Самораскручивающийся проект
На практике в энергетике до сих пор преобладают стереотипы былых времен: нечего крупно вкладываться в создание и открытие серийных производств энергоустановок на возобновляемых источниках. Хотя на частых совещаниях по энергосбережению чиновники говорят обратное.
Bетроэнергетические установки (ВЭУ) поражают воображение любого в первый раз их увидевшего: один только вращающийся пропеллер диаметром 100 метров чего стоит. Мачта, на которой он крепится, должна быть еще выше - диаметр ротора плюс безопасный минимум в пять метров. Чем больше диаметр, тем больше мощность: сегодня в ходу именно стометровые, и это технический предел. Стоят эти исполины толпой обычно где-нибудь на побережье или в море, например между Данией и Швецией, и бешено вращают лопастями, поймав ветер.
- Основной минус горизонтально-осевых ВЭУ пропеллерного типа - они всегда должны ловить ветер. Чем мощнее установка, тем мощнее требуется привод. Причем он не с ходу разворачивает ветроколесо, система управления должна «подумать»: понять, откуда ветер, оценить, стабилен он или нет. Да и сам разворот колеса 100 метров в диаметре немало электроэнергии требует. Еще минус - шум. Поэтому часто это установки морского базирования на понтонах, на сваях: там и ветер стабильный, и от людей подальше...
Мой собеседник, главный конструктор одного из направлений ОАО «Государственный ракетный центр имени академика В.П. Макеева» (ГРЦ, Миасс, Челябинская область) Валерий Кривоспицкий, на критику имеет полное право: сам раньше проектировал такие. А потом стал руководителем работ по созданию принципиально новой конструкции - ВЭУ с вертикально-осевым ротором типа «Н-Дарье». Самую маленькую разборную установку мощностью 1 кВт можно перевозить хоть на автомобиле, хоть на верблюде. Высота ее в зависимости от ветровой обстановки может меняться от 6 до 12 метров. Привез высоко в горы, в тайгу, на северный или южный полюс, в коттеджный поселок, установил - и у тебя всегда есть свое автономное электричество. Бесплатное! После того, конечно, как ты купил установку за несколько сотен тысяч рублей. А самая большая на сегодня опытная ВЭУ этого типа мощностью 30 кВт высоту имеет 17 метров, сделана в единственном экземпляре как опытный образец для проведения испытаний конструкции ротора, ступицы и прочего.
Главный конструктор рассказывает, насколько сложна и кропотлива отработка опытных образцов. Но это радостные хлопоты: проект финиширует. Кривоспицкий пять лет не был в отпуске: в конце года ГРЦ готовится впервые в России и в мире начать серийное производство - полсотни автономных ВЭУ с вертикально-осевым ротором и различной мощностью (будут еще по 3 и 5 кВт) ежемесячно.
Проектировщиков подгоняют потребители - все ждут ветряки. Скопилась масса заявок со всей России и многих европейских стран.
- Ирландия предложила делать для них: там нефть привозная. Они такие в море ставят. Наши более устойчивы, ротор прямо над водой, - рассказывает Валерий Павлович. - Немцы, итальянцы хотят купить. Но для запуска серийного производства опытные образцы должны поработать, выявить погрешности. Серийная установка их иметь не может. Разместили десять ветряков в разных климатических зонах и наблюдаем, дорабатываем. В Челябинской области действуют три мощностью 3 кВт: на заводе по Копейскому шоссе, на стадионе в Челябинске. Третья, обеспеченная аккумуляторным накопителем, с осени под Троицком в поселке Марково на небольшой свиноводческой ферме. Там не было электроэнергии, а теперь фермер может себе позволить обогрев животных, работу двигателей. Полученные результаты полностью подтвердили наши расчеты по мощностным характеристикам.
А еще в содружестве с кафедрой автоматики Миасского филиала ЮУрГУ создаем карту ветров в области, где указаны их сила, направление, объем ресурсов для каждой конкретной точки. Исследование показало: вопреки утверждениям скептиков, область богата ветрами, особенно в южной части.
ГРЦ готовит уже следующий проект - автономную ветроэлектростанцию мощностью 300 кВт на базе вертикально-осевых агрегатов нового поколения мощностью 100 кВт. Она позволит значительно увеличить количество вырабатываемой энергии.
Бери больше ветра
- Вы критикуете традиционные установки (ось вращения ротора горизонтальна, пропеллер поворачивается на ветер), но во всем мире распространен именно этот тип.
