Энергия ветра. Фото: Олег Поткин, участник конкурса «Самая красивая страна»
15 июня отмечаем Всемирный день ветра. Его учредили Европейская ассоциация ветроэнергетики (EWEA) и Всемирный совет по энергии ветра (GWEC), впервые отметили в Европе в 2007 году, а уже два года спустя он приобрел статус международного. Мы решили разобраться, на что способна ветроэнергетика.
Ресурсы Земли отнюдь не бесконечны, и человечество уже столкнулось с дефицитом тех, что обеспечивают энергией его поистине ненасытные потребности. Плюс ко всему в погоне за прогрессом мы ухитрились нарушить экологию настолько, что даже специалисты теряются, пытаясь найти способ хоть что-то исправить. Всемирный день ветра учредили как раз для того, чтобы указать на один из способов решения проблемы при помощи ресурса, который возобновляется естественным образом и потратить который под ноль не представляется возможным. Но и тут есть свои подводные камни.
Сам принцип достаточно прост: ветрогенераторы улавливают даже самый слабый ветерок и аккуратно перерабатывают его в электричество. По мере того как сила ветра раскручивает лопасти ветряка, они заставляют вращаться вал электрогенератора, превращая механическую энергию в электрическую. Обычно ветрогенераторы объединяют в сеть ветропарка, располагая их на расстоянии от трех до десяти диаметров ветроколеса. Полученная благодаря им энергия поступает на подстанцию, а оттуда — в общую сеть.
Самый типичный и широко известный тип ветрогенератора — наземная ветроэнергетическая установка (ВЭУ), бодро крутящая «пропеллер» где-нибудь на холме естественного или искусственного происхождения, ведь на возвышенностях всегда более ветрено, чем в низинах. Второй вариант — прибрежная ВЭУ, такие стоят неподалеку от морского побережья. Бывают и шельфовые ВЭУ, возвышающиеся непосредственно в море, в десятках километров от берега. Они одни из самых эффективных, поскольку «работают» с постоянными мощными морскими ветрами и не занимают полезной площади на земле. Однако такие ВЭУ очень требовательны в обслуживании — тут нужна особая техника.
Опыт Дании
В 2015 году эта страна установила рекорд в ветровой энергетике, а в 2017-м побила его, обеспечив себе 43,6% электричества благодаря воздушным потокам. В 2019 году Дания вновь подтвердила свое первенство в области использования ветрогенераторов, получив с их помощью 47% электричества. 29% электроэнергии страна вырабатывает с помощью наземных установок, а 18% — с помощью морских. Сверхзадача —сократить объем парниковых выбросов к 2030 году на 70%. Географическое расположение страны, занимающей узкий полуостров и несколько островов, благоприятствует использованию ветра. При этом ставку Дания делает на морские ветропарки — по мнению экспертов Международного энергетического агентства, морской ветер способен не только полностью покрыть потребность человечества в энергии, но и «перевыполнить план» в 18 раз.
У нас проектами, связанными с ветроэнергетикой, занимается АО «Росатом Возобновляемая энергия». На данный момент ветроэлектростанции расположены на юге России: в Республике Адыгея, Ростовской области, Ставропольском крае. А к 2028 году, согласно планам «Росатома», должны заработать ветроэлектростанции общей мощностью свыше 2 ГВт (с учетом уже введенных мощностей).
Кроме того, российские умельцы из компании «Инновационные системы» разработали собственную модель ветрогенератора — двухроторную. По эффективности она не имеет аналогов в мире, и ее уже успели по достоинству оценить и в других странах — в частности, во Вьетнаме и Саудовской Аравии. В отличие от трехлопастных ветряков, производительность которых составляет порядка 30%, мощность двухроторной ветротурбины впечатляет своим КПД — примерно 70–80%. Достичь этого помогли два технологических решения. Во-первых, разработчики «нарастили» высоту самой башни, подняв генератор туда, где ветер сильнее. Во-вторых, увеличили длину лопастей, повысив таким образом охват площади, «захватывающей» ветер. Чуть изменив их конфигурацию, улучшили аэродинамику и получили заметное повышение эффективности.
Казалось бы, вот оно — решение проблем и с энергетикой, и с экономикой, и с экологией разом. Бесплатный ветер способен обеспечить множество людей бесперебойной электроэнергией, при этом не слишком влияя на экологию в силу естественности своего происхождения. Однако не все так гладко — утилизация энергоэффективных механизмов может стать серьезной проблемой.
