Ветровая энергия

Ветряные электростанции в Синьцзяне, Китай

Производство энергии ветра по регионам во времени. ^[1]

Часть серии о
Устойчивая энергия
Обзор
Низкоуглеродистая энергия Углеродно-нейтральное топливо Поэтапный отказ от ископаемого топлива
Энергосбережение
Когенерация Эффективное использование энергии Хранилище энергии Зеленое здание Тепловой насос Микрогенерация
Возобновляемая энергия
Биоэнергетика Геотермальный Гидроэлектроэнергия Солнечная Приливный Волна Ветер
Экологичный транспорт
Электромобиль Зеленый автомобиль Подключаемый гибрид
Портал возобновляемой энергии  Портал окружающей среды
v т е

Энергия ветра или энергия ветра - это использование ветра для обеспечения механической энергии через ветряные турбины для превращения электрических генераторов в электроэнергию . Ветроэнергетика является популярным устойчивым , возобновляемым источником энергии , который имеет гораздо меньшее воздействие на окружающей среду по сравнению с горящим ископаемым топливом .

Ветровые состоят из множества отдельных ветровых турбин, которые подключены к электрической передаче мощности сети . Береговый ветер - недорогой источник электроэнергии, конкурентоспособный или во многих местах более дешевый, чем угольные или газовые электростанции. Береговые ветряные электростанции оказывают большее визуальное воздействие на ландшафт, чем другие электростанции, поскольку их необходимо размещать на большей территории и строить вдали от плотного населения. Морской ветер более устойчив и сильнее, чем на суше, и оффшорные фермы имеют меньшее визуальное воздействие, но затраты на строительство и техническое обслуживание значительно выше. Небольшие береговые ветряные электростанции могут подавать некоторую энергию в сеть или обеспечивать энергией изолированные удаленные от сети участки.

Ветер - это прерывистый источник энергии , который не может быть отправлен по запросу. На местном уровне он дает переменную мощность , которая постоянна из года в год, но значительно варьируется в более коротких временных масштабах. Следовательно, он должен использоваться вместе с другими источниками питания для обеспечения надежного электроснабжения. Методы управления питанием , такие как имеющие диспетчерируемые источники энергии (часто на газу электростанции или гидроэлектростанция ), избыточные мощности, географически распределенная турбина, экспорт и импорт электроэнергии в соседнюю области, хранение сетки , снижение спроса , когда производство ветра является низким, и свертываниювремя от времени избыточная энергия ветра используется для решения этих проблем. По мере увеличения доли ветровой энергии в регионе может потребоваться модернизация сети. Прогноз погоды позволяет подготовить электрическую сеть к предсказуемым изменениям в производстве, которые происходят.

Ветер обеспечивает около 5% мирового производства электроэнергии, при этом установленная мощность ветра в мире составляет около 600 гигаватт (ГВт). ^[2]

История

Энергия ветра использовалась с тех пор, как люди поднимали паруса по ветру. В Кодексе короля Хаммурапи (период правления 1792 - 1750 гг. До н.э.) уже упоминались ветряные мельницы для производства механической энергии. ^[4] Ветряные машины, используемые для измельчения зерна и перекачки воды, ветряные мельницы и ветряные насосы , были разработаны в 9 веке на территории нынешних Иран , Афганистан и Пакистан . ^{[5] [6]} Ветроэнергетика была широко доступна и не ограничивалась берегами быстрых потоков или, позже, требовала источников топлива. Ветряные насосы осушали польдеры в Нидерландах , а также в засушливых регионах, таких какНа Среднем Западе Америки или в австралийской глубинке ветряные насосы обеспечивали водой домашний скот и паровые машины.

Первая ветряная мельница, используемая для производства электроэнергии, была построена в Шотландии в июле 1887 года профессором Джеймсом Блайтом из колледжа Андерсона в Глазго (предшественник Университета Стратклайд ). ^[7] Ветряк Блайта высотой 10 метров (33 фута) был установлен в саду его коттеджа в Мэрикирке в Кинкардиншире и использовался для зарядки аккумуляторов, разработанных французом Камилем Альфонсом Фор , для питания освещения в помещении. коттедж, ^[7] что делает его первым домом в мире, электричество которого подается за счет энергии ветра. ^[8]Блит предложил излишки электроэнергии жителям Мэрикирка для освещения главной улицы, однако они отклонили это предложение, так как считали, что электроэнергия - это «работа дьявола». ^[7] Хотя позже он построил ветряную турбину для аварийного электроснабжения местного Сумасшедшего Приюта, Больницы и Диспансера в Монтроузе , изобретение так и не прижилось, поскольку технология не считалась экономически жизнеспособной. ^[7]

По другую сторону Атлантики, в Кливленде, штат Огайо , зимой 1887–1888 годов Чарльзом Ф. Брашем спроектировал и сконструировал более крупную и тщательно спроектированную машину . ^[9] Он был построен его инженерной компанией в его доме и эксплуатировался с 1886 по 1900 год. ^[10] Ветряная турбина Brush имела ротор диаметром 17 метров (56 футов) и была установлена ​​на 18-метровой башне. . Несмотря на большие размеры по сегодняшним меркам, машина была рассчитана только на 12 кВт. Подключенная динамо-машина использовалась либо для зарядки банка батарей, либо для работы до 100 ламп накаливания , трех дуговых ламп и различных двигателей в лаборатории Браша. ^[11]

С развитием электроэнергии ветровая энергия нашла новое применение в освещении зданий, удаленных от централизованно генерируемых источников энергии. На протяжении 20-го века на параллельных тропах развивались небольшие ветряные станции, подходящие для ферм или жилых домов. 1973 нефтяной кризис вызвал расследование в Дании и США , что привело к большим утилиты масштаб ветрогенератор , которые могут быть подключены к электрическим сетям для дистанционного использования энергии. К 2008 году установленная мощность в США достигла 25,4 гигаватт, а к 2012 году - 60 гигаватт. ^[12] Сегодня ветряные генераторы работают в любом диапазоне размеров, от крошечных станций для зарядки аккумуляторов в изолированных жилых домах до морских ветряных электростанций мощностью около гигаватта. которые обеспечивают электроэнергией национальные электрические сети.

Ветряная энергия

Энергия ветра - это кинетическая энергия движущегося воздуха, также называемая ветром . Общая энергия ветра, протекающая через воображаемую поверхность площадью A за время t, равна:

${\displaystyle E={\frac {1}{2}}mv^{2}={\frac {1}{2}}(Avt\rho )v^{2}={\frac {1}{2}}At\rho v^{3},}$^[14]

где ρ - плотность воздуха ; v - скорость ветра ; Avt - объем воздуха, проходящего через точку A (которая считается перпендикулярной направлению ветра); Следовательно, Avtρ - это масса m, проходящая через точку "A". ½ ρv ² - кинетическая энергия движущегося воздуха на единицу объема.

Мощность - это энергия в единицу времени, поэтому энергия ветра, падающая на A (например, равная площади ротора ветряной турбины), равна:

${\displaystyle P={\frac {E}{t}}={\frac {1}{2}}A\rho v^{3}.}$^[14]

Энергия ветра в потоке на открытом воздухе, таким образом , пропорционально к третьей степени скорости ветра; доступная мощность увеличивается в восемь раз при удвоении скорости ветра. Следовательно, ветряные турбины для электросети должны быть особенно эффективными при более высоких скоростях ветра.

Ветер - это движение воздуха по поверхности Земли, на которое воздействуют области высокого и низкого давления. ^[15] Глобальная кинетическая энергия ветра составляла в среднем примерно 1,50 МДж / м ² за период с 1979 по 2010 г., 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 и выделяя тепло при более низких температурах. Этот процесс отвечает за выработку кинетической энергии ветра со скоростью 2,46 Вт / м ^2, поддерживая, таким образом, циркуляцию атмосферы против рассеяния трения. ^[16]

Посредством оценки ветровых ресурсов можно предоставить оценки потенциала ветровой энергии в глобальном масштабе, по стране или региону или для конкретного участка. Глобальная оценка потенциала ветроэнергетики доступна в Глобальном атласе ветров, предоставленном Техническим университетом Дании в партнерстве со Всемирным банком . ^{[13] [17] [18]} В отличие от «статических» атласов ветровых ресурсов, которые усредняют оценки скорости ветра и удельной мощности за несколько лет, такие инструменты, как Renewables.ninja, обеспечивают изменяющееся во времени моделирование скорости ветра и выходной мощности различных ветряных турбин. модели с почасовым разрешением. ^[19] Более подробные оценки потенциала ветровых ресурсов для конкретных участков можно получить у специализированных коммерческих поставщиков, и многие из крупных разработчиков ветроэнергетики будут поддерживать собственные возможности моделирования.

