Изображение от www.slon.pics на Freepik
Приветствую читателей.
Листал ленту и наткнулся на статью:
Можете ознакомиться сами, кому лень - вот вам спойлер: в статье идёт речь о том, что экспериментальная ветряная турбина SG14-222DD побила рекорд по выработке электроэнергии за сутки.
Что имеем?
1. Заявлено о рекорде. То есть, случай неординарный. Надо полагать, что выработка энергии конечно же зависит от внешних условий, в данном случае от силы ветра и в день фиксации рекорда ветер был -- что надо!
2. ТТХ турбины:
- Номинальная мощность 14МВт с возможностью "Power Boost" до 15МВт. Механизм повышения мощности неясен.
- Длина лопасти 108 метров, Диаметр окружности, описываемой лопастями - 222м, масса генераторной "гондолы" - 500 тонн.
- High Wind Ride Through (HWRT): Прямой привод генератора (отсутствует редуктор) и некая способность переваривать сильный ветер:
When the wind speed is higher than 25 meters per second, wind turbines typically shut down for self-protection. Those equipped with the HWRT system will slowly ramp down power output instead, enabling smoother production ramp-down and thereby a more reliable electrical grid.
Ну, то есть, при скорости ветра выше 25м/с, выработка энергии плавно снижается, тем самым обеспечивая сохранность сетей. А что с самой турбиной, она замедляется? Меняет угол атаки лопастей? Останавливается? Продолжает молотить? Не совсем понял.
Характеристики взяты с сайта производителя.
3. Заявлено, что этой энергии достаточно для питания около 18000 домохозяйств.
4. Рекордных показателей установка достигла "всего" через 10 месяцев после начала работы. Установлена на испытательном полигоне в Дании.
Ломка копий
Естественно, под скучной статьей возникли жаркие баталии в комментариях. Ну что тут такого, какая-то там турбина чего-то там. Это же вам не завязка какого-нибудь стахановского движения? Но кто-то высказал мнение, что дескать ерунда это всё, стоит много, пользы мало и вообще распил бабла. Конечно же, ему немедленно возразили, что он не очень умный человек и всё на самом деле совсем не так. А как на самом деле?
Приблизительно про эффективность и почему рекорд - не показатель.
Давайте разберемся, что может обеспечивать эта штука. Для начала, пойдём от обратного. Берём номинальную мощность установки - 14 Мегаватт. И для начальной оценки масштабов трагедии примем допущение, что установка работает в идеальных условиях:
- Постоянно дует ветер со скоростью, обеспечивающей "крейсерскую" скорость вращения ротора.
- Установка не подвержена никаким изменениям внешней среды и износу.
- От генератора до распределительного щитка вашего домика потерь нет.
Нормативы потребления электроэнергии возьмём, как это делали комментаторы из исходной статьи, из расчёта 1 человек, проживающий в 1 комнате, по домашнему региону -- в моём случае, это 132 кВт*ч в месяц. Цифру это можно подсмотреть на сайте сбытовой компании.
Берём калькулятор и считаем. Выработка за месяц:
Eв(КВт*ч) = W(КВт) * t(ч) = 14000 * 24*30 = 10080000 КВт*ч
Сколько обеспечивается человеко-квартир в месяц:
Sчк = Eв / норма = 10080000 / 132 = 76363.6363636
Получаем примерно 76000 условных домохозяйств. А нам говорят, что это будет всего-навсего 18000. Ладно, тогда берём самое высокое значение нормативной сетки, соответствующее проживанию 1 человека в 5 и более комнатах = 208 кВт*ч/мес
Sчк_2 = Eв / норма_2 = 10080000 / 208 = 48461.5384615
Всё равно много. Почти в три раза. Сделаем промежуточные выводы:
- Наши нормы потребления - полная ерунда, или их басурманские домохозяйства потребляют в разы больше электроэнергии;
- условия работы установки далеки от идеальных.
Посмотрим, что у них? От проживающего в штате Калифорния (США) знакомого я получил следующую информацию:
Калифорния - теплый штат, давайте посмотрим, что в более или менее холодных регионах?
Данные для Норвегии с 2008 по 2020 год. Взято отсюда. В среднем, те же самые 600 кВт*ч в месяц на домохозяйство. Тогда:
Sбасурм. = Eв / норма_басурм. = 10080000 / 600 = 16800.