- Когда в 70-е годы наступил энергетический кризис, страны обратились к возобновляемым источникам энергии, в частности к ветроустановкам, и пошли по пути пропеллерных машин. Просто потому, что теория была хорошо исследована - взята из авиации и продолжена. И сегодня во многих странах в основном используют эти установки - у них горизонтальная ось, на ней пропеллер ветроколеса, специальный механизм разворота на ветер. Ветер должен дуть перпендикулярно плоскости ветроколеса, тогда мощность берется полностью, потому что считается площадь проекции. Если ветер дует параллельно плоскости винта, проекция и мощность нулевые. Мощности таких установок достигают сегодня 5 МВт, стоимость 1 кВт колеблется от 500 до 1500 долларов.
- А вы почему занялись вертикальными?
- У них плюсов больше, главные - отсутствие механизма разворота и зависимости от того, откуда дует ветер, они полностью по всей площади берут мощность потока. Мы занимались горизонтальными пропеллерного типа еще в 90-е годы по линии конверсии, разработали установку на 100 кВт. Испытали, получили результаты, и тут Советский Союз распался: ни заказов, ни денег. В 2003-м достали «с полки» более перспективные разработки - вертикально-осевые машины и стали в этом направлении работать. Удачно попали в поле зрения американцев. Американцы поняли, что могут загрузить нас исследованиями, профинансировав их.
- В чем фишка вашей конструкции?
- Проекция ротора ВЭУ - прямоугольник, площадь которого всегда перпендикулярна любому ветру, с какой бы стороны он ни дул. За счет этого эффекта установка берет на 30% больше мощности с любого ветрового потока по сравнению с пропеллерной, соответственно годовая выработка электроэнергии больше.
Мы взяли за основу разработку французского инженера Дарье. Изогнутые у Дарье лопасти спрямили. Но главное - до наших исследований в мире полагали, что вертикально-осевые ветряки сами не раскручиваются, их нужно крутануть до определенной скорости, тогда они начнут стабильное вращение. С 2003 по 2006 год мы доказывали, что это не так. Провели большой объем исследований в различных средах. Получили характеристики, которые давали максимальный коэффициент использования ветра, соотношение диаметра и высоты для этого, количество лопастей и прочее.
Мы убедились, что установки самораскручиваются и высокая быстроходность (соотношение потока скорости ветра к скорости движения лопастей 3,5) может быть достигнута. До этого считалось, что у вертикальных это соотношение 1,5, только пропеллерные имеют 5. По коэффициенту полезного действия двигатели аналогичны пропеллерным, но по конструкции существенно проще. Главное - бесшумны, просты в изготовлении.
Откуда надуло
Стартовал проект ГРЦ в 2003 году: через Международный научно-технический центр при поддержке департамента энергетики США было заключено соглашение с лабораторией Беркли в Калифорнии на проведение теоретических исследований и практической отработки модели ветроэнергетической установки.
- Американцы финансировали исследование, а мы работали, - рассказывает Кривоспицкий. - Состояние российской экономики было плохое, оборонщикам зарплату - и ту не платили. Альтернативная энергетика в стране не финансировалась.
- Интерес американцев в чем?
- Получить результаты исследования и развить у себя производство. Сейчас они тоже организовывают у себя выпуск этих установок.
Рынок есть, но рынка нет
- Насколько востребованы ВЭУ малой мощности?
- Сказать востребованы - мало. До 70% населенных пунктов страны не имеют централизованного электроснабжения. Потребителей много: фермы, коттеджные поселки, санатории, геологические и прочие исследовательские экспедиции. Например, Якутия берет установки по 1 кВт - для оленеводов это спасение. Погранвойска заказывают. А 30 кВт могут использовать малые производства: поставят десять таких ветряков - вот у них уже и 300 кВт. Большие установки стоят от 4,2 млн рублей.
- По данным Российской ассоциации венчурных исследований, инвестиции в ветроэнергетику России могут превысить к 2015 году 7 млрд евро. Оборот мирового ветроэнергетического рынка в 2009 году - более 50 млрд евро. Емкость рынка вас ожидает огромная.
- Но в стране этого рынка нет, его нужно создавать.
- Не пойму - то рынок огромный, то рынка нет.
- Россиянам пока нечего покупать кроме импортных ветряков, а они дорогие. Поэтому рынка и нет, и отечественных изготовителей дешевых ветряков тоже нет. Наша фирма - единственная в России добилась практических результатов, в которые можно вкладывать. Пропеллерные продают Дания, Голландия. Дубна их копирует... Нашим же аналогов в мире нет. А потребность в установках очень большая. Пример: недалеко от Златоуста есть деревня Полянка. Челябэнерго обратилось к нам: нужно обеспечить деревню ветроэнергоустановкой, чтобы стабильно была мощность 4 кВт. Мы проверили: там нет хорошего ветра, только 5 м/сек. Европейский стандарт рассчитан на 12 - 13 м/сек, мы снизили этот порог для нашей территории до 11 м/сек. Решили поставить им три ветряка мощностью по 3 - 5 кВт, они согласились.
