Получение электроэнергии от ветряных турбин - это один из способов диверсификации используемых человечеством источников энергии, направленных на сокращение потребления ископаемых видов топлива и повышение стабильности работы энергосистем. Но, согласно Второму закону термодинамики, энергии в виде бесплатного обеда не бывает, и это в полной мере относится к ветровой энергетике.
Морские ветра дуют чаще и сильнее, чем на ветра на суше, что делает морские ветряные энергоустановки (OWF) более надежным источником возобновляемой энергии. Но для того, чтобы повысить эффективность использования энергии ветра, необходимо объединять ветровые турбины в кластеры, которые желательно создавать на мелководье для упрощения передачи электроэнергии и технического обслуживания, о чем уже рассказывалось в одной из публикаций.
По оценкам специалистов, относительно неглубокое Северное море с его сильными ветрами вполне подходит для этих целей европейцам. Почти 50% запланированных к строительству в ЕС OWF будут располагаться именно там.
А при чем тут бесплатный обед?
Ветряные турбины, преобразовывающие часть энергии ветра в электричество, как и все созданные человеком «двигатели», не очень эффективны. Энергия, теряемая при преобразовании, приводит к тому, что усиливается турбулентность в оставшемся нисходящем ветровом потоке и повышается температура воздуха примерно на 0,5 ° C.
Более легкий теплый воздух создает меньшие усилия для вращения турбин, а турбулентность снижает эффективность выработки энергии и увеличивает нагрузку на конструкции и оборудование ветряной электростанции. Как показывают исследования ветровой след ветряных ферм может тянуться на большие расстояния - от 50 до 70 километров.
Таким образом, получается, что на практике создание кластеров из ветряных турбин с целью повышения их эффективности в таких благоприятных для этого районах, как Северное море, является одним из непредвиденных препятствий, повышающих стоимость возобновляемой ветроэнергетики.
Исследователи пришли к такому выводу по результатам моделирования этих атмосферных явлений. Данные о скорости, направлении и сезонности ветра брались с платформ, установленных в Северном море. Для оценки изменяющейся реакции на наличие и отсутствие ветрового следа применялся коэффициент использования мощности CF.
Понятно, что любая модель несколько аппроксимирует реальную ситуацию, но исследователи полагают, что их расчеты могут объяснить проходящие процессы с точностью до 80%.
«Выполненное нами моделирование показывает, что создание больших кластеров OWF существенно влияет на связанный с ветрами климат и снижает эффективность производства возобновляемой энергии в региональном масштабе».
В результате этого среднегодовая скорость ветра, которая составляет в Северном море 7,8 м/с, снижается на 2-2,5 м/сек. Турбулентность воздушных потоков в районе над ветряными электростанциями увеличивается примерно в четыре раза.
Снижение скорости ветра более выражено весной и летом, а турбулентность - осенью и зимой. В районе кластеров ветряных ферм размером 10 Х 10 км скорость ветра снижается на 18%, а турбулентность увеличивается в 7 раз. В итоге все это приводят к падению коэффициента использования мощности CF на 22%.
На снижение способности ветряных турбин производить энергию также влияет направление ветра и расстояние между установками. И при протяженности ветрового следа до 45 километров и более группирование турбин в кластеры становятся весьма сложной задачей.
В свое время был найден компромисс в виде кластеризации оффшорных ветряных электростанций с целью снижения затрат на производство энергии за счет сокращения инвестиций в инфраструктуру. Но все эти преимущества могут быть сведены на нет эффектами ветрового следа и последующим снижением коэффициента CF.
Поэтому, по словам исследователей, ветровая энергетика в Северном море может считаться ограниченным ресурсом.
Получается, что оффшорные ветряные электростанции, которые задумывались для снижения воздействия на окружающую среду и борьбы с изменение климата, влияют на местную экологию.
Конечно, нам нужно думать о диверсификации источников энергии, но верить в то, что ветряные электростанции обходятся без экологических издержек - это лицемерие. Мы должны признать, что нам еще долгое время придется сжигать ископаемое топливо.