Małe Elektrownie Wiatrowe (MEW) Elektrownie wiatrowe stają się coraz bardziej popularne w Polsce przede wszystkim dzięki budowie farm wiatrowych, których w Polsce już trochę powstało. Choć wywołują niemałe kontrowersje i sprzeciwy wśród społeczeństwa, farmy wiatrowe nadal są promowane przez branżę Ekoenergii i energetyczną. Jednak nie każdy słyszał o mikro instalacjach, czyli przydomowych elektrowniach wiatrowych, które stanowią atrakcyjną alternatywę dla obecnie dostępnych odnawialnych źródeł energii. Przydomowe elektrownie wiatrowe cieszą się coraz to większą popularnością, a zainteresowanie nimi z całą pewnością jeszcze wzrośnie ponieważ do prawa polskiego wprowadzana jest obecnie Dyrektywa Unii Europejskiej nr 2002/91/WE, zgodnie z którą w budynkach nowych oraz starych gruntownie remontowanych projektant będzie musiał uwzględnić w dokumentacji budynku zastosowanie energii pochodzącej z OZE. Przydomowe, Małe Elektrownie Wiatrowe (MEW), czyli mikro instalacje o mocy do 40 kw to systemy służące do zasilania wewnętrznych obwodów elektrycznych w gospodarstwach domowych, rolnych, małych i średnich firmach, czy obiektach użyteczności publicznej. Ich niewielkie rozmiary, prosta konstrukcja i praktycznie bezobsługowa praca pozwala postawić je praktycznie wszędzie. Przydomowe wiatraki dzielą się na dwie główne grupy: Elektrownie wiatrowe o poziomej osi obrotu, czyli w skrócie poziome, inaczej HAWT (Horizontal Axis Wind Turbine). Są budowane na kształt tradycyjnych wiatraków dużej mocy. zalety: posiadają wyższa sprawność od turbin o pionowej osi obrotu, posiadają estetyczny i harmonijny wygląd. wady: ze względu na wysoka prędkość obrotową wymagają mechanizmu, który przy bardzo silnym wietrze ogranicza obroty turbiny, wymagają mechanizmu naprowadzania na wiatr, w przypadku umieszczenia generatora w gondoli wymagają zastosowania połączeń ślizgowych Elektrownie wiatrowe o pionowej osi obrotu, czyli w skrócie pionowe, inaczej VAWT (Vertical Axis Wind Turbine), które w dużym uproszczeniu przypominają pionowy walec. Siłownie z wiatrakami o osiach pionowych charakteryzują się wieloma zaletami, ale również nie pozbawione są wad. zalety: efektywne wykorzystanie energii wiatru; przedział prędkości wiatru 1 40 m/s, Możliwości uzyskania: większej mocy o około 40% od klasycznego wiatraku z osią poziomą i o tej samej powierzchni zatoczenia łopat przy niskich prędkościach wiatru rzędu 1 4,0 m/s (średnia prędkość wiatru w Polsce 3,7 m/s w miesiącach letnich i 4,9 m/s w miesiącach zimowych), większego wykorzystania wszystkich powiewów wiatru (nawet przy niższych prędkościach, które często występują na mniejszych wysokościach a te wykorzystywane są przede wszystkim w elektrowniach przydomowych), jednakowa praca niezależna od kierunku wiatru, w konsekwencji brak konieczności naprowadzania na wiatr; powoduje to uproszczenie konstrukcji mechanicznej i układów sterowania, a w konsekwencji wymaga mniejszego kosztu produkcji, możliwość łatwego montażu na obiektach; brak konieczności wynoszenia siłowni o bardzo dużej wadze, co wpływa bezpośrednio na obniżenie nakładu inwestycyjnego, a pośrednio na koszty wytworzenia energii; możliwość montażu na dachach budynków, słupach, istniejących masztach, itp., stosunkowo cicha praca, nawet przy większych prędkościach wiatru, bezobsługowa praca zespołu prądotwórczego, estetyczny wygląd, 1
