Ветряки растут в сторону проектов сталинских времен: хорошо это или плохо?

Сегодня ветровая энергетика – безусловно, признанный игрок мирового масштаба. Она дает около 7% всего вырабатываемого на планете электричества, и темп роста мощностей ветряков вновь превысил 10% в год. Вполне вероятно, что к 2030-му доля ВЭС в мировой генерации составит одну седьмую – даже несмотря на протесты европейских бюргеров, практически заморозившие рост эоловой энергетики на, например, землях Германии.

Это быстрое развитие серьезно расходится с теми представлениями о ветряках, что все еще встречаются в России: мол, их энергия дорогая, а земли для ветряков в той же Европе почти не осталось. На деле мы находимся все еще в начале роста этого сектора, и вряд ли место для него закончится в обозримом будущем.. Попробуем разобраться почему.

Выше, быстрее, мощнее

Ключевое направление развития современных ветряков – их рост ввысь. Средний ветряк 1999 года был всего 40 метров в высоту при размахе лопастей в 24 метра. Средний ветряк постройки 2016-го достигал высоты 128 метров при размахе лопастей в 109 метров. Рост размаха лопастей в 4,5 раза привел к увеличению ометаемой ими площади в 20 раз, а мощность при этом подскочила в 57 раз. Но следует понимать, что средние цифры скрывают от нас результаты самых прогрессивных конструкций.

Cегодня одним из таких ветряков признан Haliade-X от General Energy. Размах его лопастей – 220 метров, общая высота – 260 метров, то есть от нижнего края нижней лопасти до земли остается 40 метров. Мощность достигает 13 мегаватт, а коэффициент использования – 60-64% (в условиях Северного моря). Следовательно, годовая выработка равна такой, которую ветряк может дать при работе на полную мощность 60-64% от всего времени. Для обычных офшорных ветряков выдающийся результат — 45%; Haliade-X превосходит их за счет много больших высоты и размаха, стабилизирующих выработку. Ветер на большой высоте более устойчивый, что и обеспечивает столь значительную разницу.

Может показаться, что вся эта гигантомания не нужна и даже вредна. Лопасти длиннее 100 метров исключительно тяжело перевозить. Строительство башни высотой с пирамиду Хеопса – тоже не самое легкое дело. Почему бы не создать больше ветряков куда меньшей мощности?

От главшишки – к мегаветрякам

На этот вопрос ответили почти век назад еще в СССР. Тогда наша страна оказалась в уникальной ситуации: множество специалистов из промышленности и энергетики покинули ее. Подготовить новые кадры оказалось чрезвычайно сложно: школы и вузы пали жертвой непрерывного реформирования, в процессе которого упразднили (до сталинских тридцатых) систему уроков и другие «устаревшие» концепции. Вдобавок Советский Союз был в серьезной блокаде: наиболее продвинутые технологии того времени, в том числе энергетические турбины, не получалось импортировать.

Ситуация была крайне тяжелой: без инженеров добыча угля резко упала, и восстановить ее на дореволюционный уровень не удавалось до 1928 года. Власти стали искать альтернативы такой сложной технологии, как добыча угля. Владимир Ленин считал ею торф и одно время даже шишки, которыми предполагали топить паровозы («Главшишка»). Как легко догадаться из общефизических соображений, торф и шишки закрыть вопрос не могли – поэтому поиски альтернатив продолжались.

Центральный аэрогидродинамический институт (ЦАГИ) к 1931 году создал и развернул в Крыму первый на планете ветряк мощностью 100 киловатт. Судя по картинке выше, эта установка была крупнее типичного ветряка 1999 года. При этом она имела вполне современную компоновку: три лопасти с горизонтальной осью вращения, автоматически ориентировавшиеся по ветру. Центр ее ротора закрыли аэродинамически эффективным обтекателем (на тот момент – редкое явление), что снижало турбулентность рядом с лопастями, заметно сокращавшую отдачу ветряков того времени.

На Западе лидерами ветровой энергетики тогда были Германия и Дания, но крупнейшие местные ветряки имели лишь 50-70 киловатт при размахе лопастей до 24 метров – и эффективных обтекателей на центральной части ротора у них не было.

