CC BY
18ВЕТРОЭНЕРГЕТИКА
WIND ENERGY
Статья поступила в редакцию 25.04.12. Ред. рег. № 1301 The article has entered in publishing office 25.04.12. Ed. reg. No. 1301
УДК 621.311.23/25.003.13
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ЗАДАЧИ ПО СОЗДАНИЮ МОРСКИХ ВЕТРОСОЛНЕЧНЫХ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ С ВОДОРОДНЫМ ЦИКЛОМ НА УКРАИНСКОМ ШЕЛЬФЕ
11 2 Ю.М. Запорожец , С.А. Кудря , В.С. Блинцов
'Институт возобновляемой энергетики НАНУ 02094 Украина, Киев, ул. Красногвардейская, д. 20А Тел./факс: +38-044-537-26-57, e-mail: [email protected] 2Национальный университет кораблестроения им. адм. С. О. Макарова 54025 Украина, Николаев, пр. Героев Сталинграда, д. 9 Тел./факс: +38-0512-43-11-74, e-mail: [email protected]
Заключение совета рецензентов: 10.05.12 Заключение совета экспертов: 15.05.12 Принято к публикации: 20.05.12
Темпы наращивания мощностей оффшорной ветроэнергетики в североевропейских странах вызвали тенденцию к ее продвижению из прибрежной мелководной зоны в открытое морское пространство на большие глубины, где интенсивность ветровых потоков существенно выше. Этим обстоятельством обусловливается необходимость изменения конструкций и технологий установки оснований ветротурбин, в том числе применения плавучих платформ.
Природные условия и промышленная инфраструктура Украины предоставляют основательные предпосылки для создания в своей шельфовой зоне на плавучих платформах ветросолнечных энергетических комплексов с использованием перспективной технологии преобразования энергии посредством водородного цикла. Для получения эффективных результатов на этом пути необходимо системное решение комплекса взаимосвязанных научно-технических задач, которые рассматриваются в данной статье.
Приводится системная классификация, обзор и краткая характеристика основных задач, делается вывод о наличии возможностей для их решения и целесообразности реализации масштабного проекта по созданию на шельфе Украины «аквапарка» плавучих энергетических платформ.
Ключевые слова: плавучая платформа, ветротурбина, генератор, электролиз, водород, задача, проект.
SCIENTIFIC AND TECHNICAL PROBLEMS IN CREATION OF MARINE WIND-SUN POWER COMPLEXES WITH THE HYDROGEN CYCLE ON THE UKRAINIAN SHELF
Yu.M. Zaporozhets1, S.A. Kudrya1, V.S. Blintsov2
'Institute of Renewable Energy, National Ukrainian Academy of Science 20А Krasnogvardejskaya str., Kyev, 02094, Ukraine Tel./fax: +38-044-537-26-57, e-mail: [email protected] 2Admiral Makarov National University of Shipbuilding 9 Geroev Stalingrada ave., Nikolaev, 54025, Ukraine Tel./fax: +38-0512-43-11-74, e-mail: [email protected]
Referred: 10.05.12 Expertise: 15.05.12 Accepted: 20.05.12
Rate of growth of offshore wind power capacities in Northern Europe countries have caused the tendency of their promotion from a coastal shallow zone to the open marine space on greater depths, where the wind streams intensity is more essential. This circumstance causes an indispensability to change the designs and installation technologies of the wind turbines foundation, including application of floating platforms.
Natural environment and industrial infrastructure provide for Ukraine the profound background for creation in the shelf zone on floating platforms the wind-sun power complexes using the perspective technology of energy transformation by means of hydrogen cycle. To obtain effective results on this way it is required to achieve systemic solution of a complex of interlocking scientific and technical problems which are considered in given article.
System classification, the survey and the brief characteristic of main tasks are given, and the conclusion is done about occurrence of possibilities for their decision and expedience of realization of large-scale project on creation of "aquapark" of floating power platforms on the shelf of Ukraine.
Keywords: floating platform, wind turbine, generator, electrolysis, hydrogen, task, project.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
Вступление
Масштабы и динамика развертывания оффшорных ветропарков в акваториях североевропейских стран в последние годы превзошли самые смелые прогнозы наращивания их мощностей на внутренних и прибрежных сухопутных территориях [1-3]. Если к 2000 г. установленная мощность всех оффшорных ветропарков этого региона составляла едва 200 МВт, то сегодня в европейских водах располагается 39 шельфовых электростанций, суммарная мощность которых достигает 2500 МВт [4, 5]. А в ближайшее десятилетие (к 2020 г.), по сообщениям European Wind Energy Association (EWEA), суммарная мощность оффшорных ветропарков должна вырасти в 17 раз - до 40 ГВт [5-7], что практически сравняется с мощностями всех действующих в Украине электростанций. Особенно преуспели в этом отношении Великобритания, Дания, Германия, Нидерланды, Норвегия, располагающие значительными (в совокупности порядка 400 тыс. кв. км) пространствами мелководного шельфа и создавшие эффективную индустрию массового (сотни штук в год) производства, монтажа и эксплуатации стационарных оффшорных ветроус-тановок мегаваттных мощностей [8-11].
Это обусловлено несомненным и доказанным превосходством ветроэнергетического потенциала на морском просторе и явным превышением выработки электрической энергии оффшорными ветроэнергетическими установками (ВЭУ) по сравнению с такими же по классу сухопутными агрегатами. При этом энергетическая эффективность оффшорных ВЭУ существенно возрастает по мере их удаления от береговой линии, несмотря на некоторое увеличение удельных капиталовложений, хотя это обстоятельство не является бесспорным и безусловным [12, 13].
