Доля низкоуглеродной электрогенерации в энергетике России — около 40%. И она будет расти с развитием ветрогенерации. Рост обеспечит, в том числе, и применение в конструкции ветроустановок алюминия. Своё, уникальное для мировой практики, решение по внедрению алюминиевых сплавов в ветрогенераторы предложили на красноярском машиностроительном предприятии «ОКБ «Микрон».
Гигаватты «зелёной» энергии
Технологии, основывающиеся на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), сегодня в большой чести — к ним приковано всеобщее внимание, в них инвестируются гигантские средства. Первенство в этой области прочно удерживают Китай, Индия и США, причём на Поднебесную приходится почти четверть мировой мощности ВИЭ — более 500 гигаватт. Свои лидеры есть и в Европе — это Германия, Испания и Дания.
Такие пейзажи в Европе являются привычным делом.
В России, где отрасль «зелёной» энергетики только набирает обороты, мощность всех введённых объектов ВИЭ приближается к 300 МВт. По данным Ассоциации развития возобновляемой энергетики (АРВЭ), в 2024 году планируется ввод 482 МВт, а в 2025 году — 1,25 ГВт. Как ожидается, в течение двух ближайших лет совокупная мощность составит 2,17 ГВт, а установленная мощность объектов, работающих на основе возобновляемых источников энергии, достигнет 6,17 ГВт.
Регионами-лидерами по объёмам генерируемой «зелёной» энергии в нашей стране являются Ставропольский край (775,3 МВт), Астраханская область (625,2 МВт), Ростовская область (607,3 МВт), Республика Калмыкия (450,7 МВт) и Оренбургская область (372,7 МВт).
Сегодня в нашей стране насчитывается около 1,2 тыс. ветрогенераторов. К 2035 году количество ветровых установок в России увеличится ещё на 4,5 тысячи единиц.
В России пока ветрогенераторов немного, но с каждым годом их становится все больше.
Навстречу ветру
Однако с расширением сферы возобновляемой энергетики неизбежно растёт потребность в обслуживании ветрогенераторов, замене запасных частей и утилизации элементов оборудования с истёкшим сроком службы. Например, в последние годы общемировой проблемой становится утилизация самых нетехнологичных с точки зрения вторичной переработки изделий в альтернативной энергетике — лопастей ветрогенераторов.
Лопасти сейчас производят преимущественно из стеклокомпозитных материалов, переработка которых является нетривиальной задачей. Острота этой проблемы и в мире, и у нас в стране будет со временем только нарастать. Ожидается, что к 2025 году совокупный вес только лопастей с истёкшим сроком службы составит примерно 25 тыс. тонн. Больше списанных лопастей будет в европейских странах-лидерах в области ветроэнергетики: Германии, Испании и Дании. Уже к началу 2050 года лопасти ветрогенераторов могут стать главной проблемой, так как к тому времени общее их количество составит 200 тыс. единиц, или 40 млн тонн композитов.
И нас эта проблема не обойдёт стороной. В ближайшие 10–20 лет более 300 размещённых в российских регионах ветряков (примерно четверть всего парка) потребуют замены узлов и деталей, в том числе и габаритных лопастей. По оценке экспертов Алюминиевой Ассоциации, решать проблему утилизации лопастей нам придётся в перспективе пяти лет.
В Европе уже столкнулись с проблемой сломанных лопастей.
Пока человечество не придумало ничего лучше, чем просто захоранивать отработавшие своё лопасти ветрогенераторов под слоем грунта. Полигоны, куда они свозятся, есть во многих странах. Но используемые под утилизацию земли исключаются из хозяйственного оборота более чем на сто лет из-за очень медленного разложения стеклокомпозитов в почве.
Поиском всё новых способов утилизации композитов заняты компании-лидеры рынка и научное сообщество. Среди альтернативных технологий переработки композитных лопастей предлагаются механическая рециркуляция, сольволиз и пиролиз, фрагментация высоковольтным импульсом и другие методы.
Лопасть из алюминия длиной 40–50 м весит всего 3 т, а аналог из стеклопластика — около 11 т при примерно равной себестоимости производства.
ALтернатива композиту
Решение насущной проблемы нашли на Красноярском машиностроительном предприятии «ОКБ «Микрон». Флагманский проект компании под названием «ТеРУС» включает разработку и производство автономных ветроэнергетических комплексов комбинированной электро- и теплогенерации на базе уникальных ветровых энергетических установок.
