Японские инженеры надеются построить ветряные турбины, которые смогут противостоять самым страшным тайфунам в мире и вырабатывать электроэнергию даже в условиях стихийного бедствия.
Мариэль Робедизо Энгрейнс было 15 лет, когда обрушился тайфун Хайян. Она жила в своем родном городе Долорес, Восточный Самар, на востоке Филиппин. В стране регулярно случаются тайфуны, но тайфун Хайян, известный на Филиппинах как Иоланда, был необычным. Он прибыл 8 ноября 2013 года и стал одним из самых мощных тропических циклонов, когда-либо зарегистрированных.
«В шесть утра я услышала, как мама кричит», — вспоминает Энгранес об утре, когда обрушилась Иоланда. «Потом я увидела воду в нашем доме. Волны были очень высокими».
Тайфун Хайян вызвал штормовую волну — пальмы были вырваны с корнем ветрами, которые достигали 314 км/ч, а крыши были сорваны. В результате урагана погибло более 6300 человек, еще тысячи были вынуждены покинуть свои дома. Для тех, кто выжил, недостаток энергии сделал процесс восстановления их жизни более трудным.
Энгрейнс говорит, что ее район был без электричества в течение двух месяцев после тайфуна.
«В некоторых областях потребовалось даже три месяца», — говорит она. «Но и до Хайяна, электричество у нас было нестабильно».
Для Филиппин надежное электроснабжение является проблемой для многих островов архипелага, а тайфуны усугубляют ситуацию. После стихийного бедствия, именно тогда, когда энергия нужна больше всего, ее труднее всего обеспечить. Но новый ответ может прийти от инженеров из другого подверженного бедствиям региона — Японии.
Стартап Challenergy из Токио спроектировал и построил ветряную турбину, специально предназначенную для работы в районах, подверженных тайфунам. По мнению Ацуши Симидзу, основателя и исполнительного директора Challenergy, идеальным местом для этих надежных ветряных турбин является где-то вроде Восточного Самара, где надежного электричества не хватает.
Но изначально Симидзу вдохновил не тайфун Хайян. Это было еще одно стихийное бедствие, глубоко затронувшее японцев. Землетрясение в Тохоку (или Сендай) 2011 года у восточного побережья Японии было чрезвычайно мощным и вызвало цунами. Это цунами охватило АЭС «Фукусима-дайити» в Окума, префектура Фукусима, и вызвало три ядерных аварии.
Катастрофа на Фукусиме привела к тому, что японское правительство отказалось от атомной энергетики. Ранее 54 ядерных реактора поставляли почти треть электроэнергии в Японии, но сегодня 24 из 33 японских реакторов остаются выключенными. Одним из последствий стала потеря страной завидного статуса лидера по низкому уровню выбросов парниковых газов.
Когда произошло землетрясение, Симидзу работал в компании, производящей датчики. 41-летний мужчина увидел, что его стране необходимо отказаться от ядерной энергетики, и почувствовал необходимость начать исследование альтернативных возобновляемых источников.
Общее потребление энергии в Японии — одно из самых высоких в мире, но только 7,6% приходится на возобновляемые источники энергии, а 87,4% — на ископаемое топливо (последние доступные результаты за 2017 год). Просматривая тексты о возобновляемых источниках энергии, он увидел, что Япония имеет прекрасные возможности для использования энергии ветра, но что в стране очень мало ветряных турбин; энергия ветра составляет лишь 1,5% от общего объема производства энергии в Японии. Симидзу был озадачен.
По словам Йоко Кобаяши, руководителя проектов Japan Wind Development, одного из крупнейших в стране разработчиков ветроэнергетики, существует множество препятствий, которые замедлили внедрение ветроэнергетики в Японии. Один из них — тайфуны. В 2019 году тайфун Хагибис стал одним из самых сильных и крупных тайфунов, обрушившихся на материковую Японию за последние десятилетия. С 9 по 13 октября 2019 года Хагибис оставил без электричества более 270000 домашних хозяйств и нанес в Японии убытки на сумму более 15 миллиардов долларов.
Кюсю, южный и самый западный из пяти основных островов Японии, и особенно цепь островов Окинава, лежащая к югу от Кюсю, наиболее подвержены тайфунам. Кобаяши говорит, что ее компания пыталась построить ветряные электростанции на Кюсю, но обнаружила, что некоторые районы просто «слишком сильны» с точки зрения скорости ветра и турбулентности.
