W niektórych krajach turbiny wiatrowe zastąpiły już bardziej tradycyjne źródła energii. Na co czekamy?
Turbiny wiatrowe w Rosji
Wiatraki na całym świecie wytwarzają teraz więcej energii elektrycznej niż cała energetyka w Rosji - a za cenę ich produkcja osiągnęła już poziom elektrociepłowni. I to pomimo tego, że jeszcze dziesięć lat temu rosyjscy elektroenergetycy i urzędnicy uważali, że możliwości ich rozwoju są wyczerpane, a same farmy wiatrowe były zbyt drogie. Teraz wszystko wywróciło się do góry nogami: rosyjska korporacja państwowa inwestuje dziesiątki miliardów, aby dogonić Zachód w dziedzinie turbin wiatrowych. Dlaczego nie sprawdziły się wcześniejsze prognozy rosyjskich ekspertów, których nie braliśmy pod uwagę? Czy są jakieś perspektywy na próby zmarnowania pieniędzy przez Rosatom?
Wiatr historii
Kiedy ludzie po raz pierwszy myśleli o wykorzystaniu wiatru, pytanie jest trudne. Istnieją pośrednie dowody na to, że Homo erectus lub neandertalczycy mogli żeglować. Współczesne próby pokonania cieśniny między Kretą a lądem - a 130 tysięcy lat temu nagle pojawiły się na tej wyspie kamienne narzędzia - pokazały, że nierealne jest robienie tego na wiosłach - prąd w tej cieśninie jest zbyt silny. Rzeźby naskalne, które dokładnie potwierdzają użycie żagli, mają kilka tysięcy lat.
Film promocyjny:
Pierwsze mechaniczne maszyny napędzane siłą wiatru zostały wynalezione przez Herona z Aleksandrii w I wieku p.n.e. (stworzył też pierwszą próbkę turbiny obracającej się podczas spalania paliwa). To prawda, że jego wiatrak nie rozwiązał praktycznego problemu, ale zabawny. Był to rodzaj instrumentu muzycznego, działającego wraz z obrotem koła pod wpływem nadchodzącego wiatru.
Około 400 roku n.e. w świątyniach buddyjskich w Indiach pojawiają się wiatraki z pionową osią obrotu - maszyny modlitewne. Łatwo zauważyć ich kardynalną różnicę w stosunku do schematu Herona - buddyjska wersja wiatraka jest „położona na boku”.
Praktyczne zastosowanie maszyn wiatrowych stwierdzono w IX wieku w Iranie (opisy Abu Ishaq al-Istakhri). Jednak nie mieli nic wspólnego z tymi, do których jesteśmy przyzwyczajeni. Były to baszty, na obwodzie których znajdowały się siatkowe konstrukcje pokryte tkaniną. Wiatr je obracał, a specjalny mechanizm przekształcił obrót osi pionowej w ruch kamieni młyńskich lub działanie urządzenia do podnoszenia wody.
Z Iranu nowość dotarła do Indii i Chin, ale nie Europy, które pożyczyły wtedy bardzo niewiele innowacji technicznych.
W 1185 roku pierwszy wiatrak wspomniany został w Yorkshire (Anglia), a ten pierwszy zachodni wiatrak był już znanego typu - z poziomą osią obrotu, na której osadzono obracające się pionowo łopatki. Jak widać, od XII wieku zachodnie i wschodnie podejście do turbin wiatrowych było przeciwne.
Przewaga schematu wschodniego nad zachodnim jest oczywista. Turbina wiatrowa o osi pionowej działa niezależnie od kierunku wiatru, więc Chińczycy i Irańczycy mogą zostawić ją bez opieki i zająć się ważniejszymi sprawami. Dodatkowo w wersji wschodniej, przy jednakowej mocy, nawiew konstrukcji jest znacznie większy, dlatego zaczyna ona pracować nawet przy słabym wietrze.
Z drugiej strony zachodnia turbina wiatrowa o osi poziomej ma swoje mocne strony. Owszem, musi być „trzymany z wiatrem”, ale jego ostrza są zawsze pod wpływem wiatru tylko z jednej strony, co zwiększa ich produkcję energii. Wschodni z każdym obrotem przeżywa moment, w którym łopatki obracają się i wiatr „uderza” w nie z drugiej strony. Jest wystarczająca bezwładność, aby konstrukcja mogła się dalej obracać, ale maszt trzęsie się gwałtownie, a część energii obrotu idzie na kompensację „uderzenia”. Z powodu tych zmiennych obciążeń maszt lub wieża muszą być wzmocnione i masywniejsze. Wyniki są oczywiste: zachodnia turbina wiatrowa jest trudniejsza w obsłudze, ale wydajniejsza i tańsza.
