Ветроэнергетика — это использование энергии ветра для производства полезной работы. Исторически энергия ветра использовалась парусами , ветряными мельницами и ветряными насосами , но сегодня она в основном используется для выработки электроэнергии. В этой статье рассматривается только энергия ветра для выработки электроэнергии. Сегодня энергия ветра вырабатывается почти полностью с помощью ветряных турбин , как правило, объединенных в ветровые электростанции и подключенных к электросети .
В 2022 году ветер выработал более 2304 ТВт·ч электроэнергии, что составило 7,8% от мировой электроэнергии. [1] С учетом того, что в 2021 году было добавлено около 100 ГВт , в основном в Китае и США , глобальная установленная мощность ветроэнергетики превысила 800 ГВт. [2] [3] [4] 32 страны выработали более десятой части своей электроэнергии за счет энергии ветра в 2023 году, а с 2015 года производство ветра почти утроилось. [1] Аналитики говорят, что для достижения целей Парижского соглашения по ограничению изменения климата оно должно расширяться гораздо быстрее — более чем на 1% производства электроэнергии в год. [5]
Ветроэнергетика считается устойчивым , возобновляемым источником энергии и оказывает гораздо меньшее воздействие на окружающую среду по сравнению со сжиганием ископаемого топлива . Ветроэнергетика изменчива , поэтому для обеспечения надежной подачи электроэнергии ей необходимы накопители энергии или другие управляемые источники генерации . Ветроэлектростанции, расположенные на суше, оказывают большее визуальное воздействие на ландшафт, чем большинство других электростанций, на единицу произведенной энергии. [6] [7] Ветроэлектростанции, расположенные в море, оказывают меньшее визуальное воздействие и имеют более высокие коэффициенты мощности , хотя они, как правило, более дорогие. [2] В настоящее время доля ветроэнергетики в море составляет около 10% новых установок. [8]
Ветроэнергетика является одним из самых дешевых источников электроэнергии на единицу произведенной энергии. Во многих местах новые береговые ветровые электростанции дешевле новых угольных или газовых электростанций . [9]
Регионы в более высоких северных и южных широтах имеют самый высокий потенциал для ветроэнергетики. [10] В большинстве регионов генерация ветроэнергетики выше в ночное время и зимой, когда выработка солнечной энергии низкая. По этой причине комбинации ветро- и солнечной энергетики подходят для многих стран. [11]
Ветер — это движение воздуха в атмосфере Земли. За единицу времени, скажем, за 1 секунду, объем воздуха, прошедший через площадь, составляет . Если плотность воздуха равна , масса этого объема воздуха равна , а передача мощности или передача энергии в секунду равна . Таким образом, мощность ветра пропорциональна третьей степени скорости ветра; доступная мощность увеличивается в восемь раз, когда скорость ветра удваивается. Изменение скорости ветра в 2,1544 раза увеличивает мощность ветра на один порядок (умножить на 10).
Глобальная кинетическая энергия ветра в среднем составляла приблизительно 1,50 МДж/м 2 за период с 1979 по 2010 год, 1,31 МДж/м 2 в Северном полушарии и 1,70 МДж/м 2 в Южном полушарии. Атмосфера действует как тепловой двигатель, поглощая тепло при более высоких температурах, выделяя тепло при более низких температурах. Этот процесс отвечает за производство кинетической энергии ветра со скоростью 2,46 Вт/м 2, таким образом поддерживая циркуляцию атмосферы против трения. [14]
С помощью оценки ветровых ресурсов можно оценить потенциал ветроэнергетики в глобальном масштабе, по странам или регионам или для конкретного участка. Глобальный атлас ветров, предоставленный Техническим университетом Дании в партнерстве со Всемирным банком , дает глобальную оценку потенциала ветроэнергетики. [12] [15] [16] В отличие от «статичных» атласов ветровых ресурсов, которые усредняют оценки скорости ветра и плотности мощности за несколько лет, такие инструменты, как Renewables.ninja, обеспечивают изменяющиеся во времени симуляции скорости ветра и выходной мощности различных моделей ветровых турбин с почасовым разрешением. [17] Более подробные оценки потенциала ветровых ресурсов для конкретного участка можно получить у специализированных коммерческих поставщиков, и многие из крупных разработчиков ветровых установок имеют собственные возможности моделирования.
Общее количество экономически извлекаемой энергии, доступной от ветра, значительно превышает нынешнее потребление человеком энергии из всех источников. [18] Сила ветра варьируется, и среднее значение для данного места само по себе не указывает на количество энергии, которое может вырабатывать там ветряная турбина.
Для оценки перспективных мест размещения ветроэнергетических установок часто подгоняют функцию распределения вероятностей под наблюдаемые данные о скорости ветра. [19] В разных местах распределение скорости ветра будет разным. Модель Вейбулла точно отражает фактическое распределение часовых/десятиминутных скоростей ветра во многих местах. Фактор Вейбулла часто близок к 2, поэтому распределение Рэлея можно использовать как менее точную, но более простую модель. [20]
Ветряная электростанция — это группа ветровых турбин, расположенных в одном месте. Большая ветряная электростанция может состоять из нескольких сотен отдельных ветровых турбин, распределенных по обширной территории. Земля между турбинами может использоваться в сельскохозяйственных или других целях. Ветряная электростанция также может быть расположена в море. Почти все большие ветровые турбины имеют одинаковую конструкцию — горизонтальная осевая ветряная турбина с ротором против ветра с 3 лопастями, прикрепленная к гондоле на вершине высокой трубчатой башни.
