Электростанция Fukushima Mirai на службе восстановления пострадавшего региона

Ещё больше установок в следующем году

Примерно в 20 километрах от побережья городка Нараха, в водах, где глубина океана составляет около 120 метров, начала выработку электроэнергии плавучая океанская ветроэлектрическая установка Fukushima Mirai ("Фукусима будущего"). Получаемая электроэнергия подаётся на берег через проложенный по дну кабель, вливаясь в сеть электроэнергетической компании Tohoku Electric Power поблизости от тепловой электростанции в городке Хироно электроэнергетической компании Tokyo Electric Power. Мощность ветряной электростанции достаточна для того, чтобы удовлетворить потребность в электроэнергии приблизительно 1700 домохозяйств.

Три сорокаметровых лопасти пропеллера ветроэлектрической установки описывают круги диаметром 80 метров. Установка с подветренной ориентацией пропеллера относительно несущей башни создана компанией Hitachi. Верхняя точка окружности вращения лопастей находится на высоте 106 метров над уровнем моря. Это соответствует высоте небоскрёбов токийского района Синдзюку. Плавучая платформа высотой 32 метра, несущая на себе ветрогенератор, изготовлена компанией Mitsui Engineering & Shipbuilding.

Fukushima Mirai — океанская плавучая ветроэлектрическая установка с подветренной ориентацией пропеллера мощностью 2000 кВт. (фотография предоставлена Fukushima Offshore Wind Consortium)

Примерно в двух километрах от ветрогенератора в океане размещена подстанция Fukushima kizuna (Узы Фукусимы), где находится трансформаторное оборудование для преобразования вырабатываемой электроэнергии в ток высокого напряжения для последующей передачи на сушу, а также башня наблюдения и измерения скорости и направления ветра. Она возвышается над поверхностью океана на 60 метров. Впервые в мире трансформаторную станцию на 66 кВ разместили на плавучем океанском объекте.

В 2014 финансовом году к этому хозяйству добавятся ещё две ветроэлектрические установки самой большой в мире мощности — 7000 кВт каждая. Они будут находиться по обе стороны от ветрогенератора Fukushima Mirai на удалении 1,6 км. Длина лопастей сверхкрупных пропеллеров этих устройств будет составлять 82 метра, а диаметр описываемой трёхлопастными пропеллерами окружности составит 164 метра. Их изготовит компания Mitsubishi Heavy Industries. 187-метровая высота установок над уровнем моря будет сопоставима с высотой небоскрёба Shinjuku i-Land Tower (189 м, 44 этажа). Таким образом, над водами океана поднимутся гигантские плавучие сооружения, которым не страшны никакие волны.

Океанская плавучая подстанция Fukushima Kizuna (фотография предоставлена Fukushima Offshore Wind Consortium)

Мировой мейнстрим - сооружения с фундаментом на морском дне

Причина, по которой Fukushima Murai привлекает особое внимание, заключается в том, что оборудование ветряной генерации электроэнергии размещено в океанских водах на плавучей базе на большом удалении от береговой линии. Подобно гигантскому поплавку, сооружение с ветрогенератором плавает на поверхности океана. Чтобы ветроэлектрическую установку не сносило морскими течениями, конструкция при помощи якорей и тросов крепится ко дну.

До сих пор общераспространённым методом было размещение вырабатывающих электроэнергию установок на сооружениях с донным фундаментом. Именно таким методом строят практически все морские генерирующие объекты в Европе, где имеются обширные морские районы с глубиной около 20 метров. В конструктивном плане такой метод имеет ограничение по глубине порядка 30 метров, на более глубоких морских участках строительство установок этого типа чересчур сложно.

Именно недостаточным количеством мелководных морских районов, подходящих для строительства сооружений с фундаментом на морском дне, обусловило отставание, с которым Япония приступила к работе по освоению морской ветровой энергии. Появление возможности размещения генерирующих объектов на глубоководных участках превращает слабость позиций Японии в данной сфере в преимущество.

Япония занимает шестое место в мире по совокупной площади территориальных морских вод и эксклюзивной экономической зоны. Здесь таятся колоссальные возможности: потенциал океанской генерации электроэнергии с использованием силы ветра составляет 1 млрд 600 млн кВт, что восьмикратно превышает суммарную мощность генерирующих объектов всех десяти электроэнергетических компаний страны (по данным исследования потенциала использования возобновляемых источников энергии Министерства по делам окружающей среды Японии). Для Японии такой источник энергии — просто подарок судьбы.