Однако ветряк ЦАГИ должен был стать только началом. Известный пионер космонавтики Юрий Кондратюк создал проект куда большего масштаба. На плато Бедене-Кыр (Перепелиная гора, 1300 метров) в Крыму предполагали построить 165-метровую монолитную железобетонную башню. На ней смонтировали два набора лопастей диаметром 80 метров каждый – и верхний край верхней лопасти по высоте заходил за 200 метров. Над уровнем моря, благодаря горе, он возвышался на полтора километра, что должно было дать высокую среднюю скорость ветра. Мощность колоссального мегаветряка оценивали в 10-12 мегаватт. Иными словами, это был аналог Haliade-X от General Energy – только не в 2020 году, а в 1930-х.

Стоит отметить, что необычную конструкцию породил и необычный человек. Юрий Кондратюк – легальное имя белого офицера, которого на деле звали Александр Шаргей (документы на Кондратюка он похитил неизвестным образом в неразберихе Гражданской войны). Вообще, он увлекался в основном космонавтикой, но работа в «летающих» областях сделала бы его биографию предметом проверки соответствующих органов. Поэтому Кондратюк занимался менее «звездными» вопросами и пытался избежать ареста.

Космический размах проекта имел огромное экономическое значение. В сравнении со 100-киловаттным ветряком ЦАГИ новый ветряк-небоскреб был как минимум в 100 раз мощнее, а стоил лишь на порядок больше. Это значило, что электроэнергия от него должна была быть куда дешевле – на уровне тепловых электростанций. И это крайне важно, поскольку к 1930-м СССР уже не только вернул в школы уроки, но и в целом наладил энергетическое машиностроение, а также восстановил добычу угля. То есть ветроэнергетика могла быть только экономически осмысленной – и ее ветряки должны были стать гигантскими.
Увы, самоубийство Серго Орджоникидзе, наркома тяжелой промышленности, в 1937 году положило конец проекту: «двигал» идею лже-Кондратюка именно он.

И очень жаль: проект мегаветряка был хорошо проработан. Как легко видеть на иллюстрации, ее разрабатывал В. Н. Никитин, позднее участвовавший в проектировании Останкинской телебашни, с которой у проекта ветряка 1930-х есть некоторое сходство и во внутренней конструкции, и во внешнем облике.

Забавно, с современной точки зрения, выглядели тезисы тех, кто закрывал проект после смерти Орджоникидзе. «Это стремление к гигантомании!» – безапелляционно характеризовал проект один оратор, разрубая рукой воздух. «Подобных разработок нет даже за рубежом!» – вторил ему другой. Теперь такие проекты за границей есть, и стремление к огромным размерам турбин – единственный способ обеспечить низкую стоимость их энергии. Более того, России снова приходится осваивать гигантские ветряки сегодня, но уже, конечно, импортные.

Назад в 2020-е

Идея, стоящая за современной гигантоманией в области ветряков, принципиально та же, что в 1930-х: чем выше ветряк, тем он дешевле. Строить сооружения высотой до 370 метров люди научились еще в 1920-х, и цена их уже тогда не была запредельной. Между тем удвоение размеров ветряка наращивает его стоимость лишь вдвое, а мощность и выработку – сразу в четыре раза.

Из этого очевидно, что уровень проекта Шаргея (10-12 мегаватт, аналогичный по мощности крупнейшему ветряку современности) превзойдут уже в этом десятилетии. Сегодня обсуждают проектирование 16-мегаваттных гигантов, чья высота достигнет 300 метров, и это явно не предел.

Разумеется, такие системы почти невозможно создавать на суше: перевозить лопасти в 150 метров по автодорогам непрактично, а гигантских дирижаблей в стиле 1930-х на планете просто нет. Однако в море все иначе: там длина лопастей никого не ограничивает. К тому же на море за год ветряк выработает в полтора раза больше энергии, чем на суше. Если для сухопутной ветротурбины коэффициент использования установленной мощности – лишь 30%, то для современной морской 45% – вполне достижимый результат.

