Ветроэнергетика в Казахстане: идеи и перспективы

Многие ученые мужи в РК рассчитывают, что выправить положение с энергоснабжением можно с помощью интенсивного развития и государственного финансирования проектов ветровой энергетики, как это делается в европейских государствах, в Америке. Что же делать, когда на развалинах прошлого социалистического мира еще властвует экономический кризис? С вопросами о состоянии энергоснабжения в стране, о том, как идет строительство возобновляемых источников энергии (ВИЭ), корреспондент «ЛИТЕР-Недели» обратился к видному ученому, академику КазНАЕН, д. т. н., президенту компании «Жайлау», инженеру Токтамысу Мендебаеву.

ЛИТЕР-Неделя: Токтамыс Нусипкулович, каковы, на ваш взгляд, составляющие самостоятельного развития нашей страны, что мы имеем для ее энергетического обеспечения, что является наиболее важным в выборе ВИЭ, чтобы обеспечить РК новыми технологиями и не прогадать в их мировом выборе?

Т.М.: Базовыми составляющими стратегической программы развития страны в современном мире являются интеллект людских ресурсов, научно-технический потенциал, природные ресурсы и доступные источники энергии. Их умелое сочетание в динамике и рациональное использование, подкрепленное прогрессивными законами, соблюдаемыми всеми членами общества, и есть гарант состоятельности государства.

В отношении выбора источников энергии, особенно атомной энергетики, мир как бы находится на перепутье. Если в Китае, Индии, Индонезии, Иране и Турции строятся атомные электростанции  (АЭС), то высокотехнологичная, энергоемкая Япония под давлением общественности намерена к 2030 году закрыть все АЭС, находящиеся на ее территории. Во всяком случае, за это решение высказалось более 70 процентов населения страны. А вторая, после США, наукоемкая Германия склоняется сделать то же самое еще раньше – к 2020 году. В Австралии, занимающей первое место по запасам урана, строительство АЭС запрещено законом.

На этом фоне всех сторонников и противников атомной энергетики объединяет одно общее активное стремление к развитию различных видов возобновляемой энергетики, таких, как ветер, солнце, геотермальные источники и биологическое топливо.

ЛИТЕР-Неделя: Насколько перспективны эти энергетические источники в разных странах, какую мощность вырабатывают они за последние годы?

Т.М.: Поговорим о ветре, наиболее доступном в эксплуатации. Средний годовой прирост суммы мощностей ветрогенераторов во всем мире начиная с 2009 года составляла 38–40 гигаватт. В 2012 году их общая мощность приблизилась к цифре 273 гигаватта. Особенно бурно ветроэнергетика стала развиваться в США, Индии, Китае, Германии и Японии.

По прогнозам специалистов, мощность мировой ветроэнергетики может достигнуть в 2015 году 600000 МВт и более 1500000 МВт к 2020 году. Наиболее перспективными местами для производства электрической энергии считаются прибрежные морские зоны. Поэтому наибольшие природные возможности для развития ветроэнергетики имеются в Дании, где доля ветроэнергетики сегодня составляет 28 процентов, Португалии – 21, Испании – 16, Германии – 8, немного ниже в Великобритании, Нидерландах и Италии.

В то же время получение энергии из ветра посредством инженерных средств не отличается особым разнообразием. Чаще всего применяются лопастные конструкции ветроэлектростанций (ВЭС), реже встречаются роторные, карусельные. Вырабатывая ток при скорости ветра 3 м/сек., они отключаются, когда поток ветра достигает более 25 м/сек. Максимальную мощность и эффективность ВЭС выдают при скорости ветра 15 м/сек. В целом же их мощность пропорционально равна скорости ветра в третьей степени, а при переходе с 5 м/сек. до 10 м/сек. она увеличивается в восемь раз. Кроме того, мощность ВЭС также зависит от площади вращения лопастей генератора и высоты над поверхностью земли. К примеру, турбины мощностью 3 МВт датской фирмы Vestas имеют общую высоту 115 м, высоту башни 70 м и диаметр лопастей 90 м. Такие сверхмощные лопастные ВЭС, по зарубежным откликам, устойчиво работают при скорости ветра 9 м/сек. и выше.

ЛИТЕР-Неделя: Все это находится в державах, которые имеют выход к морским просторам, где потоки воздуха достигают нужных параметров для кручения лопастных ВЭС. А что мы имеем в Казахстане?

