Синергетический эффект ветроэнергетики

О. М. Мамедов, канд. техн. наук, научный редактор реферативного журнала «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», ВИНИТИ РАН

Для ветроэнергетических установок важен географический фактор: так, плотность, скорость и направления воздушного потока над поверхностью моря и суши отличаются в сторону повышения качественных показателей для водной среды.

Материковая или морская ветроэнергетика?

Использование суши для размещения ветрогенераторов приводит к изыманию земель из оборота, на которых необходимо проложить дороги, обеспечивающие сооружение и эксплуатацию ветрогенераторов. Этими факторами и предопределяется выбор островных государств – Великобритании, Японии, Тайваня в преимущественном развитии морской (offshore - оффшорной) ветроэнергетики.

Но экономя землю, освоение морской акватории требует больших вложений по сравнению с материковой ветроэнергетикой, для компенсации которой морская ветроэнергетика требует ветрогенераторы большой мощности, вдвое больше по сравнению с материковыми установками.

Для материковых ветрогенераторов ведущие производители установок – Сименс, Дженерал Электрик (GE), Гамеса, Вестас, Мицубиси разработали прототип установки мощностью 4 МВт.

Для морской  ветроэнерегетики освоен выпуск ветрогенераторов мощностью 6-8 МВт. Проектные разработки установок для морской ветроэнергетики продолжаются. Так фирма GE спроектировала горизонтально-осевой ветрогенератор Haliade мощностью 9,5 МВт, у которой длина лопасти свыше 80 м, верхняя точка над уровнем моря 200 м, вес гондолы несколько сотен тонн, которая опирается на опору, надводная часть которой свыше 100 м. Подводная часть опоры составляет фундамент в виде триполя, трубы которой вбиваются в дно моря на глубину 40 м. Данная конструкция опор мощных оффшорных ветрогенераторов предусматривается для случаев их размещения на мелководных глубинах. Для глубоководной части предусматриваются плавучие платформы с якорной стабилизацией, подобно морским платформам в газо-и нефтедобыче.

Исходя из решений Парижского саммита¹, роль возобновляемой энергетики возрастает и значение морской ветроэнергетики возрастает как звена, не нуждающегося в своем развитии потребности в воде для производства энергии и не участвующего в отъеме земель.

Среди стран, которые выбрасывают наибольшее количество вредных выбросов в атмосферу – Китай, Индия, США. Если в Индии отдается предпочтение гелиоэнергетике в виду необходимости обеспечения энергией многочисленного сельского населения, то в Китае и в США уделяется достаточно большое внимание ветроэнергетике.

Американский проект SUMR

В США в настоящее время установлено свыше 50 тыс. ветрогенераторов, установленная мощность которых составляет 8 %  от установленной мощности генераторов в стране. По оценке экспертов к 2030 году доля ветроэнергетики в США составит 20 % от суммарной мощности. Одним из путей достижения поставленной цели является дальнейшее наращивание единичной мощности ветрогенераторов.

В ноябре 2015 года группа исследователей из университета штата Вирджиния получила гранд министерства энергетики США на проведение работ по проектированию оффшорного ветрогенератора мощностью 50 МВт со сверхлегким ротором сигментарной конструкции (Segmented Ultralight Morphing Rotor ) – проект SUMR. Особенностью конструкции данной установки является размещение сверхлегких лопастей с подветренной части, именуемая “листья пальмы“, где за основу взято природное явление, когда листья пальмы при штормовом ветре складываются по направлению ветра, обеспечивая свою сохранность.

Существующие конструкции оффшорных ветрогенераторов определяют положение ротора установки лицом к направлению ветра жестких лопастей – наветренная конструкция. Предлагаемая конструкция ротора оффшорного ветрогенератора мощностью 50 МВт позволяет складывать лопасти вдоль линии нагрузок ветра, уменьшая массу ветрового потока на лопасти и опасность возникновения аварии.

Установки подобной конструкции могут найти применение на акватории Китая и Атлантического побережья США и Мексиканского залива, где скорости ветра достигают до 200 км/ч. При этом следует отметить, что зона Мексиканского залива является крупной шельфовой зоной нефтегазодобычи, которая требует значительные мощности по обеспечению данного процесса. При наличии в зоне морских платформ нефтегазодобычи оффшорных ветроэнергетических установок решается задача энергоснабжения платформ на новой технологической основе.

