ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА – ПЕРСПЕКТИВНЫЙ ИСТОЧНИК ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

1.1 Развитие ветроэнергетики за рубежом

За рубежом нетрадиционная энергетика начала всерьез развиваться после нефтяного кризиса середины 1970-х годов. По данным Международного энергетического агентства, ветряные электростанции всего мира в 2007 году произвели около 200 млрд. кВт·ч, что составляет примерно 1,3% мирового потребления электроэнергии. В Европе сконцентрировано более 61% установленных ветряных электростанций, в Северной Америке — 20%, в Азии — 17%. В 2007 году общая мощность всех установленных в мире ВЭС достигла 93,849 МВт, в том числе в Дании — 3400 МВт (20% электроэнергии), в Германии — 14,500 МВт (14,3%), и увеличивается на 500-800 МВт ежегодно. Эти страны занимают лидирующее положение в ветроэнергетической отрасли. Во всем мире в индустрии ветроэнергетики заняты 350 тысяч человек. В США в 2007 г. из энергии ветра было выработано 48 млрд. кВт·ч электроэнергии, что составляет более 1% от произведенной в целом. Португалия и Испания из энергии ветра выработали около 20% электроэнергии. 22 марта 2008 г. в Испании из энергии ветра было выработано 40,8% всей электроэнергии страны [2].

Запасы энергии ветра более чем в 100 раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты. Большинство государств в среднесрочной и долгосрочной перспективе планирует значительно увеличить выработку энергии от использования ВЭУ. Так, правительство Канады предполагает к 2015 году производить порядка 10% электроэнергии из энергии ветра, а Германия и Новая Зеландия к 2020 году произведут по 20% электроэнергии. Через 2 года в Великобритании ветроэнергетический потенциал увеличится до 10%. К 2010 г. в Европейском Союзе установили ветроустановки, мощностью около 40 тыс. МВт. Установленные мощности Китая к этому времени увеличились до 5 тыс. МВт, а к 2020 году планируется до 30 тыс. МВт. Индия к 2012 году увеличила свои ветряные мощности в 4 раза в сравнении с 2005 годом и построит 12 тыс. МВт новых ветряных электростанций.

На Европу приходится около 70% мировых ветровых мощностей, наибольшая часть которых расположена в Германии, Испании и Дании. В странах Европы в зависимости от ветровых потоков ветроэнергетические мощности имеют следующее базирование:

— внутриконтинентальное (ВЭС и единичные ВЭУ размещаются внутри континента);

— прибрежное (ВЭС размещаются вблизи или вдоль морского берега);

— морское (ВЭС размещаются в открытом море неподалеку от побережья).

Поскольку характеристики ветра внутри континента отличаются от характеристик ветра прибрежных зон и вблизи побережья, характеристики соответствующих ВЭУ (начальная скорость вращения, скорость достижения номинальной мощности и др.) также разнятся. Так, хорошо зарекомендовавшие себя в эксплуатации ВЭУ внутриконтинентального базирования ряда немецких фирм начинают работу со скоростей ветра 3,0-4,0 м/с и достигают номинальной мощности при скоростях 10-13 м/с [1].

1.2 Перспективы развития ветроэнергетики в Беларуси

Освоение ветроэнергетики в Беларуси необходимо вести, ориентируясь на ВЭУ зарубежного производства внутриконтинентального базирования. Карта зонального распределения среднегодовых фоновых скоростей ветра в Беларуси приведена в таблице 1.1.

Таблица 1.1 – Ветроэнергетические ресурсы территории Беларуси

Примечание:

- полный ветроэнергетический ресурс (ПВЭР) основан на расчетах с приведением зональных показателей фоновых скоростей ветра и к осредненному с высотой опоры ВЭУ коэффициенту повышения ≈1,25, включая длительность работы ВЭУ в номинальном режиме ≈3000 или ≈2200 часов в зависимости внутризонального распределения скоростей ветра и обоснованности выбора типа ВЭУ;

- технический ветроэнергетический ресурс (ТВЭР) основан на особенностях рельефа территории регионов с учетом коэффициентов работы ВЭУ – электромеханического (0,94) и простоя ТО и ТР (0,93);

- Ээономический ветроэнергоресурс (ЭВЭР) определяется при планировании развития ветроэнергетики Беларуси.