Т.М.: Разумеется, Казахстан трудно назвать морской державой. По данным РГКП «Казгидромет», скорость континентального ветра в нашей стране находится в диапазоне 2–7 м/сек. Но стоит отметить большие потенциальные запасы мощности ветра, которые имеются в районе Джунгарских ворот и в Чиликском коридоре, где средняя скорость ветров имеет пределы от 5 до 9 м/сек. Поэтому, возможно, правы те эксперты, которые утверждают, что с экономической точки зрения ветроэлектростанции иностранного производства не выдерживают конкуренции с другими источниками энергии. К тому же реальная стоимость электрической энергии ветра, увеличенная до 100 тенге/кВт, на порядок выше, чем на угольных, топливных станциях. Кому нужна такая дорогая энергия?

ЛИТЕР-Неделя: Для казахстанских потребителей цены прямо-таки заоблачные. Я помню семидесятые годы прошлого века, когда 1 киловатт потребленной электроэнергии обходился потребителю в 2 копейки. Какими же показателями можно оперировать при плате за выработку дешевого электричества с помощью ветра?

Т.М.: Главным показателем, позволяющим оценить эффективность ветроэнергетики, являются эффективные конструкции для территории с малой скоростью ветровых потоков. Таковыми признаны ветрогенераторы с вертикальной осью вращения, в частности роторного или карусельного типа. В Казахстане также имеются рабочие образцы ветроустановок малой мощности, пригодные для работы в нашей стране при постоянном движения ветра со скоростью 4 м/сек. и выше. По данным метеорологических наблюдений в течение нескольких десятилетий, высокое постоянство ветра с эффективной скоростью наблюдается в районе города Балхаша – 62,6 процента, то есть там постоянно дует в общей сложности 228 дней в году. В Петропавловске эти цифры представлены как 59,2 процента, или 220 дней, Павлодаре – 50,6, Атырау – 55,2, Актау – 51,5 и Астане – 48,2. Если говорить о городе Алматы, то этот мегаполис для развития традиционной ветроэнергетики бесперспективен – на его долю приходится лишь 1,1 процента.

В Мангистауской области, где намечается строительство ВЭС, наибольшая повторяемость ветра с рабочей скоростью 69,4 процента зафиксирована на острове Кулалы и на местности расположения Форт-Шевченко – 68 процентов. Совершенно очевидно, что программа развития ветроэнергетики в Казахстане должна быть составлена с учетом данных показателей. Анализ известных в мире конструкций ВЭС показывает, что страны-производители, прежде чем устанавливать инженерные конструкции ветроустановок в местах эксплуатации, изучают местные климатические условия и внутренние ресурсы промышленных районов. В США, Западной Европе, где обычно дуют частые сильные ветры, строят ВЭС высотой больше 100 метров и весом несколько сотен тонн.

Например, на Украине совершенно иначе подходят к решению проблемы по развитию ветроэнергетики. В Киеве с привлечением ученых разрабатывают масштабную программу по перепрофилированию выводимых из работы шахт, рудников и других подземных предприятий в энергетические станции. По программе в горных выработках закрытых шахт размещается каскад ветроэнергетических установок. Работа каскадов происходит из-за естественной тяги воздуха, возникающей из-за разности температур на земной поверхности и в подземных тоннелях. При движении воздушных потоков по горным выработкам происходит их контактный нагрев за счет трения и теплоты массы горных пород. В результате повышенной температуры объем воздушного потока увеличивается, а плотность уменьшается. Так возникает однонаправленное скоростное движение воздуха по выработкам через вертикальные стволы на поверхность, создавая силовой привод для ВЭС.

ЛИТЕР-Неделя: В чем преимущество таких каскадов?

Т.М.: Основное преимущество данного решения, по заявлению разработчиков, – постоянство ветра независимо от времени года, суток и погодных условий, то есть ВЭС стабильно работает 365 дней в году. Схема подземной ветроэнергетики может быть использована для начала в условиях карагандинских шахт, где имеется множество закрытых горных выработок.

Возможен другой вариант осуществления способа подземной ветроэнергетики, взятый из практики бурения близко расположенных скважин, связанных между собой подземными каналами. Инженерам в полевых условиях геологии не раз приходилось наблюдать, что если в одной скважине происходит заметное засасывание воздуха, то из другой скважины, не обязательно соседней, воздух выходит со свистом, с приличной скоростью. Явление, пока детально не изученное наукой. Как же его можно использовать на практике? Существуют разные методы перемещения воздушных масс. Вот один из них.

