Знакомиться с политическими взглядами и личной философией творческих работников всё равно как интересоваться именем и любимыми привычками барашка, которого сейчас ешь.
под писка
Сообщения
Все комментарии
вторник, 27 июня 2017 г.
вторник, 20 июня 2017 г.
воскресенье, 18 июня 2017 г.
Ветер в лицо (Послесловие)
Do you believe in life after love?
Cher
История, конечно, не остановилась, но говорить о том что случилось за то короткое время, которое прошло с момента падения нефтяных цен в 2014 году слишком рано; здесь работает так называемая "аберрация близости" (пожалуй, единственно полезное понятие, введённое в дискурс Л.Н. Гумилёвым). Помимо того, что лицом к лицу лица не увидать, как писал классик, надо принять во внимание то обстоятельство, что сведения о новейших достижениях техники можно почерпнуть в основном из рекламных источников, которые грешат субъективностью и пока не имеют долговременной проверки опытом. Так что, отложим этот труд лет на десять. Лучше заглянуть немного в будущее, это так же безосновательно и безответственно, зато интересно.
Начнём с технических усовершенствований, которые могут претерпеть ветряные машины. Несмотря на то, что датский стандарт представляется каким-то уже необсуждаемым вариантом, на самом деле это не так. Всё ещё обсуждается оптимальное количеств лопастей, у ветряков с горизонтальной осью, а теория машин с вертикальной осью до сих пор не создана, поэтому их нельзя корректно сравнивать с традиционными ветряками. На практике действительно "кухонные венчики" оказываются много хуже, но отдельные примеры не доказывают общего правила, так что некое поле свободы здесь остаётся. Предпринимаются попытки обойти предел Бетса с помощью "ветряных линз" (wind lens). Мне они напоминают попытки лысенковских селекционеров по выведению многоколосковой пшеницы. В каких-то применениях они могут оказаться востребованными, хотя вряд ли. Кстати, о пшенице. В 2016 году компания "Вестас" установила ветрогенератор с четырьмя трёхлопастными ветряными колёсами на одной башне. Посмотрим, во что это выльется. Идея, в общем-то, не нова. Ещё Уфимцев с Ветчинкиным носились с этой идеей.
Кстати, об Уфимцеве. Другая его идея с аккумуляцией ветряной энергии гироскопом также нашла последователей, в Австралии на рубеже нового века. Но что-то не пошло и у антиподов тоже. В то время как проблема как нельзя актуальная, потолок доли ветряной энергии никуда не делся. Решение проблемы продвигается в различных направлениях. Совершенствуется традиционный способ хранения электричества: аккумуляторы. Их широкое распространение упирается в использовании в их конструкции редких металлов, лития, в первую очередь. В последнее время делаются попытки заменить их двумерными материалами, состоящими из распространённых элементов (графен и ему подобное). Возможно здесь будет найдено недорогое решение. Хотя, кто знает, может быть, решение лежит в какой-то совершенно другой стороне, в накопителях электричества без двумерной структуры, в каких-нибудь плазмоидах или других фантастических устройствах. Кроме того, создаются экспериментальные полупромышленные установки по синтезу химических веществ с помощью ветряного электричества, тоже уже древняя технология, которую всё никак не удаётся довести до ума. Ограничение здесь просматривается одно: дороговизна электроэнергии и катализа по сравнению с традиционными методами химической промышленности и добычи углеводородов. Технически задача была решена ещё в третьем рейхе. Пока делается упор на получение водорода и аммиака, оно наиболее простое, а потребность в этих веществах высокая. Не выбрасывается на помойку и другая старая идея, о связки ветряных и гидростанций в единый бесперебойный и легкорегулируемый источник энергии. В Германии особые надежды возлагаются на Норвегию, вырабатывающую половину гидроэнергии континента. Причём в случае с Норвегией для сглаживания неравномерности ветряной выработки могут использоваться обычные проточные гидростанции, а не аккумулирующие, вызывающие большие нарекания со стороны природоохранных деятелей; к тому же КПД последних невелик. В случае обычных гидростанций, они будут включаться преимущественно при глубоком штиле в Германии (для чего их следует переоборудовать и подвинуть вправо по мэрит-ордеру, фигурально говоря). Аналогичные системы могли бы быть построены в российском Поволжье (волжский гидрокаскад и ветропарки Жигулей, степного левобережья, Калмыкии и Урала) и на Дальнем востоке (гидростанции притоков Амура совместно с ветропарками Приморья).
 |
| Презентация проекта линии электропередач между Норвегией и Германией. |
Однако, есть и другой подход к сглаживанию: подстройка потребления к выработке. Во-первых, существуют потребители, для которых перепады в поставках энергии не критичны, поскольку они сами содержат в себе аккумулирующие элементы. Таковыми, например, являются крупные системы кондиционирования воздуха, обслуживающие целые городские кварталы. Такая система включает в себя тепловой насос (преобразуемый в холодильник), накопитель тепловой энергии (как тепла, так и холода) и распределительный трубопровод. Часовые колебания питания для такой системы не будут заметны конечным пользователям благодаря инерции накопителя. Уже теперь отдельные домохозяйства удаётся отапливать используя только электроэнергию, получаемую по дешёвому ночному тарифу. Накопители большего объёма будут обладать ещё большей инерцией, что позволит им "голодать" целыми сутками, подпитываясь в часы дешёвого электричества. Частная, казалось бы, задача, но на отопление тратится половина всей энергии, потребляемой человечеством. Во-вторых, сверхдешёвые тарифы могут стать доступными и для индивидуальных потребителей по мере совершенствования "умных домов". Такой дом, оснащённый аккумуляторной батареей на подобие тех, производство каких теперь осваивает "Тесла", будет подключаться к сети по "биржевому" тарифу. Конечно, потребуется много усилий, чтобы создать и отрегулировать такую систему, состоящую из миллионов пользователей, но в компьютерный век в ней не видится ничего невозможного. Кстати, о "Тесле". Увеличение числа электромобилей с подзарядкой их в ночные часы также будет способствовать решению проблемы. Вряд ли потребители откажутся подзаряжать свои машины с доплатой по биржевому тарифу.
