По оценкам Американской ассоциации энергетики ветра AWEA, в 1999 году суммарная мощность мировой ветроэнергетики увеличилась на 3 600 мегаватт или 36 %. Это был самый значительный годовой прирост в отрасли. Теперь мировое ветроэнергетическое производство доведено до 13 400 мегаватт. Подает пример Европа (активную роль в развитии отрасли играют Дания, Испания и Германия). Однако недавно произошел быстрый подъем данной технологии в США, а также в развивающихся странах, таких как Индия и Китай.
Часто называемая «топливом будущего», энергия ветра вполне оправдывает это название. В отличие от традиционных энергетических источников (уголь, газ, урановое топливо), ветроэнергетика не загрязняет окружающую среду, а ее ресурсы не истощаются. В развивающихся странах, где быстро повышается уровень жизни, ветроэнергетика позволяет быстро создавать эффективные и устойчивые источники энергии, а часто – в дальних селениях – является единственным способом получения электричества. В индустриальных странах ветроэнергетика становится привлекательным дополнением к традиционным источникам энергии – из-за необходимости увеличения энергетических мощностей и ужесточения экологических требований. Эффективность ветроэнергетики постоянно увеличивается. В то время как себестоимость большинства видов энергетических ресурсов возрастает, затраты на ветроэнергетику уменьшаются.
Потенциал ветроэнергетики огромен – у этой отрасли все еще впереди. Доступные в настоящий момент ветроэнергетические ресурсы в четыре раза больше мирового энергопотребления 1998 года. И, тем не менее, в объеме мирового энергетического рынка ветроэнергетика занимает сейчас только 0,15%.
Согласно исследованию, которое было проведено в конце прошлого года организацией «Гринпис», Европейской ассоциацией ветроэнергетики, а также Форумом энергетики и развития, к 2020 году энергия ветра может удовлетворять 10% мировых потребностей в электричестве, создать 1,7 млн рабочих мест и сократить на 10 млрд тонн выбросы двуокиси углерода. К 2040 году доля ветроэнергетики может подняться до 40%. В Дании уже сейчас 10% электроэнергии вырабатывается на ветряных турбинах. К 2030 году здесь планируют довести долю ветроэнергетики до 50%, реализовав несколько совместных европейских проектов. В долгосрочный период аналитики предсказывают ветроэнергетике победу над гидроэнергетикой, которая в настоящее время производит 23% мирового электричества.
Компании
В мировом производстве ветряных турбин доминирует сравнительно небольшое количество компаний. Согласно датской консалтинговой компании BTM Consult ApS, первые 11 производителей турбин занимают 98% мирового турбинного рынка. Европа – родина ветряных турбин. 90% производителей ветряных турбин – европейские компании. С точки зрения проданных турбинами в 1998 году киловатт, четверка крупнейших производителей турбин такова: датская компания NEG Micron AS, занимающая 23,4% рынка, американская фирма Enron Wind Corp (16,3%), датская Vestas Wind Systems AS (14,8%) и немецкая компания Enercon (12,8%). Испанская компания Gamesa, а также Bonus Energy AS и Nordex из Дании заполняют остальную часть рынка. С точки зрения общего количества выработанной установками энергии, первые три места занимают NEG, Vestas и Enercon.
Технология производства лопастей
Ветряные турбины рассчитаны на 20-летний жизненный цикл. Роторные лопасти составляют в них около 20% стоимости. Это самый дорогой компонент турбины. После первоначальных опытов со сталью и алюминием, большая часть лопастей стала изготавливаться из композиционных материалов. В ранние дни индустрии лопасти производились с помощью ручной техники наслаивания, которая применялась в кораблестроении. Хотя такое производство – с точки зрения формовки и применяемого оборудования – достаточно дешево, данная технология неудобна для автоматизированного производства. Автоматизация стала необходимой после того, как увеличились размеры лопастей и количество выпускаемой продукции.
В начале 80-х годов наиболее распространены были турбины мощностью в 55 киловатт, имеющие лопасти 7 метров длиной. С тех пор размер машин значительно увеличился, и сегодня выпускаются турбины мощностью 600 киловатт и длиной лопастей в 23 метра. Одна турбина мощностью 600 киловатт, расположенная в подходящем месте, может удовлетворить потребность в электричестве со стороны 300-400 домов. В настоящий момент можно производить и такие установки, мощность которых равна 1,65 мегаватт, а длина лопасти более 30 метров.
Чтобы учесть увеличение веса лопастей, требования к нагрузке и усталости материала, технология производства турбин должна была измениться. С изменением длины лопастей британская компания SP System, выпускающая композитные материалы для производства турбин, стала ждать, что производители перейдут от полиэфирного волокна к эпоксидному. Кроме того, компания рассчитала, что вместо ручного наслаивания будут применяться вакуумное нагнетание. Компания SP System, купленная недавно американским производителем углеродных волокон, фирмой Zoltec, с начала 80-х годов поставляет материалы, применяемые в производстве лопастей. Производители ветряных турбин являются для компании самым крупными клиентами. В прошлом году продукция для ветряной энергетики заняла 75% в производстве SP System. Компания поставляет композитные материалы главным европейским производителям турбин, включая и фирму Vestas.
