Energia wiatrowa

Turbiny wiatrowe

Energia elektryczna uzyskana z wiatru jest ekologicznie czysta, gdyż jej wytworzenie nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa, jeżeli pominiemy nakłady energetyczne związane z budową takiej elektrowni oraz wyprodukowaniem urządzeń dla niej. Światowym potentatem w produkcji energii wiatrowej są Niemcy (ok. 40% produkcji w skali całego globu). Aby uzyskać 1 MW (megawat) mocy, wirnik turbiny wiatrowej powinien mieć średnicę około 50 metrów. Ponieważ duża konwencjonalna elektrownia ma moc sięgającą nawet 1GW (gigawata), tj. 1000 MW, to jej zastąpienie wymagałoby użycia nawet do 1000 takich generatorów wiatrowych. W niektórych krajach budowane są elektrownie wiatrowe składające się z wielu ustawionych blisko siebie turbin. Jednak opinia publiczna bywa niekiedy nieprzychylna takim inwestycjom, gdyż szpecą one krajobraz, generują uciążliwy hałas, oraz stanowią zagrożenie dla ptaków. Dlatego też przyszłość elektrowni takiego typu jest niepewna. Jednak niewielkie pojedyncze turbiny mogą być dobrym źródłem energii w miejscach oddalonych od centrów cywilizacyjnych, gdzie brak jest połączenia z krajową siecią energetyczną. Wielgachny w Elektrownia wiatrowa w Pucku W Polsce tylko w niewielu miejscach sezonowo prędkość wiatru przekracza 4m/sek, co uznawane jest za minimum, aby mogły pracować urządzenia prądotwórcze wiatraków energetycznych. Średnia prędkość wiatrów wynosi 2,8 m/s w porze letniej i 3,8 m/s w zimie. Konsekwencją niskiej wietrzności jest to, że elektrownia wiatrowa wybudowana w Danii dostarczy 100 kW (kilowatów), podczas gdy taka sama elektrownia wybudowana w rejonie Szczecina dostarczy tylko 17,3 kW. Na terenie Polski przeważają strefy ciszy wiatrowej, czego doświadczyli ponoszący straty posiadacze kilku elektrowni wiatrowych. Tylko nad Bałtykiem oraz w okolicach Suwalszczyzny można mówić o jakimkolwiek rozwoju wiatraków. Polskimi "zagłębiami wiatrowymi" są przybrzeżne pasy w okolicach Darłowa i Pucka. Specjaliści z Politechniki Szczecińskiej twierdzą wręcz, że rola energii wiatrowej w bilansie energetycznym Polski jest i będzie w przyszłości pomijalnie mała, co jednakże nie przeszkadza Niemcom budować licznych farm wiatrowych (na każdej liczba turbin idzie w dziesiątki) wzdłuż granicy z Polską. Jednakże i oni mieli już okazję zetknąć się z tym problemem - w 2003 roku upalne lato nad większością obszaru Europy spowodowało ciszę wiatrową o rozmiarach klęski: stanęły wiatraki, i gdyby nie konwencjonalne źródła energii, na wielu terenach zabrakłoby prądu. Podobne zjawisko miało miejsce w październiku 2006, kiedy nie wystarczjąca moc elektrowni wiatrowch po wyłączeniu jednej z konwecjonalnych linii zasilających spwodoała reakcję lawinową i wyłączenia energii elektrycznej na dużą skale. W ogóle problem ciszy wiatrowej wydaje się być niedocenianą do tej pory przeszkodą w planach wykorzystania energii wiatru - w Niemczech istnieje ok. 16 tysięcy turbin wiatrowych, mogących produkować do 15% zapotrzebowania na energię elektryczną, jednak problemy ze zjawiskiem ciszy wiatrowej powodują, że produkują tej energii zaledwie 3%. Elektrownia wiatrowa Zdaniem przeciwników elektrownie wiatrowe, jako uzależnione od warunkow pogodowych (chociaż przy przy ich lokalizacji bierze się pod uwagę statystyczną ilość dni wietrznych w roku), wymuszają na tradycyjnej energetyce utrzymywanie rezerwy mocy, tak aby w kazdej chwili, można zastąpić lub uzupełnić