Шведский стартап построил самый высокий деревянный ветряк в мире
Что сделано из того же дерева, что и рождественская ёлка, скреплено клеем и изготовлено на шведской фабрике для последующей самостоятельной сборки на месте?
Если вам на ум приходит мебель в плоских упаковках и фрикадельки, вы ошибаетесь. Если вы ответили «деревянная ветряная турбина», вы, наверное, провидец.
По мнению Modvion, шведского стартапа, который только что построил самую высокую в мире деревянную турбину, использование дерева в ветроэнергетике — это будущее. «У неё огромный потенциал», — говорит Отто Лундман, генеральный директор компании, когда мы смотрим вверх на новую турбину, расположенную в нескольких минутах езды от Гётеборга.
До кончика самой высокой лопасти — 150 метров, и мы — первые журналисты, которых пригласили заглянуть внутрь. Генератор мощностью 2 мегаватта на вершине только что начал подавать электричество в шведскую сеть, обеспечивая энергией около 400 домов. Мечта Лундмана и Modvion — поднять дерево и ветер гораздо выше.
Ограничения стали
На горизонте рядом с проектом Modvion вращаются несколько очень похожих друг на друга ветряков.
Ключевым материалом для них, как и для башен почти всех турбин в мире, является сталь, а не дерево. Прочная и долговечная, сталь позволяет строить огромные турбины и ветряные электростанции на суше и в море. Но сталь не лишена своих ограничений, особенно для наземных проектов.
Растёт спрос на более высокие турбины, которые ловят сильный ветер с помощью более мощных генераторов. Но при увеличении их роста диаметр цилиндрических стальных башен для их поддержки тоже должен увеличиваться.
В мире дорожных туннелей, мостов и развязок многие представители ветряной промышленности говорят, что доставка этих огромных металлических конструкций к местам установки турбин превратилась в настоящую головную боль, что фактически ограничивает высоту новых стальных турбин.
Деревянный ветряк или сауна?
Снаружи деревянная турбина Modvion мало чем отличается от своих стальных собратьев. У обеих толстое белое покрытие, защищающее их от внешних воздействий, и лопасти, изготовленные преимущественно из стекловолокна, прикреплённые к генератору, который при вращении вырабатывает электричество. Только когда мы заходим внутрь башни, различия становятся очевидными. Стены отделаны изогнутым необработанным деревом, так что обстановка немного похожа на сауну.
Прочность 105-метровой башни обеспечивается 144 слоями ламинированного шпона, из которых состоят её толстые стены.
Компания Modvion утверждает, что ей удаётся контролировать прочность и гибкость стен через варьирование зернистости каждого из слоёв ели толщиной 3 мм. «Это наш секретный рецепт», — с улыбкой говорит соучредитель компании, бывший архитектор и судостроитель Дэвид Оливегрен.
На заводе, расположенном на окраине Гётеборга, тонкие слои древесины склеиваются и сжимаются вместе, чтобы получились изогнутые секции. Затем эти части доставляются на место, склеиваются в цилиндры, а затем укладываются друг на друга, чтобы получилась башня.
«Дерево и клей — идеальное сочетание, нам это известно уже сотни лет», — говорит Оливегрен. «А поскольку дерево легче [чем сталь], вы можете строить более высокие турбины, используя меньше материала».
Лундман и Оливегрен рассказали мне, что главным преимуществом их турбины является то, что, используя дерево и клей, башни можно строить из небольших, легко транспортируемых модулей. По их словам, это значительно упростит строительство очень высоких башен и доставку их в труднодоступные места.
Однако доктор Максимилиан Шнипперинг, руководитель отдела устойчивого развития Siemens Gamesa, одного из крупнейших в мире производителей турбин, говорит, что большее количество деталей, скорее всего, означает больше грузовиков, больше людей и больше времени для завершения установки. При этом он считает модульную систему «преимуществом», и что деревянные башни могут «прекрасно дополнять» стальные башни. По его словам, усилия Siemens Gamesa направлены на снижение углеродного следа используемой стали.
