Уходим в море

Судно "Фрам" Ф. Нансена,
март 1894 года.

Существуют различные мнения о том, что считать началом выхода ветроэнерегетики в море. Некоторые указывают на норвежского полярного исследователя Фритьофа Нансена, который ещё в 1893 году установил на своём судне "Фрам" ветрогенератор. Электричество на "Фраме" использовалось для дуговых ламп; команда нуждалась в освещении в сумрачных полярных широтах. Ветряк отработал две полярные зимы на зажатом во льдах судне. Безумно храбрая экспедиция несомненно обошлась бы и без него, взяв на борт дополнительный груз керосина, но как это было в духе Нансена! Отправиться в путешествие заперев себя в ледяной ловушке, не зная наверняка сколько лет продлится путешествие, мог только человек с очень необычным мышлением. В тоже время, нельзя не отметить, что именно такие люди увлекались ветряными машинами. Первенство Нансена в морской энергетике оспаривается на том основании, что "Фрам", вытесненный льдами из моря, скорее был на суше, чем в воде, поэтому его ветрогенератор наземный.

Следующим в очереди на первенство отмечен проект плавучего ветрогенератора Хоннефа, созданный в тридцатых годах прошлого века. О нём уже говорилось и добавить нечего, можно только повторить, что проект этот так никогда и не был осуществлён, а потому не считается.

Далее соревнование переходит к известной нам фирме F.L.Smidth & Co. Она и здесь успела отметиться. Во время второй мировой войны один из её ветряков был установлен непосредственно в море, правда, всего в нескольких метрах от береговой линии, не ради моря как такого, но просто из-за нехватки места на берегу. В Дании вообще не так много разницы между сушей и морем, особенно во время дождя. У этого ветряка хорошие шансы на победу, но, к сожалению, о нём мало что известно.

Ближе к нашему времени относятся упражнения доктора Хюттера. В 1958 году он разместил один из своих малых ветряков WE-10 на нефтяной платформе вблизи Мексики. В ходе испытаний исследовались ветряные ресурсы моря. Как и ожидалось, ветер в море оказался сильнее, чем на суше. По мнению многих историографов, именно это событие является началом использования ресурса морского ветра. Тут я не могу согласиться, поскольку использования никакого не было, одни только эксперименты. И, кстати, тогда отнюдь не в первый раз ветряк появился на нефтяной платформе. Ещё Красовский в двадцатых годах установил ветряк для бакинских промыслов. Правда о нём вообще ничего неизвестно, даже то, был ли он оснащён генератором, либо использовался как механический привод для насоса.

В конце концов, вопрос о приоритете не так важен. Тем более что теперь никому из вышеперечисленных медаль уже вручишь. В наши дни ветряные ресурсы моря используются морскими ветропарками (offshore wind farm), поэтому правильно будет упомянуть первый из них. Он был развёрнут в проливе Каттегат, отделяющем Ютландию от Скандинавии, в паре километров от северо-восточного берега острова Лолланн (Lolland) в 1990-91 гг. и получил говорящее название Виндеби (Vindeby), "Ветряная деревня". Парк был оплачен датской электросетевой компанией Ekraft (ныне часть DONG) и состоял из 11 турбин производства фирмы "Бонус".

Среднегодовая скорость ветра на высоте 10 м над площадками типа аэропорта.

