Ветроэнергетика на службе экологии

В борьбе за экологию при необходимости потребления электроэнергии человек обращается к ветру: как ВЭС трудится на благо окружающей среды и человека.

Изображение freepik

Ежегодно  необходимость  использования природных ископаемых  увеличивается, а их добыча – растёт. Это негативно отражается на экологии. Глобальное изменение климата – главная проблема человечества в этой сфере: из-за деятельности объектов энергетики в атмосферу попадают выбросы парниковых газов, твёрдые частицы и смог.

Ученые, экологи, исследователи и собственно неравнодушные люди пытаются найти способы существования, которые требуют наименьшего использования природных ресурсов. Ветровые электростанции (далее ВЭС) – один из них. Так, при необходимости использования электроэнергии, минимизируя загрязнение окружающей среды, для её добычи люди обращаются к «зелёной» (чистой) энергии ветра.

Источники энергии делятся на возобновляемые и невозобновляемые. ВЭС используют неиссякаемую энергию ветра, то есть возобновляемую энергию. Рост количества проектов по использованию такой энергии увеличивает инвестиции в них, соответственно, спрос на иссякаемые природные ископаемые уголь и нефть уменьшается. 

Так, Международное энергетическое агентство (МЭА) прогнозирует снижение спроса на природный газ. В ежегодном докладе рассматриваются три сценария мирового энергетического развития: возобновляемые источники энергии в целом выработают минимум 47% электроэнергии в 2030 году в сценарии STEPS или даже 59% в сценарии Net Zero. По словам экономистов и исследователей, в 2050 году доля ВИЭ в генерации составит 70-89% в зависимости от сценария.

«Переход на чистую энергию происходит во всем мире, и его невозможно остановить. Это не вопрос «если», это просто вопрос «как скоро» – и чем раньше, тем лучше для всех нас», – заявил исполнительный директор МЭА Фатих Бироль (Fatih Birol).

Что такое ветровые электростанции

Ветровая электростанция – это собранные в одном или нескольких местах и объединённые в одну сеть установки, которые превращают ветер в электроэнергию. Их называют ветрогенераторами/ветряками. Принцип работы ВЭС одинаков: кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую энергию лопастей, которые соединены с электрогенератором. 

Объем вырабатываемой энергии зависит от частоты вращения лопастей, которая напрямую связана со скоростью ветра (стандартная скорость 12 м/с), их размером и количеством. «Добыча» кинетической энергии зависит от оборудования, мощности генератора, количестве ветрогенераторов.

ВЭС классифицируются по функциональности (мобильные, стандартные), по расположению (прибрежные, оффшорные, наземные, плавающие), по типу конструкции (роторные, крыльчатые – наиболее распространённые). Разнообразие видов и практически повсеместное наличие ветра позволяет конструировать и использовать ВЭС практически везде, как в промышленных масштабах, так и для отдельно расположенных строений и даже единично, для небольших приборов.

ВЭС не загрязняет атмосферу, почву и воду. Их использование безопасно – риск техногенных катастроф минимален. Основной для работы ВЭС ресурс, ветер, доступен и есть практически на всей территории Земли. Отсюда вытекает ещё одно преимущество – независимость от импорта. Российская Ассоциация Возобновляемых Источников и Электротранспорта (РАВИ) отмечает, что в рамках санкционных ограничений, энергетическая отрасль сталкивается с трудностями, тем не менее показывает стабильные показатели производительности, а санкции побуждают развивать разработку собственного оборудования и технологий.

«Абсолютно все компоненты для производства отечественных ветрогенераторов мультимегаваттного класса могут производиться или уже производятся предприятиями российской промышленности», подчеркнул доцент кафедры Гидроэнергетики и возобновляемых источников энергии НИУ «МЭИ» Евгений Игнатьев. 

Неоспоримый плюсом ВЭС по сравнению с другими способами добычи электроэнергии (ТЭС) считается и компактность: непосредственно ветрогенераторы занимают только 1% от всей территории станции, поэтому оставшуюся часть земельных угодий можно использовать в сельском хозяйстве и других видах деятельности. 

Изучая воздействие на экологию ВЭС, исследователи заметили и положительное влияние на растительность – в частности, рост зерновых культур и сои.

По наблюдениям фермеров, безветренный тёплый воздух способствует плодородию почвы – соответственно, такая земля даёт больше урожая. Учёные и метеорологи выяснили: благодаря тому, что ветрогенераторы перемешивают воздух над сельскохозяйственными угодьями, они получают больше углекислого газа, что, например, очень «нравится» кукурузе.

«Работа кукурузы состоит в том, чтобы впитать больше CO2, – рассказывает Юджин Такла (Eugene Takle), сельскохозяйственный метеоролог Университета штата Айова.

Аналогичным образом ВЭС способствуют испарению влаги на листьях, уменьшая тем самым риск грибковых заболеваний растений, что особенно важно для сельскохозяйственных культур в условиях влажного климата.

«Турбулентный поток, создаваемый ВЭС, может ускорить естественные обменные процессы между хлебными злаками и приземным слоем атмосферы, а также может помочь высушить росу, – говорится в Экологической экспертизе ветроэнергетической установки. – Более того, сухие зерновые культуры позволяют фермерам уменьшить стоимость сушки зерна после сбора урожая».

«Другой потенциально благоприятный результат: поскольку турбины перемешивают воздушные массы и замедляют ветер, они также могут повлиять на температуру воздуха над посевами, делая ночи теплее, а дни прохладнее. Это могло бы сделать редкими ночные заморозки и жаркие дни, которые негативно влияют на урожайность», – считает метеоролог Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии в Голдене, штат Колорадо, Джули Лундквист (Julie Lundquist).