О чудо, мы получили цифру, близкую к 18000. Не будем сейчас разбираться в отличиях домостроений и факторов энергопотребления у нас и у них, но обратим внимание, что получившаяся цифра несколько меньше 18000. Это говорит о том, что наши "идеальные условия работы" не такие уж идеальные: чтобы обеспечить заявленный объем энергоснабжения, установка должна работать на верхнем пределе режима "Power Boost". А сможет ли?
Тут нужно иметь ввиду, что это "сможет" -- популярный маркетинговый ход современности. Принципиально может, практически - раз в 10 месяцев.
Поднимается ветер!
Зайдем с другой стороны и обратимся к теории ветряных мельниц. В основе простая максима: движущийся поток воздуха обладает определенной энергией, которую можно собрать, преобразовать и использовать. Мощность воздушного потока, поступающую на ветроколесо, можно рассчитать по формуле:
Далее вступает в силу такое понятие, как коэффициент использования энергии ветра (КИЭВ). Он показывает, какая часть воздушного потока, обдувающая рабочую площадь ветряка, непосредственно воздействует на его лопасти. Покопав интернет, можно выяснить, что на практике для трехлопастных систем удается достигать значения ~0.4, а максимальное теоретически возможное значение ~0.6. Возьмем для себя среднее значение -- 0.5.
Ну и в оконцовке, существует еще КПД самого генератора, то есть эффективность преобразования энергии, приложенной к валу генератора, непосредственно в электроэнергию. Из известного у нас только то, что генератор на постоянных магнитах, что он безредукторный и его максимальная выходная мощность. Остальное неведомо, ну допустим, что генератор у нас сверхэффективный и имеет КПД аж 90%.
Сведя всё воедино можно узнать, какую мощность будет выдавать этот ветрогенератор при разных скоростях ветра. Получим следующее:
Некоторые деятели, пишущие на эту тему, советуют сразу отбрасывать от результата 20-30% на всякие потери. Но мы не будем занижать достоинства нашего рекордсмена! Из полученной картины видно, что номинальную мощность генератор будет выдавать при скорости ветра ~8.7 м/с. Посмотрим, какие ветра дуют в Дании, где проводились испытания (источник 1, источник 2).
В центральных районах Дании этот показатель будет на уровне 5.2-5.3 м/с, генератор будет выдавать порядка 3 МВт. Для районов датской Северной Ютландии, где собственно и расположен Эстерильд, ветра более крепкие: среднегодовое значение составляет 7м/с. При таком ветре данный экземпляр будет выдавать в среднем 7.5 МВт.
7.5 мегаватта, уважаемые читатели, то есть в два раза меньше рекордных показателей -- вот всё, с чем мы будем иметь дело большую, подавляющую часть времени с такого ветрогенератора. И да, потенциально он может выдать 15. Разумеется, реализованные ветровые электростанции имеют в локальном расположении не одну установку, а десятки. И 2-5 штук таких ветряков в спокойном режиме запросто обеспечат электричеством 18000 домохозяйств. Но вот мне интересно, когда в интернетах пишут суммарную мощность таких электростанций -- указывают фактически вырабатываемую мощность (нет), или максимальную расчётную? Известно, что в европейских странах, особенно в северной Европе, производство ветровых электростанций развернуто в промышленных масштабах. Дания так вообще лидер по производству ветрогенераторов. Строят береговые ветропарки, строят оффшорные (в море-то ветер сильнее гуляет). Поэтому еще интересна стоимость всего этого хозяйства.
Сколько стоит?
Гонка за размерами этих установок происходит не просто так, а в целях повышения эффективности. Как вы заметили, помимо силы ветра, результирующая мощность ветрогенератора напрямую зависит от размера лопастей. Кроме того, длина лопастей характеризует быстроходность ветрогенератора: зависимость частоты вращения от скорости ветра. Судя по всему, руководствуясь средней скоростью ветра в целевой местности, разработчики выбрали такую длину лопастей, чтобы обеспечить оптимальный для генератора диапазон оборотов, тем самым исключив из конструкции редукторы/мультипликаторы. Это снижает потери мощности и (наверное) стоимость. В итоге они получили установку больших размеров, но в то же время и более эффективную чем, скажем, две помельче.
