Экономика ВИЭ. Издание 2-е, переработанное и дополненное

Уже сегодня видны результаты в тех странах, правительства которых проводили в разных формах политику и практические меры по её развитию и поддержке ВИЭ. Объём рынка возобновляемой энергетики сегодня уже исчисляется сотнями миллиардов евро ежегодно (прим. $329 млрд. в 2015 г. по данным Bloomberg New Energy Finance17). Рост инвестиций в секторе энергетики ВИЭ во всем мире отражает график, представленный ниже на Рисунке 1.

Рисунок 1.

Рост инвестиций в энергетику ВИЭ в мире, млрд. UDS2014

Источник: Bloomberg New Energy Finance, 2015: http://about.bnef.com/press-releases/clean-energy-defies-fossil-fuel-price-crash-to-attract-record-329bn-global-investment-in-2015/

Рост инвестиций в энергетику на основе ВИЭ в 2015 году имел различные составные части по технологиям генерации, но наибольшую долю заняли две из них: ветрогенерация и солнечная энергетика. Не менее впечатляющий относительный рост инвестиций по сравнению с 2004 г. (Рисунок 2). Фактически за 10 лет до 2014 г. объём ежегодных инвестиций увеличился в 5 раз, став самой быстрорастущей отраслью в мире по этому показателю.

Рисунок 2. Рост инвестиций в энергетику ВИЭ в мире по сравнению с 2004 г., %

Источник: Bloomberg New Energy Finance, 2015: http://about.bnef.com/press-releases/clean-energy-defies-fossil-fuel-price-crash-to-attract-record-329bn-global-investment-in-2015/

Несмотря на некоторое замедление в 2012—13 годах инвестиционный процесс в возобновляемой энергетике за рассматриваемый период производит сильное впечатление своими ежегодными индикаторами объёма. BNEF также оценивает объём инвестиций в корпоративный и правительственный (т.е. за счёт средств государств) НИОКР в возобновляемой энергетике в 2015 г. в $28,3 млрд и рост этих расходов на 1% по сравнению с 2014 г.18

По оценкам Министерства защиты окружающей среды ФРГ, сделанным ещё в 2006 г., величина этого рынка может достигнуть к 2030 г. 460 €2000 в год.19 Но исходя из приведённых выше темпов роста инвестиций в ВИЭ, этот индикатор роста может быть и превышен к ожидаемому сроку. Этот сектор экономики создает новые рабочие места, как в производственной части, так и в сопутствующих секторах: НИОКР, обучение и тренинг, производство энергии и обслуживание оборудования и прочее, что неоднократно отмечалось специалистами во многих странах.

Развитие отдельных технологий на основе ВИЭ в мире будет рассмотрено автором ниже.

По мнению МЭА20 активное развитие производства энергии на основе ВИЭ в последние годы основывается преимущественно на следующих двух факторах развития.

Во-первых, активное развитие этого типа энергетики в развивающихся странах мира, которые отличаются существенно более высокими темпами роста энергопотребления, чем развитый мир21. Доля стран – не членов ОЭСР, во главе с Китаем составит 2/3 в суммарном приросте производства энергии на основе ВИЭ к 2018 г. И этот более чем впечатляющий рост сможет компенсировать снижение доли развитых стран в этом процессе, в первую очередь в США и странах ЕС.

Во-вторых, существенно улучшается экономика использования ВИЭ для производства электроэнергии за счёт расширения масштабов и технологического развития отрасли. Например, ветроэнергетика является конкурентоспособной без специальных мер поддержки уже в некоторых странах: Бразилия, Новая Зеландия, Турция. Впечатляющие результаты демонстрируют геотермальная и биоэнергия. Энергия ГЭС давно уже не вызывает вопросов с точки зрения своей конкурентоспособности, особенно с учётом способности ГЭС обеспечивать пиковое потребление и балансирование в энергосистеме.