Именно в таких условиях Симидзу надеется, что его конструкция не только выдержит высокие скорости ветра, но и задействует их силу. Он планирует сделать это с использованием принципиально отличной от обычных турбин конструкции. Большинство коммерческих ветряных турбин, таких как те, что используются в Северной Европе, работают вдоль горизонтальной оси с помощью лопастей, похожих на пропеллер. Но конструкция Симидзу построена на вертикальной оси с цилиндрами вместо лезвий и использует физическое явление, известное как эффект Магнуса.
Названный в честь немецкого физика Генриха Густава Магнуса, описавшего это явление в 1852 году, лучший повседневный пример эффекта Магнуса — это спорт с мячом. В футболе, бейсболе, теннисе и крикете игроки часто добавляют мячу вращение. Например, когда теннисист ударяет по мячу, он также может замахнуться ракеткой вверх или вниз при ударе, заставляя мяч вращаться, когда он летит по воздуху. Когда мяч вращается, он начинает отклоняться от траектории, по которой он следовал бы, если бы не вращался — это отклонение от обычной дуги является результатом эффекта Магнуса.
В ветряной турбине Challenergy используются двигатели, которые сначала вращают ее три цилиндра. Когда эти цилиндры вращаются, они создают эффект Магнуса, поскольку они помещаются в воздушный поток — как шар, вращающийся в воздухе — и это вращает турбину. Турбина спроектирована так, что она будет вращаться, только если эти цилиндры вращаются и дует ветер. По данным Challenergy, в то время как двигателям требуется подводимая энергия для вращения, это примерно до 10% от мощности, вырабатываемой турбиной.
Преимущества этой турбины с ее вертикальной осью и конструкцией, использующей эффект Магнуса, заключаются в том, что она может приспосабливаться к любому направлению ветра, а выработка электроэнергии может регулироваться в соответствии со скоростью ветра. Последнее осуществляется с помощью закрылков или «крыльев цилиндра», встроенных рядом с вращающимися цилиндрами, которые можно регулировать, чтобы контролировать величину эффекта Магнуса.
«Мы конструируем вращение цилиндра в зависимости от скорости ветра», — говорит Симидзу.
Поскольку эффект Магнуса действует как главный двигатель, вращение турбины почти в 10 раз медленнее, чем у обычных лопастных турбин. Это означает, что они менее шумны, и Симидзу также изучает, оказывает ли более низкая скорость вращения менее пагубное влияние на пролетающих птиц.
Хотя турбина Симидзу может выглядеть впечатляюще, на самом деле она превосходит обычные пропеллерные турбины. Лопасти обычных пропеллерных турбин в Японии обычно достигают 40 м при высоте башни почти 80 м. Обычные турбины на Хоккайдо, например, имеют максимальную мощность в три мегаватта (МВт). В отличие от этого, ветряная турбина Challenergy в настоящее время вырабатывает 10 кВт (или 0,01 МВт). Но Симидзу планирует увеличить мощность своей турбины до 100 кВт, для чего потребуется турбина высотой около 50 метров.
Хотя они, возможно, никогда не будут такими же эффективными, как обычные турбины, привлекательность этих конструкций заключается в их надежности. Версия мощностью 10 кВт, установленная в Исигаки, Окинава, уже зафиксировала свое первое производство электроэнергии во время тайфуна, что, по мнению Challenergy, является первым в мире. В октябре 2019 года Исигаки избежал тайфуна Хагибис, но на остров обрушился более слабый шторм, тайфун Митаг. Датчики Challenergy зафиксировали максимальную скорость ветра от 43 до 45 м/с во время шторма. Они утверждают, что их устройство может выдерживать ветер до 70 м/с, но имеет верхний рабочий предел 40 м/с. Чтобы представить это в перспективе, у тайфуна Хагибис был 10-минутный устойчивый ветер со скоростью 54 м/с и одноминутный устойчивый ветер со скоростью 72 м/с .
Большинство пропеллерных турбин сегодня имеют рабочий предел около 20-30 м/с. Алекс Бирн, главный инженер DNV GL, международной консалтинговой компании в области энергетики со штаб-квартирой в Норвегии, специализирующейся на ветроэнергетике, говорит, что это дизайнерское решение.
«Если бы проектировщик турбины захотел, они могли бы спроектировать турбину для работы до 40 м/с. Но для большинства объектов, на которые они нацелены с помощью своих турбин, с экономической точки зрения имеет больше смысла спроектировать их для более низкой скорости ветра, при которой прекращается отключение», — говорит она.
На многих объектах по всему миру, где работают турбины, всего несколько часов в год может дуть ветер 25 м/с и более. Для таких станций не имеет смысла создавать очень прочные турбины.
