BADANIA TECHNOLOGICZNE ROZWIĄZAŃ STOSOWANYCH W ENERGETYCE WIATROWEJ

Transkrypt

1 Moduł C BADANIA TECHNOLOGICZNE ROZWIĄZAŃ STOSOWANYCH W ENERGETYCE WIATROWEJ Prof. dr hab. inż. Edmund DULCET koordynator modułu Autorzy opracowania: Dr inż. Sylwester BOROWSKI Dr inż. Adam MROZIŃSKI Dr inż. Piotr KOLBER Bydgoszcz 2011

2 Spis treści 1. WPROWADZENIE CEL I ZAKRES OPRACOWANIA ENERGETYKA WIATROWA W POLSCE I NA ŚWIECIE POTENCJAŁ SEKTORA ENERGETYKI WIATROWEJ DO 2020 ROKU NAJNOWSZE TECHNOLOGIE STOSOWANE W ENERGETYCE WIATROWEJ I KIERUNKI ICH ZMIAN Przegląd technologii stosowanych w energetyce wiatrowej Małe elektrownie wiatrowe Elektrownie wiatrowe zlokalizowane na morzu Przykłady wykorzystania innowacyjnych siłowni wiatrowych Podsumowanie ZAGADNIENIA SKŁADOWANIA I UTYLIZACJI CZĘŚCI ZUŻYTYCH WIATRAKÓW Cykl życia siłowni wiatrowych Grupy odpadów Utylizacja przez recykling Utylizacja przez składowanie Podsumowanie WPŁYW ELEKTROWNI WIATROWYCH NA STABILNOŚĆ SIECI ELEKTROENERGETYCZNYCH ORAZ ICH PRACA PODCZAS ZAKŁÓCEŃ W SYSTEMIE ELEKTROENERGETYCZNYM Układy elektryczne turbozespołów wiatrowych Praca elektrowni wiatrowych w systemie elektroenergetycznym Jakość energii elektrycznej Straty mocy Wpływ elektrowni wiatrowych na stabilność systemu Praca elektrowni wiatrowych podczas zakłóceń w systemie Podsumowanie Literatura

3 1. WPROWADZENIE Rozwój wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych stanowi ważną składową polityki energetycznej, ekologicznej i klimatycznej każdego państwa. Obowiązek zwiększenia udziału wykorzystania energetyki odnawialnej, w tym wiatrowej, nakładają na Polskę zobowiązania międzynarodowe, w tym przede wszystkim Traktat Akcesyjny, w którym zawarty został cel indykatywny udziału energii pochodzącej z odnawialnych źródeł w krajowym zużyciu energii brutto w 2020 roku na poziomie 15% Błąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania.[40, 36]. Obowiązek wspierania rozwoju odnawialnych źródeł energii wynika także z zapisów dyrektyw unijnych, w tym Dyrektywy 2001/77/WE w sprawie wspierania produkcji na rynku wewnętrznym energii elektrycznej wytwarzanej ze źródeł odnawialnych. Zgodnie z Dyrektywą państwa członkowskie zobowiązane są do podjęcia odpowiednich działań w kierunku zwiększenia zużycia energii elektrycznej wytwarzanej z odnawialnych źródeł stosownie do krajowych celów indykatywnych. [45, 39]. 2. CEL I ZAKRES OPRACOWANIA Przedmiotem opracowania jest: - przegląd najnowszych technologii stosowanych w energetyce wiatrowej wraz z przedstawieniem potencjalnych kierunków ich zmian rozwojowych w przyszłości; - przegląd problematyki związanej z gospodarką odpadami powstającymi podczas eksploatacji siłowni wiatrowych. W części tej zawarte zostały także krótkie charakterystyki procesów stosowanych w gospodarce wybranymi odpadami mogącymi pochodzić z eksploatowanej siłowni wiatrowej; - analiza pracy elektrowni wiatrowych w systemie elektroenergetycznym, ich wpływu na stabilność sieci elektroenergetycznych, a tym samym systemu oraz praca podczas możliwych do wystąpienia zakłóceń. Podstawą opracowania jest stan prawny i technologiczny branży energetyki wiatrowej, funkcjonujący wg wiedzy autora na miesiąc maj 2011 roku. Przy jego tworzeniu posiłkowano się dostępnymi wydawnictwami książkowymi, periodykami fachowymi, raportami firm doradczych i stowarzyszeń branżowych oraz innymi opracowaniami i referatami z zakresu odnawialnych źródeł energii. Wykorzystane pozycje zestawione zostały w Bibliografii na końcu pracy. Niniejsze opracowanie wykonane zostało na zlecenie Instytutu Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania Polskiej Akademii Nauk im. Stanisława Leszczyckiego - IGiPZ PAN z siedzibą w Warszawie przy ul. Twardej 51/55 3. ENERGETYKA WIATROWA W POLSCE I NA ŚWIECIE Całkowita moc zainstalowana elektrowni wiatrowych w Polsce wynosiła na koniec 2011 r MW. W latach rynek energetyki wiatrowej w Polsce cechowała stagnacja, spowodowana głównie niestabilnością systemu wsparcia i niedostosowaniem regulacji prawnych, skutkującym zbyt wysokim ryzykiem dla inwestorów. Dopiero od 2005 r., po przystąpieniu Polski do UE i usunięciu części barier prawnych, zaczęła wzrastać ilość 3

4 realizowanych inwestycji. Należy jednak podkreślić, że dość wysoki względny przyrost mocy zainstalowanej w latach wynikał z realizacji zaledwie kilku projektów farm wiatrowych rocznie. W tym samym czasie kraje o potencjale energii wiatru zbliżonym do Polski (Niemcy, Hiszpania, Francja) notowały roczne przyrosty mocy zainstalowanej w elektrowniach wiatrowych powyżej 1 GW [3, 39, 1]. Słaby rozwój rynku w Polsce wynika z licznych barier, wśród których najbardziej istotną rolę odgrywa bardzo słaby stan rozwoju sieci elektroenergetycznych i związane z tym coraz większe problemy z przyłączeniem do sieci. Spośród innych czynników spowalniających rozwój wymienić należy długotrwałe procedury związane z planowaniem przestrzennym oraz ocenami oddziaływania na środowisko. Około 95% mocy zainstalowanej zlokalizowane jest w 7 regionach Polski. W ścisłej czołówce znajduje się województwo kujawsko-pomorskie. Warto jednak zauważyć, że w dwóch z nich (kujawsko-pomorskim i łódzkim) dominują małe instalacje. Dlatego naturalna jest duża ilość zainstalowanych elektrowni wiatrowych wynosząca 192 sztuki. Taka ilość instalacji wynika z rozdrobnienia instalacji i braku farm wiatrowych, których duża ilość w województwie zachodniopomorskim powoduje, że średnia moc instalacji w tym województwie wynosi prawie 20 MW. Najwięcej dużych farm wiatrowych działa obecnie w północnej części Polski (województwo pomorskie i zachodniopomorskie). Takie rozmieszczenie podyktowane jest korzystnymi warunkami występującymi w tych rejonach, ale także ich słabym zaludnieniem. Jednak ze względu nasycenie na tych obszarach, wyczerpanie możliwości przyłączania do sieci elektroenergetycznej, wzrasta zainteresowanie inwestycjami w innych regionach Polski. Poważnym problemem w ocenie perspektyw rozwoju rynku jest stan wiedzy na temat inwestycji (projektów) planowanych. Brak transparentności powoduje duże rozbieżności pomiędzy danymi podawanymi przez różne podmioty. Niespójność informacji z różnych źródeł (URE, operatorzy systemów dystrybucyjnych i systemu przesyłowego, samorządy terytorialne) zamazuje rzeczywisty obraz rynku i utrudnia ocenę potrzeb w zakresie rozwoju infrastruktury czy niezbędnych zmian legislacyjnych i proceduralnych [35, 47, 1]. 4. POTENCJAŁ SEKTORA ENERGETYKI WIATROWEJ DO 2020 ROKU Potencjał techniczny energii wiatru wiąże się przede wszystkim z przestrzennym rozmieszczeniem terenów otwartych (o niskiej szorstkości podłoża i bez obiektów zaburzających przepływ powietrza). Tereny takie to w przeważającej mierze obszary użytków rolnych, które stanowią obecnie ok. 59% powierzchni kraju (ok. 18 mln ha). Zgodnie z prognozami zmian w strukturze użytkowania terenu do 2020 r. nie przewiduje się znaczących modyfikacji ograniczających tę powierzchnię (możliwe ograniczenie o ok. 1%). Przy obecnych możliwościach technologii energetyki wiatrowej przyjmuje się, że możliwe jest efektywne technicznie zagospodarowanie obszarów o prędkościach wiatru powyżej 5 m/s oraz gęstości energii powyżej 200 W/m 2 (na wysokości 50 m nad poziomem gruntu). Po wykorzystaniu dostępnych źródeł informacji o warunkach klimatycznych na terenie Polski i przeprowadzeniu analiz przestrzennych stwierdzono, że warunki takie występują nawet na 80% użytków rolnych (rys. C.4.1) [36, 39]. 4