Внутри башни Modvion мне показывают, как деревянные модули укладываются друг на друга и как они удерживаются стальными фитингами, которые затем приклеиваются на место.
«Промышленность хочет строить турбины с высотой верхушки [лопастей] 300 м, что означает башню высотой 200 м и более. Благодаря модульности вы можете это сделать», — говорит Лундман.
Стальные башни, конечно, тоже могут быть модульными, если эти цилиндры разрезать на более мелкие части, но дополнительные усилия, необходимые для скрепления частей вместе, увеличивают как стоимость, так и техническое обслуживание.
Один из инвесторов Modvion — гигант в области возобновляемой энергетики Vestas. Компания установила больше ветроэнергетических установок по всему миру, чем любая другая.
Ян Хаген, директор по технологиям компании в Северной и Центральной Европе, сказал мне, что они видят «огромный потенциал» на рынке более высоких турбин, и деревянные турбины «особенно хорошо подходят» для этой роли. «Мы считаем интересным сочетание экономически выгодного решения, позволяющего решить проблему транспортировки, и экологичного решения», — говорит Хаген.
Отрицательный углеродный след
Хотя энергия ветра дешевле и чище, чем почти все другие виды выработки электроэнергии, производство стали предполагает использование очень горячих печей и почти всегда сжигание ископаемого топлива. Это означает выбросы CO2 — основной фактор изменения климата.
Modvion утверждает, что использование дерева вместо стали полностью устраняет углеродный след ветряных турбин, делая их углеродно-отрицательными. Это происходит потому, что деревья при жизни забирают углекислый газ из атмосферы, а когда их срубают, углерод сохраняется в древесине. Пока дерево не сгниёт или не будет сожжено, углерод не будет высвобождаться.
На башню турбины Modvion пошло около 200 деревьев. Ели той же породы, что и рождественские ели, и компания утверждает, что их выращивание осуществляется на возобновляемой основе, то есть после их вырубки деревьев сажают ещё больше.
Компания SSE Renewables, один из крупнейших в Великобритании производителей ветряной энергии, сообщила BBC, что знает о работе Modvion и собирается рассмотреть деревянные башни в качестве «альтернативной технологии» по сравнению со стальными. Однако многие проекты SSE находятся на шельфе, куда можно добраться с помощью огромных кораблей, а значит, преимущества модульной транспортировки менее очевидны.
Modvion говорит, что надеется построить ещё одну, ещё более высокую турбину в ближайшее время и, если всё пойдёт хорошо, в 2027 году откроет предприятие, которое будет производить 100 деревянных модульных турбин в год.
«В настоящее время в отрасли строится 20 000 турбин в год», — говорит Лундман. «Мы стремимся к тому, чтобы через 10 лет 10% этих турбин — около 2000 — были деревянными».
Cамый большой ветрогенератор в мире
Энеркон Е-126 (Enercon E-126) на сегодняшний день является самым большим ветрогенератором в мире. Он удерживает абсолютное лидерство по количеству производимой энергии и один из самых больших по габаритным размерам. Можно сказать, что это детище немецкого концерна Энеркон (специализирующегося на производстве ветрогенераторов), стало воплощением мечты человека делать энергию, а соответственно и деньги, прямо из воздуха.
.
Одна такая машина может снабжать электроэнергией небольшой город.
Enercon E-126 — самый большой в мире ветрогенератор. Высота башни — 135 метров, диаметр ротора — 126 метров, общая высота — почти 200 метров. При хорошем ветре он вырабатывает до 7,58 мегаватт электроэнергии. Чтобы башня с ротором крепко стояла на земле, основание довели до массы в 2500 тонн (сама башня весит 2800 тонн, турбина — 128 тонн, генератор — 220 т, а ротор с лопастями — 364 тонны.), а все сооружение весит шесть тысяч тонн. Первый ветрогенератор Enercon E-126 установили в 2007 году в Германии. Стоит одно такое сооружение 14 миллионов долларов (без установки).