Wiatraki były niezwykle rozpowszechnione w Europie, aż po maszyny parowe i elektryczność. Prawie nie wymagały personelu, linii energetycznych (co jest ważne na obszarach wiejskich) i były mniej hałaśliwe. Cóż, wersja wiatraka, który podnosi wodę ze studni, jest nadal niezwykle popularna w trzecim świecie, gdzie elektryfikacja wciąż nie dotknęła ponad miliarda ludzi.
Próby zaprzyjaźnienia się z wiatrem i elektrycznością podjęto bardzo wcześnie. Pierwsza turbina wiatrowa do produkcji energii elektrycznej została zbudowana w Danii w 1890 roku. Na Zachodzie ich wymiary na początku XX wieku sięgały 25 metrów wysokości, a rozpiętość ostrzy wynosiła 23 metry. Niestety, problem zmiennego wiatru zrujnował wszystko. Energia elektryczna była potrzebna nawet wtedy, gdy nie wiał, a generatory diesla i linie energetyczne były dość tanie. Więc wiatraki zostały wypchnięte na odległe pola, gdzie pracowały przy nawadnianiu. Ale tylko na chwilę!
Wiatr zmian w ZSRR
Kiedy świat zachodni zaczął pozbywać się turbin wiatrowych w wyniku elektryfikacji, nasz kraj obrał zupełnie inną ścieżkę - „z wiatrem”. Rekompensując niedobór elektrociepłowni, Centralny Instytut Aerohydrodynamiczny w latach dwudziestych XX wieku stworzył serię małych turbin wiatrowych o mocy do 30 kilowatów, zaopatrując je w akumulator hydrauliczny. Z nadmiarem generacji turbina wiatrowa podniosła wodę na wysokość masztu, a gdy nie było wiatru, odprowadzała wodę z powrotem, obracała turbinę wodną, która dawała prąd. Były używane w Buriacji i innych miejscach bez linii energetycznych. Nawiasem mówiąc, schemat jest niezwykle rozsądny - w tym roku cała elektrownia została zbudowana w Niemczech według tej samej koncepcji, tylko znacznie mocniejsza.
W ZSRR, przed odkryciem syberyjskich złóż ropy i gazu, ze względów strategicznych aktywnie rozwijano alternatywne źródła energii. Na Kaukazie wydobyto 90% radzieckiej ropy naftowej i było oczywiste, że w każdej wojnie nieprzyjaciel będzie próbował tam uderzyć. To właśnie planowało francuskie lotnictwo w 1940 roku. Dopiero zniszczenie III RP przez Hitlera zapobiegło temu. Sam Hitler chciał to zrobić, ale też mu się to nie udało. Aby się chronić, rząd radziecki zachęcał do różnych alternatyw - od półtora na generatorach gazu opalanego drewnem po … turbiny wiatrowe z magazynem na koła zamachowe.
Tak, właśnie taki cud został uruchomiony w Kursku w 1931 roku. Mając zaledwie 35 kilowatów, był wyposażony w „dysk magazynujący” (jedną trzecią tony) obracający się w pojemniku, z którego usuwano powietrze w celu zmniejszenia tarcia. Elektrownia wiatrowa wynalazcy Ufimcewa oświetlała jego dom i zasilała warsztat nawet wtedy, gdy nie było wiatru. Zmarł jednak w 1936 roku i od tego czasu stacja (nadal stoi) nigdy nie została uruchomiona.
Jednak nawet bez urządzeń do przechowywania radzieckie turbiny wiatrowe były wśród liderów. W 1931 roku w pobliżu Balaklavy zbudowano najpotężniejszy na świecie generator wiatrowy o mocy 100 kilowatów (rozpiętość łopat - 30 metrów). Ciekawe, że Niemcy, którzy obecnie stoją na czele rozwoju energetyki wiatrowej, traktowali wtedy farmy wiatrowe dość niegrzecznie. W 1941 roku ich ostrzał zniszczył największą turbinę wiatrową na świecie. Być może była to kwestia zazdrości - ich własne turbiny wiatrowe dawały wtedy nie więcej niż 70 kilowatów i były znacznie mniejsze. W latach 1950-1955 ZSRR produkował 9 000 turbin wiatrowych rocznie - o mocy dochodzącej do setek kilowatów. Cóż, w jaki inny sposób dziewicze ziemie i północ mogą być zaopatrywane w energię przed generatorami diesla?