5 Ryc. C.4.1. Powierzchnia użytków rolnych, na których istnieją techniczne możliwości produkcji energii z wiatru. Obszary zakreskowane to tereny o szczególnie sprzyjających warunkach wiatrowych Istotnym ograniczeniem przestrzennym dla rozwoju energetyki wiatrowej jest powiększanie obszarów chronionych (32% powierzchni kraju wg GUS), w tym terenów włączanych do sieci NATURA Przy obecnym stanie wiedzy trudno ocenić, jaki procent gruntów możliwych do ekonomicznie opłacalnej eksploatacji w ramach energetyki wiatrowej wyłączony będzie z użytkowania ze względów środowiskowych. Na podstawie informacji przestrzennej dostępnej dla poszczególnych powiatów (dane UNPD GRID, opracowanie cząstkowe dla IEO), stwierdzono, że 37% tych gruntów podlega różnorodnym formom obszarowej ochrony przyrody (w tym leży na obszarach NATURA 2000) [38, 6]. Należy podkreślić, że ochrona obszarowa nie wyklucza, przynajmniej w niektórych przypadkach, lokalizacji elektrowni wiatrowych. Ostateczne decyzje zależą jednak od władz lokalnych i regionalnych. Obecne ograniczenia przestrzenne lokalizacji elektrowni wiatrowych na morzu są znacznie silniejsze niż na lądzie. Ze względu na możliwości techniczne budowy elektrowni wiatrowych (głębokość morza) oraz konflikty w wykorzystaniu przestrzeni morskiej należy ocenić, że tylko niewielka część powierzchni (do 5%) mogłoby zostać w perspektywie 2020 r. wykorzystana pod budowę elektrowni wiatrowych. Terenów morskich dotyczą również ograniczenia środowiskowe związane z włączeniem dużych fragmentów polskich wód morskich do sieci NATURA 2000, natomiast cały dostępny obszar charakteryzuje się korzystnymi warunkami wiatrowymi. Instytut Morski w Gdańsku na podstawie analizy uwarunkowań naturalnych oraz możliwych konfliktów przestrzennych wyodrębnił na obszarze polskiego morza 5

6 terytorialnego oraz wyłącznej strefy ekonomicznej lokalizacje o potencjale technicznym wynoszącym do 20 GW. Dodatkowo wykluczenia związane z obszarami NATURA 2000 zredukują ten potencjał do 7,5 GW. W procesie dalszego szacowania wielkości zasobów na poziomie makro, ze względu na uśrednioną opłacalność ekonomiczną hipotetycznych inwestycji, potencjał techniczny energetyki wiatrowej na lądzie został zredukowany do obszarów o wybitnie korzystnych warunkach wiatrowych. Lokalizacje te wykorzystywane będą w pierwszej kolejności. Uwzględniając obecny stan rozwoju technologii wiatrowej i zakładając prawidłowy dobór turbiny do lokalizacji, potencjał ekonomiczny wynosić może 82 GW na lądzie. Dla elektrowni wiatrowych na morzu przyjęto, że cały potencjał techniczny do wykorzystania z zadowalającym efektem ekonomicznym odpowiada mocy 7,5 GW. Zestawienie wyników uzyskanych na różnych etapach szacowania potencjału przedstawiono w tabeli C.4.1 [39, 1]. Tabela C.4.1. Potencjał energetyki wiatrowej w PolsceBłąd! Nie można odnaleźć źródła odwołania.. Na lądzie Na morzu Moc Energia Moc Energia GW TWh GW) TWh Potencjał teoretyczny Potencjał techniczny Potencjał techniczny z uwzględnieniem ograniczeń środowiskowych Potencjał ekonomiczny ,5 22,5 Potencjał rynkowy 2020 r. 11,5 28 1,5 4,5 Energetyka wiatrowa jest pod względem nakładów inwestycyjnych konkurencyjna wobec innych technologii produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Charakteryzuje się też niższymi kosztami eksploatacyjnymi (ryc. C.4.2). Przewiduje się, że wraz z rozwojem technologii wzrośnie roczny czas wykorzystania mocy nominalnej turbin wiatrowych. Dotyczy to zwłaszcza morskiej energetyki wiatrowej. Już w okresie do 2020 r. energetyka wiatrowa może osiągnąć znaczący spadek jednostkowych nakładów inwestycyjnych. 6

7 Ryc. C.4.2. Spadek wysokości jednostkowych nakładów inwestycyjnych dla OZE wytwarzających energię elektryczną Warto tu szczególną uwagę zwrócić na tzw. małe Elektrownie wiatrowe. Małe elektrownie wiatrowe o niewielkich mocach rzędu 1-10 kw w miastach (zazwyczaj z wirnikami o osi pionowej) i do 100 kw na obszarach wiejskich (zazwyczaj z tradycyjnymi wirnikami o osi poziomej), wykorzystywane będą przez indywidualnych konsumentów energii w tzw. systemie DSM. Rozwiązania te dobrze wpisują się w koncepcję rozwoju tzw. inteligentnych sieci, ale z uwagi na znacząco wyższe koszty jednostkowe niż farmy wiatrowe oraz niższe wskaźniki czasu wykorzystania w ciągu roku, ich przyszła konkurencyjność i rozwój uwarunkowane będą przyjętym modelem rozwoju sieci i rynku energii elektrycznej oraz różnicami w cenie energii na średnim i niskim napięciu (relacją pomiędzy ceną hurtową a detaliczną energii elektrycznej). Na rycinie C.4.3 przedstawiono rozwój łącznej mocy elektrowni wiatrowych instalowanych w latach oraz w rozbiciu na elektrownie wiatrowe lądowe i morskie. 7

