Велемудр

Мы хотим познакомить вас, уважаемые читатели, с мнением высококвалифицированного инженера на то, что такое основные составляющие «зеленой энергетики» – на солнечные панели и ветроустановки. «Передовая мировая общественность» считает, что век тепловых и атомных электростанций закончился? Предположим, что это именно так и просто посчитаем, во что это обойдется – по затратам на производствро, на эксплуатацию, на необходимые земельные площади.

Дмитрий Таланов хорошо знает, о чем пишет, ведь ему приходилось рассчитывать электрические сети и для такой генерации, и этим его взгляд особенно интересен.

Тридцать лет назад компьютеры стоили миллионы долларов, жесткие диски – десятки тысяч долларов, а solid-state memory была настолько дорогая, что, по слухам, Билл Гейтс сказал в 1981 году, что 640 килобайт такой памяти должно быть достаточно любому компьютеру.

Затем началась эра кредитной стимуляции потребительского спроса, производители оценили потенциальный рынок, переписали бизнес-планы, заняли денег и вместо двух-трех инженеров на контору наняли разом несколько десятков, поставив им задачу найти пути снизить стоимость и повысить потребительские качества продукции. Результаты можно наблюдать в любом доме. Так река денег, направленная в определенное русло, за короткий период времени радикально изменила ландшафт.

После того, как мир заразился идеей получать энергию из возобновляемых источников, таких, как солнечный свет и ветер, река денег хлынула уже в этом направлении. Эффект был похожий: за два десятка лет резко выросли КПД солнечных панелей, емкость аккумуляторов и надежность ветрогенераторов. А их стоимость упала. На рынок хлынули системы UPS (uninterruptible power system) с коэффициентом мощности по входу без малого единица, КПД до 97%, появились и сложные VFD (variable frequency drive), превращающие асинхронный двигатель с беличьей клеткой ротора – рабочую лошадь индустрии – практически в синхронный с легко изменяемой скоростью вращения и кривой момента на валу, а это обеспечивало уже экономию электроэнергии в десятки процентов. Следует отметить, что сами VFD появились в 1960-х, но эффективное векторное управление в них было реализовано только в 1990-х.

Стремление мира «позеленеть» как можно быстрее замечательно сказывается на потребительских качествах многих товаров и сильно радует инженерную душу. Ведь открывается столько ранее недоступных возможностей! Конечно, очень хочется развить эту тему, но статья посвящена не инженерно-потребительской оценке «зеленой энергии», а анализу перспектив этого направления энергетики применительно к нашей столице – Москве. Все данные для анализа взяты из открытых источников, инсайд не потребовался, общедоступных данных вполне достаточно.

Москва и Солнце

Для начала давайте прикинем, что потребуется для перевода только Москвы на альтернативные источники энергии. Начнем с солнечной энергии.

Солнечная постоянная – количество мощности, проходящей через плоскость, перпендикулярную солнечным лучам – на орбите Земли составляет 1’367 Вт/м², а на поверхности планеты составляет 1’000 Вт/м² в полдень на экваторе. Это чтобы оценить потери в прозрачной атмосфере. Далее будем считать в кВт*ч, коли мы рассматриваем именно энергию, на которой сказывается эллиптичность орбиты планеты, да и ночь то и дело на ней наступает, а то и погода меняется. Годовая инсоляция это учитывает, и поэтому в ней считать проще.

Итак, годовая инсоляция для Москвы, если мы бросим солнечную батарею (СБ) горизонтально на землю, составит 1’020 кВт*ч/м² при 100% КПД батареи. Если направим ту же батарею под фиксированным оптимальным углом к горизонту, чтобы максимизировать получаемую энергию за год, эта цифра составит 1’173 кВт*ч/м². Если станем следить за солнцем, ворочая батарею туда-сюда, то 1’514 кВт*ч/м². Для сравнения, в Сочи те же показатели будут такими: 1’365 / 1’571 / 2’129. То есть строить там с целью переслать потом энергию в Москву нет смысла: вся прибыль уйдет на потери при передаче.

Это наши исходные данные без учета КПД батареи, который на настоящий день оптимистично заявляется в 18-20%, а в будничной реальности ближе к 16% без учета фото-деградации со временем. Останемся оптимистами и для расчетов примем 18%.