В ветряной электростанции отдельные турбины соединены между собой системой сбора электроэнергии среднего напряжения (часто 34,5 кВ) [25] и коммуникационной сетью. В общем, расстояние 7D (7 диаметров ротора ветряной турбины) устанавливается между каждой турбиной в полностью развитой ветряной электростанции. [26] На подстанции этот электрический ток среднего напряжения повышается до напряжения с помощью трансформатора для подключения к высоковольтной системе передачи электроэнергии . [27]
Большинство современных турбин используют генераторы с переменной скоростью в сочетании с частичным или полным преобразователем мощности между турбогенератором и коллекторной системой, которые обычно обладают более желательными свойствами для сетевого взаимодействия и имеют возможности плавного переключения на низкое напряжение . [28] Современные турбины используют либо электрические машины с двойным питанием с частичными преобразователями, либо асинхронные генераторы с короткозамкнутым ротором, либо синхронные генераторы (как с постоянным, так и с электрическим возбуждением) с полномасштабными преобразователями. [29] Возможен черный запуск [30] , который в настоящее время разрабатывается для мест (например, Айова ), где большую часть электроэнергии вырабатывает ветер. [31]
Операторы передающей системы предоставят разработчику ветряной электростанции сетевой кодекс для указания требований к взаимодействию с передающей сетью. Это будет включать коэффициент мощности , постоянство частоты и динамическое поведение турбин ветряной электростанции во время системного сбоя. [32] [33]
Оффшорная ветроэнергетика — это ветровые электростанции в крупных водоемах, обычно в море. Эти установки могут использовать более частые и сильные ветры, которые имеются в этих местах, и оказывают меньшее визуальное воздействие на ландшафт, чем наземные проекты. Однако затраты на строительство и обслуживание значительно выше. [35] [36]
По состоянию на ноябрь 2021 года ветряная электростанция Хорнси в Соединенном Королевстве является крупнейшей в мире морской ветряной электростанцией мощностью 1218 МВт . [37]
Ветряные электростанции, расположенные вблизи побережья, могут быть подключены к переменному току, а расположенные вдали от побережья — к постоянному току высокого напряжения. [38]
Ресурсы ветровой энергии не всегда располагаются вблизи мест с высокой плотностью населения. По мере того, как линии электропередач становятся длиннее, потери, связанные с передачей электроэнергии, увеличиваются, поскольку режимы потерь на меньших длинах усугубляются, а новые режимы потерь больше не являются незначительными по мере увеличения длины; что затрудняет транспортировку больших грузов на большие расстояния. [39]
Когда мощность передачи не соответствует мощности генерации, ветряные электростанции вынуждены работать ниже своего полного потенциала или вообще прекращать работу, в процессе, известном как сокращение . Хотя это приводит к тому, что потенциал возобновляемой генерации остается неиспользованным, это предотвращает возможную перегрузку сети или риск для надежного обслуживания. [40]
Одной из самых больших текущих проблем интеграции ветряных электросетей в некоторых странах является необходимость разработки новых линий электропередачи для передачи электроэнергии от ветряных электростанций, обычно в отдаленных малонаселенных районах из-за наличия ветра, в места с высокой нагрузкой, обычно на побережьях, где плотность населения выше. [41] Любые существующие линии электропередачи в отдаленных местах, возможно, не были спроектированы для транспортировки больших объемов энергии. [42] В определенных географических регионах пиковые скорости ветра могут не совпадать с пиковым спросом на электроэнергию, будь то на море или на суше. Возможным будущим вариантом может быть соединение широко разбросанных географических районов с помощью суперсети HVDC . [43]
В 2020 году ветер выработал почти 1600 ТВт·ч электроэнергии, что составило более 5% от мирового производства электроэнергии и около 2% от потребления энергии. [47] [3] С учетом того, что в 2020 году было добавлено более 100 ГВт , в основном в Китае , глобальная установленная мощность ветроэнергетики достигла более 730 ГВт. [2] [3] Но аналитики говорят, что для достижения целей Парижского соглашения по ограничению изменения климата она должна расширяться гораздо быстрее — более чем на 1% от производства электроэнергии в год. [5] Расширению ветроэнергетики препятствуют субсидии на ископаемое топливо . [48] [49] [50]