8 Ryc. C.4.3. Przyrost mocy elektrowni wiatrowych w Polsce do 2020 r. W scenariuszu łączna moc elektrowni wiatrowych rośnie w średnim tempie rocznym o 40%, ale zauważyć można spowolnienie w okresie do 2015 r. z powodu problemów ze zbyt powolnym rozwojem sieci i możliwości przyłączania większych farm wiatrowych. Moc poszczególnych rodzajów turbin wiatrowych w 2020 r. osiąga odpowiednio: farmy lądowe 10,9 GW, farmy morskie 1,5 GW (pierwsza farma oddana zostanie do użytku w 2017 r.); małe elektrownie wiatrowe 0,6 GW razem ok. 13 GW. Praktyczna realizacja zaproponowanego scenariusza uzależniona będzie od systemu wsparcia dla energetyki wiatrowej, kierunków i tempa rozwoju systemu elektroenergetycznego, w pewnym zakresie także od zaangażowania samorządów terytorialnych oraz mobilizacji inwestorów. Warto jednak przeanalizować skalę i wymagane tempo realizacji niezbędnych inwestycji, które mogłyby umożliwić pełną i efektywną realizację zaprezentowanego scenariusza i tym samym uzyskanie znaczącego wkładu energetyki wiatrowej w osiągnięcie w 2020 r. celu dla Polski w postaci 15% udziału energii z OZE w bilansie zużycia energii finalnej. Przewiduje się, że do 2013 r. kontynuowany będzie obecny trend rozwoju i przyrostu mocy zainstalowanych w energetyce wiatrowej, także dzięki wykorzystaniu aktualnie dostępnych dla inwestorów instrumentów wsparcia, w tym funduszy spójności (POIiŚ) i funduszy strukturalnych (RPO) UE na lata Stopniowo wyczerpywane będą obecnie istniejące możliwości przyłączania elektrowni wiatrowych do sieci. Realizowany program modernizacji i rozbudowy infrastruktury sieciowej, zawarty w planach rozwoju operatora systemu przesyłowego i operatorów systemów dystrybucyjnych, nawet jeżeli początkowo wdrażany tylko częściowo i z pewnym opóźnieniem w stosunku do potrzeb, z czasem rozwiąże narastający już od paru lat problem nowych przyłączeń. Szansą na poprawę sytuacji są spodziewane ułatwienia prawne w realizacji tzw. inwestycji liniowych i publiczne źródła współfinansowania [35, 42, 36, 39, 1]. Jak wynika z danych publikowanych przez URE (ryc. C.4.4) województwo kujawskopomorskie należy do ścisłej czołówki w ilości mocy zainstalowanej. Jednak czas życia siłowni jest ograniczony. Przyjmuje się, że proces użytkowania turbin wiatrowych wynosi lat. Po tym okresie turbiny powinny zostać zdemontowane. Ich miejsce według zaleceń 8

9 producentów, należało by wypełnić nowymi egzemplarzami. Takie rozwiązanie jest korzystne ze względu na zmniejszenie kosztów wnikających z budowy infrastruktury przesyłowej. Jednak ze względów ekonomicznych wielu użytkowników turbin wiatrowych dążyć będzie do wydłużenie ich czasu użytkowania. Rozwiązanie to jest możliwe poprzez przeprowadzenie naprawy głównej turbiny z wymianą zużytych części, bądź użytkowanie do chwili nasilenia się awarii. Wymiana istniejących turbin na nowe pociąga za sobą wprowadzanie nowych, korzystniejszych rozwiązań technicznych. Przykładem takiej sytuacji jest zastępowanie turbin przekładniowych bezprzekładniowymi. Nowe rozwiązanie charakteryzuje się mniejszą emisją hałasu, ale także niższą masą samej turbiny, a co a tym idzie masą odpadów do recyrkulacji. Także nowoczesna konstrukcja takich turbin zawierających mniej elementów jest bardziej niezawodna [33, 3]. Ryc. C.4.4. Procentowy udział poszczególnych województw w mocy zainstalowanej na koniec marca 2011 roku. [ure] 9

10 5. NAJNOWSZE TECHNOLOGIE STOSOWANE W ENERGETYCE WIATROWEJ I KIERUNKI ICH ZMIAN 5.1. Przegląd technologii stosowanych w energetyce wiatrowej Na rycinie C.5.1 przedstawiono przykłady konstrukcji turbin wiatrowych. Współczesne rozwiązania konstrukcyjne zbliżają turbinę do silnika idealnego (teoretycznego), w którym wykorzystanie energii wiatru jest maksymalne. Ze względu na oś obrotu wirnika elektrownie wiatrowe możemy podzielić na opisane poniżej typy: - Turbina wiatrowa o poziomej osi obrotu (Horizontal Axis Wind Turbines, HAWT) W ten sposób określany jest układ turbiny, która posiada tradycyjne "śmigła" o zmiennej ilości łopat (dziś najczęściej stosowane są trójłopatowe). Spotykane są obecnie również elektrownie z większą ilością łopat, służące do pompowania wody. Ze względu na usytuowanie wirnika względem wiejącego wiatru zależnie od umiejscowienia go przed czy za wieżą możemy dokonać selekcji na konstrukcje typu down-wind i up-wind. Ryc. C.5.1. Przegląd współczesnych silników wiatrowych: a - bębnowy, b - karuzelowy, c - rotorowy Savoniusa, d - wielopłatowy, e - Darrieusa, f - Boeninga MOD-2 [28] Drugie z wymienionych rozwiązań ze względu na eliminacje niekorzystnego cienia aerodynamicznego wytwarzanego przez wieże i gondolę stosowane jest znacznie częściej. Wykorzystywanie tego typu konstrukcji narażonej na działanie niezwykle dużych siły związanych z natarciem słupa powietrza, stwarza potrzebę odpowiednio mocnej konstrukcji oraz użycia sztywnych materiałów do budowy łopat. Ponadto wirnik powinien być odsunięty 10

11 od wieży tak, aby łopaty przy odchyleniach dochodzących do jednego metra nie miały możliwości zderzenia z masztem. Elektrownie down-wind posiadają wirnik za masztem w stosunku do wiejącego wiatru. Zaletą tego typu rozwiązania jest brak konieczności stosowania mechanizmu odchylania wirnika, przy właściwym kształcie gondoli. Jednocześnie konstrukcja taka niesie istotne utrudnienia w przesyle mocy za pomocą kabla z generatora w dół wieży. Ów kabel może ulec skręceniu zaś, aby go odkręcić bez mechanizmu odchylenia wirnika niezbędne jest stosowanie specyficznych rozwiązań w postaci pierścieni ślizgowych. Rozwiązanie konstrukcyjne typu down-wind nie cieszy się szczególnym powodzeniem, ponieważ generuje ono straty pozyskiwanej energii spowodowane częściowym zacienieniem wirnika przez konstrukcję wieży. Jedyną, mniej znaczącą zaletą takiej konstrukcji wirnika jest możliwości stosowania mniej sztywnych materiałów do budowy łopat. - Turbiny wiatrowe o pionowym osi obrotu (Vertical Axis Wind Turbines, VAWT) W porównaniu z tradycyjnymi rozwiązaniami stanowią one niewielki procent obecnych instalacji. W stosunku do siłowni o wirnikach poziomych elektrownie o pionowej osi obrotu stanowią urządzenia małej mocy. Do zalet tego typu konstrukcji niewątpliwie zaliczyć należy możliwość pracy niezależnie od kierunku wiatru, cichą prace, nieskomplikowaną konstrukcję mechaniczną i odporność na silny wiatr. Jednak niska sprawność tego typu konstrukcji powoduje ograniczone stosowanie tego rodzaju turbin. Turbina Savoniusa (ryc. C.5.2) uważana jest za najprostsze technologicznie rozwiązanie turbiny z pionową osią obrotu; jej działanie zbliżone jest do działania silnika wodnego. W celu ułatwienia startu turbiny, co związane jest z położeniem wirnika względem kierunku wiatru, często budowane są zespoły turbin obróconych względem siebie o Ponadto istnieją odmiany konstrukcyjne klasycznych turbin tego typu, np. turbiny świderkowe. Ryc. C.5.2. Silnik rotorowy Savoniusa i turbina świderkowa [30] Doskonałą zaletą, dzięki której turbina Savoniusa zyskuje przewagę nad elektrowniami o poziomej osi obrotu jest niemal bezgłośność pracy. Ponadto wirnik tego typu wykorzystuje do 11

