Větrná energie | Věda a život

Doktor fyzikálních a matematických věd Alexander Solovjov, Kirill Degtyarev (Výzkumná laboratoř obnovitelných zdrojů energie, Geografická fakulta Moskevské státní univerzity pojmenovaná po M. V. Lomonosovovi).

Foto Igor Konstantinov.

Průmyslová větrná elektrárna, postavená v roce 1931 na Krymu, byla navržena v TsAGI a byla v té době největší na světě – její výkon byl 100 kW. Během Velké vlastenecké války byl zničen.

Rychlost růstu instalovaného výkonu větrné energie.

Růst instalované kapacity větrné energie v klíčových regionech. Zdroj: Global Wind Energy Council

Výška některých větrných generátorů dosahuje stovek metrů. Na fotografii: instalace jedné z turbín na větrné farmě Bear Mountain v Britské Kolumbii v Kanadě. Jedna taková větrná turbína dodává elektřinu 300 domácnostem.

Offshore větrná farma v Dánsku poblíž Kodaně. Umístění větrných generátorů na moři je dobrým řešením problému nedostatku místa pro stavbu výkonných větrných elektráren. Navíc díky mořskému vánku fungují větrné turbíny 97 % času.

Úroveň hluku z různých zdrojů. Zdroj: Ermolenko B.V., Ermolenko G.V., Ryzhenkov M.A. Environmentální aspekty větrné energie // Tepelná energie, 2011, č. 11.

Roční odhad úmrtnosti ptáků v Evropě. Zdroj: European Wind Energy Association, 2010.

Vítr je klasifikován jako obnovitelný nebo alternativní zdroj energie. Jeho výhody jsou zřejmé: vítr fouká vždy a všude, není třeba jej „dolovat“. Celkové světové zásoby větrné energie se odhadují na 170 bilionů kWh, neboli 170 tisíc terawatthodin (TWh), ročně, což je osminásobek současné světové spotřeby elektřiny. To znamená, že teoreticky by veškeré dodávky elektřiny na světě mohly být poskytovány výhradně větrnou energií. A pokud si připomeneme, že jeho využití neznečišťuje atmosféru, hydrosféru a půdu, pak se tento zdroj energie jeví jako ideální. Ale bohužel, všechno má své stinné stránky a větrná energie není výjimkou.

Využití větrné energie má dlouhou historii: jak staré jsou větrné mlýny a plachetnice? A větrné elektrárny se začaly stavět na začátku minulého století. Je třeba poznamenat, že jedním z vůdců v této oblasti byl ve 1930.–1950. letech 1931. století Sovětský svaz. V roce 1941 byla na Krymu u Balaklavy uvedena do provozu větrná elektrárna, která fungovala až do roku 30. Během bojů o Sevastopol byl zcela zničen. Nosná konstrukce větrné turbíny (stožár) byla postavena podle návrhu Vladimíra Grigorijeviče Šuchova. Větrná turbína s kolem o průměru 100 m a generátorem o výkonu 24 kW byla v té době nejvýkonnější na světě. Větrné turbíny v Dánsku a Německu v té době měly průměr kola až 50 m a jejich výkon nepřesahoval 70-XNUMX kW.

V letech 1950-1955 vyráběl SSSR 9000 400 větrných turbín ročně. Během rozvoje panenských území v Kazachstánu byla postavena první vícebloková větrná elektrárna pracující v tandemu s dieselovým motorem o celkovém výkonu 1930 kW, která se stala prototypem moderních evropských větrných elektráren a systémů větrné nafty. Zajímavou skutečnost přináší autobiografická trilogie čukotského spisovatele Jurije Rytkheua „Čas tajícího sněhu“. V jeho domovském táboře Ulak se koncem XNUMX. let objevilo elektrické osvětlení díky větrné turbíně, která dodávala elektřinu i sousední polární stanici.

Nicméně aktivní rozvoj větrné energie ve světě začal až v 70. letech minulého století. Předpokladem pro ni byly zhoršující se ekologické problémy (znečištění ovzduší provozem tepelných elektráren, kyselé deště aj.) spojené s rostoucími cenami ropy a přáním oslabit závislost západních zemí na dodávkách uhlovodíků ze SSSR a třetího světa. zemí. Ropná krize v letech 1973-1974 dala větrné energii dodatečný podnět a otázku jejího rozvoje přenesla na státně-politickou úroveň.

