Нет ископаемого топлива – нет электричества от ветра
Ветряные турбины – наиболее наглядный символ поиска возобновляемых источников электроэнергии. Они используют ветер, настолько бесплатный и «зеленый», насколько это возможно для энергии, но сами машины – чистое олицетворение ископаемого топлива.
Большие грузовики доставляют сталь и другие материалы на место производства, землеройные машины прокладывают дорогу к недоступным возвышенностям, огромные краны возводят несущие конструкции – и все эти машины сжигают дизельное топливо. То же самое относится к грузовым поездам и судам, которые перевозят сырье для производства цемента, стали и пластика. Для турбины мощностью 5 МВт требуется 150 тонн одной только стали для железобетонного фундамента, еще 250 тонн для ступиц ротора и для гондол (где устанавливаются редуктор и генератор), а также 500 тонн для башен.
Если к 2030 г. электричество, вырабатываемое ветровыми электростанциями, будет обеспечивать 25 % мировой потребности, то даже при таком высоком коэффициенте мощности, как 35 %, для генерации приблизительно 2,5 тераватт (ТВт) потребуется около 450 млн тонн стали. И это без учета металла, который пойдет на изготовление башен, проводов и трансформаторов для новых высоковольтных линий электропередачи, необходимых для подключения ветровых генераторов к энергосистеме.
Гигантская пластиковая лопасть современной ветряной турбины: сложно изготовить, еще сложнее перевозить и еще сложнее утилизировать
Выплавка стали – процесс энергоемкий. Спеченная или окатанная железная руда расплавляется в домне, и к ней добавляют кокс, получаемый из угля, а также угольную пыль и природный газ. Затем при помощи кислородных конвертеров из передельного чугуна (железа, получаемого из домны) удаляют углерод – и запускается процесс непрерывной разливки стали (расплавленная сталь принимает форму готовых изделий). Для производства тонны стали, используемой в турбинах, обычно требуется 35 ГДж энергии.
Количество ископаемого топлива, необходимого для производства стали для ветряных турбин, которые могут быть введены в строй к 2030 г., эквивалентно 600 млн тонн угля.
Турбина мощностью 5 МВт имеет три аэродинамические поверхности длиной около 60 м и весом около 15 т. У них легкая сердцевина из бальзы или пеноматериала и внешнее покрытие, изготавливаемое, как правило, из эпоксидной или полиэфирной смолы, армированной стекловолокном. Стекло получают путем сплавления двуокиси кремния и других оксидных минералов в печах, воспламеняемых природным газом. Изготовление смол начинается с этилена, полученного из легких углеводородов: по большей части это продукты крекинга нефтяного сырья, сжиженный углеводородный газ или этан, выделенный из природного газа.
На конечный результат – композит, армированный стекловолокном, – затрачивается приблизительно 170 ГДж на тонну. Таким образом, чтобы в 2030 г. получить прогнозируемые 2,5 ТВт ветровой энергии, потребуется совокупная масса роторов около 23 млн тонн, заключающая в себе как эквивалент приблизительно 90 млн тонн сырой нефти. Кроме того, всю конструкцию требуется обработать водонепроницаемым составом – смолами, для синтеза которых понадобится прежде всего этилен. Еще один необходимый продукт переработки нефти – смазка для редуктора, который нужно периодически менять на протяжении двадцатилетнего срока службы турбины.
Вне всякого сомнения, ветряная турбина, место для которой выбрано правильно, меньше чем за год выработает столько энергии, сколько потребовалось для ее производства и установки. Однако вся эта энергия обретет форму непостоянно поступающего электричества, тогда как производство, монтаж и обслуживание не могут обойтись без энергий, полученных благодаря определенным видам ископаемого топлива. Более того, для большей части такого топлива – а это кокс для плавки железной руды; уголь и нефтяной кокс, сжигаемые в печах для обжига цемента; сырая нефть и природный газ как исходное сырье и топливо для синтеза пластмасс и производства стекловолокна; дизельное топливо для кораблей, грузовиков и строительной техники; смазочные материалы для редукторов – у нас нет неископаемых заменителей, доступных по запросу в промышленных масштабах.
И еще долго, до тех пор, пока все виды энергии, используемые для производства ветряных турбин и солнечных батарей, не начнут поступать из возобновляемых источников, современная цивилизация в самой сути своей останется зависимой от ископаемого топлива.
Как велика может быть ветряная турбина?