Фактическое количество электроэнергии, которую может генерировать ветер, рассчитывается путем умножения паспортной мощности на коэффициент мощности , который варьируется в зависимости от оборудования и местоположения. Оценки коэффициентов мощности для ветровых установок находятся в диапазоне от 35% до 44%. [51]
Поскольку скорость ветра непостоянна, годовое производство энергии ветровой электростанцией никогда не равно сумме паспортных значений генератора, умноженных на общее количество часов в году. Отношение фактической производительности за год к этому теоретическому максимуму называется коэффициентом мощности. Для некоторых мест доступны онлайн-данные, а коэффициент мощности можно рассчитать из годового объема производства. [52] [53]
Проникновение ветровой энергии — это доля энергии, произведенной ветром, по сравнению с общим производством. Доля ветровой энергии в мировом потреблении электроэнергии в 2021 году составила почти 7%, [55] по сравнению с 3,5% в 2015 году. [56] [57]
Не существует общепринятого максимального уровня проникновения ветра. Предел для конкретной сети будет зависеть от существующих генерирующих установок, механизмов ценообразования, мощности для хранения энергии , управления спросом и других факторов. Объединенная электроэнергетическая сеть уже будет включать резервную генерирующую и передающую мощность для учета отказов оборудования. Эта резервная мощность также может служить для компенсации изменяющейся генерации электроэнергии, производимой ветряными станциями. Исследования показали, что 20% от общего годового потребления электроэнергии может быть включено с минимальными трудностями. [58] Эти исследования были проведены для мест с географически рассредоточенными ветряными электростанциями, некоторой степенью диспетчерской энергии или гидроэнергетики с емкостью хранения, управлением спросом и объединением с большой зоной сети, что позволяет экспортировать электроэнергию при необходимости. Электроэнергетические компании продолжают изучать влияние крупномасштабного проникновения ветряной генерации на стабильность системы. [59]
Показатель проникновения энергии ветра может быть указан для разного периода времени, но часто указывается ежегодно. Для ежегодной выработки почти всей электроэнергии из ветра требуется существенная взаимосвязь с другими системами, например, часть энергии ветра в Шотландии отправляется в остальную часть британской сети . [60] Ежемесячно, еженедельно, ежедневно или почасово — или реже — ветер может поставлять до 100% или более текущего потребления, а остальное храниться, экспортироваться или сокращаться. Сезонная промышленность может затем воспользоваться преимуществами сильного ветра и низкого потребления, например, ночью, когда выход ветра может превышать нормальный спрос. Такая промышленность может включать производство кремния, алюминия, [61] стали или природного газа и водорода, а также использование будущего долгосрочного хранения для обеспечения 100% энергии из переменной возобновляемой энергии . [62] [63] [ нужен лучший источник ] Дома и предприятия также могут быть запрограммированы на изменение спроса на электроэнергию , [64] [65] например, путем удаленного включения термостатов водонагревателей. [66]
Энергия ветра изменчива, и в периоды слабого ветра ее может потребоваться заменить другими источниками энергии. В настоящее время сети электропередач справляются с отключениями других генерирующих установок и ежедневными изменениями в потреблении электроэнергии, но изменчивость прерывистых источников энергии, таких как энергия ветра, встречается чаще, чем у обычных электростанций, которые, когда они работают по графику, могут обеспечивать свою номинальную мощность около 95% времени.
Электроэнергия, вырабатываемая из энергии ветра, может сильно варьироваться в нескольких различных временных масштабах: почасово, ежедневно или сезонно. Годовые колебания также существуют, но не столь значительны. [ требуется ссылка ] Поскольку мгновенное производство и потребление электроэнергии должны оставаться в равновесии для поддержания стабильности сети, эта изменчивость может представлять существенные проблемы для включения больших объемов энергии ветра в сетевую систему. Прерывистость и недиспетчерский характер производства энергии ветра могут привести к увеличению затрат на регулирование, дополнительный эксплуатационный резерв и (при высоких уровнях проникновения) может потребовать увеличения уже существующего управления спросом на энергию , сброса нагрузки , решений по хранению или системного соединения с кабелями HVDC .
Колебания нагрузки и возможность выхода из строя крупных энергоблоков, работающих на ископаемом топливе, требуют наличия резервной рабочей мощности, которую можно увеличить для компенсации изменчивости ветрогенерации.