Неодинаковый уровень развития ВИЭ в разных странах можно объяснить двумя основными факторами:

• существенные различия среди стран по величине суммарного объёма ресурсного потенциала ВИЭ, пригодного для разработки, и по его структуре

• различия в эффективности схем стимулирования ВИЭэл, применяемых отдельными странами для наиболее эффективного использования того ресурсного потенциала ВИЭ, которым располагает страна

• разное время начала активных мер поддержки развития возобновляемой энергетики в стране.

РАЗВИТИЕ НАЗЕМНОЙ ВЕТРОЭНЕРГЕТИКИ

Ветроэнергетика в мире, начиная с 90-х годов ХХ века, испытывает значительный подъем. Причем этот подъём выражается сразу в нескольких факторах: рост суммарной установленной мощности ветроустановок, повышение темпа роста установленной мощности, увеличение объёма инвестиций, как в энергетику ВИЭ в целом, так и в ветроэнергетику в частности.

За 2012 год по данным IRENA и GWEC глобальный рынок ветроэнергетики вырос в стоимостном выражении на 10% по сравнению с 2011, что составило $78 млрд или €60 млрд.

Вот несколько цифр, характеризующих тенденции и результаты развития мировой ветроэнергетики, а также место России в этом развитии:

– на конец 2014 года в мире эксплуатировалось примерно 268.000 ветроагрегатов, из которых 76.241 агрегат был установлен в Китае.22 Общая установленная мощность ветрогенерации в мире достигла 432,4 ГВт23, что более, чем в два раза превышает нынешнюю установленную мощность всей российской генерации (210 ГВт, из них в России мощность работающих ВЭС составляет только 5,5 МВт (0,00003%);

– по итогам 2015 г. страной – лидером мировой ветроэнергетики остался Китай (впервые страна стала лидером по итогам 2010 г.) с общей установленной мощностью ВЭС более 145.000 МВт, обгоняя США с общей мощностью ВЭС 74.471 МВт. Приросты установленной мощности составили за 2015 г.: в Китае около 30.500 МВт24, в США прирост мощности составил 8.598 МВт (6.810 МВт в 2010 г.25). Любопытно, что, обгоняя США по объёму установленной мощности ВЭС, Китай существенно отстаёт от них по объёму производимой на ВЭС электроэнергии. В 2015 г. в США было произведено на ВЭС 190 млрд кВт·ч электроэнергии26. Китай (в сообщении Национальной энергетической администрации (NEA))27, в свою очередь, сообщил о суммарных потерях объёмов производства электроэнергии на своих ВЭС в 2015 г. на 33,9 млрд кВт·ч, что составляет примерный эквивалент 20% суммарного производства электроэнергии на ВЭС в Китае или, примерно, 169,5 млрд кВт·ч;

– ещё в 2009 году установленная мощность ветрогенерации в Германии (25,8 ГВт) превысила установленную мощность российских АЭС (22 ГВт), на конец 2015 года мощность ВЭС в Германии составляет 44.947 МВт28

Отдельно стоит подчеркнуть территориальную особенность распространения ветростанций по всему миру. Если раньше работающие ветроустановки были частью пейзажа только развитых стран Западной Европы и США, то сейчас наблюдается скачок в использовании энергии ветра в странах Азии, Латинской Америки, Восточной Европы и постсоветском пространстве. Данную тенденцию можно связать, в первую очередь, с последовательной долгосрочной политикой стран-лидеров в сфере поддержки развития возобновляемой энергетики в целом и ветроэнергетики, в частности, с ростом цен на углеводородные энергоносители, введением квот на выбросы СО2 и парниковых газов, удешевлением конструкций и технологического цикла производства ветроустановок, налаженным механизмом их подключения к сети, появлением более дешевых аналогов, в основном, производства КНР, развитием вторичного рынка установок.