На выбранной местности с учетом рельефных высотных отметок, направления вращения Земного шара, геологического строения недр земли и аэродинамической ситуации в обход водоносных горизонтов бурятся две скважины. Они закрепляются трубами и соединяются наклонным или горизонтальным промежуточным стволом, где размещаются теплопроводные материалы типа графитовых стержней на АЭС. Дальше, исходя из практики, с помощью технологических приемов на одной скважине следует создать условия для отбора воздуха из атмосферы (всасывание), а устье другой скважины, где последовательно располагаются турбинные ветрогенераторы, оснастить вытяжной трубой внушительной высоты.

В данном случае воздушный поток, поступая из всасывающей скважины в промежуточный ствол в направлении вытяжной трубы, нагревается и в силу значительного перепада температур и естественной тяги приобретает большую скорость, которая становится достаточной для вращения высокочастотных ветротурбин, вырабатывающих электрический ток. Эффективность этой схемы может быть очень высокой, если промежуточный ствол будет проложен по пласту сухих горячих горных пород, залегающих в недрах земли, где температура достигает 150–300 градусов Цельсия.

ЛИТЕР-Неделя: Знаете, это великолепная идея, она включает в себя цель частичного практического преобразования человеческого мира с помощью научной мысли. Но как она будет работать в металле и в толще горной породы?

Т.М.: Как и в шахтных условиях, такая ветроэнергетическая установка, встроенная в горную среду, может стабильно работать в круглогодичном режиме даже там, где не бывает ветра. Это совершенно другой уровень технологии освоения силы ветра и пока нетронутое, не-изученное направление развития ветроэнергетики. А в том, что идея жизнеспособна и может внести колоссальные изменения в сферу энергетики в целом, нет сомнений.

При сегодняшнем уровне развития буровой техники сооружать сообщающиеся скважины для подземных ВЭС не составляет особого труда. В интересах обеспечения энергетической безопасности страны в будущем, повышения ее конкурентоспособности и экономической мощи данное предложение должно стать объектом научных исследований, ставящих конкретные цели и задачи практической реализации их результатов.

Времени для раскачки у нас нет, поскольку, по утверждению ученых- метеорологов, сила естественного природного ветра на территории Казахстана имеет устойчивую тенденцию к убыванию. Уже нет таких сильных и постоянных ветров, что были еще в 70–80-е годы прошлого века. Сегодня сезонные воздушные потоки, идущие со стороны России многие десятилетия через нашу территорию, не доходят даже до нашей границы. Это факты, и с ними не поспоришь…

ЛИТЕР-Неделя: Ученые утверждают, что на появление ветра на Земле влияет Солнце. Возможно, в будущем потребителям придется платить за солнечные лучи, преобразованные в электроэнергию устройствами ВИЭ. Сколько будет стоить нам сие новшество?

Т.М.: Ветер – результат деятельности солнечных лучей. Причиной его появления является перепад температур между близко расположенными участками, обусловленными различными коэффициентами поглощения света или разной теплоемкостью земной поверхности. По данным ученых, всего 1 кв. м Земли, освещаемый прямыми лучами Солнца, получает энергию, равную примерно в 1 кВт. Использование солнечной энергии в Казахстане незначительно, хотя длительность солнечного света составляет 2200–3000 часов в год при средней мощности 130–180 ватт на метр квадратный.

По природе солнечная энергия, как и ветер, рассеяна, ей присущи прерывистость и сезонная изменчивость излучения. Стоимость солнечной энергии заметно выше, чем на ТЭС, АЭС и ГЭС. В «чистом» виде для промышленного использования она неконкурентоспособна. Но с другой стороны, издавна известны плоские коллекторы, улавливающие солнечное тепло. Окрашенные в черный цвет, они способны нагревать воду до температуры 50–90 градусов Цельсия. Современные конструкции фокусирующих коллекторов позволяют получать температуру, при которой плавятся многие металлы. Указанное соотношение можно использовать как весомый ресурс для создания значимого перепада температур воздуха в трубопроводе с образованием сжатого искусственного воздушного потока с высокими энергетическими характеристиками.