Wiatr niepodległości
Sowiecką energetykę wiatrową zabił powojenny boom na tanie paliwa płynne, a zachodnią ożywił kryzys naftowy lat 70. Wtedy dojrzewała tam idea niezależności energetycznej od nerwowego i skłonnego do monopolistycznego spisku ludów zaopatrujących ze Wschodu kosztem energii wiatru.
Na pierwszy rzut oka mamy do czynienia z wyraźnym regresem. Po co zmieniać stabilne źródła energii na takie, które są dosłownie zależne od bryzy? Co więcej, kilka lat temu rosyjscy urzędnicy powiedzieli nam, że turbiny wiatrowe w Europie wytwarzają kosztowną energię. Spróbujmy to rozgryźć.
Dzisiejszy wiatrak o osi poziomej w rzeczywistości nie jest tak zależny od najmniejszych wahań prędkości wiatru Vestas V164 ma 220 metrów wysokości (półtora piramidy Cheopsa) i łopaty o wychyleniu 164 metrów (ponad 50-piętrowy budynek). Całkowita waga jego ostrzy z włókna szklanego wynosi 100 ton. W rzeczywistości taki projekt ma własny dysk do przechowywania, tylko jego masa jest 300 razy większa niż Ufimtsev.
Jednocześnie spodziewany jest dalszy wzrost wysokości turbin wiatrowych i rozpiętości ich łopat, co oznacza, że jeszcze mniej zagrażają im małe postoje. Uważa się, że sensowne jest zwiększenie wymiarów co najmniej do wysokości 300-400 metrów i rozpiętości łopatek do 300 metrów.
Zaczynając od Enercon E-126 firmy Siemens, istnieje już metoda tworzenia takich kolosalnych ostrzy - składają się one z dwóch sekcji, które są wsuwane w siebie. Szereg producentów planuje zwiększyć ich liczbę nawet do trzech.
Moc tego samego Vestasa V164 przekroczyła już 9 megawatów, a podwojenie rozpiętości jego łopat przyniesie wzrost mocy turbiny wiatrowej do 40 megawatów. Co ważniejsze, na każdych stu metrach wysokości średnia roczna prędkość wiatru znacznie wzrasta. Przy naprawdę dużych konstrukcjach warto budować farmy wiatrowe nawet na terenach zalesionych, gdzie prędkość wiatru jest zwykle dość niska przy ziemi.
W związku z ciągłym wzrostem wielkości turbin wiatrowych koszt ich energii stale spada. Oceńcie sami: ludzie wiedzą, jak niedrogo budować nawet 828-metrowe budynki, a wraz ze wzrostem ich wysokości koszty rosną liniowo. Ale wydajność wiatraka z każdym podwojeniem wysokości rośnie już do kwadratu. Korzyści skali są bardzo widoczne w przypadku energetyki wiatrowej.
Rzeczywiście, nawet pięć lat temu, w 2012 roku, turbiny wiatrowe na Zachodzie produkowały więcej niż 10 centów za kilowatogodzinę. Jednak dzisiaj liczba ta, jak zauważył Departament Energii USA, spadła do 4-5 centów za kilowatogodzinę. Nawet nowe morskie turbiny wiatrowe, które są zwykle droższe od lądowych, dostarczają energię za 6-7 centów za kilowatogodzinę, a ta cena spada jeszcze szybciej niż na lądzie. Powodem jest to, że na morzu można nosić łopaty o długości co najmniej 200 metrów, ponieważ na morskich „drogach” jest dużo miejsca i nie ma tłoku.
Dobra, mówisz. A co z okresami ciszy, kiedy od tygodni nie ma silnego wiatru? Cóż, dlatego budują morskie turbiny wiatrowe w Europie. Nad morzem znajdują się „przejścia”, w których ciszy praktycznie nie ma. Na szczęście dla Europejczyków są blisko i często na płytkich wodach. Na przykład całe Morze Północne jest dość płytkie, tak jak, nawiasem mówiąc, większość wód u wschodniego wybrzeża Stanów Zjednoczonych. Ponadto w tym roku oddano do użytku pierwszą na świecie pływającą elektrownię wiatrową o mocy kilkudziesięciu megawatów. Jego wiatraki są zakotwiczone, a głębokości robocze dochodzą do 800 metrów. Całkowita powierzchnia mórz o takiej głębokości jest taka, że można z nich wielokrotnie zaopatrywać świat w energię. Straty w liniach przesyłowych prądu stałego wysokiego napięcia spadły obecnie poniżej 3 procent na tysiąc kilometrów - to znaczy, że „morska” energia wiatrowa dotrze nawet w głąb lądu.