12 produkcji energii wiatr o niewielkiej prędkości, nawet od 1,5 m/s. Przy niskich prędkościach wiatru w granicach 1,5 4 m/s turbina Savoniusa ma moc większą o ok. 40% od klasycznego wiatraka charakteryzującego się tą samą powierzchnią zatoczenia łopat [8]. Kolejnym typem wirnika o pionowej osi obrotu, na który warto zwrócić uwagę jest powstała w 1931 r. turbina Darrieusa (ryc. C.5.3). Wirnik składa się z dwóch lub trzech łopat w kształcie litery C. Z uwagi na to, iż wirnik tego typu ma praktycznie zerowy moment startowy, podczas uruchamiania konieczne jest wstępne napędzenie. Do tego celu służyć może silnik elektryczny bądź pomocniczy wirnik Savoniusa. Minusem silnika Darrieusa jest niska sprawność wynikająca z niewielkiej prędkości wiatru na wysokości, na której najczęściej montowane są tego typu siłownie. Odmianą wirnika Darrieus a jest H-Darrieus (H-rotor) o kształcie litery "H". Ryc. C.5.3. Siłownia wiatrowa z turbiną Darrieusa (po lewej); Siłownia wiatrowa z turbiną typu H-Rotor (po prawej) [3, 21] Elektrownia wiatrowa traktowana, jako niezależna jednostka wytwórcza energii elektrycznej składa się z następujących elementów: - wieży osadzonej w odpowiednio przygotowanym fundamencie; - wirnika i gondoli, w której zlokalizowane są: wał wolnoobrotowy osadzony na łożyskach, przekładnia (spotykane są elektrownie bezprzekładniowe) dalej umieszczony jest wał szybkoobrotowy a za nim generator. Ponadto w gondoli zlokalizowany jest przekształtnik energoelektroniczny, układ smarowania oraz chłodzenia. Kolejnym elementem konstrukcyjnym jest układ sterowania położeniem turbiny względem wiatru. Najbardziej efektywne wykorzystanie wiatru zapewnia elektrowni mechanizm obracający turbiną w kierunku pod wiatr, który posiada silnik i przekładnię zębatą (często spotykane są przekładnie planetarne). 12

13 Większe elektrownie są ponadto wyposażone w transformator blokowy. Kolejnymi składowymi umieszczonymi w budowie wiatraka są: - kable wyprowadzające wyprodukowaną energię; - układy pomiarowe; - układy sterowania elektrownią wiatrową; - system telekomunikacji. Zdecydowana większość budowanych obecnie elektrowni wiatrowych posiada turbinę z trzema łopatami, której oś obrotu jest pozioma. Koło wiatrowe, którego łopaty wspierane są przez mechanizm sterujący ułożeniem względem ruchów mas powietrza, pozwala na przekształcenie energii wiatru w energię mechaniczną. Wirnik, który osadzony jest na wale, poruszany siłą wiatru przekazuje ruch obrotowy na tenże wał i dzięki temu możliwe jest napędzanie generatora. Koło wiatrowe obraca się najczęściej z prędkością obr/min, natomiast typowy generator asynchroniczny wytwarza energię elektryczną przy prędkości ponad 1500 obr/min. W związku z tym niezbędne jest użycie skrzyni przekładniowej, w której dokonuje się zwiększenie prędkości obrotowej. Łopaty małej elektrowni wiatrowej nie rzadko wirują z prędkością 40 obr/min, zaś w przypadku większych, o mocy znamionowej 2,0 MW elektrowni 40 obr/min ta stosunkowo niewielka prędkość koła wiatrowego wynika głównie z potrzeby uczynienia możliwie najefektywniejszym procesu pozyskiwania mocy ze strumienia wiatru. Jednym z parametrów charakteryzujących elektrownie wiatrowe jest wyróżnik szybkobieżności λ, definiowany, jako stosunek prędkości obrotowej u końca łopat wirnika o promieniu R do prędkości wiatru v Gdzie prędkość kątową ω= dla danej prędkości obrotowej turbiny n [min -1 ]. Uwzględniając wyróżnik szybkobieżności turbiny wiatrowe można podzielić na następujące grupy: - wolnobieżne, gdzie λ 1,5 z wirnikiem o wielu łopatach, zazwyczaj 12-40; w takich konstrukcjach moment rozruchu jest duży; - średniobieżne, gdzie 1,5 < λ 3,5, wirnik posiada 4-7 łopat; - szybkobieżne, gdzie λ > 5,0 o jednej, dwu lub trzech łopatach, które mają konstrukcję śmigła lotniczego, przy takim rozwiązaniu elektrownia posiada mały moment rozruchu wykazuje się natomiast największą sprawnością aerodynamiczną [31]. 13

14 Ryc. C.5.4. Schemat konstrukcji typowej elektrowni wiatrowej [35] Optymalne warunki pracy elektrowni są uzyskiwane, gdy koło wiatrowe posiada 3 łopaty, a ponadto wyróżnik szybkobieżności równy jest 7. Końcówki łopat wirnika poruszają się z zawrotną wręcz prędkością podczas tzw. pracy ustalonej, często przekraczającą 60 m/s (216 km/godz.), natomiast jeszcze wyższe wartości osiągają one w stanach przejściowych. Obecnie na rynku pojawiają się już elektrownie przeznaczone do pracy w obszarach o różnej wietrzności, mają one zdolność uzyskiwania mocy znamionowej przy różnych prędkościach wiatru. Na obszarach o stosunkowo niskich średnich prędkościach wiatru mają przewymiarowane turbiny wiatrowe. Dłuższe śmigła dają możliwość lepszego wykorzystania siły wiatru. Przykładem może być elektrownia Nordex N90/2300 której średnica koła wiatrowego wynosi 90 m, a moc znamionowa równa jest 2,3 MW. Przyłączenie elektrowni wiatrowej do sieci średniego napięcia kv (najczęstsze rozwiązanie) wymaga wyposażenia konstrukcji w transformatory blokowe. Umieszczane są one w wieży elektrowni, w kontenerze stawianym obok wieży lub (w przypadku elektrowni o większej mocy znamionowej) w samej gondoli Małe elektrownie wiatrowe Wg przyjętej Strategii Rozwoju Energetyki Wiatrowej w Polsce do 2020 roku małe elektrownie wiatrowe (MEW) o niewielkich mocach rzędu 1-10 kw w miastach (zazwyczaj z wirnikami o osi pionowej) i do 100 kw na obszarach wiejskich, wykorzystywane będą przez indywidualnych konsumentów energii w tzw. systemie DSM. Rozwiązania te dobrze wpisują się w koncepcję rozwoju tzw. inteligentnych sieci. W dokumencie tym przewiduje się, że w efekcie rozwoju i komercjalizacji małych elektrowni wiatrowych oraz przejściowych, ale niezwykle istotnych problemów z 14

