Perspektywy rozwoju morskich turbin wiatrowych

JASTRZĘBSKA Mariola 1 JURCZAK Wojciech 2 Perspektywy rozwoju morskich turbin wiatrowych Wstęp Uwarunkowania rynkowe W Polsce trwają prace nad rozwojem morskiej energetyki wiatrowej. Szacuje się, że z uwagi na dogodne warunki wietrzne na obszarach morskim współczynnik wykorzystania mocy dla morskich farm wiatrowych wynosi 45-54%, co jest równoważne ok. 4000 godzinom pełnej mocy obciążenia w roku, a w porównaniu energetyka słoneczna pozwala na produkcję ok. 1000 godzin pełnej mocy obciążenia w roku. Istotne jest też fakt, że rozwój morskich farm wiatrowych przyczyni się do rozwoju przemysłu np. zakładów produkujących komponenty morskich elektrowni wiatrowych, czy statków do ich budowy. Stocznie zainwestowały już w produkcję fundamentów, wież i platform transportowo - budowlanych morskich elektrowni wiatrowych. Planowane są inwestycje na polskich obszarach morskich w wysokości 81 mln PLN do roku 2030, które zakładają zainstalowanie 6 GW mocy w morskich farmach wiatrowych. Obecnie prowadzone są prace nad systemem wsparcia dla morskich farm wiatrowych, przedstawiono projekt ustawy o odnawialnych źródłach energii z dnia 31 grudnia 2013 roku. Wejście w życie tej ustawy przyczyni się do realizacji projektów morskich turbin wiatrowych0. 1 Akademia Morska w Gdyni, Wydział Przedsiębiorczości i Towaroznawstwa; 81-225 Gdynia; ul. Morska 83. Tel: +48 58 690-16-04, m.jastrzebska@wpit.am.gdynia.pl 2 Akademia Marynarki Wojennej, Wydział Mechaniczno-Elektryczny; 81-103 Gdynia; ul. Śmidowicza 69. Tel: +48 58 626-26-16, w.jurczak@amw.gdynia.pl Zaplanowane na 2020 rok zobowiązania Polski do wytworzenia 32 TWh zielonej energii zostaną wypełnione gdy wykorzystamy potencjał wiatrowy polskich obszarów morskich. Realizacja projektów farm wiatrowych na morzu jest konieczna, aby Polska mogła osiągnąć cele określone przez Unię Europejską w dziedzinie energii i zmian klimatu, w odniesieniu do wykorzystania odnawialnych źródeł energii i redukcji emisji CO 2. Wielu specjalistów twierdzi, że bez morskiej energetyki wiatrowej Polsce będzie trudno spełnić wymóg produkcji przewidziany Pakietem procent energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii do roku 2020. Obecnie na koniec 2013 roku w Europie działało 2474 morskich turbin wiatrowych, o łącznej mocy 6562 MW w 69 farmach jedenastu europejskich krajach [3]. W Polsce na razie złożono 70 wniosków o wydanie pozwoleń na wznoszenie i wykorzystywanie sztucznych wysp, konstrukcji i urządzeń na polskich obszarach morskich dla morskich farm wiatrowych o łącznej wartości około 300 miliardów złotych. Do października 2013 roku wydano 20 obowiązujących pozwoleń, z czego jedynie 8 zostało opłaconych, a ich lokalizację przedstawia rysunek 1. Na rozwój morskiej energetyki wiatrowej wpływają oprócz uwarunkowań regulacyjnych, środowiskowych i społecznych przede wszystkim opłacalność inwestycji. W związku z brakiem ostatecznej ustawy o odnawialnych źródłach energii już niektórzy inwestorzy jak EDPR i Iberdrola wycofali się z inwestycji w morskie farmy wiatrowe w Polsce, a i tak te farmy miały powstać dopiero po 2020 roku. Polskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej (PSEW) i Ernst& Young szacują 30 tys. PLN zysku z morskich farm wiatrowych oraz 30 tys. nowych miejsc pracy w 2020 roku [5]. 750