Аккумуляторные батареи коммунального масштаба часто используются для балансировки почасовых и более коротких временных колебаний, [67] [68] но автомобильные аккумуляторные батареи могут получить распространение с середины 2020-х годов. [69] Сторонники ветроэнергетики утверждают, что периоды слабого ветра можно преодолеть, просто перезапустив существующие электростанции, которые были в состоянии готовности, или подключив их к HVDC. [70]
Сочетание диверсификации переменных возобновляемых источников энергии по типу и местоположению, прогнозирование их изменений и их интеграция с управляемыми возобновляемыми источниками энергии, гибкими топливными генераторами и реагированием на спрос может создать энергосистему, которая имеет потенциал для надежного удовлетворения потребностей в энергоснабжении. Интеграция все более высоких уровней возобновляемых источников энергии успешно демонстрируется в реальном мире. [71]
Солнечная энергия , как правило, дополняет энергию ветра. [73] [74] В дневных и еженедельных временных масштабах области высокого давления , как правило, приносят ясное небо и слабые приземные ветры, тогда как области низкого давления, как правило, более ветреные и облачные. В сезонных временных масштабах пик солнечной энергии приходится на лето, тогда как во многих районах энергия ветра ниже летом и выше зимой. [A] [75] Таким образом, сезонные колебания энергии ветра и солнца, как правило, в некоторой степени нейтрализуют друг друга. [72] Гибридные системы ветроэнергетики становятся все более популярными. [76]
Для любого конкретного генератора существует 80% вероятность того, что выходная мощность ветра изменится менее чем на 10% в течение часа, и 40% вероятность того, что она изменится на 10% или более в течение 5 часов. [77]
Летом 2021 года ветроэнергетика в Соединенном Королевстве упала из-за самого слабого ветра за семьдесят лет [78] . В будущем, когда доля ветра в производстве электроэнергии увеличится, может помочь сглаживание пиков за счет производства зеленого водорода . [79]
В то время как выходная мощность одной турбины может значительно и быстро меняться в зависимости от скорости местного ветра, по мере того, как все больше турбин подключаются на все больших площадях, средняя выходная мощность становится менее изменчивой и более предсказуемой. [28] [80] Прогнозирование погоды позволяет подготовить электроэнергетическую сеть к предсказуемым изменениям в производстве, которые могут произойти. [81]
Считается, что наиболее надежные низкоуглеродные системы электроснабжения будут включать большую долю ветровой энергии. [82]
Обычно традиционная гидроэлектроэнергия очень хорошо дополняет ветровую энергию. Когда дует сильный ветер, близлежащие гидроэлектростанции могут временно сдерживать воду. Когда ветер стихает, они могут, при условии наличия генерирующих мощностей, быстро увеличить производство для компенсации. Это обеспечивает очень равномерное общее электроснабжение и практически без потерь энергии и не требует больше воды.
В качестве альтернативы, если подходящий напор воды недоступен, гидроаккумулирующие гидроэлектростанции или другие формы хранения энергии в сети, такие как хранение энергии сжатым воздухом и хранение тепловой энергии, могут хранить энергию, выработанную в периоды сильного ветра, и высвобождать ее при необходимости. Тип необходимого хранилища зависит от уровня проникновения ветра — низкое проникновение требует ежедневного хранения, а высокое проникновение требует как краткосрочного, так и долгосрочного хранения — до месяца или более. [ необходима цитата ] Сохраненная энергия увеличивает экономическую ценность энергии ветра, поскольку ее можно переместить для замены более дорогостоящей генерации в периоды пикового спроса. Потенциальный доход от этого арбитража может компенсировать стоимость и убытки хранения. Хотя системы гидроаккумулирующих электростанций имеют эффективность всего около 75% и имеют высокие затраты на установку, их низкие эксплуатационные расходы и способность снижать требуемую электрическую базовую нагрузку могут сэкономить как топливо, так и общие затраты на генерацию электроэнергии. [83] [84]
Энергия, необходимая для строительства ветряной электростанции, деленная на общую выработку за весь срок ее службы, Возврат энергии на инвестированную энергию , энергии ветра варьируется, но в среднем составляет около 20–25. [85] [86] Таким образом, срок окупаемости энергии обычно составляет около года.
Береговой ветер является недорогим источником электроэнергии, более дешевым, чем угольные электростанции и новые газовые электростанции. [9] По данным BusinessGreen , ветряные турбины достигли паритета сети (точки, в которой стоимость ветровой энергии соответствует традиционным источникам) в некоторых регионах Европы в середине 2000-х годов, а в США примерно в то же время. Падение цен продолжает снижать уравненную стоимость, и было высказано предположение, что она достигла общего паритета сети в Европе в 2010 году и достигнет той же точки в США около 2016 года из-за ожидаемого сокращения капитальных затрат примерно на 12%. [88] [ необходимо обновление ] В 2021 году генеральный директор Siemens Gamesa предупредил, что возросший спрос на недорогие ветряные турбины в сочетании с высокими затратами на производство и высокой стоимостью стали приведет к увеличению давления на производителей и снижению рентабельности. [89]
Северная Евразия, Канада, некоторые части Соединенных Штатов и Патагония в Аргентине являются лучшими районами для наземной ветроэнергетики: тогда как в других частях мира солнечная энергия или сочетание ветра и солнца, как правило, дешевле. [90] : 8
Ветроэнергетика является капиталоемкой , но не требует затрат на топливо. [91] Поэтому цена ветроэнергетики гораздо более стабильна, чем изменчивые цены на ископаемое топливо. [92] Однако предполагаемая средняя стоимость за единицу электроэнергии должна включать стоимость строительства турбины и передающих сооружений, заемные средства, доход инвесторов (включая стоимость риска), предполагаемое годовое производство и другие компоненты, усредненные за прогнозируемый срок службы оборудования, который может превышать 20 лет. Оценки стоимости энергии в значительной степени зависят от этих предположений, поэтому опубликованные цифры стоимости могут существенно отличаться.
