Już nasi pra-pra-praprzodkowie starali się ujarzmić wiatr i wykorzystać jego moc do własnych celów. Starożytni Egipcjanie ponad 5000 lat temu używali łodzi żaglowych. Nieco później człowiek stworzył pierwsze wiatraki służące do pompowania wody i nawadniania pól. Kolejny wynalazek to wiatrak służący do mielenia ziarna – będący w dzisiejszych czasach niemałą atrakcją turystyczną w wielu miejscach na świecie, szczególnie w Europie. Wraz z rozwojem elektryczności i uzależnieniem się ludzi od urządzeń przez nią zasilanych stało się oczywistym, żeby wykorzystać wiatr do produkcji prądu elektrycznego. Temu celowi służy turbina wiatrowa. I właśnie temu zagadnieniu będzie poświęcony ten artykuł.
Turbiny wiatrowe. Otaczają nas na każdym kroku. Ale czy wiesz, jak działa turbina wiatrowa albo jak jest zbudowana? W dzisiejszym wpisie poruszę następujące zagadnienia:
– budowa turbiny wiatrowej,
– zasady działania turbiny wiatrowej,
– wpływ energetyki wiatrowej na środowisko i zdrowie.
Budowa turbiny wiatrowej
W tym zagadnieniu zajmiemy się omówieniem elementów składowych klasycznej turbiny wiatrowej. Klasycznej czyli takiej, którą zwykle widzisz podróżując za miasto lub czytając/oglądając cokolwiek o energetyce wiatrowej. Omówieniem innych typów turbin zajmę się w kolejnym artykule.
Patrząc z zewnątrz, możesz dostrzec następujące elementy siłowni wiatrowej:
Wieża
Stanowi podporę całej konstrukcji. Skonstruowana najczęściej ze stali, przez co jej waga stanowi średnio 30-60% wagi całej turbiny. Jest to dość kluczowy aspekt, gdyż waga ma realne przełożenie na koszty transportu. Innym materiałem konstrukcyjnym wież jest hybryda stali ze sprężonym betonem. Jej zastosowanie pozwala zwiększyć wydajność materiałową w porównaniu ze stalą. Musisz jednak pamiętać, że produkcja betonu stanowi dla środowiska obciążenie w postaci emisji dużej ilości CO2.
W ramach ciekawostki wspomnę, że turbina wiatrowa może również zostać skonstruowana z … drewna. Taka konstrukcja o wysokości 100 m i mocy 1,5 MW działa w Niemczech. Ponadto szwedzka firma Modvion z Goteborga zajmuje się projektowaniem i wykonywaniem turbin w oparciu o laminowane drewno. Na dniach (czerwiec 2023 r.) rozpoczęło się stawianie najwyższej (105 m) drewnianej wieży w rejonie Skara w Szwecji. Na jej szczycie zostanie zainstalowane urządzenie o mocy 2 MW. Czy to nie brzmi fascynująco?
Jak wysoka jest turbina wiatrowa?
Zastanawiasz się pewnie, jak wysokie są wieże i dlaczego mają one akurat takie rozmiary. Podyktowane jest to oczywiście siłą wiatru oraz aspektem ekonomicznym. Bo po co komu turbina wiatrowa, która się prawie nie obraca z powodu słabego wiatru. Zasada jest taka, że im wyżej nad powierzchnię ziemi (lub morza), tym prędkość wiatru większa. Czyli teoretycznie można by zbudować 500-metrową wieżę i zaspokoić potrzeby energetyczne małego miasta? Otóż nie do końca. Na przeszkodzie staje kilka czynników, z których najważniejszy to pieniądze. Ponieważ im wyższa konstrukcja, tym więcej materiału na jej budowę i tym wyższe koszty.