Rys. 1. Planowane inwestycje morskich farm wiatrowych na polskich obszarach morskich (na dzień 22.05.2013 r.). PSZW pozwolenia na wznoszenie i wykorzystanie sztucznych wysp, konstrukcji i urządzeń w polskich obszarach morskich [9] Produkcja turbin wiatrowych Materiały stosowane do budowy farmy wiatrowej Turbiny wiatrowe składają się z wież, łopat, układu przenoszenia napędu i innych elementów strukturalnych. Wieże, najczęściej stalowe, stanowią nieskomplikowane elementy i są produkowane w Polsce np. w GSG Tower Sp. z o.o. w Gdańsku. Opracowane się też wieże z kompozytów (np. 40 metrowa w ramach projektu Megawind), które są lżejsze, bardziej od stali odporne na korozję, a jednocześnie wpłyną na zmniejszenie wymaganej masy fundamentów. Produkcja stali i betonu wymaga dużo energii w przeciwieństwie do produkcji kompozytów. Stosunek energii wytworzonej przez turbiny do energii zainwestowanej w instalacje po zastąpieniu stali i betonu spada z 40:1 do 15:1. Kompozyty wykorzystuje się już do produkcji łopat, a z uwagi na ich duże rozmiary przy ich produkcji wymagana jest ogromna wiedza. Elementy układu przenoszenia napędu jak łożyska i generatory są kluczowe, natomiast elementy strukturalne jak ramy, piasty są ogólnie dostępne. Na rynku najczęściej dostawcami turbin są takie firmy: Simens, Vestas, Repower oraz Bard. kosztów, na fundamenty 24%, a na instalacje elektryczne i przyłączenia 20%. Fundamenty nie są skomplikowane, mogą to być monopale (76%), fundamenty grawitacyjne (12%), trójnóg (5%), czwórnóg, fundamenty kratownicowe, a ich stosowanie zależy od głębokości morza i budowy geologicznej dna morskiego w danym miejscu. Osadzone na stałe w dnie morskim fundamenty powodują zniszczenia dna, a podczas obrotów rotatora drgają, dezorientując morskie ssaki [6]. Ostatnio stają się więc popularne pływające turbiny wiatrowe, jak konstrukcja wybudowana przez firmę SeaTwirl w 2011 roku u wybrzeży Szwecji. Do infrastruktury przyłączeniowej zalicza się morską stację elektroenergetyczną, kable eksportowe i kable łączące poszczególne turbiny. Jednym z dostawców stacji elektroenergetycznej jest firma ABB, obecna na polskim rynku. Specjalistyczne jednostki pływające do obsługi budowy farm wiatrowych buduje stocznia CRIST S.A. w Gdyni. Dodatkowym wsparciem dla powstających inwestycji będzie firma Energomontaż- Północ Gdynia Sp. z o.o., która produkuje konstrukcje stalowe i elementy fundamentów. Według raportu Ernst & Young we współpracy z Polskim Stowarzyszeniem Energetyki Wiatrowej szacowane nakłady inwestycyjne na 1 MW mocy zainstalowanej w morskie farmy wiatrowe wynosiły 13,6 mln PLN/MW w 2011 roku, a dla porównania w lądowe farmy wiatrowe 6,6 mln PLN/MW [5]. Na rysunki 2 przedstawiono podział kosztów morskiej farmy wiatrowej w cyklu życia bez uwzględnienia kosztów jej utylizacji. Wyraźnie widać, że w momencie planowania przedsięwzięcia morskiej farmy wiatrowej nie myśli się co z nią będzie po wycofaniu z użycia. Autorzy pracy w trosce o środowisko naturalne podjęli się rozwiązać ten problem. Koszty realizacji budowy morskiej farmy wiatrowej Oprócz turbin wiatrowych ważne są fundamenty, infrastruktura przyłączeniowa i statki. Na zakup i montaż turbin i wież wiatrowych wydaje się 45% Rys. 2. Podział kosztów życia morskiej farmy wiatrowej [7] 751