К исходным данным надо добавить еще стоимость 1 ватта установленной мощности солнечной станции. Автор статьи, используя доказавшие надежность СБ китайского производителя, опробованные годами на гигаваттных индийских установках, достиг показателя 1,8 доллара за ватт (под ключ, с прямой синхронизацией с построенной им же системой 220/33/10кВ на 200 МВт). Но ходят упорные слухи, что, при использовании оборудования отдельных производителей, можно достичь и 1,0 доллара за ватт. Что ж, не будем проверять обоснования такого оптимизма, а просто примем это для наших расчетов. На всякий случай, чтобы никто не пытался выдвигать обвинения в предвзятом отношении к «зеленой энергетике». И последнее: за 2016 год Москва потребила 59’068 млн кВт*ч (только город; из «Отчета Мосэнерго, 2016»).

Усредняя годовую выработку квадратного метра батареи, установленного под фиксированным оптимальным углом в Москве, получаем 1’173 кВт*ч/м² / 8’760 ч = 0.134 кВт = 134 Ватт/м². При оптимистично-реальном КПД 18% наш итог – 0,18 х 134 = 24 ватт/м².

Эти результаты хорошо согласуются с коэффициентом использования установленной мощности (КИУМ) для солнечных батарей, уже действующих в разных странах – он варьируется от 30% для Австралии до 13% для северной Европы.

Общая площадь требуемой солнечной батареи: 59’068 000 000 / 1’173 / 0,18 = 279’757’506 м².1

Цифра кажется большой, но не надо её пугаться, это всего лишь 279,8 км, то есть что-то около 17 на 17 км. Когда мы стоим на земле, то на плоской открытой местности можем видеть невооруженным глазом на 5 км. Просто увеличьте эту дистанцию втрое, затем мысленно представьте квадрат с такой стороной, это и будет требуемая площадь СБ.

Таким образом цена вопроса перекрашивания Москвы в «зеленый» цвет составит:

279’757’506 м² х 24 Ватт/м² = 6’714’180’144 Ватт = 6’700 МВт ⇒

⇒ 6’700 МВт х $1.0 = 6’700 млн долларов = 6,7 млрд долларов

Это капитальные затраты. Сюда следует добавить операционные расходы по обслуживанию установки, пусть даже по очистке панелей. В противном случае когда пойдет снег, город окажется без электричества. Конечно, на очистку панелей всегда можно бросить строителей со всей Москвы, ведь света всё равно нет. Ну, а если тучки набегут или ночь случится? Нет, уж лучше запасти электроэнергию, пока светит солнце!

Только эффективно и недорого запасать её мы еще не научились. Строить ГАЭС (гидроаккумулирующие электростанции) требуемого объема в Москве негде (для примера, установленная мощность огромной Саяно-Шушенской ГЭС составляет 6’500 МВт). Использовать тепловой коллектор для нагрева воды можно, но у него КПД не более 20% и размерами он будет лишь немногим уступать СШГЭС.

Остаются аккумуляторы. КПД современных свинцово-кислотных аккумуляторов доходит до 80%, а у новых литиевых достигает 90%. Но здесь беда не с КПД, а со стоимостью. Оптовая цена свинцово-кислотных аккумуляторов составляет 0,1 доллар за Ватт*час, а литиевых – 0,3 доллара. Соответственно, на 1 Ватт солнечной батареи стоимостью 1 доллар, чтобы пережить только ночь длиной 8 часов, нужно потратить 0,8 доллара на свинцово-кислотные аккумуляторы или 2,4 доллара на литиевые.

Удельные характеристики их тоже не радуют. Лучшие литиевые аккумуляторы обеспечивают 200 Вт*ч на килограмм веса. У свинцово-кислотных всё значительно хуже. Таким образом, вес требуемой литиевой батареи составит: (6’700 х 10⁶ х 8) / 200 = 268’000 тонн. Для сравнения – Эйфелева башня весит 10’000 тонн.

Следует также помнить, что количество циклов заряд-разряд у этих типов аккумуляторов ограничено и составляет 1’000 циклов при потере около 20% исходной емкости. То есть через 3 года батарею придется менять на новую, а старую весом в 27 Эйфелевых башен придется утилизировать. И это нужно будет делать каждые 3 года – по меньшей мере, до появления более эффективных аккумуляторов.

Те, кто занимается их утилизацией – обычно это сами производители – утверждают, что до 80% материалов аккумуляторов обезвреживается и, в том или ином виде, возвращается в производство. Вопрос: куда деваются остальные 20%? Соли лития, тионил хлорид, диоксид серы и прочие крайне токсичные и тератогенные вещества, которыми битком набиты современные аккумуляторы. Если начать складировать каждые 3 года по пять Эйфелевых башен таких отходов, то в сравнении с ними шахтные терриконы покажутся экологичней ракушек на крымском пляже.

