про ветроэнергетику
Ветроэнергетика и границы возможного
Александр Березин
Исследование под общим руководством Кэйт Марвел из Ливерморской национальной лаборатории (США) попыталось обозначить границы возможного для эоловой энергетики, причём не экономические или технические, а геофизические.
Цифры получились оптимистичными, хотя обращение с ними требует некоторой осторожности.
Ветровые электростанции имеют несколько теоретических ограничений, до недавнего времени формулировавшихся лишь качественно и не просчитывавшихся количественно. Американские учёные попробовали восполнить этот пробел и ответить на ряд вопросов, которые в связи с десятикратным ростом ветроэнергетики в последние десять лет (с 23,9 до 238,4 ГВт установленной мощности за 2001-2011 годы) приобрели вполне актуальное звучание.
Первое и самое главное: какова мощность, потенциально посильная для ветроэнергетики? Согласно проведённому моделированию, если ограничиваться только ветрами, дующими у поверхности Земли (как водной, так и сухопутной), суммарная мощность может составить не менее 428000 ГВт, в то время как общемировая установленная мощность энергетики сегодня не достигает и 5 000 ГВт. При превышении 428000 ГВт влияние ветряков на скорость ветра будет таково, что вероятным станет её снижение до величин значительно ниже существующих, хотя, как отмечают авторы, действительный масштаб такого влияния сейчас определить сложно из-за слабой исследованности проблемы.
Рисунок 1. За последние десять лет мощность ВЭС выросла в десять раз. Но конкуренты не дремлют: гелиоЭС сделали то же самое за пятилетку. Каковы границы возможного для эолового сектора? (Иллюстрация Global Wind Statistics.).\
Но это ещё не всё: при использовании всех ветров, в том числе высотных (до 16 км), суммарная мощность эоловых турбин может увеличиться до 1600000 ГВт, что настолько больше нынешних цифр всеобщей энергетики, что вопрос об исчерпаемости энергии ветра пока даже рано ставить. Оптимистично? Да. Сейчас ветер «даёт» не более 430 млрд кВт•ч в год, то есть только при использовании приземных ресурсов у эоловой энергетики есть физическая возможность для тысячекратного наращивания выработки.
А теперь перейдём к не столь оптимистичным сторонам исследования. При эксплуатации только приземной ветроэнергетики (именно так дела обстоят сегодня) турбины не просто замедляют ветер, но и глобально утепляют климат - правда, по словам авторов, незначительно. Технические причины эффекта понятны: кинетическая энергия ветра преобразуется в электрическую не полностью, что-то уходит на разогрев подвижных частей ветряков. Кроме того, снижение общемировой скорости ветра ведёт к ухудшению перемешивания воздуха из тропосферы с более высокими атмосферными слоями, что также способствует росту глобальной наземной температуры.
С этим можно бороться: как показало моделирование, использование энергии ветров, дующих в атмосфере на значительных высотах, может снизить скорости воздушных потоков, господствующих в верхних слоях тропосферы и препятствующих интенсивному перемешиванию тёплого тропосферного воздуха с более холодными внешними слоями. Интенсивная эксплуатация в ветроэнергетических целях высотных районов способна даже слегка охладить поверхность планеты. Впрочем, как и нагрев от приземной ветрогенерации, охлаждение не превысит, по расчётам, 0,1 ˚С. Возможны и вариации в уровне осадков, однако не более 1% от их общего показателя.
Рисунок 2. Самые перспективные области извлечения энергии из ветра, согласно исследованию, лежат между 8 и 16 км высоты. (Иллюстрация Kate Marvel et al.)