Две других датских компании также используют передовые технологии производства. Фирма LM Glasfiber применяет вакуумное нагнетание, а Vestas Wind System AS использует препреги.
В настоящее время LM производит лопасти длиной до 39 метров, а разрабатывает – еще большие. Первоначально компания использовала технологию ручного наслаивания, но теперь каждая лопасть изготовляется методом вакуумного инжекционного литья смол (технология VARIM).
Другой, производитель турбин, компания Vestas Wind System AS, разрабатывает и выпускает оборудование, башни турбин, лопасти ротора и системы контроля. Компания выпустила около 7 000 ветряных турбин, которые располагаются сейчас во всех частях света. Самостоятельно производя основные компоненты турбин, Vestas пытается повысить гибкость производства, уменьшить зависимость от поставщиков и поддержать на высоком уровне свои ноу-хау. Это особенно важно в виду последующей передачи технологии дочерним предприятиям и ассоциированным компаниям.
Штаб-квартира Vestas расположена в Ringkobing (Дания). По объему произведенной энергии компания является отраслевым лидером. Она занимает около 20% мирового рынка. В 1998 году общая мощность установок, выпущенных Vestas, была равна 556 мегаватт.
Технология производства турбин
Существует множество конструкций турбин, но самым общим них является: наличие трех лопастей, система управления срывом потока с лопастей, постоянная скорость, устройство турбины (в некоторых случаях добавляется система контроля над шагом винта).
В большинстве ветряных турбин лопасти ротора вращаются вокруг горизонтальной ступицы (горизонтальных осевых машин). Обычно турбины имеют три лопасти (хотя некоторые имеют два и даже одну). Чаще всего ротор имеет диаметр около 66 метров. Ступица связана с коробкой передач и генератором, которые находятся внутри кабины. Кабина расположена в верхней части стальной башни высотой 25-80 метров. Лопасти вращаются со скоростью 15-50 оборотов в минуту, с постоянной скоростью, хотя современные устройства позволяют менять скоростные режимы. Скорость вращения обратно пропорциональна диаметру ротора. Большинство турбин имеют конструкцию «против ветра», а механизм рыскания разворачивает турбину к ветру лицом.
Все ветряные турбины начинают работать при скорости ветра 4-5 метров в секунду и достигают максимального выхода энергии при скорости в 15 метров в секунду. Количество ветроэнергии, вырабатываемой турбиной, пропорционально кубу скорости ветра.
О совершенстве машины можно судить по четырем фундаментальным показателям:
Размер ветряных турбин, несомненно, продолжит увеличиваться. Следующее поколение машин может иметь диаметр ротора в 110 метров и мощность до 5 мегаватт. Развитие ветроэнергетики будет зависеть от изменения числа зарубежных ветроэлектростанций. Более выгодное расположение электростанций – у моря. Однако производить турбины за рубежом дороже. Тем не менее, Дания и другие европейские страны планируют реализовать несколько зарубежных проектов. Теоретически, ветряные ресурсы окружающих Европу морей могут обеспечить поставки электричества в несколько раз большие того, что сейчас производится в Европе.
Производители лопастей сталкиваются с проблемой: как наладить массовый выпуск таких больших конструкций, которые не были бы при этом слишком тяжелыми. В то же самое производители должны снижать производственные затраты, чтобы выпускать более дешевые и эффективные турбины или, что то же самое, турбины, способные производить более дешевую энергию.
В компании Zoltek считают, что в ближайшие два года в производстве лопастей значительно увеличится использование углеродного волокна. В особенности благодаря недавно разработанному компанией Zoltek новому высокотехнологичному и обладающему низкой себестоимостью углеродному волокну. Углерод будет использоваться для усиления отдельных частей лопастей. Будет также осуществлен переход от ручных наслоений к более автоматизированной технологии, использующей метод нагнетания и препреги.
Производители лопастей хранят в тайне свои планы, касающиеся будущих материалов. Но господин Nielsen из LM согласился, что строящиеся зарубежные установки стимулируют производство лопастей большего размера, и разработка новых материалов – ключ к такому технологическому прорыву.
Чем больше турбины, тем длиннее лопасти, однако господин Damgaard из Vestas замечает, размер лопастей и их цена являются ограничивающими факторами. В компании Vestas считают, что углеродное волокно можно использовать для усиления частей лопастей и недавнее снижение стоимости углеродного волокна повышает его рыночные шансы. Однако с применением углерода связан и ряд проблем. Станет труднее избегать перекашивания тонких структур, также проблематичным является осуществления контроля над качеством углерода. Введения углерода потребует изменений в конструкции турбины. Поскольку себестоимость турбин не должна возрастать, необходимо учесть и затраты, связанные с такого рода инновациями.
Выполнит ли ветроэнергетика свои обещания? Будущее покажет. Однако уже сейчас ясно, что промышленность продолжит расти, а технология ветроэнергетики за ней последует. Разработка композиционных материалов и внедрение менее затратных технологий производства лопастей большого размера – одна из главных задач, стоящих перед отраслью.