spadek mocy dostarczanej przez elektrownie wiatrowe. Oznacza to, że każdemu kilowatowi mocy elektrowni wiatrowej musi odpowiadać analogiczna moc rezerwy w elektrowniach tradycyjnych. Oznacza to, że nie przyczyniają się one do zmniejszenia emisji gazów cieplarnianych do atmosfery. Jeden z argumentów na rzecz budowania elektrowni wiatrowych na świecie był problem konieczności zmniejszenia emisji dwutlenku węgla do atmosfery - jednak z ostatnich raportów organizacji Greenpeace wynika, że rozwój energetyki wiatrowej jest, jak na razie, jednym z najdroższych sposobów, i jak widać z powyżej przedstawionej argumentacji przeciwników, wcale nie najefektywniejszą metodą rozwiązywania tego problemu. Problem też stanowi fakt, iż wg najnowszych badań farmy wiatrowe poważnie zagrażają ptactwu, zaś wzdłuż Odry przebiega szlak ich sezonowych wędrówek południkowych. Na ten problem zwracają też uwagę światowi ekolodzy, m.in. ze Szkocji i USA. Stwierdzono, że szkockie elektrownie wiatrowe przyczyniają się do ginięcia zagrożonych gatunków ptactwa (m.in. sokołów, orłów i latających na małych wysokościach drzemlików), a amerykańska organizacja pozarządowa Center for Biological Diversity policzyła, że turbiny jednej tylko lokalnej elektrowni wiatrowej zabijają corocznie nawet do 1,3 tys. latających ptaków drapieżnych. Ponadto farmy wiatrowe szpecą krajobraz i nie pozwalają na wykorzystanie terenów np. w zakresie agroturystyki. Farmy te emitują także duży hałas, który obecnie uznawany jest za zanieczyszczenie - więc uniemożliwają zabudowę terenu w ich otoczeniu. Zauważono również, że ludzi mieszkających w pobliżu wiatraków bardzo denerwują światła ostrzegawcze migające nocą oraz błyski słoneczne odbijające się od łopat wiatraków w dzień. Faktycznie tereny zajęte przez farmy wiatrowe mogą być używane tylko rolniczo, a krajobraz będący elementem chronionym prawnie pozostaje przez nie mocno zniszczony - m.in. nie jest de facto możliwe budowanie farm w parkach krajobrazowych. Okazało się też, że elektrownie wiatrowe mogą niekorzystnie wpływać na lokalny klimat - większe skupiska wiatraków powodują wzrost temperatury powietrza nawet o 2 st.C i mogą być przyczyną zwiększenia szybkości wiatru o 2m/s. W Polsce dodatkowym elementem utrudniającym zaistnienie tego źródła energii są kłopoty wynikające z polityki energetycznej firm-odbiorców energii, które żądają zapewnienia stałej wielkości dostaw oraz fakt, że na terenie Niziny Szczecińskiej istnieje zespół elektrowni zaspokajających potrzeby tego regionu, a przesył energii ze względu na straty jest nieopłacalny. Rozwojowi energetyki wiatrowej w Polsce wydają się też nie sprzyjać przepisy prawne - szacuje się, że same wydatki dot. uzyskania pozwolenia na budowę wiatraków często stanowią nawet 25% kosztów ogólnych uruchamiania elektrowni wiatrowej, natomiast możliwość uzyskania kredytów na taką budowę jest w Polsce niewielka. Pomimo tych wszystkich kontrowersji Niemcy w Zatoce Pomorskiej chcą zbudować jedną z największych na świecie farm wiatrowych: 35 kilometrów na wschód od Rugii ma stanąć ok. 200 zakotwiczonych w dnie morskim wiatraków, których łączna moc ma docelowo wynosić ok. 1 GW. Projektanci tego przedsięwzięcia zapewniają, że zadbali o to, by wiatraki nie kolidowały z trasami przelotu ptaków ani z międzynarodowymi szlakami żeglugi. Całość ma być ukończona do 2010 roku. Raport Greenpeace oblicza, że do roku 2020 elektrownie wiatrowe będą produkować ok. 