Elektrownia wiatrowa - działanie turbin wiatrowych i opłacalność inwestycji

25/06/2020Czas czytania:0min0s
0%
elektrownie wiatrowe na polach

Rosnące ceny energii oraz potrzeba ochrony klimatu i redukcji gazów cieplarnianych spowodowały, że intensywny rozwój odnawialnych źródeł energii, w tym energetyki wiatrowej, został uznany za globalny priorytet gospodarczy. Energetyka wykorzystująca siłę wiatru na świecie jest obok fotowoltaiki jednym z najszybciej rozwijających się obszarów OZE.

Według raportu Polskiego Stowarzyszenia Energetyki Wiatrowej udział energii elektrycznej wyprodukowanej w elektrowniach wiatrowych na koniec 2020 roku stanowić będzie ok. 17% całkowitej ilości prądu wyprodukowanego w Polsce, a w 2030 roku prawie 29%.*

Elektrownia wiatrowa – ekologiczny sposób pozyskania energii

Elektrownia wiatrowa to zespół urządzeń produkujących energię elektryczną wiatru za pomocą turbin napędzanych siłą wiatru. Prąd uzyskany w ten sposób uważany jest za ekologiczny ze względu na fakt, że jego produkcji nie towarzyszy spalanie żadnego paliwa (oczywiście pomijając nakłady energetyczne związane z wybudowaniem takiej elektrowni). Wiatr jest w zasadzie niewyczerpanym, darmowym i szeroko dostępnym źródłem energii, a jego wykorzystanie w jej produkcji to doskonały sposób na redukcję gazów cieplarnianych, poprawę bilansu i bezpieczeństwa energetycznego. Turbiny wiatrowe nie zmniejszają zasobów naturalnych i nie obniżają jakości środowiska naturalnego. Pozwalają na osiąganie korzyści ekologicznych, gospodarczych i społecznych. Odnawialne źródła energii, również te korzystające z wiatru wpisują się w cele polityki energetycznej w zakresie ochrony środowiska i zrównoważonego rozwoju.

Jak działa elektrownia wiatrowa?

Produkcja energii elektrycznej w elektrowni wiatrowej odbywa się za pośrednictwem turbin wiatrowych napędzanych energią wiatru. Gdy wiatr trafia na opór w postaci łopaty turbiny, energia kinetyczna wiatru przekształcana jest w energię mechaniczną w postaci ruchu obrotowego wirnika. Energia ta przenoszona jest za pomocą wału i przekładni do generatora, który przekształca ją w elektryczność. Im większy generator, tym więcej energii wiatru zamieni na energię elektryczną. Wszystkie wiatraki podpięte są bezpośrednio do sieci energetycznej lub akumulatora, którym oddają wyprodukowaną energię.

Ile prądu produkuje elektrownia wiatrowa?

Ilość wyprodukowanego przez elektrownię wiatrową prądu zależy między innymi od rodzaju turbiny wiatrowej, zainstalowanej mocy, efektywności i warunków wiatrowych w miejscu lokalizacji. Zazwyczaj, by poruszyć łopaty wirnika, potrzebny jest wiatr o prędkości ok. 7 km/h. Elektrownia wiatrowa wytwarza energię, kiedy prędkość wiatru zawiera się w przedziale od 7 do 100 km/h, powyżej tej wartości wirnik się wyłącza. W praktyce jedna elektrownia wiatrowa o mocy 2 MW produkuje rocznie ponad 4 GWh energii, co pokrywa zużycie energetyczne ponad 1300 gospodarstw domowych.

Jakie są rodzaje elektrowni wiatrowych?

Elektrownie wiatrowe możemy podzielić na rodzaje, biorąc pod uwagę dwie kategorie: położenie osi obrotu wirnika w turbinie oraz moc znamionową. Ze względu na moc znamionową dzielimy je na mikro, małe i duże elektrownie wiatrowe, które charakteryzują się następującymi cechami:

Mikroelektrownie wiatrowe

Instalacje o mocy do 100 W. Takie elektrownie można wykorzystać do zasilania akumulatorów służących do oświetlenia części domu: pojedynczych lamp, poszczególnych pomieszczeń czy urządzeń.

Małe elektrownie wiatrowe

Mają moc od 100 W do 50 kW. Zasilają w energię elektryczną przede wszystkim gospodarstwa domowe. Najpopularniejsze są elektrownie 3-5 kW. Moc takich elektrowni, wspomagana energią zmagazynowaną w akumulatorach, wystarczy do zasilania oświetlenia, układów pompowych, sprzętu i urządzeń domowych.

Duże elektrownie wiatrowe

Instalacje mające moc powyżej 100 kW. Są stosowane przede wszystkim do wytwarzania prądu, który sprzedawany jest do sieci elektroenergetycznej. Taka elektrownia musi spełniać szczegółowe wymagania lokalnego operatora sieci.

Jeśli chodzi zaś o położenie osi obrotu wirnika rozróżniamy elektrownie wiatrowe, które tworzą turbiny o pionowej lub poziomej osi obrotu.

