В ближайшие десять лет потребление электроэнергии в масштабах всего человечества обещает вырасти вдвое по сравнению с нынешним уровнем. Как избежать энергетического голода?

Проект Blue-H
Распределение электропотребления в мире

Многие эксперты дают на этот вопрос уверенный ответ: нужно делать ставку на ветер. Атмосфера планеты представляет собой колоссальный даровой двигатель, который может обеспечивать электричеством и отдельные дома, и страны, и целые континенты. В 2005 году группа ученых Стэнфордского университета провела фундаментальные исследования потенциала развития мировой ветроэнергетики и получила весьма обнадеживающие результаты. Оказывается, буквально над нашими головами находится неиссякаемый источник дешевого электричества, который мы в состоянии использовать уже сейчас. Ветер способен дать нам в семь раз больше электроэнергии, чем мы потребляем сегодня. И это с учетом нынешнего уровня развития технологий, которые способны конвертировать в электричество лишь пятую часть кинетической энергии ветра.

В поисках ветра

Распределение воздушных потоков над планетой неоднородно. Оно зависит от рельефа местности, температуры воздуха, атмосферного давления и географических координат. Природа живет по своим законам, существуют места, в которых ветер не стихает ни на секунду, а есть районы, где и слабый ветерок большая редкость. Ветер, способный вращать роторы турбин, встречается далеко не везде. Один из самых уникальных регионов в мире — североамериканская Великая равнина, в особенности штат Северная Дакота.

Ее ветра могли бы обеспечить четверть нынешней потребности США в электроэнергии. Великую равнину многие эксперты сравнивают с нефтяным Персидским заливом — настолько многообещающим выглядит ее ветроэнергетический потенциал. Всего же Соединенные Штаты планируют нарастить мощности национальной ветроэнергетики до 20% потребления уже к 2020 году.

За последнее десятилетие мировая ветроэнергетика выросла в семь раз. Ее дальнейший рост затрудняется экологическими причинами. Это только на первый взгляд кажется, что завораживающие стометровые гиганты не оказывают никакого влияния на окружающую среду, кроме выброса в мировой эфир экологически чистой кармы. Ветряки слишком шумны и нарушают нормальное распространение радиосигналов. Их мачты на горизонте зачастую нарушают визуальную гармонию местности, и во многих случаях власти запрещают их установку в пределах прямой видимости из населенных пунктов.

Самые сильные ветра на суше, как правило, дуют в горных районах. На высоте более 1 км рельеф практически не оказывает влияния на силу ветра, да и плотность населения в этих районах крайне низка. Но вы попробуйте смонтировать там гигантский ветряк, а затем протянуть от него линию электропередач до Большой земли! Тем более что одним генератором не обойдешься: выгодным становится лишь создание больших ветряных ферм, состоящих из десятков и сотен турбин. Поэтому горное размещение ветряных электростанций экономически малоэффективно.

Гигантский поплавок

На Земле существуют огромные пустынные площади, изобилующие мощными потоками воздушных масс. Это моря и прибрежное мелководье. Наиболее стабильны в отношении направления, скорости и силы ветра прибрежные шельфовые зоны. Подсчитано, что потенциальная энергоемкость ветров атлантического и тихоокеанского побережий Америки способна перекрыть потребность США в электроэнергии в несколько раз. Норвежские ученые подсчитали, что теоретический энергетический потенциал ветра в экономической морской зоне страны в 200 раз превышает нынешнюю выработку энергии всеми гидроэлектростанциями Норвегии, а ее суммарная стоимость в десять раз больше стоимости всего добываемого газа и нефти в год! Аналогичные перспективы развития морской ветроэнергетики открываются в Японии, Испании, Великобритании, Чили, Канаде и других странах.

Но с технической точки зрения добыть энергию из крепкого морского ветра очень непросто. Хорошо, когда у берегов простираются большие мелководные зоны с глубинами до 20 м, как, например, в районе датского Виндеби, где еще в 1991 году компания Siemens Wind Power создала первую в мире ветряную ферму, состоящую из 11 ветрогенераторов мощностью 450 кВт каждый. Но море у берегов Норвегии, Японии, запада США, Испании и Португалии, которые традиционно считаются ветронасыщенными, намного глубже. Да и сила ветра там не так велика — в открытом море ветер на 30% крепче, а значит, и работа ветрогенераторов эффективнее на ту же величину. Но как добраться до этих электрических райских кущ? Традиционные стационарные ветряки имеют максимальную глубину установки не более 20 м — подводные строительно-монтажные работы на больших глубинах чрезвычайно дороги и опасны.