12% energii Elektrownia wiatrowa a budynek autonomiczny Na małą skalę, elektrownia wiatrowa połączona z systemem magazynowania energii elektrycznej może służyć do zaopatrzenia budynku autonomicznego w elektryczność. Na rynku dostępne są małe przydomowe instalacje do produkcji energii elektrycznej, składające się z turbiny wiatrowej o mocy kilku kW, ogniwo fotowoltaiczne oraz baterię akumulatorów do przechowywania energii między okresami podaży i zapotrzebowania. ENERGIA WIATRU Energia była, jest i będzie potrzebna ludziom w ich życiu. Jej postać, forma czy wykorzystanie może być różne, ale przede wszystkim potrzebujemy jej przy produkcji przemysłowej, transporcie, ogrzewaniu czy oświetleniu. Początkowo tej energii dostarczało nam środowisko w postaci zasobów naturalnych nieprzetworzonych opału i paliw np. drewna, węgla, ropy naftowej czy gazu. Również dawniej przetwarzano energię w wiatrakach czy młynach wodnych. Jednak ciągły wzrost zapotrzebowania na energię i to w różnych postaciach, kurczenie się zasobów kopalnianych, względy ekologiczne i ekonomiczne stawiają przed ludźmi nowe zadania i wyzwania w tej dziedzinie. Rozwój techniki w drugiej połowie XIX wieku i powstanie ogromnej ilości urządzeń elektrycznych. wymusił rozwój elektrowni, których zadaniem jest dostarczać prąd elektryczny do poszczególnych odbiorców. Elektrownie mogą pobierać energię potrzebną do wytworzenia prądu z różnych źródeł. Źródła energii dzielą się na dwie zasadnicze grupy: Odnawialne Nieodnawialne Do nieodnawialnych źródeł energii zalicza się surowce, które po wykorzystaniu ulegają rozkładowi należą do nich paliwa kopalne (tj. węgiel, ropa naftowa) oraz energia jądrowa. Z kolei do odnawialnych źródeł energii należą: energia wiatrowa, wodna, słoneczna, geotermiczna (geotermalna) oraz biomasa. Na podstawie tego podziału chciałam opisać wykorzystanie energii wiatru zarówno jego historię jak i warunki jakie muszą być spełnione aby można było uzyskać tą energię, w końcowej części przedstawię także jak wiatr wykorzystywany jest w Polsce Wiatr jako nośnik energii wykorzystywano już w starożytności. Około 1800 lat temu w krajach śródziemnomorskich i w Chinach pojawiły się pierwsze silniki wiatrowe. Od VI wieku naszej ery Persowie mieli ziarno, używając młynów wiatrowych, czyli wiatraków. W przeciwieństwie do konstrukcji, które rozpowszechniły się w Europie, perskie wiatraki miały skrzydła poruszające się w płaszczyźnie poziomej na pionowym wale. Dolny koniec wału przytwierdzony był do kamienia młyńskiego, który rozcierał ziarno na mąkę. Wczesne wiatraki europejskie były wiatrakami obrotowymi, czyli kołowymi. Ustawienie takiego wiatraka można było zmieniać stosownie do kierunku wiatru. Skrzydła poruszały się w płaszczyźnie niemal pionowej, a konstrukcja wiatraka była osadzona na centralnym słupie. Z tyłu wystawał długi drąg. Gdy zmieniał się kierunek wiatru, młynarz za pomocą tego drąga obracał wiatrak tak, aby znów łopaty skierowane były do wiatru.W ciągu wielu lat pomysłowi młynarze wymyślili sposoby wykorzystania energii wiatru także do innych celów. Na przykład, dzięki systemowi przemyślnych przekładni, wiatrak podnosił worki z ziarnem. Holendrzy zaczęli używać wiatraków do osuszania terenów nadmorskich. Jeden z ich systemów składał się z wiatraka, który napędzał urządzenie przypominające koło wodne, wypompowujące wodę z nisko położonych terenów. W Babilonii wykorzystywano je do osuszania mokradeł, a w innych