Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2008 №5

Ветроэнергетика — развивающаяся технология электроэнергетики

Юрьев Святослав


В обзоре рассмотрено состояние и перспективы бурно развивающейся технологии получения электроэнергии из энергии ветра. Опубликованные планы практического внедрения ветроэнергетических комплексов в разных регионах мира открывают новые возможности для производителей материалов, компонентов, различного электрического, электронного и механического оборудования и кабелей для таких проектов.

Надежное и устойчивое обеспечение электроэнергией относится к вопросам национальной безопасности любого государства и является необходимым условием его экономического развития. Потребность в электроэнергии в мире растет на 2,4% ежегодно. По оценке Всемирного совета по энергии, 1,6 млрд людей в мире не имеют доступа к электричеству, и маловероятно, что это число уменьшится к 2020 году. Тем не менее, по прогнозам, потребление электроэнергии к этому же времени возрастет на 58%.

Многие страны вынуждены импортировать электроэнергию со всеми вытекающими политическими и экономическими последствиями. Так, зависимость Европы от импорта энергии возросла с 20% в 1957 г. до 50% в настоящее время, и Европейская комиссия прогнозирует рост импорта до 70% к 2030 г. [1].

Производители электроэнергии и правительства вынуждены принимать во внимание то, что мировая общественность озабочена влиянием процесса производства электричества на окружающую среду и потенциальной угрозой для экологии работы атомных электростанций и электростанций, использующих другие виды топлива. Поскольку обеспечение электроэнергией жизненно важно для любой страны, а многие государства нуждаются в увеличении энергоресурсов, повсеместно планируется увеличение объемов выработки электроэнергии всеми известными способами, включая строительство атомных электростанций. Недавно Евросоюз объявил оширокомасштабных планах строительства АЭС в Европе. В то же время, общественное мнение в странах Европы в целом не поддерживает эту идею, принимая во внимание потенциальную угрозу безопасности и необходимость хранения отработанных ядерных топливных элементов.

В течение двух последних десятилетий в мире идет усиливающийся процесс использования возобновляемых источников энергии, в первую очередь энергии ветра для производства электроэнергии. К настоящему времени практически сформировалась и продолжает интенсивно развиваться перспективная отрасль технологии производства электроэнергии — электроветроэнергетика (ветроэнергетика).

Один из наиболее сильных аргументов сторонников развития ветроэнергетики — доступность. Последние оценки показывают, что мировые ресурсы энергии ветра весьма велики и широко распространены во всех регионах мира. Запасы энергии ветра более чем в сто раз превышают запасы гидроэнергии всех рек планеты [2]. Общий ресурс, который может быть технически извлечен из энергии ветра, оценивается в 53 000 ТВт·ч, что в два раза больше, чем общая прогнозируемая потребность в электроэнергии в 2020 г. Таким образом, страны, которые испытывают тотальный недостаток в ресурсах нефти, газа и угля, могут избавиться не только от бремени расходов на приобретение этих ресурсов, но и от необходимости оплачивать счета за топливо, как только будет развернута необходимая инфраструктура. Более того, нет оснований полагать, что ресурсы энергии ветра могут быть исчерпаны [3].

Вторым аргументом является возобновимость ресурсов, их устойчивость. Возобновимую электроэнергию могут генерировать различные источники, включая энергию ветра, волн, приливов-отливов, солнечные батареи, гидрогенераторы, геотермальные источники и биомассу (энергия из продуктов деревообработки или растений).

Помимо гидроэнергетики, которая обеспечивает 16,6% мировой энергии, ветроэнергетика — это единственный серьезный конкурент в генерации электроэнергии, что объясняет ее недавнюю экспансию в Европе и в других частях мира, зачастую при правительственной поддержке. По оценкам экспертов отрасли энергетики, на протяжении следующих семи лет ожидается ежегодный рост числа установок электроветрогенерации в среднем на 25%.

Третий довод: сторонники использования энергии ветра для генерации электричества утверждают, что уменьшение загрязнения окружающей среды — одно из главных преимуществ этой технологии. Киотский протокол (1997 г.) оговаривает, что промышленно-развитые страны должны уменьшить эмиссию газа, вызывающего парниковый эффект, с уровня 1990 г. в среднем на 5% в период между 2008 и 2012 г. В сентябре 2004 г. 125 стран ратифицировали этот протокол. Сторонники ветроэнергетики считают, что ее распространение позволит существенно уменьшить содержание двуокиси углерода в атмосфере, а именно этот газ вносит наибольший вклад в создание парникового эффекта, ведущего к изменению климата на планете. В США, как объявлено, 30 000 человек ежегодно умирают из-за эмиссии газов, являющейся результатом работы силовых установок, в которых сжигается уголь.

