TOMPOROWSKI Andrzej 1 PIASECKA Izabela 2 OPIELAK Katarzyna 3 Transport nienormatywnych elementów elektrowni wiatrowych w Polsce WPROWADZENIE Energia stanowi główny konstruktywny motor rozwoju ekonomicznego i czynnik poprawiający jakość życia. Węgiel zaspokaja obecnie ok. 76,6% potrzeb energetycznych w skali Polski, odnawialne źródła energii ok. 9%, w tym ok. 93% stanowi energetyka wiatrowa (tab. 1). Koszty wydobycia paliw kopalnych zwiększają się rokrocznie. Za kilkanaście lat ich wydobycie może stać się nieopłacalne. Powszechnie stosowane rozwiązanie stanowi import surowców, jednakże i w tym sektorze warunki ekonomiczne mogą ulec w przyszłości pogorszeniu. Alternatywą dla konwencjonalnych sposobów uzyskiwania energii elektrycznej są źródła odnawialne [1, 3, 6]. W ostatnim dziesięcioleciu odnotowuje się dynamiczny rozwój polskiego sektora energetyki wiatrowej. Zgodnie z dokumentem Polityka Energetyczna Polski do 2030 roku osiągnięcie celów w zakresie energii odnawialnej wymagać będzie produkcji energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych na poziomie ok. 40 TWh w 2030r., [7, 8]. Dla krajowej energetyki wiatrowej oznacza to dysponowanie mocami wytwórczymi o wartości ok. 15-20 GW. Przyjmując, że jedna turbina wiatrowa posiada moc 2 MW, to przez najbliższe 15 lat należałoby wybudować od 6 do 8,5 tys. nowych siłowni wiatrowych. Przy tradycyjnym transporcie sekcji elektrowni wiatrowych transportem drogowym, niezbędnym będzie przejazd ok. 60-80 tys. zestawów drogowych określanych mianem pojazdów nienormatywnych (dłuższych, szerszych, wyższych i cięższych od standardowych). W skali roku można założyć konieczność przejazdu ok. 500-600 konwojów pojazdów, bez uwzględnienia dodatkowych przejazdów o charakterze nieregularnym w celu dostarczenia części zamiennych. Stanowi to olbrzymie wyzwanie transportowo-logistyczne [10]. Celem pracy było porównanie wpływu na środowisko dostępnych w warunkach krajowych, możliwości transportu nienormatywnego elementów elektrowni wiatrowych. Tab. 1. Moc zainstalowana w Polsce (grudzień 2013 r.) [8] Wyszczególnienie Moc elektryczna zainstalowana [MW] OGÓŁEM 38.490,1 Elektrownie zawodowe cieplne, z tego: 30.926,3 - na węglu brunatnym 9.420,5 - na węglu kamiennym 20.066,0 - gazowe 873,6 Elektrownie zawodowe wodne, w tym: 2.198,5 - szczytowo - pompowe 1.330,0 Elektrociepłownie przemysłowe 1.869,5 Elektrownie niezależne OZE, w tym: 3.495,8 - elektrownie wiatrowe 3.241,4 1 UWARUNKOWANIA TECHNICZNE PRZEWOZU ELEMENTÓW ELEKTROWNI WIATROWYCH Logistyka transportu elementów siłowni wiatrowych do miejsca ich montażu, jest zagadnieniem wymagającym szczególnej uwagi, zwłaszcza w warunkach krajowych, ze względu na ich dużą masę oraz ogromne gabaryty większości części. Ich masy dochodzą nawet do 60 t, a wymiary przekraczają wszelkie wielkości dopuszczalne w transporcie lądowym (łopaty wirnika zazwyczaj o długości ponad 1 Dr hab. inż. Andrzej Tomporowski, Uniwersytet Techniczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Wydział Inżynierii Mechanicznej 2 Izabela Piasecka, Doktorantka, Uniwersytet Techniczno-Przyrodniczy w Bydgoszczy, Koło Naukowe Inżynierii Odnawialnych Źródeł Energii 3 Mgr inż. Katarzyna Opielak, Politechnika Lubelska, Wydział Mechaniczny 10672