krajach do nawadniania pól. W VIII wieku w Europie pojawiły się duże wiatraki 4-skrzydłowe, w których budowie wyspecjalizowali się Holendrzy. Największą rolę energia wiatru odgrywała w XVI wieku, ogólna moc młynów napędzanych wiatrem wynosiła 1 TW. W końcu XIX wieku siłownie wiatrowe przestały już być doskonalone, a jednocześnie w Danii funkcjonowało ponad 30 000 takich młynów i mniej więcej tyle samo wiatraków było w Holandii. Pomimo wszystkich zalet, wiatraki miały poważne wady. Ich działanie było uzależnione od pogody, więc w dni bezwietrzne i takie, gdy wiatr bardzo silny wiatraki nie mogły pracować. Do 1940 roku Dania miała ponad 1300 działających generatorów wiatrowych. Do 1940 roku w USA zbudowano około 6 milionów takich generatorów. Turbiny wiatrowe były dla mieszkańców wsi w ówczesnych czasach jedynym dostępnym źródłem elektryczności. W 1960 roku na świecie wykorzystywano ponad 1 milion siłowni wiatrowych. Ponowny wzrost zainteresowania szerszym wykorzystaniem energii wiatru nastąpił po kryzysie energetycznym w 1973 roku. Od tego czasu powstało na świecie tysiące instalacji wykorzystujących wiatr do produkcji energii elektrycznej. O opłacalności tych instalacji decyduje duża prędkość wiatru i stałość jego występowania w danym miejscu. Dlatego elektrownie wiatrowe są zazwyczaj budowane na terenach nadmorskich i podgórskich. W Europie Dania, Niemcy, Szwecja i Wielka Brytania znajdują się w czołówce państw wykorzystujących wiatr do produkcji energii elektrycznej. Dania eksploatuje już ponad 5 tys. wiatraków, które w 1997 r. zaspokajały 6,5% zapotrzebowania na prąd. Koleje duńskie zamierzają wybudować w pobliżu torów 80 wielkich wiatraków, z których każdy będzie miał generator o mocy 1,5 MW. Energia czerpana z wiatraków pokryje zapotrzebowanie pociągów na prąd, co znacznie obniży emisję zanieczyszczeń powietrza przez dotychczas pracujące elektrownie. Na wybrzeżach Danii ma powstać dalsze pięć kompleksów elektrowni wiatrowych liczących 500 wiatraków. W Niemczech, w landzie Szlezwik-Holsztyn wiatraki są od dawna elementem krajobrazu. Do końca 1996 r. 1000 zespolonych elektrowni wiatrowych dostarczyło 6% zapotrzebowania energetycznego w tym rejonie. W Szwecji k. Malmo pracuje elektrownia wiatrowa o mocy 3 MW. Największą w Europie elektrownię wiatrową uruchomiono w 1996 r. w Walii, w pobliżu Carno. Elektrownia ta wyposażona jest w 56 turbin wytwarzających prąd o mocy ponad 30 MW. W niektórych krajach młyny wiatrowe są jeszcze powszechnie używane do mielenia zboża na mąkę. Karierę w niektórych regionach robią, napędzane wiatrem, pompy łopatkowe, pompujące wodę ze studni, często bardzo głębokich. Tak dzieje się w Australii i RPA. Wydobytą wodę przechowuje się w zbudowanej obok specjalnej wieży. Urządzenia te również zwie się powszechnie wiatrakami, lecz są to naprawdę silniki wiatrowe lub pompy wiatrowe Międzynarodowa Agencja Energii (IEA), która ma swą siedzibę w Paryżu, ocenia, że zużycie energii elektrycznej podwoi się do roku 2020. Jeżeli założy się, iż 10 proc. tej ilości ma pochodzić z wiatru, to z tej energii należy wytworzyć 2500 - 3000 TWh/rok. W skali światowej realistyczne jest założenie, że 20 proc. energii elektrycznej będzie wytwarzane z pomocą energii wiatru. Niemcy stały się pierwszym krajem, który przekroczył pułap 2000 MW. Roczny koszt inwestycji w celu osiągnięcia 10-procentowego udziału energii elektrycznej wytworzonej z energii wiatru w światowym bilansie