В поисках энергии. Ресурсные войны, новые технологии и будущее энергетики - Мацак Олег (читаем книги .TXT) 📗
Сегодняшние ветрогенераторы нельзя назвать простыми, и к тому же они очень громоздки. Однако, хотя силовая электроника, средства автоматизированного управления и конструкция современного ветрогенератора высотой с 25-этажный дом довольно сложны, базовая концепция проста. Энергоресурс – ветер – предоставляется бесплатно матерью-природой. Ветра возникают вследствие вращения Земли, наличия неровностей на ее поверхности (горы, низины, океаны) и солнечного излучения – когда воздух нагревается, он расширяется, становится легче и поднимается вверх, а на его место устремляется более холодный воздух. Скорость воздушного потока при этом может быть небольшой (легкий ветерок), а может быть очень высокой (ураган). Прямое влияние солнца на температуру воздуха позволяет считать ветер одной из форм солнечной энергии.
Традиционная ветряная мельница преобразует кинетическую энергию ветра в механическую энергию. В ветрогенераторе механическая энергия преобразуется в электричество. Крупный ветрогенератор представляет собой небольшую электростанцию. Ветер, конечно, бесплатен, однако этого нельзя сказать о системе, необходимой для преобразования энергии ветра в электроэнергию и ее доставки потребителям. Сколько она стоит? Какие нужны инвестиции в другие источники энергии? Ограничивает ли это наши ожидания в отношении ветроэнергетики? Все это – предметы для дискуссий, а также часть загадки ветра – вопроса, насколько значительную роль он может играть в удовлетворении будущих потребностей в электроэнергии.
Бесплатность ветра
Поначалу ветер использовали в качестве движущей силы для судов – он надувал паруса и помогал гребцам. Потом, примерно 1000 лет назад, появились ветряные мельницы. Они давали механическую энергию для выполнения двух важных функций – помола зерна и подачи воды, т. е. ее подъема, орошения и отвода. Это существенно снижало потребность в изнурительном ручном труде.
В Х в., а может, и еще раньше, примитивные ветряные мельницы уже использовались в Персии, а затем распространились по всему исламскому миру, проникнув и в Китай. Ветряные мельницы стали появляться и в Европе. В средневековой Англии они олицетворяли попытку сельских предпринимателей перехитрить власть имущих того времени. Дворянство и церковь ревностно защищали свои эксклюзивные права на берега рек: там могли находиться только их водяные мельницы. Эти монополии были источником богатства и власти, потому как механический помол зерна освобождал для женщины несколько часов, которые она иначе тратила на ручное измельчение зерна для своей семьи.
В XII в. в графстве Саффолк, Англия, близлежащие берега реки, где работали водяные мельницы, контролировал аббат Самсон из аббатства Бери-Сент-Эдмундс. Чтобы обойти монополию аббата, пожилой священник по имени Херберт соорудил примитивную ветряную мельницу. Аббат Самсон, узнав, что его монополии на помол зерна бросили вызов, пришел в ярость и распорядился снести эту ветряную мельницу. Херберт в ответ сказал: «Бесплатным ветром может пользоваться любой человек». Эти слова только разъярили аббата Самсона. Ветряная мельница Херберта была разрушена3.
Но распространение технологии уже было не остановить. Ветряные мельницы стали расти, как грибы после дождя, по всей Англии и Европе. Дон Кихот, как мы знаем, с копьем наперевес сражался с «30 или более гигантами», несмотря на возражения Санчо Пансы, что «это, скорее всего, ветряные мельницы». В результате благородный рыцарь Сервантеса свалился с лошади, а этот эпизод породил изречение «сражаться с ветряными мельницами».
