Високопроизводителни вятърни паркове

ВЕИ енергетикaТехнически статииСп. Енерджи ревю - брой 4, 2012

Технологични предизвикателства пред трансграничния обмен на екологична енергия

Офшорната вятърна енергетика бележи небивал ръст в развитието си през настоящата година. Само за първите шест месеца към европейската електроенергийна мрежа са присъединени 132 нови офшорни вятърни турбини с общ капацитет 523,2 MW. Цифрите сочат увеличение с 50% в сравнение със същия период през 2011 г., когато са инсталирани 348.1 MW. Освен присъединените нови турбини, още 160 вятърни генератора с обща инсталирана мощност 647,4 MW са изградени и в очакване на свързване към мрежата. В момента, в Европа се произвеждат общо 4336 MW от 1503 офшорни турбини в 56 вятърни парка, разположени в 10 страни (електрическа енергия, която би могла да захрани 4 милиона домакинства), което е с 1042 MW повече от производствения капацитет на офшорните вятърни турбини през юни 2011 г. В процес на изграждане са още 13 вятърни парка. След пускането им в експлоатация те ще прибавят допълнителен капацитет от 3762 MW.

Развитието на офшорната вятърна енергетика създава силно конкурентна среда за производителите. През последните две години и половина повече от 40 компании обявиха намерението си да пуснат на пазара нова офшорна вятърна турбина. В резултат, на пазара се появиха 51 нови модела (28 през 2010 г. и 23 през 2011). Тези данни сочат, че офшорната вятърна енергетика се разглежда като динамичен сектор и перспективен пазарен сегмент. За момента най-активни са производителите на турбини в Европа, Китай, Япония, Южна Корея, САЩ и Израел. Европа поддържа водещата си роля по отношение на компаниите, които активно планират да развиват технологично и конструктивно офшорните вятърни турбини. Почти половината от компаниите, представили нови модели, са базирани на нашия континент. Китай е на второ място с 33%, следван от САЩ (8%). Почти всички нови турбини (72%) са с номинална мощност над 5 MW.

Повечето вятърни паркове са изградени на разстояние 23 -33 км от брега при средна дълбочина на водата 22 м. Близостта до крайбрежието отчасти се дължи на високата цена на присъединяването им към електропреносната мрежа, съществуващите технически ограничения и липсата на подходяща законодателна рамка, която да направи възможен преноса на екологична енергия от една европейска страна в друга. При наличието на регламентирана трансгранична електропреносна мрежа, оползотвореният потенциал от вятърната енергия в Северно море, например, който възлиза на няколкостотин GW, би могъл да захрани отдалечени европейски страни и да балансира търговията с електроенергия между тях.

Европейската комисия предлага изграждане на общоевропейска супермрежа с цел максимално ефективно използване на енергията на вятъра и слънцето. Тя ще използва подводни кабели и се очаква мощността й през 2030 г. да достигне 150 GW, което ще е 16% от общата консумирана електроенергия в Европа. Един от разработените фирмени проекти за изграждането й е на стойност 4,4 милиарда евро. Много добре разработена концепция е известната като EUMENA-wide supergrid, при реализацията на която се очаква да се осигури по-добър обмен на електроенергия между страните в Европа, по-добър контрол върху производството и използването на електроенергията и намаляване на вредните емисии.

Конструктивни тенденции

Неизменна тенденция в разработката на офшорни вятърни турбини е увеличаването на диаметъра на ротора и изходящата мощност на генераторите. Увеличаването на размера на роторните лопатки обаче неизбежно води до нарастване на натоварването върху вятърната турбина. Очаква се това натоварване да доминира над натоварването от вятъра и да доведе до значително увеличение на теглото и себестойността на роторната система. Също така, при по-висока линейна скорост на върховете на роторните лопати при голямогабаритните океански вятърни турбини има опасност от огъване на дългите лопатки и е необходимо да се увеличи гъвкавостта им. Усилията на производителите в тази насока са свързани с разработването на нови материали с по-висока якост. За изработката на съвременните лопатки основно се използват армирани композити от фибростъкло и специални смоли. За да намалят теглото и да увеличат якостта на големите пропелери, някои производители използват при изработката им въглеродни нишки.