По данным Росгидро, в 2017 году 37% выработанной в Германии электроэнергии было получено из возобновляемых источников. Страна постепенно переходит на экологичные виды электроэнергии; в 2022 году перестанет работать последняя немецкая АЭС; тогда же долю электроэнергии, полученной на ВИЭ, планируется довести до 50%
В Китае запустили самую большую в мире ветряную турбину
Китайская компания Three Gorges Energy подключила к электросети первую в мире 16-мегаваттную ветряную турбину MingYang Smart Energy MySE 16-260. Диаметр ротора составляет 260 метров, длина каждой из трёх лопастей — 123 метра, а вес — 54 тонны. «Машинное отделение» с генератором, размещённое на вершине опоры, весит 385 тонн. Высота башни ветрогенератора достигает 152 метров, что сопоставимо примерно с высотой 50-этажного дома.
За один оборот лопасти гигантской турбины очерчивают круг площадью 50 000 кв. м (это более семи футбольных полей) и вырабатывают 34,2 кВт·ч энергии. Ожидается, что MingYang Smart Energy MySE 16-260 будет обеспечивать электричеством порядка 36 000 китайских домов. Ветрогенератор установлен на морской ветряной электростанции Фуцзянь в Тайваньском проливе. По заявлению Three Gorges Group, это место отличается тем, что там более 200 дней в году сила ветра превышает 51 км/ч (7-балльный штормовой режим).
16-мегаваттный ветрогенератор рассчитан на то, чтобы выдерживать скорость ветра до 287 км/ч — это даже больше силы тайфуна «Тип», который прошёл в Тихом океане в 1979 году и стал самым мощным тропическим циклоном в истории человечества. Предполагается, что объём вырабатываемой этой турбиной электроэнергии составит 66 ГВт·ч в год. При этом китайские специалисты не намерены останавливаться на достигнутом и продолжают наращивать размеры морских ветряных турбин. Так, Китайская государственная судостроительная корпорация уже строит турбину мощностью 18 МВт, она может быть запущена в ближайшем будущем.
Мегаконструкции. Самые большие ветрогенераторы
Siemens SWT-7.0-154
Кто говорил, что ветряки не способны конкурировать по мощности с атомными электростанциями? Посмотрите на самую большую в мире ветроэлектрическую установку Siemens SWT-7.0-154. С площадью ометания 18 600 м² этот гигант в одиночку генерирует максимальную мощность 7 МВт при скорости ветра 13-15 м/с. Несколько сотен таких ветряков — и вот вам атомная электростанция.
SWT-7.0-154 — это флагманская модель компании Siemens. В её названии зашифрованы генерируемая мощность (7 МВт) и диаметр ротора с лопастями (154 м). Она пришла на смену предыдущему флагману SWT-6.0-154, от которого практически не отличается по техническим спецификациям, но оснащён более мощными магнитами. Более сильное магнитное поле позволяет генерировать больше электроэнергии при том же диаметре. Другими словами, в этой ВЭН параметр снимаемой мощности с квадратного метра площади ометания выше примерно на 16,7%.
Ветрогенератор включается в работу на минимальной скорости ветра 3-5 м/с, а генерируемая мощность поступательно растёт до максимальной 7 МВт при скорости ветра 13-15 м/с. При достижении скорости ветра 25 м/с генерация прекращается.
Казалось бы, на таких скоростях ветра лопасти ВЭУ должны вращаться быстро, но это совершенно не так. На самом деле они вращаются неторопливо и степенно, делая всего 5-11 оборотов в минуту. То есть полный оборот три лопасти совершают примерно за 5-12 секунд, в зависимости от скорости ветра.
Более сильное магнитное поле в новой модели означает также и то, что эту турбину труднее раскрутить. Для достижения той же скорости вращения 5-11 оборотов в минуту и максимальной генерируемой мощности (7 МВт вместо 6 МВт) этой турбине требуется повышенная скорость ветра: 13-15 м/с вместо 12-14 м/с. Соответственно, и начальная скорость ветрогенерации у неё выше. Вот почему данная модель-гигант наиболее оптимально подходит для размещения на территориях с относительно сильными ветрами, лучше всего в море.