Turbiny wiatrowe o poziomej osi obrotu (HAWT – Horizontal Axis Wind Turbine)

Większość instalowanych obecnie turbin wiatrowych to turbiny o poziomej osi obrotu i trzech łopatach. Ogólna budowa turbiny o horyzontalnej osi obrotu to wysoka wieża, wykonana najczęściej z betonu oraz wirnik ze śmigłami. Turbiny HAWT mogą być jednopłatowe, dwupłatowe, z trzema płatami, z silnikami wielopłatowymi, z dyfuzorem lub wykorzystujące efekt Magnusa. Ich wysokość i średnica wirnika są znacznie większe niż w przypadku turbin o pionowej osi obrotu.

Aby pozioma turbina wiatrowa pracowała maksymalnie efektywnie musi być ona zwrócona dokładnie w kierunku wiatru. Dlatego w konstrukcji turbin o osi poziomej stosuje się dwa podstawowe warianty umiejscowienia wirnika. Może być on usytuowany względem kierunku wiatru i masztu, tj. dowietrznie (ang. up-wind) oraz odwietrznie (ang. down-wind). Obydwa rozwiązania są używane w zależności od potrzeb. Pierwsze jest stosowane przy większych konstrukcjach, gdzie zastosowano układ elektronicznego naprowadzania na kierunek wiatru lub ster aerodynamiczny, wirnik pracuje wtedy przy równomiernym obciążeniu. Drugie rozwiązanie stosowane jest przy mniejszych prędkościach wiatru, gdzie nie ma urządzeń naprowadzających na kierunek wiatru. Wariant drugi jest mało popularny ze względu na straty spowodowane zacienianiem wirnika przez maszt.

Najważniejsze zalety turbin HAWT to estetyczny wygląd oraz wyższa sprawność w porównaniu od turbin o pionowej osi obrotu. Oznacza to, że zastosowanie turbin poziomych pozwala wytworzyć więcej energii. Do wad należy zaliczyć wysokie koszty, dosyć skomplikowaną budowę oraz stosunkowo uciążliwy hałas. Turbiny wiatrowe poziome są dość głośne i mogą generować drgania, dlatego lepiej sprawdzą się na wolnej przestrzeni poza miastem. Należy również pamiętać, że turbiny wiatrowe poziome montowane na maszcie wymagają zgłoszenia obiektu budowlanego.

Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu (VAWT – Vertical Axis Wind Turbine)

Turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu, czyli VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbines) stanowią zaledwie ok. 5% wszystkich turbin wiatrowych. W dużej mierze wynika to z faktu, że prace nad nimi nie postępowały w takim tempie, jak nad turbinami poziomymi.

Turbiny wiatrowe pionowe charakteryzują się prostopadłą do powierzchni ziemi osią obrotu. W zależności od mocy elektrowni wymiary elementu wirującego turbiny wynoszą: wysokość 0,8-6 m, średnica 0,5-6,5 m. Takie turbiny świetnie sprawdzają się w strefach zurbanizowanych. Turbiny VAWT znajdują zastosowanie jako źródło energii do zasilania: domów jednorodzinnych, pól namiotowych i domków letniskowych, jachtów, urządzeń pomiarowych i sygnalizacyjnych, banerów reklamowych, lamp ulicznych oraz wszędzie tam, gdzie dostęp do standardowej sieci energetycznej jest utrudniony lub niemożliwy. Co istotne turbiny o pionowej osi obrotu doskonale sprawdzają się przede wszystkim w warunkach, gdzie wieją ekstremalnie silne wiatry (górskie chaty, nadmorskie pensjonaty). Mało tego, dzięki nim turbiny pionowe osiągają o wiele lepsze parametry niż ma to miejsce w warunkach normalnych.

Pionowa oś obrotu i niewielka średnica umożliwiają łatwy montaż turbiny VAWT. Nie jest konieczne budowanie wysokich masztów w sprzyjających warunkach. Na otwartym terenie wystarczy wysokość ok. 2-4 m nad poziomem gruntu. Ze względu na swoje mniejsze rozmiary i nieskomplikowaną budowę, turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu montowane na ścianach lub dachach budynków nie wymagają pozwolenia budowlanego.

Zaletą turbin pionowych jest uzyskiwanie elektryczności bez ponoszenia kosztów w trakcie eksploatacji turbin (ponoszone są tylko koszty związane z realizacją inwestycji), co pozwala na częściowe lub całkowite uniezależnienie się od dostaw prądu. Oznacza to również,  że turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu umożliwiają produkcję prądu na terenach, gdzie prąd sieciowy nie dociera. Dodatkową zaletą jest fakt, że postawienie turbiny VAWT pozwala na oszczędzanie konwencjonalnych surowców, a więc jest korzystne w kontekście ochrony środowiska.

