Energetyka wiatrowa w pigułce

Transkrypt

1 Energetyka wiatrowa w pigułce Pod względem zainstalowanej mocy, na czele Odnawialnych Źródeł Energii (OZE) w Polsce znajduje się energetyka wiatrowa o nominalnej mocy elektrowni wynoszącej ponad 1 GW w prawie 400 instalacjach wiatrowych. Także na świecie, jest to najbardziej dynamicznie rozwijająca się gałąź zielonej energii. Czym jest więc energia wiatru i co powoduje jej popularność? Skąd się bierze wiatr? Wiatr jest to ruch powietrza atmosferycznego o przeważającej składowej poziomej, powstający w skutek nierównomiernego rozkładu ciśnienia atmosferycznego w różnych punktach powierzchni Ziemi. Rozkład ciśnień i temperatur jest warunkowany przede wszystkim nierównomiernym padaniem promieni słonecznych na powierzchnię globu. Występująca różnica temperatur i ciśnienia powoduje wytwarzanie różnic gęstości powietrza, co powoduje naturalną cyrkulację mas powietrza. Wypadkowy ruch mas powietrza jest warunkowany także różnymi innymi czynnikami (m.in. siła Coriolisa, prądy morskie, cyrkulacje globalne, cyrkulacje lokalne), w efekcie czego, wiatr charakteryzuje się zmiennością intensywności oraz kierunków [1] [2]. Potencjał energii wiatru Szacuje się, że około 1-2% promieniowania słonecznego (czyli około 2700 TW) docierającego do powierzchni Ziemi, jest zamieniane na energię wiatru [2]. Jak podaje literatura, światowe zasoby energii wiatru, które z technologicznego punktu widzenia nadają się do wykorzystania to około 53 TW/rok. Jest to ilość energii czterokrotnie większa niż ta, jaką zużywa się na świecie w ciągu jednego roku [1] (według innych źródeł jest to 40 TW dla instalacji śródlądowych i 20 TW dla instalacji na oceanach [3]) Dla porównania, potencjał śródlądowej energii wodnej to jedynie 4 TW mocy. Energetyka wiatrowa na świecie pod koniec roku 2009 była w stanie wytworzyć około 340 TWh energii, czyli 2% światowego zapotrzebowania. W 2007 roku potencjał energetyki wiatrowej wyniósł prawie 94 GW. Udział krajów UE w światowej energetyce wiatrowej wynosił w 2007 roku aż 61% [1]. Dynamiczny rozwój tej dziedziny OZE spowodował, że w 2009 roku łączna moc zainstalowana w elektrowniach wiatrowych na świecie wyniosła około 160 GW (rysunek nr 1). Światowym liderem w zakresie użytkowania elektrowni wiatrowych są USA, posiadające potencjał około 35 GW.

2 Rys. nr 1. Łączna moc zainstalowana w energetyce wiatrowej w latach Źródło: WWEA, EWEA W Europie liderem energetyki wiatrowej są Niemcy, gdzie w 2008 roku było zainstalowane około 24 GW, a w 2009 roku prawie 26 GW mocy. [5]. Roczne przyrosty zainstalowanych mocy w krajach UE pokazane są na rysunku nr 2. Rys. nr 2. Przyrost zainstalowanych mocy w czołowych pod tym względem krajach UE w latach Źródło: Raport EWEA, Wind energy targets for 2020 and 2030, Moc zainstalowana w energetyce wiatrowej w Polsce, według Urzędu Regulacji Energetyki to 1095 MW (stan na ), przy niecałych 500 MW w Wzrost o 100% pokazuje dynamikę rozwoju tej gałęzi odnawialnych źródeł energii. W Polsce znajduje się kilkanaście dużych farm wiatrowych, w tym 9 parków wiatrowych o mocy ponad 20MW każdy [6]. Największa w Polsce farma wiatrowa znajduje się w Karścinie w województwie zachodniopomorskim gdzie od kilku lat hiszpański koncern energetyczny Iberdrola stawia wiatraki, obecnie posiadając moc 90 MW na 60 turbinach 1,5 MW. W 2011 roku zostanie ukończona budowa jeszcze większej elektrowni, o zainstalowanej mocy aż 250 MW. Nadmorska elektrownia w Darłowie będzie w stanie dostarczyć 1/4 całej energii wiatrowej, jaka jest obecnie wytwarzana w Polsce. Dla porównania największa na świecie farma wiatrowa znajduje się w Roscoe w Teksasie, gdzie 627 turbin wiatrowych generuje moc wynoszącą 781,5 MW [7].