Внутри турбины нет редуктора (коробки передач) — здесь работает система прямого привода, подключенная к синхронному генератору переменного тока с постоянными магнитами. Поскольку скорость генератора определяет напряжение и частоту тока, то «грязный переменный ток» преобразуется в постоянный ток, а затем преобразуется обратно в переменный ток перед подачей в сеть.
В последние годы в области ветряной энергетики происходит очень быстрый научно-технический прогресс. Буквально каждый год появляются новые модели ВЭУ большей мощности и эффективности. Большие и маленькие, рассчитанные на целые посёлки или отдельные дома, на большую скорость ветра в море или на среднюю скорость ветра над крышей частного дома.
Например, мировой рекорд по максимальной генерируемой мощности принадлежит вовсе не Siemens, а другой турбине ещё одного немецкого производителя Enercon E126, которая выдаёт до 7,58 МВт. На видео показан процесс установки такой турбины.
Высота стойки Enercon E126 — 135 м, диаметр ротора — 126 м, общая высота вместе с лопастями — 198 м. Общий вес фундамента турбины — 2500 тонн, а самого ветрогенератора — 2800 тонн. Только электрогенератор весит 220 тонн, а ротор вместе с лопастями — 364 тонны. Общий вес всей конструкции со всеми деталями — 6000 тонн. Первая установка подобного типа была установлена около немецкого Эмдена в 2007 году, хотя в той модификации максимальная мощность была меньше.
Впрочем, ветрогенераторы-гиганты — довольно дорогое удовольствие. Один такой ветряк на 7 МВт обойдётся в $14 млн вместе с установкой, если заказывать все работы у сертифицированных немецких специалистов. Конечно, если освоить производство в своей стране, благо металла хватает, то стоимость вполне можно снизить в несколько раз. Кто знает, может такой гигантский проект национальной стройки занял бы население страны и помог выбраться из экономического кризиса.
Почему ветряки не заменят АЭС
Одна из самых последних строящихся в Восточной Европе атомных станций — Белорусская АЭС — получит два энергоблока с реакторами ВВЭР-1200 мощностью по 1200 МВт. Казалось бы, несколько сотен ветряков Siemens сравнятся с атомной электростанцией. Стоимость строительства примерно одинаковая, зато «топливо» бесплатное. Что интересно, Белорусскую АЭС как раз строят в районе, где по климатическим данным за 1962-2000 годы почти самая высокая среднегодовая скорость ветра в Беларуси. Но в реальности эта «самая большая» среднегодовая скорость ветра — всего лишь около 4 м/c (на высоте 10 м), чего едва хватит для запуска ВЭУ на минимальной мощности.
Перед установкой следует сверяться с годовой картой ветров в районе дислокации с данными средней удельной мощности ветрового потока на высоте 100 м и выше. Хорошо бы составить такие карты для всей территории страны, чтобы найти места наиболее оптимального строительства ВЭУ. Нужно иметь в виду, что скорость ветра сильно зависит от высоты, что хорошо известно жителям высотных домов. В обычных прогнозах погоды по ТВ сообщают скорость ветра на высоте 10 м над землёй, а для ветровой турбины следует измерять скорость на высоте 100-150 м, где ветры гораздо сильнее.
Так что наиболее оптимально такие гиганты подходят для установки в море, в нескольких километрах от побережья, на большой высоте. Например, если установить такие установки вдоль северного побережья России с шагом 200 метров, то максимальная мощность массива составит 690,3 ГВт (побережье Северного Ледовитого океана составляет 19724,1 км). Скорость ветра там должна быть приемлемая, только при заливке фундаментов придётся иметь дело с вечной мерзлотой.
Правда, по стабильности работы ВЭУ никогда не сравнятся с АЭС или ГЭС. Здесь энергетикам приходится постоянно следить за прогнозом погоды, потому что генерируемая мощность напрямую зависит от скорости ветра. Ветер должен быть не слишком сильным и не слишком слабым. Хорошо, если в среднем ВЭУ будут выдавать хотя бы треть от максимальной мощности.
- ВЭУ
- ветряная энергетика
- Siemens SWT-7.0-154
- Siemens SWT-6.0-154
- Enercon E126