15 przyłączaniem większych jednostek do sieci elektroenergetycznej, a także wskutek stopniowego pojawiania się pojazdów elektrycznych (wszystkie koncerny samochodowe planują wprowadzenie na rynek samochodów elektrycznych typu plug in najpóźniej do 2013r.), wzrośnie zapotrzebowanie na małe elektrownie wiatrowe, o mocy poniżej 100 kw, lokalizowane zarówno na terenach wiejskich ( kw), jak i w miastach (urządzenia o mocach 1-10 kw). Moc uzyskana tym sposobem w małych elektrowniach wiatrowych w latach nie będzie duża (skala inwestycji realizowanych w latach nie przekroczy 5-50 MW w ciągu roku, ale jej rozwojowi już w najbliższych latach sprzyjać będą konkursy na dotacje na pakiety takich inwestycji w poszczególnych gminach, ogłaszane już teraz (na tzw. pakiety małych projektów grupowych do realizacji przez gminy w sektorze OZE) w ramach RPO i Programu Rozwoju Obszarów Wiejskich (PROW). Na rycinie C.5.5 przedstawiono planowany przyrost mocy elektrowni wiatrowych w Polsce do 2020 roku. Ryc. C.5.5. Przyrost mocy elektrowni wiatrowych w Polsce do 2020 r. Na rysunku 5.6 natomiast przedstawiono skumulowaną liczbę miejsc pracy w polskim sektorze energetyki wiatrowej w latach Zgodnie z zaprezentowanym scenariuszem, w 2020 r. liczba miejsc pracy w sektorze energetyki wiatrowej wzrośnie do około 66 tys. osób. Daje to wyobrażenie o wielkości potencjału branży siłowni wiatrowych. 15

16 Ryc. C.5.6. Skumulowana liczba miejsc pracy w polskim sektorze energetyki wiatrowej w latach Poniżej przedstawiono na wykresach z rycin C.5.7 i C.5.8 dane dowodzące, że mimo wielu zastrzeżeń i ograniczeń w zakresie dofinansowania ze strony rządu branża ta rozwija się bardzo dynamicznie. Ryc. C.5.7. Zainstalowana moc oraz wartość wytwarzanej energii w polskim sektorze energetyki wiatrowej w latach Na rycinie C.5.8 przedstawiono planowany wzrost wartości wytwarzanej energii w polskim sektorze energetyki wiatrowej w latach z uwzględnieniem MEW. 16

17 Ons hore Offs hore M EW Ryc. C.5.8. Planowany wzrost wartości wytwarzanej energii w polskim sektorze energetyki wiatrowej w latach z uwzględnieniem MEW Wg innego dokumentu a mianowicie Krajowego Planu Działań w zakresie energii ze źródeł odnawialnych (KPD) przyjętego do realizacji przez Radę Ministrów 7 grudnia 2010 roku po raz pierwszy uwzględniono, jako odrębną kategorię, energię generowaną z małych elektrowni wiatrowych, tj. 550MW do 2020r., co stanowi odpowiednik budowy ponad 100 tys. pojedynczych instalacji. Przewiduje się, że skala całej inwestycji osiągnie obroty 6,6 mld zł do 2020 roku. Ponadto Polska zobowiązana jest do wprowadzenia ustawy o odnawialnych źródłach energii w ramach implementacji dyrektywy 2009/28/WE, której projekt ma zostać udostępniony w I kw roku. Już dniu dzisiejszym Przedsiębiorcy wywodzący się z sektora małej energetyki wiatrowej oczekują zróżnicowania wielkości wsparcia dla poszczególnych technologii energetyki odnawialnej oraz uproszczenia procedur prawnych w zakresie instalacji małych elektrowni wiatrowych w odróżnieniu od dużych farm wiatrowych i innych technologii OZE. Warto wspomnieć, że Instytut Energetyki Odnawialnej w ramach swojej działalności prowadzi pilotażowe badania wśród kluczowych przedstawicieli rynku MEW (Małe Elektrownie Wiatrowe), których celem jest zebranie możliwie najpełniejszej informacji statystycznej oraz co ważniejsze, szczegółowa analiza szans rozwoju i problemów sektora MEW. IEO zidentyfikował ponad 70 firm, które aktywnie działają w branży małej energetyki wiatrowej (producenci, dystrybutorzy, importerzy, instalatorzy i inne). Wg tych badań Polski sektor MEW znajduje się aktualnie w początkowej fazie rozwoju, jako że w zdecydowanej większości reprezentowany jest przez mikro-przedsiębiorstwa, które branżą MEW zajmują się od 2-3 lat. Udział przychodów z tytułu produkcji i sprzedaży turbin, bądź ich komponentów waha się w dużym zakresie od 10 do 100% całkowitego budżetu firm, który uzależniony jest w zależności od tego czy firma jest producentem turbin (większy udział), czy importuje i sprzedaje zagraniczne systemy MEW, jako jedne z produktów oferowanych w firmie (mniejszy udział). Większość firm z sektora zadeklarowało wzrost sprzedaży od 15 do 30% (w przypadku dystrybutorów), a niektórzy producenci planują podwojenie swojej produkcji, jednak z uwagi na małą skalę prowadzonej działalności, są to nadal małe wielkości. Prawie 90 % badanych przez IEO firm stwierdziło, że najistotniejszą szansą dla rozwoju sektora MEW będzie uproszczenie i ujednolicenie procedur oraz przepisów w zakresie wydawania pozwoleń na budowę przydomowych elektrowni wiatrowych oraz stworzenie 17

18 programu dofinansowania inwestycji. W pierwszej piątce szans znalazły się również zmiany w prawie energetycznym ułatwiającym podłączenie do sieci małe elektrownie wiatrowe (tzw. net-metering) 82%, zwiększenie puli środków z budżetu państwa na badania i rozwój nowoczesnych technologii OZE 79% oraz przeszkolenie organów administracji publicznej w zakresie możliwości wykorzystania technologii OZE we własnych gminach 64%, inne równie istotne szanse to ogólnopolskie kampanie informacyjne nakierowane na końcowych inwestorów, nośny portal wymiany informacji promującej technologie małej energetyki wiatrowej oraz rozwiązań małych turbin wiatrowych zintegrowanych z innymi technologiami OZE (np. PV, kolektory słoneczne, pompy ciepła i inne) ponad 60%. Główne problemy zidentyfikowane przez sektor MEW (analizy IEO), które wymagają natychmiastowego rozwiązania to brak oferty banków, które sfinansowałyby budowę małych elektrowni wiatrowych 89%, niska świadomość społeczna w zakresie możliwości wykorzystania małych turbin wiatrowych, skomplikowane procedury i zasady współpracy z operatorem sieci energetycznej po 73% oraz wysokie koszty budowy małych elektrowni wiatrowych 62%, 1]. Podsumowując, mała energetyka wiatrowa z jednej strony wymaga stworzenia systemu wsparcia poprzez system dotacji lub kredytów, a z drugiej uregulowanie zasad współpracy małych elektrowni wiatrowych z siecią elektroenergetyczną (net metering), dzięki którym nie będzie konieczności budowy magazynów energii (akumulatorów), które są znaczącym kosztem inwestycji. Ponadto ożywczy wpływ na sektor MEW będą miały kampanie informacyjne i portal tematyczny, które podniosą świadomość potencjalnych inwestorów nt wykorzystania OZE, w tym małej energetyki wiatrowej. Turbina o pionowej osi obrotu typu VAWT (vertical axis wind turbine) zaliczana jest do bardzo perspektywicznych produktów na polskim rynku w obszarze OZE. Jest wiele powodów, przez które mogą one szerzej zaistnieć na polskim rynku w przyszłości. Najważniejsze z nich to [27, 37, 3, 47]: - praca wybranych turbin VAWT jest już realizowana przy prędkości wiatru od 2 m/s; - sprawność turbin VAWT jest znacznie wyższa niż przy turbinach o poziomej osi obrotu; - niezakłócona praca turbin VAWT przy zmiennym wietrze; - prawidłowa praca turbin VAWT na terenach zurbanizowanych, również w centrach miast; - możliwość umieszczania turbin VAWT bezpośrednio na budynkach; - turbiny VAWT są bezpieczne dla ptaków; - śmigła turbin VAWT pracują znacznie ciszej, niż śmigła turbin o poziomej osi; - turbiny VAWT charakteryzują zredukowane do minimum wibracje; - prosta konstrukcja turbin VAWT powoduje, że są łatwe w montażu; - nie wymagają wysokich masztów (przy korzystnych warunkach otoczenia wystarcza wysokość 4 m nad poziomem terenu); - turbiny VAWT wytwarzane są z najwyższej jakości materiałów (w tym z kompozytów), co gwarantuje trwałość i bezawaryjną pracę systemu; - turbiny VAWT są elektronicznie sterowane i kontrolowane. 18

