Potencjał rozwoju i problemy energetyki wiatrowej

Potencjał energetyczny wiatru

Dzięki obecnemu rozwojowi techniki energia wiatru jest jednym z najobfitszych źródeł energii na Ziemi, niemal niewyczerpalnym, Energia wiatru to rodzaj energii mechanicznej możliwej do niezwłocznego wykorzystania oraz przetworzenia na energię elektryczną. Rozwiązano również większość problemów technologicznych związanych z budową i uruchamianiem siłowni wiatrowych. Niestety w dalszym ciągu największym problemem jest stabilność i przewidywalność warunków wiatrowych [1].

Określenie potencjału energii wiatru wymaga najczęściej wieloletnich badań. Do nawet ogólnego oszacowania siły wiatru, kierunku i częstości występowania oraz energii konieczna jest przynajmniej 10-letnia seria badań. Dodatkowo przy ocenie panujących w danym miejscu warunków wiatrowych należy zwrócić uwagę na warunki panujące w bezpośredniej okolicy, które wpływają na wyciszenie lub spotęgowanie siły wiatru [1].

Światowe zasoby energii wiatru technologicznie możliwe do wykorzystania ocenia się na ok. 53 tys. TWh/rok. Taka ilość energii w zupełności wystarczyłaby na zaspokojenie rocznych globalnych potrzeb energetycznych. W Europie najkorzystniejsze warunki wiatrowe występują w Danii, Wielkiej Brytanii, Holandii oraz na północnym wybrzeżu Francji. Sprzyjające uwarunkowania przekładają się bezpośrednio na zainstalowane moce oraz odsetek wykorzystywanej energii wiatru.

Z badań wynika, że również ponad 60% powierzchni Polski ma dobre warunki do korzystania z odnawialnego źródła energii, jakim jest wiatr. Obszarami o największym potencjale energetycznym są Pomorze oraz północno-wschodni kraniec kraju. Bardzo odpowiednimi lokalizacjami pod budowę elektrowni wiatrowych są również: Beskid Śląski i Żywiecki, nizinna część Polski, a w szczególności środkowa część Pojezierza Wielkopolskiego, dolina rzeki San oraz Bieszczady wraz z Pogórzem Dynowskim. Na terenach tych notowane są średnie roczne prędkości wiatru na poziomie znacznie przewyższającym 4 m/s [2]. Badania prowadzone w ramach Europejskiego Atlasu Wiatrowego pokazały, że polska część wybrzeża Bałtyku ma warunki wietrzne porównywalne do duńskich czy holenderskich, podczas gdy dalsza północna część Polski odpowiada warunkom wietrzności notowanym w środkowej części Niemiec [3]. Na rys. 1 przedstawiono strefy energetyczne wiatru występujące w Polsce.

Rozwój energetyki wiatrowej

Obecnie rozwój światowej energetyki wiatrowej dokonuje się w ramach dwóch podstawowych kierunków: lądowego i morskiego. Dodatkowo w ramach lądowej energetyki wiatrowej wyróżnić możemy energetykę wielkoskalową oraz małą (rozproszoną). Pierwsza z nich cechuje się najczęściej występowaniem dużych pojedynczych turbin wiatrowych o mocach przewyższających 1 MW lub farm wiatrowych, czyli zespołu kilku–kilkudziesięciu siłowni wiatrowych. Takie przedsięwzięcia nastawione są na produkcję dużej ilości energii elektrycznej sprzedawanej do sieci elektroenergetycznej. Mała energetyka wiatrowa opiera się z kolei na istnieniu pojedynczych turbin wiatrowych o mocach znacznie mniejszych (maks. 100 kW). Instalowane są one przede wszystkim w bezpośrednim sąsiedztwie terenów mieszkalnych i często pełnią funkcję alternatywnego źródła energii. Można je spotkać także w miejscach trudno dostępnych dla konwencjonalnej energetyki, bez łatwego dostępu do sieci [4].

Morska energetyka wiatrowa (off-shore) to stosunkowo nowe rozwiązanie. Polega na budowie elektrowni wiatrowych na obszarze morskich wód otwartych. Prędkość wiatru osiąga tam wyższe wartości, a wiatr jest bardziej stabilny. Według Global Wind Energy Council sumaryczna moc elektrowni wiatrowych na świecie w roku 2016 wynosiła 486,7 GW, a wartość nowych inwestycji – 54,6 GW. Na koniec 2016 roku liderem na świecie pod względem mocy elektrowni wiatrowych były Chiny. Dysponowały one farmami o mocy ponad 168 GW, co stanowiło 34,7% światowego udziału w rynku energetyki wiatrowej. Na drugim miejscu znalazły się Stany Zjednoczone z udziałem zaledwie 5% i 82,2 GW zainstalowanej mocy, dalej Niemcy (ok. 50 GW) i Indie (28,7 GW) [5].