Сведения о ветроэнергетических ресурсах Беларуси изложены в отчетах по научно-исследовательским работам и в публикациях, использованных при формировании Ветроэнергетического кадастра, который включает:

— информационный банк данных о ветроэнергетических характеристиках на территории Беларуси;

— информационную базу данных с программным обеспечением для расчетов ветроэнергоресурсов на территориях и оценки ветроэнергетического потенциала конкретной ВЭУ в конкретном месте ее внедрения;

— ветроэнергетический атлас, содержащий набор карт размещения ветротехники континентального базирования на отдельных территориях Беларуси и паспорта точек (площадок) преимущественного внедрения ветротехники;

— временные руководящие документы по применению, созданию, сертификации, строительству и эксплуатации ветротехники;

— временное руководство по оценке ветровых режимов по требованиям ветроэнергетики на период 2005-2020 гг.

Гарантированная выработка утилизируемой энергии ветра с 7% территории Беларуси составит 14,65 млрд. кВт·ч. Использование же зон с повышенной активностью ветра гарантирует выработку энергии ВЭУ до 6,5-7,5 млрд. кВт·ч с окупаемостью затрат в течение 5-7 лет. Абстрактные сведения о территориальном распределении ветроэнергоресурсов, способствующие планированию развития ветроэнергетики в Беларуси, дополнены разработкой комплекта карт и паспортизацией возвышений [1].

Таблица 1.2 – Характристика ветроэнергоресурса по регионыльным признакам (на холмах или грядах холмов в приземном слое толщиной 100 м)

Показатели	Регионы и их высота , м	Всего
100-150	150-200	200-250	250-300	>300
Региональный класс площадок	Ι	ΙΙ	ΙΙΙ	ΙV	V
Площадь регионов, км2
Фоновая среднегодовая скорость ветра, м/с	3,8	4,2	4,5	4,9	5,3
Среднегодовая скорость ветра на площадках, м/с, на высоте: 10 м 70 м	4,5 6,5	4,9 6,8	5,4 7,3	5,8 7,9	6,2 8,2
Расчетная скорость ветра (для ВЭУ - номинальная) , м/с	10,4	10,9	11,7	12,6	13,1
Удельная мощность ветрового потока на высоте 10 м, Вт/м2
Суммарная мощность ВЭУ на 1 км2 площадок, тыс.кВт	2,1	2,4	2,9	3,6	4,2
Время работы ВЭУ в течение года на номинальной мощности, ч
Годовая выработка с 1 км2 площадки, тыс.кВт·ч	6,3	7,2	8,7	10,8	12,6
Суммарная площадь площадок под ВЭУ, км2
Суммарная мощность ВЭУ на площадках, тыс.кВт
Годовая выработка ВЭУ на всех площадках , региона (ТВЭР), млрд.кВт·ч	115,6	143,2	24,2	4,9	0,5	288,4
Установленная мощность N и годовая выработка W одной ВЭУ с ветроколесом D=40 м: N, тыс.кВт W, млн. кВт·ч	0,33 0,9	0,38 1,1	0,47 1,4	0,59 1,8	0,66 2,0
Расчетное число ВЭУ D=40 м, N=500 кВт на всех площадках (9 ВЭУ на площади 1 км2), шт.

Примечание: распределение (классификация) характеристик ветроэнергоресурсов проведена по региональным признакам, оцениваемым рельефом местности.

Эти карты, являясь основной частью Ветроэнергетического атласа Беларуси, в достаточной мере обосновывают по региональным признакам возможности практической реализации возведения ВЭУ и ВЭС на территориях страны в целом и каждой области.