Наличие ветровой энергии, даже при субсидировании, может снизить затраты для потребителей (5 млрд евро в год в Германии) за счет снижения предельной цены, минимизируя использование дорогостоящих пиковых электростанций . [93]
Стоимость снизилась по мере совершенствования технологии ветряных турбин. Теперь лопасти ветряных турбин стали длиннее и легче, улучшилась производительность турбины и повысилась эффективность выработки электроэнергии. Кроме того, капитальные затраты на ветровые проекты и расходы на техническое обслуживание продолжают снижаться. [94]
В 2021 году исследование Lazard несубсидируемой электроэнергии показало, что приведенная стоимость электроэнергии ветровой энергии продолжает падать, но медленнее, чем раньше. Исследование оценило стоимость новой электроэнергии, вырабатываемой ветром, от 26 до 50 долларов США/МВт·ч по сравнению с новой газовой электроэнергией от 45 до 74 долларов США/МВт·ч. Медианная стоимость полностью устаревшей существующей угольной энергии составила 42 доллара США/МВт·ч, ядерной — 29 долларов США/МВт·ч и газовой — 24 доллара США/МВт·ч. Исследование оценило стоимость морской ветровой энергии примерно в 83 доллара США/МВт·ч. Совокупный годовой темп роста составил 4% в год с 2016 по 2021 год по сравнению с 10% в год с 2009 по 2021 год. [9]
Хотя нормированные издержки ветроэнергетики, возможно, достигли издержек традиционных технологий сжигания энергии, рыночная стоимость вырабатываемой энергии также ниже из-за эффекта порядка заслуг , который подразумевает, что рыночные цены на электроэнергию ниже в часы со значительной генерацией переменной возобновляемой энергии из-за низких предельных издержек этой технологии. [95] Эффект был выявлен на нескольких европейских рынках. [96] Для ветровых электростанций, подверженных ценообразованию на рынке электроэнергии на рынках с высоким проникновением переменных возобновляемых источников энергии, рентабельность может быть поставлена под сомнение.
Цены на турбины значительно упали в последние годы из-за более жестких конкурентных условий, таких как возросшее использование энергетических аукционов и отмена субсидий на многих рынках. [97] По состоянию на 2021 год субсидии по-прежнему часто предоставляются офшорным ветровым электростанциям. Но они, как правило, больше не нужны для наземных ветров в странах даже с очень низкой ценой на углерод, таких как Китай, при условии отсутствия конкурирующих субсидий на ископаемое топливо . [98]
Вторичные рыночные силы стимулируют бизнес использовать энергию ветра, даже если на электроэнергию установлена премия . Например, социально ответственные производители платят коммунальным компаниям премию, которая идет на субсидирование и строительство новой инфраструктуры ветроэнергетики. Компании используют энергию ветра, а взамен они могут утверждать, что предпринимают серьезные «зеленые» усилия. [99] Ветровые проекты обеспечивают местные налоги или платежи вместо налогов и укрепляют экономику сельских общин, обеспечивая доход фермерам с ветряными турбинами на их землях. [100] [101]
Ветроэнергетический сектор также может создавать рабочие места на этапе строительства и эксплуатации. [102] Рабочие места включают производство ветровых турбин и процесс строительства, который включает транспортировку, установку и последующее обслуживание турбин. По оценкам, в 2020 году в ветроэнергетике было занято 1,25 миллиона человек. [103]
Маломасштабная ветроэнергетика — это название ветроэнергетических систем, способных вырабатывать до 50 кВт электроэнергии. [104] Изолированные сообщества, которые в противном случае могли бы полагаться на дизельные генераторы, могут использовать ветряные турбины в качестве альтернативы. Отдельные лица могут приобретать эти системы, чтобы уменьшить или устранить свою зависимость от сетевой электроэнергии по экономическим причинам или для уменьшения своего углеродного следа . Ветряные турбины использовались для бытовой выработки электроэнергии в сочетании с аккумуляторными батареями в течение многих десятилетий в отдаленных районах. [105]
Примеры маломасштабных проектов ветроэнергетики в городских условиях можно найти в Нью-Йорке , где с 2009 года несколько строительных проектов увенчали свои крыши спиральными ветряными турбинами типа Горлова . Хотя энергия, которую они вырабатывают, невелика по сравнению с общим потреблением зданий, они помогают укрепить «зеленые» характеристики здания способами, которые «показ людям вашего высокотехнологичного котла» не может сделать, при этом некоторые из проектов также получают прямую поддержку Управления по исследованиям и разработкам в области энергетики штата Нью-Йорк . [106]
Подключенные к сети домашние ветровые турбины могут использовать сетевое хранилище энергии, таким образом заменяя купленную электроэнергию локально произведенной электроэнергией, когда она доступна. Избыточная энергия, вырабатываемая домашними микрогенераторами, может в некоторых юрисдикциях подаваться в сеть и продаваться коммунальной компании, создавая розничный кредит для владельцев микрогенераторов, чтобы компенсировать их расходы на электроэнергию. [107]
Пользователи автономных систем могут либо адаптироваться к прерывистому питанию, либо использовать батареи, фотоэлектрические или дизельные системы в дополнение к ветровой турбине. [108] Такое оборудование, как паркоматы, дорожные предупреждающие знаки, уличное освещение или беспроводные интернет-шлюзы, может питаться от небольшой ветровой турбины, возможно, в сочетании с фотоэлектрической системой, которая заряжает небольшую батарею, заменяя необходимость подключения к электросети. [109]
Воздушные ветровые турбины , такие как воздушные змеи, могут использоваться в местах, подверженных риску ураганов, поскольку их можно демонтировать заранее. [110]
Воздействие на окружающую среду при производстве электроэнергии из энергии ветра незначительно по сравнению с воздействием энергии ископаемого топлива . [112] Ветровые турбины имеют одни из самых низких выбросов парниковых газов за жизненный цикл среди источников энергии : выбрасывается гораздо меньше парниковых газов , чем при средней единице электроэнергии, поэтому энергия ветра помогает ограничить изменение климата. [113] Использование инженерной древесины может позволить использовать энергию ветра с отрицательным выбросом углерода. [114] Энергия ветра не потребляет топливо и не загрязняет воздух , в отличие от источников энергии из ископаемого топлива.