Возможно, ветрогенераторы — это решение всех проблем. Фото: Акбота Ильдербаева, участник конкурса «Самая красивая страна»
Ветроустановки первого поколения уже выработали свой ресурс и требуют замены. Но если утилизация бетонных и металлических частей не вызывает проблем, с огромными лопастями, сделанными из композитных материалов, ситуация иная. Даже просто демонтировать самую большую деталь ветряка не так легко, а куда девать ее после — и вовсе непонятно. Три 50-метровых лопасти не самого мощного ветряка — это порядка 20 тонн полимеров, и такой масштаб не выдержит ни одна свалка. Только в Европе к 2023 году планируется демонтировать около 14 тыс. ветряков, а с течением времени это количество будет расти. И если ничего не сделать, к 2050 году придется разбираться с 40 млн тонн неразлагающихся композитов.
По Сети гуляют фотографии, на которых лопасти засыпают землей. Однако материалы, из которых их делают, очень устойчивы к внешним воздействиям. Они могут оставаться в неизменном виде тысячелетиями, а значит, подобные «захоронения» серьезно нарушат экологический баланс. Перерабатывать же огромные детали отживших свое ветрогенераторов не так просто и требует изрядных вложений. Конечно, разработки в данном направлении ведутся, и есть надежда, что проблему удастся решить с наименьшими потерями.
Так, компания The European Technology & Innovation Platform on Wind Energy предлагает измельчать до волокон предварительно порезанные лопасти, а полученное вторсырье использовать при производстве полимерных досок, бетона, отделочных материалов и т. п. Оставшиеся органические включения можно попросту сжигать. Реализация идеи — дело будущего, процесс еще нужно наладить.
Компания Wind Europe подключила к работе Европейский совет химической промышленности Cefic и ассоциацию EuCIA, производящую композитные материалы. С точки зрения этого альянса, на данный момент в принципе можно переработать 85–90% деталей ветряков, если бы не одно, но — отсутствие соответствующих производственных линий. На данный момент превалирующий способ переработки композитных материалов — использование их в цементной промышленности. Но этого недостаточно — необходимо искать альтернативные пути вторичного использования деталей ветрогенераторов.
Компания Vesta ставит себе задачу к 2040 году выйти на полностью безотходное производство ветряных мельниц. Для этого ее специалисты должны найти способ запустить в переработку абсолютно все устаревшие детали, избавившись от необходимости что-то сжигать или вывозить на свалку. По плану уровень вторичного использования материалов от лопастей нужно довести к 2030 году до 55%.
Global Fiberglass Solution уже более десяти лет ищет эффективные методы применения композитов в разных отраслях. В частности, разрушенные на одном из техасских заводов лопасти прессуют в плиты с древесноволокнистой структурой для последующего использования в строительстве. Другой вариант — изготовление железнодорожных шпал или ограждений. Многообещающим выглядит и переработка старых лопастей в гранулированное сырье, из которого можно будет сделать новые «крылья» для турбин следующего поколения.
Главная проблема — лопасти. Фото: Николай Абрамов, участник конкурса «Самая красивая страна»
Пока большинство этих проектов находятся в стадии разработки, а ветряки тем временем продолжают выходить из строя. Остроумное решение нашли все в той же Дании. Лопасти ветрогенераторов закрытой в 2017 году электростанции Vindeby «сменили работу», став шумоподавительными барьерами на автомагистралях. Поскольку стекловолокно, используемое для ветровых турбин, по своим шумозащитным свойствам лучше таких материалов, как минеральная вата, так как они обладают более высокой плотностью, «новая карьера» бывших ветряков обещает быть вполне успешной. Возможно, имеет смысл откопать «погребенные» лопасти, чтобы тоже пустить в дело, пока ученые ищут альтернативные пути их переработки.
У нас в стране для утилизации старых ветрогенераторов разработали особые нормативные акты, которым она должна соответствовать. Пришлось разработать и методы переработки композитных материалов, из которых сделаны лопасти. Восточный научно-исследовательский углехимический институт запатентовал технологию сольволиза, при котором отслужившие свое лопасти разлагаются на отдельные волокна: углеродные, стеклянные и кварцевые. Особенность технологии в том, что в итоге волокна сохраняют свои первоначальные свойства, а значит, их можно вторично использовать.
Есть и другие варианты: например, разделить лопасти на сегменты, при этом убрав с каркаса из углеродного волокна наружное покрытие из стеклопластика, или просто извлечь из бывших деталей ветряков углеродные волокна, чтобы потом добавить их в бетон, асфальт или какие-либо композиты. Увы, в реализации все эти технологии оказываются весьма дорогостоящими. Кроме того, вызывает затруднения задача отделить токсичную смолу от стекловолокна, из-за чего возникают сложности с полной переработкой лопастей.
Но во всяком случае хорошо, что мы научились признавать проблемы, возникающие в результате наших действий. Теперь еще нужно освоить непростую науку решения этих проблем таким образом, что это не создавало новых.