Управление производством и потреблением электричества нужно не одной только ветроэнергетике, и даже не одному производству энергии из возобновляемых источников, но всему народному хозяйству, как это называется, поэтому подходящие решения несомненно найдутся. Много внимания этой теме здесь было уделено лишь потому, что её очень любят поднимать противники ветра. Но совершенствование управления требуется и самим ветряным машинам. Их лопасти становятся всё больше, и для повышения эффективности требуется внедрение в их конструкцию не только пассивных, но и активных элементов, подобных устройствам механизации крыла самолёта, которыми тоже нужно управлять. Современные ветрогенераторы не работают поодиночке, управление ансамблем ветропарка тоже отдельная, новая наука (wake management), небольшую часть становления которой нам удалось отследить.
Развитие всё ещё происходит и экстенсивным путём, ветрогенерацией обзаводятся новые страны и регионы. Ширится продвижение ветряных мельниц в море. Появился интеграционный проект строительства искусственного острова на Доггер банке в Северном море. Остров, окружённый ветропарками, будет снабжать электричеством десятки миллионов людей в прибрежных странах, на нём будет находится необходимая инфраструктура для технического обслуживания всего хозяйства и временное жильё для персонала.
Ветряки забираются в непроходимые места и неудобья, учатся строить себя сами, как кран фирмы "Лахервей" (Lagerwey) из рекламного ролика внизу. Ему достаточно пятачка под фундамент башни, чтобы развернуть всю ветроустановку.
А ведь расти приходится всё выше и выше. Не только потому, что становятся больше ротора турбин, но и потому что выше над землёй ветер сильнее. Особенно усердствуют в этом направлении китайские товарищи, которым приходится устанавливать много турбин в зонах слабых ветров. Башни "Голдвинда", например, уходят в высоту на полторы сотни метров. Но есть и куда более радикальные проекты и опытные экземпляры машин, покинувшие бренную землю и парящие в небе на высоте, где не стихают ветры штормовой силы. Они удерживаются в воздухе либо самой силой ветра, как воздушные змеи, либо плавают в воздухе как дирижабли.
Происходят тектонические подвижки в финансовом секторе. На смену дикой смеси министров и авантюристов в отрасль приходят солидные инвесторы. Ветропарками заинтересовались пенсионные фонды и уже сделали первые вложения. Их интерес, в первую очередь, вызывают фиксированные на долгий срок тарифы на ветроэнергию, приходящие на смену всем остальным видам дотаций. Возможность получать небольшой, но гарантированный доход на протяжении двадцати -- тридцати лет, это именно то, что им нужно. Хороший свечной заводик на старость. Долгим инвестициям способствует и низкая инфляция, надолго установившаяся в развитых странах. Многим она не нравится, но так ли она плоха? Пусть об этом судят экономисты.
Короче говоря, впереди много дел. Их нельзя все предугадать, поскольку никто не знает будущего, так что вышеперечисленное лишь произвольный набор, который через десять лет покажется смешным. Но без планов на будущее тоже скучно жить, ибо потом не над чем будет смеяться. И, всё таки, существуют некоторые тренды, которые настолько могущественные, что их никак нельзя обойти. Запасённые Землёй ресурсы исчерпаемы. Если мы не сможем выкачать всю нефть, то мы сожгём весь кислород в атмосфере, превратив Землю в Венеру. Кстати, о Венере, основываясь на анализе её поверхности, планетологи высказывают мысль о том, что всего несколько сотен миллионов лет назад планета претерпела климатическую катастрофу, причины которой не вполне ясны, хотя почти по всем параметрам Земля и Венера близнецы. Впрочем... скорей всего причина в отсутствии у Венеры магнитного поля и медленного вращения её. Не следует выдумывать сущностей сверх необходимых.
Если люди хотят прожить на Земле ещё хотя бы миллион -- другой лет, то им надо перейти на что-то постоянное, а что может быть более постоянным, чем переменчивый ветер? На всех известных нам планетах с атмосферой (включая Титан) дуют ветра. Древнейшие геологические породы Земли -- частицы кварцита, почти ровесники Солнечной системы, скорее всего продукты эоловой эррозии. Так что с источником энергии нет проблем, осталось сделать такими же долговечными машины, его использующие. Шутка. Для начала бы продлить срок службы машин хотя бы до полувека. Фантастика? Отнюдь. Генератор турбины Твинд старше. Космическому аппарату Кассини, исследовавшему систему Сатурна, включая Титан -- двадцать лет. Миллиарды километров пути, жёсткое ионизирующее излучение, метеориты, и ни одного технического обслуживания и ремонта, а ведь это техника двадцатилетней давности.
В этом, пожалуй, и состоит главный вызов человечеству при переходе к новому, устойчивому развитию: способность не только мыслить, но действовать во временных масштабах сравнимых и превышающих человеческую жизнь. Когда лесник высаживает дерево, он не надеется его пережить, наоборот. И здесь мне кажется очень символическим, что первый ветростроитель нашего времени был плотником.
вторник, 13 июня 2017 г.
суббота, 10 июня 2017 г.
Конец прекрасной эпохи
В комнате с белым потолком,Появление ветрогенераторов мегаваттного класса в конце ХХ века привело к увеличению ежегодного прироста установленных мощностей примерно вдвое, но после 2001 года рост прироста остановился, как можно видеть на диаграмме внизу (синие столбики). Возобновился он только в 2005-м, но в 2010-м вновь началась стагнация. Случилась стагнация роста, разумеется, объём же установленных мощностей всё ещё увеличивался, но его рост сменился с экспоненциального на линейный.