В момента монтажът на турбини в морето се ограничава до плитки води (20-30 м) и при повечето се използва единична, цилиндрична, еднополюсна основа. За по-дълбоки води се разработват различни конструкции, състоящи се от няколко основи, които наподобяват платформите за добив на нефт и газ. Оптимизираните типове платформи и по-задълбоченото проучване на влиянието на товарите върху конструкцията на основите, вероятно ще повиши използваемите дълбочини до около 50 м. Популярност набират и плаващите платформи, които ще позволят оползотворяването на енергията от вятъра при почти неограничени дълбочини и на места, при които вятърът е с най-добри показатели. Тук предизвикателството е свързано със създаването на подходящи кабели, с които да се осъществи връзката с електропреносната мрежа. Тъй като плаващите турбини изискват по-дълбоки води за свързване (скачване на гондолата към опорната конструкция), те ще изискват и нови методи на монтаж. Като нова концепция се явяват напълно сглобените турбини, които могат да бъдат транспортирани хоризонтално, например с баржа. След като пристигне на площадката, баржата се накланя на 90 градуса и освобождава турбината във вертикална позиция. Ако свързаните с изправянето и освобождаването на турбините предизвикателства бъдат разрешени, хоризонталните монтажи ще се предлагат масово на пазара до 2020 г., предвиждат специалистите.

Трансграничен обмен на екологичната енергия

Изпълнението на целите на ЕС до 2020 г. за 20% електроенергия, произведена от възобновяеми източници, ще изисква добиването на около 50 GW вятърна енергия в региона на Северно море. Ветровете там са силно свързани и при своето движение вятърните фронтове удрят едновременно големи зони. Това води до рязко изменение в производителността на турбините в размер на няколко гигаватчаса. В подобни случаи, трансграничният обмен на енергия би позволил балансирането на мрежата върху по-голяма площ и търгуването й на повече пазари. Изграждането на подобни проекти за пренос обаче, може да отнеме 10-15 години, поради дългите срокове на концесиите и честата обществена опозиция.

Друга важна мярка са изискванията към нормирането на електромрежите по отношение на променливите енергийни източници. Много ветроенергийни централи в момента са задължени да предоставят пълна гама от допълнителни услуги, които включват регулиране за спадовете и пиковете на напрежението и реактивната мощност, корекция на честотата, ограничаване на свръхпроизводството и др. Въпреки че тези услуги са основни за стабилността на системата, по-малките вятърни и слънчеви електроцентрали са освободени от предоставянето на много от тях. Поради тази причина, повишаващото се количество енергия от възобновяеми източници ще постави нови предизвикателства пред електрическата система. Големите количества възобновяема енергия, които ще бъдат свързани към мрежите в много части на света, ще изискват сериозно повишаване на капацитета за пренос и въвеждането на нови регулативни мерки в електросистемите.

За тази мащабна интеграция на централи с променлива производителност ще бъдат използвани нови технологии като високоволтови инсталации за постоянен ток (HVDC), изключително високоволтови инсталации за променлив ток (UHVAC), издържащи на високи температури проводници с понижено провисване (HTLS) и гъвкави системи за пренос на променлив ток (FACTS). Тези супермрежи ще свързват големи географски области в една унифицирана система и ще позволяват търгуването на значителни обеми електричество на дълги разстояния. Свързването между отделните елементи на супермрежата и връзките й с европейската преносна система ще се осъществяват в специални супервъзли, където променливият ток ще се преобразува в постоянен, и обратно. Успешната експлоатация на супермрежите ще включва участници от различни страни и операторите на електропреносните мрежи ще трябва да отговарят за генерираните активи на междурегионално ниво. Това може да бъде постигнато само чрез обединение на мрежите, което да позволи изравняването на товарите поради различните схеми на консумация в отделните времеви зони.