45 m, szerokość transformatora do 10 m, średnice wież do 8 m). Przewóz elementów instalacji wiatrowych w Polsce jest jednak realizowany prawie wyłącznie za pośrednictwem transportu drogowego [4]. Często ze względu na dużą dostępność, ciągniki siodłowe są niezbędne przynajmniej w pierwszej i/lub ostatniej fazie transportu. W pozostałych fazach można rozważyć również możliwość transportu kolejowego, lotniczego lub wykorzystania żeglugi śródlądowej i morskiej [5]. Tab. 2. Charakterystyka segmentów elektrowni wiatrowej i pojazdów nienormatywnych do ich przewozu [10] Lp. Segmenty Opis ładunku Opis pojazdu z ładunkiem L [m] B [m] H [m] Masa [t] Wymiary L B H [m] Masa ładunku [t] Ilość osi 1 Sekcja 1 15,8 4,2 4,2 64,8 40,0 4,3 4,6 145 4+3+5 2 Sekcja 2 18,6 4,0 4,0 54,3 42,0 4,1 4,5 102 4+3+4 3 Sekcja 3 20,0 3,8 3,8 43,9 42,0 3,8 4,2 93 4+2+4 4 Sekcja 4 23,8 3,5 3,5 44,2 32,0 3,5 4,3 73 3+6 5 Sekcja 5 24,4 2,8 2,8 49,5 29,0 2,8 4,0 78 3+6 6 Gondola 10,3 3,4 4,4 78,2 40,0 3,5 4,8 150 4+5+6 7 Piasta 4,0 3,6 3,4 26,0 18,0 3,6 4,0 51 3+3 8 Łopata (3 szt.) 45,4 4,2 3,0 1,1 51,0 4,2 4,3 30 3+3 W tabeli 2 zestawiono przykładowy zestaw sekcji tworzących jedną 2 MW elektrownię wraz z opisem zestawów drogowych, które mogą je przewozić. Każda z sekcji transportowana jest osobnym pojazdem wyposażonym w ciągnik siodłowy oraz odpowiednio przystosowaną naczepę. W Unii Europejskiej, każde państwo indywidualnie określa zasady przemieszczania się pojazdów nienormatywnych. W Polsce niezbędnym jest uzyskanie zezwolenia od Generalnej Dyrekcji Dróg Krajowych i Autostrad. Zezwolenie wydawane jest m.in. na podstawie zachowania przez przewoźnika maksymalnego dopuszczalnego obciążenia na oś, dostosowanego do standardu drogi, ale nie większego aniżeli 11,5 t na oś napędową [10]. 2 ALTERNATYWY TRANSPORTU ELEMENTÓW SIŁOWNI WIATROWYCH Transport drogowy jest najpowszechniejszą technologią przewozu elementów siłowni wiatrowych w warunkach krajowych oraz europejskich. Wymaga on jednak dróg o odpowiednich parametrach, których w Polsce jest bardzo mało. Z reguły drogi są do tego celu zbyt wąskie, nie zawsze posiadają pobocze, są w złym stanie technicznym, a ruch kołowy posiada zbyt mały promień łuku. Na większości dróg krajowych mogą poruszać się ciągniki siodłowe z naczepami o masie całkowitej do 42 t, obciążeniu na pojedynczą oś do 10 t, długość pojazdu nie może przekroczyć 16,5 m, wysokość 4 m, a szerokość 2,55 m. Porównanie wymiarów i masy poszczególnych sekcji elektrowni wiatrowych (tab. 2) z dopuszczalnymi parametrami pojazdów drogowych pokazuje skalę problemu organizacji transportu i ustalenia odpowiedniej trasy przewozowej. Wiele budowli infrastrukturalnych, zwłaszcza wybudowanych przed II Wojną Światową, posiada nieodpowiednie parametry techniczne, np. wiadukty o wysokości poniżej 4 m. Inne utrudnienie stanowić mogą napowietrzne linie energetyczne i telekomunikacyjne oraz nieodpowiedni stopień nachylenia drogi. Droga asfaltowa nie może posiadać nachylenia większego aniżeli 12%, a żwirowa 6%, ponieważ większe nachylenie może spowodować zerwanie mocowania ładunku lub jego zsunięcie, co eliminuje przewóz w warunkach górskich [4]. W przypadku przewozu ładunków nienormatywnych koleją, nie istnieje tak wiele ograniczeń, jak dla transportu drogowego. Ciężar elementów nie stanowi problemu, ze względu na fakt, iż granice obciążenia wagonów często dochodzą nawet do 100 t, kłopot stanowić mogą jednak ich wymiary. Według skrajni taboru obowiązującej w Polsce (linii zamkniętej, której nie może przekroczyć element wagonu ani umieszczony na nim ładunek), dopuszczalna wysokość wagonu z ładunkiem nie może przekroczyć 4,85 m. W przypadku niektórych elementów siłowni wiatrowych jest to wielkość niewystarczająca, np. dla sekcji wieży o średnicy ok. 3 m (wznios platformy z obniżoną podłogą przekracza 1 m). Długość platform cztero- i sześcioosiowych wynosi 15-19 m. Ładowanie elementów o długości powyżej 25 m wymaga umieszczenia na platformach z ławą przekrętną, co stanowi kolejne utrudnienie. Istnieje jednak możliwość przewozu ładunków o przekroczonej skrajni taboru, jako 10673