С правом на надежду...
И. Кормильцев
 |
| Накопленные установленные мощности по годам. Их ежегодный прирост. Из отчёта GWEC за 2010 г. |
Смена тенденции становится очевидна при рассмотрении последующего хода событий. Внизу приведены диаграммы (цвета столбиков за семь лет поменялись), аналогичные предыдущим и взятые из того же источника, GWEC (Global Wind Energy Council -- Всемирный совет по ветроэнергетике). Любопытно, что не смотря на то, что данные исходят из одного и того же источника, они слегка разнятся в промежутке 2005-2010 гг.. Такое разночтение также указывает на начавшиеся кризисные процессы. Отчасти, вероятно, разночтения связаны с экстенсивным распространением ветроэнергетики в мире, в Китае, в первую очередь. Китай страна не слишком открытая, статистику по Китаю трудно собирать, а потом приходится её подчищать, просто уже потому, что не то и не так учли, даже без всякой злонамеренности.
 |
| Тоже самое по данным GWEC за 2017 г. |
Мы видим, что начиная с 2009 года рост оставался практически постоянным, а 2013 году случился локальный минимум. Этот год следует понимать как окончание детства ветроэнергетики. Она уже более не нуждалась в поблажках и попечительстве, стала на равных конкурировать с прочими отраслями энергетики. Можно даже указать конкретную дату завершения становления ветроэнергетики: 1 июня 2014 года.
Разумеется, эта дата условная, как и конец истории ветроэнергетики. Тот, кто читал книгу Ф. Фукуямы "Конец истории", понимает, что наше восприятие конца истории отчасти связано с её циклическим ходом, а в другой части с нашим литературным восприятием истории как таковой. В каждой истории мы привыкли видеть драматургию с её завязкой, кульминацией и развязкой. Всё то, что хорошо нам известно по сцене, и то, чего никогда не бывает в реальной жизни. История процесс непрерывный. Поэтому в указанную дату никто не заметил конца истории ветроэнергетики (все были заняты другими вещами), но мы можем его отметить задним числом.
Кстати, о бренте. Если сравнить рост его цены в период с середины двухтысячных годов до конца десятилетия, то можно обнаружить некоторое сходство с ростом устанавливаемых мощностей ветрогенерации. Однако, я бы не стал останавливаться на этом сходстве, и без него всё хорошо. Аннушка уже пролила своё масло, как говорится. Лучше посмотрим на причины сокращения роста.
Во-первых, конструкция ветряков приблизилась к совершенству, поэтому исчезла возможность сильно выигрывать на новых моделях. В прежние годы рост установленных мощностей в значительной степени обуславливался ростом мощности самих ветряных турбин. Теоретически мощность ветряка "датского стандарта" может достигать примерно 20 МВт, дальнейший рост проблематичен, поскольку упирается в ограничения и материалов, и компоновки (схемы) машины. К 2014 году мощность ветряных турбин уже перевалила за 5 МВт. Казалось бы, впереди ещё есть резерв, но что такое 4 раза по сравнению с несколькими сотнями раз с начала современной ветроэнергетики (тренировочный ветряк Твинд имел мощность 20 кВт)? Уже близко к насыщению, поэтому за первое десятилетие XXI века мощность турбин возросла всего в пару раз, в то время как за предыдущее по меньшей мере впятеро. Здесь имеются в виду серийные машины, разумеется, а не опытные образцы, среди которых всегда находились опережающие своё время.
Во-вторых, ветряки стали вызвать всё больше нареканий со стороны населения и подвергаться давлению как со стороны размещения (дефицит площадок для установки, как это мы видели на примере Дании), так и с позиций экономии государственных финансов. Даже когда под ветропарки находились площадки, всё равно возникала проблема землеотведения; за всё надо платить, в том числе и за пустующую землю. Участки под ветропарками либо передавались для выпаса скота и под посев селькохозяйственный культур (англоязычный термин "ветряная ферма" больше соответствует действительности, чем "ветропарк"), либо располагались на пересечённой местности, непригодной ни для какой хозяйственной деятельности (обрывистые вершины гор и холмов). В обоих случаях требуется минимизация фундаментов ветряков, что также накладывает некоторые ограничения. Ради развлечения немного отвлечёмся от темы.
 |
| Норвежский ветряк с гидравлической трансмиссией. |
Примерно в тоже самое время в Норвегии вернулись к ещё одной старой идее, впервые реализованной норвежцем Нансеном и теоретически развитой немцем Хоннефом. К идее плавучего ветряка. По сути, обращение к ней также было продиктовано нехваткой площадей под ветропарки. Под боком у норвежцев плещется собственное Норвежское море, купаться в нём не очень, зато над ним дует чудесный ветер, в лучшие времена додувающий до Центральной Азии. Родина атлантических циклонов. Одно в нём плохо для ветряков -- глубокое оно, не в пример своему южному соседу, Северному морю. В Норвежском море на дно не опереться, глубоко становится сразу у берега. Идея оказалась плодотворной, разрабатывается до сих пор, и кое-какие успехи уже достигнуты, но пока ещё скромные. Рассказать о них следует позже.