Wieża nie może rosnąć tylko wzwyż, lecz także w średnicy dla stabilności. Drugim czynnikiem ograniczającym rozmiary turbiny są możliwości transportowe. Mimo że wieża przyjeżdża na plac budowy w częściach, to jednak są one nie mniejsze niż jej średnica. Próbowałeś kiedyś przewieźć po wąskiej drodze z tunelami kawał metalu o średnicy ponad 4 m? No właśnie. Trzecim elementem stojącym na przeszkodzie wznoszenia wysokich wież jest dostępna wysokość dźwigów, które podnoszą jej kolejne fragmenty wraz z montażem. Dlatego też typowe turbiny wiatrowe mają dziś od 60 m do 120 m wysokości. Prawdopodobnie w przyszłości będzie się to zmieniać. Jeśli elementy konstrukcyjne dałoby się wytwarzać na miejscu montażu i zastosowano by tzw. samowznoszące się konstrukcje, moglibyśmy przekroczyć obecne granice.
Najwyższe turbiny wiatrowe
Być może zastanawiasz się, jaka wysoka jest najwyższa turbina wiatrowa. Nie byłabym sobą, gdybym nie podzieliła się z Tobą taką informacją J Numerem jeden jest obecnie (lipiec 2023) należąca do firmy Vestas i wybudowana w Østerild Test Center w Danii siłownia o wdzięcznej nazwie V236-15.0MW. Zgodnie z nazwą ma moc 15 MW oraz imponującą wysokość 280 m. Wow! Oprócz tego długość pojedynczej łopaty wynosi trochę ponad 115 m. Dla porównania 10-piętrowy blok mieszkalny ma jakieś 30-35 m wysokości. Druga w kolejności jest turbina Heliade-X (produkcja GE) znajdująca się w porcie w Rotterdamie (Holandia) i mająca 220 m wysokości. Jej moc to 14 MW. Gdybyś był ciekawy, jak została złożona, to pod poniższym linkiem znajdziesz timelaps z całym procesem wznoszenia turbiny: https://www.ge.com/renewableenergy/wind-energy/offshore-wind/haliade-x-offshore-turbine
Po okresie eksploatacji wieża może zostać poddana recyklingowi.
Łopaty wirnika
Elementy turbiny poddane największym obciążeniom i presji. Z jednej strony muszą być wytrzymałe na wiatr, obciążenia grawitacyjne, odporne na pękanie i warunki atmosferyczne, tj.: temperaturę, wodę, nasłonecznienie oraz wystarczająco sztywne, żeby zapewnić stabilność. Z drugiej jednak strony muszą mieć niską wagę i/lub gęstość, aby ograniczyć siły grawitacji i ograniczyć koszty transportu. Kryteria te eliminują wiele klasycznych materiałów takich, jak: metal (jest zbyt podatny na zmęczenie), polimery (mają za małą sztywność), ceramika (ma za niską odporność na pękanie). Dlatego w efekcie prób, badań i testów zdecydowano się na komponenty wzmacniane włóknami, które charakteryzuje niska gęstość oraz wysoka wytrzymałość.
Obecnie większość łopat wykonuje się z polimerów wzmacnianych włóknami (ang. FRP –Fibre – reinforced plastic). Z uwagi na wysoką odporność na pękanie, zmęczenie oraz stabilność termiczną, stosuje się włókno szklane (ang. GFRP – Glass-fiber reinforced plastic) oraz włókno węglowe (ang. CFRP – Carbon-fiber reinforced plastic).
Jak już pisałam, łopaty są poddawane ciągłym i cyklicznym obciążeniom. Na obciążenia grawitacyjne zasadniczy wpływ ma masa łopat. W zależności od ich położenia wyróżniamy obciążenia: rozciągające i ściskające (w osi dół/góra) oraz zginające (pozostałe pozycje łopat):
Również wiatr oddziałuje na łopaty siłą o działaniu zginania, gięcia klap i ściskania w zależności od miejsca, na które oddziałuje. Może to doprowadzić do uszkodzenia łopat – złamanie, oderwanie. Żeby zwiększyć bezpieczeństwo, naukowcy szukają ciągle materiałów o jak największym stosunku wytrzymałości do masy, których zastosowanie będzie dodatkowo opłacalne ekonomicznie.