График роста мощности ВЭС (Рисунок 3) имеет вид, близкий к экспоненте, что говорит о высокой скорости нарастания индикатора установленной мощности.

Рисунок 3. Рост суммарной мировой установленной мощности ВЭС, МВт

Источник: Global Wind Statistics, 2015.-GWEC, 10.02.2016

Прирост её только за последний рассмотренный год (2015) составил 17,0%.

Отметим, что индикатор объёма ежегодно устанавливаемой мощности в 2013 году был ниже, чем в предыдущем, что объясняется воздействием кризиса и неустойчивой ситуацией в странах Северной Америки, что и проиллюстрировано следующим графиком на Рисунке 4.

Рисунок 4. Ежегодный прирост установленной мощности, МВт

Источник: Global Wind Statistics, 2015.-GWEC, 10.02.2016

Особого внимания заслуживает структура стран, производящих электроэнергию посредством ВЭС (Рисунки 5 и 6), как наиболее быстро развивающийся и самый большой после ГЭС сектор возобновляемой энергетики. До середины первого десятилетия ХХI века лидерами по объёму установленной мощности были США и страны континентальной Европы. Сейчас на ведущие позиции, как было отмечено ранее, вышел Китай (он, кстати, также является лидером по объёму прироста установленной мощности) и Индия. Также относительно высокую активность по установке новых мощностей ВЭС демонстрируют США29.

Рисунок 5. Суммарная установленная мощность ВЭС на конец 2015 (10 крупнейших стран), МВт

Источник: GWEC, Global Wind Statistics, 2015.-GWEC, 10.02.2016

Рисунок 6. Введённая в 2015 г. установленная мощность ВЭС (10 крупнейших стран), МВт

Источник: GWEC, Global Wind Statistics, 2015.-GWEC, 10.02.2016

Если в августе 2012 г. Американская ветроэнергетическая ассоциация известила о преодолении США рубежа 50 ГВт мощности ВЭС,30 то всего через 3 года установленная мощность превысила 74 ГВт, т.е. выросла на 50%.

Прогноз сравнительной динамики рынка в разрезе основных регионов (Северная Америка, Европа, Азия, Латинская Америка, страны Африки и Ближнего Востока, страны Тихоокеанского бассейна) можно проследить на Рисунке 7 ниже.

Рисунок 7. Прогноз развития рынка ветроэнергетики по регионам, ГВт

Источник: GWEC, 2012

Прогноз суммарной установленной мощности ветроэнергетики (красный) и ежегодного прироста (синий) приведен ниже на Рисунке 8. Как следует из этого графика величина ежегодного прироста выходит на фазу медленного роста, в то время, как прирост суммарной установленной мощности будет ещё продолжать высокую динамику на протяжении ближайших 5—7 лет. Если сравнить данный прогноз, сделанный в 2012 г., с данными на Рисунке 3, то станет очевидным вывод, что ветроэнергетика пока идёт с опережением самых оптимистичных прогнозов и по показателю суммарного ввода мощностей (+3,3% по отношению к прогнозу 2012 г.), и по показателю ежегодного ввода (+26%).

Прогноз темпа прироста суммарной мощности (синий) и прирост годового темпа (красный) показаны на Рисунке 9 ниже.

Рисунок 8. Прогноз роста суммарной мировой установленной мощности ВЭС, ГВт

Источник: GWEC, 2013

Рисунок 9. Прогноз изменения темпа роста суммарной мировой установленной мощности ВЭС, %

Источник: GWEC, 2013

Как уже было отмечено нами ранее, прирост годового темпа выходит на своеобразное плато на уровне 8—10% ежегодно, а темп прироста суммарной мощности постепенно замедляется в мире. Скорее всего, следует ожидать нового скачка темпов роста и прироста после существенного ускорения роста ветроэнергетики морского базирования или открытия последнего большого географического рынка – России.