Что же касается финансовых ограничений, то они выразились в последовательном урезании дотаций. Причём в Германии, например, размер тарифа ввели в зависимость от возраста ветропарка; "старички" за свою работу получали больше молодых. Такая дедовщина, или пенсионное обслуживание, если хотите, было призвано сгладить разницу в затратах на строительство; себестоимость установки ветрогенерации со временем снижалась. Однако снижение гарантированных тарифов вызывало беспокойство у инвесторов; ветряные турбины давно перестали быть дорогой игрушкой, они должны были окупать себя, тарифы служили гарантией возврата инвестиций в случае колебания цен, ведь окупаемость ветряных проектов по прежнему требовала многих лет. Уход от дотаций требовал появления новых инвесторов, которые могли бы подождать с возвратом средств лет десять-пятнадцать, а таковых немного даже в стабильной Европе. Но это тоже отдельная тема будущего рассмотрения.
 |
| Статистика ветроэнергетики по странам мира. Из годового отчёта МЭА за 2014 г. |
Третий потолок, к которому подошли к 2014 году, это сама генерация. Как было сказано в прошлом посте, высокая доля ветрогенерации в распределительной сети создаёт для неё проблемы, которые удаётся решать за счёт генерации других типов. Но существует некий потолок, преодолев который доля ветра в общей генерации оказывается настолько высокой, что проблему неравномерности выработки решить уже не получится никакими отрицательными ценами. Излишнюю выработку можно погасить отключив часть ветряков, но как быть в случае штиля? Только отключать потребителей, что весьма печально. Ещё во времена Юуля критическую долю определили в 15-20% от общей генерации. Правда для Дании, из-за малости которой неравномерность ветра проявляется одновременно на всей её территории. Если мы посмотрим на таблицу вверху, то увидим, что к 2014 году Дания не только успешно достигла потолка, но и преодолела его. Успех её объясняется опять же малыми размерами страны и экспортно-импортными возможностями. Неравномерность выработки электричества в Дании гасят соседние страны, Германия, Швеция и Норвегия.
Однако и в целом в Европе доля ветрогенерации к 2014 году приблизилась к критической. Испания и Португалия достигли потолка, а тройка самых больших стран; Германия, Великобритания и Франция получали от ветра около 10%. Но здесь уже наоборот -- большие размеры континента сглаживали неравномерность ветряной нагрузки, тем не менее, проблема зародилась. Тоже самое было и в США. 4,4% в таблице для этой страны могут показаться незначительными, но распределение ветрогенерации по штатам было сильно неравномерным и там, где её плотность была высокой, проблема тоже дала о себе знать. Хотя в мире оставалось ещё много места для новых ветряков, но в тех странах не спешили их устанавливать (за исключением Китая, где свои, сугубо национальные проблемы, связанные с неравномерным ростом экономики), поэтому ветрогенерация тоже сыграла роль в сокращении своего роста.
Таким образом, вышедшая из детского возраста новая промышленная отрасль столкнулась с юношескими проблемами роста. Посмотрим, как она будет их решать.
четверг, 8 июня 2017 г.
Горшочек, не вари!
– Истина прежде всего в том, что у тебя болит голова...
М.А.Булгаков, М&М
В 2002 году в Лейпциге в результате слияния двух существующих бирж появилась новая, Европейская энергетическая биржа (The European Energy Exchange (EEX)). Биржа торгует электроэнергией, топливом, энергетическими контрактами, а с 2007 года сертификатами на выброс CO2, детищем Киотского протокола. (Если вы выбрасываете CO2 без сертификата, то вас штрафуют.) В октябре 2008 года на спотовом рынке EEX, торгующем электроэнергией с поставками на следующий день, случилось знаменательное событие: цены так сильно упали, что пробили дно и оказались в отрицательной области на пару часов. То есть, получилось как у Райкина в уже упомянутой прежде юмореске, "теперь не я государству должен, а оно мне". Справедливости ради следует отметить, что подобное случалось ещё за год до этого, но на дневном рынке с немедленными поставками, где торгуются существенно меньшие объёмы и цены меняются непрерывно. Поставка же на день вперёд означает, что продавец в здравом уме и твёрдой памяти не менее чем за 24 часа соглашается поставлять электроэнергию и доплачивать за неё. Штука ныне хорошо известная, поскольку такая ситуация повторялась с тех пор регулярно. Однако всё ещё мало кто понимает почему так происходит, что всё это означает, и кто виноват. Особенно любят винить ветрогенерацию и дотации на неё, хотя это не совсем так. Не правда так же и то, что получение энергии из возобновляемых источников совсем никак не влияет на появление отрицательных цен. Истина, как водится, пребывает в каком-то совершенно другом месте.
Начнём с того, что в 2008 году в Германии только 6,3% электричества проистекало из ветрогенерации. Из того, что мы знаем о соотношении средней и пиковой мощности, можно заключить, что ветер даже теоретически не мог покрыть и четверть средней потребности страны, кроме того, у Германии существовала возможность экспорта электричества. Солнечной энергии в то время практически не было, а гидроэнергия и до, и после занимала очень скромное место на рынке Германии. Сами обвалить цены до отрицательных значений возобновляемые источники никак не могли, им потребовалась помощь. И она пришла. За месяц до указанного события биржа приняла решение допустить техническую возможность отрицательных цен на рынке "день вперёд". Биржа не только ждала такую ситуацию, но и не видела в ней никакой трагедии. Чтобы объяснить в чём тут дело, следует хотя бы в самых общих чертах рассказать как проводятся спотовые торги электричеством день вперёд.
Производители электричества работают ради потребителей, без них электростанции остановятся, спалив вначале распределительные сети, а затем и самих себя избыточным электричеством. Когда вы выключаете свет в своей комнате, вы не только делаете благо для окружающей среды, но и создаёте головную боль электростанциям, заставляя их перестраиваться на новый режим. Не всякая электростанция легко меняет свою мощность, кроме того, обычно существует некий минимальный, пороговый уровень ниже которого происходит полная остановка генерации. Каждая остановка и, особенно, новый запуск электростанции -- это тоже дополнительные затраты. Так, например, для запуска мощных газовых турбин (раскручивания ротора до рабочих оборотов) используются электромоторы мегаваттной мощности и работать они должны несколько минут. Более того, каждый запуск, это повышенный износ оборудования (дополнительные усталостные повреждения), что увеличивает амортизационные расходы и расходы на техобслуживание. Поэтому владельцы электростанций очень не любят их выключать и предпочитают знать наперёд режим работы своей станции, для этого и производятся торги день вперёд.