Если вы не можете встать на дно ногами, вам придется поплыть! Опыт создания плавучих нефтяных и газовых платформ уже существует. В Мексиканском заливе и Северном море некоторые из них нормально функционируют на довольно больших глубинах. Естественно, фундамент под 200-метровой толщей воды сделать невозможно, а вот надежно закрепить плавучее надводное основание на мертвых якорях (постоянная железобетонная конструкция, опускаемая на дно с помощью плавучего крана) — задача хоть и сложная, но выполнимая. В итоге получается очень жесткая и практически неподвижная платформа, на которой можно разместить мачту ветрогенератора, подсобные и жилые помещения, удобный причал для судов и вертолетную площадку. Предельные глубины, на которых целесообразно использование плавучих платформ, — 100−200 м.

Наиболее перспективная несущая конструкция для ветряной электростанции предусматривает использование спар-буя — герметичной металлической трубы с балластом в основании и площадкой для крепления турбины в верхней части. Длинная подводная часть и якорные крепления делают его невероятно устойчивым к штормам и сильному ветру. Даже в экстремальных условиях спар-буй сохраняет вертикальное положение благодаря балласту, находящемуся в ста или более метрах ниже уровня моря. Другое преимущество буя перед платформами — предельные глубины установки. Согласно расчетам, сегодняшние возможности морской строительной техники способны обеспечить установку якорей и буя на глубине до 700 м.

А это уже почти открытое море, где сила и стабильность ветра в разы выше, чем на суше и мелководье. Правда, обслуживание и ремонт спар-буя будут проблематичны из-за отсутствия на его надводной части площадки для приема вертолетов и судов. Впрочем, опыт эксплуатации ветряных генераторов демонстрирует, что они требуют минимального обслуживания в течение длительного срока службы. Морская вода — не самая благоприятная среда для стальных конструкций, но современные средства защиты от коррозии обеспечивают эксплуатацию плавучих ветряков в течение более 200 лет.

Союз ума и капитала

Перспектива появления действующих оффшорных ветряных генераторов стала реальной после совместного заявления норвежской нефтегазодобывающей компании StatoilHydro и ведущего мирового производителя ветряков, немецкого концерна Siemens. Партнеры планируют построить первую в мире коммерческую плавучую электростанцию мощностью 2,3 МВт в 10 км от юго-восточной оконечности Норвегии на глубине около 200 м осенью 2009 года. Выбор места не случаен. Уже в течение 30 лет компания Statoil производит подводную геологоразведку, добычу нефти и газа в этом регионе, а также изучает характер движения воздушных масс и погоды. Норвежцы знают дно Северного моря как свои пять пальцев.

Проект под названием Hywind разработан специально для размещения в глубоководных зонах Северного моря. Предельная глубина установки ветряных генераторов типа Hywind — 700 м! Это делает доступными колоссальные энергетические ресурсы стабильных и мощных морских ветров. Огромный 165-метровый спар-буй, прикрепленный к морскому дну тремя мертвыми якорями, будет нести на себе стандартную 2,3-мегаваттную трехлопастную турбину компании Siemens весом 138 т. Диаметр легких и прочных стеклопластиковых лопастей ее ротора составит 82,4 м!

Исполинская конструкция будет возвышаться над морем на 65 м и весить 5300 т. Масштабная трехметровая модель Hywind успешно прошла тестирование на волновом симуляторе в норвежском Тронхейме, и в настоящее время уже начались работы по изготовлению ее компонентов. Hywind будет вырабатывать товарное электричество, но главная задача проекта на этом этапе — проверка работы турбины в условиях открытого моря и дальнейшее изучение характеристик ветра в регионе. В дальнейшем мощность турбин планируется увеличить до 5 МВт, а диаметр лопастей роторов — до 120 м. По мнению вице-президента StatoilHydro Анне Стрёммен Лике, это ключевой проект для развития мировой ветроэнергетики.

