Японские инженеры надеются построить ветряные турбины, которые смогут противостоять самым страшным тайфунам в мире и вырабатывать электроэнергию даже в условиях стихийного бедствия. 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.

«До шести утра я слышал, как моя мама кричит и кричит», - вспоминает Энгрейнс об утре, когда ударила Иоланда. «Я уже заметил воду в нашем доме. Волны были очень высокими».

Тайфун Хайян вызвал штормовой нагон - пальмы вырвало с корнем ветром, скорость которого достигла 314 км /ч (195 миль в час), и были сорваны крыши. Более 6300 человек погибли во время шторма, еще тысячи были вынуждены покинуть свои дома. Для тех, кто выжил, недостаток силы усложнил процесс восстановления своей жизни.

Энгрейнс говорит, что ее район был без электричества в течение двух месяцев после тайфуна. «В некоторых областях им потребовалось даже три месяца», - говорит она. «Но обычно, как и до Хайяна, электричество у нас нестабильно». Для Филиппин надежное электроснабжение является проблемой для многих островов архипелажной страны, а тайфуны усугубляют ситуацию. После стихийного бедствия, когда электроэнергия больше всего нужна, ее труднее всего обеспечить. Но новый ответ могут дать инженеры 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, идеальное место для этих надежных ветряных турбин - это где-нибудь, например, в Восточном Самаре, где надежного электричества не хватает.

Но изначально Симидзу вдохновил не тайфун Хайян. Это было еще одно стихийное бедствие, глубоко затронувшее японцев. Землетрясение 2011 года в Тохоку (или Сендай) 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.

С 9 по 13 октября тайфун Хагибис оставил без электричества более 270 000 домашних хозяйств и нанес в Японии убытки, превышающие 15 миллиардов долларов (11 миллиардов фунтов стерлингов).

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% приходится 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.

Согни его, как Магнус

По словам Йоко Кобаяши, менеджера проектов Japan Wind Development, одного из крупнейших разработчиков ветроэнергетики в стране, существует множество препятствий, которые замедлили внедрение ветроэнергетики в Японии. Один из них - тайфуны. В 2019 году тайфун Хагибис стал одним из самых сильных и крупнейших 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 (11 миллиардов фунтов стерлингов).

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 дизайн Симидзу основан на вертикальной оси, с цилиндрами вместо лезвий, и в которых используется физический феномен, известный 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 коснуться ракетки 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 таким образом, что она будет вращаться только в том случае, если эти цилиндры вращаются и дует ветер. По данным Challenergy, в то время как для вращения двигателей требуется подводимая энергия, это составляет лишь примерно 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 определяем 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 вредное воздействие 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 венцовидных 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 (метров в секунду) - 96-100 миль в час - во время шторма. Они утверждают, что их устройство может выдерживать ветер до 70 м / с (156 миль в час), но имеет верхний рабочий предел 40 м / с (89 миль в час). Чтобы представить это в перспективе, у тайфуна Хагибис был 10-минутный устойчивый ветер со скоростью 54 м / с (120 миль в час) и одноминутный устойчивый ветер со скоростью       72 м/с (160 миль в час).

Большинство пропеллерных турбин сегодня имеют рабочий предел около 20-30 м / с (44-67 миль в час). 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 решил, что он также может спроектировать турбину для работы со скоростью до 40 м / с. Но с экономической точки зрения для большинства объектов, на которые они нацелены с помощью своих турбин, более разумно спроектировать их для более низкой скорости ветра при отключении, - говорит она.

Держать свет включенным

На многих объектах по всему миру, где работают турбины, всего несколько часов в год может быть ветер 25 м / с (56 миль в час) или более. Для таких сайтов не имеет смысла создавать очень прочные турбины. «Challenergy нацелена на применение, которое не нацелено на современные ветряные турбины. Это ни хорошо, ни плохо, это просто означает, что Challenergy необходимо убедиться, что экономика работает для их приложения », - говорит Бирн.

Стоимость турбин Challenergy составляет 250 000 долларов (190 000 фунтов стерлингов), что является дорогостоящим, если учесть, что небольшие стандартные винтовые ветряные турбины сопоставимой мощности обычно стоят десятки тысяч долларов. Большие коммерческие ветряные турбины стоят более 2 миллионов долларов (1,5 миллиона фунтов стерлингов), но, поскольку они генерируют 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 возобновляемым источникам 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 Брюн. «Если утверждения [Симидзу] о высокой надежности и высоком коэффициенте мощности верны, то это может быть довольно убедительно».

Брайн 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, обрушившиеся 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 надеется. Остается вопрос, сможет ли темп развития турбинных технологий идти в ногу со скоростью, с которой нарастают сильные штормы.

Incatalog.kz

Перевод сатьи: Султанова Алия