Создание сверхлегкой сегментированной лопасти

В проекте SUMR основной научно-технической задачей является проектирование и создание сверхлегкой сегментированной лопасти. Лопасти современных мощных ветрогенераторов дороги в изготовлении, транспортировке и эксплуатиции. Первоочередной задачей проектируемой оффшорной установки мощностью 50 МВт является снижение веса лопасти, длина которой составляет 200 м. Это связано с тем, что нагрузка от веса лопасти передается на башню установки, что является основным ограничивающим фактором для оффшорных ветрогенераторов.

Исходя из поставленной задачи снижения веса лопасти, рассматриваются материалы изготовления лопасти. Основным материалом для существующих лопастей является стекловолокно, потребность в котором растет с ростом длины лопасти – соответственно вес и затраты.

В рамках министерства энергетики США проводятся работы по снижению затрат в производство карбоновых волокон, которые могут быть использованы взамен стекловолокна, при проектировании и изготовлении лопасти для оффшорной установки 50 МВт. Лопасти современных мощных наветренных ветрогенераторов 5, 6, 8, 10 МВт являют собой сегментированную конструкцию со встроенной системой питч-контроля каждого сегмента с целью максимального использования энергии набегающего потока ветра, системой антиобледенения для лопастей, работающих в условиях низких температур. Лопасть оффшорной установки 50 МВт может состоять из 5-7 сегментов, что позволяет их транспортировать к месту сооружения и монтажа. Сегментная конструкция позволяет лопастям свободно складываться под воздействием сильного ветра.

Тестовые испытания

Согласно плану проведения работ летом 2018 года планируется протестировать конструкцию лопасти на физической модели в виде прототипа подветренного ветрогенератора мощностью 13,2 МВт с длиной лопасти 105 м в национальном центре ветроэнергетики в Колорадо. Результаты тестирования будут использованы в проекте инновационной установки 50 МВт, который планируется завершить весной 2019 года. Для выполнения инновационного проекта создана группа исследователей, состоящая из сотрудников университета штата Вирджиния, Иллинойс, Колорадо, а также специалистов национального центра по возобновляемой энергетике (NREL), национальной лаборатории Sandia и Колорадской школы горного дела. Исследователи регулярно общаются с ведущими в мире производителями ветрогенераторов- GE, Siemens, Vestas и другие. Целью разработки инновационного проекта 50 МВт является уменьшение нормированной величины затрат в производство энергии (LCOE) оффшорной генерации на 50 % к 2025 году.

Снижение выбросов вредных веществ

Оффшорная ветроэнергетика обеспечивает энергией прибрежные зоны государств размещения ветрогенераторов. Примером тому может служить то, что оффшорные установки в морской акватории у побережья Шотландии полностью снабжают энергией потребителей указанного региона Великобритании.  Вместе с тем оффшорные ветрогенераторы решают задачу уменьшения выбросов вредных веществ в атмосферу, замещая основной привод на силовых установках электроэнергией. Примером тому может служить опыт замены газотурбинных установок на газодобывающей платформе TROLL фирмы STATOIL в Северном море.

Платформа TROLL, расположенная на удалении 70 км от побережья Норвегии, обеспечивает до 40 % потребности газа в стране. Газ подается на береговой газоперерабатывающий завод по трубопроводу за счет внутреннего давления газового месторождения. По мере эксплуатации давление в пласте падает, и для его поддержания необходимы компрессоры. Приводом для компрессоров служат газотурбинные установки, которые потребляют часть добываемого газа. Результатом обычного проекта с использованием газовых турбин стали бы ежегодные выбросы 230 тыс. тонн СО2  и 230 тонн NOX.

Газовая турбина имеет к.п.д. порядка до 30 %, что меньше чем у ПГУ, кпд которой достигает 75 %. Это влияет на объемы вредных выбросов в атмосферу, за которые, согласно законодательству страны, газодобытчик должен платить. Поэтому фирма STATOIL приняла решение обеспечить электроэнергией платформу от электростанции, расположенной на берегу, по подводному кабелю постоянного тока питать компрессоры для поддержки давления газа в месторождении [1]. Для исполнения решения фирма заключила контракт с фирмой АВВ стоимостью 270 млн долл. США на использование технологии HVDC “Light”, разработанную фирмой АВВ, где выработанная электроэнергия переменного тока, конверторами преобразуется в постоянный ток, который подводным кабелем подается на платформу, где инвертором преобразуется в переменный ток, подаваемый для питания компрессоров.