19 Ponadto: - wytwarzanie energii elektrycznej z darmowego źródła, jakim jest wiatr przynosi wymierne korzyści finansowe; - źródła odnawialne posiadają niewyczerpane zasoby; - wykorzystanie wiatru do wytwarzania energii elektrycznej nie zatruwa środowiska; - użytkowanie turbin wiatrowych uniezależnia od sieci energetycznej i dystrybutora; - własna turbina daje bezpieczeństwo energetyczne w przypadku awarii sieci przesyłowej lub elektrowni; - możliwość współpracy turbin z ogniwami fotowoltaicznymi pozwala na wykorzystanie systemów hybrydowych przez cały rok. Tabela C.5.1. Porównanie aspektów eksploatacji siłowni o osi pionowej i poziomej [8, 3] Rozbudowa i upowszechnienie MAŁYCH ELEKTROWNI WIATROWYCH spowoduje rozproszenie systemu energetycznego. Będzie to oznaczało, że energia elektryczna będzie wytwarzana tam, gdzie jest zużywana. Ograniczy to konieczność rozbudowy sieci przesyłowych. Szczególnie atrakcyjne wydaje się zastosowanie małych elektrowni wiatrowych zintegrowanych z budynkami bądź innymi elementami infrastruktury miejskiej. Przedstawiono to na rycinie C.5.9. Ryc. C.5.9. Układ budynków wymuszający wzrost prędkości napływającego powietrza na wirnik [3, 8] W najbliższych piętnastu latach znacząco zwiększy się ilość energii wytwarzanej w MAŁYCH ELEKTROWNIACH WIATROWYCH. Turbiny wiatrowe staną się urządzeniami powszechnie wykorzystywanymi do produkcji energii. Przemiany te dokonają się dzięki możliwościom, jakie daje technologia VAWT [30, 47, 38]. Przydomowe elektrownie 19

20 wiatrowe mogą służyć jako dodatkowe źródło energii, które w pewnym stopniu uniezależnia od sieci lokalnego dystrybutora energii elektrycznej. Przydomowa elektrownia wiatrowa może dostarczać prąd na potrzeby odbiornika autonomicznego (wydzielonego), czyli działającego niezależnie od sieci elektroenergetycznej. Może nim być [30, 31, 8]: - wydzielony obwód w domu, zwykle niskonapięciowy (np. obwód oświetleniowy czy obwód ogrzewania podłogowego wspomagającego ogrzewanie domu), działający niezależnie od pozostałej instalacji elektrycznej w domu zasilanej z konwencjonalnej sieci elektroenergetycznej; - cała instalacja domowa, odłączana od sieci energetycznej na czas korzystania z energii wytworzonej przez przydomową elektrownię, albo w ogóle niepodłączona do sieci elektroenergetycznej. Biorąc pod uwagę mniejszą sprawność turbin Savoniusa to zastosowanie nie jest brane przez firmę ETHERM Sp. z o.o. Większe elektrownie wiatrowe (zwane też siłowniami) przeznaczone są przede wszystkim do wytwarzania energii, która następnie przekazywana jest do sieci elektroenergetycznej. Są one jednak znacznie droższe od małych przydomowych. Ze względu na moc elektrownie wiatrowe dzieli się na modele mikro, małe i duże. Do zasilania domów stosuje się głównie dwa pierwsze rodzaje [8, 21, 25]. - Mikroelektrownie wiatrowe to modele poniżej 100 Watów (W) mocy. Używa się ich najczęściej do ładowania baterii akumulatorów stanowiących zasilanie obwodów wydzielonych tam, gdzie nie ma sieci elektroenergetycznej, lub z jakiegoś powodu nie chce się z niej korzystać. Takie elektrownie można wykorzystać do zasilania przez akumulatory części oświetlenia domu: pojedynczych lamp, a nawet poszczególnych pomieszczeń czy urządzeń. - Małe elektrownie wiatrowe to nieco większe modele o mocy od 100 W do 50 kw. Modele z tej grupy mogą zapewniać energię elektryczną w pojedynczych gospodarstwach domowych, a nawet w małych firmach. - Duże elektrownie wiatrowe (w praktyce powyżej 100 kw), oprócz tego, że mogą zasilać dom, stosowane są przede wszystkim do wytwarzania prądu, który sprzedaje się sieci elektroenergetycznej. Taka elektrownia musi spełniać szczegółowe wymagania lokalnego operatora sieci, potrzebna jest też oczywiście jego zgoda na takie przyłączenie. Biorąc pod uwagę skomplikowane procedury przyłączeniowe nie wchodzi to zakres zainteresowania firmy ETHERM Sp. z o.o. Siłownie wiatrowe montowane na dachach oferowanych hal mogą się znacząco przyczynić do zwiększenia ich konkurencyjności na rynku wynajmu bądź sprzedaży. W przyszłości, po wprowadzeniu w Polsce planowanej Ustawy o Efektywności Energetycznej, konkurencyjność ta będzie jeszcze większa. Projekt ustawy zakłada, że deweloper będzie musiał zastosować ekologiczne źródło ogrzewania albo przyłączyć budynek do sieci ciepłowniczej korzystającej z takiej energii. Deweloperzy będą mogli budować ciepłownie na gaz i węgiel, ale w tym przypadku będą musieli sporządzić audyt energetyczny, który wykaże, że nie opłaca się im stosować innych rozwiązań. Ustawa wprowadza system tzw. białych certyfikatów, czyli świadectw efektywności energetycznej, opierających się na 20