Jednocześnie nie należy idealizować trwałości farm wiatrowych. Tak, mogą dostarczać energię przez cały rok, a zimą te same wiatraki na morzu dadzą więcej energii niż latem - zimowe burze pomogą. Nie radzą sobie jednak z porannym i wieczornym szczytem konsumpcji - wiatr wieje mniej więcej tak samo o 19:00 i o 03:00. Dlatego na Zachodzie uważa się, że kilka procent całkowitej rocznej produkcji będzie nadal pochodziło z „szczytowych” gazowych elektrociepłowni. Jednocześnie będą zużywać znacznie mniej paliwa niż obecnie, kiedy nie powstały jeszcze tablice morskich turbin wiatrowych. Warto jednak przypomnieć, że nie będzie to musiało długo czekać.
Dziś energia wiatrowa wytwarza ponad bilion kilowatogodzin rocznie - więcej niż cały sektor energetyczny w Rosji. A jeśli produkcja energii elektrycznej w naszym kraju nie wzrosła od 1990 r. (Ze względu na mniej więcej taką samą wielkość produkcji przemysłowej), to nie można tego powiedzieć o turbinach wiatrowych. Jeszcze 10 lat temu nie dawali nawet jednej dziesiątej obecnej produkcji. Możemy śmiało powiedzieć, że za dziesięć lat WEC naszej planety dadzą znacznie więcej niż obecnie. Co więcej, większość turbin wiatrowych jest obecnie budowana w Chinach i tam wiedzą, jak wdrożyć naprawdę masową produkcję.
Przeminęło z wiatrem
Rosja może pochwalić się najbardziej nieoczekiwanym piruetem na drodze ludzkości do energetyki wiatrowej. Kiedy WPP były niepopularne na Zachodzie, w naszym kraju rosły. Kiedy zaczęły się aktywnie rozwijać na świecie, w kraju pojawiły się rzesze ekspertów z branży energetycznej, którzy wskazali: „Miejsce dla turbin wiatrowych w Europie się skończyło”. To prawda, odkąd zaczęliśmy to mówić, moc elektrowni wiatrowych wśród Europejczyków wzrosła dziesięciokrotnie i nadal rośnie. Najwyraźniej opinia naszych ekspertów nie została im przekazana.
Cóż, w 2016 roku nagle zmieniliśmy zdanie, że tak powiem, wróciliśmy do ZSRR Doreżniewa. Rosatom jako pierwszy powiedział to ważne słowo na szczeblu stanowym. Zastępca dyrektora generalnego Wiaczesław Pershukov uczciwie zauważył: po zrealizowaniu dotychczasowych zamówień na budowę nowych elektrowni jądrowych za granicą Rosatom może pozostać bez zagranicznych projektów budowlanych, ponieważ rynek ten szybko się kurczy. Generacja jądrowa poza Rosją rzeczywiście spada i nie widać żadnych perspektyw na wyjście z niej.
Główny powód jest prosty: energia jądrowa budowana na Zachodzie jest droga. Energia z rosyjskich elektrowni atomowych jest tańsza, ale wciąż nie tak duża, jak w nowych zachodnich turbinach wiatrowych. Tak, aby zrekompensować ich niespójność, potrzeba kilku elektrowni cieplnych opalanych gazem, ale elektrownie atomowe też ich potrzebują. Przecież reaktor zawsze daje taką samą moc, a ludzie konsumują znacznie więcej w dzień niż w nocy. Przy takiej samej cenie i równych problemach zachodni nabywca, który jest zawsze pod presją „zielonych”, nigdy nie wybierze generacji jądrowej.
Tutaj też Pershukov stwierdza: możliwości budowy nowych dużych elektrowni jądrowych za granicą są praktycznie wyczerpane. „Nie powinniśmy zarabiać na rynku technologii jądrowych. Wszystko. Inaczej to nie działa”- słusznie zauważa.