Nicméně postoj k větrné energii byl (a zůstává) nejednoznačný – spolu s nadšením se objevila skepse a nespokojenost, včetně kupodivu souvisejících s environmentálními aspekty. Zde je jeden příklad toho, co o tom napsal zahraniční tisk v roce 1994: „Nepříjemné paradoxní situace také nastávají, když jsou lidé nespokojeni s výstavbou větrných elektráren a často je blokují právě z ekologických důvodů – skupiny stanic vytvářejí hluk a vizuální znečištění elektráren. plocha.“

Podobné stížnosti na větrné turbíny zazněly například v Nizozemsku, kde větrné elektrárny podle názoru veřejnosti narušovaly tradiční vzhled území a podle kritiků není kam umístit tisíce turbín v země s vysokou hustotou obyvatelstva.

Od té doby se celkový instalovaný výkon větrných elektráren ve světě zvýšil 60–75krát. Objevily se obrovské stavby zvednuté do výšky stovek metrů. Výkon jednotlivých větrných generátorů dosahuje několika megawattů, gigawattové větrné farmy jsou srovnatelné s největšími „tradičními“ energetickými zařízeními – tepelnými, jadernými a vodními.

V roce 2012 dosáhl instalovaný výkon větrných elektráren ve světě 282 GW, což převyšuje celkový výkon všech elektráren v Rusku a je srovnatelný s výkonem všech jaderných elektráren planety. Poskytují však jen asi 2,4 % veškeré celosvětové elektřiny, i když v některých evropských zemích, jako je Dánsko nebo Španělsko, se jejich podíl blíží 20 %. To znamená, že větrná energie se nestala dominantní v celkovém systému výroby elektřiny na světě. A všechny ostatní obnovitelné netradiční zdroje energie, včetně přílivové energie, solární, geotermální energie, tvořily pouze 3,7 %.

Po několika desetiletích růstu, silné informovanosti a finanční podpoře obnovitelné energie by obrázek mohl být působivější. V Evropě a USA jsou totiž výrobci „zelené“ energie podporováni na státní úrovni. Portfolio společností zabývajících se prodejem energií musí zahrnovat zejména povinný podíl energie z obnovitelných zdrojů – pouze v tomto případě je prodej garantován. Mnoho zemí má navíc daňové pobídky pro výrobce obnovitelné energie. Mezitím po rychlém nárůstu počtu generátorů větrné energie v posledním desetiletí a půl došlo k mírnému zpomalení: v letech 2011-2012 byla rychlost uvádění instalovaných kapacit větrných elektráren do provozu nejnižší za posledních 16 let. let.

To je patrné zejména v Evropě. Možná je takové zpomalení spojeno s vypuknutím hospodářské krize, ale pravděpodobný je i další důvod – územní „zdroje“ Starého světa jsou téměř vyčerpány, to znamená, že v Evropě prostě není kde stavět větrné elektrárny. Podle Bloomberg New Energy Finance v roce 2012 investice do obnovitelných zdrojů energie ve světě jako celku klesly o 11 %, zatímco v asijských zemích nadále rostly. Je třeba dodat, že před 15 lety byla více než polovina veškeré kapacity větrné energie na světě ve Spojených státech, pak se Evropa prudce prosadila a v posledních letech převzala vedení Čína.

Dobře, ale ne levné

Větrné elektrárny jednoznačně zaostávají za jadernými elektrárnami a vodními elektrárnami ve využití instalovaného výkonu. Pokud u jaderných elektráren je to 84 %, u vodních elektráren – 42 %, pak u větrných elektráren – pouze 20 %, což je způsobeno povahou samotného zdroje energie: vítr nefouká vždy dostatečnou silou. To znamená, že větrné elektrárny jsou 2-4krát méně produktivní než klasické elektrárny a pro získání stejného množství elektřiny je jich potřeba postavit 2-4krát více. To znamená další prostor a materiály, což znamená větší škody na životním prostředí (ať už je to cokoliv) v přepočtu na kilowatt vyrobené elektřiny.

Podle Ruské asociace větrného průmyslu (RAWI) dosahuje spotřeba kovu moderního větrného generátoru o výkonu 3 MW 350 tun. Pokud tepelná elektrárna o výkonu 1 GW vyžaduje plochu řádově několik hektarů, pak je třeba na větrnou farmu o stejné kapacitě vyčlenit tisíce hektarů. A přestože je možné provozovat jiné ekonomické aktivity a dokonce žít na území větrné farmy, do hry vstupují majetkové vztahy – je vyžadován nákup nebo pronájem velkého pozemku.