21 istniejących systemach wsparcia kogeneracji oraz odnawialnych źródeł energii (tzw. czerwonych i zielonych certyfikatów). Na firmy energetyczne zostanie nałożony obowiązek pozyskania określonej liczby certyfikatów. Nowy wymóg obejmie przedsiębiorstwa sprzedające odbiorcom końcowym energię elektryczną, gaz ziemny lub ciepło. Świadectwa efektywności będą mogły otrzymać m.in. przedsiębiorstwa, które zmniejszyły zużycie energii dzięki inwestycjom w nowoczesne technologie. Organem wydającym i umarzającym świadectwa efektywności energetycznej będzie prezes Urzędu Regulacji Energetyki. Projekt zakłada też włączenie jednostek sektora publicznego (rządowych i samorządowych) w realizację zadań na rzecz efektywności energetycznej. Będą one zobowiązane do stosowania co najmniej dwóch środków poprawy efektywności energetycznej z katalogu zawartego w ustawie. Do katalogu włączono m.in. przeprowadzenie audytów energetycznych budynków eksploatowanych przez te jednostki Elektrownie wiatrowe zlokalizowane na morzu W Polsce, łączna moc zainstalowana wszystkich farm zlokalizowanych na lądzie wynosiła w czerwcu 2010 r.1005 MW. Mimo że niektóre firmy, takie jak Karpacka Mała Energetyka czy Polska Grupa Energetyczna (PGE), wyraziły zainteresowanie budową morskich farm wiatrowych, w naszym kraju nie ma obecnie możliwości ani wsparcia dla tego typu przedsięwzięć. Największą przeszkodą jest przede wszystkim brak przepisów umożliwiających budowę morskich farm wiatrowych oraz niewystarczająco rozwinięta infrastruktura sieci i brak możliwości podłączania [30, 28, 1]. Poza problemem sieci i braku przepisów jest jeszcze kilka powodów, dla których rynek farm offshore w Polsce tak wolno się rozwija. Jednym z nich jest fakt, że morskie farmy wiatrowe są wznoszone jako sztuczne wyspy, które, zgodnie z polskim prawem, mogą istnieć tylko przez 5 lat. Proces inwestycyjny natomiast trwa od 7 do 8 lat, a farma offshore działa co najmniej przez lat [31, 3, 8]. Jak wynika ze scenariusza projektu OffshoreGrid, w 2020 roku morska energetyka wiatrowa w Polsce może dysponować mocą w wysokości 500 MW. Jak podają eksperci, koszt postawienia farmy wiatrowej o takiej mocy wyniesie od 845 mln EUR do 1,25 mld EUR. Cena zależna jest od warunków, tj. głębokości, rodzaju dna, typu turbiny i innych i szacuje się ją od 1,69 mln EUR / 1 MW do 2,5 mln EUR/ 1 MW. Potrzeby rynkowe są znacznie wyższe i do 2030 roku mogłyby wynieść MW na terenie naszego kraju. Dodatkowo warto zwrócić uwagę na efektywność pracy tego typu systemów. Jest ona wyższa niz w przypadku rozwiązań lądowych. Zagadnienie to przedstawiono w tabeli C.5.2. Morska energetyka wiatrowa charakteryzuje się wyższą strukturą kosztów inwestycyjnych od energetyki lądowej (1,5 do 2-krotnie zależnie od lokalizacji i technologii). Jak podają eksperci, aż 49% w strukturze kosztów zajmuje produkcja turbin wiatrowych wraz z transportem i instalacją. Produkcja fundamentów to 21%, a tak wysoki udział w kosztach stwarza okazję na zamówienia dla firm budowlanych oraz portów, które mogą stanowić zaplecze produkcyjne. Na rycinie C.5.11 przedstawiono sposoby zakotwiczenia elektrowni wiatrowych na dnie morskim w zależności od głębokości. Systemy morskie charakteryzują się większymi rozmiarami konstrukcji turbin. W przeciwieństwie do rozwiązań lądowych tutaj układy przekraczające średnice łopat 160 m mają sens (ryc. C.5.10). 21

22 Ryc. C Układ budynków wymuszający wzrost prędkości napływającego powietrza na wirnik [3, 8] Tabela C.5.2. Roczny czas wykorzystania mocy nominalnej różnych rodzajów elektrowni wiatrowych, budowanych w perspektywie do 2020r., w godz./rok [40, 36, 39] Ryc. C Sposoby zakotwiczenia elektrowni wiatrowych na dnie morskim w zależności od głębokości. Źródło: Carbon Trust Dużym wyzwaniem jest opracowanie technologii transportu wyposażenia farm wiatrowych na miejsce instalacji z różnych miejsc Europy. Jest to skomplikowany proces logistyczny, który wymaga dużych jednostek transportowych oraz portów przeładunkowych. Oprócz bezpiecznego transportu turbin, problemem jest instalacja w miejscu ich przeznaczenia. Jest to proces powtarzalny i wykonywany w kilku etapach. Doświadczenie 22

23 nabyte w innych gałęziach przemysłu pozwala stwierdzić, że zdecydowaną redukcję kosztów uzyskać można poprzez zmniejszenie czasu pracy w warunkach morskich oraz maksymalizację zakresu prac na lądzie [40, 1]. Obecnie stosowane są 3 podstawowe schematy logistyczne dostaw turbin wiatrowych do miejsca instalacji: - Transport turbin, elementów wieżowych i konstrukcyjnych statkiem z miejsca produkcji do portu docelowego, gdzie są one wstępnie montowane i transportowane na miejsce statkiem instalacyjnym - Produkcja i wstępny montaż turbin w porcie i dostawa bezpośrednio na miejsce instalacji (obecna oferta Bremerhaven) - Dostawa elementów za pomocą mniejszych jednostek na statek instalacyjny zlokalizowany na budowanej farmie wiatrowej i ich montaż na statku (zaletą jest wykorzystanie statku instalacyjnego tylko do celów konstrukcyjnych, a nie do transportu, jednak metoda ta wymaga zwiększenia ilości operacji załadunku w porcie). Elementem odróżniającym energetykę wiatrową morską od lądowej są stosunkowo wysokie koszty eksploatacyjne (obsługi i serwisu). W dotychczas zainstalowanych farmach wiatrowych wahają się one na poziomie EUR/MWh. Koszt budowy lądowej elektrowni wiatrowej o mocy od 1,5 MW wzwyż ukształtował się na stabilnym poziomie 1250 /kw. Z różnych analiz w skali makro wynika, że koszt jednostkowy morskiej elektrowni wiatrowej ustabilizuje się na poziomie 1800 /kw. Oznacza to że MEW o mocy 5 MW powinna kosztować bez uwzględnienia kosztu kabla elektrycznego doprowadzającego energię elektryczną z farmy wiatrowej do sieci elektroenergetycznej. Z innych publikowanych danych wynika, że fundament dla MEW o mocy 5 MW, przy głębokości wody 30 m, kosztuje , a montaż końcowy W wyniku zastosowania proponowanych tu nowatorskich rozwiązań koszt fundamentu i montażu MEW o mocy 5 MW będzie można obniżyć o łączną kwotę Działania związane z obsługą i eksploatacją działających farm wiatrowych są na morzu znacznie kosztowniejsze niż na lądzie (3 do 5 razy), przy dodatkowo trudniejszym dostępie do morskich farm wiatrowych. Obecnie prowadzone są badania zmierzające do ograniczenia interwencji człowieka w miejscu działania farmy wiatrowej, obejmujące m.in.: - systemy zapasowych gondoli umożliwiające szybką wymianę gondoli wraz z generatorem na czas usuwania awarii lub konserwacji - automatyczne systemy czyszczenia, wymiany filtrów i smarowania - wielowarstwowe powłoki skrzydeł, redukujące do minimum konieczność napraw lub wymiany - planowanie wymiany ciężkich elementów z uwzględnieniem doświadczeń konwencjonalnego przemysłu energetycznego odnośnie trwałości poszczególnych komponentów 23

24 5.4. Przykłady wykorzystania innowacyjnych siłowni wiatrowych I. GE Offshore Turbine. Przykładem innowacyjnych trendów w zakresie projektowania siłowni wiatrowych mogą być działania firmy General Electric GE. Firma ta zaproponowała dla siłowni wiatrowych zlokalizowanych na nabrzeżach USA zaawansowane modyfikacje. Połączono dwie techniki zwiększania możliwości turbin wiatrowych. Z jednej strony zyskały one dłuższe łopaty, by przejmować więcej wiatru. Z drugiej mają one uproszczone układy napędowe, by wyeliminować potrzeby częstych napraw. Nowe turbiny wyposażono w łopaty o długości prawie 54 metrów, ponadto o bardziej aerodynamicznym kształcie niż dotychczasowe. Co więcej, będą one połączone bezpośrednio z układem napędowym. Napęd bezpośredni zastąpi skrzynię przekładniową, a całość zmian ma przynieść wymierny efekt osiągi nawet do 25% lepsze niż aktualnie działające turbiny wiatrowe. Kolejną innowacją są zmiany w generatorze. Będzie on posiadał pierścień o średnicy 6 metrów ta wielkość pozwala pozyskać duże ilości energii nawet wobec słabszych wiatrów. Eliminuje to konieczność montowania skrzyni przekładniowej - nie potrzeba zwiększać prędkości obrotowej. Brak skrzyni to brak interwencji w celu wymiany oleju i mniejsze prawdopodobieństwo awarii. Nowe rozwiązania są już testowane w Holandii oraz Norwegii, a całość przygotowań ma zakończyć się w Wtedy też planowane są pierwsze instalacje turbin z projektu GE Offshore Turbine. Ryc. C Przykłady planowanych zastosowań siłowni wkomponowanych w układy drogowe II. Koncepcja Highway turbine: Idea polega na wykorzystaniu przepływu naturalnego powietrza lub podmuchów wywołanych przez pojazdy poruszające się na autostradzie. Wprawiona w turbina wiatrowa (typu Darrieusa) generuje prąd, który może służyć do zasilania lamp autostradowych. Turbina jest w stanie pracować nawet przy bardzo niskich prędkościach wiatru (25 km/h). 24

