Сила ветра: как Росатом развивает ветроэнергетику

Ветер ‎— бесконечный ресурс, который человечество использует на протяжении уже многих тысячелетий. Конечно, на протяжении веков наши методы «ловли» ветра менялись. Современная ветроэнергетика — сфера высокотехнологичная и перспективная в мировом масштабе. TechInsider с помощью экспертов «НоваВинда», ветроэнергетического дивизиона Росатома, разобрался, как найти для ветроэлектростанции подходящее место и построить ее.
Сила ветра: как Росатом развивает ветроэнергетику

Первым археологическим свидетельством использования ветра можно считать парусные лодки, на которых в пятом тысячелетии до нашей эры плавали жители окрестностей Нила. Самые очевидные предки современных ветряков ‎— ветряные мельницы ‎— появились позже: в восточной Персии их использовали для перемалывания зерна, а в Китае во II веке до нашей эры ‎— для работы водяных насосов.

Сегодня ветроэнергетика — один из видов альтернативной энергетики. Альтернативной называют всю энергетику, которая противопоставляется традиционной: тепловым, атомным и гидроэлектростанциям. Поэтому ошибочно считать, что «альтернативная» в данном случае синоним «новой». У альтернативной энергетики долгая история. Многие эксперты этой отрасли предпочитают называть ее возобновляемой.

Возобновляемыми источниками сегодня считаются солнечная, ветровая, геотермальная, гидро- (малые ГЭС) и биоэнергия, энергия океана и другие. Самые развивающиеся, конечно, солнечная и ветровая. Солнечная пока остается довольно дорогой, и ученые продолжают работать над фундаментально новыми видами солнечных панелей, а вот ветроэнергетика сейчас находится на взлете.

В 2021 году впервые в истории солнце и ветер обеспечили более 10% мировой электрогенерации, опередив АЭС. А Китай тем временем построил за год больше морских ветровых установок, чем весь остальной мир за пять лет. Теперь 26 ГВт из мировых 54 ГВт морской ветроэлектрогенерации приходится на Китай.

Ветроэнергетика‎ — самый быстрорастущий сегмент возобновляемой энергетики. Цена ветровой энергии снизилась настолько, что начала конкурировать с ценой углеводородной электроэнергии. Давайте разберемся в строении ветряка и ветроэлектростанции, локализации их производства, истории ветроэнергетики в России и, конечно, ответим на вопрос, когда ветроэнергетика заменит нефть и газ.

Как появились первые ВЭУ?

Начнем с того, что ветряк – разговорное название ветроэнергетической установки (ВЭУ). Первую ветровую установку для производства электричества собрал в 1887 году шотландский профессор Джеймс Блит. Энергия шла на освещение его дачи. Профессор предложил делиться лишней энергией с соседней деревней, но жители той посчитали ветряк происками дьявола и отказались.

А тем временем по другую сторону Атлантического океана американец Чарльз Ф. Браш собирал первую в мире автоматическую ветровую турбину. Она была гораздо больше турбины шотландца — колесо диаметром 17 м находилось на башне высотой 18 м. У колеса было 144 лопастей, и вращалось оно очень медленно, производя всего 12 кВт.

Современные ВЭУ почти в десять раз выше — высотой до 250 м (с учетом длины лопасти). Лопасти всего три, потому что в 1970-х годах датские ученые доказали, что это самое оптимальное количество. Крутится ветроколесо гораздо быстрее — от 15 до 100 оборотов в минуту, и поэтому мощность гораздо выше — в среднем 2,5 МВт.

Строительство Кочубеевской ВЭС мощностью 210 МВт в Ставропольском крае
Строительство Кочубеевской ВЭС мощностью 210 МВт в Ставропольском крае

Тем не менее по своей сути современные ветроустановки — все те же ветряные мельницы. Поток воздуха раскручивает ветроколесо, которое в свою очередь приводит во вращение ротор генератора. В генераторе механическая энергия преобразуется в электричество, которое поступает вниз, к основанию ветряка на силовые преобразователи тока и частоты. Из преобразователей энергия идет в трансформаторы, которые передают выработанную энергию в электросеть, а оттуда — в наши дома.

Количество ветряков на одной ветроэлектростанции зависит от потребностей в энергии. На ветроэлектростанциях «НоваВинда» от 24 до 84 ветроустановок. Любопытно, что и самые маленькие, и самая большая — все в Ставропольском крае. Возвести такую станцию в чистом поле можно всего за два года. Правда, перед этим год или более уходит на подготовку: изучение площадок, выявление ограничений, сбор документации и уточнение экономических показателей.

Главное, что компании удалось наладить производство значительной части компонентов в России.

Локализованное производство

Современные ветроустановки — это не только декарбонизация энергетики, но и развитие новых технологий, которые могут пригодиться в других сферах.

«НоваВинд» использует ветроустановки безредукторного типа мощностью 2,5 МВт, работающие на постоянных редкоземельных магнитах. На 68% они делаются в России. В их производство вовлечено около 70 предприятий. Важнейшие компоненты производит завод «НоваВинд» в Волгодонске (Ростовская область), созданный на базе «Атоммаша». Башни же, например, строит партнер — компания «ВетроСтройДеталь», завод которой также расположен в г. Волгодонске.

