Теплый ветер инноваций: как ветростанции становятся бестопливными теплоисточниками
Человечество использует энергию ветра уже несколько тысяч лет: сначала она помогала осваивать новые территории, надувая паруса, потом молола зерно, а в наше время становится все более важным источником электроэнергии. Идея приспособить ветряки для выработки тепла возникла лишь 50 лет назад, сейчас на пути масштабирования технологии остается ряд технических проблем, но опытные образцы уже вполне рентабельны в качестве небольших бестопливных теплоисточников в труднодоступных районах. О том, как это происходит, — в материале «Энергии Северо-Запада».
Идея тепловой ветрогенерации заключается в том, чтобы оборудовать ветряк тормозной системой, нагревающей воду (или иной теплоноситель, например, масло) за счет силы трения. Полученное таким образом тепло может направляться непосредственно на отопление или запасаться в теплохранилище, которым оборудуется ветроустановка. У такого типа генерации обнаружился ряд важных преимуществ. Энергия ветра может быть преобразована в тепло напрямую, без перевода в электричество. Это существенно повышает эффективность ветрогенерации — КПД по теплу доходит до 90 %, при электрической выработке показатель снижается на 10–15 %.
В механических ветроустановках не требуются электрогенератор, трансформатор, коробка передач. Это существенно снижает себестоимость, увеличивает срок службы и облегчает монтаж таких систем.
Теплогенератор представляет собой изолированный резервуар с водой, в котором имеется крыльчатка, приводимая во вращение ветроустановкой. Вода нагревается из-за трения, возникающего между молекулами воды. Нагретая таким образом вода подается насосом для отопления в дома.
В настоящий момент, по экспертным оценкам, на тепловую энергию приходится примерно треть мирового энергорынка. В северных странах этот показатель существенно выше и может достигать 80 %. Именно Северная Европа стала первым регионом, где ученые на фоне нефтяного кризиса 1970-х годов всерьез занялись проблемой тепловетрогенерации. Одна из первых промустановок появилась в Дании: при скорости ветра в 11 м/с 9-метровая башня могла вырабатывать до 3,5 кВт тепловой мощности. В 1980-е годы был реализован один из крупнейших подобных проектов. Конструкция высотой 20 метров (нижние 10 метров занимал резервуар с водой на 15 тонн) была способна выдавать тепловую мощность в 90 кВт при силе ветра в 14 м/с. Повышение КПД стало возможно в том числе благодаря применению в качестве первичного теплоносителя масла, которое можно нагреть до более высоких, чем воду, температур. Несмотря на то что технология пока не вошла в число широко применяемых, исследования в этом направлении продолжаются в разных странах, например, в Прибалтике.
Российский флагманский проект был представлен красноярским ОКБ «Микрон» (входит в ГК «Канекс») в 2019 году. Комплекс из ветровой станции и системы хранения тепловой энергии, который планируется выпускать под маркой «Терус», призван решить проблему сверхдорогого сейчас теплоснабжения удаленных и труднодоступных территорий. Как пояснял гендиректор «Канекса» Александр Канцуров, разработчики насчитали минимум восемь вариантов получения тепла от энергии ветра. В установке реализован способ, основанный на физике магнитного поля: вокруг статора вращается ротор, на котором закреплены магниты, в результате возникает магнитное поле, а вихревые токи (токи Фуко) нагревают статор. Внутрь статор заведена труба с теплоносителем, которая, проходя через него, забирает на себя тепло.
Как говорят специалисты «Микрона», КПД установки будет достигать 95 %, но и остальное не будет пропадать: на станции устанавливается маломощный электрогенератор, энергия которого идет на нужды комплекса — питание насосов, освещение и т. д. Пока технология оказывается рентабельной только в удаленных территориях, где сверхзатратная доставка делает традиционное топливо «золотым». Однако здесь у пилотной тепловетроустановки нет конкурентов: сейчас 1 Гкал тепла в труднодоступных северных поселках может обходится в сумму до 40 тыс. рублей, «Терус» обеспечит себестоимость не выше 500 рублей за 1 Гкал, уверяют разработчики.
При этом российские «тепловые ветряки» будут в 2–3 раза дешевле электрических: помимо отсутствия расходов на электрооборудование разработчики существенно экономят на монтаже.
Для возведения теплогенератора не требуется высотных кранов — установка монтируется на земле и поднимается двумя стандартными автокранами. Ветробашня тепловой установки мощностью 2 МВт весит 110 тонн против 210 тонн у обычной ВЭС; нормативный срок службы составляет 60 лет против 20–25. Уже сейчас «Терус» обеспечен российскими комплектующими на 95 % и адаптирован к экстремальным условиям работы (до –70 градусов), а система хранения тепла (теплоаккумулятор — сферическая емкость на 1 тыс. м3) позволяет решать проблему безветренной погоды. Расчетный срок окупаемости в 80 % российских регионов составляет 8–12 лет, отмечают разработчики из Красноярска.
В этом году «Микрон» планирует собрать первую опытную установку «Терус». На первом этапе мощность отечественных тепловетрогенераторов составит 16 кВт, затем в линейке появятся образцы до 4 МВт. Речь идет прежде всего о модернизации теплоснабжения небольших поселков, где заявленной мощности вполне достаточно, отмечают инженеры. Предприятие по серийному производству установок «Терус» планируется разместить в Красноярском крае к середине десятилетия, на полную мощность оно должно заработать к 2030 году.