Но есть и проблема: чтобы достичь такого положения вещей, требуется равномерная эксплуатация энергии ветров по всей планете. Однако ВЭС строят в основном в районах со скоростью ветра, превышающей 7-8 м/с, и практически не возводят там, где эти цифры ниже. Кроме того, сейчас эксплуатация ветроресурсов над сушей происходит намного интенсивнее, чем над морем. Если тенденция не будет переломлена, изменения в уровне локальной среднегодовой температуры и осадков в отдельных местах могут превышать 0,1 ˚С и 1% осадков, причём существенно. Тем не менее учёные полагают, что влияние на окружающую среду в глобальном плане в данном случае не будет значительным…
Интересно, что работа напрямую не критикует методы других исследователей, в 2011 году показавших, что даже извлечение эоловой энергетикой из атмосферы Земли при помощи привязных аэростатных ветряков мощности в 1 000 ГВт приведёт к падению температуры в высоких широтах на 2 ˚С и нагреву экваториальных зон на 0,5 ˚С в силу замедления ветрового переноса тёплых масс воздуха с экватора в высокие широты.
Подготовлено по материалам Nature Climate Change.
http://science.compulenta.ru/706692/
Ветровая энергетика требует тщательного планирования
Александр Березин
Недавно мы рассказывали об ограничениях, налагаемых геофизическими факторами на мощность ветровой энергетики. А теперь поведаем о том, какую часть этого огромного потенциала можно извлечь при помощи уже существующих ветровых турбин. Этим вопросом задались Марк Джейкобсен из Стэнфордского и Кристина Арчер из Делавэрского университетов (оба - США). Им и слово.
Рисунок 3. Пока равномерностью распределения ветряков в мире и не пахнет: треть ветроэнергетики планеты принадлежит такому энергетическому «гиганту», как Испания. (Фото Vera Kratochvil / PublicDomainPictures.net.).
Первым ограничителем, который учли наши неформальные корреспонденты, стал закон Беца, согласно которому ветрогенератор не может иметь КПД, превышающий 59,3%, вне зависимости от своей конструкции. Хотя в 2001 году А. Н. Горбань, А. М. Горлов и В. М. Силантьев показали в своей модели, что речь идёт скорее о цифре, близкой к 30%, не все исследователи согласны с их выводами, поэтому предельный достижимый КПД учёные оценили всё же в 59%.
Другим ограничителем оказалось «перемешивание» - эффект снижения скорости ветра и потеря им определённого направления в том случае, если на ограниченной площади присутствует очень много турбин.
По расчётам исследователей, с учётом этих факторов при размещении турбин на 100-метровой высоте (основная высота для геометрического центра лопастей современных ветряков) по всему миру (кроме Антарктиды) максимально извлекаемая мощность равна 250 млрд кВт, что соответствует установленной мощности в 3 трлн кВт.
Если же разместить турбины только на суше и в шельфовых водах, то перемешивание ветровых потоков наступит при одновременном снятии 250 млрд кВт мощности, что соответствует 1 500 млрд кВт установленный мощности.
В случае установки турбин на высотах в 10 км (на привязных аэростатах; концепция, пока остающаяся перспективной и не испытанная в полевых условиях) авторы насчитали около 400 млрд кВт одновременно снимаемой мощности, что в полтора с лишним раза лучше, чем в сценарии с исключительно приповерхностными ветряками.
С одной стороны, цифры оптимистичны, с другой - не очень. Даже в минимальном варианте (суша и шельфовые воды, приповерхностный слой) потребуется использование 300 млн 5-мегаваттных турбин. В среднем это не так много (примерно полторы турбины на квадратный километр), однако капитальные затраты на такое строительство, несомненно, будут астрономическими. К счастью, пока об этом можно не беспокоиться: даже 10% от энергии, которую технически возможно извлечь из ветра уже сегодняшними технологиями, значительно превосходят нынешний уровень выработки электроэнергии всей цивилизацией.
Авторы, однако, предупреждают, что смешивание может начаться значительно раньше, если речь идёт о концентрации ветряков в одних регионах при их полном отсутствии в других, а потому призывают тщательнее подходить к планированию размещения ветрогенераторов, дабы не допустить их «скучивания».
Соответствующее исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, а с его препринтом всяк желающий, конечно же, ознакомится здесь.
Подготовлено по материалам Ars Technica.
http://science.compulenta.ru/708090/
---------------
Так что использование этого энергоресурса реально только при плановой экономике, рыночная стихия со свободой предпринимательства закрывают к этому путь.