Для первоначального этапа развития ветроэнергетики Беларуси определены около 1500 площадок для строительства как одиночных ВЭУ, так и ВЭС с потенциалом более 200 млрд. кВт·ч. Выявленные на территории Беларуси площадки под ветроэнергетику — это, в основном, гряды холмов высотой от 20 до 80 м с фоновой скоростью ветра 5 м/с и более, на которых можно возвести от 5 до 20 ВЭУ. Каждому внедрению должно предшествовать детальное обследование места строительства ВЭУ. Невыполнение условий по результатам обследований приведет к значительным ошибкам в оценке выработки энергии. При выборе конкретных образцов ВЭУ необходимо дополнительно учитывать ряд факторов, связанных с величиной фактического ветроэнергетического ресурса в месте непосредственного размещения ВЭУ. К таким факторам относятся: абсолютная высота местности, высота возвышения площадок и их открытость, отдаленность предполагаемого места размещения ВЭУ от потребителя и, особенно, от линий электропередачи, в т.ч. от трансформаторных подстанций и т.п. Выборочные обследования зон опытной эксплуатации ветротехнического оборудования на территории Беларуси показали, что при оптимальном выборе строительной площадки для возведения ВЭУ (на возвышениях и открытой местности, на берегах водных массивов и т.п.) окупаемость ВЭУ при среднегодовой скорости ветра 6-8 м/с укладывается в срок около 5 лет. Наиболее эффективно обеспечивается использование современной зарубежной ветротехники на территориях зон со среднегодовыми фоновыми скоростями не ниже 4,5 м/с на холмистом рельефе. К таким регионам относятся: возвышенные районы большей части севера и северо-запада Беларуси, центральная зона Минской области, включая прилегающие с запада районы, Витебская возвышенность. Местами на обследуемых территориях возможно обнаружение не выявленной ранее энергоэффективной холмистости, а также других энергоэффективных площадок для строительства не только мощных ВЭУ, но и ВЭС (например, в продуваемых долинах большой протяженности, вблизи крупных водных массивов, на высоких откосах и т.п.).

Исходя из ветроэнергетического потенциала, только в Минской области насчитывается 1076 строительных площадок под размещение на каждой от 3 до 10 ВЭУ континентального базирования мощностью до 1000 кВт. Среднегодовая выработка только 10% этих ВЭУ в статистическом распределении времени работы в номинальном режиме от 2500 до 3300 часов в год на срок эксплуатации установок составляет около 2676 млн. кВт·ч. Соответственно среднегодовая экономия жидкого топлива составит более 800 тыс. тонн. Сроки окупаемости капитальных вложений в ветротехнику сопоставимы со сроками окупаемости малых гидроэлектростанций, парогазовых и газо-мазутных электростанций и значительно ниже данных сроков для угольных, атомных и дизельных электростанций. По завершении срока окупаемости затраты на эксплуатацию ВЭУ неизмеримо ниже аналогичных затрат для электростанций, работающих на жидком, газообразном, твердом и ядерном топливе, т.к. не нуждаются в поставках ископаемых источников энергии. Следует учитывать, что ветроэнергетическая отрасль за счет каждой ВЭУ начинает вырабатывать энергию немедленно после монтажа и при этом не требует гигантских единовременных капитальных вложений, также как и концентрированных вложений при заменах по завершении сроков эксплуатации каждой отдельной ВЭУ.

Себестоимость электричества, производимого ветрогенераторами, зависит от скорости ветра. При удвоении установленных мощностей ветрогенерации себестоимость производимого электричества падает на 15%. Ожидается, что себестоимость снизится еще на 35-40%. К примеру, в марте 2006 г. стоимость ветряной электроэнергии в двух районах США стала ниже стоимости традиционной энергии. Осенью 2005 года из-за роста цен на природный газ и уголь стоимость ветряного электричества стала ниже стоимости электроэнергии, произведенной из традиционных источников. Компании Austin Energy из Техаса и Xcel Energy из Колорадо первыми начали продавать электроэнергию, производимую из ветра, дешевле, чем электроэнергию, производимую из традиционных источников.

Беларусь не располагает собственными топливно-энергетическими ресурсами (ТЭР). Лишь 15% собственных ТЭР покрывают потребности страны, остальные 85% импортируются — в основном из России. В последние годы наблюдается постоянный рост цен на топливо и импортируемую электроэнергию. Этот рост будет иметь место и далее до достижения мировых цен. В связи с этим для Беларуси чрезвычайно важно включать в топливно-энергетический баланс вторичные энергоресурсы и возобновляемые источники энергии, а именно ветер.

Ветроэнергетика, как и любая отрасль хозяйствования, должна обладать тремя обязательными компонентами, обеспечивающими ее функционирование:

1. Ветроэнергетическими ресурсами;

2. Ветроэнергетическим оборудованием;

3. Развитой ветротехнической инфраструктурой.

1. Для ветроэнергетики Беларуси энергетический ресурс ветра практически неограничен. В стране имеется развитая централизованная электросеть и большое количество свободных площадей, не занятых субъектами хозяйственной деятельности. Поэтому размещение ветроэнергетических установок (ВЭУ) и ветроэлектрических станций (ВЭС) обусловливается только грамотным размещением ветроэнергетической техники на пригодных для этого площадях.