Преобразователь системы HVDC основан на двойном мосте с заземленной средней точкой. Он характеризуется очень низким уровнем наводимых токов как в установившимся режиме, так и при динамической нагрузке. Это явилось одной из основных причин выбора технологии HVDC для системы питания. Для этой технологии не требуется никакой катодной защиты какого бы то ни было вида. Пара подводных кабелей с экструдированной полимерной водонепроницаемой изоляцией являются биполярной, один из кабелей имеет положительную другой отрицательную полярность. Кабели уложены в траншею с целью обеспечения безопасности их эксплуатации. Подобная схема электроснабжения была использована фирмой ВР для платформы VALHALL в Северном море.

Эффективность рассмотренных систем энергоснабжения платформ определяется:

• снижением объемов вредных выбросов в атмосферу,
• затратами в систему внешнего энергоснабжения,
• отсутствием собственной системы генерации энергии.

Вместе с тем, при выработке энергии внешним источником могут иметь место вредные выбросы, объемы которых будут определяться к.п.д. генерирующего оборудования. При условии выработки энергии береговой ПГУ, к.п.д. которой до 75 %, выброс вредных веществ составит треть от выбросов собственной системы генерации энергии на платформе, мощность которой составляет 40 МВт, т.е. до 80 тыс. тонн СО₂  и 80 тонн NОх. Это означает, что при переводе на внешний источник энергоснабжения могут быть вредные выбросы в объемах заметно меньших, чем для исходной системы энергоснабжения, но они имеют место быть.

Экономическая эффективность системы внешнего энергоснабжения рассмотрена в [2], где показано, что технология передачи линией высокого напряжения постоянным током (HVDC) впервые вступила в строй в 1997 году на острове Готланд в Швеции, соединив ветрогенераторы на юге острова с энергосистемой на севере. С того времени было установлено восемь таких наземных систем общей мощностью 1200 МВт и протяженностью 500 км. В морском исполнении она была исполнена в 2008 году.

При выборе источника питания для платформы оператору месторождения необходимо учитывать целый ряд условий: создается ли объект заново, модернизуется или расширяется, особенности использования энергии в агрессивной среде, затраты на монтаж оборудования и его эксплуатацию, местные законы и нормативы.

С позиций комплексной  оценки перевод на энергоснабжение от внешнего источника способствует снижению вредных выбросов в атмосферу, но не исключает таковых.

Энергоснабжение платформы от оффшорного ветрогенератора

В [3] рассматривается технология, которая позволяет полностью исключить вредные выбросы при энергоснабжении платформы на базе возобновляемых источников энергии – ветровой, солнечной, волновой рассматриваемая задача весьма актуальная. Особенностью рассматриваемого подхода к энергоснабжению объекта является наличие множества разнородных устройств, что усложняет их обслуживание  и требования по безопасности эксплуатации. Так, при наличии ветрогенераторов по периметру платформы создается проблема безопасности причаливания судов обслуживания. Наличие преобразователя волновой энергии, конвективного ветрогелиевого опреснителя, ветротеплогенератора усложняет процесс энергоснабжения платформы.

Представляется, что рациональным будет энергоснабжение от одного источника – оффшорной ветроэнергетической установки, которая снабжает электроэнергией объект, обеспечивая как технологическую потребность в энергии, так и бытовую для вахтенного персонала.

Энергоснабжение платформы от оффшорного ветрогенератора взамен подачи энергии подводным кабелем с берега имеет преимущество в части значительного сокращения расстояния при взаимной близости объектов, а также полного отсутствия вредных выбросов при производстве энергии оффшорным ветрогенератором.

При подаче энергии на платформу с берега от внешнего источника, а это, в первую очередь, энергоустановки на газе, происходит выброс СО₂ при сжигании газа. Равное имеет место и при наличии собственной газотурбинной системы энергоснабжения. Как отмечалось выше, платформа TROLL с собственной газотурбинной системой энергоснабжения мощностью 40 МВт ежегодного выбрасывала 230 тыс. тонн СО₂. Если взять за основу приведенные данные, то 1 МВт выбрасывает до 6 тыс. тонн СО₂ в год. При полном сжигании 1 м³ газа образуется до 2 кг СО₂.

