Полученные к настоящему времени результаты, относящиеся к экономике использования энергии ветра энергосистемами, носят общий характер, являются предварительными и требуют более детальных исследований. Тем не менее, на основе выполненных исследований сделан ряд выводов, позволяющих в некоторой степени судить о роли, которую может играть энергия ветра для выработки электрической энергии.
Направление использования ветрогенераторов в энергосистемах, требующее наименьших затрат, состоит в том, чтобы подавать вырабатываемую электроэнергию непосредственно в сеть без применения аккумулирования или компенсирующей мощности, предназначенной специально для ветрогенераторов. При этом мощность других электростанций энергосистемы необходимо непрерывно регулировать, чтобы покрывать разницу между суммарной нагрузкой энергосистемы и мощностью, развиваемой ветрогенератором. Таким образом, при использовании ветрогенераторов, вероятно, требуется большее количество генерирующих установок, способных к быстрому изменению мощности за интервалы времени от нескольких минут до нескольких часов. Такими установками являются газовые и гидравлические установки или аккумулирующие устройства типа батарей. Большие паровые установки, мощность которых можно изменять только медленно, не могут легко обеспечить компенсацию колебаний мощности ВЭС. К тому же энергосистеме требуется большее количество пиковых установок для того, чтобы обеспечить резервную мощность для периодов времени, когда уменьшение скоростей ветра или энергетическое затишье совпадают с пиковыми нагрузками.
Наличие аккумулирования может облегчить диспетчерские проблемы, возникающие вследствие изменчивости скорости ветра. Однако аккумулирование и использование энергии ветра не являются так тесно связанными, как иногда полагают. Согласно перспективе развития энергосистем использование аккумулирующих установок является просто методом обеспечения пиковой мощности и, как таковые, они должны конкурировать с альтернативными пиковыми установками при любом способе их применения. Использование аккумулирующих устройств для каждой ВЭУ или даже группы ВЭУ мало вероятно, поскольку эти устройства очень дорогостоящие. Затраты энергосистемы на аккумулирование должны побуждать использовать его для различных функций, и аккумулирующие объекты следует размещать исходя из условий эксплуатации Энергосистемы в целом.
Сочетание аккумулирования и использования энергии ветра представляется целесообразным в ситуациях, когда для покрытия части базисной нагрузки широко применяется приплотинная гидроэлектростанция, которая путем увеличения количества гидроагрегатов может быть при умеренных затратах преобразована в пиковую электростанцию. В частности, отсюда логично предположить, что руководство гидроэлектростанций в западных штатах США, изыскивающее новые источники энергии для обеспечения растущего электропотребления, может найти в развитии ветроэнергетики привлекательную возможность решения проблемы.
Дополнительными факторами, стимулирующими такое решение, являются благоприятный налог и правила финансирования, регулирующие капитальные вложения, осуществляемые государственными органами управления энергетикой, которые стремятся сделать дорогие по капитальным вложениям ВЭС относительно менее дорогими для государства, чем для частных энергосистем.
Другим перспективным направлением использования энергии ветра является обеспечение энергией островов и удаленных населенных пунктов, расположенных в районах с интенсивными ветровыми режимами. В таких местах энергия часто обеспечивается дизельными и турбинными установками, сжигающими дорогостоящее топливо с низким КПД. Развитие ветроэнергетики является здесь наиболее конкурентоспособным, чем где-либо в другом месте, не только благодаря высокой стоимости энергии, вырабатываемой дизельными и турбинными установками, но и в связи с тем, что эти высокоманевренные установки обеспечивают идеальную компенсацию колебаний мощности ВЭС.
В качестве примера некоторых специфических результатов можно отметить результат исследования, выполненного фирмой GE. Использование модели планирования энергосистемы показало, что экономически оправданные удельные капитальные вложения при стоимости топлива и энергоустановок изменяются от 300 до 600 долларов/кВт в зависимости от района страны и ветровых режимов внутри района. Около половины удельных капитальных вложений может быть отнесено за счет экономии топлива, а остальное — за счет экономии капитальных вложений на тепловое оборудование при структуре генерирующих мощностей на уровне 90-х годов.
К 2010 г. при предполагаемой структуре генерирующих мощностей, при которой значительный удельный вес будут иметь дорогие по капитальным затратам ядерные электростанции, экономия, которая может быть получена за счет снижения мощности генерирующих установок, составит около двух третей общей ее величины. В результате 20%-ного увеличения стоимости электростанций и ежегодного увеличения стоимости угля и ядерного топлива на 2%, нефти -— на 5%, газа — на 15% получено значение экономически эффективных удельных капитальных вложений около 900 долларов/кВт для северо-восточных штатов США. Эти прогнозы обеспечивают более реалистичный взгляд на ценность использования энергии ветра в будущем.