Тем не менее, преобладающая в настоящее время конструктивная технология установки оффшорных ветрогенераторов путем жесткого закрепления одно-свайных (monopile) оснований к морскому дну встречает ограничения по технически допустимой и экономически целесообразной глубине их размещения (ориентировочно в пределах до 20 м), что, в свою очередь, сокращает возможную дальность вынесения ветроагрегатов в море [14, 15].
Поэтому при продвижении ВЭУ на большие глубины традиционные для мелководных акваторий массивные бетонные основания и односвайные конструкции неизбежно должны замещаться другими системами [12-15], варианты которых показаны на рис. 1 [8]. Но наиболее практичным является применение плавучих платформ, живучесть и экономичность которых в течение десятилетий успешно продемонстрирована тысячами развернутых на шельфах разных стран буровых вышек и платформ нефтегазодобывающей индустрии [12, 15]. Представляется естественным, что экономические показатели глубоководных ветротурбин (deepwater wind turbines) в первую очередь будут определяться дополнительной
стоимостью систем плавучести (floating structure) и передачи энергии в больших объемах, обеспеченных повышенным ветровым потенциалом, на более удаленные терминалы.
По крайней мере, стоимостной анализ энергетической модели, по оценкам [12], показывает, что если стоимость платформы не превысит 25% от общих капитальных затрат на такую систему, то окажется достижимой ценовая планка для отпускаемой электроэнергии в пределах до 0,05 $/кВт-ч.
Рис. 1. Установка оснований ВЭУ [8] Fig. 1. Installation the bases of WPP [8]
Однако в контексте данной работы обоснование жизнеспособности и перспективности концепции плавучих ветрогенераторных платформ представляется не столько в экономическом аспекте (ему будет уделено надлежащее внимание в последующих разработках), а прежде всего, в аспекте анализа и выявления путей решения тех научно-технических задач и конструкторско-технологических проблем, которые выдвигаются достаточно сложными условиями эксплуатации (в открытом море), а также предполагаемым размахом и форсированным темпом прорыва оффшорной ветроэнергетики в глубокие воды.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05-06 (109-110) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
Нарастающий интерес в этом направлении стимулируется, с одной стороны, непредвиденно возникшей оппозицией со стороны общественности стран, уже освоивших близлежащие акватории у побережий Северного и Балтийского морей, которая не желает разрушения их традиционного «идилли-стического» прибрежного ландшафта, а с другой стороны, стремлением целого ряда индустриально развитых государств, лишенных легкодоступного мелководного шельфа, приобщиться к многообещающим ветроэнергетическим ресурсам открытого морского пространства. Среди последних и южноевропейские страны (Испания, Италия, Греция), и Корея, Япония, Филиппины, а также США и ряд других [13, 15, 16].
Вместе с тем, идеология «плавучих энергетических островов» не ограничивается исключительно ветровым потенциалом - в южных морях (Израиль, ОАЭ) реализуют пилотные проекты плавающих солнечных фотоэлектрических станций (ФЭС) мощностями в несколько мегаватт [17], и даже интегрированных энергетических комплексов (solar islands) - на огромной платформе (диаметром в 5 км) предусматривается установить ВЭУ, ФЭС, гелиотермиче-скую (гелиоколлекторную с концентраторами) и волновую электростанции, а также задействовать тепловой потенциал океана (ОТЭС) и использовать все это «море» энергии для опреснения воды и получения водорода [18], что по идее аналогично разработке авторов, представленной в [19].
Однако не только фундаменты, плавучие основания и платформы «энергетических островов» при удалении в море на десятки километров требуют тщательной оценки технико-экономической целесообразности традиционных схем: передача энергии к потребителям по подводным кабелям в этом случае также превращается в серьезную проблему. Если учесть, что масса погонного метра подводного кабеля для передачи 100 МВт мощности составит более 50 кг, то для подсоединения к береговой сети оффшорной ветрофермы, размещенной в 40 км от берега, потребуется более 2000 тонн кабеля. Таким образом, стоимость кабельной линии (grid connection) мелководной ВЭУ может достигать 15% от общих затрат на ее сооружение [12, 20].
Поэтому одним из наиболее перспективных путей совместного использования солнечных и ветровых ресурсов открытого моря считается создание ветросолнечных энерготехнологических комплексов с водородным циклом [21-24]. Синтез позитивных факторов водородной энергетики с преимуществами плавучих энергетических платформ «на глубокой воде» (floating wind power in deepwater) сулит весомые «бонусы» лидерам конкурентного состязания с «мелководными ветрофермами» (shallow water wind farms) [13].
С какими возможностями к этому процессу может присоединиться Украина, делающая еще лишь на суше первые неуверенные шаги к «большой» возобновляе-
мой энергетике? Сумеет ли ускоренно освоить опыт маститых оффшорных «ветрофермеров» или изберет иной путь, отвечающий собственным потребностям?
Предпосылки к созданию ветросолнечных водородных «аквапарков» на украинском шельфе
Прежде всего, созрела настоятельная потребность - Украине нужен водород. Он крайне необходим для сокращения потребления дорогого природного газа, используемого в производстве продукции химической и металлургической промышленности, строительной индустрии и пр. Водород нужен не только в роли энергоносителя, но и в качестве непосредственного реагента (сырья) в синтезе аммиака, метанола и пр. Для этих нужд его расходуется в год более 10 млрд куб. м, получаемых за счет природного газа, который закупается в объеме до 6 млрд куб. м. К этому следует добавить 4 млрд куб. м на производство глинозема, 2 млрд куб. м - на цемент. Причем большая доля всего этого вывозится (например, глинозема - 100%), а в Украине нагромождаются пылящие шламоотвалы, горящие терриконы, гниющие отстойники [25, 26].