Общий объем экономически извлекаемой энергии, доступной от ветра, значительно превышает нынешнее потребление энергии человеком из всех источников. ^[20] Аксель Клейдон из Института Макса Планка в Германии провел «нисходящий» расчет количества энергии ветра, начиная с приходящей солнечной радиации, которая движет ветрами, создавая разницу температур в атмосфере. Он пришел к выводу, что можно добыть от 18 до 68 ТВт. ^[21]

Кристина Арчер и Марк З. Якобсон представили оценку «снизу вверх», которая, в отличие от оценки Клейдона, основана на фактических измерениях скорости ветра, и обнаружили, что на высоте 100 метров (330 футов) над сушей имеется 1700 ТВт энергии ветра. и море. Из них «от 72 до 170 ТВт могут быть извлечены практичным и рентабельным способом». ^[21] Позже они оценили 80 TW. ^[22] Однако исследования Гарвардского университета оценивают в среднем 1 ватт / м ² и мощность 2–10 МВт / км ² для крупномасштабных ветровых электростанций, предполагая, что эти оценки общих глобальных ресурсов ветра завышены примерно в 1 раз. 4. ^[23]

Сила ветра варьируется, и среднее значение для данного местоположения не само по себе указывает на количество энергии, которое ветряная турбина может там производить.

Для оценки перспективных ветроэнергетических площадок функция распределения вероятностей часто соответствует наблюдаемым данным скорости ветра. ^{[24] В} разных местах будет разное распределение скорости ветра. Модель Вейбулла точно отражает реальное распределение часовых / десятиминутных скоростей ветра во многих местах. Фактор Вейбулла часто близок к 2, и поэтому распределение Рэлея можно использовать как менее точную, но более простую модель. ^[25]

Ветряные фермы

Крупные береговые ветряные электростанции

Ветряная электростанция	Мощность ( МВт )	Страна	Ссылки
Ветряная электростанция Ганьсу	7 965	Китай	[26] [27]
Ветряная электростанция Маппандал	1,500	Индия	[28]
Альта (Дуб Крик-Мохаве)	1,320	Соединенные Штаты	[29]
Ветряный парк Джайсалмера	1,064	Индия	[30]
Ветряная электростанция Shepherds Flat	845	Соединенные Штаты	[31]
Ветряная ферма Роско	782	Соединенные Штаты
Центр энергии ветра Horse Hollow	736	Соединенные Штаты	[32] [33]
Ветряная электростанция Capricorn Ridge	662	Соединенные Штаты	[32] [33]
Ветряная электростанция Fântânele-Cogealac	600	Румыния	[34]
Ветряная электростанция Fowler Ridge	600	Соединенные Штаты	[35]
Ветряная ферма Уайтли	539	объединенное Королевство	[36]

Ветряная электростанция - это группа ветряных турбин в одном и том же месте, используемых для производства электроэнергии. Большая ветряная электростанция может состоять из нескольких сотен отдельных ветряных турбин, распределенных на обширной территории. Ветряные турбины используют около 0,3 гектара земли на МВт ^[38], но земля между турбинами может использоваться для сельскохозяйственных или других целей. Например, самая большая ветряная электростанция в мире , Ганьсу , имеет несколько тысяч турбин. Ветряная электростанция также может располагаться на море.

Почти все большие ветряные турбины имеют одинаковую конструкцию - ветряная турбина с горизонтальной осью, имеющая ротор с 3 лопастями, установленный против ветра, прикрепленный к гондоле на вершине высокой трубчатой ​​башни.

В ветряной электростанции отдельные турбины связаны с системой сбора электроэнергии среднего напряжения (часто 34,5 кВ) ^[39] и сетью связи. Обычно расстояние 7D (в 7 раз больше диаметра ротора ветряной турбины) устанавливается между каждой турбиной в полностью развитой ветровой электростанции. ^[40] На подстанции этот электрический ток среднего напряжения увеличивается с помощью трансформатора для подключения к системе передачи электроэнергии высокого напряжения . ^[41]

Характеристики и стабильность генератора

Индукционные генераторы , которые часто использовались для ветроэнергетических проектов в 1980-х и 1990-х годах, требуют реактивной мощности для возбуждения , поэтому электрические подстанции, используемые в ветроэнергетических системах сбора энергии, включают в себя значительные конденсаторные батареи для коррекции коэффициента мощности . Различные типы ветрогенератор ведут себя по- разному при нарушениях сетки передач, так обширно моделированием динамических электромеханических характеристик нового ветропарка требуется операторы системы передачи для обеспечения предсказуемого поведения стабильного во время сбоев системы (см программного обеспечения энергии ветров). В частности, индукционные генераторы не могут поддерживать напряжение в системе во время неисправностей, в отличие от синхронных генераторов с приводом от паровой или гидротурбинной турбины.

В современных турбинах индукционные генераторы не используются. Вместо этого в большинстве турбин используются генераторы с регулируемой частотой вращения в сочетании с частичным или полномасштабным преобразователем мощности между турбогенератором и коллекторной системой, которые, как правило, имеют более желательные свойства для соединения с сетью и имеют возможность переключения на низкое напряжение . ^[42] Современные концепции используют либо электрические машины с двойным питанием с частичными преобразователями, либо индукционные генераторы с короткозамкнутым ротором, либо синхронные генераторы (как с постоянным, так и с электрическим возбуждением) с полноразмерными преобразователями. ^[43]

Операторы систем передачи предоставят разработчику ветряной электростанции код сети, чтобы указать требования для присоединения к сети передачи. Это будет включать коэффициент мощности , постоянство частоты и динамическое поведение турбин ветряных электростанций во время отказа системы. ^{[44] [45]}

Оффшорная ветроэнергетика

Оффшорная ветроэнергетика - это строительство ветряных электростанций на больших водоемах для выработки электроэнергии. Эти установки могут использовать более частые и мощные ветры, которые доступны в этих местах, и имеют меньшее эстетическое влияние на ландшафт, чем наземные проекты. Однако затраты на строительство и обслуживание значительно выше. ^{[46] [47]}

Siemens и Vestas - ведущие поставщики турбин для морской ветроэнергетики. Ørsted , Vattenfall и E.ON - ведущие офшорные операторы. ^[48] По состоянию на октябрь 2010 года в эксплуатации было задействовано 3,16 ГВт морских ветроэнергетических мощностей, в основном в Северной Европе. Ожидается, что к 2020 году мощность морской ветроэнергетики во всем мире достигнет 75 ГВт, при этом значительный вклад будут вносить Китай и США. ^[48] Инвестиции Великобритании в оффшорную ветроэнергетику привели к быстрому сокращению использования угля в качестве источника энергии в период с 2012 по 2017 год, а также к снижению использования природного газа в качестве источника энергии в 2017 году. ^{[49 ]}

В 2012 году 1662 турбины на 55 оффшорных ветряных электростанциях в 10 странах Европы произвели 18 ТВт-ч, что достаточно для питания почти пяти миллионов домашних хозяйств. ^[50] По состоянию на сентябрь 2018 года, Уолни-Эстенсенс в Соединенном Королевстве является крупнейшей оффшорной ветроэлектростанцией в мире мощностью 659 МВт . ^[51]

Крупнейшие в мире оффшорные ветряные электростанции

Ветряная электростанция	Мощность (МВт)	Страна	Турбины и модель	Введен в эксплуатацию	Ссылки
Расширение Уолни	659	объединенное Королевство	47 x Vestas 8 МВт 40 x Siemens Gamesa 7 МВт	2018 г.	[51]
Лондонский массив	630	объединенное Королевство	175 × Siemens SWT-3.6	2012 г.	[52] [53] [54]
Ветряная электростанция Gemini	600	Нидерланды	150 × Siemens SWT-4.0	2017 г.	[55]
Гвинт-и-Мор	576	объединенное Королевство	160 × Siemens SWT-3.6 107	2015 г.	[56]
Большой Габбард	504	объединенное Королевство	140 × Siemens SWT-3.6	2012 г.	[57]
Анхольт	400	Дания	111 × Siemens SWT-3.6–120	2013	[58]
BARD Offshore 1	400	Германия	80 турбин BARD 5.0	2013	[59]

Сеть сбора и передачи

В ветряной электростанции отдельные турбины соединены с системой сбора энергии среднего напряжения (обычно 34,5 кВ) и сетью связи. На подстанции этот электрический ток среднего напряжения увеличивается с помощью трансформатора для подключения к системе передачи электроэнергии высокого напряжения .

Линия передачи необходима для доставки генерируемой электроэнергии на (часто удаленные) рынки. Для морской станции для этого может потребоваться подводный кабель. Строительство новой высоковольтной линии может быть слишком дорогостоящим для одного только ветрового ресурса, но ветряные станции могут использовать преимущества уже установленных линий для производства обычного топлива.