Niestety łopaty nie są niezniszczalne, niezależnie od zastosowanego materiału, średnio co około 2-5 lat wymagają naprawy. To, czego nie da się naprawić, musi zostać poddane utylizacji. To samo dotyczy starych turbin. Dziś na emeryturę przechodzą te stawiane w latach 90-tych XX w.
Czy możliwy jest recykling łopat?
Cóż, obecnie większość łopat albo trafia na wysypisko, albo zostaje zmagazynowana pod ziemią. Polimery wzmacniane włóknem szklanym (CFRP) stanowiące do 70% materiału łopat są niestety (lub stety) niepalne. Odpada więc klasyczny sposób utylizacji w postaci spalenia. Można co prawda zastosować pewne metody recyklingu takie, jak: recykling mechaniczny, recykling strukturalny kompozytów czy piroliza (podgrzewanie do wysokiej temperatury w otoczeniu beztlenowym, w celu rozdzielenia substancji organicznych od produktów gazowych). Jednakże nie są to działania stosowane na bardzo szeroką skalę.
Jak wynika z obliczeń World Economic Forum, w roku 2050 będziemy mieli tyle zużytych i niepoddanych recyklingowi łopat, że ich łączna masa wyniesie ponad 43 mln ton! Pamiętaj jednak w tym miejscu, że są one wykonane z kompozytów, co sprawia, że pojedyncza łopata z nich wykonana jest nieporównywalnie lżejsza, niż gdyby została zrobiona z metalu. Prawdopodobnie jeszcze długo naukowcy i inżynierowie nie znajdą skutecznego i opłacalnego sposobu recyklingu tych elementów. Jednak człowiek jest istotą pomysłową i na świecie pojawiają się bardzo ciekawe pomysły wykorzystania łopat. W Danii stworzono z nich dach nad parkingiem rowerowym. Inne pomysły to: kładki i małe mosty dla pieszych, pokrycia dachowe domów modułowych, ogrodzenia, ławki. Przyznasz, że ludzka pomysłowość nie zna granic.
Gondola
Serce i zarazem mózg turbiny wiatrowej. Jest osadzona na szczycie wieży. Do piasty na jej przodzie zamontowane są łopaty. W jej wnętrzu znajdują się między innymi: generator, komputer sterujący pracą urządzeń, hamulec, czujnik wiatru, skrzynia biegów, falownik. W zależności od kierunku i siły wiatru zarejestrowanego przez czujnik wiatru, cała gondola zostaje automatycznie tak obrócona, żeby jak najefektywniej wykorzystać siłę wiatru. We wnętrzu wieży znajduje się również drabina, po której serwisant może wejść do gondoli.
Jak działa turbina wiatrowa?
Jakakolwiek energia nie powstaje z niczego. To kluczowe założenie fizyki. Energię można wytworzyć przekształcając inny typ energii. Tak właśnie działa turbina wiatrowa. Wiejący wiatr niesie ze sobą energię kinetyczną. Kiedy trafi on na odpowiednio ukształtowane i ustawione łopaty siłowni wiatrowej, wprawia je w ruch obrotowy. Dalej ruch ten zostaje przekazany za pomocą wału na skrzynię biegów i w następnym etapie na generator. W generatorze następuje wytworzenie energii elektrycznej istotnej z naszego punktu widzenia. Wzdłuż wnętrza wieży poprowadzone są kable, które dalej łączą siłownię z siecią.
Jak na wytwarzanie energii wpływa prędkość wiatru?
Otóż turbiny projektuje się do odpowiedniej nominalnej prędkości wiatru. Na tej podstawie przypisywane są im klasy. W klasie I znajdują się siłownie zaprojektowane dla prędkości wiatru równego 10 m/s (36km/h). Odpowiednio w II – 8,5 m/s (31 km/h) i III – 7,5 m/s (26 km/h). Przy zbyt wolnym wietrze turbina nie zacznie się obracać. Za minimalną wartość zdolną wprowadzić łopaty w ruch uznaje się prędkość 4 m/s (ok. 14 km/h). Co ciekawe w Polsce przyjmuje się średnią prędkość wiatru na poziomie 3-5 m/s. Zbyt silny wiatr z kolei mógłby uszkodzić siłownię. Dlatego kiedy jego prędkość przekracza 25 m/s (90 km/h) hamulec wewnątrz gondoli zatrzymuje łopaty.