Jeśli chodzi o typy turbin wiatrowych, znaczna większość instalowanych aktualnie siłowni wiatrowych to urządzenia o trzech łopatach i poziomej osi obrotu wirnika. Taka konfiguracja została uznana za optymalną. Rodzaje i rozmiary instalowanych turbin wiatrowych różnią się w zależności od panujących warunków, niemniej komercyjna energetyka wiatrowa zmierza do coraz wyższych wież i coraz większych turbin (o większych mocach znamionowych). Na rys. 2 zaprezentowano tempo i skalę rozwoju turbin wiatrowych na przestrzeni minionych lat. W ciągu 20 lat możliwa do osiągnięcia moc pojedynczej siłowni wiatrowej wzrosła prawie dwudziestokrotnie, natomiast koszt wyprodukowania jednostki energii zmalał pięciokrotnie.

Dane opublikowane przez Wind Europe za rok 2018 wskazują, że turbiny lądowe o największych mocach instalowane były w Norwegii – średnio 3,6 MW. Najniższą średnią moc znamionową, równą 2 MW, miały te montowane w Grecji i na Litwie, a średnia dla całej Europy wyniosła 2,7 MW. Osiągi turbin przybrzeżnych i morskich były znacznie większe: największa i średnia moc znamionowa nowych turbin wynosiły odpowiednio 8,8 oraz 6,8 MW. Największa turbina na świecie została zainstalowana w Wielkiej Brytanii, jej producentem jest duńska firma Vestas, a średnica wirnika wynosi 164 m [7].

W Europie według stanu na drugą połowę 2019 r. w elektrowniach wiatrowych zainstalowanych jest 189 GW mocy, ok. 10% z nich znajduje się na morzu. Krajem o największej podłączonej mocy są na kontynencie europejskim w dalszym ciągu Niemcy. Kolejne państwa to: Hiszpania, Wielka Brytania, Francja i Włochy. Polska wraz z Danią, Szwecją i Portugalią mogą się pochwalić ponad 5 GW mocy w siłowniach wiatrowych [7]. Na rys. 3 przedstawiono rozwój energetyki wiatrowej w Europie na przestrzeni 10 lat.

Liderem pod względem mocy elektrowni wiatrowych w Polsce jest województwo zachodniopomorskie (prawie 1,5 GW). Wiąże się to głównie z korzystnymi wiatrami wiejącymi w tamtym rejonie znad Bałtyku. Na kolejnych miejscach znajdują się województwa wielkopolskie i pomorskie, odpowiednio 687 i 685 MW [5].

Prawdziwy obraz polskiej energetyki wiatrowej widać jednak dopiero po przeanalizowaniu danych pochodzących z Polskich Sieci Elektroenergetycznych S.A. Jednym z najistotniejszych powodów wstrzymania dalszego rozwoju tej energetyki jest przyjęcie tzw. ustawy odległościowej. Ustala ona m.in. minimalną odległość turbiny wiatrowej od domostw i zabudowań. Według ustawodawcy dystans ten powinien wynosić min. 10-krotność całkowitej wysokości siłowni wiatrowej. W praktyce oznacza to, że turbiny wiatrowe powinny być oddalone od zabudowań o ponad 1,5 km [5].

Duże parki wiatrowe

Jednym z największych parków wiatrowych na świecie jest znajdująca się w Teksasie Roscoe Wind Farm (rys. 4). Inwestycja zajmuje powierzchnię prawie 40,5 tys. hektarów, a ziemia wykorzystywana jest tam głównie do uprawy bawełny i z tego powodu dzierżawiona od miejscowych rolników. Budowa została zapoczątkowana w maju 2007 roku i trwała przez ponad 2 lata. Całkowita zainstalowana moc farmy Roscoe to 781,5 MW. Składa się na nią 627 działających turbin wiatrowych wyprodukowanych przez firmy: Mitsubishi, Siemens i General Electric. Wieże siłowni wiatrowych mają od 100 do 125 m wysokości i rozstawione są mniej więcej co 300 m. Kompleks jest w stanie dostarczyć energię do 265 tys. domów, a uniknięta dzięki temu emisja gazów cieplarnianych szacowana jest na 375 tys. ton. Realizacja inwestycji kosztowała ok. miliard dolarów [8].