3 Technologie i zastosowanie Typowa elektrownia wiatrowa HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbines) składa się z czterech elementów [4]: wirnika trójpłatowego, o poziomej osi ustawionej równolegle do kierunku wiatru gondoli wieży fundamentu Kilka procent elektrowni wiatrowych na świecie to wiatraki o pionowej osi obrotu VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbines). Są one konstrukcyjnie bardziej zróżnicowane, a niektóre działają prawie bezgłośnie i mogą produkować prąd już przy wietrze około 4 m/s. Pomimo to, konstrukcje tego typu nie odniosły sukcesu komercyjnego. Rys. nr 3. Farma wiatrowa w Karścinie. Turbiny o mocy 1,5 MW. Źródło: materiały własne autora Zasadą działania elektrowni wiatrowej jest konwersja energii kinetycznej wiatru, na energię mechaniczną, a następnie na energię elektryczną. Zasadniczą częścią wiatraka jest turbina wiatrowa składająca się z napędzanego wiatrem wirnika osadzonego na wale wolnoobrotowym, którego obroty za pomocą przekładni przenoszone są na wał szybkoobrotowy, a następnie do generatora prądu, na wyjściu z którego, uzyskuje się energię elektryczną [1]. Obecnie stosowane turbiny wiatrowe posiadają moce nominalne w przedziale od 200 kw do kilku MW. Jednak moce to mogą być osiągalne jedynie przy konkretnych prędkościach wiatru w granicach m/s, w praktyce ze względu na zmienne prędkości zyski energetyczne są dużo mniejsze [1]. Światowi potentaci w produkcji siłowni wiatrowych (Vestas, Enercon, GE Wind, Gamesa i inni) stosują różne rodzaje płatów wirników, ponieważ cały czas szuka się optymalnego zakończenia skrzydeł oraz odpowiednio opływowego kształtu gondoli, czy też udoskonalonych przekładni, które to warianty pozwoliłyby na maksymalne wykorzystanie potencjału płynącego z energii wiatru oraz zwiększenie nominalnych mocy siłowni wiatrowych. Aktualnie trwają prace wykończeniowe nad największą pojedynczą turbiną o mocy 15 MW. Wiatraki grupuje się w tzw. farmach wiatrowych, czyli grupach po kilkanaście lub kilkadziesiąt jednostek, o rozbudowanych systemach sterowania, pozwalająca na generowanie wielu megawatów energii. Równie często znajdują zastosowanie pojedyncze siłownie wiatrowe, głównie stawiane przez mniej zamożnych inwestorów oraz do celów lokalnych. Pod względem lokalizacji rozróżnia się dwa typy siłowni wiatrowych: morskie (tzw. offshore) i lądowe. Elektrownie stawiane na morzu charakteryzują się większymi mocami, wysokościami oraz większymi