Это получается из пропорции СН₄ – СО₂ = 16–44, как  1 м³  СН₄ – СО₂ = 0,72 – Х, где 16 - 44 молевые веса СН₄ и СО₂, 0,72 кг. вес 1м³ газа, Х – искомая величина. Значение Х определяется из уравнения пропорции 16 х Х = 0,72 х 44, где Х = 1,98 кг. углекислого газа.

Отсюда видно что выбросу 230 тыс. тонн СО₂  в год платформой TROLL соответствует сжигание газа в количестве 115 млн м³. Это означает, что перевод платформы на энергоснабжение от оффшорного ветрогенератора обеспечивает дополнительный объем поставки газа на рынок, прибыль от которого составит при существующей цене на мировой бирже порядка 3 долл. США за 1м³, до 345 млн долл. США, что превышает стоимость контракта на подачу энергии с берега. Учитывая, что налог на выброс вредных веществ в Норвегии составляет 56 долл. США за тонну, то при отсутствии выброса в 230 тыс. тонн при переводе на внешнее энергоснабжение платформы образуется дополнительная прибыль в 13 млн долл. США. Из приведенных данных виден очевидный эффект перевода энергоснабжения платформ на внешний источник энергии.

Если принять в качестве константы тот факт, что при сжигании 1 м³ газа образуется 2 кг СО₂, а на 1МВт мощности приходится выброс 5-6 тыс. тонн, что соответствует дополнительному ресурсу газа в 2,5 – 3 млн м³, который обеспечивает дополнительную прибыль в 7 – 8,5 млн долл. США по существующему биржевому курсу, или 7 – 8,5 тыс. долл. США за кВт установленной мощности. Этот показатель являет собой предельные удельные капвложения в установки поставки энергии от внешнего источника. Показатель 7 тыс. долл. США за кВт в 1,5 раза превышает значение удельных капвложений в оффшорные ветропарки на уровне 5 тыс. долл. США за кВт. Учитывая, что проекты, которые внедряют ведущие мировые производители ветрогенераторов направлены на снижение затрат, то эффект энергоснабжения от внешнего источника питания будет расти.

Синергия от энергоснабжения оффшорными ветропарками

При обеспечении энергией платформы от внешнего источника надо понимать, что платформа это уникальный объект, который отличается от себе подобного условиями эксплуатации, что связано с местом ее размещения, глубиной разрабатываемого пласта, его физико-геологических параметров и др. Дополнительный эффект (синергия) от энергоснабжения оффшорными ветропарками образуется за счет:

• отсутствия платежей за выброс вредных веществ,
• отсутствия использования воды для технологических целей,
• обеспечения устойчивой выработки энергии оффшорными ветрогенераторами за счет стабильного мощного ветрового потока над водной поверхностью, что способствует повышению значения коэффициента использования установленной мощности - Киум.

Оффшорная ветроэнергетика по природе своей характеризуется не стабильностью, что требует наличия резерва в энергосистеме, либо наличия накопителей энергии в системе потребления. Последнее меняет характер энергопотребления, делая его более равномерным. Следствием этого является снижение износа оборудования и расхода топлива, соответственно снижение затрат в эксплуатацию. Массовое внедрение накопителей в звене потребления способствует развитию технологии аккумулирования энергии и как следствие увеличению масштаба развития возобновляемой энергетики.

Опыт эксплуатации оффшорной ветроэнергетики выявил косвенный эффект – это увеличение морской популяции за счет фундаментов морских ветрогенераторов, которые являют собой некое подобие рифа, на котором развивается подводная флора. И совершенно экзотическим можно рассматривать тот факт, что морские ветропарки с сигнальными огнями для безопасности судовождения стали объектами туристических программ. Рассмотренная совокупность прямых и косвенных эффектов образует синергетический эффект использования ветроэнергетики.

Литература

1. Том Ф. Нести и др. Снабжение электроэнергией газодобывающей платформы TROLL по новой технологии.//АВВ Ревю № 2. – 2003
2. Chokhawala R. DC transmission to offshore installations. The Journal of  Offshore Technology, 12. - 2004
3. Шишкин Н. Д. и др. Использование возобновляемых источников энергии для энергоснабжения морских нефтедобывающих платформ // Вестник Астраханского гос.технич. ун-та. Серия: Морская техника и технология, 2009.

¹ Декабрь 2015 года. На данном саммите представители стран-участников ООН подписали соглашение о предотвращении повышения температуры на Земле не свыше 2 0С.