Fukushima Mirai. Видеоролик от 6 ноября (предоставлен Fukushima Offshore Wind Consortium).

Увеличение размеров благодаря гидравлическому приводу компании Mitsubishi Heavy Industriies

Между тем, технологии, необходимые для строительства плавучих океанских ветроэлектрических установок, уже существуют и опробованы в деле. Достаточно лишь воспользоваться технологическим опытом строительства плавучих буровых платформ для разработки месторождений нефти и газа на морском дне. Располагает Япония и технологией создания подводных линий электропередачи, которая необходима для подачи на сушу выработанной морскими ветроэлектрическими установками энергии. Хватает и крупных компаний, располагающих любыми технологиями, имеющими отношение к такому строительству.

Проблема состоит в огромных первоначальных затратах. Очень велики строительные затраты на сооружение и установку в глубоководных районах объектов генерации. К тому же, неизмеримо выше по сравнению с аналогичными наземными объектами и затраты на техобслуживание. Единственным способом сократить эти издержки является создание более мощных установок с более крупным пропеллером.

Именно эту задачу и выполнила компания Mitsubishi Heavy Industriies. Фирма разработала способ передачи электрическому генератору создаваемой пропеллером силы вращения при помощи гидравлического давления масла — гидравлический масляный силовой привод — вместо шестерёнчатого механического привода. Эта технология, уже задействованная на демонстрационной наземной ветряной электроустановке в Великобритании, будет использована и в двух ветроэлектрических установках мощностью 7000 кВт каждая, которым предстоит войти в строй в 2014 финансовом году. Первая будет называться Fukushima Shimpu ("Новый ветер Фукусимы").

При создании этого привода в основу легла технология британского венчурного предприятия Артемис (Artemis Intelligent Power, Ltd.), которое компания Mitsubishi Heavy Industriies приобрела в 2010 году. Помимо возможности контроля и точной регулировки в цифровом режиме, преимущество этой технологии заключается в том, что она не требует использования механического редуктора, для техобслуживания и ремонта которого необходимы крупные механизмы. Увеличение линейных размеров пропеллера требует повышения передаточного числа редуктора — механизма, подверженного поломкам. Это серьёзный технологический барьер. Применение гидравлического силового привода стало решением данной задачи, позволив избавиться от механического редуктора. Это существенно облегчило работу по созданию установок мощностью порядка 10 000 кВт.

Ожидаемый рост мирового рынка за 20 лет — более 4 трлн иен

Согласно данным частной компании рыночных исследований Fuji Keizai Management из Токио, мировой рынок океанской ветровой генерации электроэнергии, величина которого в 2011 году составляла 386 млрд 400 млн иен, в 2020 году увеличится до 4 трлн 344 млрд 200 млн иен. В 2030 году прогнозируют спрос на уровне 3 трлн 087 млрд 500 млн иен.

Преимущество выработки электроэнергии на океанских ветряных электростанциях заключается в том, что над водой дуют сильные и постоянные ветры. Если коэффициент использования наземных ветровых электростанций составляет около 20%, то у ветроэлектростанций океанского базирования этот показатель гораздо выше — в диапазоне от 30 до 40 процентов. Тем самым они предоставляют возможность обеспечить стабильные поставки электроэнергии.

Лидерами развития мировой морской ветроэнергетики являются страны Европы, в первую очередь Великобритания. Там этот источник энергии рассматривают в качестве замены нефти с месторождений в Северном море, которые начинают истощаться. В 2007 году британское правительство провозгласило план создания мощностей океанской ветроэнергетики совокупной величиной 33 млн кВт к 2020 году (объём инвестиций оценивается приблизительно в 13 трлн иен). До 2020 года планируется установить более 7000 морских ветряных электроустановок, которые будут вырабатывать электроэнергию, достаточную для покрытия одной трети общего энергопотребления страны.

4 июля 2013 года в водах в 20 километрах от юго-восточного британского побережья началась эксплуатация электростанции London Array c ветряными установками на донном фундаменте. Их суммарная мощность составляет 630 тыс. кВт, что примерно соответствует мощности одного ядерного реактора. Это крупнейшая морская ветряная электростанция из всех действующих в мире в настоящее время. Она снабжает электроэнергией 500 тысяч домохозяйств Великобритании.

175 ветроэлектрических установок (выходная мощность каждой 3600 кВт, длина лопастей пропеллеров 60 метров, диаметр описываемой лопастями окружности 120 м) и оборудование, связывающее их в единую систему, поставлены немецкой компанией Siemens AG. Эта же фирма совместно с датской энергетической компанией Dong Energy предоставляет услуги по долгосрочному техническому обслуживанию электростанции. Бизнес по передаче энергии находится в совместном управлении британской компании по инвестированию в инфраструктурные объекты и японской фирмы Mitsubishi Corporation.