4 rozmiarami wirników (ze względu na silniejsze wiatru wiejące nad otwartą wodą). Ta gałąź energetyki wiatrowej posiada ogromny potencjał, ale aktualnie, ze względu na dużo większe koszty inwestycyjne, tego typu elektrowni jest kilkanaście razy mniej niż elektrowni wiatrowych stawianych na lądzie. Obecnie coraz popularniejsze stają się tzw. przydomowe siłownie wiatrowe, czyli małe turbiny o mocy od kilkudziesięciu W do 100 kw. Służą one do zaspokojenia potrzeb energetycznych pojedynczych gospodarstw na potrzeby rolnicze, do oświetlenia domów, szklarni, ogrzewania pomieszczeń czy suszenia płodów rolnych. Mogą one pracować już przy prędkości wiatru 2 m/s, oraz są łatwe do instalacji. Koszty tego typu elektrowni nie są duże, cena energii elektrycznej wyprodukowanej w małych turbinach wiatrowych to około 10 groszy za kwh. Mogą więc stanowić cenne uzupełnienie systemu energetycznego, podobnie jak instalacje solarne. Ciekawym rozwiązaniem są także instalacje hybrydowe solarno-wiatrowe, gdzie energia wiatrowa produkuje energię wspomagającą kolektor ogrzewający ciepłą wodę użytkową [3]. Sprawność Sprawność elektrowni wiatrowych wynosi 25 37% dla małych jednostek, do 30% dla dużych. Sprawność elektrowni używanych, kilkunastoletnich, osiąga maksymalnie 10% i jest to jeden z argumentów za nie stosowaniem tego typu wysłużonych urządzeń [8]. Natomiast sprawność przetwarzania energii wiatru na energię elektryczną to zależność sprawności turbiny wiatrowej oraz połączonej z nią prądnicy. Przyjmuje się, że sprawność ta wynosi zwykle około 60% [3]. Warunki korzystania Podstawowym problemem dotyczącym energetyki wiatrowej jest siła wiatru. Jak podaje literatura granica opłacalności eksploatacji małych turbin wiatrowych to prędkość minimum 4 m/s, a dla duży elektrowni wiatrowych 5,5 m/s [3]. Jest to oczywiście uzależnione od modeli turbin, przykładowo turbina Enercon E-70 (15 tych wiatraków o łącznej mocy 30 MW jest zainstalowanych na Górze Kamieńsk) pracuje już od prędkości wiatru równej 2,5 m/s. Poniżej tych wartości, turbina wiatrowa po prostu nie będzie napędzana przez ruch mas powietrza i nie będzie generować energii. Z drugiej strony istnieje także graniczna wartość prędkości wiatru, przy której mogą pracować turbiny jest to 36 m/s dla turbiny Enercon E-40, lub 34 m/s dla turbiny Enercon E-70 [9]. Optymalne warunki do pracy elektrowni to m/s (niezależnie od mocy nominalnej siłowni) [1]. Podczas silnych burz czy huraganów wiatr często osiąga prędkość dużo większą, nawet ponad 100 km/h, jednak obecnie stosowane technologie budowy turbin wiatrowych nie pozwalają na ich pracę w takich warunkach, mimo że wydawać by się mogło, że tak ogromna siłą wiatru pozwałaby produkować duże ilości energii. W praktyce przy zbyt dużych prędkościach wiatru turbiny są wyłączane, ponieważ zbyt szybkie obroty wirnika spowodowałyby uszkodzenie turbiny. Drugim zasadniczym problemem ograniczającym użytkowanie energetyki wiatrowej, jest zmienność siły wiatrów. Według badań przeprowadzonych w Danii w skali miesięcznej zmienność ta wynosi 40%, a w skali rocznej około 15% [3]. Nie pozwala to na rozpatrywanie energii wiatrowej jako bazowym źródle energii, dostępnym w każdej chwili. Przestoje elektrowni, w okresach słabych wiatrów, zdarzają się często, a w takich wypadkach konieczne jest korzystanie z innych źródeł. Natomiast w okresie nadwyżek produkowanej energii, konieczne jest jej akumulowanie, co także powoduje szereg trudności. Z tymi aspektami wiąże się fakt, że nominalna moc instalowanych elektrowni wiatrowych nie jest mocą dyspozycyjną, ponieważ jest wykorzystywana jedynie w 20 80% [4]. Z siłą wiejących wiatrów związany jest także wybór lokalizacji elektrowni wiatrowych. Na podstawie badań określono tzw. mapy wietrzności, dzielące każde miejsce na Ziemi pod względem siły wiejących tam wiatrów. W Polsce rozróżnia się pięć klas wietrzności, przy czym klasy I i II to rejony najdogodniejsze do umiejscowienie elektrowni wiatrowych, o średnich prędkościach wiatru powyżej 5 m/s [2]. Najdogodniejsze warunki panują zwykle bezpośrednio na morzu lub wybrzeżu, oraz rejonach nadmorskich. Generalnie czynniki lokalne kształtujące warunki anemometryczne na danym obszarze, to poza czynnikami makroklimatycznymi, ukształtowanie terenu (niekorzystne są wklęsłe

5 formy terenu, oraz zbyt strome zbocza, stanowiące bariery dla wiatru) oraz jego zagospodarowanie (najkorzystniejsze są obszary pół i nieużytków pozbawione lasów oraz zabudowy) [10]. Koszty instalacji oraz żywotność Według danych literaturowych koszty produkcji energii elektrycznej dla średniej prędkości wiatru w granicach 5 m/s wynoszą około 9,75 EUR/kWh. Oczywiście przy większej prędkości koszty te maleją i np. dla 10 m/s wynoszą jedynie 3,75 EUR/kWh. Inną istotną kwestią są koszty związane z zakupem elektrowni. Koszty inwestycyjne siłowni wiatrowych są najwyższe w porównaniu do innych źródeł OZE. Z tego względu część inwestorów decyduje się na zakup używanych elektrowni. Dynamiczny rozwój energetyki wiatrowej powoduje, że w biedniejszych krajach (np. Polska) prywatni inwestorzy często decydują się na zakup przestarzałych, kilkunastoletnich, siłowni z Niemiec czy Danii. Koszty zakupu takiej instalacji są nieporównywalnie mniejsze, ale siłownie te za względu na wiek są bardzo awaryjne i przestarzale technologicznie. Należy także brać pod uwagę fakt, iż nowa instalacja będzie służyła około 20 lat, a instalacja, która w momencie zakupu już osiągnęła ten wiek, nie będzie przydatna dłużej niż kilka lat. Rys. nr 4. Turbina wiatrowa umieszczona pośród uprawy pszenicy - Karścino. Źródło: materiały własne autora Poniżej zaprezentowanie jest porównanie dwóch siłowni Vestas, 22 letniego modelu o mocy 200 kw o cenie EUR, oraz nowej turbiny o mocy 2 MW, kosztującej ponad EUR: Stara turbina Vestas V25; moc 200 kw; produkcja 1988 rok; cena euro, więc 1kW energii kosztuje 340 EUR/kW Nowa turbina Vestas V90; moc 2000 kw; cena euro, więc 1 kw energii kosztuje EUR/kW A więc koszty wyprodukowania 1 kwh/rocznie (biorąc pod uwagę tylko tylko koszty turbiny) wyniosą: Stara turbina EUR/ kwh = 0,57 EUR Nowa turbina EUR/ kWh = 0,49EUR Jak obrazują obliczenia koszt produkcji energii z nowej turbiny w skali roku jest tylko nieznacznie większy, a trzeba pamiętać, że 20 letnia turbina dożyje maksymalnie 25 lat, a nowa posiada