Из всего выше сказанного нужно вынести для себя, что подобные ветрогенераторы -- серьёзное инженерное сооружение. 500 тонн генераторная гондола (и у них она считается легкой, потому что остальные с редукторами -- ещё тяжелее). Лопасти длиной 108 метров. Башня, на которой всё это устанавливается - ну, минимум, 120 метров. Для всей этой нелегкой, да еще под динамическими нагрузками, конструкции требуется соответствующий фундамент. Хорошо, если что-то подобное мы строим на прибрежной скале. Но в данном случае -- установка оффшорного назначения. А значит, всё это надо везти по воде на корабликах. Плюс нужны спец. судна для обустройства фундаментов, монтажа, высотного монтажа (плавучие краны), морские кабелеукладчики, куча оборудования поменьше, ну и конечно же люди, которым, чёрт побери, нужно платить зарплату. Всё это - сложная логистика и издержки.
В море эти конструкции проще устанавливать на отмелях, типа упомянутой в исходной статье Доггер-Банки. Глубины там колеблются от 15 до 36 метров, а до ближайшего материкового берега -- 100 километров .
Это значит, что нужно провести геологию на участках строительства, разработать разные проекты и построить разные фундаменты. Есть ещё плавучие основания для таких монструозных ветрогенераторов, но они ещё дороже стационарных.
Нужно отводить электричество, то есть проложить добрую сотню километров подводного кабеля до локации, пару дублирующих на всякий случай и пучок коммуникационных кабелей, заодно. Еще нужно утопить некое количество кабелей внутри локации, соединяющих отдельно стоящие установки в единую сеть. Подозреваю, что количество это тоже будет немалое. На примере одного из проектов на Доггер-Банке: 95 турбин на 600 кв. километрах, получим квадрат со стороной ~24 км грубо 9 рядов по 10 турбин в каждом -- получим минимум 24*9 = 216 километров кабелей внутри ветропарка. Обращаю ваше внимание, что мы даже не смотрим, когда этот проект был запущен и когда его планируют завершить. Намекну: это долгие годы.
После того, как всё построено, наступает период эксплуатации. Срок службы такой установки -- 20-25 лет. Но не следует думать, что всё это время потребитель будет спокойно снимать ток с клемм генератора. Человечество не первый день преобразует материю Вселенной в полезные для себя ништяки, но действуя в рамках этой Вселенной не может выйти за них (по крайней мере, пока). Поэтому не создало еще механизмов, которые никогда не ломаются. Но нам повезло: у разработчика этой установки существуют "гибкие сервисные программы", а также центр удаленной диагностики. Эта штука облеплена кучей разных датчиков, показания с которых стекаются в этот самый центр. И как только им что-то не нравится -- сообщают оператору, а дальше всё по накатанной -- аварийный останов, счёт-договор, командировка специалистов, ревизия, дефектовка, регулировка, ремонт. Это снова издержки.
При таких вариативных условиях вряд ли кто-то возьмется сообщить конкретную стоимость подобного агрегата "за штуку под ключ". Конечно же, на сайте производителя такой информации я не нашёл. В процессе поисков набрёл на статью, датированную октябрём 2020 года, где специалист компании "Rystad Energy" Александр Флётр высказывает своё оценочное суждение по поводу проекта ветропарка на 1ГВт и о его экономических перспективах при переходе с 10 МВт турбин на турбины 14 МВт. Соответственно, 100 штук установок, запроектированных изначально, заменить на 72 штуки помощнее. Он делает там свои специфические выводы об экономической целесообразности такой замены и попутно приводит стоимость установок. Так вот, стоимость самих ветроэнергетических установок оценивается следующими суммами:
- 10МВт: ~$8M (исходно 100 штук)
- 12МВт: ~$10.1M (этих понадобится 84 штуки)
- и наш "герой дня" 14МВт юнит -- примерно $12.3M (но их нужно всего 72)
Мужик предполагает ставить 72 установки по 12.3 миллиона долларов США за штуку (это без фундаментов и коммуникаций). Общая сумма -- 885.6 миллиона долларов. Это примерно 55 миллиардов рублей по сегодняшнему курсу. С учётом мощностных характеристик, этот ветропарк равен половине блока атомной электростанции с реактором типа ВВЭР-1000 и примерно сопоставим по цене постройки такого блока в России.
Это очень приблизительная оценка, дорогой читатель, если смотреть глубже, то вообще начинается интересное. На пути прохождения электричества появляются "фирмы-прокладки", аккумулирующие, распределяющие, сбывающие, контролирующие, контролирующие контролирующих и т.д. Их много. В них работает много людей и над ними сидит много акционеров и бенефициаров. Вот где веселуха-то!) Но наверное это уже другая история.
Я закончил, спасибо за внимание, вопросы, комментарии приветствуются.