Ни строительство новых атомных энергоблоков с их неисчислимыми проблемами, ни разработка суперглубоководных скважин для добычи газа и нефти на шельфе, требующих колоссальных капитальных вложений, не в состоянии в обозримые сроки ситуацию изменить.
Мировой опыт развития энергетики свидетельствует, что достойной альтернативой решения энергетической проблемы является ускоренное развертывание соизмеримых с имеющимися потребностями мощностей энергоустановок в оффшорных зонах. Предварительный анализ показывает, что в Украине имеются достаточные предпосылки для воплощения масштабного проекта создания на шельфе Черного и Азовского морей своеобразных «аквапарков» морских ветросолнечных энергетических комплексов с водородным циклом, связанных с береговой инфраструктурой гибкими транспортными коммуникациями [27].
Природные условия. Общая площадь украинской части черноморского шельфа и мелководного Азовского моря, практически повсеместно пригодных для размещения плавучих энергетических платформ (ПЭП), превышает 70 тыс. кв. км, а энергетический потенциал скорости ветра и солнечного излучения в этих широтах в 1,5-2 раза превышает материковые показатели [26, 27].
Производственные мощности. В Украине имеются значительные не полностью загруженные и хорошо оснащенные производственные мощности судостроительных предприятий, многолетний опыт проектирования и отработанные технологии постройки и обслуживания морских буровых платформ, крупнотоннажных композитных (железобетонных) доков, плавучих электростанций, понтонов
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
и портовых сооружений, которые полностью отвечают задачам создания ПЭП. Машиностроительная отрасль способна обеспечить оснащение платформ необходимым энергетическим и технологическим оборудованием от мощных генераторов и насосно-компрессорных станций до вспомогательной арматуры и автоматизированных систем управления и контроля. В совокупности указанные факторы составляют вполне достаточную производственно-технологическую основу для полномасштабной реализации предлагаемого проекта, который по своей значимости вполне может претендовать на уровень национального.
Наряду с отмеченными обстоятельствами далее будет показано, что существует достаточно много возможностей не только частичного снижения требуемых затрат на установку и эксплуатацию оффшорных ВЭУ, но и достижения ряда конкурентных технико-экономических преимуществ за счет кардинального изменения базовой концепции (philosophy) освоения и использования морского природно-климатического арсенала возобновляемых энергетических ресурсов, каким наделена Украина. Для достижения эффективных результатов на этом пути необходимо системное решение комплекса взаимосвязанных научно-технических задач, которые, однако, не представляют фундаментальных проблем и поддаются разрешению на основе нынешних достижений отечественной науки и современных технологий с использованием передовых методов организации и управления масштабными (национальными) проектами.
Классификация научно-технических задач по созданию морских ветросолнечных энергетических комплексов с водородным циклом
Воплощение такого многогранного проекта, несомненно, требует систематизации научных и научно-технических задач, которые неизбежно встанут перед его разработчиками. Поэтому их следует классифицировать, руководствуясь целевой установкой проекта, которая, в терминах системного анализа, определится концепцией и набором главных функций и характеристических параметров в терминах «надсистемы» с последующей трансформацией в техническое задание на проектирование и создание новой энергосистемы.
Чтобы сделать обозримыми особенности и взаимосвязи этих задач и выработать рациональные подходы к их решению, целесообразно подразделить их на группы, отражающие частные характеристики и функциональные аспекты той или иной подсистемы, предназначенной для исполнения некоторых из основных функций надсистемы. Каждую из обозначенных задач в группе следует разложить на «факторы», которые по отношению к соответствующей подсистеме будут являться внешними (требователь-
ными) или внутренними (ограничительными). Первые определяют или задают некоторые качественные требования и количественные показатели подсистемы, вторые - накладывают ограничения или взаимозависимости на соотношения параметров подсистем.
Полученная таким образом системно-факторная матрица явится ориентиром, своего рода поисковым инструментом, который позволит найти и поставить в соответствие тому или иному фактору набор возможных материальных средств или организационно-технических мероприятий, призванных разрешить отображенную им задачу. Выбор конкретного варианта решения может быть осуществлен путем применения какой-либо оптимизационной процедуры или эвристически по совокупности неучтенных обстоятельств. Удобством такой методики являются гибкость и вариативность, служащие предпосылкой для построения параллельных схем исполнения отдельных стадий или этапов проекта.
Руководствуясь изложенным подходом, определим целевую установку проекта:
создание в акваториях украинской части шельфа Черного и Азовского морей ветросолнечных энергетических комплексов с водородным циклом на плавучих морских платформах, связанных с береговой промышленно-транспортной инфраструктурой надежными коммуникациями и обеспечивающих конкурентные экономические показатели использования производимой продукции в соответствующем секторе рынка энергообеспечения и технологического сырья.
Таким образом, главные функции «надсистемы» - морского плавучего ветросолнечного энергетического комплекса с водородным циклом (МПВСЭК-ВЦ) состоят в том, чтобы:
- обеспечивать регулярный режим преобразования энергии ветра и солнечного излучения в электрическую энергию в месте дислокации ПЭП;
- обеспечивать осуществление процесса электролиза воды, потребляемой из прилегающей к платформе акватории, получение водорода и его краткосрочное хранение до отправки на береговые приемные терминалы;
- обеспечивать плавучесть, непотопляемость, живучесть и управляемость платформы со всем оснащением и экипажем (вахтой) как в условиях штатных ветровых и волновых нагрузок, так и в любых критических ситуациях, вызванных действием внешних природных факторов;
- обеспечивать возможность выполнения операций по буксировке ПЭП, ее перестановок в пределах отведенной акватории, позиционирования относительно направлений природных энергетических потоков и удержания в месте дислокации;
- обеспечивать условия для осуществления по-грузочно-разгрузочных операций с емкостями для транспортировки водорода и прочими грузами, доставки расходуемых материалов и средств жизне-
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05-06 (109-110) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
обеспечения, швартовки судов транспортного и вспомогательного флота, а также проведения ре-монтно-профилактических работ.
