Механика сплошных вторников

Хочешь понять что действительно твоё -- отпусти всё, и всё твоё останется с тобой -- лень, зависть, жадность и нежелание трезво смотреть на вещи.

Механика сплошных вторников

Простите... у вас гештальт не закрыт.

Механика сплошных вторников

Знакомиться с политическими взглядами и личной философией творческих работников всё равно как интересоваться именем и любимыми привычками барашка, которого сейчас ешь.

Механика сплошных вторников

Каждый читатель достоин своего пелевина.

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.

Назад

К оглавлению

Механика сплошных вторников

Сливает нас Господь.

Конец прекрасной эпохи

В комнате с белым потолком,
С правом на надежду...
И. Кормильцев

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.

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.

В 2007 году в Норвегии взялись за развитие идеи Андрё. Частная фирма Chapdrive AS при норвежском университете науки и технологии разрабатывала проект (старт-ап, как теперь бы сказали) ветряка, чьё основное хозяйство лежало бы на земле, а на башне ротор вращал бы один только гидравлический насос, с его помощью подавая жидкость на турбину (также расположенную на земле). Турбина же вращала наземный генератор, который подавал бы напряжение на электрообрудование. У Андрё было примерно тоже самое, но с пневматикой на отрицательном давлении. Работы над проектом продолжались пару лет, но из них так ничего и не вышло, хотя ожидания были большие. За счёт такой конструкции можно было бы существенно уменьшить весовую нагрузку на башню, да и генератор был бы сохраннее в такой позиции (с механической точки зрения). Но в целом выигрыш невелик, поскольку добавляются три лишних узла: насос, турбина и трубопровод. Кроме того, не в пример тому времени, когда изобретал Андрё, в XXI веке возросли требования к площади, занимаемой ветряком. Дешевле было бы убрать хозяйство на башню, чем занимать им землю (да и сохраннее оно там было бы с антивандальной точки зрения). Даже в основании башни, где размещал турбину и генератор Андрё, места особо не осталось -- вырос объём электрооборудования, генератор стал массивнее, а башня стройнее. Хотя, кто знает, возможно, эту идею вновь возродят на каком-то этапе.

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.

Назад

К оглавлению

Вперёд