Александр Березин
Исследование под общим руководством Кэйт Марвел из Ливерморской национальной лаборатории (США) попыталось обозначить границы возможного для эоловой энергетики, причём не экономические или технические, а геофизические.
Цифры получились оптимистичными, хотя обращение с ними требует некоторой осторожности.
Ветровые электростанции имеют несколько теоретических ограничений, до недавнего времени формулировавшихся лишь качественно и не просчитывавшихся количественно. Американские учёные попробовали восполнить этот пробел и ответить на ряд вопросов, которые в связи с десятикратным ростом ветроэнергетики в последние десять лет (с 23,9 до 238,4 ГВт установленной мощности за 2001-2011 годы) приобрели вполне актуальное звучание.
Первое и самое главное: какова мощность, потенциально посильная для ветроэнергетики? Согласно проведённому моделированию, если ограничиваться только ветрами, дующими у поверхности Земли (как водной, так и сухопутной), суммарная мощность может составить не менее 428000 ГВт, в то время как общемировая установленная мощность энергетики сегодня не достигает и 5 000 ГВт. При превышении 428000 ГВт влияние ветряков на скорость ветра будет таково, что вероятным станет её снижение до величин значительно ниже существующих, хотя, как отмечают авторы, действительный масштаб такого влияния сейчас определить сложно из-за слабой исследованности проблемы.
Рисунок 1. За последние десять лет мощность ВЭС выросла в десять раз. Но конкуренты не дремлют: гелиоЭС сделали то же самое за пятилетку. Каковы границы возможного для эолового сектора? (Иллюстрация Global Wind Statistics.).\
Но это ещё не всё: при использовании всех ветров, в том числе высотных (до 16 км), суммарная мощность эоловых турбин может увеличиться до 1600000 ГВт, что настолько больше нынешних цифр всеобщей энергетики, что вопрос об исчерпаемости энергии ветра пока даже рано ставить. Оптимистично? Да. Сейчас ветер «даёт» не более 430 млрд кВт•ч в год, то есть только при использовании приземных ресурсов у эоловой энергетики есть физическая возможность для тысячекратного наращивания выработки.
А теперь перейдём к не столь оптимистичным сторонам исследования. При эксплуатации только приземной ветроэнергетики (именно так дела обстоят сегодня) турбины не просто замедляют ветер, но и глобально утепляют климат - правда, по словам авторов, незначительно. Технические причины эффекта понятны: кинетическая энергия ветра преобразуется в электрическую не полностью, что-то уходит на разогрев подвижных частей ветряков. Кроме того, снижение общемировой скорости ветра ведёт к ухудшению перемешивания воздуха из тропосферы с более высокими атмосферными слоями, что также способствует росту глобальной наземной температуры.
С этим можно бороться: как показало моделирование, использование энергии ветров, дующих в атмосфере на значительных высотах, может снизить скорости воздушных потоков, господствующих в верхних слоях тропосферы и препятствующих интенсивному перемешиванию тёплого тропосферного воздуха с более холодными внешними слоями. Интенсивная эксплуатация в ветроэнергетических целях высотных районов способна даже слегка охладить поверхность планеты. Впрочем, как и нагрев от приземной ветрогенерации, охлаждение не превысит, по расчётам, 0,1 ˚С. Возможны и вариации в уровне осадков, однако не более 1% от их общего показателя.
Рисунок 2. Самые перспективные области извлечения энергии из ветра, согласно исследованию, лежат между 8 и 16 км высоты. (Иллюстрация Kate Marvel et al.)