Náklady na výstavbu větrné elektrárny jsou cca 1500 2000 – 1 XNUMX USD na XNUMX kW instalovaného výkonu, což je srovnatelné s náklady na výstavbu jaderné elektrárny a několikanásobně vyšší než investiční náklady na výstavbu tepelné elektrárny. Vysoce výkonné jednotky – s velkou výškou stožáru a velkým průměrem radlice, pracující v podmínkách silného větru a mrazu – vyžadují zvýšenou spolehlivost, což znamená dodatečné náklady na konstrukci a údržbu.

Náklady na 1 kW vyrobené elektřiny ve větrné elektrárně také nejsou ve skutečnosti nulové. Evropské zkušenosti ukazují, že celkové provozní náklady jsou 0,6-1 eurocent na 1 kWh a u strojů s životností delší než 10 let se náklady zvyšují na 1,5-2 eurocenty na 1 kWh. V souladu s tím je to 24-40 a 60-80 kopecks za 1 kWh. Pro srovnání, náklady na výrobu 1 kWh ve vodních elektrárnách a jaderných elektrárnách jsou asi pár kopějek, u tepelných elektráren je to při současné úrovni cen uhlovodíků asi 1 rubl/kWh.

Musíme tedy hovořit o „obnovitelnosti“ určitých zdrojů energie s velkou mírou konvence. K vytvoření energetických zařízení využívajících tyto zdroje je totiž nutné vynakládat neobnovitelné materiály (zejména kovy), jejichž těžba a zpracování není vždy ekologické.

Co se týče rozvoje větrné energetiky velkého rozsahu, brzdí jej především výše zmíněná vysoká spotřeba kovů, složitost projektů větrných elektráren, potřeba velkých ploch, nízká produktivita a nedostatečná provozní stabilita. Kromě toho mohou být ohroženy takové pobídky pro rozvoj větrné energie, jako je vyčerpání zásob uhlovodíků a antropogenní oteplování klimatu. Existuje mnoho důkazů o tom, že zásoby uhlovodíků jsou velké a že role lidí v globální změně klimatu a samotná změna klimatu jsou diskutabilní otázky.

Vítr, stejně jako další alternativní zdroje obnovitelné energie, však zůstává poměrně perspektivní. Je pravda, že podle odborníků začne v nadcházejících desetiletích hrát v globálním sektoru alternativní energie „první housle“ solární energie, nikoli větrná energie. Výhody solární energie jsou jasné – do budoucna jde o kompaktnější a materiálově méně náročné systémy a slunce je relativně stabilní a předvídatelný zdroj energie.

Větrné turbíny – pro ekologii?

Ekologové mají mnoho stížností na větrnou energii. Jedná se o hluk, infrazvukové vibrace a vibrace vznikající při provozu lopatek, které mají negativní vliv na lidi, zařízení a zvířata. Větrné mlýny nejen narušují obvyklou, příjemně vypadající krajinu, ale obrovské rotující lopatky ovlivňují lidskou psychiku. Zvířata a ptáci se přestávají usazovat v oblasti větrných elektráren. Existují rizika spojená s oddělením lopatek a dalšími nehodami na velkých větrných elektrárnách. Kromě toho, když mnoho větrných generátorů pracuje na velkých plochách, je možný místní pokles síly a změna konfigurace větrů. Další problém je způsoben nutností likvidace nožů, které již dosloužily.

Které z těchto nedostatků a rizik jsou imaginární a které reálné, napovídají dvacetileté zkušenosti s využíváním větrné energie v hustě osídlené Evropě. Obavy spojené s infrazvukem a provozem lopatek se tedy nepotvrzují – o tom svědčí i hodnocení hladiny hluku a úhynu ptactva, ze kterého je zřejmé, že hluk ve vzdálenosti 350 m od větrné elektrárny je jen nepatrný vyšší než pozadí. A počet ptáků, kteří zemřeli na srážky s větrnými mlýny, je třiapůltisíckrát menší než například na setkání s kočkami.

V takových hodnoceních samozřejmě existuje nuance: hodně závisí na počtu větrných elektráren. Při současném počtu jsou škody opravdu minimální, ale co se stane, když větrných elektráren bude výrazně více?

Při srovnávacím hodnocení počtu umírajících ptáků je navíc nutné vzít v úvahu, o jakém druhu mluvíme. Kočky loví pěvce a při srážkách s větrnými elektrárnami v dostatečně vysokých nadmořských výškách mohou uhynout vzácnější a cennější druhy ptactva. Narušení migračních tras ptáků by se nemělo podceňovat.

Celkové škody na životním prostředí větrnou energií jsou však výrazně nižší ve srovnání s „tradičními“ způsoby výroby energie. V Evropě se vnější negativní sociální a environmentální efekt* na 1 kWh vyrobené elektřiny odhaduje na 0,15 centu pro větrnou energii, 1,1 centu pro plynové tepelné elektrárny a 2,5 centu pro uhelné elektrárny.