Problem kompozytowych odpadów Ze wzrostem zainteresowania energią odnawialną produkuje się coraz więcej turbin wiatrowych, na które zużywa się 300-350 kg kompozytów na jedną łopatę. Kompozyty wzmacniane włóknami węglowymi stosowane są do otrzymywania turbin wiatrowych w ilości 23% całkowitej ich rocznej produkcji [11]. W Polsce w 2013 roku pracowało już 446 lądowych elektrowni wiatrowych, a ich liczba stale wzrasta. Wieże turbin obecnie są stalowe, wiec nie będą stanowiła problemu z zagospodarowaniem, ale inaczej będzie z łopatkami wirnika o długości średnio 40 m, wykonanych z włókna węglowego, szklanego, drewna i żywicy epoksydowej. Masa poszczególnych elementów turbin wiatrowych typu Vestas V82 została przedstawiona na rysunku 3, z czego masa kompozytów w jeden turbinie wiatrowej szacowana jest na ok. 18,6 ton. 1 przedstawia fragmenty zniszczonej turbiny wiatrowej w Danii, a podobne awarie wystąpiły takie w Szwecji, północnej Anglii i Szkocji. Liczba ofiar śmiertelnych w wyniku awarii turbin wiatrowych rośnie w ostatnich latach. W 2008 roku w Stanach Zjednoczonych zginęło 41 pracowników i 16 innych osób w czasie prac na wieżach lub ich transportu. Zanotowano też 39 wypadków oderwania ostrzy noży turbin, 110 wypadków pożarów, w czasie których strażacy ze względu na wysokość mogą jedynie obserwować i gasić wtórne pożary, 60 przypadków pęknięć turbin oraz 24 przypadki oderwania lodu od turbin. W Niemczech w 1995 roku zanotowano nawet 880 wypadków oderwania lodu od turbin wiatrowych, co stwarzało ogromne zagrożenie dla ludności. Morskie farmy wiatrowe w razie takich wypadków są zacznie oddalone od lądu. Rys. 3. Masa elementów turbiny w tonach dla turbiny Vestas V82 [10] Kompozyty wykazują wiele zalet; są odporne na korozję, odporne na zmęczenie a jednocześnie lekkie, nie wymagają konserwacji, charakteryzują się długim czasem użytkowania i są odporne na słoną wodę. Turbiny wiatrowe produkują zieloną energię, ale po okresie użytkowania stają się problemem. Często łopatki turbin wykonane są z termoutwardzalnych tworzyw wzmacnianych włóknem szklanym lub węglowym i czasem przekraczają 60 m długości. Mimo, że wzmacniane tworzywa termoutwardzalne są wytrzymałe, a przy tym lekkie to czasem ulegają uszkodzeniom w trakcie użytkowania. Podczas silnych wiatrów turbiny powinny być zatrzymywane, gdyż zużycie łopatek w takich warunkach może być znaczne, a do tego procesy zniszczeniowe w kompozytach włóknistych nie są do końca poznane. Czasem w czasie silnych wiatrów zdarzają się zniszczenia turbin wiatrowych, a wtedy części porozrzucane są nawet na odległość 500 m. Fotografia Fot. 1. Fragmenty zniszczonej turbiny wiatrowej w Danii w 2008 roku [6] Globalny rynek łopat turbin wiatrowych wzrasta rocznie o 10 % i osiąga wartość 2 mld USD rocznie. W Danii pracuje 6000 turbin wiatrowych i wytwarza 19% energii potrzebnej dla 5,3 miliona populacji. W 2008 roku ogółem do produkcji łopatek wszystkich turbin wiatrowych lądowych i morskich użyto 290 tys. ton kompozytów, które około 2028 roku staną się odpadem. Należy znaleźć najlepszą metodę zagospodarowania kompozytowych odpadów, które powstaną po demontaż tak duże ilości turbin wiatrowych. Recykling turbin wiatrowych Rozwój farm wiatrowych przyczyni się do rozwoju przemysłu morskiego m.in. do produkcji komponentów morskich farm wiatrowych, statków do ich budowy i obsługi. Typowy cykl życia turbin wiatrowych przedstawia rysunek 4. 752

