа или столько же индивидуальных домохозяйств в сельской местности

При этом представляется возможным ввиду выше достигнутых функциональных качеств ветрогенератора разместить его непосредственно рядом с объектом(ами) энергопотребления от ВИЭ. То есть избежать тяжелейших проблем выкроить свободный участок среди повсеместно приватизированных земель, оформления целевого землеотвода, последующих платежей, коммуникационных и налоговых затрат.

Исходя из сдержанно-оптимистичного прогноза о цене сооружения поливиндротора, а именно, 1000 EUR/кВт получаем необходимую сумму беспроцентного возвратного займа на строительство от одного из многочисленных Фондов инновационного развития -- 1,84 млн руб. и долевое участие каждого субъекта энергопотребления -- 61,3 тыс. руб. Выплаты дольщиков по займу на пять лет составят чуть менее 1100 руб./мес.

Исходя из тех же предпосылок рассмотрим автономную генерацию от поливиндротора М-8Т, обслуживающего малые города России или 50-70 сельских домохозяйств и приусадебных участков

Энергопотребителям, объединенным на основе кооперации, потребуется внебюджетный заём, на тех же что и в первом случае условиях, в размере 3,68 млн руб., но долевое участии каждого заемщика останется без изменения 61,3 тыс. руб, а следовательно ежемесячные выплаты дольщиков в течении пятилетнего срока погашения займа будут по-прежнему в пределах 1100 руб.

Сопоставимы ли такие затраты с существующими платежами населения, не будет ли финансовая нагрузка дольщиков в объеме 1100 руб./мес. чрезмерной? Поищем ответ не в статистическом официозе, а в реальной жизни за чертой больших городов. Здесь семья, проживающая в сельском доме, платит за электричество 1300-1500 руб. в месяц. Другими словами населению выгоднее участие в инновационном проекте, чем продолжать финансирование сетевых поставщиков.

В приведенных предварительных и самых грубых расчетах отсутствует бюджетное участие государства, что конечно неправильно и несправедливо. Его субсидиями возможно решить самую больную проблему предстоящего строительства, а именно, сооружение высотных 100-метровых башенных опор, каждая из которых обойдется на сумму порядка 1 млн руб. Есть ли у богатейшей энергетической державы возможности для такого дела? Уже сегодня в сфере энергосбережения ежегодно выделяется госгарантий на 10 млрд руб., которые еще ни разу не удалось потратить (Российская Газета, www.rg.ru/2012/09/28/energetika.html).

Если потребности объекта энергоснабжения таковы (вернемся к табл. 2), что требуют применения сдвоенных генерирующих блоков 40+80 кВт, то существует техническая возможность разместить их на вершине одной общей опорной колонны, что практически не осуществимо для винтовых ВЭУ той же суммарной мощностью.

После погашения ссуды энергопотребительская община -- ЭПО (в США -- это ассоциация) самостоятельно (!) и независимо (!) устанавливает платежи для пайщиков проекта за электроэнергию от ВИЭ, исходя из местных, возможно особых обстоятельств и условий, что в общий строй и порядок не вписываются, с учетом затрат на текущее обслуживание оборудования и ресурса ВЭУ, который составляет по меньшей мере 20-25 лет. Таков срок, в течении которого ЭПО забудет о монополизме генерирующих компаний, сетевиках, счетах снабженцев с оплатой за пресловутые утечки, непредвиденные затраты, инфляцию, капризы природы и т. п. начислениях.

Нельзя пройти мимо регулярных предостережений, бывает с самого высокого министерского уровня, что участники российского рынка не хотят платить за развитие альтернативной энергетики [5]. Само собой и по другому быть не может на рынке продавца, которому так комфортно живется и нет дела до проблем потребителей, их покупательской способности и экономического положения. Дави ценами и ни в чем себе не отказывай. Такой, с позволения сказать, инвестор не может не вести двойной игры и он это делает, последовательно и неустанно. Государству от “услуг” таких рыночников следует решительно отказаться, а найти опору в заинтересованном массовом потребителе, которому всего-то необходимо посильно помочь, создать умеренные преференции, другие необходимые условия для инновационной кооперации.

Из того источника следует “удручающая” информация, что электроэнергия от ветра в Бельгии и Германии в переводе на наши деньги составляет 10-13 руб./кВт, что в четверо выше, чем платят в России за сетевое энергоснабжение. Для наглядности сведем данные [6] по упомянутым странам в таблицу 4.