Береговые ветровые электростанции могут оказывать значительное визуальное воздействие. [115] Из-за очень низкой поверхностной плотности мощности и требований к расстоянию ветряные электростанции обычно должны быть распределены на большей территории, чем другие электростанции. [6] [116] Их сеть турбин, подъездных путей, линий электропередачи и подстанций может привести к «энергетическому разрастанию»; [7] хотя земли между турбинами и дорогами по-прежнему можно использовать для сельского хозяйства. [117] [118] Некоторые ветровые электростанции выступают против потенциального повреждения охраняемых живописных территорий, археологических ландшафтов и объектов культурного наследия. [119] [120] [121] В отчете Совета по альпинизму Шотландии сделан вывод о том, что ветряные электростанции наносят ущерб туризму в районах, известных своими природными ландшафтами и панорамными видами. [122]
Потеря среды обитания и фрагментация являются наибольшими потенциальными воздействиями на дикую природу наземных ветровых электростанций, [7] но мировое экологическое воздействие минимально. [112] Тысячи птиц и летучих мышей, включая редкие виды, были убиты лопастями ветряных турбин, [123] хотя ветряные турбины ответственны за гораздо меньшее количество смертей птиц, чем электростанции, работающие на ископаемом топливе, если учитывать последствия изменения климата. [124] Не включая эти эффекты, современные ветряные турбины убивают около 0,273 птиц на ГВт·ч по сравнению с 0,200 угольными электростанциями. [124] Воздействие ветряных турбин на птиц можно смягчить с помощью надлежащего мониторинга дикой природы. [125]
Многие лопасти ветряных турбин изготавливаются из стекловолокна и имеют срок службы 20 лет. [126] Лопасти полые: некоторые лопасти измельчаются, чтобы уменьшить их объем, а затем вывозятся на свалку. [127] Однако, поскольку они могут выдерживать большой вес, из них можно сделать долговечные небольшие мосты для пешеходов или велосипедистов. [128] Окончание срока службы лопастей является сложным, [129] и лопасти, произведенные в 2020-х годах, с большей вероятностью будут спроектированы так, чтобы быть полностью пригодными для вторичной переработки. [130]
Ветровые турбины также создают шум. На расстоянии 300 метров (980 футов) он может составлять около 45 дБ, что немного громче, чем холодильник. На расстоянии 1,5 км (1 миля) они становятся неслышимыми. [131] [132] Существуют отдельные сообщения о негативном влиянии на здоровье людей, живущих очень близко к ветровым турбинам. [133] Рецензируемые исследования в целом не подтверждают эти утверждения. [134] [135] [136]
Хотя ветряные турбины с фиксированными основаниями представляют собой зрелую технологию, и новые установки, как правило, больше не субсидируются, [137] [138] плавучие ветряные турбины являются относительно новой технологией, поэтому некоторые правительства субсидируют их, например, для использования более глубоких вод. [139]
Субсидии на ископаемое топливо со стороны некоторых правительств замедляют рост возобновляемых источников энергии. [140]
Получение разрешений на строительство ветряных электростанций может занять годы, и некоторые правительства пытаются ускорить этот процесс. Представители ветроэнергетики утверждают, что это поможет ограничить изменение климата и повысить энергетическую безопасность [141] . Иногда этому сопротивляются такие группы, как рыбаки [142], но правительства заявляют, что правила, защищающие биоразнообразие, будут по-прежнему соблюдаться. [143]
Опросы общественного мнения по всей Европе и во многих других странах показывают сильную общественную поддержку ветроэнергетики. [145] [146] [147] Баккер и др. (2012) обнаружили в своем исследовании, что жители, которые не хотели, чтобы рядом с ними строились турбины, испытывали значительно больший стресс, чем те, кто «получал экономическую выгоду от ветровых турбин». [148]
Хотя энергия ветра является популярной формой производства энергии, наземные или прибрежные ветровые электростанции иногда выступают против из-за их воздействия на ландшафт (особенно на живописные районы, зоны культурного наследия и археологические ландшафты), а также из-за шума и воздействия на туризм. [149] [150]
В других случаях ветряные электростанции находятся в прямой общественной собственности . Сотни тысяч людей, которые стали участвовать в малых и средних ветровых электростанциях Германии, демонстрируют такую поддержку. [151]
Опрос общественного мнения, проведенный Harris Poll в 2010 году, выявил сильную поддержку ветроэнергетики в Германии, других европейских странах и Соединенных Штатах. [145] [146] [152]
Общественная поддержка в Соединенных Штатах снизилась с 75% в 2020 году до 62% в 2021 году, при этом Демократическая партия поддерживает использование ветроэнергетики в два раза больше, чем Республиканская партия. [153] Президент Байден подписал указ о начале строительства крупных ветровых электростанций. [154]
В Китае Шен и др. (2019) обнаружили, что китайские городские жители могут быть против строительства ветряных турбин в городских районах, при этом удивительно высокая доля людей ссылается на необоснованный страх перед радиацией как на движущую силу своих опасений. [155] Кроме того, исследование показывает, что, как и их коллеги в странах ОЭСР, городские китайские респонденты чувствительны к прямым затратам и внешним факторам, связанным с дикой природой. Распространение соответствующей информации о турбинах среди общественности может смягчить сопротивление.