«Challenergy нацелена на применение, которое не ориентировано на современные ветряные турбины. Это ни хорошо, ни плохо, это просто означает, что Challenergy необходимо убедиться, что экономика работает для их применения», — говорит Бирн.
Стоимость турбин Challenergy составляет 250 000 долларов, что дорого, если учесть, что небольшие стандартные винтовые ветряные турбины сопоставимой мощности обычно стоят десятки тысяч долларов. Большие коммерческие ветряные турбины стоят более 2 миллионов долларов, но, поскольку они вырабатывают мегаватты энергии, они, как правило, более экономичны в долгосрочной перспективе.
Кобаяши соглашается, что средняя скорость ветра для объекта очень важна для определения того, какая турбина имеет финансовый смысл. Для мест, где высокая скорость ветра наблюдается лишь изредка, турбины Challenergy были бы дорогостоящим случаем чрезмерной инженерии. Однако, если ветряная турбина может вырабатывать электроэнергию дольше, когда другие турбины могут не работать из-за высокой скорости ветра или турбулентности, тогда такая турбина может пригодиться.
Филиппины, страна Азии, наиболее подверженная тайфунам, могут стать хорошим местом для установки этих надежных турбин и по другим причинам. Во многих районах Филиппин маломасштабные дизельные генераторы являются обычным явлением, но доставка дизельного топлива через архипелаг увеличивает расходы — особенно для более удаленных островов, — что делает альтернативы возобновляемых источников энергии более привлекательными. Местные филиппинские правительства обязались приобрести семь турбин Challenergy, которые станут частью ряда микросетей.
Эти микросети будут включать солнечную технологию, а также ветряную турбину Challenergy, которая будет заряжать батареи, а также дизельные генераторы. В контексте микросетей Бирн говорит, что небольшая, прочная и высоконадежная турбина могла бы стать очень хорошим применением этой технологии.
«Надежность и капитальные затраты на ежегодно производимую энергию будут первоочередной задачей», — говорит Бирн. «Если утверждения [Симидзу] о высокой надежности и высоком коэффициенте мощности верны, то это может быть довольно убедительно».
Бирн заключает, что для любой ветряной турбины клиенты должны иметь возможность рассчитать, сколько энергии можно ожидать, вырабатываемой каждый год. По ее словам, поставщики турбин должны предоставить кривую мощности: график, показывающий, насколько большой будет электрическая мощность при разных скоростях ветра. Обладая этой информацией, покупатели могут рассчитать, подходит ли конкретная турбина для конкретного объекта.
Глобальное потепление окажет глубокое воздействие на океаны и экстремальные погодные явления. В отчете Межправительственной группы экспертов по изменению климата 2019 года отмечается, что экстремальные явления Эль-Ниньо и Ла-Нинья, вероятно, будут происходить чаще. Для Филиппин это может привести к более интенсивным тайфунам с большей частотой. Уже за последние 37 лет тайфуны, обрушивающиеся на Восточную и Юго-Восточную Азию, усилились на 12-15%, а доля штормов четвертой или пятой категорий увеличилась вдвое или даже втрое. Шан-Пинг Се, соавтор этого исследования, отмечает, что это самые сильные тайфуны, которые становятся все более частыми.
«Повышение уровня моря и усиление циклонов будут представлять серьезную опасность для прибрежных сообществ», — говорит Се.
Ю Косака, доцент кафедры глобальной динамики климата Токийского университета, говорит, что общее количество тайфунов, приближающихся к Японии, не изменилось, но в последнее время наблюдается непредсказуемость их пути.
«В последние несколько лет мы видели необычные следы тайфунов и их выходов на берег в менее подготовленных регионах», — говорит она. «Тайфуны обычно обрушиваются на западную часть Японии, поэтому эти регионы лучше подготовлены к ним. Но в последние несколько лет на восток и север Японии обрушилось больше тайфунов».
Также увеличилось количество чрезвычайно сильных внетропических циклонов (иногда известных как «бомбовые циклоны» или «взрывные циклоны»), проходящих вблизи страны.
В этом свете создание турбины, которая сможет выдержать последствия изменения климата, — устрашающая перспектива. Но турбина, которая могла бы противостоять этим тайфунам, стала бы необходимым спасательным кругом. Турбина Симидзу уже пережила первые ураганы, и инженер полон надежд. Остается вопрос, сможет ли темп развития турбинных технологий идти в ногу со скоростью, с которой нарастают сильные штормы.