Но, в таком случае, может, не стоит использовать аккумуляторы, а вместо них отдавать электричество сразу в распределительную сеть по мере генерации, рассчитывая ночью и вечером на обычные электростанции? Так оно и делается там, где солнечная энергетика цветет в полную силу. К чему это приводит, рассмотрим чуть позже.

Москва и ветер

Энергия ветра относится к возобновляемым источникам энергии. Ветер дует везде и всегда, разве что с разной силой. Общие запасы его энергии в мире оцениваются в 170 трлн кВт*ч, что в восемь раз превышает мировое потребление электроэнергии на настоящий день. Теоретически всё электроснабжение в мире можно было бы обеспечить только за счёт энергии ветра.

Использовать энергию ветра стали давно – достаточно вспомнить ветряные мельницы и парусные суда. А в начале прошлого века стали строиться и ветроэлектростанции (ВЭС). Следует отметить, что одним из лидеров в этой области был СССР. В 1931 году в Крыму, около Балаклавы, была введена в эксплуатацию ВЭС, которая проработала до 1941 года. Во время боёв за Севастополь она была разрушена. Опорную конструкцию её ветродвигателя построили по проекту В. Г. Шухова. Ветроагрегат с ротором диаметром 30 м и генератором в 100 кВт являлся на тот период самым мощным в мире. В 1950-х годах в СССР производилось 9’000 ветроустановок в год.

Но ветер не всегда дует с достаточно силой, что особенно выражено на суше. Поэтому те, кто стремится развивать ветроэнергетику, лезут также в море, что обходится заметно дороже. И, невзирая на эти усилия, КИУМ таких комбинированных ветропарков всё же едва достигает 35%, а на суше он обычно около 20% – то есть попадает в тот же диапазон, что и в случае солнечной энергетики.

В «погоне за ветром» высота мачты всё время увеличивается, во многих случаях достигая сотни метров. Длина лопастей ротора тоже растет, как и номинальная мощность ветрогенераторов. На настоящий день 5 МВт для такого генератора считается средней величиной, и ведутся разработки машин вплоть до 20 МВт.

Чтобы утыкать землю вокруг Москвы ветроэлектростанциями, возьмем 5 МВт машину за основу. Сколько их может понадобиться? С учетом КИУМ, 6’700/5/0’2 = 6’700 машин.

Много это или мало?

Обычно высота таких ветрогенераторов вместе с лопастями составляет 160-180 метров. Будем скромны и примем 160 м. Следует понимать, что для максимальной плотности размещения ветропарка каждая машина должна отстоять от соседней на двойную дистанцию своей полной высоты (просто для того, чтобы при падении двух машин навстречу друг к другу они не разломали себя в труху). Имеются и другие, куда более специфические соображения, но их можно опустим в данном случае.

Итак, каждому ветрогенератору потребуется жизненное пространство 320 х 320 метров, т.е. 102’400 м². А всем 6’700 агрегатам понадобится 686 км², что значительно хуже того, что потребовала для себя гипотетическая СЭС выше. И что совсем замечательно, мы избавляемся от «проблемы аккумуляторов».

Осталось посчитать, во сколько это встанет.

Капитальные затраты на строительство материковых ВЭС составляют, по разным источникам, от 1’300 до 2’000 долларов за кВт установленной мощности. Принимая во внимание погоду в Москве – риск сильных ветров и морозов – агрегаты нуждаются в повышенной надёжности, а значит, разумней взять $2’000/кВт. Следовательно, стоимость нашего ветропарка составит $13 млрд 400 млн.

Получилось в два раза дороже, чем СЭС без аккумуляторов, но есть и другой минус. Обслуживание вращающихся машин также дороже в сравнении со стационарными статическими установками типа СЭС, где только смахивай пыль/снег с панелей да изредка меняй сгоревшие инверторы. Т.е. себестоимость производства электроэнергии ВЭС в реальности далека от нуля.

Европейский опыт показывает, что суммарные эксплуатационные издержки составляют примерно 1 евроцент на 1 кВт*ч (около 70 копеек на сегодняшний день) и эти деньги ложатся на плечи потребителей в той же мере, как и эксплуатационные издержки ГЭС, АЭС и ТЭС. Вот только последние при той же установленной мощности занимают площадь в тысячи раз меньшую (исключая водохранилища ГЭС). И затраты на выработку 1 кВт*ч на АЭС и ГЭС составляют единицы копеек. Только ТЭС приближается к еврозатратам на эксплуатацию ВЭС в силу дороговизны углеводородов.