С утра и до 12 часов дня на бирже торгуются лоты на поставку электричества на каждый час суток после 12 часов следующего дня. Покупателями выступают распределительные сети, а продавцами -- электростанции. Выступают, потому что здесь есть некий элемент игры: электростанции могут принадлежать распределительным сетям, но на торгах они играют роль независимых хозяйствующих субъектов (контрагентов сетей). В 2008 году именно так и было во многих случаях. Продавцы обязуются в указанный час подключить к сети указанную в контракте мощность, а покупатели заплатить указанную цену (оплата производится сразу, спот). Игра эта нужна, чтобы минимизировать затраты как продавцов, так и покупателей, последние поэтому и соглашаются на игру со своими собственными станциями. Для начала торгов необходима базовая цена на каждый час день вперёд. В 2008 году (да и в последующем) её формировали на основе принципа, который я бы назвал (я не знаю русского термина!) "порядок отпуска электроэнергии по мере роста издержек на её производство", по-английски это звучит проще -- the merit order, но не дай бог переводить этот термин дословно, уж лучше пусть будет "мэрит-ордер" (немцы тоже используют его без перевода).
Вначале надо сказать, что понимается под издержками. Это отнюдь не все затраты на получение электричества, но только разница между затратами, которые несёт станция когда вырабатывает электричество и когда она его не вырабатывает. По сути, это стоимость топлива, хотя и другие затраты сюда тоже входят, но они существенно меньше, разумеется. Правда, когда дело касается ветра, то они уже играют существенную роль потому что ветер бесплатный, соответственно, у ветростанций тоже есть издержки производства, хотя и малоотличимые от нуля. Вот тут и появляется возможность выстроить электростанции в мэрит-ордер, т.е., по порядку роста их издержек. Что и сделано на графике внизу.
 |
| Мэрит-ордер (the merit order) для Германии. Из работы Johanna Cludius, Hauke Hermann, Felix Chr. Matthes, университет Нового Южного Уэльса, Австралия. |
Этот график хотя и относится к более позднему времени, чем описываемое, но более-менее приближен к реальности, чего не скажешь о других (в сети их множество). Здесь электростанции представлены цветными столбиками. Высота столбика равна стоимости кратковременных издержек, а его ширина -- поставляемой мощности. Легко видеть, что электростанции сливаются в почти не пересекающиеся группы по виду расходуемого ими топлива. В самом начале графика находятся столбики электростанций, использующие бесплатные возобновляемые источники энергии, затем идут атомные станции, потом работающие на дешёвых бурых углях, каменный уголь чуть дороже, за ними газовые электростанции, с разным КПД, с разными поставщиками газа по разной цене, от того их издержки заметно разнятся, завершает же мэрит-ордер дизель-генерация для пиковых нагрузок с максимальной ценой топлива. Огибающая кривая, проходящая по вершинам столбиков, называется кривой мэрит-ордера. Эта кривая меняется от часа к часу из-за того, что одни станции становятся недоступными, другие наоборот подключаются, кроме того, каждая станция как-то меняет свою мощность (ширину столбика).
Исходя из прогнозов, основанных на многолетних наблюдениях и других источниках информации, на каждый час дня вперёд устанавливается потребная мощность генерации, которая накладывается на тоже спрогнозированную кривую мэрит-ордера. Прогнозировать последнюю ещё сложнее, особенно теперь, когда нужно учитывать и прогноз погоды тоже: от него зависит и ветро-, и солнечная генерация. Идеала достичь не получается, поэтому существует дневной рынок, который в реальном времени сглаживает неспрогнозированное. С другой стороны, существует также долговременные контракты, которые торгуются на фьючерсах, либо вовсе заключаются за пределами биржи. Тем не менее, через торговлю "день вперёд" проходит количество электричества, определяющее общие цены. На рисунке потребная мощность указана голубой вертикальной линией (70 ГВт, примерно). Если от точки пересечения этой линии с кривой мэрит-ордера провести горизонталь, то она укажет на базовую цену текущего часа. Что и сделано на графике -- цена 75 евро за МВт-ч.
Все те электростанции, которые находятся левее от голубой линии, тратят на производство электричества меньше указанной цены и получают прибыль. Остальные -- больше, поэтому им работать невыгодно, и они отключаются. Можно доказать математически, но я не вижу необходимости в таком доказательстве в виду очевидности, что именно такая цена обеспечит поставку электричества с минимальными текущими издержками (если взять любую электростанцию справа от голубой линии и поместить её на место любой слева, то издержки возрастут).
Однако ясно, что это какой-то нереализуемый в природе идеал. Непонятно что делать тем, кто попал на точку пересечения: цена только-только покрывает их текущие затраты, нужно ли работать за такие деньги? Не дешевле ли будет отключиться и пойти покурить, пока цены не подрастут? И тут надо вспомнить, что включение-выключение отнюдь не бесплатная услуга. Может так статься, что даже тем, у кого издержки выше текущей цены, дешевле продолжать "работать себе в убыток", чем отключиться, потом ведь дёшево не раскочегаришься (особенно это касается угольных и атомных электростанций). Такая ситуация может возникнут при спаде потребления. При росте же будет напротив -- какие-то станции будут долго чесать репу и решать пора ли им запуститься, либо не стоит, так как цены вскоре снова упадут (овчинка выделки не стоит). Обе эти ситуации могут привести к разногласию между спросом и предложением, а оно, в свою очередь, к авариям в сетях. Для устранения этих ситуаций и существуют торги, иначе можно было бы довольствоваться расчётными ценами.
 |
| Ценовая регуляция предложения энергии на рынке. |
Реальные цены оказываются и выше, и ниже базовой цены. Если потребление растёт, цены устанавливаются выше, что стимулирует станции подключаться к работе, если же потребление падает, то и цены падают так, чтобы производителям было бы не жалко отключаться. Здесь только для упрощения упоминается включение-выключение, регуляция происходит и за счёт изменения мощности станции, что тоже не дёшево (у станции всегда есть некая номинальная мощность при которой КПД максимален, на прочих режимах станция менее эффективна, производство более затратно, станция уходит вправо по мэрит-ордеру).