В год завод «НоваВинд» производит около 120 турбин. Причем это единственная компания в России, которая локализовала технологию безредукторной машины — более тихоходной и работающей в более широких диапазонах ветра. Самый сложный технический узел ВЭУ — генератор. На заводе производят и собирают:

  • ступицы (центральная часть ветроколеса, к которой крепятся лопасти);
  • гондолы (важные элементы ВЭУ, в которых расположен ряд основных компонентов управления);
  • генераторы (самые сложные технические узлы ВЭУ);
  • систему охлаждения для ВЭУ 2,5 МВт.
Адыгейская ветроэлектростанция
Адыгейская ветроэлектростанция

Также российские компании уже разработали программно-аппаратные комплексы управления ВЭУ и автоматизированные системы управления технологическими процессами ветроэлектростанции. Следующий этап — локализовать производство конвертеров, устройств для преобразования параметров электроэнергии. «НоваВинд» изучает возможности создания в перспективе композитных лопастей, но с экономической точки зрения для них нужно сперва обеспечить постоянный высокий спрос (не менее 300 МВт/год) в течение как минимум пяти лет.

Уже начата работа по организации промышленного производства редкоземельных постоянных магнитов и крупногабаритных деталей генератора.

Еще один важный компонент ВЭС — накопители электроэнергии. Сегодня у российских ВЭС нет такой необходимости, российская энергосистема комфортно принимает весь объем выработки. Тем не менее «НоваВинд» активно занимается такими разработками на будущее. Недавно компания «Атомэнергопромсбыт» (входит в АО «НоваВинд») совместно с «Рэнера» (входит в АО «ТВЭЛ») установили накопитель мощностью 300 кВт на площадке «ЗиО-Подольск» (входит в АО «Атомэнергомаш»). Сейчас он находится в опытно-промышленной эксплуатации.

«НоваВинд» — единственный в России девелопер полного цикла от выбора площадки, производства и строительства до обслуживания, эксплуатации и продажи электроэнергии на рынке. А на российском рынке у ветроэнергетики большие перспективы.

История ветроэнергетики в России

В России ветроэнергетика начала развиваться более века назад. Все началось с изучения вихрей, подъемной силы и крыльев. Решающую роль в этих исследованиях сыграл российский математик Николай Егорович Жуковский. Конечно, в первую очередь достижения использовались в авиации, поэтому Жуковского по сей день называют отцом русской авиации. Но параллельно он со своими учениками работал и над теорией ветродвигателей.

Ветродвигатель ЦВЭИ Д-30 в Балаклаве в Крыму. 1931 год
Ветродвигатель ЦВЭИ Д-30 в Балаклаве в Крыму. 1931 год

К 1930-м в стране появился научно-исследовательский центр энергии ветра. В 1931 году — первая опытная ветроустановка с ветроколесом диаметром 30 м и генератором мощностью 400 кВт. К середине века выпустили более 40 тысяч ветродвигателей, которые использовали в колхозах и совхозах.

До конца 1980-х ветроэнергетика в России активно развивалась. И сегодня она переживает свой период возрождения. Этой осенью компания «НоваВинд» отметила свое пятилетие. За эти пять лет она сумела стать одним из лидеров на рынке ветроэнергетики.

Ветропарки «НоваВинда», или Как выбрать для ветряка подходящее место?

За этот год (с января по сентябрь) ветроэлектростанции «НоваВинда» выработали более 1 миллиона МВт⋅ч энергии. Все эти станции расположены на юге России. Одна станция на 150 МВт находится в Адыгее, еще одна, Марченковская ВЭС на 120 МВт, — в Ростовской области. Четыре в Ставропольском крае: Кочубеевская (210 МВт), Кармалиновская (60 МВт), Бондаревская (120 МВт) и Медвеженская (60 МВт). Там же строятся еще три ветроэлектростанции. В долгосрочных планах — Дагестан и восток России, в частности Чукотка и Сахалин.

Десять лет назад суммарная мощность всех ветроэлектростанций России составляла не более 17 МВт. В прошлом году, по данным Российской ассоциации ветроиндустрии, она составила 2042,84 МВт. Рост значительный, но это всего 0,32% от всей электрогенерации в России. Для сравнения: в мире ветроэлектрогенерация занимает 6,6%. Нам есть куда расти!

Строительство Кочубеевской ВЭС мощностью 210 МВт в Ставропольском крае
Строительство Кочубеевской ВЭС мощностью 210 МВт в Ставропольском крае

Самые мощные ветроустановки — морские, или офшорные (в России пока развиваются технологии наземных). «НоваВинд» фокусируется на южных регионах, потому что там сочетаются сразу несколько важных факторов. Вообще, при выборе площадок учитываются десятки параметров. Самые важные: ветровые ресурсы, климатические условия и доступность электросетевой и транспортной инфраструктуры. Не менее важную роль играет и местная электрическая инфраструктура: на юге она достаточно разветвленная и современная. А еще поблизости завод в Волгодонске, что позволяет сократить затраты на перевозку компонентов к строительным площадкам.