wady: wytworzenie energii równoważnej energii wytworzonej w tradycyjnych turbinach wymaga znacznie większych gabarytów z uwagi na niewielką prędkość obrotową w wielu przypadkach niezbędny jest generator wolnobieżny lub przekładnia, które zmniejszają sprawność i zwiększają emisję hałasu. Na rynku obecnie znajduje się wiele różnych rozwiązań przydomowych elektrowni wiatrowych. Dużo łatwiej jest znaleźć dobry zestaw Małej Elektrowni Wiatrowej, ze względu na ich coraz większą popularność. Na co zatem należy zwracać uwagę kupując wiatrak? Kraj pochodzenia. Mimo dużego rozwoju tej technologii w Azii, chińskie wiatraki są wciąż bardzo niepewne. Ich parametry są często mocno wyśrubowane, a w praktyce często okazuje się, że są nieosiągalne. Zdarzają się także problemy z samą charakterystyką wytworzonego prądu, która stwarza problemy przy jego przetwarzaniu. Europejskie i amerykańskie rozwiązania z kolei są często bardzo drogie. Należy zatem bardzo ostrożnie podchodzić do przedstawianych parametrów, ponieważ po zakupie trudno jest udowodnić, że dany wiatrak nie spełnia parametrów technicznych, deklarowanych przez producenta, czy dystrybutora. Krzywa mocy. Producenci i dystrybutorzy opisując przydomowe elektrownie wiatrowe podają ich moc. W praktyce ten parametr to tak zwana moc nominalna, czyli taka, która jest osiągana w optymalnym punkcie turbiny. Moce nominalne są osiągane przy wiatrach 12-14 metrów na sekundę, czyli takich, które zdarzają się w Polsce 3-4 razy w roku. Bardziej istotne są zatem moce, które są osiągane przy wiatrach występujących w Polsce, czyli 4-6 m/s. Jeśli zatem dystrybutor lub producent podaje moc nominalną przy wietrze 8-9 m/s, można z dużą dozą prawdopodobieństwa stwierdzić, że jest to informacja nieprawdziwa. Poza tym krzywa mocy jest trudna do narysowania, ponieważ w różnych sytuacjach przy danym wietrze turbina wiatrowa będzie produkowała różne moce, co zależne jest od takich czynników, jak ciśnienie, wilgotność powietrza i zmienność wiatru. Krzywa mocy powinna być zatem podana w formie korytarza uzyskiwanych wyników. Sterowanie, czyli regulator ładowania akumulatorów. Póki co polskie gospodarstwa domowe są zmuszone budować tzw. instalacje off-grid, czyli tzw. wyspowe. Do takiej instalacji niezbędne są akumulatory. Turbiny wiatrowe produkują prąd zmienny, o bardzo zmiennych napięciach, co utrudnia ładowanie akumulatorów. Kupując małe elektrownie wiatrowe należy zatem zwrócić uwagę na to, czy mają dedykowany przez producenta i kompatybilny regulator ładowania akumulatorów. Gdzie najczęściej stosowane są Małe Elektrownie Wiatrowe (MEW) MEW służą do zasilania w energię m.in.: domy jednorodzinne, balkony i tarasy, ogrody, altanki domki letniskowe, małe firmy produkcyjne i usługowe, gospodarstwa rolne niewielkie hotele i pensjonaty obiekty użyteczności publicznej morskie znaki nawigacyjne, rolnictwo zasilanie elektryczne maszyn i urządzeń gospodarczych, zasilanie pomp melioracyjnych, hodowla ryb, zasilanie urządzeń do napowietrzania i rekultywacji zbiorników wodnych oraz podgrzewanie wody, oświetlenie przyczep kempingowych, pól namiotowych, baraków i kontenerów budowlanych itp., zasilanie systemów podlewania, nawadniania kropelkowego, pomieszczeń gospodarczych w agroturystyce, zasilanie jachtów, łodzi, statków, itp. Turbina wiatrowa może pełnić funkcję dodatkowego źródła energii, wspomagającego zasilanie budynków podłączonych do sieci elektrycznej lub stanowić samodzielne źródło energii w przypadku obiektów, które nie mają dostępu do sieci elektrycznej. W pierwszym przypadku jest ona z reguły wykorzystywana do dostarczania prądu na wydzielony obwód, zwykle niskonapięciowy (np. obwód oświetleniowy czy obwód ogrzewania podłogowego wspomagającego ogrzewanie domu) lub służy do ogrzewania wody. Jeżeli MEW jest wyposażona w przetwornicę na 230V to można zasilać tyle urządzeń na ile wystarczy energii elektrycznej wytworzonej przez generator i 2