Исполнение указанных функций осуществляют соответствующие им подсистемы ПЭП:
- несущая платформа (НП), которая является плавучим сооружением, подпадающим под признаки и отвечающим требованиям, установленным международными классификационными обществами [28];
- ветросолнечный энергетический комплекс (ВСЭК), включающий в себя ветроэлектрическую станцию (ВЭС) из нескольких ветроагрегатов, фотоэлектрическую станцию (ФЭС) из нескольких секций (блоков), подсоединенных к общей производственной электроэнергетической системе (ПЭЭС), электростанцию собственных нужд (ЭСН) с аккумуляторной секцией (АС);
- электролизно-водородный комплекс (ЭВК), включающий в себя комплектно поставляемые электролизные установки, количество которых предопределено заданной производительностью МПВСЭК-ВЦ по водороду, системы водоподготовки и приготовления электролита, продувки аппаратов, ресиверов и трубопроводов инертным газом (азотом), запасы которого хранятся на платформе в ресиверах азота, а также систему закачки водорода в транспортные емкости;
- комплекс якорно-швартовных, подруливающих и других механизмов (ЯШК), объединенных общим алгоритмом управления во взаимосвязи с системой управления режимами энергетического комплекса;
- причально-грузовой комплекс, включающий подъемные механизмы, лифты и другие необходимые механизмы, приспособления и оснастку.
Обзор основных научно-технических задач по созданию МПВСЭК-ВЦ
Теперь, рассматривая специфические особенности реализации функций каждой из обозначенных подсистем, можем обозначить наиболее существенные задачи, требующие приоритетного рассмотрения.
1. Естественно, что на первый план выдвигаются общепроектные задачи, связанные с определением основных размеров, водоизмещения и архитектуры МПВСЭК-ВЦ, обеспечением необходимой грузоподъемности и остойчивости ее НП с учетом массо-габаритных характеристик основного производственно-технологического оборудования и ограничений, накладываемых условиями его функционирования (в частности, минимально допустимое расстояние между ветроагрегатами, требования к расположению элементов ФЭС и пр.).
Особую важность для этой подсистемы составляют задачи обеспечения прочности композитных и сварных конструкций НП в условиях комбинированного воздействия ветроволновых и ледовых нагрузок на ее корпус, ветрового давления на ветро-колеса, колебаний башен ВЭУ и вибраций их фун-
даментов, особенно в диапазоне собственных частот, в сочетании с держащими свойствами якорных связей.
Решению этих и других задач должны предшествовать: формирование перечня режимов их функционирования в условиях нестационарности внешних воздействий и неопределенности собственных параметров; анализ особенностей эксплуатации в квазистационарных и динамических режимах МПВСЭК-ВЦ; разработка научно обоснованных методов проектирования НП и создание методик их макетирования и проведения бассейновых и натурных морских испытаний. Эта группа работ относится к теории и проектированию МПВСЭК-ВЦ как морского объекта, обеспечивает создание теоретического фундамента для разработки нового вида морской техники и должна охватывать все основные теоретические вопросы ее создания - от уравнений существования до уточнений правил классификации и постройки. Украинское судостроение имеет успешный опыт комплексного подхода к созданию универсальных транспортных судов и средств океа-нотехники [29], что позволяет надеяться на успешное решение и рассматриваемой задачи создания ветросолнечных энергетических комплексов с водородным циклом, размещенных на плавучих морских платформах.
Другим важным направлением работ в области создания МПВСЭК-ВЦ является создание научных основ их производства на украинских верфях - разработка новых научно обоснованных технологий строительства НП (в том числе - из композитных материалов), сборки и монтажа уникального силового энергетического оборудования, создание современных методов управления проектами строительства наукоемких объектов морской энергетики (Project Management). В этом направлении украинская судостроительная наука также имеет существенные заделы, которые образуют прочный научный и производственный фундамент для серийного строительства МПВСЭК-ВЦ в Украине [30, 31].
2. Следующая группа задач, примыкающая к рассмотренной выше, связана с управлением плавучей энергетической платформой как морским подвижным объектом в основных режимах: буксировки (или самостоятельного движения), позиционирования в заданной точке морской акватории и адаптации к потокам природных энергоносителей (эволюции за солнечным меридианом и розой ветров).
Синтез системы автоматического управления выполняется по критерию максимальной энергетической эффективности ВЭС и ФЭС. Исполнительными механизмами при этом являются: приводы ЯШК; приводы балластных насосов и подруливающих устройств; приводы поворота батарей фотоэлементов и ветряков.
Предварительный анализ показывает, что управление пространственным положением НП морского комплекса является нетривиальной задачей, техни-
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
ческая реализация которой требует разработки концепции автоматического управления в условиях неопределенности с последующим синтезом адаптивных регуляторов [32]. Опыт авторов в разработке и практическом применении систем адаптивного управления другими морскими объектами (судами, подводными аппаратами) свидетельствует о перспективности автоматизации управления пространственным положением НП и МПВСЭК-ВЦ в целом на основе применения элементов искусственного интеллекта [33].