Rys. 4. Typowy cykl życia turbin wiatrowych Ważnym zagadnieniem jest też opracowanie metody zagospodarowania odpadów poużytkowych turbin wiatrowych zarówno pochodzenia morskiego, jak i lądowego. Przewidywany czas ich życia wynosi 20-25 lat. Od 2001 roku w Polsce powstają przemysłowe lądowe farmy wiatrowe. Za 10 lat staną się odpadem, z którym nie będzie wiadomo co zrobić. Mimo wielu doniesień literaturowych na ten temat recyklingu odpadów kompozytowych, obecnie trafiają one na składowiska. Już w naszym kraju powstaje odpadów poprodukcyjnych 2 tys. rocznie, a około 20 tys. poużytkowych. Budowa farm wiatrowych przyczyni się w przyszłości do powstania ogromnej ilości odpadów kompozytowych, które wypełniają składowiska. Nie są stosowane konkretne rozwiązania zagospodarowania tych odpadów. Od 2005 roku większość krajów Unii Europejskiej zakazała składowania odpadów kompozytowych [4]. W związku z obecnością w odpadach kompozytów ponad 30% organicznych związków, takich jak żywica poliestrowa czy epoksydowa, zabronione jest ich składowanie na składowiskach zgodnie z dyrektywą (Direcitive 2008/98/EC). Ponadto spalanie nie jest zalecana ze względu na uwalnianie się toksycznych produktów ubocznych. Przemysł lotniczy również szuka korzystnej metody zagospodarowania odpadów, które rozdrabniane były wypełnieniem do asfaltu, ale niestety nie było rynku zbytu na te recyklaty. Należy pamiętać, że najpierw należy oddzielić pozostałe materiały, co jest bardzo pracochłonne i kosztowne. Obecnie użytkowane są morskie turbiny wiatrowe na świecie, ale nie ustalono co należy z nimi potem zrobić. Istnieją opracowane w laboratoriach metody recyklingu odpadów kompozytowych, przedstawione na rysunku 5, ale rzadko są one stosowane w praktyce. Rys. 5. Metody recyklingu kompozytowych odpadów m.in. z łopat turbin wiatrowych Recykling termiczny polega na spalaniu odpadów tworzyw sztucznych z odzyskiem zawartej w nich energii. Wartość opałowa żywic wynosi 34 MJ/kg, natomiast odpadów z tłoczyw warstwowych (SMC) już tylko ok. 10 MJ/kg. Należy pamiętać, że metoda ta nie jest zupełnie bezpieczna dla środowiska, ponieważ przy spalaniu wydzielają się toksyczne gazy (m.in. aldehydu octowego, formaldehydu, acetonu powstające z zawartych środków uniepalniających). Po procesie spalania zostaje włókno, które może być powtórnie stosowane. Niestety właściwości kompozytów z odzyskanym włóknem są o ok. 50% gorsze. Recykling surowcowy polega na degradacji makrocząsteczek na frakcje o mniejszej masie cząsteczkowej, np. metodą hydrolizy, alkoholizy, uwodornienia czy pirolizy, które mogą być ponownie użyte jako monomery lub surowce do wytwarzania innych lub takich samych produktów chemicznych. Do recyklingu kompozytów wzmocnionych włóknem stosuje się rozpuszczanie w różnego rodzaju 753

rozpuszczalnikach oraz pirolizę. W pierwszym etapie odpady muszą być bardzo dokładnie rozdrobnione. Następnie zmielone odpady roztwarza się w chlorku metylenu lub glikolu i kwasach dwukarboksylowych. Po przetworzeniu odpadów tą metodą otrzymuje się włókna i granulat żywicy. Poddano także rozdrobniony kompozytowe odpady działaniu ozonu w złożu fluidalnym, obserwując równomierny rozkład żywicy i odzyskując włókno. Prowadzone były też prace przez m.in. pracowników Uniwersytetu Ekonomicznego w Poznaniu nad wykorzystaniem mikrofal do procesu pirolizy odpadów kompozytowych. Poddano pirolizie kawałki śmigieł elektrowni wiatrowych, uzyskując frakcję olejową o wartości opałowej 36 MJ/kg (może posłużyć jako paliwo alternatywne) oraz odzyskano 70% włókien szklanych, które mogą być wykorzystane w nowych kompozytach [1]. Z 1 kg poddanych pirolizie odpadów uzyskano 0,13 kg gazu, 0,17 kg oleju oraz 0,7 kg włókien szklanych. W Szwecji zbudowano nawet pilotażową instalację do pirolizy o wydajności 100-150 kg/h. Wadą jednak takiej metody jest konieczność ciągłej pracy skomplikowanej aparatury. W Polsce do roku 2007 podobne instalacje dla poliolefin były popularne, ale po nałożeniu na nie podatku akcyzowego przestały być opłacalne i zostały zamknięte. Nie jest to