Полагането на супермрежите ще донесе редица предимства, но и ще повиши опасността от сривове в системата, дължащи се на единични аварии с мащабни последици. Поради тази причина е необходимо разработването на надеждно управление на системата и възможности за бързо самовъзстановяване на мрежите.

Високоволтови DC мрежи

Преносът на произведената от офшорните вятърни турбини енергия обратно към брега изисква полагането на високоволтови HVDC мрежи. Предизвикателствата пред разработването им са съществени и са свързани с технологията за AC/DC преобразуването, многовъзловите DC мрежи и DC прекъсвачи на напрежение, инсталацията на подстанции в морето и други подводни дейности. В допълнение към технологичните предизвикателства, експлоатацията на мрежите в морето ще изисква покриване на огромни разходи и пазарно обединение, които са основните препятствия пред разработката на интеррегионални мрежи в морето. Включването на страни с различни регулаторни режими на електропреносните мрежи също може да се окаже сериозна пречка.

В момента има няколко AC/DC конвертора, монтирани на нефтени и газови платформи в морето, като някои от тях са конструирани за офшорни ветроенергийни централи. Техният капацитет обаче не надвишава 400 MW, а за целите на широкомащабната вятърна интеграция са необходими 1-2 GW. Преминаването от днешните елементарни офшорни конструкции към големи плаващи или монтирани към морското дъно конструкции с капацитет от 2 GW ще изисква допълнително намаляване на размера на оборудването и същевременно поддържане на разходите за експлоатация на приемливо ниво.

В новите HVDC системи се използват конвертори, които преобразуват тока. Конверторите за пренасяне на енергия с високо постоянно напрежение (VSC) се предлагат от 1997 г., но страдат от двойни енергийни загуби и пренасят само една пета от традиционните преобразуватели с линейна комутация (LCC). От друга страна, техният компактен дизайн ги прави подходящи за платформи в морето. За разлика от LCC, VSC могат да бъдат свързани към слаби или пасивни АС мрежи като вятърни електроцентрали и нефтени и газови инсталации в морето. В допълнение, VSC предоставят възможности за контрол на напрежението и самовъзстановяване след токов удар. VSC технологията ще проправи пътя за многотерминалните DC мрежи, което ще позволи свързването на вятърни паркове с брега и търговски връзки между страните. Според мнението на специалисти, до няколко години енергийните загуби на VSC ще бъдат съпоставими с тези на LCC (около 0,5% и на двата терминала).

В много части на света вече са инсталирани HVDC връзки с два терминала (точка до точка), чрез които се свързват асинхронни системи и се пренасят големи обеми енергия. Интеграцията на мрежите в морето обаче изисква допълнително усъвършенстване на многотерминалната HVDC технология (MTDC). MTDC ще понижи необходимия брой преобразувателни станции и по този начин ще увеличи платформеното пространство в морето. Проблемът е, че MTDC системата е много чувствителна към DC грешки и без DC прекъсвач на напрежението ще се наложи изключването на цялата система. За да се предостави сравнимо ниво на готовност и надеждност спрямо съвременните АС мрежи, MTDC мрежите ще се нуждаят от DC прекъсвачи, които могат да изчистват грешките в рамките на милисекунди. Експлоатационните характеристики на променливия ток изискват принципно прости прекъсвачи - такива, които прекъсват тока, когато той е близо до нула. За да може да изчисти DC грешка, прекъсвачът на напрежение трябва да може да прекъсне пълната мощност, тъй като няма естествено нулево пресичане на напрежението. За момента на пазара не се предлагат DC прекъсвачи за HVDC. В съществуващи MTDC схеми са тествани успешно прототипи на DC прекъсвачи за ток 2000 А DC и напрежение 500 kV DC.

Непостоянната генерирана мощност от офшорните вятърни паркове ще бъде ключов проблем в бъдещия дизайн и експлоатация на енергоснабдителните системи. Необходимо е дългосрочно, устойчиво решение за междурегионалните електропреносни магистрали и хармонизиране на нормативните изисквания към мрежите във всички страни.


Top