Многие компании ветроэнергетики работают с местными сообществами, чтобы уменьшить экологические и другие проблемы, связанные с конкретными ветряными электростанциями. [158] [159] [160] В других случаях существует прямая собственность сообщества на проекты ветряных электростанций . Соответствующие процедуры консультаций с правительством, планирования и утверждения также помогают минимизировать экологические риски. [145] [161] [162] Некоторые могут по-прежнему возражать против ветряных электростанций, [163] но многие говорят, что их опасения следует сопоставлять с необходимостью устранения угроз, создаваемых загрязнением воздуха , [164] [113] изменением климата [165] и мнением более широкого сообщества. [166]
В США сообщается, что проекты в области ветроэнергетики увеличивают местную налоговую базу, помогая оплачивать школы, дороги и больницы, а также оживляют экономику сельских общин, обеспечивая стабильный доход фермерам и другим землевладельцам. [100]
В Великобритании и Национальный фонд , и Кампания по защите сельской Англии выразили обеспокоенность по поводу последствий для сельского ландшафта, вызванных неправильно расположенными ветряными турбинами и ветряными электростанциями. [167] [168]
Некоторые ветряные электростанции стали туристическими достопримечательностями. В Центре для посетителей ветряной электростанции Уайтли есть выставочный зал, учебный центр, кафе со смотровой площадкой, а также магазин. Им управляет Научный центр Глазго . [169]
В Дании схема потери стоимости дает людям право требовать компенсацию за потерю стоимости их имущества, если она вызвана близостью к ветряной турбине. Потеря должна составлять не менее 1% от стоимости имущества. [170]
Несмотря на эту общую поддержку концепции ветроэнергетики среди населения в целом, местная оппозиция часто существует и задерживает или отменяет ряд проектов. [171] [172] [173] Помимо опасений по поводу ландшафта, существуют опасения, что некоторые установки могут производить чрезмерный уровень шума и вибрации, что приводит к снижению стоимости недвижимости. [174] Исследование 50 000 продаж домов вблизи ветряных турбин не обнаружило статистических доказательств того, что цены были затронуты. [175]
Хотя эстетические вопросы субъективны, и некоторые находят ветряные электростанции приятными и оптимистичными или символами энергетической независимости и местного процветания, часто формируются группы протеста, которые пытаются заблокировать некоторые ветряные электростанции по разным причинам. [163] [176] [177]
Некоторые возражения против ветровых электростанций отвергаются как НИМБИЗМ [178], но исследование, проведенное в 2009 году, показало, что существует мало доказательств в поддержку мнения о том, что жители возражают против ветровых электростанций только из-за позиции «Не на моем заднем дворе». [179]
Ветер невозможно отключить в отличие от нефти и газа, поэтому он может способствовать энергетической безопасности . [180]
Ветровые турбины — это устройства, преобразующие кинетическую энергию ветра в электрическую энергию. Результат более чем тысячелетия развития ветряных мельниц и современной инженерии, сегодняшние ветряные турбины производятся в широком диапазоне типов с горизонтальной и вертикальной осью. Самые маленькие турбины используются для таких применений, как зарядка аккумуляторов для вспомогательного питания. Немного более крупные турбины могут использоваться для внесения небольшого вклада в бытовое электроснабжение, продавая неиспользованную энергию обратно поставщику коммунальных услуг через электросеть. Массивы больших турбин, известные как ветряные электростанции, становятся все более важным источником возобновляемой энергии и используются во многих странах в рамках стратегии по снижению их зависимости от ископаемого топлива .
Проектирование ветряной турбины — это процесс определения формы и технических характеристик ветряной турбины для извлечения энергии из ветра. [181] Установка ветряной турбины состоит из необходимых систем, необходимых для улавливания энергии ветра, направления турбины на ветер, преобразования механического вращения в электрическую энергию и других систем для запуска, остановки и управления турбиной.