zalecana metoda recyklingu kompozytów. Recykling mechaniczny polega na ponownym, a) bezpośrednim przetwarzaniu odpadów bez stosowania procesów chemicznych, z uzyskaniem materiału stanowiącego pełnowartościowy surowiec do dalszego przetwarzania. Odpady kompozytów poddaje się rozdrobnieniu w kilku etapach. Szacuje się, że na rozdrobnienie odpadów kompozytowych wzmacnianych włóknem węglowym zużywa się 0,27 MJ/kg, natomiast kompozytów wzmacnianych włóknem szklanym 0,31 MJ/kg [2]. Najczęściej zalecane są młyny nożowe i młotkowe. Frakcję proszkową oddziela się od włóknistej. W pracy zastosowano metodę recyklingu mechanicznego, gdyż metody recyklingu surowcowego i termicznego nie mają raczej w najbliższej przyszłości dużych szans powszechnego stosowania. Instalacje do spalania, pirolizy lub roztwarzania chemicznego są bowiem drogie i to zarówno na etapie inwestycji, jak i późniejszej eksploatacji. W zakładach tego typu muszą być zainstalowane nowoczesne i skuteczne systemy ochrony środowiska, co dodatkowo podnosi koszty. Rozdrobnienie w przypadku recyklingu chemicznego musi być znaczne, co wymusza zakup dodatkowych energochłonnych urządzeń (młynów) i podnosi koszty. Dodać trzeba, że w polskich warunkach budowa, nawet 754 Logistyka - nauka najbardziej nowoczesnego i bezpiecznego zakładu utylizacji odpadów, wiąże się także ze żmudnym i czasochłonnym pokonywaniem barier administracyjnych, napotykając na często ostre sprzeciwy lokalnej społeczności. W laboratorium Akademii Morskiej w Gdyni podjęto próby zagospodarowania kompozytowych odpadów metodą recyklingu mechanicznego. Zastosowano odpady poliestrowo-szklane, które mogą pochodzić z turbin wiatrowych, jako napełniacze do kompozytów poliestrowych posadzek oraz parapetów, które zostały przedstawione na fotografii 2. a) b) b) Fot. 2. Zaproponowane wyroby z odpadami turbin wiatrowych a) posadzki, b) parapety Wykorzystano rozdrobnione odpady poliestrowoszklane do produkcji nowych materiałów budowlanych np. posadzek czy parapetów. Otrzymane poliestrowej posadzki z 30% wag. zwartością odpadów poliestrowoszklanych posiadały następujące właściwości: udarność 1,67 kj/m 2 twardość 224,0 MPa naprężenie zrywające 11,3 MPa chłonność wody 0,77 %. Parapetów otrzymane z 10% wag. zawartością odpadów poliestrowo-szklanych cechują się: gęstością ok.1800kg/m 3

wytrzymałością na ściskanie 97,1 MPa wytrzymałością na zginanie 43,4 MPa odpornością na rozdrabnianie (współczynnik Los Angeles) 11,3% odpornością na ścieranie (Mikro-Deval) na mokro 2,6%, na sucho 3,2% mrozoodpornością w H 2 O 1%, w NaCl 5,2%. Zaletami materiałów budowlanych z odpadami poliestrowo-szklanymi są: bardzo dobra odporność na działanie warunków atmosferycznych oraz czynników chemicznych, trwałość, dużą wytrzymałość mechaniczna, gładka i błyszcząca powierzchnia, łatwa w utrzymaniu czystości niepowtarzalność kolorystyczna, idealna dla każdego wnętrza, łatwość montażu. Materiały budowlane z odpadami kompozytów mogą być wykorzystywany w budownictwie, w drogownictwie (m.in. słupków drogowych, krawężników), do wyrobu ozdobnych elementów mieszkań (np. parapetów), balustrad, ogrodzeń, a także do wyrobu studzienek, kratek. Wnioski Powstające morskie elektrownie wiatrowe zwiększą udział energii odnawialnej, ale jednocześnie wpłyną na powstawanie odpadów kompozytowych. Nie jest akceptowalne składanie tych odpadów na składowiskach, stąd tak ważne jest rozwiązanie problemu ich recyklingu. Prowadzone przez autorów prace w trosce o środowisko naturalne, potwierdziły możliwość