zmagazynowanej w akumulatorach. Czy postawienie MEW wymaga pozwolenia na budowę? Instalacja turbiny na dachu budynku lub na jednej z jego ścian zewnętrznych nie wymaga pozwolenia na budowę (warunek: wysokość turbiny nie może przekroczyć 3m powyżej obrębu dachu). Inwestor powinien jedynie zapewnić kontrolę inspektora budowlanego mającą na celu potwierdzenie wytrzymałości konstrukcji dachu/ściany budynku do przyjęcia dodatkowego obciążenia. W przypadku umieszczenie turbiny na maszcie wolnostojącym jedyną formalnością jest zgłoszenie budowy masztu do starostwa powiatowego lub do urzędu gminy. Dokumentacja powinna zawierać plan geodezyjny z naniesioną lokalizacją i opisem masztu. Postawienie masztu na trwale związanego z gruntem wymaga uzyskania pozwolenia na budowę. Wniosek składa się w starostwie powiatowym lub w urzędzie gminy. Dokumentacja powinna zawierać m.in. plan geodezyjny z naniesioną lokalizacją, opis masztu wraz z rysunkiem technicznym oraz oświadczenie o prawie do dysponowania nieruchomością, na terenie której ma znaleźć się konstrukcja. Niektórzy producenci/dystrybutorzy oferują klientom pomoc w załatwieniu powyższych formalności. Czy do produkowania energii elektrycznej potrzebne są jakieś koncesje? Produkcja energii na własne potrzeby nie wymaga koncesji. Jeśli jednak zamierzamy sprzedawać energię wyprodukowaną przez MEW do zakładu energetycznego konieczne jest uzyskanie koncesji na produkcję i sprzedaż energii elektrycznej. Aby ją otrzymać trzeba mieć zarejestrowaną działalność gospodarczą. Sprzedaż energii wymaga również wystąpienia z wnioskiem o warunki przyłączania do sieci i wiąże się z koniecznością ponoszenia opłat za wykorzystywanie dóbr naturalnych. Po wejściu w życie ustawy o OZE (planowany termin to I kwartał 2015) sprzedaż energii przez właścicieli MEW będzie możliwa bez koncesji a zakłady energetyczne będą miały obowiązek udzielenia zgody na ich przyłączenie do sieci. Gdzie najlepiej postawić MEW? MEW należy postawić w miejscu o odpowiednich zasobach energetycznych wiatru. Zasoby te zależą przede wszystkim od: a) Średniej prędkości wiatru na danym terenie. Zainstalowanie turbiny wiatrowej ma ekonomiczny sens jeśli wynosi ona co najmniej 4m/s (15 km/h) b) Szorstkości terenu, czyli jego ukształtowania, rodzaju zabudowy i bliskości drzew. MEW powinna być umieszczona w miejscu gdzie występuje wolny przepływ powietrza, z dala od przeszkód takich jak góry, pagórki, wysokie budynki i drzewa. 1.c) Stref zawirowań powietrza, czyli miejsc gdzie powietrze zapętla się swobodnie wirując. Lokalizacja turbiny na takim obszarze jest niewskazana, ponieważ zawirowania wpływają niekorzystnie na jej wydajność. W sumie umiejscowienie turbiny wiatrowej powinno być każdorazowo dobierane do lokalnych warunków i poprzedzone oceną/badaniem wietrzności w danej okolicy. W jakiej odległości od domu/zabudowań należy umiejscowić MEW? Elektrownia wiatrowa działa najlepiej gdy strumień wiatru jest laminarny (niezaburzony). Aby zwiększyć pewność, iż struga wiatru docierająca do MEW będzie miała przepływ bliski idealnemu, odległości turbiny wiatrowej od wszelkich przeszkód terenowych (w tym budynków, drzew itp.). Jeśli MEW miałaby stać za przeszkodą (domem, drzewem, lasem), to trzeba pamiętać, że za przeszkodami (patrząc w kierunku wiatru), w strefie oznaczonej na rysunku kolorem szaroniebieskim, strugi powietrza wirują. Aby MEW działała efektywnie, jej wirnik powinien znajdować się poza tą strefa a sama turbina powinna być umieszczona na bardzo wysoki maszcie albo zainstalowana w znacznej odległości od przeszkody (zwykle w odległość równej około 20 wysokościom przeszkody). Korzystniej jest umiejscowić MEW przed przeszkodą, bo strefa zawirowań powietrza jest wówczas znacznie mniejsza. Dzięki temu turbina może stać bliżej przeszkody i być zamontowana na znacznie niższym maszcie niż w pierwszym przypadku. Zawirowania nie będą również stanowiły utrudnienia w przypadku zamontowania turbiny na dachu lub 3