Wpływ turbin wiatrowych na otaczający świat
Przyznać należy, że w porównaniu z np. fotowoltaiką, energetyka wiatrowa budzi w społeczeństwie dość duże kontrowersje. Być może ze względu na wielkość obiektów służących do jej wytwarzania i fakt, że zajmują one sporo miejsca w przestrzeni, narosło wokół nich dużo uprzedzeń. Część z nich prawdopodobnie wynika z niewiedzy i rozpowszechniania „mądrości ludowej”. Pozwól mi więc, że w tym fragmencie skupię się na omówieniu punktów zapalnych i wyjaśnię, czy faktycznie jest się czego obawiać.
Wpływ na środowisko
Jeśli porównać ten typ energetyki z energetyką konwencjonalną, to jego szkodliwy wpływ na środowisko jest niewielki. Jak wynika z danych opublikowanych przez portal Our World In Data (rysunek poniżej), ma jeden z najniższych współczynników emisji gazów cieplarnianych w przeliczeniu na jednostkę wyprodukowanej energii – 205 razy mniej niż węgiel.
Największy negatywny wpływ na środowisko ma etap produkcji, a później transportu i montażu turbiny. Ponadto energetyka wiatrowa nie potrzebuje do działania wody, jak to ma miejsce w przypadku elektrowni węglowych czy atomowych.
Są też jednak i negatywne skutki oddziaływania siłowni wiatrowych na środowisko.
Po pierwsze, turbina wiatrowa do działania wymaga neodymu – pierwiastka zaliczanego do grupy metali ziem rzadkich (w skład której wchodzi 17 pierwiastków chemicznych). Wydobywa się go zaledwie w kilku krajach na świecie. Niestety wydobycie ma destrukcyjny wpływ na środowisko, powoduje skażenie znacznych ilości wody i ziemi oraz działa chorobotwórczo na organizmy naturalne. U ludzi może wywoływać raka, choroby układu krążenia, itd. Międzynarodowa Agencja Energetyczna szacuje, że wraz z rozwojem energetyki wiatrowej, do roku 2040 wydobycie pierwiastków ziem rzadkich oraz litu, miedzi, niklu, kobaltu wzrośnie 4-krotnie.
Drugim ważnym czynnikiem negatywnym jest niestałość tego źródła energii. Produkcja energii nie ma charakteru ciągłego i musi być wspierana przez inne źródła takie, jak elektrownie gazowe i atomowe (elektrownie węglowe nie są wystarczająco elastyczne). A więc rozwój energetyki wiatrowej niejako „wymusza” dalszy rozwój energetyki konwencjonalnej.
Wpływ na krajobraz
Jedna turbina wiatrowa nie wystarczy do efektywnego produkowania energii. Dlatego na danym obszarze stawia się całą elektrownię wiatrową – skupisku kilku, kilkunastu lub nawet kilkudziesięciu turbin. Z oczywistego punktu widzenia ma to raczej negatywny wpływ na krajobraz, a szczególnie na jego postrzeganie przez ludzi. O ile nic nie stoi na przeszkodzie, żeby wokół takich siłowni wiatrowych uprawiać pola, czy prowadzić wypas zwierząt, o tyle obecność olbrzymich konstrukcji może być kontrowersyjna szczególnie w miejscach o znacznych walorach krajobrazowych. Dodatkowo dochodzi konieczność powiązania ze sobą turbin siecią dróg i kabli przesyłowych. W wielu miejscach objętych ochroną krajobrazu, krajobrazów archeologicznych lub zabytków wprowadza się zakaz stawiania farm wiatrowych.