Ветряные турбины явно подросли. Когда в 1981 г. датская фирма Vestas положила начало тенденции гигантизма, мощность трехлопастных генераторов составляла всего 55 кВт. Она выросла до 500 кВт в 1995 г., достигла 2 МВт в 1999 г., а сегодня составляет 5,6 МВт. В 2021 г. турбина V164, произведенная компанией MHI Vestas Offshore Wind, с высотой оси 105 м и длиной лопастей 80 м, будет вырабатывать до 10 МВт электроэнергии, первой в мире перешагнув двузначный порог мощности. Следует также отметить, что компания GE Renewable Energy разрабатывает турбину мощностью 12 МВт с 260-метровой башней и 107-метровыми лопастями, которая также должна войти в строй в 2021 г.
Сравнение высоты и диаметра лопастей разных ветряных турбин
Это явно расширяет границы возможного, хотя следует отметить, что специалисты задумывались о конструкциях еще большего размера. В 2011 г. компания UpWind представила «эскизный проект» турбины, расположенной в открытом море, с мощностью 20 МВт, диаметром ротора 252 м (в три раза больше размаха крыльев самолета Airbus A380) и диаметром ступицы 6 м. Пока самые масштабные концептуальные проекты ограничены мощностью 50 МВт с высотой башни более 300 м и 200-метровыми лопастями, которые могут изгибаться (подобно листьям пальмы) при сильных порывах ветра.
Восторженные сторонники предполагают, что сооружение такой конструкции не сопряжено с серьезными техническими трудностями – она ведь не выше Эйфелевой башни, построенной более 130 лет назад. Но это неверно. Если бы конструкцию ветряной турбины определяла высота искусственно возведенного объекта, мы могли бы сослаться на небоскреб Бурдж-Халифа в Дубае высотой более 800 м, построенный в 2010 г., или на другую башню, Бурдж-Джидда, которую в 2021 г. планировали довести до 1000 м. Построить высокую башню не слишком сложно; другое дело – сконструировать высокую башню, которая сможет поддерживать массивную гондолу и вращающиеся лопасти на протяжении многих лет, обеспечивая безопасную работу генератора.
Турбины больших размеров неизбежно должны столкнуться с эффектом масштаба. Мощность турбины пропорциональна квадрату радиуса окружности, описываемой лопастями: турбина с лопастями в два раза большей длины будет теоретически в четыре раза мощнее. Но увеличение ометаемой площади приводит к увеличению нагрузки на всю конструкцию, и, поскольку масса лопасти должна (на первый взгляд) возрастать как куб длины, можно решить, что большие лопасти окажутся очень тяжелыми. На самом деле конструкции с использованием легких синтетических материалов и бальзы способны уменьшить показатель степени до 2,3.
Но и в этом случае масса становится больше (а значит, возрастает и стоимость). Каждая из трех лопастей 10-мегаваттного ветрогенератора Vestas будет весить 35 тонн, а гондола – почти 400 тонн (представьте шесть танков «Абрамс», подвешенных на высоте несколько сотен метров). Проект компании GE, призванный превзойти все предшествующие, будет иметь такие параметры по массе: лопасти – 55 тонн, гондола весом 600 тонн и башня – 2550 тонн. Сама транспортировка таких длинных и тяжелых лопастей – это очень сложная задача, пусть даже ее и можно облегчить, сделав конструкцию из нескольких сегментов.
Анализ возможных ограничений производственной мощности полезнее, чем предсказания максимальных значений для конкретных дат. Номинальная мощность ветряной турбины зависит от мощности воздушного потока, который рассчитывается как половина произведения плотности воздуха (1,23 кг/м3) на ометаемую площадь (число π, умноженное на квадрат радиуса окружности, описываемой лопастями) и на куб скорости ветра. Принимая скорость ветра за 12 м/с – и коэффициент мощности за 0,4, – мы найдем, что турбина мощностью 100 МВт должна иметь ротор диаметром почти 550 м.
Чтобы предсказать, когда мы получим такую турбину, нужно всего лишь ответить на несколько простых вопросов. Когда мы сможем изготовить 275-метровые лопасти из пластика и бальзы? Когда придумаем, как их перевозить и монтировать? Когда поймем, как обеспечить их сохранность во время циклонов? Когда у нас получится гарантировать их надежную работу в течение как минимум 15 или 20 лет? Ответ на все эти вопросы один: не скоро.