Так где же тут отрицательные цены? В данном примере их быть не может, но если потребление резко пойдёт влево (до 25 ГВт, например), то синяя линия (горшочек, не вари!) уйдёт ниже нуля. Такое действительно случается, несколько раз в году. В прежние времена, на заре электрической эры, электричество в основном потребляли промышленные предприятия (работавшие в три смены, к тому же), их потребление колебалось слабо, электростанции же были тесно связаны с предприятиями и промышленными районами. Постепенно распределение потребления менялось, становилось менее однородным по времени, чётко обозначались дневные пики и ночные провалы. Способность же электростанций гибко менять свою мощность изменилась незначительно, даже наоборот, ухудшилась, особенно с появлением атомных станций. Положение спасли распределительные сети, объединяющие множество станций в один поставщик энергии. В сети появилась возможность регуляции за счёт постепенного выключения части станций, только порядка в этом процессе не хватало. Мэрит-орднунг его обеспечил, но в случае экстремального падения потребления (когда после напряжённой трудовой недели на длинных выходных народ укладывался во всеобщую спячку разом выключая всё, например) цены падали до нуля, но этого не хватало, некоторые продолжали работать за бесплатно (сжигая газ из газопровода take-or-pay, например), поэтому часть станций приходилось гасить по старинке, внеэкономическими мерами, что вызывало нарекания (Scheiße!) и не только. Вот поэтому и внедрили отрицательные цены.
Настало время спросить при чём тут ветер. Абсолютно ни при чём. Хватило бы одних атомных станций и немецкой экономности (вспомним -- 6,3%). Тем не менее, именно ветер задувает цены ниже нуля. Козьма Прутков писал: "Если у тебя спрошено будет: что полезнее, солнце или месяц? — ответствуй: месяц. Ибо солнце светит днём, когда и без того светло; а месяц — ночью". С возобновляемыми источниками всё наоборот. Солнечные батареи выдают максимум мощности в полдень, когда потребление тоже максимально, ветер же усиливается по ночам, когда потребление падает, поэтому он оказывается менее полезным. Увеличение выработки ветром сдвигает кривую мэрит-ордера вправо (столбики ветряных электростанций уширяются). Голубая кривая на рисунке внизу соответствует новому мэрит-ордеру. Унесённая ветром кривая даёт меньшую базовую цену при той же потребной мощности (потребная мощность ночью ещё и сама снижается). Из-за таких ночных совпадений (высокая выработка и низкое потребление) цены падают особенно глубоко.
 |
| Снижение рыночных цен за счёт увеличения ветрогенерации. Эффект мэрит-ордера. |
Более того, рост доли ветрогенерации (и других возобновляемых источников) на большом временном масштабе (годы) порождает так называемый эффект мэрит-ордера (the merit order effect). Этот эффект приводит к постепенному снижению оптовых цен на электроэнергию. Эффект не только был предсказан, но и вычислен опытным путём. Почувствовать его напрямую затруднительно, поскольку на него накладывается масса других обстоятельств: инфляция, колебания цен на топливо, уменьшение атомной генерации, рост потребления и тд. Тем не менее, эффект обнаруживают разные исследователи, каждый со своей методикой вычисления. Их результаты разнятся, но было бы странным, если бы они совпадали. Однако, они сходятся в одном: цены снижаются. В общем, немецкий опыт с мэрит-ордером и отрицательными ценами оказался настолько успешным, что его позаимствовали соседние страны; поскольку он не только позволяет снижать текущие издержки, но и стимулирует производителя к снижению общих затрат, не прибегая к насильственным методам и без финансовых потрясений. Но, что самое главное, отрицательные цены заставляют совершенствовать всю систему производства электроэнергии, делая её не только дешёвой, но и гибкой.
Надо сказать пару слов и о конечном потребителе. Правда ли, что ему доплачивают за потребление в часы отрицательных цен? На сайте биржи EEX за ответом на этот вопрос вежливо отсылают к вашему персональному поставщику электроэнергии. Подумайте сами, конечный потребитель оплачивает электричество не по часам, а за больший период времени; я, помнится, на одной квартире платил за квартал (мелочь по сравнению с месячной арендной платой). Так что, оптовая цена усредняется за этот период. Кроме того, к оптовой цене электричества прилагаются издержки сети (включая потери, амортизацию оборудования и зарплату польского электрика), а так же прибыль, просто так никто работать не станет, и на всё это накладываются налоги, в Германии они создают две трети розничной цены электричества, как было указано в "Бедность -- порок". О какой доплате вы тут мечтаете? Вот, вроде бы и всё об отрицательных ценах.
"Подождите! А кто же это всё-таки убил Нолестро?" -- как в одном теледетективе окликнула наивная дама публику, среди которой совершенно точно находился убийца, но расходящуюся восвояси в радостном возбуждении от осознания, что наконец выяснилось, что мэтр-то Роше ни в чём не виноват. Так с чего всё это началось, зачем понадобилось устанавливать на бирже мэрит-ордер?