Одной из самых больших текущих проблем интеграции ветроэнергетических сетей в Соединенных Штатах является необходимость разработки новых линий электропередачи для передачи энергии от ветряных электростанций, обычно в отдаленных малонаселенных штатах в центре страны из-за наличия ветра до высокой. места загрузки, как правило, на побережье с более высокой плотностью населения. Существующие линии электропередачи в удаленных местах не были предназначены для транспортировки большого количества энергии. ^[60] По мере того, как линии электропередачи становятся длиннее, потери, связанные с передачей электроэнергии, увеличиваются, поскольку виды потерь на меньших длинах усугубляются, и новые виды потерь больше не являются незначительными по мере увеличения длины, что затрудняет транспортировку больших грузов на большие расстояния. . ^[61]Однако сопротивление со стороны властей штата и местных властей затрудняет строительство новых линий электропередачи. Государства с дешевыми тарифами на электроэнергию не одобряют проекты передачи электроэнергии между несколькими штатами из опасения, что экспорт их дешевой энергии приведет к повышению тарифов. Закон об энергетике 2005 года предоставил Министерству энергетики право утверждать проекты передачи электроэнергии, в которых государства отказались действовать, но после попытки использовать эти полномочия Сенат заявил, что министерство делает это слишком агрессивно. ^[60]Другая проблема заключается в том, что ветряные компании после того, как узнают, что пропускная способность новой фермы ниже генерирующей мощности, в основном потому, что федеральные правила коммунальных предприятий, поощряющие установку возобновляемых источников энергии, позволяют фидерным линиям соответствовать только минимальным стандартам. Это важные вопросы, которые необходимо решить, поскольку, когда пропускная способность не соответствует мощности генерации, ветряные электростанции вынуждены производить продукцию ниже своего полного потенциала или вообще прекращать работу в процессе, известном как сокращение . Хотя это приводит к тому, что потенциальная возобновляемая генерация остается неиспользованной, это предотвращает возможную перегрузку сети или риск для надежного обслуживания. ^[62]

Мощность и производство ветровой энергии

В 2019 г. ветряная энергия поставила 1270 ТВтч электроэнергии, что составило 4,7% от мирового производства электроэнергии ^[63], при этом глобальная установленная мощность ветровой энергии достигла более 651 ГВт, что на 10% больше, чем в 2018 г. ^[64] Поставляемая ветровая энергия 15 % электроэнергии, потребленной в Европе в 2019 году. В 2015 году во всем мире работало более 200 000 ветряных турбин с общей номинальной мощностью 432 ГВт . ^[65] Европейский Союз прошел 100 паспортную емкость GW в сентябре 2012 года , ^[66] в то время как Соединенные Штаты превзошли 75 ГВт в 2015 году и Китай сетки присоединенная мощность «s прошло 145 ГВт в 2015 году ^[65]В 2015 году ветроэнергетика составляла 15,6% от всей установленной мощности по выработке электроэнергии в Европейском Союзе, и она вырабатывала около 11,4% его энергии. ^[67]

В период с 2000 по 2006 год мировые ветроэнергетические мощности увеличились более чем в четыре раза, удваиваясь примерно каждые 3 года. Соединенные Штаты первыми создали ветряные фермы и лидировали в мире по установленной мощности в 1980-х и 1990-х годах. В 1997 году установленная мощность в Германии превысила Соединенные Штаты и лидировала, пока снова не обогнала Соединенные Штаты в 2008 году. Китай быстро расширял свои ветряные установки в конце 2000-х и обогнал Соединенные Штаты в 2010 году, став мировым лидером. По состоянию на 2011 год 83 страны мира использовали ветроэнергетику на коммерческой основе. ^[68]

Фактическое количество электроэнергии, которое может генерировать ветер, рассчитывается путем умножения мощности , указанной на паспортной табличке , на коэффициент мощности , который варьируется в зависимости от оборудования и местоположения. Оценки коэффициентов мощности для ветряных установок находятся в диапазоне от 35% до 44%. ^[69]

10 ведущих стран по добавленной мощности ветра в 2019 году [70] [71]   Китай: 26155 МВт (43,3%)   США: 9143 МВт (15,1%)   Соединенное Королевство: 2393 МВт (4,0%)   Индия: 2377 МВт (3,9%)   Германия: 2189 МВт (3,6%)   Испания: 1634 МВт (2,7%)   Швеция: 1588 МВт (2,6%)   Франция: 1336 МВт (2,2%)   Мексика: 1281 МВт (2,1%)   Аргентина: 931 МВт (1,5%)   Остальной мир: 11 324 МВт (18,8%)

Топ-10 стран по совокупной ветроэнергетике в 2019 году [70]   Китай: 236 402 МВт (36,3%)   США: 105466 МВт (16,2%)   Германия: 61 406 МВт (9,4%)   Индия: 37 506 МВт (5,8%)   Испания: 25 224 МВт (3,9%)   Соединенное Королевство: 23340 МВт (3,6%)   Франция: 16643 МВт (2,6%)   Бразилия: 15 452 МВт (2,4%)   Канада: 13413 МВт (2,1%)   Италия: 10330 МВт (1,6%)   Остальной мир: 105375 МВт (16,2%)

Количество стран с ветроэнергетикой в ​​гигаваттном масштабе 10 20 30 40 2005 г. 2010 г. 2015 г. 2019 г. Растущее количество гигаваттных ветроэнергетических рынков   Страны выше отметки 1-GW 2018 г. 2017 г. 2016 г. 2015 г. 2012 г. 2011 г. 2010 г. 2009 г. 2008 г. 2006 г. 2005 г. 2004 г. 1999 г. 1997 г. 1995 г. 1986 г.   Страны выше отметки 10 ГВт 2018 г. 2016 г. 2015 г. 2013 2009 г. 2008 г. 2006 г. 2002 г.   Страны выше отметки 100 ГВт 2019 г. 2014 г.

Тенденции роста

Этот раздел необходимо обновить . Обновите эту статью, чтобы отразить недавние события или новую доступную информацию. ( Август 2020 г. )

Внешнее видео
Рост ветроэнергетики по странам, 2005-2020 гг.

В 2014 году ветроэнергетика установила новые рекорды - введено более 50 ГВт новых мощностей. Еще один рекордный год пришелся на 2015 год, когда рынок вырос на 22% в год, что привело к преодолению отметки в 60 ГВт. ^[73] В 2015 году почти половина всей новой ветроэнергетики была добавлена ​​за пределы традиционных рынков в Европе и Северной Америке. В основном это было связано с новым строительством в Китае и Индии. Данные Глобального совета по ветроэнергетике (GWEC) показывают, что в 2015 г. было зарегистрировано увеличение установленной мощности более чем на 63 ГВт, в результате чего общая установленная мощность ветроэнергетики увеличилась до 432,9 ГВт по сравнению с 74 ГВт в 2006 г. С экономической точки зрения энергия ветра сектор стал одним из важных игроков на энергетических рынках, с общим объемом инвестиций 329 млрд долларов США (296,6 млрд евро ), что на 4% больше, чем в 2014 году. ^{[A] [74]}

Хотя энергия ветра промышленность пострадала от мирового финансового кризиса в 2009 и 2010 годах, GWEC прогнозирует , что установленная мощность ветроэнергетики будет 792,1 ГВт к концу 2020 года ^[73] и 4,042 ГВт к концу 2050 года ^[75] увеличение ввода в эксплуатацию ветровой энергии сопровождается рекордно низкими ценами на будущую возобновляемую электроэнергию. В некоторых случаях береговая ветроэнергетика уже является самым дешевым вариантом производства электроэнергии, и затраты продолжают снижаться. Контрактные цены на береговую ветроэнергетику на следующие несколько лет сейчас составляют всего 30 долларов США за МВтч.

В ЕС в 2015 году 44% всех новых генерирующих мощностей приходилось на энергию ветра; в то время как в тот же период чистая мощность ископаемого топлива снизилась. ^[67]

Коэффициент мощности

Поскольку скорость ветра непостоянна, годовое производство энергии ветряной электростанцией никогда не бывает больше, чем сумма номинальных значений генератора, указанная на паспортной табличке, умноженная на общее количество часов в году. Отношение фактической годовой производительности к этому теоретическому максимуму называется коэффициентом мощности . Типичные коэффициенты мощности составляют 15–50%; значения в верхней части диапазона достигаются в благоприятных местах и ​​обусловлены усовершенствованиями конструкции ветряных турбин. ^{[76] [77] [B]}

Для некоторых мест доступны онлайн-данные, а коэффициент мощности можно рассчитать на основе годового выпуска. ^{[78] [79]} Например, средний общенациональный коэффициент ветроэнергетики Германии в 2012 году был чуть менее 17,5% (45 867 ГВт · ч / год / (29,9 ГВт × 24 × 366) = 0,1746), ^[80] и коэффициент мощности для шотландских ветропарков в период с 2008 по 2010 год в среднем составлял 24%. ^[81]

В отличие от электростанций, работающих на топливе, на коэффициент мощности влияют несколько параметров, включая изменчивость ветра на площадке и размер генератора относительно рабочей площади турбины. Небольшой генератор был бы дешевле и имел бы более высокий коэффициент мощности, но производил бы меньше электроэнергии (и, следовательно, меньшую прибыль) при сильном ветре. И наоборот, большой генератор будет стоить дороже, но будет генерировать небольшую дополнительную мощность и, в зависимости от типа, может заглохнуть при низкой скорости ветра. Таким образом, следует стремиться к оптимальному коэффициенту использования мощности около 40–50%. ^{[77] [82]}

В исследовании 2008 года, опубликованном Министерством энергетики США, отмечается, что коэффициент мощности новых ветряных установок увеличивается по мере совершенствования технологии, и прогнозируется дальнейшее улучшение коэффициентов мощности в будущем. ^[83] В 2010 году департамент оценил коэффициент использования мощности новых ветряных турбин в 2010 году в 45%. ^[84] Среднегодовой коэффициент мощности ветроэнергетики в США варьировался от 29,8% до 34% в период 2010–2015 годов. ^[85]

Проникновение

Проникновение ветровой энергии - это доля энергии, производимой ветром, по сравнению с общей выработкой. Доля энергии ветра в общемировом потреблении электроэнергии на конец 2018 г. составила 4,8% ^{[89] по} сравнению с 3,5% в 2015 г. ^{[90] [91]}

