Человек, который почувствовал ветер перемен,
должен строить не щит от ветра, а ветряную мельницу.
Мао Цзэдун
В романе Герберта Уэллса «Когда Спящий проснется» герой просыпается в 2100 году, в мире, основой энергетики которого стало использование ветра: «Гигантский человеческий улей, на который работает без устали ветер и символом, гербом которого является ветряной двигатель».
До даты, намеченной Уэллсом еще далеко, но, тем не менее, шаги в указанном им направлении уже делаются. Мировая ветроэнергетика, ранее бывшая маргинальным сектором в выработке энергии, начала развиваться с нефтяного кризиса 1973 года и с тех пор уже не сбавляла темпов. Один из европейских лидеров – Дания – с 2011 года получает более четверти электроэнергии от ветроэлектрических установок, а 2030 году планирует довести этот показатель до 50%. Во всем мире в 2010 году производство электроэнергии с помощью ветра достигло более 2,5% от общего потребления электроэнергии и растет на более чем 25% в год. Планируется, что в странах Европейского сообщества доля ветроэнергетики к 2020 году достигнет 13%. Вместе со странами Европы активно стремятся максимально овладеть энергией ветра США, Канада, Китай и Индия. Всего же ветряная энергетика существует в 83 странах.
Рынок ветроэлектрических установок (ВЭУ) растет более чем на 20 % в год. Ведущие производители ВЭУ: GE Energy (США), Vestas (Дания), Siemens Wind Power (Германия – Дания), Enercon (Германия), Suzlon Group (Индия), Gamesa (Испания), Goldwind (Китай), China Guodian Corporation (Китай), Sinovel (Китай), Ming Yang (Китай). Совместно эти компании контролируют более 75% рынка. Ими в основном производятся установки единичной мощностью от 600 до 1000 кВт и более. Однако много малых фирм в Германии, Бельгии, Голландии и Дании производят ВЭУ малой и средней мощности.
Теоретический фундамент ветроэнергетики был создан еще в начале XX века. Тогда почти одновременно трое ученых: англичанин Фредерик Ланчестер, немец Альберт Бец и русский Николай Жуковский – вычислили максимальный теоретический коэффициент полезного действия ветряного двигателя, который оказался равен 59,3 % от кинетической энергии ветра. Первым этот результат опубликовал Ланчестер, однако в силу исторических причин этот закон получил имя Беца. Современные ветряные двигатели не достигают предела, положенного законом Беца, но уже преодолели отметку в 40% КПД.
Всемирная метеорологическая организация оценивает потенциальные ресурсы энергии ветра в 170 триллионов киловатт-часов в год. Ветроэнергетические установки используют возобновляемый источник энергии, не выделяют парниковые газы и не оставляют после себя радиоактивные отходы.
Однако, желая использовать энергию ветра, человечества должно преодолеть и ряд специфических для этого источника проблем. Ветры – явление довольно постоянное, если оценивать их в большом временном масштабе, от года и дольше. Но на более кратких отрезках времени на ветер полагаться нельзя. Ветер может менять направление, иногда на несколько дней воцаряется полный штиль, зато в другой раз ветер станет настолько сильным, что сломает лопасти генератора. Так как мощность потока ветра пропорциональна кубу его скорости, даже относительно небольшие изменения скорости ветра приводят к значительным колебаниям мощности установки. Осложнения в работу генератора вносят дождь и снег. Ветроэнергетические установки могут создавать излишний шум и помехи в распространении радиоволн.
Решать эти проблемы можно, совершенствуя методы управления энергетическими установками, чтобы перераспределять энергию с тех ветряных станций, где в данный момент она вырабатывается с избытком, в те места, где сейчас ветер утих. На ветряных электростанциях используют разнообразные аккумуляторы. Помимо электрических это могут быть воздушные аккумуляторы, где ветер нагнетает воздух в баллоны, а потом, когда наступает штиль, этот воздух выходит из баллонов и вращает лопасти генератора. Есть и водяные аккумуляторы, в которых силой ветра в высокий резервуар закачивается вода, которая потом сможет вращать турбину. Есть даже химические аккумуляторы, в них энергия ветра разлагает путем электролиза воду на водород и кислород, которые потом можно использовать в газовой турбине. Все эти методы направлены на обеспечение равномерной работы электростанции, не зависящей от капризов ветра.
В наши дни ветроэнергетика действует в самых разных масштабах: от небольших ветряков, которые обеспечивают электричеством удаленную ферму где-нибудь в австралийских степях, до крупных шельфовых электростанций, расположенных в океане в нескольких десятках километров от берега, мощность которых достигает сотен мегаватт.
Интересно, что в свое время СССР был мировым лидером в области ветроэнергетики. В 1931 году была в Балаклаве создана ветроэнергетическая установка мощностью 100 кВт, что составляло в то время мировой рекорд. В 1950-х годах в СССР выпускалось до девяти тысяч ветроэнергоустановок в год, мощность таких установок могла достигать 30 кВт. Во время целины в Казахстане построили первую в мире многоагрегатную ветроэлектростанцию, где ветряные установки были совмещены с дизельными. Их общая мощность достигла 400 кВт. К сожалению, вскоре ветроэлектроэнергия не выдержала конкуренции с более дешевой энергией ТЭС, ГЭС и АЭС, и производство генераторов было свернуто. В настоящее время установленная мощность ветроэлектростанций в России составляет около 13 МВт. Крупнейшие ветроэлектростанции России – это Зеленоградская (5,1 МВт), Анадырская (2,5 МВт) и электростанция Тюпкильды в Башкирии (2,2 МВт). Особо перспективными для ветряной энергетики в нашей стране кажутся, однако, не крупные станции, а установки, снабжающие энергией районы, удаленные от источников централизованного энергоснабжения, а также мелких потребителей энергии.
В составе кластера энергоэффективных технологий фонда «Сколково» разработки в области ветроэнергетики ведет иркутская компания «Аэрогрин». Разработанная ею ветряная турбина не зависит от направления ветра, может работать в дождь и снег и выдерживать ураганные ветры со скоростью до 30 метров в секунду. Более того, корпус турбины снабжен солнечными батареями, которые позволяют вырабатывать энергию даже в безветренную погоду. По оценке разработчика себестоимость 1 кВт-ч электроэнергии, полученного на этой установке, составляет три рубля, тогда как на трехлопастных ветряках, часто используемых в ветряной энергетике, она доходит до шести рублей.
Другая компания «Оптифлейм солюшенз» работает в Санкт-Петербурге. Она также разрабатывает турбинные ВЭУ, которые отличаются пониженным шумом в работе и безопасностью для людей и птиц, так что их можно устанавливать даже на крышах городских домов. В 2012 году «Оптифлейм солюшенз» стала первой российской компанией, получившей статус резидента Университетского исследовательского центра (University City Science Center) в Филадельфии.