Четвертой положительной характеристикой использования энергии ветра является уменьшение объема импорта топлива. В результате последних исследований в Европе определено, что стоимость электричества, полученного в результате переработки угля или нефти, должна удвоиться, а при получении электроэнергии из газа ее стоимость возрастет на 30%, если принять во внимание состояние окружающей среды и здоровья людей. В то же время, стоимость электричества, получаемого из энергии ветра [2], зависит от скорости ветра (таблица).

Таблица. Зависимость стоимости электричества от скорости ветра
Зависимость стоимости электричества от скорости ветра

Для сравнения: себестоимость электричества, производимого на угольных электростанциях США — 4,5–6 центов за кВт·ч, средняя стоимость электричества в Китае — 4 цента за кВт·ч.

Необходимо принимать во внимание, что стоимость природного газа и угля постоянно растет, и в США уже в 2005 году стоимость ветряного электричества стала ниже стоимости электроэнергии, произведенной с помощью традиционных источников. И процесс снижения стоимости электроэнергии, полученной из энергии ветра, продолжается.

География строительства и практического использования ветроэнергетических установок и так называемых ветровых ферм охватывает практически весь земной шар.

В 2007 году суммарные мощности ветряной энергетики выросли во всем мире до 93 848 МВт; установленные в этом году мощности оцениваются в 20 ГВт, что на 32% больше, чем в 2006 г. Ветряные электростанции всего мира в 2007 году произвели около 200 млрд кВт·ч, что составляет примерно 1,3% мирового потребления электроэнергии.

В Европе сконцентрирован 61% установленных ветряных электростанций. В Северной Америке — 20%, в Азии — 17% [2].

Масштабы новых проектов отражают практическую ориентацию производителей электроэнергии на ветроэнергетику. В прессе опубликовано множество сообщений о строительстве офшорных ветровых ферм с сотнями используемых ветрогенераторов. Так, еще в 2006 г. появилась информация [4] о строительстве ветровой фермы “The London Array Windfarm”, которая должна состоять из 341 турбины, установленной в 12 милях от берега, и о строительстве ветрофермы в устье Темзы. Обе ветрофермы смогут обеспечить 1,3 ГВт «зеленого» электричества — достаточно для того, чтобы удовлетворить потребность в электричестве трети домов в Лондоне. Предполагается, что эти проекты будут завершены в 2011 г. В том же источнике сообщалось о строительстве офшорной ветрофермы стоимостью 500 млн фунтов стерлингов в 7 милях от побережья графства Кент (Англия). Строительство должно быть завершено в 2008 г., и 100 ветротурбин обеспечат электричеством 240 тысяч домов.

Для создания самой большой в Европе ветрофермы “The Whitlee Wind Farm” (Шотландия) компания Siemens Power Generation должна поставить 140 ветротурбин (стоимость контракта — 350 млн евро) [5]. Общая мощность в 322 МВт будет достаточна для электроснабжения 200 тысяч домов.

Информация о новых проектах строительства ветроферм в различных регионах мира все чаще появляется в СМИ и в Интернете (например, на сайте www.WindPowerOnline.com).

Вопросы развития ветроэнергетики рассматриваются множеством специализированных организаций, таких как Всемирная Ассоциация Ветроэнергетики (WWEA), Европейская Ассоциация Ветроэнергетики (EWEA), национальные ассоциации ветроэнергетики разных стран, включая Российскую Ассоциацию ветроиндустрии. Эти вопросы вызывают пристальное внимание правительств многих стран.

В мире ежегодно проводится множество конференций и выставок, посвященных практическим и теоретическим вопросам развития техники ветроэнергетики и ее практического внедрения. Например, в Брюсселе с 31 марта по 3 апреля этого года прошла очередная конференция EWEC 2008, в работе которой приняло участие более 6000 человек из 80 стран. На конференции был представлен ежегодный (за 2007 год) отчет EWEA “Delivering Offshore Wind Power in Europe” (документ доступен на сайте EWEA).

На сессии Всемирного совета по ветроэнергетике (GWEC) была представлена новая публикация “Global Wind Energy Report 2007” (Глобальный отчет по ветроэнергетике за 2007 г.), где прогнозируется рост мирового рынка ветроэнергетики на 155% при введенной к 2012 году общей энергии 240 ГВт. В опубликованном прогнозе компании BTM Consult (B. Madsen) сообщается, что в течение следующих 13 лет в год в среднем будет вводиться 140 000 МВт. А представитель Американской Ассоциации ветроэнергетики, представляя новый отчет “20% wind vision — a collaborative technical report” [6], сказал, что технически и экономически возможно получать в США 20% электроэнергии из энергии ветра к 2030 году (в настоящее время — немного больше 1%).