С 1-го января 1991 года в Германии начал действовать закон о поставках электроэнергии (Stromeinspeisungsgesetz), в 2000 году сменившийся законом о возобновляемых источниках энергии (Erneuerbare-Energien-Gesetz). Однако, в новом законе неизменным остался принцип, легший в основу мэрит-ордер. Закон обязывал распределительные сети принимать всё энергию из возобновляемых источников и оплачивать её по фиксированному тарифу. Таким образом ветростанции легли в начало мэрит-ордера, за ними последовали атомные, которые сложно регулировать. Совершенно естественным образом в конец очереди встала дизель-генерация, которая и дорогая и мобильная, а потому оптимальная для компенсации пиковых нагрузок. Всё остальное попало между. Как говорят в таких случаях, так исторически сложилось. Никто не виноват. Можно ещё упомянуть невидимую руку рынка. И да, конечно, выключать ветряные электростанции на период отрицательных цен не имело никакого смысла, ведь за их работу государство платило фиксированный тариф, а не биржевую цену.
четверг, 1 июня 2017 г.
Некому берёзу заломати
Я пойду, погуляю,
Бѣлую березу заломаю;
Вырѣжу три пруточка,
Сдѣлаю три гудочка,
Четвертую балалайку.
Вы, гудки, не гудите,
Стараго мужа не будите!
Из сказанного прежде может сложится впечатление, что развитие ветроэнергетики в нулевые годы XXI века сводилось к простому расширению рынка и увеличению мощности ветрогенераторов, но это не так, разумеется. Совершенствовались технологи как изготовления, так и управления ветряками, менялась их конструкция, расширялась отрасль их технического обслуживания и ремонта, расчётные методы тоже не стояли на месте. Более того, с широким внедрением численного моделирования появилась потребность проведения теоретических работ в области прикладной математики. Возникло желание лучше использовать в конструкции турбин такое явление, как аэроупругость, но по-хорошему рассчитывать её было нечем. То есть, что-то уже было, созданное в лихие девяностые, но что-то.
По свидетельству Эрика Грове-Нильсона, первостроитель плотник Рииксадер объяснял своё пристрастие к дереву в конструкции ветряка следующим соображением: ветряк использует природную силу, поэтому и делать его следует из природного материала, лучше всего приспособленного к воздействию ветра. А что это, как не дерево? С этой симпатической магией трудно поспорить, особенно после прошедшего сквозь Москву шторма, повалившего тысячи деревьев, но большинство-то из них выжило! Выжили благодаря своей гибкости, иногда жертвуя листвой, дабы уменьшить парусность и ветровую нагрузку. Опыт ветростроительства говорит о том же. Жёсткие конструкции ветряков недолговечны. Их терзают вибрации, приводящие к усталостным трещинам, а также к истиранию движущихся частей. Как кошмарный эталон такой конструкции можно привести "этажерку" Хоннефа в небе над Берлином. Кстати, его башню "Толстяк" таки снесло ветром... Гибкие конструкции ведут себя куда лучше, но с ними тоже возникают проблемы.
Изменяя свою геометрию под воздействием ветра, они изменяют и само воздействие ветра, поскольку оно зависит от геометрии. Дерево, клонясь под ветром и роняя листья, уменьшает свое сопротивление ветру, и, стало быть, в соответствии с третьим законом Ньютона, уменьшает и действующую на него силу ветра, о чём и было выше сказано про шторм. Но так получается потому, что деревья созданы эволюцией, отобравшей тех, кто выжил под ударами ветра. К сожалению, нельзя просто так взять и создать гибкую конструкцию, которая будет изгибаться наилучшим образом, сохраняя себе жизнь. Вполне может получиться наоборот. Например, лопасти изогнутся под ветром так, что заденут башню, тут всё и закончится. Надо ещё вспомнить флаттер, с которого началась аэроупругость, он тоже убийственный. Да те же деревья, не все уцелели, опыт миллионов лет эволюции не смог предусмотреть все неприятности.
Кроме вынужденного внешними силами изменения геометрии, турбина с регулируемым углом атаки сама меняется под воздействием команд управления, что тоже меняет аэродинамические силы, в том числе, за счёт возмущения течения воздуха, установившегося до ворочения лопастью. Вращения лопастями из-за этого приводят к временным переходным процессам в течении ветра, что отражается на работе генератора и производстве электричества.
Все приведённые примеры относятся к аэроупругости, которую надо понимать, т.е., просчитывать, во избежание указанных проблем. Исключительно чтобы показать сложность задачи, рассмотрим основные положения теории аэроупругости. Математику трогать не будем, ограничимся физикой (ежели таковая бывает без математики, ну да ладно, на пальцах). Внизу изображён классический треугольник аэроупругости. Три цветных
 |
| Треугольник аэроупругости. |
Все три вида сил равноправны и действуют одновременно (хотя некоторые из них могут быть равны нулю в какой-то момент времени, но ноль тоже величина). Аэродинамические силы создаются давлением в потоке воздуха, которое меняется и от точки к точки, и со временем. Силы инерции проявляют себя при движении массы с ускорением. Когда ускорение равно нулю, то и силы инерции обнуляются, но в турбине такого практически никогда не происходит, потому что она вращается, а вращение создаёт центростремительное ускорение, а то -- центробежную силу, то бишь, силу инерции. Так же любые другие переменные процессы (колебания, например) вызывают к жизни силы инерции. Третьи силы -- силы упругости в твёрдом теле (ветряке), с ними всё просто, кроме того, что они описываются тензором второго ранга, собственным в каждой точке тела, но мы обещали не касаться математики, так что нам всё просто, ограничимся представлением о пружинке.
На картинке есть ещё стрелочки, обозначающие некоторые явления. Эти явления случаются при совместном действии пары цветных сил. Они хорошо известны в быту. Стрелочка внизу, между красным и зелёным, обозначает простые механические колебания, как в пружинном маятнике. Стрелочка справа, между красным и синим -- явления, которые протекают при обтекании жёсткого, недеформируемого тела. Стрелочка слева, между синими и зелёным, это статическая аэроупругость, самый простой пример аэроупругости как таковой. В этом случае аэродинамические силы деформируют тело, а тело меняет аэродинамические силы. Так происходит до тех пор, пока они не уравновесят друг друга, либо конструкция не разрушится (так, например, шторм срывает крыши с домов). Установившееся состояние и будет статической аэроупругостью.