Общепринятого максимального уровня проникновения ветра не существует. Лимит для конкретной сети будет зависеть от существующих генерирующих станций, механизмов ценообразования, мощности для хранения энергии , управления спросом и других факторов. Объединенная электрическая сеть уже будет включать в себя резерв генерирующих и передающих мощностей на случай отказов оборудования. Эта резервная мощность также может служить для компенсации разной выработки электроэнергии ветряными станциями. Исследования показали, что 20% от общего годового потребления электроэнергии можно учесть с минимальными трудностями. ^[92] Эти исследования проводились для мест с географически разбросанными ветряными электростанциями, в некоторой степениуправляемая энергия или гидроэнергетика с накопительной емкостью, управлением спросом и подключенными к большой сети, что позволяет экспортировать электроэнергию при необходимости. За пределами 20% существует несколько технических ограничений, но экономические последствия становятся более значительными. Электроэнергетические компании продолжают изучать влияние крупномасштабного распространения ветровой генерации на стабильность и экономику системы. ^{[C] [93] [94] [95]}

Показатели проникновения ветровой энергии могут быть указаны для разной продолжительности времени, но часто указываются ежегодно. Для ежегодного получения 100% энергии от ветра требуется существенное долгосрочное хранение или существенное соединение с другими системами, которые могут уже иметь существенное хранилище. Ежемесячно, еженедельно, ежедневно или ежечасно - или меньше - ветер может обеспечивать до или более 100% текущего потребления, а остальная часть хранится, экспортируется или сокращается. Сезонная промышленность может тогда воспользоваться сильным ветром и низкой продолжительностью использования, например, ночью, когда мощность ветра может превышать нормальный спрос. Такая промышленность может включать производство кремния, алюминия, ^[96] стали или природного газа и водорода, а также использование будущего долгосрочного хранения для обеспечения 100% энергии из переменных возобновляемых источников энергии . ^[97][98] Дома также можно запрограммировать на прием дополнительной электроэнергии по запросу, например, дистанционно включив термостаты водонагревателя. ^[99]

Изменчивость

Энергия ветра переменная, и в периоды слабого ветра ее необходимо заменять другими источниками энергии. В настоящее время передающие сети справляются с отключениями других генерирующих станций и ежедневными изменениями спроса на электроэнергию, но изменчивость периодических источников энергии, таких как ветровая энергия, встречается чаще, чем у традиционных электростанций, которые, когда их планируют ввести в эксплуатацию, могут быть в состоянии доставляют свою мощность, указанную на паспортной табличке, примерно в 95% случаев.

Электроэнергия, вырабатываемая за счет энергии ветра, может сильно варьироваться в разных временных масштабах: ежечасно, ежедневно или сезонно. Годовые колебания также существуют, но не столь значительны. Поскольку мгновенная выработка и потребление электроэнергии должны оставаться в равновесии для поддержания стабильности сети, эта изменчивость может создать серьезные проблемы для включения большого количества энергии ветра в сетевую систему. Перемежаемость и не- диспетчеризация характер производства ветровой энергии может повысить затраты на регулирование, дополнительный оперативный резерв , и (на высоких уровнях проникновения) может потребоваться увеличение уже существующее управление спросом на энергии , сброс нагрузки , решений для хранения данных, или системы взаимосвязи с HVDC кабели.

Колебания нагрузки и поправки на выход из строя крупных энергоблоков, работающих на ископаемом топливе, требуют эксплуатационных резервов мощности, которые могут быть увеличены, чтобы компенсировать изменчивость ветровой генерации.

В настоящее время сетевые системы с большим проникновением ветра требуют небольшого увеличения частоты использования газовых резервных электростанций для предотвращения потерь электроэнергии в отсутствие ветра. При малом проникновении ветровой энергии это не проблема. ^{[100] [101] [102]}

GE установила прототип ветряной турбины с бортовой батареей, аналогичной батарее электромобиля, что эквивалентно 60 секундам производства. Несмотря на небольшую емкость, этого достаточно, чтобы гарантировать, что выходная мощность соответствует прогнозу в течение 15 минут, так как батарея используется для устранения разницы, а не для обеспечения полной мощности. В некоторых случаях повышенная предсказуемость может использоваться для увеличения проникновения ветровой энергии с 20 до 30 или 40 процентов. Стоимость батареи может быть получена путем продажи импульсной мощности по запросу и уменьшения потребности в резервном питании от газовых заводов. ^[103]

В Великобритании с 2008 по 2010 год было 124 отдельных случая, когда мощность ветра в стране упала до менее 2% от установленной мощности. ^[104] В отчете о ветроэнергетике Дании отмечалось, что их ветроэнергетическая сеть обеспечивала менее 1% среднего спроса в течение 54 дней в течение 2002 года. ^[105] Сторонники ветроэнергетики утверждают, что с этими периодами слабого ветра можно справиться простым перезапуск существующих электростанций, которые находились в готовности, или подключение к HVDC. ^[106] Электрические сети с медленно реагирующими тепловыми электростанциями и без привязки к сетям с гидроэлектростанциями, возможно, придется ограничить использование энергии ветра. ^[105] Согласно исследованию Стэнфордского университета 2007 г., опубликованному вЖурнал прикладной метеорологии и климатологии , объединение десяти или более ветряных электростанций может позволить в среднем 33% всей производимой энергии (т.е. около 8% от общей мощности, указанной на паспортной табличке), использоваться в качестве надежной электрической мощности базовой нагрузки, на которую можно положиться. выдерживать пиковые нагрузки при соблюдении минимальных критериев скорости ветра и высоты турбины. ^{[107] [108]}

И наоборот, в особенно ветреные дни, даже при уровне проникновения в 16%, выработка энергии ветра может превзойти все другие источники электроэнергии в стране. В Испании рано утром 16 апреля 2012 года производство ветровой энергии достигло самого высокого процента производства электроэнергии до того времени - 60,5% от общего спроса. ^[109] В Дании, где в 2013 году уровень проникновения на рынок электроэнергии составлял 30%, в течение 90 часов ветроэнергетика вырабатывала 100% электроэнергии страны, достигая пика в 122% потребности страны в 2 часа ночи 28 октября. ^[110]

На форуме Международного энергетического агентства в 2006 году затраты на управление перебоями были представлены в зависимости от доли ветровой энергии в общей мощности для нескольких стран, как показано в таблице справа. Три отчета об изменчивости ветра в Великобритании, выпущенные в 2009 году, в целом согласны с тем, что изменчивость ветра необходимо учитывать, добавляя 20% к операционному резерву, но это не делает сеть неуправляемой. Небольшие дополнительные расходы можно оценить количественно. ^[112]

Комбинация диверсификации переменных возобновляемых источников энергии по типу и местоположению, прогнозирования их вариаций и их интеграции с управляемыми возобновляемыми источниками энергии, генераторами, работающими на гибком топливе, и реагированием на спрос может создать энергосистему, которая может надежно удовлетворять потребности в энергоснабжении. Интеграция все более высоких уровней возобновляемых источников энергии успешно демонстрируется в реальном мире:

В 2009 году восемь американских и три европейских авторитета, написавшие в профессиональном журнале ведущих инженеров-электриков, не нашли «надежного и твердого технического ограничения на количество энергии ветра, которое может быть использовано в электрических сетях». Фактически, ни одно из более чем 200 международных исследований, ни официальных исследований для восточных и западных регионов США, ни Международного энергетического агентства не выявило серьезных затрат или технических препятствий для надежной интеграции до 30% переменных возобновляемых источников энергии в сеть. а в некоторых исследованиях и многое другое.

-  ^[113]

Солнечная энергия, как правило, дополняет ветер. ^{[115] [116]} В ежедневных и еженедельных временных масштабах области с высоким давлением обычно приносят ясное небо и низкие приземные ветры, тогда как области с низким давлением обычно более ветреные и облачные. В сезонных масштабах солнечная энергия достигает пика летом, тогда как во многих регионах энергия ветра ниже летом и выше зимой. ^{[D] [117]} Таким образом, сезонные колебания энергии ветра и солнца имеют тенденцию несколько компенсировать друг друга. ^[114] В 2007 году Институт технологий солнечной энергии Кассельского университета провел пилотные испытания комбинированной электростанции, объединяющей солнечную, ветровую и биогазовую энергию., а также гидроаккумулятор для обеспечения круглосуточной и круглогодичной подачи электроэнергии в соответствии с нагрузкой, полностью из возобновляемых источников. ^[118]

Предсказуемость

Используются методы прогнозирования ветроэнергетики, но предсказуемость любой конкретной ветровой электростанции для краткосрочной эксплуатации невысока. Для любого конкретного генератора существует 80% -ная вероятность того, что мощность ветра изменится менее чем на 10% за час, и 40% -ная вероятность того, что она изменится на 10% или более за 5 часов. ^[119]

Однако исследования Грэма Синдена (2009) показывают, что на практике вариации в тысячах ветряных турбин, разбросанных по нескольким различным местам и режимам ветра, сглаживаются. По мере увеличения расстояния между участками корреляция между скоростями ветра, измеренными на этих участках, уменьшается. ^[E]

Таким образом, хотя выходная мощность одной турбины может сильно и быстро изменяться по мере изменения местной скорости ветра, по мере того, как все больше турбин подключается на все большей и большей площади, средняя выходная мощность становится менее изменчивой и более предсказуемой. ^{[42] [120]} Прогноз погоды позволяет подготовить электрическую сеть к прогнозируемым изменениям в производстве, которые происходят. ^[121]

В ветроэнергетике почти никогда не возникают серьезные технические сбои, поскольку сбои отдельных ветряных турбин практически не влияют на общую мощность, так что распределенная ветровая энергия является надежной и предсказуемой ^{[122] [ ненадежный источник? ], в} то время как обычные генераторы, хотя и менее изменчивы, могут страдать от серьезных непредсказуемых отказов.