EWEA объявила о планируемом уровне производства электроэнергии из энергии ветра в 180 ГВт к 2020 г., что эквивалентно удовлетворению потребности в электроэнергии 107 млн средних европейских семей и позволит уменьшить эмиссию углекислого газа на 328 млн тонн (это эквивалентно прекращению использования 165 млн автомобилей) и приведет к созданию 368 тысяч новых рабочих мест [7].

Не обходит своим вниманием проблему использования вертоэнергетики и Международный совет по большим электрическим системам (CIGRE), который 29–31 июля 2009 г. организует [8] в г. Калгари, Канада “Symposium on Integration of Wide-Scale Renowable resources into Power Delivery Systems”.

Все эти факты указывают на то, что ветроэнергетика в настоящее время является новой перспективной технологией, востребованность которой гарантирована условиями развития мировой экономики, а практическое внедрение создает новые рыночные ниши для производителей необходимых технологических составляющих и соответствующих услуг.

К основным нишам рынка для ветроэнергетики относятся: турбины, трансформаторы, контрольно-измерительное оборудование, специальные материалы, башни и лопасти для ветрогенераторов из этих материалов, различные кабели для подземной и подводной прокладки и монтажные приспособления, монтажные установки типа наземных и плавучих кранов для сборки башен с ветрогенераторами, для их технического обслуживания и ремонта, полное проектирование ветровых ферм и включение их в действующие энергосистемы.

Компании, которые своевременно оценили перспективность ветроэнергетики и провели соответствующие разработки, в настоящее время получают большие заказы и имеют хорошие перспективы развития этого бизнеса.

Примером такой дальновидной рыночной политики является опыт компании Nexans [3, 9], которая, являясь одним из мировых лидеров кабельной индустрии, провела анализ ожиданий заказчиков на кабели для ветроэнергетики, что в итоге дало ей возможность предложить на этот рынок необходимую продукцию.

Как в сфере генерации электроэнергии, так и в сфере инфраструктуры (передача и распределение), для подводного или наземного применения, кабели играют важную роль в использовании энергии ветра. Они не только доставляют невидимый «товар» потребителям, который трудно запасать, но и позволяют осуществлять важные функции связи и управления на каждой стадии, что критично для обеспечения надежности, безопасности и нормальной работы.

Производители электроэнергии, электростанции, технические подрядчики, монтажники и продавцы электроэнергии ожидают многого от изготовителей кабелей для турбин и ветровых ферм. К этим ожиданиям относится следующее:

  • полная номенклатура высококачественных кабелей со всеми необходимыми аксессуарами для ветрогенераторных турбин и для инфраструктуры от одного производителя;
  • легкие, гибкие кабели, которые могут выдерживать вибрации, экстремальные температуры, закручивание и способны работать в море;
  • соответствие кабельной продукции требованиям конкретных заказчиков, чтобы она поставлялась нужной для конкретных применений длины, с устройствами, которые обеспечивают возможность подключения кабелей и их соединения между собой;
  • материалы и процедуры для легкой сборки/установки;
  • экспертиза и техническая помощь на стадии проектирования инфраструктуры и распределительной сети, включая подготовку технико-экономического обоснования;
  • способность реализации проектов прокладки кабелей и кабельной сети «под ключ», включая полное владение техникой установки и монтажа;
  • инновации, которые позволяют выполнять требования развивающихся технологий и совершенствующихся стандартов;
  • понимание проблем энергетики и связи при использовании кабелей, в особенности важно последнее с точки зрения обеспечения управления ветрофермой;
  • совершенные решения проблем соединений, поскольку смонтированные окончания критичны для инфраструктуры и надежности сети;
  • способность всесторонне решать проблемы безопасности и охраны окружающей среды;
  • быстрая доставка и оперативное реагирование на запросы заказчика в случае возникновения различных проблем вроде отказов, аварий, повреждения линий электропередачи и т. п.

Анализ и учет этих факторов позволил компании Nexans разработать и предложить на рынок решения для индустрии использования энергии ветра для электроснабжения. В структуру компании входят 10 центров технической поддержки и центр исследований и разработок, в котором работают 450 сотрудников, выдающих в день по два новых технических решения.