Технологическое развитие ветроэнергетики идёт сразу в нескольких направлениях. Во-первых, это рост единичной мощности ветроагрегатов. Если раньше, ещё 7—8 лет назад «рабочим» считался уровень единичной мощности ветроагрегата 1,2—1,5 МВт, то теперь, это уже 2,5—3 МВт. Самый мощный из ветроагрегатов принадлежит датской компании Вестас имеет мощность 8 МВт и диаметр ротора 164 м, т.е. лопасть длиной 82 м. Один из крупнейших производителей лопастей компания LM Wind Power известила31 в июне 2016 г. о завершении производства самой длинной лопасти ветроагрегата длиной 88,4 м для станций морского базирования. Однако были сообщения о ведущемся в Sandia National Laboratories исследовательских работах по созданию лопастей длиннее 290 м для ветроагрегатов единичной мощностью более 50 МВт для ВЭС морского базирования.32

Во-вторых, растут высоты башен ветроагрегатов для достижения более высоких средних скоростей потоков, а также для освоения площадок, для которых свойственны слабые ветра на стандартных ранее и ныне высотах башен 80—90 м. Сегодня многие производители готовы предложить ветроагрегаты с высотами башен более 100 м и наибольшая из известных сегодня на рынке башен ветрагрегатов превышает 170 м. Рост высоты башен привёл к необходимости использования совершенно новых технологий их производства. Традиционно башни разбиваются на секции, свариваемые на заводе и доставляемые на площадку ВЭС для сборки самой башни. Как правило для соединения секций башен используется болтовая конструкция. Однако увеличение высоты башни не только ведёт к увеличению количества секций, но и к увеличению диаметра нижних из них. А это, в свою очередь, создаёт серьёзные проблемы с их транспортировкой на площадку. Поэтому в настоящее время используются новые подходы к производству башен прямо на площадках. Компания GE предлагает высокие башни на 5 осях, обмотанных специальной строительной тканью. Другие предлагают использование бетона для их возведения или использование комбинированных конструкций. NREL в США разрабатывает в сотрудничестве с другими компаниями технологию спиральной сварки башен из рулонов листовой стали прямо на площадке.33

В-третьих, логичным развитием, связанным с предыдущими двумя отмеченными факторами, стало увеличение длин лопастей ротора ветроагрегатов. Ныне лопасти длиной более 50 м становятся почти стандартом, а новые технологии изготовления составных лопастей позволили изготовить лопасть ротора длиной 74 м. Такие новые размеры заново ставят перед разработчиками вопросы не только аэродинамических качеств лопасти, но и её надёжность, прочность за счёт используемых материалов и конструкции и цена. Причём последний из факторов по мнению специалистов начинает сейчас доминировать.34

В-четвёртых, использование новых технологических и схемных решений ветроагрегатов для решения проблемы выравнивания скорости вращения ротора ветроагрегата при изменении скоростей ветра и обеспечения за счёт этого необходимого качества вырабатываемого и выдаваемого в энергосистему тока. Используемые решения отличаются достаточно большим разнообразием вариантов. Новые решения используются для перехода от управления отдельными ветроагрегатами ВЭС к управлению всеми ветроагрегатами станции во взаимосвязи для оптимизации режимов выработки не столько каждого отдельно взятого ветроагрегата, сколько выработки всей ВЭС в целом.

Одной из задач инженеров-конструкторов ветроагрегатов всегда было нахождение баланса между необходимостью обеспечения равномерности вращения ротора, максимальным использованием энергии воздушного потока при условии соблюдения безопасности эксплуатации ветроагрегата и обеспечением качества электрического тока, выдаваемого в систему. На сегодняшний день в ветроэнергетике используется несколько технологических решений, решающих выше перечисленные задачи.