Ветряные мельницы стали частью ландшафта Голландии, где они использовались не только для помола зерна, но и для осушения болот и озер, благодаря чему за дамбами появились доступные для возделывания земли. В Европе ветряные мельницы использовались и для других промышленных целей – от выжимания оливкового масла и изготовления пороха до приведения в действие мехов доменных печей. Широкое использование ветряных мельниц наряду с водяными мельницами, как писал один историк, «ознаменовало начало заката традиционного мира, где человек зависел от животных или растительных источников энергии. Оно стало первым предвестником промышленной революции». По оценкам, с XIV по XIX в., до появления пара и угля, ветер давал четверть всей промышленной энергии в Европе4.
Ветер и электричество
В 1883 г., через год после того, как заработала электростанция Эдисона на Перл-стрит, возник вопрос, может ли ветер конкурировать с углем как источник энергии для генерирования электричества? Журнал Scientific American писал: «Непонятно, почему столь доступный ресурс совершенно не находит практического применения». Также затрагивался очень важный вопрос – проблема прерывности: «Как аккумулировать электроэнергию, чтобы она поступала днем и ночью, по выходным и в будни, накапливать ее тогда, когда мы в ней не нуждаемся, и сохранять до момента, когда возникнет потребность в ней? Вот основная проблема».
«Кто же, – вопрошал Scientific American, – тот человек, который решит ее?»
Этим человеком стал Чарльз Браш, один из главных соперников Эдисона. Лампочка Браша, использовавшаяся для освещения улиц, была одним из главных конкурентов электрической лампочки Эдисона. К 1880 г. около 6000 лампочек Браша освещали улицы крупных городов страны. Это сделало Браша богатым.
В 1887 г. во дворе своего дома на Эвклид-авеню в Кливленде, располагавшегося буквально в нескольких десятках метров от особняка нефтяного магната Джона Рокфеллера, Браш приступил к разрешению проблемы преобразования энергии ветра в электричество. Он соорудил 18-метровую ветряную мельницу и подключил ее к динамо-машине и сети аккумуляторов, установленных в подвале. Она обеспечивала освещение его особняка. Установка Браша стала первым устройством по выработке электричества с использованием энергии ветра. Scientific American похвалил Браша, но предупредил читателей, что не следует считать освещение, обеспечиваемое энергией ветра, «недорогим, поскольку ветер ничего не стоит. Стоимость этой установки настолько велика, что она с лихвой перекрывает дешевизну движущей силы». В конечном итоге Браш все же сдался и подключил свой дом к централизованной городской системе электроснабжения, которую разработал его конкурент Эдисон, – она была более удобной. Но Браш доказал, что ветер может быть источником электроэнергии5.
Быстрое распространение централизованного электроснабжения в крупных и небольших городах привело к исчезновению в них спроса на электричество, генерируемое с использованием энергии ветра. Однако на удаленных американских фермах и ранчо ситуация была иной.
Чтобы удовлетворить потребности фермеров, предприниматели-инженеры разработали небольшие энергогенерирующие ветряные мельницы с системой аккумуляторов для накопления электроэнергии. Традиционные ветряные мельницы использовались для традиционной цели – перекачивания воды. Возможности же ветрового электричества были шире. Оно могло обеспечить фермеров – а также их жен и детей – светом и облегчить утомительный, однообразный физический труд6.
Однако сельские электрические кооперативы, поддерживаемые федеральным правительством, которые в конце 1930-х гг. стали сооружать свои линии электропередачи и сети электроснабжения, давали электроэнергию более высокого качества, и в течение следующих двух десятилетий ветер как источник энергии для американских фермеров постепенно сошел со сцены.
На грандпа-ноб с палмером путнемом
Зимой и весной 1941 г. колонны грузовиков с оборудованием и деталями весом 500 т, в том числе двумя восьмитонными лопастями, медленно двигались вверх по узкой грунтовой дороге с опасными поворотами к вершине горы Грандпа-Ноб примерно в 20 км от города Ратленд, штат Вермонт. На этой горе велись работы по сооружению ветровой установки, которая должна была вырабатывать 1,5 МВт электроэнергии – почти невообразимая мощность в то время.