Výjimkou je problém recyklace lopatek větrných turbín vyrobených z kompozitních materiálů. Faktem je, že životnost lopatek je 20-25 let a první postavené jsou již blízko vyčerpání své životnosti. Tento problém bude obzvláště akutní v roce 2020, kdy bude celková hmotnost používaných lopatek ve světě činit 50 000 tun a do roku 2035 vzroste na 200 000 tun.

V současné době existují dva hlavní způsoby recyklace čepelí vyrobených ze skleněných vláken: mechanická a tepelná. První metoda zahrnuje mechanické drcení vláken a granulí, které tvoří kompozitní materiál čepelí, které se pak používají jako suroviny pro výrobu produktů nízké kvality. Ve většině případů jsou však turbíny, které vyčerpaly svou životnost, podrobeny tepelnému zpracování, to znamená spálení. Jde jednoznačně o „antiekologický“ způsob likvidace, který na pozadí výroků o „ekologické“ větrné energii vypadá o to absurdněji. V tomto případě je obsah popela ve spálené hmotě (podíl nespalitelného anorganického zbytku na celkové hmotě materiálu) asi 60 % a vzniklý popel vyžaduje zahrabání.

Specialisté Ruské chemické technické univerzity pojmenovaní po. D.I. Mendělejev věří, že pyrolýza (zahřívání bez kyslíku na 500 °C) je pro zpracování lopatek slibnější. Vzniklé látky (pyrolyzát) lze použít k výrobě pěnového skla a skleněných tvárnic a plyn vznikající při pyrolýze lze spalovat na výrobu elektřiny.

Ruské vyhlídky

V současné době celkový instalovaný výkon větrných elektráren v Rusku nepřesahuje několik desítek megawattů a podíl větrné energie na celkovém objemu výroby elektřiny je zanedbatelný. Současně se realizuje několik velkých projektů, především ve stepních oblastech na jihu země a v pobřežních zónách. Je pravděpodobné, že situace s větrnou energií se může v příštích letech výrazně změnit.

Velké prostory, relativně nízká hustota obyvatelstva a ekonomická vybavenost výrazně snižují environmentální rizika provozování větrných elektráren v Rusku ve srovnání s evropskými zeměmi. Velké vzdálenosti a špatně rozvinutá dopravní infrastruktura zároveň komplikují rozvoj větrné energie a vytvářejí další potíže při obsluze větrných turbín a větrných elektráren.

Dalším poměrně zřejmým důvodem slabého rozvoje větrné energie v Rusku je přítomnost velkých zásob uhlovodíků a levnějších energetických surovin. Jak již bylo zmíněno výše, objev a rozvoj velkých nalezišť ropy a zemního plynu připravil SSSR, který byl kdysi jedním ze světových lídrů ve větrné energii, o rozvojové pobídky v této oblasti. Nicméně zažitý názor, že alternativní energii (a zejména větrnou energii) nepotřebujeme, nemá opodstatnění. Množství ropy a plynu v naší zemi by se nemělo přehánět a současná úroveň dostupnosti energie je nedostatečná pro plný socioekonomický rozvoj, který vyžaduje hledání nových zdrojů energie. Ruští spotřebitelé čelí vysokým nákladům na připojení k energetickým sítím a je pro ně výhodnější využívat místní obnovitelné zdroje, včetně větrné energie. Navíc více než 70 % území naší země, kde žije asi 20 milionů lidí, je mimo systém centralizovaného zásobování energií.

Nelze opomenout, že naše země má největší potenciál větrné energie na světě – asi 40 miliard kWh elektřiny ročně. To znamená, že provoz velkých a zejména malých větrných elektráren přes rozlehlé ruské prostory by mohl být efektivnější. Oblasti ruského severu, a zejména Obský záliv, poloostrov Kola, většina pobřežního pásu Dálného východu, patří mezi největrnější zóny podle světové klasifikace. Průměrná roční rychlost větru ve výškách 50–100 m, pro kterou se moderní větrné turbíny vyrábějí, je 11–12 m/s, což je dvojnásobek tzv. ekonomického prahu větrné energie spojeného s návratností větrných elektráren.

Komentáře k článku

* Dodatečné přímé a nepřímé náklady, které musí nést stát, další ekonomické subjekty a lidé z důvodu činnosti tohoto podniku, například na čištění vody a vzduchu, na úpravu atd. Je samozřejmě nepravděpodobné, že by takové výpočty byly příliš přesné a existuje prostor pro spekulace jedním či druhým směrem.