6 gwarancje na 20 lat bezawaryjnej pracy [8]. Przyjmuje się, że roczna stopa zwrotu inwestycji w energetykę wiatrową to 13%, więc potrzeba około 10 lat, aby inwestycja zaczęła na siebie zarabiać (a ma na to kolejne 10 lat). Tak więc pozorne oszczędzanie na zakupie tańszych, przestarzałych elektrowni nie ma sensu ekonomicznego. Perspektywy i prognozy Prognozy dotyczące rozwoju energetyki wiatrowej i jej udziału w globalnej produkcji energii są bardzo optymistyczne. Chociażby patrząc na 100% wzrost w ciągu roku zainstalowanej mocy wiatraków w Polsce, można prognozować dynamiczny wzrost wykorzystania energii wiatrowej. Według raportu Polskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej odnośnie rozwoju elektrowni wiatrowych w Polsce, przewiduje się zainstalowanie mocy wynoszącej około 13 GW w 2020 roku, w tym 11 GW w lądowych farmach wiatrowych, 1,5 GW w morskich farmach wiatrowych oraz 600 MW w małych elektrowniach wiatrowych. Raport przewiduje też, że udział elektrowni wiatrowych w całkowitej produkcji energii elektrycznej będzie szybko wzrastać, do 17% w 2020 roku i prawie 29% w 2030 roku. Prognozuje się, że energetyka wiatrowa wniesie istotny wkład w realizację Dyrektywy 2009/28/WE, w perspektywie 2020 roku. Przy prognozowanym w wymienionym raporcie osiągnięciu przez Polskę 15% udziału wyprodukowanej zielonej energii w zużyciu energii brutto w 2020 roku, energetyka wiatrowa dostarczyłaby aż 14,5% całości energii z OZE [11]. Także w skali europejskiej prognozy mówią o znacznym wzroście znaczenia energetyki wiatrowej. Raport EWEA (The European Wind Energy Association) przewiduje wzrost zainstalowanej mocy elektrowni wiatrowych o ponad 400% w stosunku do obecnych niecałych 100 GW. Naukowcy przewidują także wzrost produkcji energii pochodzącej z wiatru do prawie 600 TWh przy niecałych 200 TWh produkowanych w krajach europejskich obecnie [11]. Założenia raportu EWEA przedstawiają załączone wykresy (rysunek nr 5 i rysunek nr 6). Rys. nr 5. Prognozy łącznej mocy elektrowni wiatrowych w krajach UE. Źródło: Raport EWEA Wind energy targets for 2020 and 2030, 2009.

7 Rys. nr 6. Prognozy produkcji energii wiatrowej w krajach UE. Źródło: Raport EWEA Wind energy targets for 2020 and 2030, Bibliografia: 1. Jastrzębska G., 2009, Odnawialne źródła energii i pojazdy proekologiczne, WNT, Warszawa 2 Dziubiński M., 2010, Energetyka wiatrowa, rozdział w publikacji Inwestowanie w energetykę odnawialną, PAN oddział w Łodzi, Komisja Ochrony Środowiska, Łódź 3. Lewandowski W.M., 2007, Proekologiczne odnawialne źródła energii, WNT, Warszawa 4. Gumuła S., Knap T., Strzelczyk P., Szczerba Z., 2006, Energetyka wiatrowa, Wydawnictwa AGH, Kraków 5. European Wind Energy Association, Wind energy targets for 2020 and 2030, Internet 1, 7. Internet 2, 8. Materiały z konferencji Energetyka wiatrowa perspektywy rozwoju, 2010, w4e, Łódź 9. Internet 3, Kistowski M., 2009, Przyrodnicze i krajobrazowe uwarunkowania lokalizacji farm wiatrowych, Czysta Energia nr Polskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej, Wizja rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce do 2020 r. Autor: Mateusz Zduniak Opracowanie: Materiał objęty prawem autorskim. Publikacja w części lub w całości wyłącznie za zgodą autora.