Системы контроля скорости вращения ротора. Имеются две принципиальных схемы регулирования скоростей вращения ротора в зависимости от скорости воздушного потока: система контроля вращения ротора (stall control) и система управления углом атаки лопастей ротора (pitch control) путем их поворота и «подрулирования». Кроме того, используются механические коробки передач между валом ветроколеса и ротором генератора. Пассивная система контроля вращения ротора предполагает использование такого профиля лопасти ветроагрегата, которая позволяет при достижении воздушным потоком скорости, при котором происходит изменение оптимального режима вращения и выработки энергии, переводить обтекание лопасти потоком в режим срыва этого потока (stall) и, как следствие, ликвидировать подъёмную силу потока до остановки вращения ротора ветроагрегата. Активная система контроля вращения ротора предполагает несколько фиксированных положений лопастей ветроколеса и их угла атаки, поэтому такой механизм использования контроля обеспечивает промежуточное положение между состоянием вращения и полного останова ротора.

Система управления углом атаки лопастей ротора (pitch control) для регулирования вращения вала предполагает постоянное «подруливание» лопастей ветроколеса на основе анализа выработки энергии в интервалах меньше секунды. Последняя уже опробованная технология, когда в головную часть ротора встраивается лазер, «простреливающий» воздушные потоки, набегающие на ветроколесо. На основании полученных характеристик воздушного потока система управления ветроагрегатов поворачивает лопасти заранее с тем углом атаки, который позволит максимально использовать энергию набегающих потоков ветра. Это усовершенствование позволяет увеличить выработку ветрогенератора на 5—6% за счёт более ранней подготовки ветроколеса к особенностям потока ветра по сравнению с традиционными моделями, в которых корректировка угла атаки происходит post factum.

В современных ветроагрегатах начали использовать генераторы с переменной полярностью (зависит от типа соединения магнитов статора), в которых генератор может работать с различным количеством полюсов и, следовательно, с различной скоростью вращения ротора. Также специально созданные для ветроиндустрии большие генераторы могут работать как два в одном: обеспечивая в одном режиме мощность 400 кВт, а в другом – 2000 кВт и работая на двух скоростях вращения ротора соответственно. Этот тип конструкции получает всё большее распространение. Имеются технические решения регулирования не столько скорости вращения ротора, сколько регулирование вырабатываемого тока на основе прямого привода ротора ветроколеса на генератор. В них используется эффект так называемого скольжения асинхронного генератора35.

Скорость вращения ротора асинхронного генератора будет меняться от величины крутящего момента, передаваемого с ротора ветроколеса. На практике разница между скоростью вращения при максимальной выработке и скоростью холостого хода генератора будет всего около 1%. Это однопроцентная разница синхронной скорости вращения ротора генератора и называется скольжением генератора. Это означает, что 4-хполюсный генератор будет работать вхолостую при 1500 оборотах в минуту при условии его подключения к сети с частотой тока 50 Гц. Выдавать полную мощность генератор будет уже при скорости вращения 1515 об/мин. Это очень важное и полезное свойство электромеханики генератора, состоящее в чрезвычайно малом изменении скорости вращения вала ротора в зависимости от изменения величины крутящего момента в режиме выработки генератора. Это также означает снижение нагрузки на коробку передач за счёт снижение пикового крутящего момента. Такое свойство асинхронного генератора является одной из главных причин столь их широкого использования в сетевых (т.е., подключенных к сети) ветроагрегатах.

Величина эффекта скольжения генератора является одновременно функцией величины сопротивления постоянного тока (измеряемого в омах) возникающего при вращении ротора генератора: чем выше сопротивление, тем больше величина скольжения генератора. Таким образом, изменяя сопротивление ротора, мы можем регулировать величину скольжения, т.е. зазор разницы скоростей вращения ротора генератора и ветроколеса. Таким образом величину скольжения можно увеличить до, например, 10%. Применительно к моторам, которые, как правило, являются машинами обратного действия по отношению к генераторам, зависимость скорости вращения вала мотора осуществляется включением в цепь обмотки статора силовых резисторов и системы управления ими. Типичным практическим примером такой схемы является работа стиральной машины, скорость вращения вала барабана которой – разная при разных режимах работы, а напряжение и частота потребляемого тока – постоянные.