Таблица 4. Выборка из ценового рейтинга.

Оказывается, что речь идет не только про ветер, а о всех задействованных источниках энергоснабжения. Оценки затрат от заработка имеют примерно один порядок, но бельгийцы много зарабатывают и много тратят, бережливые и экономные немцы зарабатывают тоже неплохо, но платят относительно меньше всех. Что же до россиян, то наши доходы нам известны и обременительность платежей - тем более.

Всегда при механическом переводе валют без сопоставления покупательской способности и потребительских последствий происходят казусы, на основе которых не стоит делать стратегических выводов. Если конечно стремишься к добросовестному анализу, а не к иным целям, возможно направленным на дискредитацию ВИЭ.

Для того, чтобы при существующем вкладе ветрогенерации в энергетику (максимум достигнут в Испании - 20,9%, что обеспечивает 15,5 млн домохозяйств или 90% их общего числа) она оказывала существенное влияние на тарифы в целом, необходимо превышение стоимости не в четыре, а в десять и более раз. Те же испанцы говорят нечто странное для нашего уха: “когда дует ветер, мы экономим деньги” (http://coolplatz.com).

В России все строго на оборот - второе место (после Белоруссии) по темпам роста тарифов, что достигнуты без участия “зеленой энергетики” и это есть безусловная истина.

Получается так, что непоколебимость тезиса о дороговизне ветроэнергетики возможно в некоторых допустимых пределах обоснованно оспаривать и даже нужно это делать с учетом встречного процесса непреодолимой силы по росту тарифов на электричество официально признанный за последние пять лет в России на 81,1% от сетевых источников при активном участии местных энергосбытовых компаний. В стоимостном рейтинге фигурирует плата 2,58 руб./кВтч, на деле же она поднята для населения до уровня 4,1-4,3 руб./кВтч, а по Дальнему Востоку еще выше, так что фактическая динамика цен по сути своей достигла 140 и более процентов. Если на предстоящий период государство замыслило временный мораторий на тарифы для промышленности, то о населении речи не идет совершенно.

Вместе с тем следует оговориться, что в частных случаях экономические противопоказания неоспоримо имеют место, начиная с ветряков малой мощности 1-1,5 кВт и заканчивая промышленными ВЭУ воздушно-винтового типа, если данные системы подобно экзотическим пальмам или платанам пересаживать из благодатного приморского климата в суровую аэродинамическую действительность внутри-континентальных территорий.

На рис. 4 мы видим, что торцевая стена здания используется как дополнительная опора поливиндротора, что позволяет поднять генерирующий блок на большую высоту, в более скоростные слои воздуха и тем самым получить большую энергетическую мощность. В принципе новая технология позволяет размещать ПВР на кровле высотных зданий при их способности выдержать дополнительную нагрузку. Винтовые ВЭУ в этой связи имеют целый букет противопоказаний (небезопасность, шум, вибрация, смещенный центр тяжести турбины относительно поворотного узла, требующий массивной опорной плиты). Что же касается альтернативного поливиндротора, то здесь такая техническая задача вполне разрешима (рис. 1, поз. 12).

Очень прискорбно, но пока можно только мечтать, какие блестящие результаты дало бы размещение ветрогенератора на высоте, например, башен Делового центра “Москва-Сити”, т. е. 300 м над землей. В этом направлении на основе все той же отечественной технологии мы можем сделать прорыв, опережающий пока общие рассуждения на данную тему, вроде концепции ветротурбины PowerWINDow [7].

Для того, чтобы окончательно смутить умы используется третья фобия: низкий коэффициент полезного действия ветровых систем возобновляемой энергетики. Действительно в практической ветрогенерации он не превышает 25%, а то и того ниже. Но следует напомнить, что у новейшей парогазовой Адлерской ТЭС КПД -- всего навсего 52%, то есть добрая половины неизменно дорожающего энергоносителя расходуется в пустую и безвозвратно. В ветроэнергетике ветер совершает полезную работу и от этого к счастью не прекращается, более того -- его все новые массы дуют с не меньшей силой. С общими критериями оценки к этому процессу подходить скорее всего не стоит, сравнительно низкий КПД ветротурбин можно ведь воспринимать не как изъян генерирующих технологий, а как исключительное благо от самой природы, которая дала источник энергии неисчерпаемый, а с другой стороны ограничила нас и лишает возможности достигнуть предела, за которым перемещения воздуха в атмосфере упали бы ниже черты глобальных климатических последствий.