Oczywiście, jeśli najpierw porzucisz jakiś biznes na dekadę, a potem podejmiesz się tego, gdy konkurenci mają już opracowane od lat technologie, to nie powinieneś od razu liczyć na pozycje lidera. Dlatego Rosatom podążył ścieżką już wytartą przez Piotra I i zaczął uczyć się od Holendrów nowej (a raczej starej, dobrze zapomnianej w naszym kraju). Poprzez spółkę zależną założył spółkę z Lagerwey. Do 2020 roku państwowa korporacja planuje budowę 26 małych farm wiatrowych o mocy 610 megawatów - począwszy od regionu Uljanowsk w 2018 roku. Tak, to mniej niż jedna setna rocznego globalnego wkładu, ale Rosatom uczy się z tych okruchów. Dodatkowo w 2020 roku planowane jest zlokalizowanie produkcji turbin wiatrowych w Rosji o 65 proc.
Trudniej będzie później, kiedy będziesz musiał iść na dużą skalę. Niemożliwe jest wytwarzanie z zyskiem turbin wiatrowych o łącznej mocy zaledwie setek megawatów rocznie. To duży biznes, nie będzie niskiej ceny bez masowej produkcji. Dlatego konieczne jest rozszerzenie zarówno budowy turbin wiatrowych w naszym kraju, jak i wejście na rynek światowy. Jednak konkurowanie tutaj będzie bardzo trudne.
Giganci tacy jak Vestas spędzili dziesięciolecia na doskonaleniu swoich technologii i zbudowali zupełnie wyjątkowe obiekty. Na przykład fabryka produkująca tytanowe łopaty w kilkudziesięciu tonach, zlokalizowana na wyspie specjalnie po to, by ułatwić eksport tak trudnego ładunku na drogi lądowe. Gdzie Rosatom to zbuduje i czy będzie w stanie nadążyć za stale poprawiającym się rynkiem turbin wiatrowych, to kwestia i niełatwa.
W komentarzu do KP przedstawiciel Rosatomu Andriej Iwanow zaznaczył, że NovaWind, dywizja Rosatomu odpowiedzialna za projekty w "nowej energii", zgodziła się na utworzenie joint venture z Lagerwey - Red Wind BV, która zajmie się lokalizacją produkcji turbin wiatrowych w Rosji. a dokładniej - w Wołgodońsku, w pobliżu istniejących obiektów Rosatomu. W naszym kraju powstaną turbiny wiatrowe o mocy 2,5 i 4,5 megawata. Łącznie Red Wind dostarczy do 2022 r. 388 takich turbin wiatrowych, z czego pierwszych 60 będzie montowanych dopiero w Rosji - z komponentów Lagerwey - i dopiero wtedy powstaną „lokalne” turbiny wiatrowe o tak imponujących wymiarach.
Z elektrownią atomową było mu znacznie łatwiej. W końcu powstali nie tylko w ZSRR, ale nie przestali budować i ulepszać w naszym kraju. Bycie pierwszym w tym, w czym jesteś pionierem, jest znacznie łatwiejsze niż wtedy, gdy musisz uczyć się od innych. Miejmy nadzieję, że państwowy gigant odniesie sukces, zwłaszcza, że ma dobrą kadrę inżynierską.
Wiatr przyszłości
Spójrzmy prawdzie w oczy: jest mało prawdopodobne, aby turbiny wiatrowe stały się głównym źródłem energii dla ludzkości w nadchodzących dziesięcioleciach. Tak, w Danii dostarczają już większość energii elektrycznej, aw USA więcej niż elektrownie wodne. Ale w krajach, w których wciąż jest wiele pogodnych dni, energia słoneczna rozwija się teraz znacznie szybciej niż wiatr. Ceny energii elektrycznej uzyskiwanej za jego pomocą spadają jeszcze szybciej niż farm wiatrowych. Już na początku lat dwudziestych wyprzedzi wytwarzane turbiny wiatrowe i stanie się głównym taranem niszczącym energię węgla i węglowodorów.
Ale w krajach z terytoriami północnymi wiatr może odgrywać inną rolę - główny generator. Jest to mało prawdopodobne w Rosji i to nie tylko dlatego, że na południe od Samary jest dużo słońca. Co ważniejsze, nie możemy zrezygnować z energii jądrowej ani gazowej ze względu na ogromną infrastrukturę, która została dla nich zbudowana. A jednak do 2030 roku turbiny wiatrowe staną się częstym elementem rosyjskich krajobrazów - tak jak obecnie w Niemczech czy Wielkiej Brytanii.