25 Ryc. C Przykłady planowanych zastosowań siłowni wkomponowanych w układy drogowe III. Turbiny systemu Helix. Jest to turbina Savoniusa w wersji świderkowej przeznaczona do pokrywania części zapotrzebowania na energię elektryczną przez gospodarstwa domowe czy obiekty użyteczności publicznej. Może być montowana na dachach domów lub niewielkiej wysokości słupach. Pracuje już przy wiatrach rzędu 15 km/h (około 5 m/s). Ryc. C Przykłady siłowni helix [13] 25

26 IV. Turbiny systemu MAG WIND. Ilość energii produkowana przez tego typu turbinę zależna jest od trzech czynników: prędkości wiatru, kształtu dachu (efekt koncentracji prędkości wiatru) oraz rozmiaru łopat. Ryc. C Przykłady siłowni MAG WIND [9] V. Turbina wiatrowa systemu Nheowind. Turbiny te Wykorzystują prawo Bernoulliego dotyczące prawa zachowania energii w płynie. Strumień powietrza jest akumulowany, a nie wyrzucany na zewnątrz. Specjalne odgięcia łopatek i rozpórki zwiększają ich wytrzymałość. Ryc. C Przykłady siłowni Nheowind [34] 26

27 VI. Rozwiązanie Energy Ball. Turbina składa się z 6-ciu wyprofilowanych płatów połączonych końcami z wirnikiem tworząc kulę. Charakterystycznym jest równoległy przepływ względem osi wirnika, gdzie najpierw następuje zawężenie strumienia powietrza a następnie jego przyspieszenie przez wirnik (tzw. efekt Venturiego). Ryc. C Przykłady siłowni Energy Ball [14] VII. Projekt M.A.R.S (Magenn Air Rotor System). Rozwiązanie polega na wykorzystaniu obracającego się zbiornika wypełnionego gazem lżejszym od powietrza. Generatory znajdujące się na osiach obrotu wytwarzają energię elektryczną. Ryc. C Rozwiązanie systemu M.A.R.S (Magenn Air Rotor System) [32] 27

28 VIII. Architectural Wind. To modułowy system turbin wiatrowych, które łatwo instaluje się w nowych i istniejących budynkach komercyjnych. Opiera się o opatentowany projekt AV, który zwiększa wydajność turbin elektrycznych w wytwarzaniu energii o ponad 50%. Jest też mniej hałaśliwy w porównaniu do tradycyjnych konstrukcji turbin wiatrowych. Wibracje przenoszone na budynek zostały ograniczone praktycznie do minimum dzięki specjalnemu systemowi instalacji. Kiedy wiatr uderza w budynek, tworzy się obszar przyśpieszonego przepływu powietrza. Dzięki swojej budowie (wysięgnikowi) turbiny chwytają wiatr i generują energię elektryczną. - Ryc. C Rozwiązanie systemu Architectural Wind IX. Czerpiąc inspirację z konstrukcji silnika odrzutowego, prototyp turbiny FloDesign jest trzy razy bardziej wydajny w konwersji wiatru na energię elektryczną niż dzisiejsze trzyłopatkowe modele. Osłony wykonane bezpośrednio ze wzorów turbin lotniczych tworzą wir i zwiększają prędkość wiatru przechodzącego przez turbinę. Turbina działa równie dobrze przy niższych prędkościach wiatru i jest obojętna zmienność wzorców wiatru. Ryc. C Rozwiązanie prototypu turbiny FloDesign 28

29 X. Instalacje turbin wiatrowych w łącznikach budynków. Przykładem wdrożenia takiego systemu jest Bahrain World Trade Center. Ryc. C Rozwiązanie prototypu turbiny FloDesign XI. Ostrza wirnika WhalePower różnią się od standardowych wgłębieniami zrobionymi na wzór płetwy wieloryba. Dzięki takiemu rozwiązaniu roczny wzrost produkcji energii elektrycznej z takich turbin w stosunku do tradycyjnych wynosi 20%. Dzięki wdrożonemu rozwiązaniu możliwa jest praca wirnika turbiny pod większym kątem do wiatru nie powodując przeciążeń i nie tworząc zbyt wielkich oporów wiatru. Możliwe do uzyskania są kąty o 40% większe od stosowanych w standardowych elektrowniach wiatrowych Ryc. C Rozwiązanie wirnika WhalePower

30 XII. Systemy hybrydowe: siłownia wiatrowa-pv. Tego typy układy łączą w sobie dwie metody wytwarzania energii elektrycznej. Pozwalają efektywnie zasilać układy domowe oraz systemy oświetleniowe. - Ryc. C Rozwiązanie wirnika WhalePower 5.5. Podsumowanie Podsumowując przeprowadzoną ocenę najnowszych technologii stosowanych w energetyce wiatrowej i kierunki ich zmian należy stwierdzić że: - Obecne działania w zakresie konstrukcji turbin wiatrowych zmierzają w kierunku zwiększenia ich efektywności działania. Stad trend budowy siłowni w których eliminuje sie przekładnie na rzecz specjalnych generatorów wolnoobrotowych. - Zasadniczo w zakresie gabarytów następuje ciągły wzrost rozmiarów wytwarzanych turbin (średnice łopat, wysokość wież). Szczególnie w zakresie układów morskich, gdzie zmniejszenie rozproszenia siłowni na morzu zmniejsza również koszta ich eksploatacji. Jako przykład można tutaj wskazać projekt Aerogenerator. To projekt turbiny nowej generacji, który powstaje we współpracy ze środowiskiem akademickim. Wsparcie finansowe dla projektu zapewniają Rolls Royce, Shell oraz BP. Prace studialne nad tym projektem przeprowadzono na Cranfield University w Wielkiej Brytanii. Turbina jest znacznie potężniejsza niż dotychczas znane konstrukcje - ma moc 10 MW i rozpiętość łopat 275m. Turbina o nowatorskim kształcie, której wirnik obraca się wokół pionowej osi, ma być montowana na półzanurzalnej platformie. Zdaniem konstruktorów, projekt może być modyfikowany dla uzyskania większych mocy (np. 20 MW). Pierwsze maszyny powstaną w 2013 roku, po dwóch latach planowanych testów. 30

31 Ryc. C Projekt turbiny nowej generacji - Przechodząc w zakres tzw. małych elektrowni wiatrowych należy stwierdzić silny trend w zakresie ich integracji z układami urbanistycznymi. Wykorzystanie budynków wymuszających wzrost prędkości napływającego powietrza na wirnik pozwala zwiększyć efektywność tego typu rozwiązań na małych wysokościach. - Wszelkie modyfikacje rozwiązań małych siłowni o osi poziomej bądź pionowej zmierzają do zmniejszenia hałasu podczas ich pracy oraz do rozszerzenia zakresu ich działania w przedziale bardzo małych prędkości oraz bardzo dużych prędkości wiatru. - Charakterystyczną cechą dla układów małych elektrowni wiatrowych w systemach przydomowych jest trend łącznia ich w z instalacjami fotowoltaicznymi. Wynika to z faktu możliwości wyrównania rocznej produkcji energii elektrycznej w ciągu roku. Zagadnienie to przedstawiono na rycinie C Ryc. C Współpraca instalacji siłowni wiatrowej i instalacji fotowoltaicznej 31