ścianie budynku lub na otwartej przestrzeni np. na polu, czy na naturalnym wzniesieniu lub w pobliżu szos czy autostrad. Lepszej wydajności turbiny sprzyja również umieszczenie jej w pobliżu prześwitu budynków. Zgodnie z zasadą przepływu Bernoulliego, zmniejszenie przepływu (ściśnięcie) wylotu węża ogrodowego powoduje, ze prędkość wody jest większa i struga sięga dalej. Tą samą prawidłowość można odnieść do przepływu strugi wiatru w prześwitach pomiędzy budynkami wiatr jest silniejszy. W sumie ekonomiczna opłacalność turbiny zależy od prawidłowego wykorzystania istniejących uwarunkowań terenowych przy założeniu, że średnia prędkość wiatru w wybranej lokalizacji nie jest mniejsza niż 4m/s. Ile energii elektrycznej wyprodukuje MEW? Odpowiednio usytuowana elektrownia wiatrowa może wytworzyć rocznie taką ilość energii elektrycznej, jaka odpowiada 25% iloczynu jej mocy nominalnej oraz liczby godzin w ciągu roku (24 h 365). W tak wyliczonej wielkości uwzględnione są zarówno okresy bezwietrzne, jak i te, kiedy prędkość wiatru jest mniejsza lub większa od tej, przy której elektrownia wiatrowa produkuje moc nominalną. Za przykład może posłużyć MEW o mocy nominalnej 4kW. Szacunek wytworzonej przez nią energii przedstawia się następująco: 4 kw x 24 godziny x 365 dni w roku x 25 % = 8 760 kwh/rocznie Jak dobrać moc MEW? Aby odpowiednio dobrać moc MEW należy wyjść od średniego rocznego zapotrzebowania na energię oraz tego czy chcemy jej część odsprzedawać do sieci czy też nie (warto wziąć pod uwagę, iż po wejściu w życie ustawy o OZE, będą ku temu sprzyjające warunki). Posłużmy się przykładem. Załóżmy, że zapotrzebowanie domu jednorodzinnego na energię wynosi rocznie ok. 4500 kwh i właściciele chcą ją spożytkować wyłącznie na zaspokojenie własnych potrzeb. Zakładając, że turbina wiatrowa będzie pracować przez 25% dni w roku MEW powinna mieć moc nominalną na poziomie 2kW. x kw x 24 godziny x 365 dni w roku x 25% = 4 500 kwh x = 4 500 kwh / (24 h x 365 x 0,25) x = 2,0 kw Jak obliczyć korzyści finansowe wynikające z zainstalowania MEW? Aby oszacować oszczędności na rachunkach za prąd wynikające z zainstalowania MEW trzeba wziąć pod uwagę następujące czynniki: a) Roczną produkcję energii przez wybraną turbinę wiatrową. b) Szacunkową cenę energii za 1 kw w ramach używanej taryfy (z uwzględnieniem opłat dystrybucyjnych). W tym celu wystarczy przeanalizować rachunek za prąd. c) Prognozowany wzrost cen energii. Można się tu oprzeć na oficjalnych danych Ministerstwa Gospodarki, które przewidują, iż w okresie 2012-2020 ceny energii wzrosną o ok. 20%. 4
Poniższa tabelka przedstawia szacunek rocznych zysków płynących z zainstalowania małej turbiny wiatrowej o mocy nominalnej 1kW. Turbina taka wyprodukuje ok. 2200 kwh energii w ciągu roku. Lata 2012-2020 Szacunkowa cena energii za 1 kwh (Taryfa G11) Wartość wyprodukowanej energii (2200 kwh) 2013 0,62 1 364 zł 2014 0,65 1 430 zł 2015 0,68 1 496 zł 2016 0.71 1 562 zł 2017 0.74 1 628 zł 2018 0.77 1 694 zł 2019 0.81 1 782 zł 2020 0,84 1 848 zł Suma 12 804 Źródło: obliczenia własne Jak obliczyć okres zwrotu inwestycji w małą elektrownię wiatrową? Aby oszacować, kiedy zwróci się koszt zakupu MEW, trzeba wziąć pod uwagę cenę urządzenia oraz sumaryczny roczny zysk wynikający z jego instalacji. Ceny MEW są bardzo zróżnicowane i zależą przede wszystkim od mocy nominalnej i od producenta (w tym miedzy innymi jakości urządzenia i miejsca produkcji). Jeśli