Największa farma wiatrowa w Europie znajduje się na terenie Rumunii – jest to Fantanele and Cogealac. Została w całości przyłączona do sieci elektroenergetycznej pod koniec 2012 r. i od tego momentu pracuje bez przer­wy. Park wiatrowy znajduje się w Dobrudży, 17 km od Morza Czarnego, w okręgu Constanta, jednym z najbardziej obiecujących regionów dla energetyki wiatrowej zarówno w Rumunii, jak i w całej Europie. Łączna moc zainstalowana inwestycji wynosi 600 MW i jest w stanie pokryć potrzeby energetyczne ponad miliona rumuńskich gospodarstw domowych. W projekcie wykorzystano 240 turbin wiatrowych General Electric o mocy 2,5 MW każda. Wysokość każdej wieży wynosi 100 m, a średnica wirnika to 99 m [10].

Elektrownia wiatrowa Margonin to największa pod względem zainstalowanej mocy istniejąca inwestycja w Polsce. Plasuje się również w pierwszej dziesiątce największych lądowych parków wiatrowych Europy. Zlokalizowana jest w województwie wielkopolskim, po dwóch stronach Jeziora Margonińskiego. Pierwsze siłownie wiatrowe zostały uruchomione w 2009 roku. Obecnie pracuje tam 60 elektrowni wiatrowych o łącznej mocy 120 MW. Pozwala to zaspokoić potrzeby energetyczne ponad 90 tys. gospodarstw domowych. Każda z turbin zawieszona jest na 100-metrowym słupie, a rozpiętość łopat wirnika wynosi 90 m. Całkowity koszt inwestycji to 166 mln euro [11].

Problemy dużych elektrowni/parków wiatrowych

Podczas gdy wytwarzanie energii elektrycznej z wykorzystaniem siłowni wiatrowych wiąże się z wieloma korzyściami i zaletami w porównaniu z konwencjonalnymi metodami jej wytwarzania, istnieją również pewnie problemy związane głównie z dużymi parkami wiatrowymi. Problemy te powinny być dogłębnie zbadane i rozwiązane, aby nie zahamować szybkiego wzrostu zainteresowania energetyką wiatrową i jej rozwoju.

Współcześnie, o czym wspomniano powyżej, farmy wiatrowe składają się z dużej liczby wielkogabarytowych turbin. W związku z tym ich wpływ na środowisko może być znaczny i nie należy go ignorować. Najbardziej narażona na oddziaływanie parków wiatrowych jest m.in. fauna, a konkretnie ptaki i nietoperze. Bezpośrednim skutkiem oddziaływania turbin wiatrowych na chiropterofaunę i ornitofaunę jest kolizja zwierząt z wirnikiem turbiny. Zjawisko to jest w przypadku ptaków globalne i dotyczy ponad 90% przebadanych siłowni wiatrowych. Umieralność z powodu kolizji z turbiną waha się w zależności od miejsca od bardzo wysokiej (jak w Altamont Pass Wind Resource Area w Kalifornii) do bardzo niskiej (przykłady polskich elektrowni). Uzależnione jest to głównie od liczebności występującego na danym obszarze gatunku, a także od jego przyzwyczajeń i ruchliwości [12].

Kolejnym problemem, którego nie można pominąć, jest wpływ hałasu turbin wiatrowych na okolicznych mieszkańców. Hałas generowany przez elektrownie wiatrowe składa się z hałasu aerodynamicznego, którego źródłem są wirujące łopaty, oraz z hałasu wibracji mechanicznych pochodzącego z pracującej skrzyni biegów, przekładni i generatorów elektrycznych. W przypadku nowoczesnej, dużej siłowni wiatrowej hałas pochodzący z obracającego się wirnika uważany jest za dominujące źródło niechcianych dźwięków [13].

Dużym inwestycjom wiatrowym towarzyszą również spore nakłady finansowe. Energia elektryczna wytwarzana przez elektrownie wiatrowe jest stosunkowo droga. Główną przyczyną są ogromne nakłady finansowe, jakie muszą zostać poniesione na samą inwestycję i wyposażenie siłowni wiatrowej. Koszty budowy zależą przede wszystkim od mocy zainstalowanej i wynoszą średnio ok. 2000 dol. za kilowat. Najdroższym elementem jest zazwyczaj turbina wiatrowa. Warto jednak zauważyć, że notuje się tu tendencję spadkową [14]. Następnym elementem zwiększającym nakłady inwestycyjne na budowę parku wiatrowego jest cena samej ziemi. Elektrownia wiatrowa zajmuje zazwyczaj powierzchnię od 1000 do 4000 m². Obszar ten należy wyłączyć z użytkowania w celu wzniesienia konstrukcji. Teren, najczęściej dzierżawiony, oprócz wieży wiatraka powinien obejmować również drogi dojazdowe i place manewrowe. Co więcej, również obszar, nad którym przelatują łopaty wirnika, powinien zostać wyłączony. Koszty dzierżawy terenu przeznaczonego pod budowę siłowni wiatrowych w Polsce sięgają 25–30 tys. zł rocznie. Trzeba również uwzględnić opłaty początkowe za prace geodezyjne czy usługi notarialne [15].