Генераторы работают по обратной схеме. На их роторы также устанавливают внешние силовые резисторы и систему управления ими. Одной из основных проблем управления такой системой силовой электроники является способ передачи команд по регулированию величины скольжения генератора. Это осуществляется с помощью волоконной оптики, устанавливаемой в генератор и используемой для передачи сигналов управления ротором генератора. Если используется генератор с переменной величиной скольжения, то вы можете начать увеличение этого параметра в случае приближения скорости ветра и выработки к номинальным значениям мощности ветроагрегата. Наиболее популярная схема регулирования, впервые предложенная датскими производителями, предполагает установление половины от максимального значения скольжения генератора ветроагрегата при его работе на скоростях, обеспечивающих выработку, близкую к номинальной мощности агрегата. Когда происходит порыв ветра, то система управления даёт команду на увеличение скольжения генератора, чтобы позволить ротору вращение с большей скоростью, а в это же время механизм регулирования поворота лопастей начинает их поворот под ветер, чтобы лопасти могли справиться с этим порывом ветра тоже.

После того как механизм регулирования поворота лопастей выполнил свою работу, механизм регулирования величины скольжения генератора возвращает его значение к прежнему (например, половина от максимума). Если вдруг ветер падает, то схема работает в обратном порядке. Даже приведенное выше краткое описание используемых механизмов адаптации изменения скоростей ветра и работы генератора показывают, что современные ветроагрегаты могут справляться с переменчивым ветром в достаточно большом диапазоне. Внимательный читатель спросит: «А что если ветер совсем перестанет дуть в некоторый момент?» На такой вопрос мне обычно хочется ответить встречным вопросом: «А что если ваша угольная паровая турбина или её генератор, или система управления, или система подачи топлива (специалисты легко продолжат этот список) выйдет из строя?» Использование более совершенных электрических схем работы и управления ветроагрегатом для гармонизации участия ВЭС в энергосистемах на основе использования в ветроагрегатах прямого привода на вал генератора, групповых, а не индивидуальных инверторов и трансформаторов, тонкая опережающая подстройка углов атаки лопастей под находящий поток и проч. позволяют современным ветроагрегатам вполне комфортно работать в составе энергосистем.

Подтверждением этому служат реальные ситуации, когда вся или львиная доля вырабатываемой электроэнергии в большой энергосистеме обеспечивается ВЭС.36 В энергосистемах стран-членов ЕС уже несколько лет действует принцип технологической нейтральности при принятии решений о допуске того или иного генерирующего объекта в систему. На практике это означает, что вне зависимости от используемой технологии производства электроэнергии, агрегат или генерирующий объект должен обеспечивать те же условия и требования по своей надёжной и безопасной работе в системе, что и остальные генерирующие объекты. Целью этих требований, которые обычно включены в так называемые сетевые кодексы стран, является обеспечение бесперебойного функционирования энергосистемы. В случае ветровых технологий эти требования направлены на улучшение и стабилизацию работу ветроагрегатов, снижение объёма потерь ветровой энергии вследствие аварий в системе, и наличие у ветровых электростанций эксплуатационных характеристик, максимально приближенных к характеристикам традиционных электростанций.

Принятые эксплуатационные характеристики ВЭС для современных энергосистем:

• способность поддержания непрерывного энергоснабжения при сбоях (СПН)

• выработка и подача реактивной мощности по команде диспетчеров при сбоях в энергосистеме

• способность регулировать реактивную мощность, уровень мощности и вырабатываемое напряжение

• возможность регулирования активной мощности ВЭС и контроль вырабатываемого напряжения

• регулирование активной мощности по командам диспетчеров

• способность надёжного обмена информацией с СО

• общие требования к защитному оборудованию и настройкам ВЭС