Крылатый металл на ветру

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. Свое, уникальное для мировой практики, решение по внедрению алюминиевых сплавов в ветрогенераторы предложили на красноярском машиностроительном предприятии «ОКБ «Микрон».

Лопасть из алюминия длиной 40-50 м весит всего 3 т, а аналог стеклопластика – около 11 т при примерно равной себестоимости производства.

Гигаватты «зеленой» 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, причем на Поднебесную приходится почти четверть мировой мощности ВИЭ – более 500 гигаватт. Свои лидеры есть и в Европе – это Германия, Испания и Дания.

В России, где отрасль «зеленой» энергетики только набирает обороты, мощность всех введенных 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.

К 2035 году в России планируется ввести в строй дополнительно 4,5 тыс. ветровых установок.

Регионами-лидерами по объемам генерируемой «зеленой» 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 еще на 4,5 тысячи единиц.

Навстречу ветру

Однако с расширением сферы возобновляемой энергетики неизбежно растет потребность в обслуживании ветрогенераторов, замене запасных частей и утилизации элементов оборудования с истекшим 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 истекшим 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 обойдет стороной. В ближайшие 10-20 лет более 300 размещенных 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 придется в перспективе пяти лет.

Пока человечество не придумало ничего лучше, чем просто захоранивать отработавшие свое 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 все 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.

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 легких, прочных и 100-процентно 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. 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 удаленных 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 своем техническом задании красноярцы учли сложности логистики в удаленных 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.

Три сплава – одна лопасть

Красноярская компания уже реализует свой проект. Сырьевая и техническая база имеется, но опытное производство и испытания все еще 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.

Мощность разработанной в Красноярске установки «ТеРУС ФВТС-20» – 65 КВт.

Каждая лопасть изготовлена из трех 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 берет на себя ОКБ «Микрон», где есть уникальное для России оборудование.

Для производства каждой из лопастей ветрогенератора используются три сплава на основе алюминия: 2ххх, 5ххх и 6ххх серии.

Лопасти имеют сложносоставную конструкцию: благодаря разъемным соединениям эти нестандартные по размерам детали в разобранном виде перевозятся обычным грузовым транспортом. При необходимости лопасть собирается из нескольких частей без заметного увеличения ее веса. За счет этого конструктивного решения существенно расширяется география применения ветрогенераторов.

Оборудование комбинированной электро- и теплогенерации проекта «ТеРУС» легко доставляется даже в труднодоступные районы и оперативно собирается на месте.

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.

Себестоимость выработки энергии установкой ТеРУС ФВТС-20 – 4,5 руб./ 1 кВт/ч при скорости ветра 7 м/с.

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.