Хранилище энергии

Как правило, обычная гидроэлектроэнергия очень хорошо дополняет энергию ветра. Когда дует сильный ветер, близлежащие гидроэлектростанции могут временно задерживать воду. Когда ветер утихает, они могут, при условии, что у них есть генерирующая мощность, быстро увеличить производство, чтобы компенсировать это. Это обеспечивает очень равномерную подачу электроэнергии и практически без потерь энергии и без использования воды.

В качестве альтернативы, если подходящий напор воды недоступен, гидроэлектроэнергия с гидроаккумулятором или другие формы накопления энергии в сети, такие как накопление энергии сжатым воздухом и накопление тепловой энергии, могут накапливать энергию, выработанную в периоды сильного ветра, и высвобождать ее при необходимости. Тип необходимого хранилища зависит от уровня проникновения ветра - низкая проницаемость требует ежедневного хранения, а высокая проницаемость требует как краткосрочного, так и длительного хранения - до месяца или более. Накопленная энергия увеличивает экономическую ценность энергии ветра, поскольку ее можно использовать вместо более затратной генерации в периоды пикового спроса. Потенциальный доход от этого арбитражаможет компенсировать стоимость и потери при хранении. Например, в Великобритании гидроаккумулирующая станция Dinorwig мощностью 2 ГВт сглаживает пики спроса на электроэнергию и позволяет поставщикам с базовой нагрузкой более эффективно управлять своими установками. Хотя гидроаккумулирующие системы имеют КПД только около 75% и имеют высокую стоимость установки, их низкие эксплуатационные расходы и способность снижать требуемую базовую электрическую нагрузку могут сэкономить как топливо, так и общие затраты на производство электроэнергии. ^{[123] [124]}

В определенных географических регионах пиковая скорость ветра может не совпадать с пиковым спросом на электроэнергию, будь то на суше или на суше. В американских штатах Калифорния и Техас , например, жаркие летние дни могут быть связаны с низкой скоростью ветра и высоким потреблением электроэнергии из-за использования кондиционеров . Некоторые коммунальные предприятия субсидируют покупку геотермальных тепловых насосов своими потребителями, чтобы снизить потребность в электроэнергии в летние месяцы за счет повышения эффективности кондиционирования воздуха до 70%; ^[125]Широкое распространение этой технологии позволит лучше согласовать спрос на электроэнергию с наличием ветра в районах с жарким летом и слабыми ветрами. Возможным вариантом в будущем может стать объединение широко разбросанных географических областей с помощью « суперсети » HVDC . В США, по оценкам, модернизация системы передачи для использования запланированных или потенциальных возобновляемых источников энергии будет стоить не менее 60 миллиардов долларов США ^{[126], в} то время как социальная ценность добавленной энергии ветра будет выше этих затрат. ^[127]

Германия имеет установленную мощность ветровой и солнечной энергии, которая может превышать дневную потребность, и экспортирует пиковую мощность в соседние страны, экспорт которых составил около 14,7 млрд кВтч в 2012 году. ^[128] Более практичным решением является установка на 30 дней. емкость хранения способна удовлетворить 80% спроса, что станет необходимым, когда большая часть энергии Европы будет получена за счет энергии ветра и солнца. Так же, как ЕС требует, чтобы страны-члены поддерживали 90-дневные стратегические запасы нефти, можно ожидать, что страны будут обеспечивать хранение электроэнергии, вместо того, чтобы рассчитывать на использование своих соседей для чистых измерений. ^[129]

Кредит мощности, экономия топлива и окупаемость энергии

Кредит мощности ветра оценивается путем определения мощности обычных электростанций, замененных ветровой энергией, при сохранении той же степени безопасности системы. ^{[130] [131]} По данным Американской ассоциации ветроэнергетики , производство энергии ветра в США в 2015 году позволило избежать потребления 280 миллионов кубометров (73 миллиарда галлонов США) воды и снизить выбросы CO.
2выбросы на 132 миллиона метрических тонн, обеспечивая при этом экономию на здравоохранении на 7,3 миллиарда долларов США. ^{[132] [133]}

Энергия, необходимая для строительства ветряной электростанции, деленная на общий объем выработки энергии ветра за ее жизненный цикл (окупаемость вложенной энергии) варьируется, но в среднем составляет около 20–25. ^{[134] [135]} Таким образом, срок окупаемости энергии обычно составляет около года.

Экономика

Береговый ветер - недорогой источник электроэнергии, конкурентоспособный или во многих местах более дешевый, чем угольные или газовые электростанции. ^[137] По данным BusinessGreen , ветровые турбины достигли паритета энергосистемы (точки, в которой стоимость энергии ветра соответствует стоимости традиционных источников) в некоторых регионах Европы в середине 2000-х годов и примерно в то же время в США. Падение цен продолжает снижать приведенную стоимость, и было высказано предположение, что она достигла общего паритета энергосистемы в Европе в 2010 году и достигнет такой же точки в США примерно в 2016 году из-за ожидаемого снижения капитальных затрат примерно на 12%. ^[138] По данным PolitiFact, трудно предсказать, останется ли ветроэнергетика жизнеспособной в Соединенных Штатах без субсидий. ^[139]

Стоимость электроэнергии и тенденции

Ветроэнергетика требует больших капиталовложений, но не требует затрат на топливо. ^[141] Таким образом, стоимость энергии ветра намного более стабильна, чем неустойчивые цены на источники ископаемого топлива. ^[142] предельная стоимость энергии ветра , как только станция строятся, как правило , меньше , чем 1-цент за кВт · ч. ^[143]

Средние глобальные общие затраты на установку ветроэнергетики на суше в 2017 году составили 1477 долларов за кВт и 4239 долларов за кВт для оффшорной, но с большим разбросом в обоих случаях. ^[144]

Однако расчетная средняя стоимость единицы электроэнергии должна включать в себя стоимость строительства турбин и объектов передачи, заемные средства, возврат инвесторам (включая стоимость риска), расчетную годовую добычу и другие компоненты, усредненные по сравнению с прогнозируемой. срок полезного использования оборудования, который может составлять более 20 лет. Оценка затрат на электроэнергию во многом зависит от этих предположений, поэтому опубликованные цифры затрат могут существенно отличаться. В 2004 году энергия ветра стоила 1/5 от стоимости в 1980-х годах, и некоторые ожидали, что тенденция к снижению продолжится по мере массового производства более крупных многомегаваттных турбин . ^[145] В 2012 году капитальные затраты на ветряные турбины были значительно ниже, чем в 2008–2010 годах, но все же превышали уровни 2002 года. ^[146]В отчете Американской ассоциации ветроэнергетики за 2011 год говорится: «Затраты на ветер упали за последние два года в диапазоне от 5 до 6 центов за киловатт-час в последнее время… примерно на 2 цента дешевле, чем электроэнергия, работающая на угле, и больше проектов было профинансировано за счет заемных средств, чем за счет налоговых долевых инструментов в прошлом году .... получили более широкое признание со стороны банков Уолл-стрит ... Производители оборудования также могут поставлять продукты в тот же год, когда они заказаны, вместо того, чтобы ждать до трех лет как это было в предыдущих циклах .... 5600 МВт новой установленной мощности находится в стадии строительства в Соединенных Штатах, что более чем вдвое превышает число на данный момент в 2010 году. Тридцать пять процентов всей новой выработки электроэнергии, произведенной в Соединенных Штатах. с 2005 года пришел из ветра, больше, чем новые газовые и угольные станции вместе взятые,поскольку поставщиков электроэнергии все больше соблазняют использовать в качестве удобной защиты от непредсказуемых колебаний цен на сырьевые товары ".^[147]

В отчете Британской ассоциации ветроэнергетики говорится, что средняя стоимость производства энергии ветра на суше составляет около 3 пенсов (от 5 до 6 центов США) за кВт · ч (2005 г.). ^[148] Стоимость единицы произведенной энергии была оценена в 2006 году на 5–6 процентов выше стоимости новых генерирующих мощностей в США для угля и природного газа: стоимость ветра оценивалась в 56 долларов за МВт · ч, угля - в 53 доллара за штуку. МВт · ч и природный газ - 53 доллара. ^[149] Аналогичные сравнительные результаты с природным газом были получены в правительственном исследовании в Великобритании в 2011 году. ^[150] В 2011 году энергия ветряных турбин может быть уже дешевле, чем ископаемые или атомные электростанции; также ожидается, что в будущем ветроэнергетика будет самой дешевой формой производства энергии. ^[151]Наличие энергии ветра, даже при субсидировании, может снизить затраты для потребителей (5 миллиардов евро в год в Германии) за счет снижения предельной цены за счет минимизации использования дорогостоящих пиковых электростанций . ^{[ необходима цитата ]}

Исследование ЕС 2012 года показывает, что базовая стоимость наземной ветровой энергии аналогична стоимости угля, если не учитывать субсидии и внешние эффекты . У ветроэнергетики одни из самых низких внешних затрат. ^[152]