Оценка стоимости изготовления и монтажа ветрогенераторов очень сильно зависит от исходных предположений о стоимости первой установки, эффективности их технических усовершенствований по мере накопления опыта, а также от объема производства. Максимальный предел эффективной (допустимой) стоимости ветрогенераторов составляет от 600 до 800 долл/кВт для сотой установки, если принята 90 %-ная кривая удешевления продукции, т. е. когда ее стоимость уменьшается на 10 % для каждого удвоенного объема производства.
Фирма GE представила на рассмотрение комиссии ERDA проект ВЭУ стоимостью 2200 долл/кВт ( для второй ВЭУ мощностью 2500 кВт. Приняв за базу эту величину, получим, что при 90%-ной кривой удешевления продукции стоимость снижается как раз до 900 долларов/кВт для сотой установки.
Всесторонний анализ затрат при использовании энергии ветра, связанных как с положительным, так и отрицательным влиянием на окружающую среду, в сравнении с влиянием альтернативных тепловых установок не был выполнен. Ясно, что загрязнение воздушной и водной среды будет уменьшено, если использовать ВЭУ вместо дополнительных тепловых электростанций, сжигающих топливо. В то же время в числе отрицательных воздействий на окружающую среду, связанных с использованием энергии ветра, известны только помехи телевидению, микроволновые помехи и «ухудшение» внешнего вида окружающей среды. Если выбирать месторасположение ветрогенератора с большим вниманием, то указанные две проблемы могут быть сведены к минимуму.
Можно предположить, что сравнительный анализ покажет, что с точки зрения факторов неэкономического характера использование энергии ветра является целесообразным.
Гидроаккумулирование энергии
С технологической точки зрения решающим фактором, ограничивающим широкое использование ветра и Солнца в качестве природных источников энергии, является трудность приспособления их изменяющейся мощности к изменениям энергетических потребностей. Мощная энергосистема с различными источниками энергии и может в некоторой степени упростить проблему, но в целом она может быть решена только путем применения каких-либо видов аккумулирования энергии. Различные способы аккумулирования еще только предлагаются, в то время как гидроаккумулирование применяется достаточно широко.
Изменения мощности ветрогенераторов могут быть компенсированы путем подъема воды с помощью насосов в аккумулирующий резервуар, расположенный выше ГЭС, в периоды избытка энергии и последующего использования воды с целью получения дополнительной энергии в сети в периоды ее дефицита. Как и в любой системе аккумулирования энергии, здесь имеются потери, связанные с процессом заряд-разряд, причем энергия заряда и разряда относятся примерно как 3 : 2 или 4 : 3.
Гидроаккумулирующие станции существуют много лет. Исследованиями выявлено около 700 участков (преимущественно новых) в штатах Аризона, Калифорния, Невада, Юта, Айдахо, Орегон, Вашингтон и на западе штата Монтана, имеющих благоприятные условия для строительства ГАЭС с потенциальной мощностью более 3000 ГВт. За немногим исключением, выбор участков был основан на камеральной обработке данных изысканий с учетом таких факторов, как топография, возможные размеры водохранилищ, наличие воды, длительность рабочего цикла (суточное, недельное или сезонное регулирование).
Хотя мощность существующего оборудования ГЭС кажется достаточной для ближайших 5 лет развития систем, прошлый опыт показывает, что после утверждения и выделения необходимых ассигнований потребуется по крайней мере 5 лет для того, чтобы привести мощность ГЭС в соответствие с требуемой.
ВЭС в сочетании с гидроаккумулированием энергии в отношении влияния на окружающую среду имеет очевидные преимущества перед ТЭС и АЭС. Не считая этого фактора, одного потребления невозобновляющихся энергетических ресурсов ТЭС достаточно для того, чтобы оправдать строительство ВЭС с ГАЭС.
Некоторое воздействие на окружающую среду, такое, как использование земли для сооружения ВЭС и ГАЭС, будет иметь место. При расстоянии между ветрогенераторами, входящими в состав ВЭС, равном десяти диаметрам ветроколеса, непосредственно опорные фермы занимают менее 1 % общей площади, что позволяет использовать остальную площадь для других нужд, например для сельского хозяйства. Эстетическое и шумовое воздействия существенны, только если ВЭУ размещены непосредственно в населенном пункте, что маловероятно.
Возможные телевизионные помехи от ВЭС могут быть ослаблены путем выполнения кабельной связи телевизионных приемных установок с удаленными антеннами. Не исключено, что места расположения ВЭС станут, скорее, достопримечательностью и зонами отдыха, чем зоной отрицательного влияния на ландшафт. Прежде чем ВЭС большой мощности будут созданы, должна быть выполнена тщательная оценка возможного воздействия развития ветроэнергетики на окружающую среду и социально-экономических аспектов такого развития.