Ветряной ресурс морей превосходит наземный в среднем примерно на пару м/с, в чём можно убедиться, взглянув на карту вверху. Тому есть две причины. Во-первых, это рельеф, на море ветер беспрепятственно разгоняется, в то время как пересечённая поверхность запутывает его, турбулизирует, а то и просто запирает в ловушках. На скорость ветра в приземных слоях влияют даже небольшие неровности вроде деревьев и сельских домов. Мы же помним, что слой воздуха, непосредственно примыкающий к поверхности, вообще никуда не движется относительно её. Скорость потока увеличивается по мере отдаления от поверхности, а её рост существенно зависит от шероховатости поверхности. Впрочем, ветер не всегда тормозится рельефом, он напротив может им разгоняться, как это происходит в долинах Калифорнии. На карте видно, что даже в океане, омывающем берега Калифорнии, ветер не очень силён, но среди холмов можно подобрать ветреные места, на карте неуказанные, поскольку она такие особые участки игнорирует. В таких местах сильна и турбулентность тоже, но за всё надо платить. Во-вторых, главные источники ветров, тёплые морские течения расположены в морях, как это ни странно. Теплые течения из низких широт перемещаются в высокие, где нагревают холодный воздух, он расширяется, и получается ветер. На карте места, где тёплые течения проникают в зоны с холодным воздухом, хорошо заметны по окраске. Малиновое пятно между Гренландией и Великобританией, например, есть то самое место, куда проникает Гольфстрим и где рождаются "атлантические циклоны".

Однако, это отступление в область ветроразведки сделано только по оказии, к ветропарку Виндеби оно не особенно относится. Выйти в море датчан заставило не соображение бОльшей продуктивности, а нехватка места. На карте пролив Каттегат, окружённый со всех сторон сушей, попадает в жёлто-зелёную зону, как и вся остальная Дания. Как уже было сказано, море и суша в этой стране мало отличаются друг от друга; глубина пролива в районе Виндеби всего несколько метров, как и высота окружающей его суши. Хотя за счёт водной глади ветер в проливе чуть сильней. Недостаток места для ветряных турбин образовался из-за ограничений, наложенных правительством на размещение ветряных электростанций, о чём уже говорилось прежде. Кроме того, турбины "датского стандарта" с неподвижными лопастями сильно шумели, что также накладывало ограничения на их размещение. Поэтому ещё в 1987 году министерство энергетики Дании образовало Комитет по морским ветропаркам, который занялся решением проблемы. В 1989 году Elkraft выразил намерение построить ветропак в рамках 100-мегаваттного контракта правительства и разместил тендер на поставку турбин, который выиграла фирма "Бонус".

"Бонус" перешёл 100-киловаттный рубеж ещё в 1985 году, к девяностому в его арсенале появились турбины на 450 киловатт. Для Виндеби была создана специальная версия такой турбины, полностью герметичная, поскольку ветер на море солёный, что не нравится электротехнике, да и просто движущимся частям машин. Для охлаждения турбины приспособили дополнительный внешний теплообменник. В остальном же это была обычная турбина B35/450, продолжатель линейки "Датского дождя" с 1980 года. Вот её основные параметры:

Ротор

• Диаметр 35 метров
• 3 лопасти
• макс. скорость вращения 35 об/мин
• неподвижные лопасти
• высота оси 35 метров
• наветренное расположение

Механизм B35/450 в стандартной комплектации,
из рекламного проспекта.

Редуктор

• трёхступенчатый
• передаточное отношение 43
• планетарный

Генератор

• асинхронный переменного тока 50 Гц
• 450 кВт активной мощности
• синхронная частота 1500 об/мин
• 690-400 В

Гондола

• активное управление курсовым углом
• сервопривод

Башня

• стальная труба 
• высота 32,7 метра

Рабочие характеристики

• минимальная скорость ветра 4,5 м/с
• номинальная скорость ветра 14,5 м/с
• максимальная скорость ветра 25 м/с

• срок эксплуатации 223000 часов (для парка Виндеби)
• полная наработка энергии на одну турбину 22 млн. кВт*ч (для парка Виндеби)

Ветропарк Виндеби состоял из 11 турбин общей мощностью 4,95 МВт, расположенных двумя параллельными рядами. Расстояние между рядами и между турбинами в одном ряду было одинаковым; 8,5 диаметров ротора турбины, то есть 300 метров примерно, что намного больше расстояния между турбинами в Маснедё (который весь в длину был таким).

Парк Виндеби, фото "Сименс".