Но есть и проблема: чтобы достичь такого положения вещей, требуется равномерная эксплуатация энергии ветров по всей планете. Однако ВЭС строят в основном в районах со скоростью ветра, превышающей 7-8 м/с, и практически не возводят там, где эти цифры ниже. Кроме того, сейчас эксплуатация ветроресурсов над сушей происходит намного интенсивнее, чем над морем. Если тенденция не будет переломлена, изменения в уровне локальной среднегодовой температуры и осадков в отдельных местах могут превышать 0,1 ˚С и 1% осадков, причём существенно. Тем не менее учёные полагают, что влияние на окружающую среду в глобальном плане в данном случае не будет значительным…
Интересно, что работа напрямую не критикует методы других исследователей, в 2011 году показавших, что даже извлечение эоловой энергетикой из атмосферы Земли при помощи привязных аэростатных ветряков мощности в 1 000 ГВт приведёт к падению температуры в высоких широтах на 2 ˚С и нагреву экваториальных зон на 0,5 ˚С в силу замедления ветрового переноса тёплых масс воздуха с экватора в высокие широты.
Подготовлено по материалам Nature Climate Change.
http://science.compulenta.ru/706692/
Ветровая энергетика требует тщательного планирования
Александр Березин
Недавно мы рассказывали об ограничениях, налагаемых геофизическими факторами на мощность ветровой энергетики. А теперь поведаем о том, какую часть этого огромного потенциала можно извлечь при помощи уже существующих ветровых турбин. Этим вопросом задались Марк Джейкобсен из Стэнфордского и Кристина Арчер из Делавэрского университетов (оба - США). Им и слово.
Рисунок 3. Пока равномерностью распределения ветряков в мире и не пахнет: треть ветроэнергетики планеты принадлежит такому энергетическому «гиганту», как Испания. (Фото Vera Kratochvil / PublicDomainPictures.net.).
Первым ограничителем, который учли наши неформальные корреспонденты, стал закон Беца, согласно которому ветрогенератор не может иметь КПД, превышающий 59,3%, вне зависимости от своей конструкции. Хотя в 2001 году А. Н. Горбань, А. М. Горлов и В. М. Силантьев показали в своей модели, что речь идёт скорее о цифре, близкой к 30%, не все исследователи согласны с их выводами, поэтому предельный достижимый КПД учёные оценили всё же в 59%.
Другим ограничителем оказалось «перемешивание» - эффект снижения скорости ветра и потеря им определённого направления в том случае, если на ограниченной площади присутствует очень много турбин.
По расчётам исследователей, с учётом этих факторов при размещении турбин на 100-метровой высоте (основная высота для геометрического центра лопастей современных ветряков) по всему миру (кроме Антарктиды) максимально извлекаемая мощность равна 250 млрд кВт, что соответствует установленной мощности в 3 трлн кВт.
Если же разместить турбины только на суше и в шельфовых водах, то перемешивание ветровых потоков наступит при одновременном снятии 250 млрд кВт мощности, что соответствует 1 500 млрд кВт установленный мощности.
В случае установки турбин на высотах в 10 км (на привязных аэростатах; концепция, пока остающаяся перспективной и не испытанная в полевых условиях) авторы насчитали около 400 млрд кВт одновременно снимаемой мощности, что в полтора с лишним раза лучше, чем в сценарии с исключительно приповерхностными ветряками.
С одной стороны, цифры оптимистичны, с другой - не очень. Даже в минимальном варианте (суша и шельфовые воды, приповерхностный слой) потребуется использование 300 млн 5-мегаваттных турбин. В среднем это не так много (примерно полторы турбины на квадратный километр), однако капитальные затраты на такое строительство, несомненно, будут астрономическими. К счастью, пока об этом можно не беспокоиться: даже 10% от энергии, которую технически возможно извлечь из ветра уже сегодняшними технологиями, значительно превосходят нынешний уровень выработки электроэнергии всей цивилизацией.
Авторы, однако, предупреждают, что смешивание может начаться значительно раньше, если речь идёт о концентрации ветряков в одних регионах при их полном отсутствии в других, а потому призывают тщательнее подходить к планированию размещения ветрогенераторов, дабы не допустить их «скучивания».
Соответствующее исследование опубликовано в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, а с его препринтом всяк желающий, конечно же, ознакомится здесь.
Подготовлено по материалам Ars Technica.
http://science.compulenta.ru/708090/
---------------
Так что использование этого энергоресурса реально только при плановой экономике, рыночная стихия со свободой предпринимательства закрывают к этому путь.