energii elektrycznej wyniósł 3 mld dolarów w 1999 roku, zaś w 2020 roku należy spodziewać się wydatków rzędu 78 mld dolarów. Jeżeli chodzi o korzyści dla środowiska naturalnego, do atmosfery nie trafi 69 mln ton dwutlenku węgla w 2005 roku, 267 mln ton w 2010 roku i 1780 mln ton w 2020 roku. Łączna redukcja emisji dwutlenku węgla - gazu odpowiedzialnego za ocieplenie klimatu - w latach 1999 - 2020 wyniesie 10750 mln ton. Wielkość nowo instalowanej mocy w elektrowniach wiatrowych wzrastała przez ostatnich 8 lat przeciętnie o 40% rocznie, czyniąc energetykę wiatrową jedną z najszybciej rozwijających się gałęzi przemysłu. Taki rozwój rynku był napędzany głównie przez politykę rządów, ukierunkowaną na umożliwienie energii wiatrowej konkurowania z już istniejącymi technologiami, i uznającą korzyści płynące z energii wiatrowej, które przeważnie nie są zawarte w cenach elektryczności płaconych przez konsumentów . Ważne podkreślenia jest to że energia elektryczna która jest uzyskiwana z wiatru jest ekologicznie czysta, gdyż jej wytworzenie nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa. Aby uzyskać 1MW mocy, wirnik takiej turbiny powinien mieć średnicę około 50m. W niektórych krajach budowane są elektrownie wiatrowe, składające się z wielu ustawionych blisko siebie turbin. Jednak opinia publiczna bywa niekiedy nieprzychylna takim inwestycjom, gdyż szpecą one krajobraz. Dlatego też przyszłość elektrowni tego typu jest niepewna. Jednak niewielkie pojedyncze turbiny są doskonałym źródłem energii w miejscach oddalonych od centrów cywilizacyjnych, gdzie brak jest połączenia z krajową siecią energetyczną. Wykorzystanie energii wiatru ma znaczenie w krajach nie posiadających innych surowców energetycznych. Warte zauważenia jest to, że sporą część energetycznych potrzeb świata może być zaspokojona właśnie przez wiatr. Trzeba go tylko zaprząc do pracy. Światowe zasoby energii wiatru, nadającej się do wykorzystania z technicznego punktu widzenia, to 53 tys. TWh/rok. Ta ilość energii to czterokrotnie więcej, niż wynosiło globalne zużycie energii elektrycznej w 1998 roku. Różnice w rozwoju energetyki wiatrowej pomiędzy różnymi krajami są uderzające. W znaczącym stopniu ten rozwój w Unii Europejskiej odbywał się w 3 krajach: Niemczech, Danii i Hiszpanii. Rozwój, który miał miejsce, był wynikiem udanej polityki dotyczącej energetyki wiatrowej. Polityka wspierania rozwoju energetyki wiatrowej przyjmuje różne formy - ustalanie wielkości docelowych, środki informacyjne, finansowanie badań i rozwoju, polityka rozwoju rynku - wszystkie skupione bezpośrednio na sektorze energetyki odnawialnej. Ale również inne obszary polityki mogą mieć znaczący pośredni wpływ na wykorzystanie energii wiatru, między innymi: polityka dotycząca zmian klimatycznych i inne przepisy ochrony środowiska, np. z zakresu lokalnego zanieczyszczenia powietrza, polityka rozwoju gospodarczego i regionalnego, środki zapewnienia bezpieczeństwa dostaw energii. Na poziomie europejskim polityka promowania energii odnawialnej przyjmowała wiele form. Od lat osiemdziesiątych projekty z zakresu energetyki odnawialnej były finansowane z programów ramowych Komisji Europejskiej na rzecz badań, rozwoju i demonstracji. To finansowanie odgrywało istotną rolę w rozwoju technologii turbin wiatrowych, która doprowadziła do istotnych redukcji kosztów wytwarzania energii wiatrowej. Unia Europejska zapewniała również wsparcie dotyczące pozatechnicznych