2. Возможности приобретения зарубежной ветротехники весьма ограничены вследствие отсутствия достаточного выбора именно того оборудования для ВЭУ и ВЭС, которое соответствует климатическим условиям Беларуси, а также мощного противодействия ответственных административных работников от официальной энергетики.

3. Отсутствие инфраструктуры по проектированию, внедрению и эксплуатации ветротехники и, соответственно, практического опыта и квалифицированных кадров можно преодолеть только в ходе активного сотрудничества с представителями развитой ветроэнергетической инфраструктуры зарубежья.

В ближайшее время развитие использования энергии ветра получит новый импульс. К 2014 году Минэнерго планирует ввести в эксплуатацию ветроэнергетические установки суммарной мощностью не менее 15-20 МВт.

РУП "Гродноэнерго" завершило строительство в н.п. Грабники первой в Белорусской энергосистеме мощной (1500 кВт) ветроэнергетической установки. Башня ветроустановки видна издалека - она возвышается в двух с половиной километрах от Новогрудка и в 200 м от автодороги Новогрудок -Березовка - Лида на топографической отметке 325 м над уровнем моря.

Ожидается, что объект будет отрабатывать ежегодно минимум 5 тыс. часов при среднегодовой скорости ветра 7-8 м/с. А это очень неплохо для установки подобной мощности.

Рисунок 1.1 – Ветроустановка в н.п. Грабники

Рисунок 1.2 – Монтаж ветроустановок

Рисунок 1.3 - Монтаж ветроустановок

На территории нашей страны, как уже упоминалось, определено около 1500 потенциальных площадок (наибольшее количество находится в Минской, Витебской и Гродненской областях) для размещения ВЭУ с теоретически возможным энергетическим потенциалом 2,4 тыс. МВт. Для сравнения: такая же мощность у Лукомльской ГРЭС, которая вырабатывает в год порядка 3,3 млрд. кВт·ч электроэнергии. В то же время, сейчас технически возможное и экономически целесообразное использование потенциала ветра не превысит 5% от установленной мощности электростанций энергосистемы, то есть может составить не более 300-350 МВт, или 720-840 млн. кВт·ч. По оценке белорусских ученых, существующие способы преобразования энергии ветра в электрическую с помощью традиционных лопастных ветроэнергетических установок (ВЭУ) в наших условиях пока экономически неоправданны. Во-первых, из-за высокой пусковой скорости ветра (4-5 м/сек), высокой номинальной скорости (8-15 м/сек) и небольшой годовой производительности в условиях слабых континентальных ветров, характерных для Беларуси — 3-5 м/сек; во-вторых, стоимость ВЭУ составляет $1000-$1500 на кВт установленной мощности.

Однако проведенный за несколько лет комплекс работ позволяет делать более оптимистичный прогноз в части использования энергии ветра для производства электроэнергии. Для этих целей рекомендуются новые ВЭУ, основанные на эффекте Магнуса, когда в качестве аэродинамических элементов используются не лопастные, а вращающиеся усеченные конусы специальной формы (роторы), подъемная сила в которых многократно (в 6-8 раз) превосходит подъемную силу в лопастях. По утверждениям авторов, главное их преимущество состоит в том, что они могут эффективно работать при скоростях ветра, характерных для условий Беларуси.

По этому же пути — развивать ветроэнергетику — идет и наша восточная страна-соседка. Так, технический потенциал ветровой энергии в России оценивается в свыше 50 тыс. млрд. кВт·ч в год. Экономический потенциал составляет примерно 260 млрд. кВт·ч, то есть около 30% производства электроэнергии всеми электростанциями РФ. К слову, установленная мощность ветровых электростанций в России составляет около 15 МВт (на 2009 год). Одна из самых больших ветроэлектростанций России (5,1 МВт) расположена в районе поселка Куликово Зеленоградского района Калининградской области.

Рисунок 1.4 - Куликовская ветроэлектростанция

Ее среднегодовая выработка составляет около 6 млн. кВт·ч. На Чукотке действует Анадырская ВЭС мощностью 2,5 МВт (10 ветроагрегатов по 250 кВт) среднегодовой выработкой более 3 млн. кВт·ч.

Рисунок 1.5 – Куликовская ветроэлектростанция

Рисунок 1.6 – Чукотская ветроэлектростанция