Приняв во внимание экологический аспект, красноярцы предложили технологию производства лопастей для ветряка из лёгких, прочных и стопроцентно перерабатываемых алюминиевых сплавов. Применение алюминия в лопастях позволяет снять проблему их утилизации по окончанию жизненного цикла — «крылатый» металл сразу поступит во вторичную переработку. Проект получил поддержку со стороны Алюминиевой Ассоциации, выразившуюся в первую очередь в предоставлении доступа к необходимым производственникам материалам.
С точки зрения экономического эффекта российская разработка также представляет интерес. Специалисты ОКБ «Микрон» изучили характеристики лопастей иностранных ветрогенераторов и пришли к выводу, что по цене стеклопластиковые лопасти проигрывают конструкциям из дюралюминия. Судите сами: изделие из стеклопластика длиной 40–50 м весит около 11 тонн, а алюминиевый аналог — всего три тонны при почти равной себестоимости производства. Так почему бы не делать лопасти ветрогенераторов из дюралюминия по технологиям, заимствованным у авиапрома? К слову, себестоимость выработки энергии установкой «ТеРУС» — 4,5 руб./ 1 кВт/ч при скорости ветра 7 м/с.
Почему бы не делать лопасти ветрогенераторов из дюралюминия?
Инновационность красноярского проекта, основанного на применении алюминия, подтверждена патентами России, Германии и Финляндии. Он действительно непохож на традиционную ветроэнергетику по многим параметрам.
Скажем, в России большинство ветрогенераторов установлено в южных регионах. Разработанное в Красноярске оборудование может работать и в удалённых северных районах с невысокой ветровой нагрузкой — генератор запускается при скорости ветра 2 м/с. Само собой в изолированных регионах страны есть потребность в специализированных энергетических системах. Компактные станции могут, например, обеспечивать нужды геологов, строителей, ремонтников — подавать энергию для временных объектов и целых поселений, находящихся на труднодоступных территориях.
Стоит заметить, что в своём техническом задании красноярцы учли сложности логистики в удалённых регионах, необходимость снижения веса доставляемого оборудования, а также оперативность его сборки и монтажа — для всего этого на рынке ранее не было технических решений. В перспективе, когда «Микрон» наладит производство, можно будет перейти к выпуску полноразмерных лопастей. Это станет принципиально новым решением на мировом уровне.
Мощность разработанной в Красноярске установки «ТеРУС ФВТС-20» — 65 КВт.
Три сплава — одна лопасть
Красноярская компания уже реализует свой проект. Сырьевая и техническая база имеется, но опытное производство и испытания всё ещё требуют вложения усилий, времени и кропотливой работы. Мобильная ветроустановка «ТеРУС ФВТС-20» мощностью 65 КВт — образец, на котором будут отработаны технические решения и технология производства алюминиевых лопастей.
Каждая лопасть изготовлена из трёх сплавов на основе алюминия — 2ххх, 5ххх и 6ххх серии. Производственный процесс включает экструзию, прессование и финишную обработку. Так, наконечник лопасти из сплава 6ххх серии будет отпрессовываться на красноярском заводе СЕГАЛ (входит в группу компаний «СИАЛ») — на предприятии уже прорабатывают чертежи. Обработку изделий берёт на себя ОКБ «Микрон», где есть уникальное для России оборудование.
Лопасти имеют сложносоставную конструкцию: благодаря разъёмным соединениям эти нестандартные по размерам детали в разобранном виде перевозятся обычным грузовым транспортом. При необходимости лопасть собирается из нескольких частей без заметного увеличения её веса. За счёт этого конструктивного решения существенно расширяется география применения ветрогенераторов.
В Красноярске уже развивают ветрогенерацию по инновационным технологиям.
Помимо пяти алюминиевых лопастей комплекс тепловетрогенератора «ТеРУС» состоит из мачты, генератора и системы хранения тепловой энергии, при этом установка алюминизирована целиком: от лопастей до несущей колонны.
Первый опытный ветрогенератор проекта «ТеРУС» планируется установить в 2024 году в Красноярске, на площадке самого ОКБ «Микрон». Предприятие находится за чертой города на небольшой возвышенности — идеальный испытательный полигон для прототипа.
Успешная реализация проекта позволит использовать алюминиевые лопасти не только на ветроэнергетических установках проекта «ТеРУС», но и под замену лопастей из стеклокомпозитов действующих ветряков с дальнейшей перспективой вывода продукта на международный рынок.
Пётр Орлов