- Кто может финансировать расширение объемов производства?
- ГРЦ.
- Почему в России ветроэнергетическая отрасль вяло развивается?
- По сложности производство ветроэнергоустановок находится на уровне производства вертолетов. Многие вещи рассчитывать труднее, чем работу ракетной системы: непростая аэродинамика, использованы теории подъемного крыла, машущего крыла, вихревая. А локомотива, который бы двигал это дело, нет. Министерство энергетики РФ пытается им быть. Например, среди четырех отобранных проектов на получение грантов есть наш - ветро-водородная станция на 300 кВт, которая стала бы прототипом для промышленных образцов. Документы давно лежат в правительстве РФ. Однако средства до нас так и не дошли.
- Ну, с нефтегазовой иглы слезть непросто, а ветроэнергетика дорога, да и ветра у нас мало.
- Действительно, ветроэнергетика изначально затратна. Но когда установки себя окупают, эксплуатационные расходы нулевые. Все страны - США, Голландия, Германия, Индия, Китай - финансово и законодательно поддерживали эту отрасль для того, чтобы она стала конкурентоспособной. Сейчас 10 - 15% энергии в этих странах вырабатывается за счет ветроэнергетики. А в России даже 1% нет. Расчеты показывают, что наш ветроэнергетический потенциал в десять раз больше. Альтернативная энергетика не заменит тепловую, но она способна занять свою нишу, дополнять и подстраховывать традиционную. Есть много мест, куда не дотащить ЛЭП централизованной энергосистемы: либо физически невозможно, либо экономически нецелесообразно.
- А чем ветряк лучше применяемого в таких случаях дизельного двигателя?
- На дизель нужно закладывать постоянные затраты на горючее, его доставку. На Севере такая электроэнергия сейчас стоит 27 - 30 рублей за кВт. А на ветроэнергетическую установку один раз потратились, и она пашет бесплатно.
- Окупается ВЭУ долго?
- Зависит от скорости ветра и местности. По Северу, мы считали, за 2,5 - 3 года максимум. В Челябинской области - за 5 - 10 лет. Но часто ветряки берут, когда альтернативы действительно нет. Например, на берегу Шершневского водохранилища коттеджные поселки просят двигатель на 3 - 5 кВт. Потому что подключить их к централизованной энергосистеме там невозможно.
- Какие риски видите в связи с реализацией инновационных проектов в целом?
- Самый большой - нет полного, непрерывного финансирования. А процесс прерывать нельзя: проект, конструкции, отладка, опытный образец, серия, выпуск. Как только прервались - специалистов нужно загрузить другой работой. Через полгода им, чтобы продолжить эту работу, нужно все восстанавливать. Качества не будет. А это значит - не будет качества работы и отдачи от проекта в целом.
...По дороге из Миасса на трассе поднялся дикий ветер. Свидетельствую: с этим ресурсом у нас действительно все в порядке. Так что мешает ему работать? Развитию рынка ВЭУ препятствует один фактор - отсутствие производства. Производству мешает отсутствие финансирования, а финансированию - отсутствие воли сверху и законодательной базы. В итоге уникальный проект ГРЦ вертится в порочном круге: нет денег, потому что нет серии, а серии нет, потому что нет денег. Само предприятие, по некоторым данным, может вкладывать за счет прибыли до 5 млн рублей в год, а нужно 50 млн рублей. Не так много на фоне возможных дивидендов, в том числе и социальных: любой удаленный населенный пункт будет гарантированно обеспечен электроэнергией. Об интересе администрации Челябинской области и говорить не надо: это создание около 1 тыс. рабочих мест, налоги. Так не пора ли государственной политике перейти от правильных выступлений на форумах к формам реальной поддержки?
Дополнительные материалы:
Ветроэнергетика в России
По данным Российской ассоциации венчурных исследований, существуют десятки площадок, где проведены предпроектные исследования и ветромониторинг. В исследования вложены 4 млн евро, в разведку ветра - 3,1 млн евро. Минэнерго РФ должно утвердить нормативно-правовые акты по введению механизма фиксированных надбавок к цене энергии возобновляемых источников энергии сверх цены оптового рынка. Это приведет к тому, что срок окупаемости проектов снизится с 15 лет до пяти-девяти лет.