3. По-видимому, наиболее вариативной группой научно-технических задач в рассматриваемой постановке является оптимизация характеристик энергетического комплекса в смысле достижения максимальной энерговооруженности ПЭП (удельной мощности на единицу площади платформы, единицу водоизмещения и капитальных затрат), которые можно подразделить на два направления:
- компоновочные процедуры, заключающиеся в том, чтобы в заданных рамках массогабаритных показателей подобрать и разместить на площадках несущей платформы возможно большие установленные мощности ВЭС, ФЭС, ЭВК с учетом налагаемых ограничений на компоновочные конфигурации (topology), используя предлагаемые рынком установки, системы и оборудование доступного ценового диапазона;
- разработка и адаптация к условиям эксплуатации на ПЭП альтернативных конструкций, схем и технологий генерации энергии возобновляемых источников, которые способны существенно снизить удельные капитальные затраты (на единицу установленной мощности) или повысить их производительность (коэффициент использования).
Если на первом направлении практически не предполагается существенных новаций, для получения конечного результата (оптимальной или, по крайней мере, удовлетворительной комплектации) требуется лишь использование существующих методик проектирования и приемов конструирования, то во втором случае поисковое (эвристическое) содержание задач гораздо значительнее. Для получения заслуживающего внимания результата по второму направлению неизбежно возникает необходимость разработки математических и физических моделей, макетирования, испытаний опытных образцов-прототипов изделий (конструкций) и обоснований ожидаемой эффективности, не говоря уже о достаточно обременительных процедурах легализации. Безусловно, издержки такого подхода более существенны, однако и эффект может принести несравненно более весомые плоды.
Следуя этим путем, многие разработчики настойчиво ищут альтернативу традиционным крыль-чатым ветрякам с горизонтальной осью вращения (и гондолой на верху башни - HAWT), стремясь ослабить негативное воздействие асимметрии и высокого подъема центра тяжести агрегата и оси приложения
сил ветрового давления на основания ветроустано-вок, что особенно пагубно в условиях плавучей платформы, так как эти факторы способствуют усилению качки, вибрации и снижению прочности креплений фундаментов ВЭУ к палубе платформы. Естественно, что с этих позиций как перспективные рассматриваются ветроустановки с вертикальной осью вращения ротора (VAWT), возможностью применения которых в широком масштабе до недавнего времени пренебрегали, полагая их менее эффективными по сравнению с HAWT. Однако на сегодняшний день окончательно подтверждено, что роторы Дарье (прежде всего, их разновидность Н-роторы Дарье) могут обеспечить значение коэффициента использования энергии ветра не меньше, чем горизонтально-осевые ВЭУ, так что их доля в общем составе парка ветряков неуклонно возрастает, достигнув в сегменте малых и средних мощностей 30% [34, 35]. Являясь более технологичными, VAWT-установки приобретают все большую популярность, и не случайно во Франции, например, начато сооружение пилотной плавучей ветротурбины с Н-ротором Дарье мощностью 2 МВт (см. рис. 2) [36, 37] и последующим доведением мощности ветро-парка до 25 МВт.
Рис. 2. 2MW морской прототип, погруженный в воду на 85 м на французском средиземноморском побережье Рис. 2. 2MW offshore prototype in 85 mf water in the French Mediterranean
В Дании стартовал проект «DeepWind» по созданию пяти, а в дальнейшем и двадцати мегаваттных вертикально-осевых ветротурбин, которые будут базироваться на плавучей поворотной платформе с механической передачей момента на генератор подводного расположения [14, 38].
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05-06 (109-110) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
4. Последнее обстоятельство представляется особенно перспективным, т.к. применительно к рассмотренной нами схеме компоновки ПЭП [19] существует возможность размещения генераторов ВЭУ в трюмах несущей платформы. При этом вертикальное перераспределение инерционных масс, существенно влияющих на остойчивость платформы, окажет стабилизирующее воздействие на поведение системы «платформа - ветротурбина», т.к. масса генератора, перенесенная ниже ватерлинии, выступит в роли балласта, сглаживающего колебания вертикального вала ротора от действия ветровой нагрузки. Однако динамика и условия прочности и устойчивости такой системы не исследованы и представляет одну из актуальных задач в процессе разработки проекта ПЭП.
Следует отметить, что и сама теория работы вертикально-осевых турбин далека от того, чтобы ее можно было таковою назвать. Собственно, по этой причине и господствовало упрощенное представление о вертикальных лопастях как о банальной доске или парусе, воспринимающем лишь лобовое давление ветрового потока, несопоставимого по эффективности использования его энергии с аэродинамическим профилем крыльчатых ветроколес [34]. На самом деле примененные в роторах Дарье вертикальные или скошенные лопасти с «обдутыми» в аэродинамических трубах профилями работают по тем же законам газодинамики, что и на горизонтальной оси. Фактически исследование возможностей использования для усовершенствования ветротурбин различных пространственных конфигураций и профилей лопастей далеко не завершены и еще могут дать новые полезные результаты.
5. Перенос генератора на нижний уровень платформы с учетом его основного функционального предназначения - подачи постоянного тока на электролизеры - открывает возможность принципиального пересмотра всей схемы ПЭП в сторону радикального упрощения.
Во-первых, вместо синхронных или асинхронных генераторов переменного тока с их проблемами реактивной мощности, перевозбуждения-недовозбуж-дения и стабилизации частоты тока можно применить генератор постоянного тока. При этом отпадает необходимость в каком-либо регулировании частоты вращения ротора, а также обеспечении качества электроэнергии (искажение синусоидальности, несимметрия фаз и др.), что составляет одну из наиболее сложных проблем в работе традиционных систем ВЭУ на сеть, исключаются дорогостоящие полупроводниковые преобразователи - выпрямители, инверторы, стабилизаторы и пр. Это, безусловно, снизит уровень стоимости энергетического комплекса и упростит его обслуживание.