До недавних пор развитие оффшорной ветроэнергетики тормозилось тем, что на Земле не везде много мелководного шельфа. Однако уже построили первую плавающую ветроэлектростанцию – Hywind Scotland, состоящую из ветряков на шесть мегаватт, плавающих на крупном погруженном буе. Он весит десять тысяч тонн для каждой турбины, но, как ни странно, по цене мало отличается от башен оффшорных ветряков, строящихся на мелководье. Все дело в том, что плавучие конструкции возводят целиком на верфях, а это обнуляет стоимость работ по установке неизбежных при строительстве опор башен на мелком шельфе. Теперь плавучие турбины можно устанавливать на глубинах до 800 метров – но дальше требуются слишком большие якоря.

За счет «отвязки» от мелководий энергетический потенциал ветряков-оффшорников резко вырос. Только основная часть США (без Аляски) может установить на удалении до 370 километров от берега достаточно плавучих ветряков, чтобы вырабатывать по 7,2 триллиона киловатт-часов в год. Это почти вдвое больше того, что потребляют Штаты сегодня.

В среднем на один квадратный километр морской поверхности компании, работающие в ветроэнергетике, планируют устанавливать примерно по три мегаватта мощности ветряка, а выработка со все той же единицы площади будет по 10 миллионов киловатт-часов в год. Значит, для удовлетворения всего потребления современного человечества оффшорными плавающими ветряками достаточно покрыть 2,5 миллиона квадратных километров. Цифра кажется огромной, но это менее одного процента общей площади морей Земли – и менее 10% площади всех прибрежных морей.

Кстати, сегодня стоимость электричества от новых оффшорников находится вполне на уровне угольных ТЭС – несмотря на длинные кабели, уходящие в море, и прочую непростую инфраструктуру нового источника энергии.
Но и это далеко не все: «гигантомания» начинает постепенно затрагивать и те ветряки, что давно построили, причем даже на суше. В США идет массовая кампания не просто строительства более крупных ветряков, но и переоснащения старых более длинными лопастями. За один 2019 год в Штатах переоснастили 1800 старых ветротурбин, поставив на них более длинные лопасти – но не меняя генераторы.

Казалось бы, зачем, если максимальную мощность ветряка так не поднять? Однако смысл есть – и большой. Во-первых, более длинные лопасти захватывают больше ветра и за счет этого могут работать большее количество часов в году. Во-вторых, масса лопастей современного ветряка порой достигает 100 тонн на одну установку. Чем длиннее лопасти, тем они тяжелее и тем больше их инерция. Когда ветер дует порывами, ветряк с менее крупными лопастями зачастую способен давать перебои в поставках энергии. Лопасти покрупнее работают еще чем-то типа механического аккумулятора энергии, «выравнивая» подачу от ВЭС в сеть.

Тренд на увеличение размеров уже привел к росту коэффициента установленной мощности новых ветряков. В Штатах в 2004-2012 годах новая ветротурбина имела такой коэффициент всего в 31% (при работе на полную мощность на протяжении 31% от всего времени в году – то есть 2716 из 8760 часов). Уже в 2014-2018-х показатель вырос до 41%: следовательно, отдача с киловатта мощности подскочила на целую треть.

Это частично (увы, лишь частично) решает одну из главных проблем ветроэнергетики – нестабильность ее работы. Ветряки прошлого поколения давали электричество менее трети всего времени в году, сейчас эта цифра поднялась более чем до двух пятых, а в случае Haliade-X от General Energy она уже вдвое выше, чем у ветряка прошлого поколения. Разумеется, хорошие ветра даже в море встречаются отнюдь не повсеместно, но можно ожидать роста стабильности выработки в ветроэнергетике до примерно половины всех часов в году. Это позволит отрасли намного проще расширяться с меньшим обязательным резервированием ее мощностей ТЭС (убивающими сотню тысяч человек в год по всему миру) или дорогими литиевыми аккумуляторами.

Получается, у ветряков еще остаются неплохие перспективы для роста – они способны на куда большее, чем нынешние 7% от мировой генерации, или 19,4% всей электрогенерации в Европе.