Не обошли ВЭС и экологические проблемы. Многие европейские источники ссылаются на инфразвуковые колебания и вибрации, исходящие от работающих ветрогенераторов, отрицательно воздействующие на людей и животных. В районе ветропарков перестают селиться животные и птицы. Статистику по погибшим птицам, особенно перелетным, летящим на значительной высоте, найти непросто. Но недаром в Великобритании ветряки теперь зачастую называют “bird choppers”, что соответствует «мясорубке для птиц».

Еще одна проблема состоит в утилизации лопастей, исчерпавших свой ресурс. При том количестве ветрогенераторов, которые уже установлены, это серьезная проблема. Дело в том, что лопасти генераторов делаются из стеклопластика для облегчения нагрузки на подшипники машины. И в большинстве случае после того, как они отслужат свое, их сжигают, что порождает много высокотоксичных газов. При этом зольность сжигаемой массы составляет около 60% и образующаяся зола требует захоронения.

Подытожим:

1. Капитальные затраты на строительство СЭС без аккумуляторов составляют на настоящий момент не ниже $1’000/кВт установленной мощности;

2. Капитальные затраты на строительство СЭС с аккумуляторами составляют на настоящий момент не ниже $1’800/кВт со свинцово-кислотными аккумуляторами и не ниже $3’400/кВт – с литиевыми;

3. Проблема утилизации аккумуляторов в том масштабе, который потребуется, если они всё же найдут широкое применение в мощных СЭС, далека от решения;

4. Капитальные затраты на строительство ВЭС на территории РФ составляют на настоящий момент не ниже $2’000/кВт;

5. Эксплуатационные затраты ВЭС сравнимы с такими же у ТЭС и значительно выше, чем у ГЭС и АЭС;

6. Проблема воздействия ВЭС на людей и животных, а также проблема утилизации отдельных частей ВЭС пока далеки от решения;

7. Оба типа станций требуют масштабного отчуждения земель;

8. Оба типа станций генерируют электроэнергию когда могут, а не когда нужно.

В то же время:

1. Капитальные затраты на строительство АЭС составляют $2’000-4’000/кВт в зависимости от того, кто строит. Утилизация отработанного топлива давно проработана, а при вводе в работу новых БН реакторов появилась и возможность замкнуть цикл использования топлива;

2. Капитальные затраты на строительство газовой ТЭС составляют не более $1’200/кВт. Утилизация отработавшей своё станции не представляет проблем;

3. Капитальные затраты на строительство угольной ТЭС составляют не более $2’000/кВт. Утилизация отработавшей своё станции не представляет проблем;

4. Все три типа станций генерируют электроэнергию когда нужно и не требуют масштабного отчуждения земель;

5. Капитальные затраты на строительство ГЭС составляют $1’200-2’000/кВт в зависимости от рельефа местности. Этот тип станций тоже генерирует электроэнергию когда требуется, за исключением маловодных лет. Чаще всего требует масштабного отчуждения земель. Утилизация отработавшей своё станции требует массивной рекультивации земель.

Электроэнергетические качели

Сначала внимательно посмотрим на следующие два слайда, взятые из официальной презентации немецкой RWE.

Что мы здесь видим? А видим мы здесь большую проблему. С 2012 года эта проблема лишь выросла в размерах, окрепла и уже угрожает не просто энергосистеме, а существованию той промышленности Германии, которой кровь из носу требуется стабильность частоты и напряжения. Прежде всего это точное машиностроение и тяжелая промышленность с большой добавленной стоимостью, дающие работу значительной части населения и немалую часть ВВП страны.

Как признаётся в презентации от 2012 года, Германия может получать до 30% требуемой электроэнергии от ветра и солнца, но контроля за этой выработкой не имеет. К слову, на сегодняшний день страна в отдельные дни получает уже до 80% от солнца и ветра. Вот только эта выработка может как взмывать в небеса, так и падать камнем буквально за секунды (тучка набежала!).

Автор статьи, как человек, занимавшийся часть карьеры проблемами устойчивости энергосистем и разработкой новых типов релейной защиты и автоматики, видел и куда как более детальные осциллограммы, на которых выработка немецких ветропарков и солнечных полей в соответствующих погодных условиях менялась до 8 ГВт/сек в тяжелых случаях и в сотни раз чаще – около 2 ГВт/сек. Это при полной установленной мощности системы 50 ГВт и средней используемой 44 ГВт.

Но ведь это «бесплатная» энергия? Да. Это же хорошо? Нет.