Что касается кабелей для ветроэнергетики, то, в отличие от многих конкурентов, которые обеспечивают решение только отдельных проблем для поставщиков и субподрядчиков, Nexans производит практически любые типы кабелей, используемых в турбинах электроветрогенераторов, и кабелей для инфраструктуры, которые применяют в любых географических и климатических условиях. Эта компания часто взаимодействует непосредственно с администрацией энергетических предприятий или исполнителями больших проектов «под ключ».

Для того чтобы соответствовать «товарной» сущности рынка ветроэнергетики, Nexans поставляет предельно широкую номенклатуру стандартных продуктов, в особенности для низкого и среднего уровней напряжения. Что касается высоковольтных кабелей, то здесь нет готовой продукции. Каждый кабель проектируется по заданным техническим требованиям конкретных заказчиков, в особенности, если они являются частью проектов «под ключ» для применения как на суше (побережье), так и в морских условиях.

Поставляя широкую номенклатуру кабелей для изготовителей комплексного оборудования, компания Nexans в то же время является экспертом в области наземных, подземных и подводных кабелей для межтурбинной инфраструктуры, в том числе и для использования вне национальных сетей. Сюда относятся не только кабели, кабельная арматура, соединительные и концевые муфты (что особенно важно при высоких напряжениях), компания участвует в системном проектировании, установке, строительстве и испытаниях. Nexans следует мировым стандартам, что крайне важно в этой международной индустрии, в которой осуществляется жесткое регулирование технических решений.

Компания Nexans изготавливает кабели на низкие напряжения — до 1 кВ — с резиновой изоляцией или в жестких конструкциях, которые используются для соединения генераторов с трансформаторами, располагающимися как в основании башни электроветрогенерирующей установки, так и на самом верху башни, в нише ее обтекаемой части. Эти кабели обеспечивают электропитание для различных турбинных моторов и электронного оборудования, включая охлаждающие и нагревательные устройства, защитные системы, освещение, подъемные, поворотные и коммутирующие устройства. Компания производит также кабели на среднее напряжение, которые устанавливаются между генератором и трансформатором в больших турбинах, часто расположенных в море.

Гибкие экранированные контрольные кабели компании Nexans используются в цепях питания и передачи низкочастотных сигналов при управлении двигателями или генераторами для осуществления отключений, позиционирования (перемещений) и т. п.

Благодаря накопленному опыту работы компании, оптические кабели Nexans позволяют удовлетворять возрастающие требования к пропускной способности трактов передачи, используемых с ветротурбинами, в основном для дистанционного управления и мониторинга. Для этих целей в кабелях применяется традиционное кремниевое оптическое волокно и новое поколение пластиковых оптических волокон. Результатом замены медных проводов для передачи данных оптическими кабелями является существенное уменьшение массы кабелей и пространства, необходимого для их прокладки. Кроме того, оптические кабели исключают проблемы электромагнитной совместимости.

Кроме прочего, компания Nexans производит обширный ассортимент монтажных изделий для оптических кабелей, включая устройства доступа и маршрутизации. Монтажная платформа FiberArt позволяет оптимизировать маршрутизацию прокладки волокна в физической кабельной сети в верхней части башни электроветрогенерирующей установки, что гарантирует целостность сети. Модульные распределительные коробки дают возможность реализации законченной архитектуры для основных узлов обмена данными, включая герметичные объемные структуры, расположенные в основании башни.

Компания Nexans предлагает полное семейство обмоточных проводов для двигателей и ротор-генераторов, включая специальные обмоточные провода — тонкие и сверхтонкие — для таймеров, клапанов управления и миниатюрных трансформаторов, а также провода для электрических двигателей всех размеров. Специальные провода типа СТС для трансформаторов легко наматываются и весьма эффективны для применения в трансформаторах на средние напряжения, позволяя существенно уменьшить их габариты. В особенности — для низковольтных применений.

Кроме кабелей, в ветровых турбинах располагается большое количество концевых муфт и разъемов. Компания производит разъемные соединители (безопасные при прикасании), а также ряд модульных концевых и соединительных муфт. Nexans предлагает взаимосвязанные технические решения, что гарантирует целостность системы и простоту установки и монтажа, без риска для персонала. Все турбинные кабели имеют безгалогенные версии. Кабели — огнестойкие, обеспечивают низкую токсичность, малое выделение веществ, вызывающих коррозию, и малую плотность дыма при горении.

Для инфраструктуры ветрофермы компания Nexans производит весь диапазон кабелей на среднее напряжение для соединения турбин. Подземные одножильные кабели на суше соединяют ряды ветрогенераторов и подсоединяют их в параллель к береговой подстанции. Предлагаются также экономичные подводные кабели с тремя медными жилами, содержащие волоконно-оптические тракты. Эти кабели проектируются по требованиям конкретных заказчиков и используются для соединения турбин.