Во-вторых, в качестве генератора в нашей схеме можно применить униполярную машину, природой предназначенную для генерации сильных токов при небольших напряжениях, что как нельзя естественнее подходит для питания электролизеров [39, 40].
Поскольку конструктивное устройство униполярных машин несравненно проще любых иных и не требует применения дорогостоящих материалов (обмоточной меди, электротехнической стали) и сложных технологических операций по намотке якоря и сборке шихтованных сердечников, их стоимость даже при малосерийном производстве окажется значительно ниже, чем традиционных электрических машин, к тому же морского климатического исполнения. Разработку такой возможности, на наш взгляд, следует поставить в разряд первоочередных научно-технических задач проекта.
Эти же обстоятельства (работа ПЭЭС на постоянном токе) существенно упрощают и задачу интеграции в энергетический комплекс солнечной электростанции как в виде фотоэлектрических секций, так и в виде гелиотермических блоков [41, 42].
6. Электролизно-водородный комплекс представляется, пожалуй, самым сложным объектом с точки зрения возможностей улучшения его технико-экономической эффективности в составе рассматриваемой системы. Главным барьером в этом плане является соотношение удельных затрат электрической энергии, имеющих физически обусловленный нижний предел, и ее стоимостной оценки через интегральный показатель окупаемости капитальных вложений (инвестиций).
Тем не менее, руководствуясь данными [43, 44], можно заключить, что для наиболее эффективных из предлагаемых на рынке щелочных электролизных установок класса производительности порядка 500 нм3(Н2)/ч (42 кг/ч) с удельным расходом энергии на уровне 4,0 кВт-ч/нм3 Н2, современная стоимость которых (2009 г.) оценивается в 850 $/кВт установленной мощности, удельные капитальные затраты на единицу производительности по водороду составят 3400 $, а капиталоемкость установки (фактически ее полная цена) - 1,7 млн $.
Полагая, что себестоимость 1 кВт-ч электроэнергии, выработанной на ПЭП, не превысит величину 0,05 $/кВт-ч, приведенную в начале статьи (тем более что из нее исключены затраты на прокладку подводного кабеля ориентировочно в объеме 15% от сметы), получим энергетическую составляющую себестоимости водорода на уровне 0,2 $/нм3. Так как, согласно [44], для установок выбранного класса производительности соотношение между операционными (на электроэнергию) и инвестиционными (капитальными) расходами составляет примерно 70:30%, можно оценить полную себестоимость водорода в указанных условиях величиной 0,285 $/нм3.
Заложенная в нее составляющая 0,085 $/нм3 обеспечивает возвратность капитальных вложений в сумме 3400 $ за 40000 часов работы электролизера; считая в году с учетом необходимых перерывов и простоев 7000 продуктивных часов (при круглосуточной работе), определим срок его окупаемости в 5,5 лет.
Добавив к указанной сумме 5% для покрытия затрат на транспортировку водорода до береговых
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
терминалов и НДС, получим отпускную цену водорода 0,35 $/нм3.
Если теперь сопоставить затраты на получение 1 т аммиака из чистого водорода и природного газа [45, 46] по его нынешней цене, то получим:
по водороду: 2000 нм3 х 0,35 $/нм3 = 700 $;
по природному газу: 1000 нм3 х 0,41 $/нм3 = 410 $.
Как видно, величины оказываются сопоставимыми. Учитывая тенденцию к снижению стоимости электролизеров до уровня 600 и даже 400 $/кВт установленной мощности [44], можно рассчитывать на достижение водородом в ближайшие 2-3 года вполне конкурентных позиций в этом секторе.
Из приведенного анализа следует, что главными задачами по улучшению технико-экономической эффективности электролизного блока являются:
- всемерное снижение удельных затрат электроэнергии на получение 1 нм3 водорода;
- снижение стоимости электролизного оборудования;
- снижение удельных затрат на выработку электроэнергии на ПЭП.
По первому направлению, оставаясь в рамках апробированных технологий, можно надеяться на приближение к минимальному технически достижимому, а фактически - предельному значению удельных энергозатрат в 3,0 кВт-ч/нм3 [47]. В этом случае удастся снизить отпускную цену водорода на 20%. По второму направлению за счет снижения стоимости электролизного оборудования можно рассчитывать еще на 20%-е уменьшение цены. Наконец снижение себестоимости электроэнергии на ПЭП хотя бы на 0,01 $ даст не менее 25% удешевления конечного продукта.
В целом в результате осуществления указанных мероприятий представляется достижимой отпускная цена водорода на уровне до 0,15 $/нм3, и тогда в производстве аммиака замещение водородом природного газа в соотношении 300 $ против 410 $ на 1 т МН3 уже ни у кого не вызовет сомнений в целесообразности развития технологий преобразования энергии возобновляемых источников, в первую очередь, ветровой и солнечной, в товарный водород.
Выводы
Природно-климатические условия и существующая промышленная инфраструктура обеспечивают Украине возможности для развертывания на своем шельфе широкомасштабной сети ветросолнечных энергетических комплексов на плавучих платформах с использованием перспективной технологии преобразования энергии посредством водородного цикла. Достижение конкурентных экономических показателей использования производимого на таких платформах водорода взамен природного газа в качестве технологического сырья для ряда отраслей промыш-
ленности, а также эффективного энергоносителя требует системного решения комплекса взаимосвязанных научно-технических задач, наиболее существенные из которых рассмотрены в данной статье.