Для установки турбин разработали специальные фундаменты. В сухом доке строили пустотелые бетонные конусы, которые поэтому могли плавать в воде. После постройки док затапливали и конусы отбуксировали к месту установки. На месте полости заполняли песком, из-за чего фундаменты тонули и ложились на дно. Никакого другого крепления ко дну, кроме силы тяжести, не предусматривалось. Стойкие оловянные солдатики. Затем на фундаменты краном устанавливались уже собранные турбины, которые попарно доставлялись специальным судном. Решение не самое удачное, зато простое. Благо глубина воды на месте была совсем небольшой: 2-4 метра. Также вокруг оснований была предусмотрена специальная защита ото льда, который случается в тех местах (на фото вверху).

Бетонные основания для парка Виндеби,
из ежегодного отчёта МЭА за 1991 г.

Парк со всеми делами, включая двухлетнюю программу экспериментов, обошёлся в 10,5 миллиона экю (ныне евро). К сожалению, мне неизвестны расходы на его дальнейшую эксплуатацию, а также демонтаж и утилизацию останков, которые, к слову сказать, происходят в этот момент (начало 2017 года). Это обидно, поскольку можно было бы прикинуть среднюю стоимость киловатт-часа для полного жизненного цикла ветряной электростанции. Тут мы имеем дело с историей, которая ещё не успела закончиться. Уже и "Бонуса"-то нет, и Elkraft'а тоже, а от Виндеби ещё что-то осталось.

Если вернуться к таблице с параметрами B35/450, то самое удивительное в ней, это цифры наработки, которые прежде нам нигде не встречались, даже у Твинд. Парк Виндеби был разработан на срок эксплуатации 25 лет. Это не чудо, и прежде были проекты и на 20, и на 30 лет, только на практике они рассыпались через пару лет реальной работы. Парк же Виндеби отработал столько, сколько ему было положено и даже чуть больше -- 25 с половиной лет, четверть века. С середины 1991 года и до конца 2016-го. Эти страницы начали писаться ещё при его жизни.

Однако, кое-что всё таки можно посчитать. Во-первых, это коэффициент использования установленный мощности (capacity factor), который нам уже доводилось считать. Поделим выработку ветропарка (243 ГВт-ч) на срок эксплуатации (223533 ч) и получим среднюю мощность -- 1,09 МВт. Отношение средней мощности к установленной (4,95 МВт) даст искомый коэффициент -- 22%. Немного, нынче добиваются и 40%, и более. Здесь можно найти более точный и подробный расчёт. По ссылке видно, что выработка не сильно менялась за время эксплуатации, только в прошлом году пошёл спад. Значит, крупных аварий сразу на нескольких турбинах не было.

Во-вторых, всё-таки хочется прикинуть стоимость, хотя считать чужие деньги нехорошо, но есть же бухгалтеры, можно поставить себя на их место. Поделим затраты строительства (10,5 млн. евро) на выработку (243 ГВт-ч) и получим цену киловатт-часа: 4,3 евроцента за киловатт. Конечно, экю в девяностом был в пару раз тяжелей нынешнего евро, были также эксплуатационные затраты. С другой стороны, ныне научились более эффективно использовать установленную мощность, а стоимость самой установленной мощности снизилась. Подобные расчёты и рассуждения были проведены официальными лицами, ведающими государственными расходами в Европе, и сделаны соответствующие выводы. В частности, сокращены, а то и вовсе ликвидированы субсидии и ужесточены требования к установке турбин. Что, в общем-то, хорошо, если вспомнить доклад Брунтланн.

Вот так, почти сто лет ушло на то, чтобы от первой реализации идеи Нансеном дойти до экономически состоятельного применения морского ветра в народном хозяйстве. Потому что как ни крути, а Нансен был первым, хотя Северного полюса так и не достиг. И, наверное, неслучайно, что от предместья Осло, где родился Нансен до Виндеби всего 550 километров строго на юг, по проливу Каттегат.

Назад

К оглавлению

Вперёд