Возрождение Фукусимы стало движущей силой для преодоления «долины тихой гибели идей»

Опытно-демонстрационное предприятие Плавучая ветряная электростанция побережья префектуры Фукусима является государственным проектом, призванным символизировать становление Фукусимы в качестве передового рубежа освоения возобновляемых источников энергии. Проект ставит целью практическое воплощение ведущей мировой технологии океанской плавучей ветроэнергетики.

В консорциум, который занимается реализацией этого проекта по поручению Министерства экономики, торговли и промышленности Японии, входят 11 предприятий и организаций: торговая компания Marubeni Corporation, Токийский университет, Mitsubishi Corporation, Mitsubishi Heavy Industriies, Ltd., Japan Marine United Corporation, Mitsui Engineering & Shipbuilding Co., Ltd., Nippon Steel & Sumitomo Metal Corporation, Hitachi, Ltd., Furukawa Electric Co., Ltd., Shimizu Corporation, Mizuho Information & Research Institute, Inc. Реализация проекта осуществляется в два этапа: 1-й с 2011 по 2013 финансовый год, 2-й — с 2014 по 2015 финансовый год. Общая стоимость проекта 18 млрд 800 млн иен, из которых уже израсходовано 12 млрд 500 млн иен.

Исихара Такэси (профессор аспирантуры Токийского университета; специализация: инженерно-технические исследования для строительства общественной инфраструктуры)

Между тем, этот проект создания океанской плавучей ветряной электростанции, реализацией которого сейчас занимается консорциум первоклассных компаний, обладающих самыми передовыми технологиями создания ветровых турбин, плавучих объектов, линий электропередачи, производства стали и т. д., интегратором которого выступает торговая компания Марубэни, десять лет назад считался проектом, имеющим мало шансов быть воплощённым в жизнь.

Идейный вдохновитель проекта, профессор Токийского университета Исихара Такэси, который сейчас является техническим консультантом консорциума, вспоминает об этом так:

 — Самой большой трудностью было заручиться поддержкой частных предприятий. Нам неоднократно оставалось только разводить руками, услышав от компаний очередное "невозможно". Правительству Японии также стоило больших трудов изыскать средства для финансирования проекта. Отношение несколько изменилось после стихийного бедствия и ядерной аварии марта 2011 года, но даже с учетом нашей активной работы после этих событий, времени ушло очень много.

Кроме того, в реальной жизни даже когда разрабатываются превосходные технологии, дело крайне редко доходит до стадии их опытно-практической реализации. Проверка на практике требует как колоссальных финансовых затрат, так и времени, поэтому зачастую прекрасные идеи так и остаются лишь на бумаге. Новая технология становится полезной для общества и приносит экономическую отдачу только тогда, когда удается преодолеть эту "долину тихой гибели идей", однако случается это нечасто. Поэтому тот факт, что на этот раз нам удалось через неё прорваться, имеет огромное значение, — эти слова профессора производят особенно сильное впечатление.

 — Движущей силой, позволившей совершить этот прорыв, стало возрождение префектуры Фукусима, — продолжает професор Исихара — Мы хотим создать индустрию использования возобновляемых источников энергии, сопоставимую с атомной энергетикой. В конечном счете, префектуру Фукусима не удастся возродить, если не будут созданы тысячи рабочих мест, — горячо подчёркивает он.

Выгоды для смежных отраслей и экспортные перспективы

Ввиду того, что ветряная энергетика наряду с автомобильной промышленностью и производством бытовых электроприборов сопряжена с обширной сферой смежных отраслей промышленности, а также с учетом наличия крупных предприятий, обладающих большим объёмом сопутствующих технологий, в использовании энергии ветра заключен потенциал развития в многообещающий ориентированный на экспорт сектор национальной индустрии. Поэтому 14 июня 2013 года правительство Японии сформулировало политику развития ветряной энергетики в принятой кабинетом министров «Стратегии возрождения Японии», поставив задачу «стремиться к развёртыванию коммерческого производства электроэнергии на океанских плавучих электростанциях приблизительно к 2018 году».