Компания поставляет высоковольтные силовые кабели для линий электропередачи постоянного и переменного тока как на суше, так и в море. Кроме того, производятся провода на средние и высокие напряжения для воздушных линий электропередачи. Такие провода из сплавов с алюминием используются для транспортировки энергии издалека до местных сетей. Nexans поставляет большую номенклатуру силовых проводов по диаметру, из которых эти провода сделаны, в соответствии с нуждами конкретных заказчиков, а состав сплавов адаптируется к стандартам конкретной страны, климату и рельефу местности. В отличие от конкурентов, компания изготавливает всю необходимую для установки и монтажа кабелей арматуру. Вспомогательные системы и оборудование — важная часть инфраструктуры любого парка электроветрогенераторов, особенно в жестких условиях эксплуатации в море. Компания предлагает системы защиты от коррозии, а также механические системы крепления и защиты.

И на суше, и в море оптические кабели в возрастающих масштабах используются одновременно с силовыми кабелями на среднее и высокое напряжение для обеспечения дистанционного управления скоростью вращения ротора, торможением, величиной угла лопатки, температурой, гидравлическими уровнями и т. п. Компания Nexans производит полный ряд монтажных, установочных, соединительных устройств, включая оптические маршрутизаторы, соединительные муфты для сварных и разъемных соединений. Кроме того, для локальных вычислительных сетей, которые обеспечивают высокий технический уровень систем электроветрогенерации и безопасность локальных инфраструктур, компания предлагает современные технические решения по построению таких сетей с использованием медных и оптических кабелей для тотального мониторинга, управления и связи/наблюдения.

Все это определило авторитет компании у заказчиков и проектировщиков ветровых ферм. Так, Nexans заключила контракт на поставку подводных силовых кабелей длиной 70 км для самого большого датского поставщика электроэнергии — компании DONG Energy A/S. Кабели предназначаются для реализации проекта создания ветряной фермы Horns Rev2, которая должна быть построена в течение следующих двух лет. Кабели соединят ветротурбины между собой и с центральной трансформаторной станцией, они будут проложены в море на глубине от 9 до 18 м. Кроме подводных кабелей на среднее напряжение, компания поставит для проекта необходимые монтажные комплектующие и осуществит их прокладку и монтаж линии. Кабели и кабельная арматура будут изготовлены на заводах Nexans в Ганновере (Германия) и Холдене (Норвегия). Начало поставки запланировано на апрель этого года, а проведение работ по прокладке линии — на июнь. Проект должен быть завершен к лету 2009 г.

Компания DONG привлекла Nexans к участию в большом новом проекте на основании ее положительного опыта в реализации предыдущего проекта — Horns Rev1, для которого Nexans поставила подводные кабели и смонтировала линию передачи. Для Horns Rev2, как и для предыдущего проекта, будут произведены высоковольтные подводные кабели для соединения ветряной фермы с береговой электросетью.

По проекту Horns Rev2 должна быть установлена 91 турбина. Их расположат в 13 рядов, в каждом из которых будет по 7 турбин. Каждая из них будет генерировать 2,3 МВт, и общая мощность фермы составит около 210 МВт. Это соответствует энергопотреблению приблизительно 230 тысяч типовых домовладений. В результате реализации нового проекта будет производиться электроэнергии на 25% больше, чем на предыдущей стадии. Новая ветряная ферма должна быть расположена на песчаной отмели примерно в 27 км от западного побережья Дании и уходить в море на 14 км.

Хорошую репутацию как производитель кабелей для ветроэнергетики имеет и компания Prismian, которая также в течение продолжительного периода времени пристально следила за развитием и практическим внедрением ветроэнергетики, в результате чего в настоящее время она предлагает для этого рынка соответствующую номенклатуру кабелей [10].

Российским производителям кабелей еще предстоит освоение этой новой, как для внутреннего, так и для внешнего рынка, ниши.

Литература

  1. Delivering Offshore Wind Power in Europe. European Wind Energy Association, 2007.
  2. wikipedia/wiki/Википедия //F:Ветроэнергетика.htm
  3. Revellon S. Cabling for windpower // Wire & Cable Technology International, 2007, November/December.
  4. www.guardian.co.uk. Dec. 18, 2006
  5. Siemens USA — Press Release Archive (//F;index.php.htm%20%203.htm)
  6. www.ewea.org
  7. www.ewea.org. EWEA. Wind is Power.16 April 2008.
  8. www.cigre.org
  9. www.nexans.com
  10. www.prismian.com

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Сообщить об ошибке