aspektów promocji odnawialnych źródeł energii, na przykład za pośrednictwem trwającego programu ALTENER, obejmującego istotne środki informacyjne. W 1997 roku Komisja Europejska przyjęła Białą Księgę Energetyki Odnawialnej, w której przyjęto za cel podwojenie przez Unię Europejską wykorzystania energii odnawialnej do roku 2010 z 6% do 12%. Mimo wszystkich środków opisanych powyżej, postęp w dążeniu do tych celów w krajach członkowskich był różny. Nastąpiło zwiększenie produkcji energii ze źródeł odnawialnych, zwłaszcza energii wiatrowej. Jednak te postępy są niewystarczające, a wzrost całkowitego zużycia energii powoduje, że osiągnięcie zakładanego udziału energii odnawialnej staje się trudniejsze. Na koniec chciałam ukazać warunki rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce. Pomiar prędkości kierunku wiatru jest podstawową informacją którą należy przeprowadzić w miejscu przyszłej lokalizacji elektrowni wiatrowej. Pomiar należy przeprowadzić na co najmniej dwóch wysokościach tak aby wyeliminować niekorzystne zawirowania wiatru spowodowane obecnością drzew i budynków. Pomiary należy przeprowadzać przez jeden rok. Po zebraniu danych, wyniki pomiarów należy poddać obróbce w programie który wskaże zasoby wiatru na badanym terenie. Pomiar prędkości rejestruje się co 10 min. Należy także rejestrować kierunek wiejącego wiatru . Energię wiatru należy uwzględniać w planach strategicznych naszego kraju, jako czystą nie zanieczyszczającą środowiska. Pierwszą, podstawową wielkością przybliżającą w dużym stopniu możliwość oceny warunków wiatrowych na danym obszarze - jest średnia roczna lub sezonowa prędkość wiatru. Należy podkreślić, że użyteczną dla potrzeb energetycznych jest prędkość wiatru co najmniej 4 m/s. Wyróżniającymi się rejonami kraju o wzmożonych prędkościach wiatru są: Pobrzeże Słowińskie i Kaszubskie, Suwalszczyzna, cała prawie nizinna część Polski z udziałem prędkości na Mazowszu i w środkowej części Pojezierza Wielkopolskiego, Beskid Śląski i Żywiecki, dolina Sanu od granic państwa po Sandomierz. W rejonach tych, średnie roczne prędkości wiatru przekraczają 4 m. x s-1, a w rejonie wybrzeża nawet 6 m. x s-1. Najmniejszymi prędkościami wiatru charakteryzuje się w zasadzie cała wyżynna część Polski. O ile w wyższych partiach wyżyn (tj. powyżej 300 m) prędkość wiatru się wzmaga, o tyle wszelkie obniżenia między wysoczyznami, głównie o kierunku N - S, są obszarami wyciszonymi, leżącymi w cieniu aerodynamicznym osłaniających je wysoczyzn.. Ponadto "wyciszone" pod względem prędkości wiatru są duże kotliny śródgórskie, takie jak: Jeleniogórska, Nowosądecka, Tarnowska, Niecka Nidziańska i Kotlina Raciborska. A oto informacje na temat pracujących w Polsce elektrowniach wiatrowych Aktualnie (wg stanu na 08.05.2001 r) w Polsce pracuje 29 profesjonalnych elektrowni wiatrowych o łącznej mocy 9740 kW (z generatorami asynchronicznymi) podłączonych do sieci i sprzedających energię zakładom energetycznym. Pracuje także kilkadziesiąt mniejszych elektrowni (z prądnicami synchronicznymi) pracujących na sieć wydzieloną. Są to albo konstrukcje rzemieślnicze albo konstrukcji IBMER-u (Instytutu Budownictwa, Mechanizacji i Elektryfikacji Rolnictwa w Warszawie). Uzyskanie energii z wiatru ma bardzo wiele korzyści przede wszystkim dla środowiska jak i dla nas, dlatego uważam że powinno się rozpowszechniać tą wiedzę i korzystać w miarę możliwości z naturalnych zasobów naszego świata.