2. Оценка потенциала ветроэнергетики

На данный момент представляют интерес исследования по оценке мирового потенциала ветроэнергетики. Теоритический расчет совокупного потенциала ветра начинается с оценки доли инсоляции, т.е. солнечной радиации, необходимой для глобальной атмосферной циркуляции. Ученые подсчитали, что количество энергии, «передаваемой» ветру, а затем им рассеиваемой, составляет менее 900 ТВт. Этот объем накладывает ограничения на доступность энергии ветра.

Труднее всего использовать энергию сильных ветров с мощными порывами, дующими на высоте 11 км над поверхностью земли и меняющими свое направление. Поток ветра быстро меняется, поэтому по величине средней скорости ветра, характерной для данного района, нельзя достаточно точно определить количество энергии, которое ВУ может произвести. Для использования этих ветров корпорация Sky WindPower предлагает использования летающих электрических генераторов мощностью 60 кВт, соединенных между собой алюминиевым кабелем, а Канадская компания Magenn Power продвигает идею создания гигантских плавающих ветротурбин, поддерживающихся воздушными шарами с гелием.

Существует мнение, что энергию ветров, дующих на больших высотах, можно использовать для генерации количества энергии, превышающего текущие объемы в сотни раз. Только ветер, дующий на высоте нескольких сотен метров, является практически единственной возможной альтернативой другим энергоносителям.

В глобальном масштабе, примерно 35 % энергии ветра (почти 2,5 Вт/м²), рассеивается в пределах 1 км от земной поверхности.

Исходя из этого, ученые определили верхний предел практического использования энергии ветра, который не может быть превышен без нарушения глобальной атмосферной циркуляции и изменения климата, и составляющий 10 % от объема диссипации на околоповерхностном уровне. Также нельзя не учитывать влияние крупных ветряных ферм на экологию, например попадание птиц в турбины, акустическое и воздушное загрязнение.

Необходимо также отметить, что максимальная доля глобальной атмосферной циркуляции, которая могла бы быть конвертирована в электричество без изменения климата Земли, неизвестна.

Согласно исследованиям, стоимость производства ветровой энергии в США и Европе всегда была ниже стоимости энергии электростанций, работающих на угле, однако существует и другое мнение, основанное на необходимости выплат крупных субсидий за использование ВИЭ. Дискуссия становится еще более сложной, когда встает вопрос о предотвращении выбросов углекислого газа или ограничения воздействия на окружающую среду других видов загрязнения. Все оценки потенциала ветроэнергетики также очень сложны, потому что связаны с проблемой субсидирования.

Все эти факторы играют важную роль при формировании стоимости производства энергии из ветра, поскольку вся история отрасли ВИЭ и в частности ветроэнергетики связанна с процессом субсидирования.

В целом, развитие ВИЭ в Евросоюзе активно субсидируется. В Германии закон «О возобновляемой энергии» (Erneuerbare Energien Gesetz (EEG)) обязывает компании, которые занимаются производством или трансмиссией электроэнергии, покупать генерируемую с помощью ВИЭ электроэнергию по специальным гарантированным тарифам. Без этих гарантий и тарифов она не смогла бы конкурировать с электроэнергией, производимой с помощью традиционных ресурсов. Высокие цены, по которым энергосистема обязана покупать, например, ветровую электроэнергию, перекладываются на конечных потребителей (население и промышленность), которые в результате платят более высокую цену. Следовательно, в Германии производство электроэнергии с помощью ВИЭ субсидируется конечными потребителями. Сторонники ВИЭ утверждают, что политика их субсидирования создает реальные экологические выгоды и стимулирует исследования в области, которая в будущем может стать основой конкурентоспособности экономики Германии. Следует отметить, что вследствие увеличения цен на ископаемые виды топлива и очевидных размеров и издержек глобального потепления, общественное мнение на стороне государственной поддержки развития и использования ВИЭ.

Наиболее рациональным и выгодным шагом в мире считается выделение субсидий на развитие крупномасштабного производства и функционирования ветряных ферм на сельскохозяйственных землях, нежели субсидирование европейских и американских фермеров для производства крупного урожая. Это позволит ветряным фермам стать источником прибыли сельского хозяйства.

Самое очевидное физическое ограничение в применении энергии ветра –это невозможность строительства гигантских турбин во многих самых ветреных местах. Устанавливать и вводить в эксплуатацию оборудование либо невозможно (в городской местности), либо экономически нецелесообразно (в условиях труднодоступоной местности), либо нежелательно (в природных парках или живописных местах). Вследствие всего этого очень сложно подсчитать текущее количество ветроресурсов, даже если предположить, что мощности ветра на высоте 100 м от поверхности земли будет более чем достаточно, то маловероятно, что хотя бы половина от этой мощности реализуется, поскольку огромное воздушное пространство будет в дальнейшем ограничивать масштабы производства.

Для огромных ветряных ферм требуется очень большое пространство. Даже в ветряных регионах, таких, как Дакота, Северный Техас, западная часть Оклахомы и прибрежные районы Орегона, где ветер ударяется о вращающиеся лопасти со средней мощностью 450 Вт/м², необходимое расстояние между ветротурбинами (с диаметром ротора 5-10 м) обеспечивает более низкую энергетическую плотность на единицу земной поверхности. Например, огромная турбина Vestas мощностью 3 МВт с диаметром ротора в 112 м, занимающая пространство, равное шести диаметрам, будет обладать максимальной энергетической плотностью 6,6 Вт/м², но даже если показатель средней нагрузки будет высоким (на уровне 30 %), то за год эта величина сократиться до 2 Вт/м².

При наиболее плотном расположении ветротурбин можно получить энергии до 10 Вт/м²; при разнесении ветротурбин на большое расстояние получаем энергетическую плотность в диапазоне 5-7 Вт/м², в то время как энергетическая плотность турбин, применяющих энергию ветров, дующих над открытым морем, составляет более 15 Вт/м². В реальном приближении типичная круглогодичная нагрузка современных крупномасштабных ветряных ферм должна составлять около 2 Вт/м². Подобная нагрузка могла бы наблюдаться на региональных ветряных фермах только тогда, когда добываемые на них объемы энергии существенно не изменяли бы потоки крупномасштабных ветров. Однако крупномасштабное извлечение энергии ветра уменьшает скорость ветра, и следовательно, сокращает среднюю плотность производства энергии приблизительно до 1 Вт/м² на пространстве, равном более 100 км.

Для обеспечения половины от текущих объемов электричества (около 9 ПВт*ч) потребуются ветротурбины с совокупной мощностью 4,1 ТВт и энергетической плотностью 2 Вт/м² а также пространство общей площадью примерно 2 млн км² (что в 4 раза превышает территорию Франции).

В случае, если средняя энергетическая плотность производства составит 1 Вт/м², то необходимая площадь увеличится до более чем 4 млн км², что равно территории Судана и Ирана вместе взятых. И получается, что, например, для удовлетворения всего спроса на электроэнергию в США (около 4 ПВт*ч) при помощи ветроэнергетики необходимо увеличить совокупный потенциал ветряных мощностей еще на 1,8 ТВт, а для этого потребуется около 900 тыс. км² земли, т.е. приблизительно десятая часть страны, или территория штатов Канзаса и Техаса вместе взятых.