Первопроходец даёт ответ на новые вызовы, бросаемые ветроэнергетике

ДАНИЯ: С тех пор, как Хенрик Стисдаль оставил в 2014 г. пост технического директора Siemens, он посвятил большую часть своего времени работе над плавучими морскими ветротурбинами и хранилищами энергии. Статья посвящена его размышлениям на тему увеличения мощности турбин до 12-15 МВт и выше к 2023-2024 гг.

«Я решил не концентрироваться на одной конкретной идее, как это делает большинство проектировщиков плавучих платформ. Вместо этого я задал себе несколько основных вопросов: как следует производить плавучие платформы, и какие уже есть наработки в этой сфере, на которые можно опереться?»

Для Хенрика Стисдаля уход с поста означал перерыв в несколько недель, в течение которого он смог приступить к новой жизни после более чем 30-летнего опыта работы на производителей ветроустановок: Vestas, Bonus Energy и наконец Siemens. Но у него была работа, которую ещё предстояло завершить.

«Я твёрдо решил не возвращаться к разработке ветроустановок, в основном потому что не хотелось бы конкурировать с моими бывшими коллегами и друзьями, которые остались работать на прежних местах» – поделился Стисдаль.

«Кроме того, наземные и морские установки Siemens и других производителей, как правило, работают очень хорошо, что стало для меня ещё одним поводом сосредоточиться на чём-то другом».

Он решил сосредоточиться на двух проблемах ветроэнергетики, лучшее решение для которых всё ещё не найдено. Первая относится к морским ветроустановкам: как разработать лёгкие, недорогие плавучие основания, подходящие как для «гибкого» размещения, так и для быстрого перевода на серийное производство.

Вторая задача – это создание малозатратного энергохранилища, основанного на инновационной технологии, использующей подземную тепловую энергию, которая впервые была им разработана во время работы в Siemens и впоследствии использовалась объединенной Siemens Gamesa Renewable Energy (SGRE).

Основной целью стала разработка технологии энергохранилища, которая может серийно производиться существующими компаниями, но пока что не существует даже прототипа.

Исследования в области хранения энергии также являются одним из основных направлений, которыми Стисдаль занимается в должности профессора по совместительству в Датском техническом университете (ДТУ).

На своей второй должности профессора, на этот раз в Университете Мэн в США, Стисдаль посвятил себя дальнейшему развитию концепции плавучих платформ для ветроустановок.

«Оффшорная ветроэнергетика имеет огромный потенциал во многих регионах мира, но нередко глубина воды оказывается слишком велика или условия морского дна не позволяют использовать фундамент с фиксированным основанием, либо когда налицо оба фактора», –  сообщает Стисдаль.

«При разработке плавучей платформы я решил отказаться от каких-то укоренившихся базовых представлений, будь то полупогружные платформы, платформы поплавкового типа или платформа на якорях, как поступает большинство производителей. Вместо этого я задал себе несколько простых вопросов: как нужно производить платформы? На что можно опереться в изучении опыта и дальнейшей постройке?»

«Остальные вопросы возникли по мере того, как были пристально изучены все детали, например: как максимально сэкономить на приобретении компонентов через существующие каналы поставок для ветроэнергетики? Оказалось, что существует много общего в производстве некоторых деталей, особенно между производством трубчатых стальных мачт и такими литыми деталями обтекателей ветровых турбин, как ступица ротора».

Стисдаль отметил, что производство крупных компонентов для ветровых турбин, осуществляемое на территории площадок, например, путём сварочных работ или укладки бетона для установок при помощи скользящей опалубки, показало себя с лучшей стороны по крайней мере если не с коммерческой, то с технической точки зрения, и он считает, что это также применимо и для проектов (тяжёлых) плавучих платформ, которые предполагается строить в тех портах, из которого они впоследствии будут отправлены.

Это подкрепляет его идею о том, что крупномасштабное промышленное производство с использованием стандартных и полустандартных серийных компонентов через существующие каналы поставок – это выход.

Дополнительные вопросы, на которые нужно было обратить внимание, звучали следующим образом: необходима ли плавучая платформа в виде отдельных сегментов, и возможна ли его транспортировка как единого целого?

Результаты всех исследований указывали на одно и то же: на создание таких плавучих платформ, как трубчатая стальная опора, и на оптимальное использование имеющейся инфраструктуры могут оказать влияние объёмы производства, а также быстрый переход на серийное производство.

Кроме того, чтобы снизить затраты на подготовку и сборку, ни одна часть плавучей платформы не должна быть больше самой большой части ветротурбинной опоры, а количество деталей должно быть сопоставимо с количеством частей ветротурбины.

«TetraSpar – это лёгкая (1000-1500 тонн) модульная конструкция для установок мощностью 6-8 МВт. В основном ей требуется  стандартная окантовка, выполненная в виде жёстких треугольников, соединенных болтами или штифтами», – поясняет Стисдаль.

«Эта довольно простая четырёхгранная конструкция обладает выдвижным килем, который способен вытеснить до 1500 кубометров воды; он прикреплён тросами или цепями. При осадке в гавани и во время буксировки в открытом море ей требуется глубина всего лишь в 6-8 метров».

Устойчивость

Стисдаль добавляет, что плавучая турбина обеспечивает устойчивость в полупогружном состоянии во время буксировки, и, как только она закрепляется килем на месте, её переводят в придонное положение, используя воду в качестве балласта, который в свою очередь обеспечивает подводное положение платформы. Таким образом, вся конструкция выступает в качестве, подобном плафторме поплавкового типа, но с гораздо лучшими показателями устойчивости.