В феврале 2013 года агентство Bloomberg New Energy Finance (BNEF) сообщило, что стоимость производства электроэнергии на новых ветряных электростанциях дешевле, чем на новых угольных или новых газовых установках базовой нагрузки. При включении нынешней схемы ценообразования на выбросы углерода федеральным правительством Австралии их моделирование дает затраты (в австралийских долларах) в размере 80 долларов США / МВтч для новых ветряных электростанций, 143 долларов США / МВтч для новых угольных электростанций и 116 долларов США / МВтч для новых газовых станций базовой нагрузки. Моделирование также показывает, что «даже без цены на углерод (наиболее эффективный способ сокращения выбросов в масштабах экономики) энергия ветра на 14% дешевле нового угля и на 18% дешевле нового газа». ^[153]Отчасти более высокие затраты на новые угольные электростанции связаны с высокими затратами на финансовое кредитование из-за «репутационного ущерба от инвестиций с большим объемом выбросов». Расходы на газовые электростанции частично связаны с влиянием «экспортного рынка» на местные цены. Затраты на производство угольных электростанций, построенных в 1970-х и 1980-х годах, дешевле возобновляемых источников энергии из-за их амортизации. ^[153] В 2015 году BNEF рассчитал приведенную стоимость электроэнергии (LCOE) на МВтч для новых электростанций (без учета затрат на выбросы углерода): 85 долларов США для береговых ветроэнергетических установок (175 долларов США для морских объектов), 66–75 долларов США для угля в Северной и Южной Америке (82–105 долларов США в Европе). ), газ 80–100 $. ^{[154] [155] [156]} Исследование 2014 года показало, что несубсидированный LCOEстоит от 37 до 81 доллара в зависимости от региона. ^[157] Отчет Министерства энергетики США за 2014 год показал, что в некоторых случаях цены по соглашениям о покупке электроэнергии для ветроэнергетики упали до рекордно низкого уровня в 23,5 долл. США / МВт-ч. ^[158]

Стоимость снизилась по мере улучшения технологии ветряных турбин. Теперь появились более длинные и легкие лопасти ветряных турбин, улучшились характеристики турбины и повысилась эффективность выработки электроэнергии. Кроме того, продолжали снижаться капитальные затраты на ветровые проекты и расходы на техническое обслуживание. ^[159]Например, ветроэнергетика в США в начале 2014 года смогла производить больше энергии при меньших затратах за счет использования более высоких ветряных турбин с более длинными лопастями, улавливающих более быстрые ветры на больших высотах. Это открыло новые возможности, и в Индиане, Мичигане и Огайо стоимость энергии ветряных турбин, построенных на высоте 90–120 метров (300–400 футов) над землей, с 2014 года может конкурировать с традиционными ископаемыми видами топлива, такими как уголь. В некоторых случаях цены упали примерно до 4 центов за киловатт-час, и коммунальные предприятия увеличили количество ветровой энергии в своем портфеле, заявив, что это их самый дешевый вариант. ^[160]

Некоторые инициативы направлены на снижение затрат на электроэнергию от морского ветра. Одним из примеров является Carbon Trust Offshore Wind Accelerator, совместный отраслевой проект, в котором участвуют девять разработчиков оффшорных ветроэнергетических установок, который направлен на снижение стоимости морских ветроэнергетических установок на 10% к 2015 году. Было высказано предположение, что масштабные инновации могут обеспечить 25% затрат сокращение использования морской ветровой энергии к 2020 году. ^[161] Хенрик Стисдал , бывший главный технический директор Siemens Wind Power, заявил, что к 2025 году энергия морского ветра будет одним из самых дешевых и масштабируемых решений в Великобритании по сравнению с другими возобновляемыми источниками энергии и ископаемыми источниками энергии. топливные источники энергии, если истинная стоимость для общества включена в стоимость энергетического уравнения. ^[162]Он рассчитывает, что на тот момент стоимость составит 43 евро / МВтч для береговых ветроэнергетических установок и 72 евро / МВтч для морских ветроэнергетических установок. ^[163]

В августе 2017 года Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) Министерства энергетики опубликовала новый отчет о 50% снижении стоимости ветровой энергии к 2030 году. Ожидается, что NREL добьется успехов в конструкции ветряных турбин, материалах и средствах управления, чтобы разблокировать производительность улучшения и снижение затрат. По данным международных инспекторов, это исследование показывает, что сокращение затрат к 2030 году, по прогнозам, будет колебаться от 24% до 30%. В более агрессивных случаях эксперты оценивают сокращение затрат до 40%, если программы исследований, разработок и технологий приведут к дополнительным эффективность. ^[164]

В 2018 году исследование Lazard показало, что «минимальная приведенная стоимость наземной ветровой энергии составляет 29 долларов США / МВт-ч, по сравнению со средней иллюстративной предельной стоимостью 36 долларов США / МВт-ч для угля», и отметило, что средняя стоимость снизилась на 7%. в году. ^[165]

Стимулы и общественные блага

Ветряная промышленность в Соединенных Штатах создает десятки тысяч рабочих мест и миллиарды долларов экономической деятельности. ^[168] Ветроэнергетические проекты предусматривают местные налоги или платежи вместо налогов и укрепляют экономику сельских сообществ, обеспечивая доход фермерам, использующим ветряные турбины на их земле. ^{[166] [169]} Энергия ветра во многих юрисдикциях получает финансовую или иную поддержку для поощрения своего развития. Энергия ветра получает выгоду от субсидий во многих юрисдикциях либо для повышения ее привлекательности, либо для компенсации субсидий, получаемых другими формами производства, которые имеют значительные отрицательные внешние эффекты.

В США ветроэнергетика получает налоговый кредит на производство (PTC) в размере 2 ¢ / кВтч в долларах 1993 года за каждый произведенный кВт · час в течение первых 10 лет; 2 цента за кВт · ч в 2012 году, кредит был продлен 2 января 2012 года, чтобы включить строительство, начатое в 2013 году. ^[170] Вместо получения PTC может применяться налоговый кредит в размере 30%. ^{[171] [172]} Еще одна налоговая выгода - ускоренная амортизация . Многие американские штаты также предоставляют стимулы, такие как освобождение от налога на имущество, обязательные покупки и дополнительные рынки для « зеленых кредитов ». ^[173] Энергетика Совершенствование и Закон Расширения 2008 содержат расширение кредитов для ветра, включая микротурбины. Такие страны как Канадаи Германия также предоставляет стимулы для строительства ветряных турбин, такие как налоговые льготы или минимальные закупочные цены для ветровой генерации с гарантированным доступом к сети (иногда называемые льготными тарифами ). Эти зеленые тарифы обычно устанавливаются значительно выше средних цен на электроэнергию. ^{[174] [175]} В декабре 2013 года сенатор США Ламар Александер и другие сенаторы-республиканцы заявили, что «налоговый кредит на производство ветровой энергии должен истечь в конце 2013 года» ^[176], и он истек 1 января 2014 года для новых установок.

Вторичные рыночные силы также создают стимулы для предприятий использовать энергию ветра, даже если за электроэнергию взимается повышенная цена . Например, социально ответственные производители платят коммунальным предприятиям премию, которая идет на субсидирование и строительство новой ветроэнергетической инфраструктуры. Компании используют энергию ветра, и взамен они могут утверждать, что предпринимают серьезные «зеленые» усилия. В США организация Green-e следит за соблюдением бизнесом этих кредитов на возобновляемые источники энергии. ^[177] Цены на турбины значительно упали в последние годы из-за ужесточения условий конкуренции, таких как более широкое использование энергетических аукционов и отмена субсидий на многих рынках. Например, Вестас, производитель ветряных турбин, крупнейшая береговая турбина которого может вырабатывать 4,2 мегаватта энергии, достаточной для обеспечения электричеством примерно 5000 домов, столкнулась с падением цен на его турбины с 950 000 евро за мегаватт в конце 2016 года до примерно 800 000 евро за мегаватт в третий квартал 2017 года. ^[178]

Малая ветроэнергетика

Малая ветроэнергетика - это ветроэнергетические установки, способные производить до 50 кВт электроэнергии. ^[179] Изолированные сообщества, которые в противном случае могут полагаться на дизельные генераторы, могут использовать ветряные турбины в качестве альтернативы. Люди могут покупать эти системы, чтобы уменьшить или исключить свою зависимость от электросети по экономическим причинам или уменьшить свой углеродный след . Ветровые турбины использовались для производства электроэнергии в домашних условиях вместе с аккумуляторными батареями в течение многих десятилетий в отдаленных районах. ^[180]

Недавние примеры небольших проектов ветроэнергетики в городских условиях можно найти в Нью-Йорке , где с 2009 года несколько строительных проектов закрыли свои крыши винтовыми ветряными турбинами типа Горлова . Хотя вырабатываемая ими энергия мала по сравнению с общим потреблением здания, они помогают укрепить «экологичность» здания так, как это невозможно «показать людям свой высокотехнологичный котел», при этом некоторые проекты также получают прямую поддержку со стороны Управление энергетических исследований и развития штата Нью-Йорк . ^[181]

Подключенные к сети домашние ветряные турбины могут использовать сетевые накопители энергии , заменяя, таким образом, покупную электроэнергию на электроэнергию местного производства, когда она доступна. Избыточная энергия, производимая бытовыми микрогенераторами, в некоторых юрисдикциях может подаваться в сеть и продаваться коммунальной компании, предоставляя владельцам микрогенераторов розничный кредит для компенсации их затрат на электроэнергию. ^[182]