przesyłek nadzwyczajnych (szczegółowe warunki reguluje Regulamin Przewozu Przesyłek Towarowych PKP CARGO S.A.) [2, 5]. Do przewozu ładunków ciężkich i wielkogabarytowych stosunkowo często wykorzystywany jest transport śródlądowy. Największą zaletą żeglugi śródlądowej jest masowość prze-wozu. Dla wszystkich elementów elektrowni wymienionych w tabeli 2 wystarczyłaby jedna barka o ładowności 800 t. Ten typ transportu charakteryzują mniejsze ograniczenia pod względem wielkości i masy przesyłki, aniżeli transport samochodowy i kolejowy. Żegluga śródlądowa posiada duży stopień bezpieczeństwa i bezkolizyjności przewozów. Ta technologia przewozu charakteryzuje się jednak małą dostępnością żeglugową, wysokim współczynnikiem wydłużenia i małą prędkością techniczną. Głównym ograniczeniem w Polsce jest wysokość mostów na szlakach żeglugowych, często o wysokości poniżej 4 m. Istotnym zagadnieniem jest także wyposażenie portów głównie w żurawie przeładunkowe o niewielkim udźwigu, w związku z tym niezbędnym jest wypożyczenie odpowiedniego żurawia samojezdnego [5]. 3 MATERIAŁ I METODY W ramach wykonanych analiz, przeprowadzono symulację wielkości emisji CO 2, SO 2 i PO 4 oraz wielkości całkowitej zużytej energii (MJ) dla transportu drogowego, kolejowego oraz żeglugi śródlądowej, jako alternatywnych możliwości przewozu elementów elektrowni wiatrowej (zestawionych w tablicy 2) na odległość 100 km. Do badań wykorzystano oprogramowanie SolidWorks Sustainability 2013 (metoda CML). Baza danych programu SolidWorks odnosząca się do cyklu życia produktu (Life Cycle Inventory) została przygotowana przez niezależną organizację PE International. SolidWorks Sustainability jest w pełni zintegrowany z oprogramowaniem CAD firmy SolidWorks i wprowadza narzędzia oparte na ocenie cyklu życia (Life Cycle Assessment, LCA), które mierzą wpływ na emisję dwutlenku węgla, zużycie energii, powietrze i wodę w całym cyklu życia elektrowni wiatrowej, obejmującym wybór materiałów, produkcję, eksploatację i zagospodarowanie poużytkowe. Ocena obejmuje: wydobycie rudy z ziemi, przetwarzanie materiałów, produkcję części, złożenie, użytkowanie produktu przez klienta końcowego, koniec żywotności składowanie na wysypisku śmieci, recykling oraz spalanie, transport występujący pomiędzy poszczególnymi etapami oraz w ramach każdego z etapów. Oprogramowanie umożliwia uzyskanie wartości śladu węglowego (w kg CO 2 eq ), całkowitej zużytej energii (w MJ), zakwaszenia powietrza (w kg SO 2 eq ) oraz eutrofizacji wody (w kg PO 4 eq ) dla materiałów, produkcji, transportu i końca żywotności elementów elektrowni wiatrowej [9]. 4 WYNIKI BADAŃ Najwyższym stopniem emisyjności CO 2 dla dostępnych w Polsce możliwości transportu nienormatywnych elementów elektrowni wiatrowej, charakteryzuje się transport drogowy 3.426 kg CO 2e /100 km, a najniższym żegluga śródlądowa 178 kg CO 2e /100 km (rys. 1). Rys. 1. Emisyjność CO 2 dla dostępnych w Polsce możliwości transportu nienormatywnych elementów elektrowni wiatrowej, kg CO 2e /100 km [badania własne] 10674
Najistotniejszą wielkością całkowitej zużytej energii dla krajowych alternatyw transportu nienormatywnych elementów siłowni wiatrowej, wyróżnia się również transport drogowy 50.438 MJ/100 km, a najniższym żegluga śródlądowa 2.221 MJ/100 km (rys. 2). Rys. 2. Wielkość całkowitej zużytej energii dla dostępnych w Polsce możliwości transportu nienormatywnych elementów elektrowni wiatrowej, MJ/100 km [badania własne] Pod względem zakwaszenia powietrza, największe zagrożenie dla środowiska przyrodniczego wśród możliwości transportu elementów elektrowni wiatrowych, stanowi transport drogowy 16 kg SO 2e /100 km, najmniejszy transport kolejowy 2 kg SO 2e /100 km (rys. 3). Rys. 3. Emisyjność SO 2 dla dostępnych w Polsce możliwości transportu nienormatywnych elementów elektrowni wiatrowej, kg SO 2e /100 km [badania własne] Natomiast pod kątem eutrofizacji wody, najistotniejsze zagrożenie dla środowiska przyrodniczego spośród alternatywnych możliwości transportu nienormatywnych elementów siłowni wiatrowych, stanowi również transport drogowy 3,6 kg PO 4e /100 km, a najmniejszy transport kolejowy 0,5 kg PO 4e /100 km oraz żegluga śródlądowa 0,6 kg PO 4e /100 km (rys. 4). 10675