Приведенная системная классификация, обзор и краткая характеристика этих задач дали основания для сравнительной оценки актуальных ценовых параметров водорода и природного газа как товарных продуктов в соответствующем секторе рынка технологического сырья. Полученные данные свидетельствуют о приближении товарной цены водорода в условиях нынешней конъюнктуры к уровню безубыточности. Вместе с тем тенденции, обусловленные достигнутыми в решении рассмотренных научно-технических задач результатами, с полным основанием позволяют утверждать, что водород как товар в конкурентном состязании с природным газом во всех своих ипостасях выходит на финишную прямую и неизбежно займет призовое место. Поэтому в Украине уже сейчас целесообразно приступить к осуществлению мероприятий по разработке и реализации полноценного национального проекта по внедрению в экономику страны водородно-энергетиче-ских технологий на базе возобновляемых энергетических и природных ресурсов своего шельфа.
Список литературы
1. The UK is the world's largest offshore wind energy nation / http://www.stat-kraft.com/ presscentre/ news/the-uk-is-the-worlds-largest-offshore-wind-energy -nati-on.aspx.
2. Alpha ventus achieves positive interim results -offshore power yield higher than expected / http:// www.alpha-ventus.de/index.php?id=80.
3. Оффшорные ветряные электростанции: обзор / http://www.renewable.com.ua/wind-еnergy/40-offshornye-vetrjanye-elektrostantsii-obzor.html.
4. Милова Л. Ветроэнергетика в Европе: ветро-парки // http://webcache.googleuser
content.com/search?q=cache:Q4OwaC6NXQ4J:c-o-k.ru/showtext/%3Fid%3D2837+%D 1%80%D 0%B0% D0%B7%D0%BC%D0%B5%D1%80%D1%8B+%D0 %B2%D0%B5%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BF %D0%B0%D1%80%D0%BA%D0%B0+Thanet&hl=ru &gl=ua&strip=1.
5. Huge renewable energy growth this decade, if EU countries meet projections / http://www. europeanenergyreview.eu/site/pagina.php?id=3390.
6. Germany to install 10 000MW of offshore wind capacity by 2020 / http://www. google.com.ua/ url?sa=t&rct=j&q=www.alpha-ventus.de%2Findex. php%3Fid%3D80&source=web &cd=6&sqi=2&ved= 0CE0QFjAF&url=http%3A%2F%2F85.254.195.140%2 Findex2.php%3Fdo_rtf%3D1%26id%3D554&ei=wfJJT 7-pA4_oOdf-wof4N&usg=AFQj CNFL9twRVPVPjE wt J_zMP96 uPuWfMQ&cad=rj a.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05-06 (109-110) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
7. U.K. Switches on World's Biggest Offshore Wind Farm / http://spectrum.ieee.org/energy wise/green-tech/ wind/uk-switches-on-worlds-biggest-offshore-wind-farm.
8. Foundations for the first six alpha ventus wind turbines laid / http://www. alpha-ventus.
de/index.php?id=80.
9. The largest crane vessel in the world is busy at alpha ventus: "Thialf" is placing the foundations for the REpower turbines / http://www.alpha-ventus.de/index. php?id=80.
10. Remco de Jong. The challenges of a Belgian offshore wind park 'Water is the driver, not wind' // European Energy Review. July/August 2008. P. 62-63.
11. Chris Rose. A question of supply // Wind directions. November 2010. Vol. 29, № 5. P. 21-24.
12. Butterfield S. Engineering challenges for floating offshore wind turbines / S. Butter-field, W. Musial, J. Jonkman, P. Sclavounos. A national laboratory of the U.S. Department of Energy // Conference Paper NREL/CP-500-38776. 2007, September. Режим доступа: / http://www.nrel.gov/docs/fy07osti/38776.pdf.
13. Ey stein Borgen. Floating wind power in deep water - competitive with shallow water wind farms // Modern Energy Review. 2009. Vol. 2, Iss. 1. P. 49-53.
14. Future Wind Turbines go Offshore - Deep and Floating (Denmark) / htpp: //www.offshorewind.biz/ 2010/11/11/future-wind-turbines-go-offshore-%E2%80%93-deep-and-floating-denmark/.
15. США. Ветроэлектростанции - энергия ветра (часть 2). Ветроэлектростанции для использования ветровой энергии на расстоянии от берега и в глубинных водах / http:// www.immigrantclub.net/wind_ power.php.
16. Olfel Dega. В Японии, поблизости от АЭС Фукусима-1, будут построены плавучие ветроэлектростанции // http://zaryad.com/2011/10/12/12-10-v-ya-ponii-poblizosti-ot-aes-fukusi-ma-1-budut-postroenyi-plavuchie-vetroelektrostantsii.
17. Попов Л. Израильтяне начали испытания плавающих солнечных электростанций // http://www. membrana.ru/particle/15800.
18. Солнечный остров - плавучая электростанция / http://zep-electro.ua-prom.net/ a60003-solnechnyj-ostrov-plavuchaya.html.
19. Блшцов В.С., Запорожець Ю.М., Бурунша Ж.Ю. Попередня оцшка основних характеристик морсько! водньодобувно! платформи (архгтектурно-компонувальш й конст-руктивш особливосп морсь-ких водньодобувних платформ) // Збiрник наукових праць НУК. - Микола!в: НУК, 2011. № 5. С. 51-56.
20. First foundation installed at Sheringham Shoal / http://www.statkraft.com/press-centre/news/2009/first-foundation-installed.aspx.
21. Неисчерпаемая энергия. Кн. 4. Ветроводород-ная енергетика / В.И. Кривцова, А.М. Олейников, А.И. Яковлев. Харьков: Нац. Аэрокосмич. ун-т, Харьк. Авиац. ин-т", 2007.