Пользователи автономных систем могут либо адаптироваться к перебоям в подаче электроэнергии, либо использовать батареи, фотоэлектрические или дизельные системы в качестве дополнения к ветряной турбине. ^[183] Оборудование, такое как паркоматы, дорожные знаки, уличное освещение или беспроводные интернет-шлюзы, может питаться от небольшой ветряной турбины, возможно в сочетании с фотоэлектрической системой, которая заряжает небольшую батарею, заменяя необходимость подключения к источнику питания. сетка. ^[184]

Исследование Carbon Trust о потенциале маломасштабной ветроэнергетики в Великобритании, опубликованное в 2010 году, показало, что небольшие ветряные турбины могут обеспечивать до 1,5 тераватт-часов (ТВт · ч) в год электроэнергии (0,4% от общего объема электроэнергии в Великобритании. потребление электроэнергии), что позволяет сэкономить 600 000 тонн углекислого газа (Mt CO ₂ ). Это основано на предположении, что 10% домохозяйств установят турбины по цене, конкурирующей с электросетью, около 12 пенсов (19 центов США) за кВт · ч. ^[185] Отчет, подготовленный для финансируемого правительством Великобритании Energy Saving Trust в 2006 году, показал, что домашние генераторы электроэнергии различных типов могут обеспечить от 30 до 40% потребностей страны в электроэнергии к 2050 году. ^[186]

Распределенная генерация из возобновляемых ресурсов возрастает вследствие повышения осведомленности об изменении климата . Электронные интерфейсы, необходимые для соединения блоков возобновляемой генерации с энергосистемой , могут включать дополнительные функции, такие как активная фильтрация для повышения качества электроэнергии. ^[187]

Экологические последствия

Воздействие энергии ветра на окружающую среду считается относительно незначительным по сравнению с воздействием ископаемого топлива. По данным МГЭИК , при оценке выбросов парниковых газов в течение жизненного цикла источников энергии , ветровые турбины имеют медианное значение 12 и 11 ( г CO
2экв / кВтч ) для морских и береговых турбин соответственно. ^{[189] [190]} По сравнению с другими источниками энергии с низким содержанием углерода , ветровые турбины имеют один из самых низких потенциалов глобального потепления на единицу произведенной электроэнергии. ^[191]

Береговые ветряные электростанции могут иметь значительное визуальное воздействие и влиять на ландшафт. ^[192] Их сеть турбин, подъездных дорог, линий электропередачи и подстанций может привести к «разрастанию энергии». ^[193] Ветряным электростанциям, как правило, требуется покрывать большую территорию и быть более рассредоточенным, чем другим электростанциям. ^[194] Береговые ветряные электростанции оказывают большее визуальное воздействие на ландшафт, чем другие электростанции, поскольку их необходимо размещать на большей территории ^[195] и строить вдали от густонаселенных территорий. ^[196] Однако земля между турбинами и дорогами все еще может использоваться для сельского хозяйства. ^{[197] [198]}

Ветряные фермы обычно строятся в диких и сельских районах, что может привести к «индустриализации сельской местности». ^{[199] [ сомнительно - обсудить ]} и потеря среды обитания . ^[193] Утрата среды обитания и фрагментация среды обитания - это наибольшее воздействие ветряных ферм на дикую природу. ^[193] Имеются также сообщения о более высокой смертности птиц и летучих мышей на ветряных турбинах, как и вокруг других искусственных сооружений. Масштаб экологического воздействия может быть ^[200] или не ^[201] значительным в зависимости от конкретных обстоятельств. Предупреждение и уменьшение гибели диких животных и защита торфяных болот , ^[202] влияют на размещение и работу ветряных турбин.

Ветровые турбины создают шум. На расстоянии 300 метров (980 футов) от дома это может быть около 45 дБ, что немного громче, чем в холодильнике. На расстоянии 1,5 км их становится не слышно. ^{[203] [204]} Имеются отдельные сообщения о негативном воздействии шума на здоровье людей, живущих в непосредственной близости от ветряных турбин. ^[205] Рецензируемые исследования обычно не подтверждают эти утверждения. ^{[206] [207] [208]}

ВВС и ВМС США выразили обеспокоенность тем, что размещение больших ветряных турбин рядом с базами «негативно повлияет на радар до такой степени, что авиадиспетчеры потеряют местоположение самолетов». ^[209]

До 2019 года многие лопасти ветряных турбин были изготовлены из стекловолокна, конструкция которых обеспечивала срок службы от 10 до 20 лет. ^[210] Учитывая доступные технологии, по состоянию на февраль 2018 года не существовало рынка для переработки этих старых лезвий, ^[211], и их обычно выбрасывают на свалки. Поскольку лопасти сделаны полыми, они занимают большой объем по сравнению с их массой. Поэтому операторы полигонов начали требовать от операторов раздавить лопасти перед тем, как их можно будет захоронить. ^[210]

Политика

Центральное правительство

Атомные и ископаемое топливо является субсидируются правительствами многих стран , а также энергия ветров и другие виды возобновляемых источников энергии, также часто субсидируются. Например, в исследовании 2009 г., проведенном Институтом права окружающей среды ^[212], оценивались размер и структура энергетических субсидий США за период 2002–2008 гг. По оценкам исследования, субсидии источникам ископаемого топлива составили примерно 72 миллиарда долларов за этот период, а субсидии возобновляемым источникам топлива составили 29 миллиардов долларов. В Соединенных Штатах федеральное правительство выплатило 74 миллиарда долларов США на энергетические субсидии для поддержки НИОКР в области ядерной энергетики (50 миллиардов долларов) и ископаемого топлива.(24 миллиарда долларов) с 1973 по 2003 год. За тот же период времени на технологии возобновляемых источников энергии и энергоэффективность было получено в общей сложности 26 миллиардов долларов США. Было высказано предположение, что изменение субсидий поможет уравнять правила игры и поддержать растущие энергетические секторы, а именно солнечную энергию , энергию ветра и биотопливо . ^[213] История показывает, что ни один энергетический сектор не развивался без субсидий. ^[213]

По данным Международного энергетического агентства (МЭА) (2011 г.), энергетические субсидии искусственно снижают цену на энергию, оплачиваемую потребителями, повышают цену, получаемую производителями, или снижают себестоимость продукции. «Стоимость субсидий на ископаемое топливо обычно перевешивает выгоды. Субсидии на возобновляемые источники энергии и низкоуглеродные энергетические технологии могут принести долгосрочные экономические и экологические выгоды». ^[214] В ноябре 2011 г. был опубликован отчет МЭА « Развертывание возобновляемых источников энергии в 2011 г.».сказал: «Субсидии в технологиях зеленой энергии, которые еще не были конкурентоспособными, оправданы, чтобы дать стимул для инвестиций в технологии с очевидными преимуществами для окружающей среды и энергетической безопасности». Отчет МЭА не согласен с утверждениями о том, что технологии возобновляемых источников энергии жизнеспособны только за счет дорогостоящих субсидий и не могут надежно производить энергию для удовлетворения спроса.

Однако точка зрения МЭА не является общепринятой. В период с 2010 по 2016 год субсидия на ветер составляла от 1 до 6 центов за кВтч. Субсидии на уголь, природный газ и атомную энергетику составляют от 0,05 до 0,2 ¢ на кВтч в год. Из расчета на киловатт-час ветер субсидируется в 50 раз больше, чем традиционные источники. ^[215]

В Соединенных Штатах ветроэнергетика в последнее время значительно усилила лоббистские усилия, потратив около 5 миллионов долларов в 2009 году после многих лет относительной безвестности в Вашингтоне. ^[216] Для сравнения: одна только ядерная промышленность США потратила более 650 миллионов долларов на лоббирование и взносы в кампании за 10 лет, закончившихся в 2008 году. ^{[217] [218] [219]}

После ядерной аварии в Японии в 2011 году федеральное правительство Германии работает над новым планом повышения энергоэффективности и коммерциализации возобновляемых источников энергии с особым упором на оффшорные ветряные электростанции. Согласно плану, большие ветряные турбины будут установлены вдали от береговой линии, где ветер дует более стабильно, чем на суше, и где огромные турбины не будут беспокоить жителей. План направлен на снижение зависимости Германии от энергии, получаемой от угля и атомных электростанций. ^[220]

Общественное мнение

Опросы общественного мнения в Европе и во многих других странах показывают сильную общественную поддержку ветроэнергетики. ^{[221] [222] [223]} Около 80% граждан ЕС поддерживают ветроэнергетику. ^[224] В Германии , где ветроэнергетика получила очень широкое признание в обществе, сотни тысяч людей инвестировали в гражданские ветряные фермы по всей стране, а тысячи малых и средних предприятий ведут успешный бизнес в новом секторе, который в В 2008 г. было занято 90 000 человек, и было произведено 8% электроэнергии Германии. ^{[225] [226]}

Баккер и др. (2012) обнаружили в своем исследовании, что, когда жители не хотели, чтобы турбины находились рядом с ними, их раздражение было значительно выше, чем у тех, «которые получали экономическую выгоду от ветряных турбин, доля людей, которые были скорее или очень раздражены, была значительно ниже». ^[227]

