С момента подписания Парижского соглашения в апреле 2016 г. темы изменения климата, возможных последствий глобального потепления и действий, необходимых для сокращения выбросов парниковых газов, остаются одними из основных в мировом информационном поле. Причем это распространяется не только на экологов и климатологов, но и на экономистов, политиков, математиков, биологов, энергетиков… Одной из мер, способных сократить количество парниковых выбросов, называют переход к возобновляемым источникам энергии: солнцу, воде, приливам и отливам, волнам и ветру.
15 июня отмечается День ветра, созданный по инициативе Европейской ассоциации ветроэнергетики и Всемирного совета по энергии ветра в 2007 г.
В международный День ветра рассказываем об истории, технологиях и перспективах ветроэнергетики, которую сторонники называют самой перспективной, а противники ― возможной угрозой экологии и климату.
Всемирный день ветра (Global Wind Day) отмечается 15 июня. Праздник был создан по инициативе Европейской ассоциации ветроэнергетики и Всемирного совета по энергии ветра в 2007 г., а статус всемирного получил в 2009 г. В День ветра пропагандируется потенциал ветроэнергетики, проходят тематические экскурсии, лекции и встречи с экспертами.
От парусов и мельниц
Возобновляемые источники энергии ― ветер, солнце и воду ― называют альтернативными классическим: углю, газу, нефти, мирному атому. Но это представление сформировалось только около 100 лет назад, когда промышленные революции, развитие транспорта и металлургии потребовали новых мощностей. В XVIII в. именно сгораемое топливо стало альтернативой природным силам, которые люди использовали и до нашей эры. Ветер помогал разгонять первые парусные египетские суда еще за 5 тыс. лет до н.э. Позже люди стали использовать мельницы, приспособив силу ветра для помола муки, подачи воды или распиловки бревен. Первые достоверные упоминания об использовании ветряных мельниц датируются Х в. н.э., хотя неподтвержденные теории отправляют изобретение в древний Вавилон за 1,5 тыс. лет до н.э. или в Грецию I в. н.э.
Патент Джеймса Блайта, 1891 г.
Источник: The Scottish Engineering Hall of Fame
В июле 1887 г. человечество впервые стало использовать энергию ветра через универсального посредника ― электричество. Тогда в шотландской деревне Марикирк на участке инженера Джеймса Блайта появился первый ветрогенератор. Сам изобретатель позже описывал конструкцию как «треногу с 33-футовым ветряным валом, четырьмя 13-футовыми плечами с брезентовыми парусами и динамо-машиной Burgin, запускающейся от маховика с помощью веревки». Вырабатываемая энергия заряжала аккумуляторы, которые освещали коттедж изобретателя, а остатки энергии Блайт предлагал пустить на освещение центральной улицы деревни. От этой инициативы религиозные жители отказались, считая электричество «работой дьявола».
История отечественной ветроэнергетики относится к научной школе профессора Н.Е. Жуковского. В 1919 г. ученый стал руководителем отдела ветряных двигателей Центрального аэрогидродинамического института. В 1923 г. в ЦАГИ был построен испытательный ветросиловой стенд, а через год на бакинских нефтяных промыслах запустили установку с самоустанавливающимися лопастями и регулятором для работы глубинных насосов. Первая в СССР сетевая ветроэлектростанция под Севастополем мощностью 100 кВт, запущенная в 1931 г., оставалась самой мощной ВЭС в мире на протяжении почти десяти лет.
Разные конструкции с единым принципом
Пассат и муссон, бриз, сирокко и чили, фен и бора: казалось бы, поток воздуха, движущийся у земной поверхности, одинаков, различия только в скорости и направлении этого движения. Тем не менее ученые классифицируют виды ветра в зависимости от их постоянства, сезонности или характерности для определенных местностей. Так и ветровые электростанции, единые по принципу генерации энергии, различаются конструкциями, эффективностью и расположением.
Когда мы говорим о ветрогенераторах, представляется картинка высокой башни с тремя лопастями. Эта конструкция, отдаленно напоминающая старинные мельницы, ― крыльчатая, с горизонтальной осью вращения. Они в основном и получили распространение в современном мире и наиболее эффективны при правильном расположении лопастей относительно потока ветра. Максимальная скорость достигается при установке подвижной части перпендикулярно потоку воздуха, для этого в современных конструкциях предусмотрены системы поворота. Такие установки эффективны на территориях с достаточно высокой средней скоростью ветра: стартовая начинается с 3–6 м/с. В регионах с более низкой скоростью ветра эффективнее использовать ветрогенераторы карусельного типа, с вертикальной осью вращения. Среди преимуществ таких устройств называют сниженный уровень шума и меньшую потребность в регулярном обслуживании. Кроме того, они вырабатывают энергию при любом направлении ветра.
Ветрогенераторы независимо от расположения (на суше, на шельфе или на море) или их конструкции работают по одному принципу. Кинетическая энергия ветра преобразуется в механическую энергию лопастей. Вращение передается на генератор, вырабатывающий переменный ток, который преобразуется в постоянный и заряжает аккумуляторы. Для увеличения объемов накопленной энергии отдельные генераторы объединяются в единую сеть, образуя ветряные электростанции.
В 2021 г. суммарная доля ветровой и солнечной энергетики в мире впервые превысила 10% от общей генерации. На ветер приходилось 6,6%, и эти объемы увеличиваются. К концу 2022 г. в пятерку лидеров по ветроэнергетике вошли Китай, США, Германия, Индия и Испания. В этих странах вырабатывается 72% общей установленной мощности ветроэнергетики в мире. По информации на 2021 г., в России вырабатывается около 2 ГВт энергии ветра.
Установленная мощность ветроэнергетики по странам
Источник: Our World in Data
Сторонники и скептики
Недалеко от городка Каспер в американском штате Вайоминг со спутника можно рассмотреть присыпанные землей останки ветряков. На кладбище отработавших свой срок лопастей захоранивают стеклопластиковые элементы конструкции, которые пока не получается утилизировать иначе без значительного вреда природе. Это один из важных доводов со стороны противников ветроэнергетики в дискуссионном споре о чистоте и экологичности энергии ветра. По прогнозам, через 30 лет в мире ежегодно потребуется так или иначе избавляться от 2 млн т отходов, образующихся из лопастей ветряных турбин.
Казалось бы, от ветряков не поднимаются в атмосферу столбы дыма, а при их установке на значительном расстоянии от городов шум ВЭС не имеет никакого значения. Но скептично настроенные к ветрякам специалисты утверждают, что полученные от энергии ветра сотни гигаватт не так безвредны, как кажутся. Значительные выбросы идут от производств, выпускающих материалы и итоговые элементы конструкций. Основа ветряка ― фундамент и башня. Это бетон и сталь, при производстве которых в атмосферу выбрасываются тонны парниковых газов. Вдобавок — транспортировка ветряков к месту установки и уже упомянутые проблемы с утилизацией. И посчитать углеродный след, оставленный созданием ветрового генератора, совсем непросто: производства рассредоточены в разных странах, а выплавленная сталь используется не только для выпуска ветряных башен. Это лишь поверхностные факторы, которые усложняют процесс оценки углеродного следа, суммарно оставленного ветроэнергетикой.
Несмотря на существующие споры, энергия ветра признана «зеленой» и развивается в контексте климатической повестки. С 2010 по 2021 г. мировая мощность установленных на Земле ветроэнергетических установок увеличилась с 178 ГВт до 769 ГВт. По прогнозам, к 2040 г. ветроэнергетика может обеспечивать треть всей электроэнергии в мире.
Фото на главной странице: shaiith / Фотобанк 123RF