Итак, у «НоваВинда» работает уже шесть станций, еще три строятся. Общая мощность строящихся станций составит 315 МВт. Компания сейчас занимает 35% рынка российской ветроэнергетики. Уже сегодня реализуются планы к 2027 году создать ветроэлектростанции общей мощностью порядка 1,7 ГВт с учетом уже введенных мощностей.

Что же станет с энергетикой?

Глобальное потепление и борьба с выбросами вовсе не единственная причина такого активного развития возобновляемой энергетики. Просто начинается новая промышленная революция: мир переходит к другому технологическому укладу.

В начале XIX века мы заменили дрова на ископаемый уголь. В начале XX века — уголь на нефть. С середины века начали переходить с нефти на газ. Сегодня энергетика диверсифицируется и «зеленеет».

Маловероятно, что мир перейдет полностью на ветровую, солнечную или любую другую возобновляемую энергию, но их доля будет возрастать. Тут важно будет добиться эффекта масштаба.

Ветер дует не всегда, солнце тоже не светит ночью. Чтобы обеспечить города энергией в пиковые часы и избежать отключений, необходимо накапливать излишки энергии и распределять ее по системе. Одна ветроэлектростанция, конечно, не сможет поддерживать город. Но несколько станций в разных частях региона смогут через общую сеть питать весь регион. А так как в России действует единая энергетическая система, весь ресурс распределяется по общей сети: так, станции в Сибири могут питать Санкт-Петербург. Распределением энергии занимается системный оператор, который по мере надобности останавливает и снова включает разные станции. Поэтому ни одна электростанция не работает круглый год. Более того, из-за балансирования единой сети они редко работают на полную мощность.

Строительство Адыгейской ВЭС суммарной мощностью 150 МВт. Республика Адыгея, 25 сентября 2019 год
Строительство Адыгейской ВЭС суммарной мощностью 150 МВт. Республика Адыгея, 25 сентября 2019 год

Эффективность ветроэлектростанции зависит не только от количества ВЭУ, но и от ряда других факторов: погодно-климатических условий, рельефа площадки и коэффициента использования установленной мощности. Коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) — это сколько времени в год станция несет максимальную нагрузку. Самый высокий коэффициент у атомных и гидроэлектростанций, а также высокоэффективной газовой генерации — около 80—90%. Самый низкий — у низкоэффективных угольных. У ветряков «НоваВинда» — от 25 до 33%, что сопоставимо с упомянутыми угольными, а значит, ветроэнергетика может полностью заменить низкоэффективные угольные станции. Это хороший показатель не только для России, но и для континентальной Европы в плане наземной ветрогенерации.

Сегодня по установленной мощности доля ветроэнергетики в России составляет 0,79%, по выработке – 0,32%. За этими долями процента скрывается огромный рост: с 2020 года установленная мощность выросла почти в два раза, а выработка – в 2,4 раза. В планах – к 2035 году поднять долю ветровой энергии до 4,5%.

Оптимистичная цель, озвученная министром энергетики Н. Г. Шульгиновым на Российской энергетической неделе (РЭН), — к 2050 году обеспечивать 10% электрогенерации в стране возобновляемой энергетикой: ветром, солнцем и малыми гидроэлектростанциями (ГЭС). Еще около 25% — большими ГЭС, 20% — АЭС.

Ветроэнергетика наращивает темпы. Всего за прошлый год мировой рынок расширился на рекордные 93 ГВт новых установок, и общая мощность наземных и морских ветряков достигла 743 ГВт.

По мнению Кристиана Брейбера, профессора в области солнечной экономики и председателя некоммерческой организации EWG, специализирующейся на экологических исследованиях, доступные сегодня технологии позволяют к 2050 году провести полную декарбонизацию мировой системы электроснабжения, снизив при этом ее стоимость.

Развитие возобновляемой, «зеленой» энергетики — одна из главных целей Росатома.

За прошедшие полтора десятилетия в России наступила новая эра развития атомной промышленности, которая спровоцировала создание новых технологий, новых объектов. Управляет этим всем ГК Росатом, которая была создана 1 декабря 2007 года. Это единственная в мире компания, которая собрала весь цикл ядерных технологий от добычи урана до вывода АЭС из эксплуатации. Только у России на сегодняшний день есть реакторы на быстрых нейтронах. Сегодня Росатом — мировой лидер по количеству энергоблоков АЭС в портфеле зарубежных заказов и занимает 70% глобального рынка сооружения АЭС.
Помимо атомной энергетики, в госкорпорации «Росатом» развивается порядка 80 новых бизнесов. В частности, с помощью атомных ледоколов компания обеспечивает перевозки по Северному морскому пути, создает арктическую портовую инфраструктуру, а также развивает ядерную медицину, возводит при АЭС центры обработки данных и готовит молодых ученых в МГУ Саров к проведению фундаментальных исследований в строящемся Национальном центре физики и математики.