Rys. 4. Emisyjność PO 4 dla dostępnych w Polsce możliwości transportu nienormatywnych elementów elektrowni wiatrowej, kg PO 4e /100 km [badania własne] PODSUMOWANIE I WNIOSKI Cel pracy został zrealizowany poprzez porównanie wpływu na środowisko dostępnych w warunkach krajowych, możliwości transportu nienormatywnego elementów elektrowni wiatrowych. Obecnie w Polsce istnieją trzy główne możliwości przewozu elementów elektrowni wiatrowych: transport drogowy (z wykorzystaniem ciągników siodłowych), kolej oraz żegluga śródlądowa. W powszechnym użyciu pozostaje tylko jedna z nich transport samochodami ciężarowymi. Jest to opcja najpowszechniej dostępna i umożliwiająca dowiezienie elementów siłowni prawie w każde miejsce w kraju, ale oprócz kilku mankamentów technicznych, charakteryzuje się również największym obciążeniem dla środowiska emisja CO 2 na poziomie 3.426 kg CO 2e /100 km, SO 2 16 kg SO 2e /100 km, PO4 3,6 kg PO 4e /100 km oraz wielkość całkowitej zużytej energii równa 50.438 MJ/100 km. Najbardziej pro środowiskowe alternatywy transportu kolej i żegluga śródlądowa nie znajdują jednak szerokiego zastosowania w warunkach polskich. Streszczenie W artykule dokonano przeglądu dostępnych w Polsce możliwości transportu nienormatywnego elementów elektrowni wiatrowych. Z zastosowaniem oprogramowania SolidWorks Sustainability 2013 przeprowadzono metodą CML, symulację wielkości emisji CO 2, SO 2 i PO 4 oraz wielkości całkowitej zużytej energii (MJ) dla transportu drogowego, kolejowego oraz żeglugi śródlądowej, jako alternatywnych możliwości przewozu elementów elektrowni wiatrowej. Transport of oversized elements of wind power plants in Poland Abstract This article reviews the available oversized transport capacity in Poland of elements of wind power plants. Using SolidWorks Sustainability 2013 performed by CML, simulating emissions of CO 2, SO 2 and PO 4 and the size of the total energy consumed (MJ) for transport by road, rail and inland waterways, as alternative means of transport of components of a wind power plant. BIBLIOGRAFIA 1. Arachchige S.P.R., Mohsin M., Melaaen M.C., Optimized CO 2 -flue gas separation model for a coal fired power plant. International Journal of Energy and Environment 2013, vol. 4, no. 1. 2. Chwesiuk K., Zaleski P., Technologia transportu kolejowego. Wydawnictwo Uniwersytetu Szczecińskiego, Szczecin 1999. 3. Kanniche M., Gros-Bonnivard R., Jaud P., Pre-combustion, post-combustion and oxy-combusion in thermal power plant for CO 2 capture. Applied Thermal Engineering, 2010, vol. 30, no. 1. 10676
4. Kotowska I., Barzyk G., Transport drogowy elementów elektrowni wiatrowych w warunkach polskich. Czysta Energia 2003, nr 07/08. 5. Kotowska I., Barzyk G., Alternatywne możliwości transportu elementów elektrowni wiatrowych w warunkach Polski. IX Forum OZE, Warszawa 2004. 6. Petrakopoulou F., Tsatsaronis G., Morosuk T., Paitazoglou C., Environmental evaluation of a power plant using conventional and advanced energy based mathods, Energy 2012, vol. 45, no. 1. 7. Prognoza zapotrzebowania na paliwo i energie do 2030 r., Załącznik 2. do Polityki energetycznej Polski do 2030 roku, Ministerstwo Gospodarki 2009 (www.mg.gov.pl wejście 16-10-2014). 8. rynek-energii-elektrycznej.cire.pl (wejście 16-10-2014). 9. solidworks.com (wejście 17-10-2014). 10. Wiśnicki B., Kujawski A., Breitsprecher M., Poprawa efektywności transportu nienormatywnego obsługującego farmy wiatrowe w Polsce, TRANSCOMP XIV International Conference Computer Systems Aided Science, Industry and Transport, Zakopane 2010. 10677