założymy, dla celu ilustracji, że turbina wiatrowa o mocy nominalnej 1kW kosztuje 7000 zł brutto to inwestycja zwróci się po 5 latach użytkowania. W przypadku gdy ceny energii wzrosną szybciej niż wynika to z oficjalnych prognoz, okres zwrotu inwestycji będzie krótszy. Czy MEW są źródłem hałasu? Elektrownie wiatrowe również małe, przydomowe stanowią źródło hałasu. Zgodnie z przepisami obiekty i urządzenia stanowiące źródła hałasu należy lokalizować tak, by nie naruszały dopuszczalnych poziomów hałasu. Przydomowe MEW z reguły spełniają wymogi wynikające z ochrony przed hałasem już w odległości 20-100 m od budynków mieszkalnych. Jaka jest trwałość MEW? Żywotność elektrowni wiatrowych sięga co najmniej 20 lat. Aby wydłużyć ten czas MEW należy regularnie serwisować i w razie potrzeby dokonywać wymiany materiałów eksploatacyjnych. Czy możliwa jest współpraca MEW z ogniwami fotowoltaicznymi? Tak. Tego rodzaju układ nazywamy jest systemem hybrydowym. Panel fotowoltaiczny pozwala na uzupełnienie niedoboru energii elektrycznej w dni słoneczne, przy braku wiatru i wykorzystywać dodatkowo wyprodukowaną energię w układzie obwodów elektrycznych. System taki jest bardzo korzystny w polskich warunkach klimatycznych. W miesiącach maj sierpień wiatr wieje słabo natomiast jest dużo słonecznych dni. Z kolei okres jesienno-zimowym (od października do lutego) charakteryzują się duża ilością wietrznych dni, a małą dni słonecznych. Produkcja prądu z dwóch niezależnych źródeł energii odnawialnej zwiększa bezpieczeństwo energetyczne domu lub obiektu który korzysta z tej formy zasilania w energię i pozwala na znacząca obniżkę kosztów energii (odpowiedni dobór obu typów urządzeń do potrzeb energetycznych może pozwolić na całkowite uniezależnienie się od zasilania z sieci). Moc paneli fotowoltaicznych pracujących w systemach hybrydowych dobierana jest indywidualnie do potrzeb Klienta; możliwa jest dowolna konfiguracja liczby i mocy paneli. Ogniwa fotowoltaiczne i MEW mogą zasilać tą samą instalację zarówno, jeśli są ściśle połączone jak i gdy są zamontowane oddzielnie. Do jednoczesnego zarządzania pracą turbiny wiatrowej oraz paneli wystarczy jeden sterownik elektroniczny (kontroler). Jaki jest udział urządzeń domowych w zużyciu energii elektrycznej? Procentowy udział najpopularniejszych sprzętów domowych w zużyciu energii ilustruje poniższy diagram. 5
Źródło: Agencja Rynku Energii Z powyższych danych wynika, iż niemal 80% zużycia prądu przypada na cztery grupy urządzeń: chłodziarko-zamrażarka (28,1%) oświetlenie i drobne AGD (20,4%) kuchnia elektryczna (19,6%) pralka (9,1%) Elektrownie wiatrowe przekształcają energię, którą przenosi wiatr na energię elektryczną. Każdy wiatrak ma swoją określoną powierzchnię, na którą oddziałuje wiatr, z kolei wiatr o określonej powierzchni, gęstości, wilgotności i prędkości przenosi odpowiednią, dającą się określić energię. Parametr informujący o tym ile tej energii zostaje faktycznie przekształcone na prąd to wydajność turbiny. Małe elektrownie wiatrowe mają wydajność na poziomie około 20-40%. Kupując elektrownię wiatrową można zatem łatwo sprawdzić, czy parametry deklarowane przez sprzedawcę są w ogóle realne. Często bowiem zdarza się, że aby osiągnąć deklarowaną moc, mała elektrownia wiatrowa musiała by pracować z wydajnością 80%, a nawet powyżej 100%, co jest oczywiście fizycznie niemożliwe, ponieważ nie da się wytworzyć energii większej, niż została przyłożona, bez dodatkowego zasilania. Aby zatem uniknąć kłopotów należy skontaktować się ze specjalistą, który w prosty sposób określi i oceni te parametry. Warmińsko-mazurskie Stowarzyszenie Energii Odnawialnych oczywiście służy pomocą. 6