Сегодня ветрогенераторы используют для получения воды из воздуха, что особенно актуально для жителей пустынных и засушливых районов. Так, исследователи VICI-Labs, при участии Калифорнийского университета в Беркли и Корпуса мира, разработали Water Seer устройство преобразования конденсата в чистую питьевую воду.

Water Seer вкапывают в землю как минимум на два метра. Ветряной двигатель, приводит в движения лопасти, которые загоняют воздух в специальный резервуар. Из-за низкой температуры под землей на стенках резервуара образуется вода. По словам изобретателей, шланг и помпа позволят качать воду круглосуточно.

В ОАЭ прошли успешные испытания EoleWater, установки по конденсации воды с использованием ветровой энергии французского изобретателя Марк Пэрента (Marc Parent). Установку аналогичного действия «Вихревой родник» разработали  сотрудники кафедры теплотехники и тепловых двигателей Самарского университета.

Абсолютной безопасности экологии не существует, человек оказывает влияние на климат, но оно может быть не такое негативное. «Экологический ущерб от ветроэнергетики существенно ниже по сравнению с «традиционными» способами генерации энергии. В Европе внешний негативный социально-экологический эффект на 1 кВт*ч произведённой электроэнергии оценён в 0,15 цента для ветроэнергетики, 1,1 цента – для газовых ТЭС и 2,5 цента –для угольных», – считают в научно-исследовательской лаборатории возобновляемых источников энергии географического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова.

ВЭС в России

Первую ВЭС с инерционным аккумулятором мощностью в 35кВт сконструировал изобретатель-самоучка А.Г. Уфимцев. Она построена в Курске в 1931 году. В это время под Балаклавой строят самый мощный по мировым масштабам ветрогеператор на 10 кВт. До 60-х годов Советский Союз считается одним из мировых лидеров в производстве ветроустановок – получаемой энергией обеспечивали полярные станции, обслуживали освоение целины в Казахстане.

Открытие и разработка крупных нефтяных и газовых месторождений приостанавливают развитие ветроэнергетики. С 90-х годов в России возобновляет работу в этом направлении. Сегодня мощнейшие ветряные электростанции находятся в Ставропольском крае, Республике Адыгея, на Кольском полуострове, в Крыму.

Кочубеевская ВЭС, самая большая ветроэлектростанция России, расположена в Ставропольском крае. Состоит из 84 ветроэнергетических установок мощностью 2,5 МВт

По словам Егора Гринкевича, представителя компании АО «НоваВинд», которая отвечала за проектирование и строительство ВЭС, в последние годы наблюдается значительный интерес со стороны социально ответственного бизнеса к использованию низкоуглеродных источников энергии.

Кольская ВЭС, крупнейший в мире ветропарк расположенный за полярным кругом, находится на территории Кольского полуострова. Состоит из 57 турбин общей мощностью 201 МВт, вырабатывает порядка 750 млн кВт⋅ч в год, что позволит предотвратить выбросы до 600 тысяч тонн углекислого газа ежегодно. 

По данным ежегодного Обзора ветроэнергетического рынка, который представила РАВИ, установленная мощность ВЭС в России в 2022 году выросла в 1,1 раза, а выработка ВЭС на оптовом рынке – в 1,52 раза.

«В 2022 году установлено 75 ветрогенераторов, что составляет 230 МВт мощности. 325 находятся на разных стадиях строительства, заморожено 286,1 МВт строящихся мощностей, – рассказал автор Обзора, доцент кафедры Гидроэнергетики и возобновляемых источников энергии НИУ «МЭИ» Евгений Игнатьев.

Срок жизни ВЭС зависят от качества используемых материалов, местоположения, назначения и технического обслуживания. В среднем это 25 лет. Основная проблема, связанная с вышедшими из эксплуатации ВЭС – утилизация лопастей. Сегодня чаще всего их закапывают в землю или вывозят на специальные свалки.

По словам специалистов РХТУ им. Д.И. Менделеева, лопасти можно утилизировать путём нагревания без доступа кислорода при 500°С. «Полученные вещества (пиролизат) можно использовать для производства пеностекла и стеклоблоков, а образующийся при пиролизе газ сжигать для получения электроэнергии», – считают они.

Ветер, ветер: ты могуч

«Ветер заслуживает самого уважительного отношения: он великий труженик: на территории России он без устали, 24/7, вращает лопасти почти полутора тысяч промышленных ветроэнергетических установок», – председатель правления РАВИ Сергей Морозов. По его мнению, от правильного выбора источника энергии и технологии фактически зависит будущее человечества. 

Способы получения мировой энергии нуждаются в трансформации, поскольку глобальные выбросы CO2, связанные с этой областью, увеличились и достигли рекордного уровня более 33,8 Гт. 

По мнению экспертов, мир нуждается в глобальном мировом энергетическом переделе в рамках взятия курса на «зеленую» энергетику. В 2022 году доля возобновляемых источников энергии в мировом энергетическом балансе выросла на 1,5 процентных пункта до 30%.

«Давайте заниматься альтернативной энергетикой: и солнцем, и ветром, и энергией приливов, и всеми остальными технологиями, которые берегут планету», –  предлагает Сергей Морозов.

Согласно данным аналитиков, в Норвегии около 97% электроэнергии приходится на альтернативные источники, в Новой Зеландии и Бразилии – около 80%, в Германии, Италии, Испании и Великобритании – 30-40%. В России этот показатель составляет 17,2%, из них СЭС и ВЭС – менее. Глобальные выбросы CO2, связанные с энергетикой, увеличиваются и каждый имеет к этому непосредственное отношение.

Лидия Осник