Kolejnym obostrzeniem jest konieczność podłączenia elektrowni do sieci elektroenergetycznej, a to wiąże się zazwyczaj z wysokimi kosztami. Głównym powodem jest fakt, że przewód musi być przyłączony do głównego punktu zasilającego (stacji transformatorowej). Szacuje się, że budowa odcinka o długości 1 km prowadzonego po lądzie to koszt rzędu 300–600 tys. złotych. Liczba głównych punktów zasilających jest z przyczyn logistycznych ograniczona, więc odległości między turbinami są często ogromne, co zwiększa koszty [15].

Podsumowanie

Rozwiązaniem powyższych problemów, występujących często przy dużych inwestycjach wiatrowych, może być rozproszone zastosowanie małych turbin wiatrowych (o mocy od 50 do 200 kW) lub mikro (do 50 kW). Dzięki mniejszym rozmiarom generowany przez nie hałas jest mniej uciążliwy, a miejsca wybierane pod ich montaż z reguły nie pokrywają się z obszarem występowania dużych skupisk zwierząt latających. Dodatkowo są one znacznie tańsze, zarówno w kontekście kosztów inwestycyjnych, jak i kosztów związanych z produkcją energii. Energia dużo rzadziej sprzedawana jest do sieci, ponieważ na co dzień zasila pobliskie obiekty, w tym instalacje wentylacji, klimatyzacji oraz ogrzewania.

W kolejnych artykułach przedstawione zostaną możliwości zastosowania turbin wiatrowych na obszarach miejskich, przykłady realizacji oraz wyniki badań działania elewacyjnej turbiny wiatrowej o poziomej osi obrotu.

Literatura

1. Rudnicki Mieczysław Stefan, Budowa małych elektrowni wiatrowych, Oficyna Wydawnicza OKP Zachodniopomorskiego Centrum Edukacyjnego w Szczecinie, 2004.
2. Boczar Tomasz, Wykorzystanie energii wiatru, Wydawnictwo PAK, Warszawa 2010.
3. European Wind Atlas, Risøe National Laboratory, 1997.
4. Wiśniewski Grzegorz, Michałowska-Knap Katarzyna, Koć Sylwia, Energetyka wiatrowa – stan aktualny i perspektywy rozwoju w Polsce, Instytut Energetyki Odnawialnej, Warszawa 2012.
5. Stan energetyki wiatrowej w Polsce w 2016 roku, Polskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej, 2017.
6. Cortes Enrique, Sanchez Fernando, O’Carroll Anthony, Madramany Borja, Hardiman Mark, Young Trevor, On the Material Characterisation of Wind Turbine Blade Coatings: The Effect of Interphase Coating-Laminate Adhesion on Rain Erosion Performance, „Materials”, 10, 1146, 2017.
7. Wind Energy in Europe in 2018 – Trends and statistics, Wind Europe, Brussels 2019.
8. www.power-technology.com (dostęp: 05.2019).
9. www.twipu.com (dostęp: 05.2019).
10. www.sunwindenergy.com (dostęp: 05.2019).
11. www.margonin.pl (dostęp: 05.2019).
12. Chylarecki Przemysław i in., Wytyczne w zakresie oddziaływania elektrowni wiatrowych na ptaki, Generalna Dyrekcja Ochrony Środowiska, Warszawa 2011.
13. Tong Wei, Wind Power Generation and Wind Turbine Design, Wit Press, Boston 2010.
14. Michalak Justyna, Analiza opłacalności elektrowni wiatrowych, [w:] Maj J., Kwiatkiewicz P. (red.), Energetyka wiatrowa w wybranych aspektach, Wojskowa Akademia Techniczna, Poznań 2016.
15. Staliński Adam, Problemy lokalizacji farm wiatrowych w Polsce, [w:] Maj J., Kwiatkiewicz P. (red.), Energetyka wiatrowa w wybranych aspektach, Wojskowa Akademia Techniczna, Poznań 2016.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!