zagospodarowania powstających odpadów poprodukcyjnych i poużytkowych metodą recyklingu mechanicznego. Po oddzieleniu innych elementów turbin, odpady wykonane z kompozytów mogą być rozdrabniane, a następnie zastosowane jako napełniacze do nowych produktów, z uwzględnieniem recyklingu kaskadowego, czyli do coraz mniej wymagających zastosowań. Streszczenie Udział morskiej energetyki wiatrowej w polskim bilansie energetycznym szacowany jest na 6 GW w 2030 roku. Wprowadzenie ustawy o odnawialnych źródłach energii powinno pozwolić na konkurencję morskich farm wiatrowych z innymi technologiami. Dynamiczny rozwój morskich technologii wiatrowych w Polsce przyczyni się do rozwinięcia krajowego zaplecza dostawczego, powstaną nowe zakłady produkcyjne wytwarzające elementy farm wiatrowych. W pracy zwrócono uwagę na potrzebę opracowania metody zagospodarowania poprodukcyjnych i poużytkowych odpadów łopatek wiatrowych, wytworzonych z kompozytów. Wykorzystując metodę recyklingu mechanicznego rozdrobnione odpady zastosowano jako napełniacze do materiałów budowlanych. Zagospodarowanie kompozytowych odpadów tą metodą częściowo pozwoli rozwiązać problem zużytych turbin wiatrowych zarówno morskich, jak i lądowych. Abstract The share of offshore wind energy in the Polish energy balance is estimated at 6 GW in 2030. The introduction of the law on renewable energy sources should allow for competition in offshore wind farms with other technologies. The dynamic development of offshore wind technology in Poland will contribute to the development of the domestic supply base, will be new production plants producing components of wind farms. The study highlighted the need to develop methods of management of post-production and postconsumer waste of turbine blades manufactured from composites. Utilizing the mechanical recycling of shredded waste used as fillers for flooring and construction materials. Development of composite waste this method will partially solve the problem of wind turbines used in both marine and terrestrial. Literatura 1. Akesson D., Foltynowicz Z., Christeen J., Skrifvars M., Products obtained from decomposition of glass fibre-reinforced composites using microwave pyrolysis. Polimery 2013, 58, nr 7-8, 582-586. 2. Asmatulu E., Twomey J., Overcash M., Recycling of fibre-reinforced composites and direct structural composites and direct structural composite recycling concept. Journal of Composite Materials 2013, 1-16. 3. Corbetta G., Miloradovic T. (red.), Wind in power: 2013 European statistics, The European Wind Energy Association 2014, 1-12. 4. Cherrington R., Goodship V., Meredith J., Wood B.M., Coles S.R., Vuillaume A., Producer responsibility: Defining the incentive for recycling 755

composite wind turbine blades in Europe. Energy Policy 2012, nr 47, 13-21. 5. Ernst & Young, Wpływ energetyki wiatrowej na wzrost gospodarczy w Polsce. 2012 6. http://www.liveleak.com/view?i=cdd_1203701257 7. Kaldellis J.K., Kapsali M., Shifting towards offshore wind energy- recent activity and future development. Energy policy 2013, nr 53, 136-148. 8. Sun X., Huang D., Wu G., The current state of offshore wind energy technology development. Energy 2012, nr 41, 298-312. 9. Stryjecki M. (red.), Program rozwoju morskiej energetyki i przemysłu morskiego w Polsce. Fundacja na rzecz Energetyki Zrównoważonej, Warszawa 2013 10. Vestas Wind System A/S, Informacja techniczna Turbiny wiatrowej V82 11. Witten E., Jahn B., Karl D., Composites Market Report 2012, AVK, October 2012 Logistyka - nauka 756