Жизненный цикл высотных стальных ветротурбинных башен

В этой методологии конечные продукты рассматриваются и оцениваются с точки зрения их воздействия на окружающую среду на всем протяжении их жизненного цикла, от добычи сырья до окончания срока службы

Некоторые из наиболее катастрофических событий последнего времени были связаны с изменением климата, вызванным глобальным потеплением. Одной из основных причин которого является чрезмерное выделение CO₂ в сочетании с параллельным увеличением спроса на энергию.

В связи с тем, что энергетические отчеты показывают увеличение выбросов углекислого газа, в первую очередь от сжигания ископаемого топлива, наблюдается растущее беспокойство по вопросам стоимости и безопасности, связанными с ископаемой энергией.

Это привело к экспоненциальному росту использования возобновляемых источников энергии, как альтернативы ископаемым видам топлива. Возобновляемые источники энергии, свободные от выбросов CO₂, многими считаются идеальными технологиями для устранения последствий парникового эффекта и ограничения степени загрязнения воды и воздуха.

Мировой спрос на энергию постоянно растет, и производство возобновляемых источников энергии становится все более важным, чем когда-либо. Эта потребность отражена в современной директиве Европейской комиссии, которая устанавливает цель достичь, по меньшей мере 27% общего потребления энергии, поступающей из возобновляемых источников энергии, к 2030 году.

Благодаря своему огромному потенциалу, ветер считается наиболее перспективным возобновляемым источником энергии, занимая второе место в энергогенерирующих мощностях, установленных на территории Европы в 2018 году.

На сегодняшний день ветроэнергетика составляет 18,8% от общей установленной энергетической мощности ЕС и, по прогнозам, в 2019 году она обгонит природный газ, который сейчас находится на первой позиции. Ожидается, что объектов генерации на традиционных источниках энергии (ископаемое топливо, нефть, уголь) будет выведено из эксплуатации больше, чем будет введено. Ветроэнергетика напротив, демонстрирует обратную направленность. За 2018 год в ЕС 48% всех введенных в эксплуатацию мощностей пришлось на энергию ветра.

Увеличение количества ветряных установок за последнее десятилетие было беспрецедентным, утроение мощности по производству электроэнергии, с   ̴66 ГВт в 2008 году до 189 ГВт в 2018 году, по данным Европейской ежегодной статистики. При расчете суммарного экологического воздействия энергогенерирующих установок следует учитывать не только стадию эксплуатации, на которой возобновляемые источники энергии преимущественно показывают нулевые выбросы диоксида углерода, но и стадии их изготовления, транспортировки, монтажа и демонтажа.

Отмечается, что для установок, производящих возобновляемую энергию, большая часть их воздействия на окружающую среду является результатом производственных и монтажных процессов. Поскольку все формы производства энергии основаны на преобразовании природных ресурсов, то существуют и экологические последствия.

При принятии решений по инвестированию, планированию и развитию энергосистем необходимо обеспечить учет всех аспектов, оценивая и сравнивая альтернативные решения. Анализ жизненного цикла (АЖЦ) - это целостная методология, которая может быть использована в качестве инструмента для выявления этих потенциальных экологических воздействий, связанных с энергетическими системами, и для расчета показателей их устойчивости на ранних стадиях развития.

В этой методологии конечные продукты рассматриваются и оцениваются с точки зрения их воздействия на окружающую среду на всем протяжении их жизненного цикла, от добычи сырья до окончания срока службы.

Ветровые электростанции, как инвестиции в производство энергии с высоким экономическим эффектом, обычно оцениваются только с точки зрения безопасности и надежности, чтобы выдерживать ветровые нагрузки на всех этапах, от строительства до эксплуатации, в том числе и в экстремальных условиях.

Даже в тех случаях, когда для ветрогенераторов проводится анализ воздействия на окружающую среду, применяемые методологии учитывают лишь ограниченное число этапов жизненного цикла. АЖЦ, будучи целостной методологией, способна исследовать и количественно оценивать, как прямое, так и косвенное воздействие на окружающую среду, принимая во внимание все этапы жизненного цикла продуктов и услуг.

Используя преимущества АЖЦ, для сравнения воздействия на окружающую среду различных продуктов, были исследованы выбросы в атмосферу и воду ветряной электростанции, а потом сопоставлены с выбросами других систем выработки энергии.

Результаты АЖЦ для ветротурбинных башен обычно оцениваются методом расчета различных экологических показателей, например, потенциал глобального потепления (ПГП), потенциал подкисления (ПП), потенциал эвтрофикации и время окупаемости затрат энергии.