Рыночные последствия автономной генерации

Обычно перечисляя достоинства ветроэнергетики упоминают экологию, неисчерпаемость энергетического источника, автономность. Вместе с тем за ветроиндустриализаций следуют позитивные рыночные перемены. В настоящее время энергетический рынок России является рынком продавца, где конкуренция лишь слегка обозначена и скорее имитируется. Покупатель энергетических ресурсов и услуг лишен выбора, влияния на ценообразование, качество и бесперебойность снабжения, находится под диктатом генерирующих, сетевых и сбытовых компаний. Новая технология радикально не изменит ситуации, но заложит краеугольный камень в основание процесса эволюции к свободному рынку с присутствием собственной возобновляемой генерации, откроет шлюзы перед рыночными механизмами конкурентного развития. Пресловутая задолжность населения за энергоресурсы сначала перестанет расти, а затем постепенно будет сворачиваться, сняв головную боль с граждан и руководства страны. Не станет причин конструировать прожекты, вроде предоплаты с населения, на долю которого приходится 9-10 процентов мощностей ТЭК и чья платежная дисциплина не в силах отлакировать удручающую картину долгов в нежилом сегменте энергопотребления.

Предпосылки ветро-индустриализации

Органами исполнительной власти РФ сделан основательный задел в области стратегических задач по использованию ВИЭ директивного, циркулярного и правового характера, но в отсутствии оптимального технологического решения возделанная почва остается под паром, без семян, способных дать приемлемый урожай. А может быть время посевов наступило, если не впадать в “кукурузную авантюру” прошлого столетия?

Генерирующей госкорпорацией исполнена и продолжается организационная работа, создано НП “Технологическая платформа “Перспективные технологии возобновляемой энергетики”, которую предстоит загрузить практической работой по воплощению новых отечественных технологий, проведению НИОКР, апробации пилотных проектов, созданию и испытаниям головных образцов.

Агентство технологических инноваций, Российский Фонд Технологического Развития наделены финансовыми возможностями для внебюджетных инвестиций в новые технологии через поддержку инновационной кооперации, начав на первом этапе освоения ВИЭ с бытовых, малых и средних потребителей в сельской местности, малых городах России.

Существует в готовом виде структура - НП “Сообщество потребителей энергии”, что способна успешно популяризировать новые технологии среди населения и предпринимателей, выступить организатором целевых союзов и объединений дольщиков - пионеров строительства первых головных объектов собственной ветроэнергетики.

Но и это еще не все. По предмету новых технологий энергосбережения профильным потенциалом обладают в системе Минобрнауки, Роскосмосе и Росатоме, Роснано, наконец в фондах Сколково и РВК.

аэродинамический ветрогенерация кластер обойма

Послесловие, с которого предстоит дело делать

· главной технологической задачей будущей ветроэнергетики России, других континентальных стран является поиск способов и средств ветрогенерации без резких потерь мощности в атмосферных потоках нестабильной направленности;

· технологические выгоды в обозначенных пределах от материковой ветрогенерации виндроторными обоймами-кластерами представляются в целом очевидными, строительные же и эксплуатационные преимущества требуют своего подтверждения на практике в модельном образце или опытно-промышленной разработке;

· бюджетные затраты государства из средств налогоплательщиков будут минимизированы и эффективны на условиях непосредственного и структурированного участия граждан в инновационной кооперации, их сбалансированного альянса с тандемом из внебюджетных Фондов развития и субсидирующих органов государства.

Перечень ссылок

1. А.В. Губанов “Ветроиндустрия как ПРОЕКТ РАЗВИТИЯ. Концептуально-прикладные контуры и аспекты” http://www.energosovet.ru/bul_stat.php?idd=359, журнал “ЭНЕРГОСОВЕТ” № 1 (26) за 2013 г.

2. Сайт на портале ФИМИП www.fimip.ru/project/2079, см. прилагаемую сравнительную таблицу

3. Сайт http://cxem.net/greentech/greentech1.php

4. Портал Минэнерго РФ, архив новостей от 25.11.13

5. Информ-агентство Cleandex от 28.11.13, www.cleandex.ru/news/2013/11/28

6. РИА Новости, Рейтинг стран по ценам на электричество, http://riarating.ru/.

7. Сайт www.energy-fresh.ru, 15.10.2013, PowerWINDow - ветротурбина, генерирующая чистую энергию в городе.

Размещено на Allbest.ru