Приведу конкретный пример реализации идеи. Для создания перепада температуры в воздушном потоке вход трубопровода окрашивают в светоотражающий белый цвет и содержат в тени. Оставшуюся часть трубопровода окрашивают в темный теплопоглощающий цвет и оснащают прозрачными фокусирующими линзами, где воздушный поток дополнительно нагревают солнечные лучи и тепло земли, организуют наклонно-вертикальную тягу воздушного потока вверх и выпуск из трубопровода без помех со стороны внешнего бокового ветра. При этом турбинные ветрогенераторы будут расположены в полости наклонной и вертикальной части трубопровода.

Кроме того, трубопровод снабжают впускными отверстиями, линейно совпадающими с осевой линией наклонной и вертикальной трубы, и по ним ориентируют относительно вектора «розы ветров», тем самым еще больше увеличивая скорость направленного движения потока воздуха и обеспечивая стабильность.

ЛИТЕР-Неделя: В прошлые годы вы часто говорили об искусственных воздушных потоках ветра в трубопроводах, как наземных, так и подземных. Вы даже предлагали проект, суть которого была несколько фантастична. Например, прокладка трубопровода через горные туннели, чтобы освежить город Алматы чистым альпийским воздухом. Начинаю понимать, что ваша мечта обязательно сбудется. Сейчас хочу спросить об эффективности ветрогенераторов, которые следует устанавливать в шахтах, под землей…

Т.М.: Даже представить трудно, какая невероятная эффективность может быть достигнута, если электрический ток будет вырабатываться из сжатого, упругого воздушного потока, движущегося, скажем, со скоростью 30 или 50 м/сек. в ограниченном пространстве. То, что это реально, показывают эксперименты по созданию и изучению искусственного потока ветра в трубопроводе. Существенность технических предложений подробно изложена для того, чтобы показать, какие реальные направления развития высокоэффективной ветроэнергетики на принципиально новой идейной основе возможны в Казахстане в будущем. И не только в Казахстане. С прорывным проектированием согласны и зарубежные эксперты, которые отмечают дальновидность и техническую состоятельность предложенных идей, способных изменить рынок ветроэнергетики в мире. Добиваться значительного повышения эффективности ВЭС, работающих по старинке на природном ветре, как бы ни совершенствовали их известные конструкции, в принципе невозможно. Как говорится, выше головы не прыгнешь.

В заключение хочется сказать несколько слов об энергосбережении. Она очень актуальна для нашей страны. К сожалению, Казахстан один из самых энергорасточительных государств в мире. Из-за технологической отсталости производства на каждый доллар ВВП мы тратим энергии больше, чем Япония, в 20 раз, США – в 9 раз. По оценкам экспертов, у нас ежегодно тратится впустую почти треть всей производимой энергии. Иногда на обогрев квадратного метра тратится в 4 раза больше топлива, чем в такой холодной стране, как Финляндия. Поэтому эти проблемы надо решать осознанно и взвешенно ради процветания казахстанского народа.

ЛИТЕР-Неделя: Как избавиться от потерь энергии, сберечь, сэкономить электричество, не причиняя материального вреда потребителю?

Т.М.: Потери энергии и тепла начинаются с места их производства. Большинство ТЭЦ и ГРЭС оснащены устаревшими котлами и турбинами выпуска 70–80-х годов прошлого века. О какой экономике и снижении тарифов на энергоносители может идти речи, если их КПД не превышает 40 процентов?! А ведь этот показатель у зарубежных аналогов на 70 процентов выше казахстанских.

Кроме того, у нас огромные потери на линиях электропередачи – 21,5 процента, а на линиях потребления для села и того больше – 25–50. В то же время нормальный мировой показатель потерь энергии составляет 0,5–1,5 процента!

В этом отношении развитие ветроэнергетики на новой основе позволит существенно снизить потери на линиях электропередачи, поскольку отпадает необходимость транспортировки электричества на дальние расстояния. Одним словом, отрасль энергетики нуждается в коренной перестройке, наполненной новыми наукоемкими базисными идеями, реализуемыми на практике.

Ученые предлагают новые идеи, выявляют и изучают неиспользованные, скрытые ресурсы для развития страны, однако их реализация невозможна без соответствующей государственной поддержки, о чем Глава государства Нурсултан Назарбаев постоянно напоминает с высокой трибуны. Он говорит о необходимости освоения возобновляемых видов энергии, призывает к сбережению природных ресурсов, переводу промышленности, сельского хозяйства на технологические рельсы инновационной экономики, дает установку на поддержку новаторов.

Беседовал Сергей ТОРОПКИН, Алматы