22. Енергоефектившсть та вщновлюваш джерела енергп / Пвд заг. ред. А.К.Шидловського. К.: Украшсьш енциклопедичш знання, 2007.
23. Прохоров И.Ю., Акимов Г.Я. Фотоэнергетика и водородная энергетика: возможности и достижения // Наука та шновацп. 2009. Т. 5, № 6. С. 11-24.
24. Андреев В.М., Забродский А.Г., Когновицкий С.О. Интегрированная солнечно-ветровая энергетическая установка с накопителем энергии на основе водородного цикла // Альтернативная энергетика и экология - ISJAEE. 2007. № 2. С. 99-105.
25. Розмщення продуктивних сил / Щд ред. В.В. Ковалевського, О. Л. Михайлюк, В.Ф. Семенова. К.: «Знання», 1998. С. 147.
26. Запорожец Ю.М., Кудря С.А. Ветросолнеч-ные энергетические комплексы с водо-родным циклом // Альтернативная энергетика и экология -ISJAEE. 2011. № 4. С. 66-75.
27. Запорожець Ю.М., Кудря С.О., Щошн А.Р. Створення впросонячних енергетичних комплекав з водневим циклом на морських платформах - ефек-тивний шлях використання вщновлюваних ресурав шельфу // Вщновлювана енергетика. 2011. № 4.
28. Репстр судноплавства Украши. Правила класифжацп та побудови морських суден. У 4-х томах. Кшв, 2003.
29. Створення ушверсальних транспортних суден i засобiв океанотехшки: Монографiя / С.С. Рижков, В.С. Блшцов, Г.В. Егоров, Ю.Д. Жуков, В.Ф. Квас-ницький, К.В. Кошшн, 1.В. Крiвцун, В.О. Некрасов, В.В. Севрюков, Ю.В. Солонiченко; за ред. С.С. Риж-кова. Микола1в: Видавниц. НУК, 2011.
30. Проектирование, технология и организация строительства композитных плавучих доков / [А.С. Рашковский и др.]; под наук. ред. А.С. Рашковского: Монография. Николаев: НУК: РАЛ-полиграфия, 2008.
31. Механизмы управления проектами и программами регионального и отраслевого развития: Монография / В.Н. Бурков, В.С. Блинцов, А.М. Воз-ный, К.В. Кошкин, К.М. Михайлов, Ю.Н. Харитонов, С.К. Чернов, А.Н. Шамрай. Николаев: Видав-ництво Торубари О.С., 2010.
32. Блинцов В.С., Фан Ван. Особенности построения интегрированной системы контроля и управления морскими подвижными объектами // Сб. научных работ УДМТУ. Николаев: УДМТУ, 2001. № 6 (378). С. 161-166.
33. Гостев В.И. Нечеткие регуляторы в системах автоматического управления. К.: «Радиоаматор», 2008.
34. Дзензерский В.А., Тарасов С.В., Костюков И.Ю. Ветроустановки малой мощности. К.: Наук. Думка, 2011.
35. EcoVert™ 300: Next generation of wind power / http://www.inerjy.com/products/ ecovert300.html.
36. Darius Snieckus. Deep-water vertical-axis wind turbine gets last dry run / http://www.recharge news. com/business area/innovation/article296513.ece.
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 05-06 (109-110) 2012
© Scientific Technical Centre «TATA», 2012
37. Ферма плавучих генераторов / http:// ecoenergy.org.ua/vetrogeneratoryi/fermaplavu-chix-vetrogeneratorov.html.
38. DeepWind / http://www.risoe.dtu.dk/ Research/sustainable_energy/wind_energy/project-s/VEA_DeepWind.aspx?sc_lang=en.
39. Суханов Л.А., Сафиуллина Р.Х., Бобков Ю.А. Электрические униполярные машины / Под ред. Л.А. Суханова. М.: ВНИИЭМ, 1964.
40. Патент РФ 2396678, МПК H02K31/04, H02K21/36. Униполярная машина с цилиндрическим ротором без скользящих контактов / Ефимов М.Ф., Пичугин Ю.П., Захаров В.Г., Столяров Н.А. Заявл. 28.04.2009 // Опубл. 10.08.2010.
41. Vinogradova Е. Плавающие солнечные батареи / http://biznes-week.ru/823-plavayu-schie-solnechnye-batarei.html.
42. Попов Л. Плавающий остров обратит в топливо солнечные лучи / http: //www. membrana.ru/ particle/3227.
43. Марченко О.В., Соломин С.В. Анализ эффективности производства водорода с применением ветроэнергетических установок и его использования в автономной энергосистеме // Альтернативная энергетика и экология. ISJAEE. 2007. № 3. С. 112-118.
44. Genevieve Saur. Wind-to-hydrogen project: electrolyzer capital cost study // Technical Report NREL/TP-550-44103. - National Renewable Energy Laboratory. Golden, - Colorado, USA. - 2008, December. - 48 РР // Режим доступу: http://www.nrel.gov/hydrogen/pdfs/44103 .pdf.
45. Коровин Н.В. Электрохимическая энергетика. М.: Энергоатомиздат. 1991.
46. Современные технологии производства аммиака / http://www.newchemistry.ru/letter.php?n_id =4156.
47. Водород. Свойства, получение, хранение, транспортирование, применение: Справ. изд. / Д.Ю. Гамбург, В.П. Семенов, Н.Ф. Дубовкин, Л.Н. Смирнова; Под ред. Д.Ю. Гамбурга, Н.Ф. Дубовкина. М.: Химия, 1989.
Международный научный журнал «Альтернативная энергетика и экология» № 05-06 (109-110) 2012 © Научно-технический центр «TATA», 2012