Wydaje się, że turbiny wiatrowe o pionowej osi obrotu mają więcej zalet od poziomych, poza jedną istotną wadą, którą jest ich niższa sprawność. Turbiny VAWT nie są w stanie wytworzyć takiej samej ilości energii, co turbiny wiatrowe poziome, chyba że znacząco zwiększy się ich rozmiar. Turbiny pionowe bez problemu można za to zamontować na dachu budynku, gdyż są ciche i nie wytwarzają niebezpiecznych drgań.

Farmy wiatrowe w Polsce i na świecie

Farma wiatrowa to inaczej zespół wiatraków podłączonych do sieci w jednym miejscu. Dla powodzenia inwestycji kluczowy jest wybór lokalizacji. Wiąże się to z wykluczeniem obszarów chronionych, zachowaniem odpowiednich odległości oraz dostępem do sieci energetycznej. Farmy wiatrowe ingerują w krajobraz, ale jak potwierdzają obserwacje specjalistów, nie stanowią one dużego zagrożenia dla zwierząt i ptaków. 

Można się spotkać z opinią, że warunki naturalne w naszym kraju nie sprzyjają budowie elektrowni wiatrowych, ponieważ dominują niziny a wiatr nie wieje z wystarczającą siłą. Tymczasem na wysokości 100 m przeciętna prędkość wiatru wynosi w Polsce około 6,5 m/s, a na terenach nadmorskich nawet 8 m/s. Większość turbin zaczyna produkować energię już przy prędkości 3-4 m/s.

Obecnie największą lądową farmą wiatrową w Polsce jest wielkopolska farma Margonin o mocy 120 MW. Planowane jest uruchomienie farmy Potęgowo w woj. pomorskim, na którą składać się będzie 81 turbin o łącznej docelowej mocy 219,5 MW. Projekt ma zaoszczędzić 514 tys. ton CO2 rocznie.

Jak wynika z najnowszego raportu WindEurope, inwestycje w sektorze energii wiatrowej w Europie w 2019 roku sięgnęły 52 mld euro. Jeśli chodzi o wysokość inwestycji w nowe turbiny wiatrowe na lądzie, Polska znalazła się na 3. miejscu w UE.** WindEurope zwraca uwagę na dużą zmianę, która ma miejsce w naszym kraju – pod względem nakładów na budowę nowych mocy wiatrowych na lądzie Polskę w UE wyprzedziły tylko Hiszpania i Niderlandy. Taka sytuacja wynika z rozstrzygnięcia ubiegłorocznych aukcji OZE, w wyniku których Polska powinna zbudować ok. 2,2 GW nowych mocy wiatrowych na lądzie, przy czym nakłady ocenia się na 1,3 mln euro na MW mocy.

Na świecie prym w rozwoju lądowej energetyki wiatrowej wiodą Chiny, Indie i Stany Zjednoczone. Obecnie największą operacyjną lądową farmą wiatrową na świecie jest Gansu Wind Farm znajdująca się w Chinach. Składa się na nią 7 000 turbin o całkowitej mocy 7 900 MW.

Elektrownia wiatrowa – kto może zainwestować?

Inwestycja w produkcję własnego prądu pozwala uniezależnić firmę od wahań cen energii elektrycznej oraz buduje wizerunek ekologicznej marki. Coraz większą popularność zyskują przydomowe elektrownie wiatrowe oraz elektrownie wiatrowe zlokalizowanie na dachach budynków przemysłowych, biurowych i osiedlach. Jest to rozwiązanie przede wszystkim dla tych, którzy są narażeni na częste przerwy w dostawie prądu oraz dla przedsiębiorstw, których funkcjonowanie wiąże się z dużą energochłonnością. Posiadanie własnego źródła energii pozwoli na większą niezależność energetyczną oraz optymalizację kosztów zużywanego prądu podmiotom takim jak m.in.:

  • wspólnoty i spółdzielnie mieszkaniowe
  • rolnicy, przedsiębiorstwa rolne
  • przedsiębiorstwa i energochłonne zakłady produkcyjne
  • samorządy, podmioty świadczące usługi użyteczności publicznej

Dofinansowanie na elektrownie wiatrowe – dla kogo?

Dofinansowanie elektrowni wiatrowych odbywa się zarówno w skali mikro jak i makro. Istnieje kilka źródeł możliwego finansowania inwestycji w OZE, dzielą się one na dwie podstawowe grupy: środki z budżetu Unii Europejskiej oraz środki krajowe. Najbardziej aktualne informacje nt. programów pomocowych można znaleźć na stronie Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej. W związku z koniecznością dopełnienia szeregu formalności oraz spełnienia wymagań niezbędnych do uzyskania dofinansowania wskazane jest nawiązanie współpracy z doświadczonych partnerem biznesowym, który nie tylko zaproponuje najlepsze technologicznie rozwiązanie, ale też doradzi w kwestii pozyskania środków na realizacje inwestycji.

http://www.praze.pl/UserFiles/File/Dokumenty/rap_pods_pl3.pdf

** https://windeurope.org/about-wind/statistics/european/wind-energy-in-europe-in-2019/