Под временем окупаемости затрат энергии понимается время, в течение которого должна функционировать ветроэнергетическая система для получения необходимого количества энергии на протяжении всего срока службы конструкции, то есть от производства до демонтажа. Этот срок окупаемости рассчитывается, как отношение суммарных первичных энергетических потребностей системы на протяжении всего ее жизненного цикла к суммарной годовой вырабатываемой ею мощности.

В большинстве случаев, согласно АЖЦ, продолжительность жизни ветротурбин была принята равной 20 годам и прописана в ISO 14040 и ISO 14044. Почти во всех случаях, представленных в литературе, расчётные индексы энергетической окупаемости для ветровых турбин составляют менее 1 года.

Результаты АЖЦ обычно представлены в процентных диаграммах и обычно сгруппированы либо по структурным компонентам (например, фундамент, башня, гондола, ротор), либо по фазам жизненного цикла (например, производство, транспортировка, монтаж, эксплуатация/техническое обслуживание, демонтаж).

Наибольшее воздействие на окружающую среду во всех исследованных случаях оказывает стадия изготовления ветрогенераторов, за которой следует транспортная фаза. Наименьшее влияние приписывается стадии эксплуатации турбин.

Была проведена тщательная научная работа по оценке устойчивости стальной конструкции, предназначенной для морских ветровых турбин. Были сделаны некоторые ценные выводы относительно воздействия энергии ветра на окружающую среду методом сравнения сроков окупаемости и выбросов CO₂ турбин с различной мощностью производства электроэнергии, большой 4,5 МВт и небольшой 250-ваттной ветротурбины.

Размер ветровых турбин, по-видимому, не является решающим фактором в оптимизации их энергетических характеристик жизненного цикла. Несмотря на то, что количество стали, необходимой для строительства ветровых турбин, велико, компонентом с наибольшим воздействием на окружающую среду является фундамент башни, поскольку потенциальная переработка или повторное использование стальных компонентов может привести к снижению воздействия на окружающую среду и, при современных технологиях, почти 80% ветроэнергетической системы может быть переработано-практически полностью, кроме бетонного фундамента и композитных лопастей.

Для береговых ветроэлектростанций преобладающей конструктивной конфигурацией остаются горизонтально-осевые ветрогенераторы, где башня состоит из цилиндрических частей, соединенных между собой болтовыми фланцами с помощью предварительно напряженных болтов.

Хотя цилиндрические оболочки имеют большие преимущества с точки зрения отношения несущей способности к толщине оболочки, которую можно сделать более тонкой, локальные явления выпучивания могут быть катастрофическими, поэтому увеличение их толщины для обеспечения запаса прочности в большинстве случаев неизбежно.

В связи с тем, что спрос на энергию постоянно растет, современные установленные ветрогенераторы должны иметь повышенную эффективность и энергетическую мощность. Для того чтобы достигнуть увеличения емкости производства электроэнергии, ветротурбины строят, используя более длинные лезвия и большую высоту башни, для того чтобы иметь преимущество в более ровной подачи ветра, совмещенной с более высокими его скоростями на больших высотах.

Все альтернативные решения, с использованием либо внутреннего упрочнения, либо конфигурации решетки, были изучены с точки зрения конструктивных характеристик и оказались достаточно прочными для выдерживания больших нагрузок из-за более высоких скоростей ветра и большей массы гондолы, больших роторов и более длинных лопастей.

Воздействие на окружающую среду классических трубчатых стальных ветротурбинных башен увеличивается экспоненциально, так как увеличивается и количество стали, и размер основания башни. Поэтому очень интересно сравнить экологическое воздействие трубчато-башенного решения с решетчатым, так как инновационный подход к монтажу также приводит к экономии энергии и может привести к решению, которое выходит далеко за рамки снижения воздействия на окружающую среду, вытекающего из минимизации используемого материала.

Для береговых ветротурбинных башен обычно учитываются следующие стадии жизненного цикла:

- производство;

- транспортировка;

- строительство/монтаж;

- эксплуатация и демонтаж.

Методология анализа жизненного цикла

АЖЦ реализуется путем увязки всех экологических последствий с приобретением материала, переработкой, производством, использованием, утилизацией или рециркуляцией на этапе окончания срока службы. Такой подход имеет важное значение для устойчивого проектирования систем и поэтому используется как директивными органами, так и промышленными партнерами для разработки продукции и управления устойчивыми системами.

В принципе, при проведении АЖЦ для систем или продуктов, шаги, которые должны быть выполнены следующие:

- определения системных границ, требований и предположений;

- сбор данных для всех системных ресурсов и вывод результатов;

- определение параметров, используемых для оценки воздействия на окружающую среду;

- оценка результатов.

Источник: Н. Ставриду, Е. Кольцакис, С. К. Баниотопулос, сравнительный анализ жизненного цикла высотных береговых стальных ветротурбинных башен, Чистая энергия, zkz028, https://doi.org/10.1093/ce/zkz028