Первоначально Стисдаль разрабатывал концепцию такой платформы в качестве открытого проекта, а сертификационная организация DNV GL обеспечивала посильную поддержку.

«К сожалению, идея с открытым проектом не сработала, т.к. конечным потребителям, включая и производителей, не понравился принцип «Если этим владеют все, то не владеет никто в частности» – заключил Стисдаль.

«Затем мы решились на классическую коммерческую модель на основе лицензий и открыли отдельную компанию – Stiesdal Offshore Technology. Мы проводим переговоры с крупными игроками по поводу демонстрационного прототипа турбины SWT-3.6-130 с прямым приводом мощностью 3,6 МВт с тем, чтобы установить его в конце этого года или в начале следующего».

Стисдаль продолжает внимательно следить за развитием ветроэнергетики. С момента его ухода из Siemens мощность разработанной им за время работы в компании морской платформы с прямым приводом была увеличена с 6 до 7 МВт, а совсем недавно у неё появился и второй преемник с увеличенным ротором и мощностью 8-9 МВт.

По поводу 12-15 мегаваттных морских турбин следующего поколения, например, Haliade-X, обладающих 220-метровым ротором, (производство компании GE Renewable Energy), он заявляет: «Позвольте мне в очередной раз напомнить, что мне всегда тяжело давались прогнозы, касающиеся размеров ветроустановок будущего.

Но вместе с тем, первый серьёзный встающий передо мной вопрос это «являются ли большие по размерам турбины конкурентоспособными?» Неустранимым препятствием становится закон трёх вторых, согласно которому с увеличением размеров турбины потенциал электрогенерации растёт в прямой зависимости от квадрата диаметра ротора, а рост массы связан с диаметром в кубе.

Иными словами, большие по размеру трубины неизбежно становятся более тяжёлыми в соотношении тонна/МВт и более дорогими в соотношении евро/МВт, несмотря на то, что это было не так очевидно в силу большого технологического и конструкторско-доводческого прогресса, имевших место с самого начала».

Подготовка к серийному производству

Чтобы решительно снизить полную приведённую стоимость электроэнергии (ППСЭ), производимой морскими ветроустановками, крайне необходимы переход к сборным конструкциям и серийному производству, в первую очередь – большого количества стандартизированных продуктов, как подчёркивает Стисдаль.

Принимая во внимание объём промышленного производства конкретной фабрики в мегаваттном выражении, а также рост мощности турбин с 6 до 12 МВт, количество выпускаемых единиц можно сократить вдвое.

Это в свою очередь окажет негативный эффект на кривую роста производительности; экономическая выгода от этого выражается показателем «темп роста». К примеру, если темп роста составляет 0,85, это означает, что стоимость каждой единицы падает на 15 % каждый раз, когда объёмы промышленного производство вырастают вдвое.

Третье умозаключение Стисдаля не относится к факторам, касающимся турбин: «Основание для 12-мегаваттной турбины стоит НЕ вдвое дороже основания для 6-мегаваттной турбины. Такая же логика применима и к остальным составляющим элементам, например, большим по размерам, но аналогичным по мощности турбинам требуется меньше кабелей и меньше мероприятий по поддержанию условий эксплуатации», – заявляет Стисдаль.

 «Эти факторы, не относящиеся к турбинам, по сей день считаются основными в морской ветроэнергетике, а именно начиная со строительства ветропарка Vindeby в 1991 году. Каждый раз я удивлялся, насколько хорошо работают турбины больших размеров, представителей следующих поколений.

Повсеместная высокая производительность установок каждого последующего поколения может быть также экстраполирована на установки мощностью 12-15 МВт и выше.

Стисдаль также отмечает, что при разработке своих 12-мегаваттных гигантов компания GE Renewable Energy определённо сосредоточила усилия на крупногабаритном роторе, а их класс мощности (316 Вт/м2) очень близок к таковому у классической модели Siemens – SWT-3.6-120 (318 Вт/м2, год начала производства – 2009).

«Такие сочетания крупногабаритных роторов со скромными показателями допустимой мощности обеспечивают высокий показатель производительности. И это приводит нас к следующему вопросу: при каких условиях мы хотим производить электроэнергию? Всё чаще мы сталкиваемся с тем, что высокие показатели внедрения ветроэнергетики и избыток энергии ветра приводят к тому, что стоимость падает практически до нуля.

«В обратной ситуации, если вклад ветроэлектроэнергии будет мал, стоимость электрической энергии может взлететь до небес. Таким образом, конкретный класс мощности может в будущем стать основным фактором реализации», – указывает Стисдаль.

Также Стисдаль добавляет, что в случае – даже несмотря на высокую стоимость разработки и меньшее число продукции – если GE Renewable Energy удастся войти на рынок с надёжными, удобными в эксплуатации и недорогими установками, рынок с этим непременно согласится.

«У конкурентов не останется другого выбора, кроме как следовать их пути, возможно, даже быстрее, чем было у них в планах ещё год назад. С другой стороны, с коммерческой точки зрения выход на рынок уже в 2023-2024 гг. с полностью утверждённым, сертифицированным и рентабельным продуктом мощностью 12-15 МВт и выше представляет собой серьёзное испытание для любой компании, особенно в сжатые сроки.

Источник Windpower Monthly


Подпишитесь на нашу еженедельную рассылку. или
на наш канал в Telegram.
Share Button