Что же касается
В 2000 году в Дании было объявлено о начале государственной долговременной программы по исследованию аэроупругости. Первоначально говорилось о двух годах. Параллельно какая-то работа по этой теме проводилась в Греции. Затем МЭА включила в свою программу по снижению стоимости ветряной энергии пункт о совершенствовании моделей аэроупругости с упором на 3D-эффекты и устойчивость. Работа уже предполагалась долговременная, о чём сообщалось в годовом отчёте МЭА за 2001 год. В 2002 году в Дании Рисё создал консорциум Технического университета с университетом Ольборга и Датским гидравлическим институтом, поручив ему, в том числе, и разработки в области аэроупругости. За год Рисё на одни только эти разработки потратил три миллиона датских крон. В 2003 году симпозиум в NREL по аэродинамике ветряных турбин подтвердил интерес к теме моделирования аэроупругости. В 2004 году к работе подключились итальянские исследователи из университетов Болоньи, Тренто и Милана. Они занялись совершенствованием расчётных программ, их валидацией на основе экспериментов. В университете Готланда (Швеция) создали CFD модель Фазы VI с учётом аэроупругости. (CFD - computational fluid dynamics -- расчёт течения среды, численное решение уравнения Навье-Стокса). Это то немногое, что удаётся отследить по отчётам МЭА. Работы ширились и углублялись.
В 2005 году Еврокомиссия учредила проекты KNOW-BLADE и STABCON нацеленные на расширение познаний в области аэроупругости, в рамках которых предполагалось разработка программных инструментов анализа аэроупругой устойчивости. Рисё представила новые компьютерные программы моделирования аэроупругости. Постепенно, во второй половине десятилетия, появилась некоторая ясность в вопросе, был создан набор рабочих инструментов численного анализа аэроупругости. Здесь нет ни возможности, ни смысла не только подробно их разбирать, но даже перечислять. Зато следует привести пример того, что удалось сделать с их помощью.
 |
| Пример аэроупругого расчёта. Из отчёта Технического университета для Рисё. |
Защита привода турбины от порывов ветра одна из непреходящих зубных болей ветростроителей. Для её устранения придуманы различные хитроумные устройства, подрессоренные муфты на ведущем валу, например. Подобное запатентованное устройство -- главная гордость турбины Haliade 150. Однако, ветер силён, и противопоставлять ему одно только упругое сопротивление конструкции -- дело излишни самонадеянное. Поэтому датский стандарт включает в себя воздушные тормоза, которые уменьшают саму ветряную нагрузку на привод, не рассчитывая на один только обычный тормоз. В современных турбинах воздушным тормозом являются сами лопасти, автоматика поворачивает их соответствующим образом в случае необходимости. К сожалению, при порывах ветра, которые продолжаются время порядка секунды, поворотный механизм многотонных лопастей длинною в десятки метров не успевает сработать должным образом, поэтому приходится полагаться на механические амортизаторы.
Ветряное подразделение корпорации "Сименс" вышло из этого затруднения, создав турбины с лопастями, обладающими необычными свойствами. При порывах ветра их концы изгибаются таким образом, чтобы минимизировать ударную нагрузку на привод за счёт изменения аэродинамического качества деформированных лопастей. Изгибаются они самостоятельно под действием аэродинамических сил, без автоматики, за счёт своих упругих свойств и сил инерции. Это так называемая технология аэроупругой подгонки лопастей (aeroelastically tailored blade). Нечто подобное можно видеть когда ветер налетает на дерево и его ветки покачиваются. Ниже рекламный мультик компании, на его второй минуте демонстрируется технология подгонки, на которую без объяснения трудно обратить внимание.
Идея этой технологии не нова, к ней активно подбирались в последней четверти прошлого века, не только ветростроители, но и вертолётостроители, у которых те же проблемы. Более того, система Сабинина-Красовского тоже близка к этой идее, но вместо упругости самой лопасти использует пружину и противовесы.
Для изменения аэродинамической нагрузки лопасть должна не просто изогнуться, но закрутиться, чтобы изменился угол атаки. Этого можно добиться, если упругость лопасти анизотропна; то есть, разные части лопасти по разному деформируются при одной и той же нагрузке. Получить анизотропию упругости несложно (скорее наоборот, сложно сделать всё одинаковым). В качестве объяснения на пальцах (в самом прямом смысле слова) положите на раскрытую ладонь новую и гладкую денежную купюру. Очень скоро она сама закрутится в трубочку. Так происходит от того, что ладонь воздействует преимущественно на одну сторону купюры. Стороны деформируются по-разному и купюра закручивается. В случае с лопастью, роль ладони играет ветер. Секрет тут в том, как сделать так, чтобы всё закручивалось именно так, как нужно. Вот с этим до появления в XXI веке расчётных программ по аэроупругости дело обстояло туго. У разработчиков не было в запасе миллиона лет на пробы и ошибки как у эволюции, им был нужен точный расчёт, из которого стало бы ясно, куда следует двигаться дальше, чтобы достичь нужного результата. А для расчётов нужна была
Конечно приведённое объяснение слишком поверхностное, чтобы быть правильным. Кто-то скажет, что вообще не надо так опошлять, лучше жевать, чем говорить, но по-моему мнению такая критика проистекает от болезненного перфекционизма. Даже самый большой специалист не всё понимает в своём деле, так что же, ему тоже помалкивать? Понимание не есть состояние, но процесс, который с чего-то начинается, с какого-то э-э-э... На правах этого э-э-э и примите вышеприведённое объяснение одного из многих усовершенствований, ставших возможными благодаря игре на балалайке. Игре, позволяющей создавать механизмы более похожие на организмы, чем на косную материю.
Подписаться на:
Сообщения (Atom)