Каждая ветряная электроустановка насчитывает от 10 до 20 тысяч деталей, что сопоставимо с автомобилями и некоторыми электроприборами. Поэтому с ростом масштабов ветроэнергетики будет существенно возрастать и спрос на такие детали и материалы. Во многом компоненты и комплектующие ветряных электроустановок сходны с теми, что используются в самолётах, автомобилях и кораблях, поэтому данный рынок весьма привлекателен и для уже существующих промышленных предприятий смежных сфер производства.

Губернатор Сато Юхэй (слева) и заместитель министра экономики, торговли и промышленности Акаба Кадзуёси нажимают кнопки запуска ветряной электростанции (город Иваки, Онахама)

Префектура Фукусима ставит целью создавать рабочие места путём формирования крупного отраслевого кластера из промышленных предприятий по производству океанских ветрогенераторов, исследовательских учреждений и прочих производств на обширном пространстве в бухте Онахама (город Иваки) и на побережье Хамадори к северу от неё. «У нас пока нет практических достижений в области использования энергии ветра, однако после завершения опытно-демонстрационного этапа, когда будет принято решение о коммерческом использовании этой технологии, здесь начнётся большая работа», — судя по этим словам, в Отделе создания новых предприятий Управления промышленности, торговли и труда администрации префектуры Фукусима с проектом связывают большие ожидания.

Губернатор префектуры Фукусима Сато Юхэй на церемонии начала работы электростанции выразил свои надежды такими словами:

 — В целом ситуация, в которой оказалась префектура в связи с ядерной аварией, очень сложная. Мы намерены полностью восстановить префектуру путём создания новой индустрию, превратив побережье Хамадори в своего рода Мекку ветроэнергетики.

Успех или поражение зависит от сосуществования с рыболовецкой отраслью

Важными задачами опытно-экспериментальной эксплуатации являются отработка вопросов наблюдения за атмосферой и морем, а также прогнозирования степени качки плавучих объектов, отработка технологии генерации и преобразования электрической энергии на океанских плавучих объектах, создание сталей с высокими функциональными характеристиками и решение других подобных технологических проблем. Однако есть и ещё более серьёзная задача — заручиться пониманием и согласием со стороны общества, оценив различные факторы воздействия на окружающую среду: безопасность для биоресурсов, навигации в окружающих водах, уровень шумового и электромагнитного загрязнения, изменение вида побережья, и т. п.

Судя по всему, в особенно значительной степени успех или неудача проекта будет зависеть от того, удастся ли заручиться пониманием со стороны представителей рыболовецкой отрасли. Их беспокоит, что траловые сети будут цепляться за якорные тросы и якоря, а также за кабели электропередачи.

Однако в наши дни разработана и испытана технология использования датчиков, которые позволяют избегать зацепления сетей. Якоря и тросы будут удалены по завершении опытно-демонстрационной эксплуатации. А кабель был проложен на морском дне с применением специальных установок для разжижения донного песка, благодаря чему удалось заглубить его в дно на 1 метр.

— Все эти проблемы вполне решаемы при помощи уже существующих технологий. Однако нам необходимо на деле продемонстрировать рыбакам, что мы это действительно можем. Вот почему было решено доказать всё на практике. Мы пришли к согласию насчет того, что в течение ближайших двух лет мы будем вести совместный лов рыбы, чтобы на деле убедиться в отсутствии проблем, — говорит профессор Исихара. Доказать на практике возможность благополучного взаимного сосуществования с рыбаками — очень важная задача.

— После ядерной аварии рыболовство в префектуре все ещё ведётся только в пробном режиме. Мы надеемся, что ветряная электростанция станет существенной опорой и для возрождения рыболовецкого промысла, — отмечает Нодзаки Тэцу, председатель Ассоциации рыболовецких кооперативов префектуры Фукусима.

Председатель рыболовецкой ассоциации префектуры Фукусима Нодзаки Тэцу выступает с приветствием на церемонии начала работы ветроэлектростанции

Однако это отнюдь не означает, что беспокойство рыбаков префектуры полностью сошло на нет. По словам одного из представителей проекта, в следующем году, когда на электростанции добавятся еще две ветровые электроустановки и в море будут находиться три ветряка, отношение к ним может измениться. Заручиться согласием со стороны общественности на практике представляется отнюдь не простой задачей. Возможно, именно она окажется главным вопросом опытно-демонстрационной эксплуатации плавучей ветряной электростанции.

Подготовка материалов и текст: Нагасава Такааки (Журналист и старший редактор Nippon.com)

Фото к заголовку: Плавучая подстанция Fukushima Kizuna (фотография предоставлена Fukushima Offshore Wind Consortium)

(Оригинал опубликован на японском 15 ноября 2013 г.)