«Если Hywind заработает, это будет означать, что дорога к неисчерпаемым экологически чистым энергоресурсам открыта», — говорит Анне.

Конкуренты не дремлют

В настоящее время в мире еще как минимум две компании разрабатывают коммерческие оффшорные плавучие ветряные генераторы: голландская Blue H и норвежская Sway, принадлежащая на 25% той же StatoilHydro.

В отличие от StatoilHydro и Siemens, применяющих серийный вариант турбины, эти компании создают новые, более легкие и компактные ветряки для снижения веса поддерживающих конструкций и облегчения монтажа всей установки. Концепция Blue H базируется на традиционных архитектурных решениях, применяемых при возведении морских нефтяных и газовых платформ. В их основе — плавучее основание, крепящееся к морскому дну при помощи нескольких натянутых стальных тросов и массивных мертвых якорей или свай. Такие конструкции неплохо выдерживают среднюю по высоте и мощности волну и практически неподвижны. Именно такая энергетическая установка недавно была построена в 10 км от итальянского порта Бриндизи. Она является тестовой и оснащена слабой 80-киловаттной турбиной. Цели ее постройки чисто научные: измерение силы и стабильности ветров в этой зоне, а также проверка эффективности работы инновационного ротора. Осенью этого года Blue H намерена установить еще две оффшорные плавучие электростанции, мощностью 2,5 и 3,5 мегаватт, поблизости от первой тестовой платформы. А следующим летом начнется возведение тестовой платформы в 37 км от Кейп-Код в рамках большого проекта первой американской атлантической ветряной фермы.

Конкурент голландцев, норвежская компания Sway, предлагает иную комбинацию несущей конструкции и дизайна турбины. Как и у Statoil, базовым элементом установки служит спар-буй — 200-метровая герметичная труба с балластом в основании и гондолой ветрогенератора вверху. Крепление к морскому дну этого «поплавка» осуществляется с помощью трех мощных стальных тросов и мертвых якорей общим весом 2400 т. В рабочем положении тросы не натянуты и вся установка свободно качается на волнах.

Предельная расчетная глубина моря в месте расположения ветряка — 300 м.

Преимущество технологии Sway — это небольшой вес якорей в сравнении с платформой натяжного якорного крепления. Кроме того, норвежцы не стали экспериментировать с дизайном турбины и остановились на классическом трехлопастном варианте. Правда, в отличие от турбин наземного размещения, она разворачивается не «под ветер», а «от ветра», для более надежного крепления на верхушке опоры, и оснащена специальным элементом жесткости. Даже при очень сильном ветре мачта сохраняет вертикальное положение, хотя давление ветра на лопасти ротора 5-мегаваттной турбины превышает 60 т.

Ветреное будущее

Скорее всего, эксперименты по размещению мощных турбин в открытом море увенчаются успехом. Что же дальше? Директор подразделения компании Hydro по новым видам энергии Александра Бек-Гьорв говорит, что в среднесрочной перспективе цель компании — создание масштабных морских ветряных парков, состоящих из 200 и более генераторов мощностью 5 МВт каждый. Один такой парк будет способен вырабатывать 4 тераватт-часа электроэнергии в год и обеспечивать питанием как морские нефтегазовые платформы, так и бытовые электросети. Надо сказать, что энергосети ранее неохотно брали электроэнергию от ветряных ферм: ветер — фактор нерегулируемый, а значит, и выработка энергии от него нестабильна. Если ветер слабеет, то генерация падает, и наоборот. Учитывая, что сами сети испытывают периодические пики и провалы энергопотребления, поток энергии от ветряков становится дополнительным дестабилизирующим фактором.

Но все это относится в основном к ветряным фермам наземного базирования. Морской ветер отличается постоянством, а системы преобразования исходного тока и синхронизации его с параметрами сети стали более совершенными. К тому же концепция передачи энергии в несколько сетей одновременно решает проблему нестабильности потребления. Как считает Александра Бек-Гьорв, через 10−15 лет ветряные парки появятся в различных точках планеты и станут серьезными игроками на энергетическом рынке. Энергия ветра будет намного дешевле той, которая получается при сжигании угля или газа, и будет на равных конкурировать с энергией гидроэлектростанций. А значит, энергетический голод человечеству не грозит.

Статья опубликована в журнале «Популярная механика» (№9, Сентябрь 2008).