В 1919 году немецкий физик Альберт Бец показал, что для гипотетической идеальной машины для извлечения энергии ветра фундаментальные законы сохранения массы и энергии позволяют извлекать не более 16/27 (59%) кинетической энергии ветра. Этот предел Беца может быть достигнут в современных конструкциях турбин, которые могут достигать 70–80% от теоретического предела Беца. [182] [183]
Аэродинамика ветряной турбины не является простой. Воздушный поток на лопастях не такой же, как воздушный поток вдали от турбины. Сама природа того, как энергия извлекается из воздуха, также заставляет воздух отклоняться турбиной. Это влияет на объекты или другие турбины ниже по потоку, что известно как « эффект следа ». Кроме того, аэродинамика ветряной турбины на поверхности ротора демонстрирует явления, которые редко наблюдаются в других областях аэродинамики. Форма и размеры лопастей ветряной турбины определяются аэродинамическими характеристиками, необходимыми для эффективного извлечения энергии из ветра, и прочностью, необходимой для сопротивления силам на лопасти. [184]
Помимо аэродинамической конструкции лопастей, проектирование полной ветроэнергетической системы должно также учитывать конструкцию ступицы ротора установки, гондолы , конструкции башни, генератора, органов управления и фундамента. [185]
Энергия ветра использовалась с тех пор, как люди подняли паруса на ветер. Ветряные машины, используемые для измельчения зерна и перекачивания воды, ветряная мельница и ветряной насос , были разработаны на территории современного Ирана , Афганистана и Пакистана к IX веку. [186] [187] Энергия ветра была широко доступна и не ограничивалась берегами быстрых ручьев или более поздними источниками топлива. Ветряные насосы осушали польдеры Нидерландов , а в засушливых регионах, таких как американский Средний Запад или австралийская глубинка , ветряные насосы обеспечивали водой скот и паровые двигатели.
Первая ветряная мельница, используемая для производства электроэнергии, была построена в Шотландии в июле 1887 года профессором Джеймсом Блайтом из колледжа Андерсона в Глазго (предшественника Университета Стратклайда ). [188] Десятиметровая (33 фута) ветряная турбина Блайта с парусом из ткани была установлена в саду его загородного дома в Мэрикирке в Кинкардиншире и использовалась для зарядки аккумуляторов, разработанных французом Камилем Альфонсом Фором , для питания освещения в коттедже, [188] таким образом, сделав его первым домом в мире, электроэнергия в котором обеспечивалась энергией ветра. [189] Блайт предложил излишки электроэнергии жителям Мэрикирка для освещения главной улицы, однако они отклонили предложение, так как считали, что электроэнергия — «дело дьявола». [188] Хотя позже он построил ветряную турбину для аварийного снабжения электроэнергией местного сумасшедшего дома, больницы и диспансера Монтроуза , изобретение так и не прижилось, поскольку технология не считалась экономически жизнеспособной. [188]
По ту сторону Атлантики, в Кливленде, штат Огайо , Чарльз Ф. Браш спроектировал и построил зимой 1887–1888 годов более крупную и сложную в инженерном отношении машину . [190] Она была построена его инжиниринговой компанией у него дома и эксплуатировалась с 1886 по 1900 год. [191] Ветряная турбина Браша имела ротор диаметром 17 метров (56 футов) и была установлена на башне высотой 18 метров (59 футов). Несмотря на то, что машина была большой по сегодняшним меркам, ее мощность составляла всего 12 кВт. Подключенная динамо-машина использовалась либо для зарядки батареи батарей, либо для работы до 100 ламп накаливания , трех дуговых ламп и различных двигателей в лаборатории Браша. [192] С развитием электроэнергии энергия ветра нашла новые применения в освещении зданий, удаленных от централизованной выработки электроэнергии. На протяжении всего 20-го века параллельные пути разрабатывали небольшие ветровые станции, подходящие для ферм или жилых домов. С 1932 года многие изолированные объекты в Австралии использовали освещение и электрические вентиляторы от батарей, заряжаемых ветряным генератором «Freelite», вырабатывающим 100 Вт электроэнергии при такой небольшой скорости ветра, как 10 миль в час (16 км/ч). [193]
Нефтяной кризис 1973 года послужил толчком к расследованию в Дании и США, которое привело к созданию более крупных ветровых генераторов коммунального масштаба, которые могли быть подключены к электрическим сетям для удаленного использования энергии. К 2008 году установленная мощность США достигла 25,4 гигаватт, а к 2012 году установленная мощность составила 60 гигаватт. [194] Сегодня ветровые генераторы работают в любом диапазоне размеров от крошечных станций для зарядки аккумуляторов в изолированных жилых домах до офшорных ветровых электростанций размером в гигаватт , которые обеспечивают электроэнергией национальные электрические сети. Европейский союз работает над расширением этих перспектив. [195]
В 2023 году в мировом секторе ветроэнергетики наблюдался значительный рост: в энергосистему было добавлено 116,6 гигаватт (ГВт) новой мощности, что на 50% больше, чем в 2022 году. Этот всплеск мощности привел к тому, что общая установленная мощность ветроэнергетики во всем мире к концу года достигла 1021 ГВт, что на 13% больше, чем в предыдущем году. [196] : 138
{{cite journal}}
: CS1 maint: bot: original URL status unknown (link)Ключевым фактором спешки с наращиванием мощностей стало прекращение субсидий центрального правительства в конце 2021 г.
Субсидии на ископаемое топливо являются одним из крупнейших финансовых барьеров, препятствующих переходу мира на возобновляемые источники энергии.
{{cite web}}
: CS1 maint: unfit URL (link)