Несмотря на то, что энергия ветра является популярной формой производства энергии, строительство ветряных электростанций не всегда приветствуется, часто по эстетическим причинам. ^{[197] [221] [222] [223] [224] [228] [229]}

В Испании , за некоторыми исключениями, не было большого сопротивления установке внутренних ветропарков. Однако более неоднозначными были проекты строительства оффшорных парков. ^[230] В частности, предложение о строительстве крупнейшего в мире морского завода по производству ветровой энергии на юго-западе Испании на побережье Кадиса , на месте Трафальгарской битвы 1805 г. ^[231] , встретило сильную оппозицию, опасающуюся за туризм и рыболовство в этом районе, ^[232] и потому, что этот район является военной могилой. ^[231]

Что следует увеличить в Шотландии? ^[233]

В опросе, проведенном Angus Reid Strategies в октябре 2007 года, 89 процентов респондентов заявили, что использование возобновляемых источников энергии, таких как энергия ветра или солнца, было положительным для Канады, поскольку эти источники были лучше для окружающей среды. Только 4% считают использование возобновляемых источников отрицательным фактором, поскольку они могут быть ненадежными и дорогими. ^[234] Согласно опросу Saint Consulting, проведенному в апреле 2007 года, энергия ветра была альтернативным источником энергии, который, скорее всего, получит общественную поддержку для будущего развития в Канаде, и только 16% опрошенных возражают против этого вида энергии. Напротив, 3 из 4 канадцев выступили против развития ядерной энергетики. ^[235]

Опрос жителей 10 существующих ветряных электростанций Шотландии, проведенный в 2003 году, выявил высокий уровень признания и решительной поддержки ветроэнергетики в обществе, причем значительную поддержку оказали те, кто жил ближе всего к ветряным электростанциям. Результаты этого опроса подтверждают результаты более раннего опроса руководителей Шотландии «Отношение общества к окружающей среде в Шотландии, 2002 г.», в котором было обнаружено, что шотландское население предпочло бы большую часть своей электроэнергии получать из возобновляемых источников, и который оценил энергию ветра как самый чистый источник возобновляемой энергии. ^[236]Опрос, проведенный в 2005 году, показал, что 74% жителей Шотландии согласны с тем, что ветряные фермы необходимы для удовлетворения текущих и будущих потребностей в энергии. Когда людям задавали тот же вопрос в шотландском исследовании возобновляемых источников энергии, проведенном в 2010 году, 78% согласились. Рост значительный, поскольку в 2010 году количество ветряных электростанций было вдвое больше, чем в 2005 году. Исследование 2010 года также показало, что 52% не согласны с утверждением, что ветряные электростанции «некрасивы и являются пятном на ландшафте». 59% согласились с тем, что ветряные фермы необходимы и что их внешний вид не имеет значения. ^[237] Что касается туризма , то респонденты считают, что опоры электропередач , вышки сотовой связи , карьеры и плантации более негативны, чем ветряные электростанции.^[238] Шотландия планирует к 2020 году получать 100% электроэнергии из возобновляемых источников. ^[239]

В других случаях проекты ветряных электростанций напрямую принадлежат сообществу . Такую поддержку демонстрируют сотни тысяч людей, вовлеченных в работу малых и средних ветряных электростанций Германии. ^[240]

Опрос Harris Poll 2010 года отражает решительную поддержку ветроэнергетики в Германии, других европейских странах и Соединенных Штатах. ^{[221] [222] [241]}

В Китае Шен и др. (2019) обнаруживают, что китайские горожане могут быть в некоторой степени сопротивляться строительству ветряных турбин в городских районах, при этом удивительно высокая доля людей ссылается на необоснованный страх радиации как на движущую силу. ^[243] Центральное правительство Китая, а не ученые, лучше подходит для решения этой проблемы. Кроме того, исследование показывает, что, как и их коллеги в странах ОЭСР, респонденты из Китая, живущие в городах, чувствительны к прямым затратам и внешним воздействиям на дикую природу. Распространение актуальной информации о турбинах среди общественности может снизить сопротивление.

Сообщество

Многие ветроэнергетические компании работают с местными сообществами, чтобы уменьшить экологические и другие проблемы, связанные с конкретными ветряными фермами. ^{[246] [247] [248]} В других случаях проекты ветряных электростанций напрямую принадлежат сообществу . Соответствующие правительственные консультации, процедуры планирования и утверждения также помогают минимизировать экологические риски. ^{[221] [249] [250]} Некоторые могут все еще возражать против ветряных электростанций ^[251], но, по мнению Австралийского института , их озабоченность следует сопоставить с необходимостью устранения угроз, создаваемых изменением климата, и мнениями более широкого сообщества. . ^[252]

Сообщается, что в Америке ветровые проекты увеличивают местную налоговую базу, помогая оплачивать школы, дороги и больницы. Ветровые проекты также оживляют экономику сельских сообществ, обеспечивая стабильный доход фермерам и другим землевладельцам. ^[166]

В Великобритании и Национальный фонд, и Кампания по защите сельской Англии выразили озабоченность по поводу воздействия на сельский ландшафт, вызванного неправильным размещением ветряных турбин и ветряных электростанций. ^{[253] [254]}

Некоторые ветряные электростанции стали достопримечательностями. В центре посетителей ветряной фермы Уайтли есть выставочный зал, учебный центр, кафе со смотровой площадкой, а также магазин. Он находится в ведении Научного центра Глазго . ^[255]

В Дании схема потери стоимости дает людям право требовать компенсацию потери стоимости их собственности, если она вызвана близостью к ветряной турбине. Убыток должен составлять не менее 1% от стоимости имущества. ^[256]

Несмотря на эту общую поддержку концепции ветроэнергетики среди населения, часто существует местная оппозиция, которая отсрочила или прервала ряд проектов. ^{[257] [258] [259]} Например, есть опасения, что некоторые установки могут отрицательно повлиять на прием теле- и радиосигналов и доплеровский метеорологический радар, а также производить чрезмерный уровень шума и вибрации, что приведет к снижению стоимости свойств. ^[260] Возможные решения для приема широковещательных сообщений включают в себя прогнозирующее моделирование помех как компонент выбора места. ^{[261] [262]} Исследование 50 000 продаж домов возле ветряных турбин не обнаружило статистических доказательств того, что цены были затронуты. ^[263]

Хотя эстетические вопросы являются субъективными, и некоторые находят ветряные электростанции приятными и оптимистичными или символами энергетической независимости и местного процветания, часто формируются группы протеста, чтобы попытаться заблокировать новые объекты ветроэнергетики по разным причинам. ^{[251] [264] [265]}

Этот тип оппозиции часто описываются как NIMBYism , ^[266] , но исследования , проведенные в 2009 году обнаружил , что существует мало доказательств того, чтобы поддержать веру , что жители только объект возобновляемых энергетических объектов , такие как ветровая турбина в результате «Не в моем Задний двор »отношение. ^[267]

Геополитика

Утверждалось, что расширение использования энергии ветра приведет к усилению геополитической конкуренции за критически важные материалы для ветряных турбин, такие как редкоземельные элементы, неодим, празеодим и диспрозий. Но эту точку зрения критиковали за то, что они не признали, что в большинстве ветряных турбин не используются постоянные магниты, а также за недооценку силы экономических стимулов для расширения добычи этих полезных ископаемых. ^[268]

Конструкция турбины

Ветровые турбины - это устройства, преобразующие кинетическую энергию ветра в электрическую. В результате более чем тысячелетнего развития ветряных мельниц и современной инженерии, современные ветряные турбины производятся с широким диапазоном типов горизонтальной и вертикальной оси . Самые маленькие турбины используются для таких приложений, как зарядка аккумуляторов для вспомогательной энергии. Турбины немного большего размера могут использоваться для внесения небольших вкладов в бытовое электроснабжение при одновременной продаже неиспользованной энергии обратно поставщику коммунальных услуг через электрическую сеть . Группы больших турбин, известных как ветряные электростанции , становятся все более важным источником возобновляемой энергии.и используются во многих странах как часть стратегии по сокращению их зависимости от ископаемого топлива .

Проектирование ветряной турбины - это процесс определения формы и технических характеристик ветряной турбины для извлечения энергии из ветра . ^[269] 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 уловить не более 16/27 (59%) кинетической энергии ветра. К этому пределу Бетца можно приблизиться в современных конструкциях турбин, который может достигать 70–80% теоретического предела Бетца. ^{[270] [271]}

В аэродинамика ветровой турбины не просто. Воздушный поток на лопастях отличается от воздушного потока вдали от турбины. Сама природа того, как энергия извлекается из воздуха, также заставляет воздух отклоняться турбиной. Это влияет на объекты или другие турбины, расположенные ниже по потоку, что известно как эффект следа. Кроме того, аэродинамика ветряной турбины на поверхности ротора демонстрирует явления, которые редко наблюдаются в других аэродинамических областях. Форма и размеры лопастей ветряной турбины определяются аэродинамическими характеристиками, необходимыми для эффективного извлечения энергии из ветра, и силой, необходимой для сопротивления силам, действующим на лопасти. ^[272]

В дополнение к аэродинамической конструкции лопастей , конструкция всей ветроэнергетической системы должна также учитывать конструкцию ступицы ротора , гондолы , конструкции башни , генератора , органов управления и фундамента. ^[273]

Смотрите также

Примечания

Рекомендации