Wpływ na zwierzęta
Badania nie wykazały negatywnego wpływu na zwierzęta gospodarskie, które wypasają się w pobliżu turbin. Natomiast dość dużo miejsca poświęca się kwestii zabijania ptaków. Każdego roku setki tysięcy migrujących ptaków ginie zarówno przez turbiny wiatrowe, jak i przyłączone do nich sieci energetyczne. Wielkość ta robi wrażenie. Jednak kiedy porównamy ją z danymi Służby Połowu i Dzikiej Przyrody Stanów Zjednoczonych (ang. FWS – United States Fish and Wildlife Service) uzyskanymi z terenów USA, sytuacja zaczyna wyglądać nieco inaczej. FWS szacuje, że rocznie w wyniku kolizji z infrastrukturą wiatrową, śmierć ponosi 234 tys. ptaków. W analogicznym okresie w kolizji z szybami okiennymi ginie 599 milionów ptaków, a koty zabijają ich nawet 2,4 miliarda. Wynika z tego, że koty zabijają 10 000 razy więcej ptaków niż energetyka wiatrowa. A jakimś cudem za ten proceder gromimy turbiny, a kotów się nie czepiamy.
Wpływ na pogodę i klimat
Naukowcy zauważyli, że pracujące farmy wiatrowe mogą wpływać na klimat na danym obszarze. Dzieje się tak dlatego, że obracające się łopaty powodują pionowe mieszanie się ciepła i pary wodnej. Prowadzi to m.in. do lekkiego zwiększenia temperatury w nocy i zmniejszenia w dzień. Co ciekawe wyższa temperatura w nocy może być korzystna dla upraw, ograniczając straty spowodowane chłodem i wydłużając okres wegetacyjny.
Wpływ na ludzi
Z subiektywnego punktu widzenia wpływ ten jest dla nas kluczowy. Częściowo opisałam już niektóre skutki oddziaływania farm wiatrowych na człowieka w ramach poprzednich podpunktów. Skutki oddziaływania możemy w tym przypadku podzielić na pośrednie i bezpośrednie. Do pośrednich zaliczymy np. kwestie estetyczne. Mimo że estetyka to kwestia czysto subiektywna, to zakłada się, że turbiny mogą wprowadzać zaburzenie w odbiorze krajobrazów zdominowanym przez naturę lub takich, na których występują zabytki. Dlatego rządy wielu krajów wprowadzają ustawy zakazujące stawiania w takich miejscach farm wiatrowych.
Bezpośredni wpływ na człowieka może mieć hałas. Jest to argument często podnoszony przez przeciwników turbin wiatrowych. Okazuje się, że w odległości ok. 300 m od turbiny natężenie dźwięku wynosi ok 45 dB. Dźwięk zanika wraz z odległością i staje się niewykrywalny na dystansie ponad 1,5 km. Hałas ten zalicza się do dźwięków o niskiej częstotliwości. Wg badań przeprowadzonych przez Health Canada w 2014 r. takie dźwięki mogą powodować w ludziach uczucie irytacji. O dziwo irytacja ta u ludzi jest w przypadku turbin większa niż w przypadku dźwięku ruchu ulicznego mimo, że ten drugi jest intensywniejszy. Najciekawiej jednak prezentuje się wynik badania HC mówiący, że znacznie mniejszą irytację odczuwali ci badani, którzy w zamian za mieszkanie w bliskim sąsiedztwie farmy wiatrowej otrzymali osobiste korzyści w postaci gratyfikacji finansowych. Czyli jednak dyskomfort też jest rzeczą względną…
Statystyki i dane
Jako urodzonego analityka zawsze interesują mnie liczby i wykresy. Można z nich w jasny sposób odczytać kluczowe dla danego zagadnienia kwestie. Tym razem ograniczę się tylko do dwóch wykresów dostępnych na stronie Our World In Data.
Pierwszy wykres przedstawia wzrost zainstalowanej mocy energetyki wiatrowej na przestrzeni lat 2000 – 2023 w wybranych krajach.
Jak widać Europa zwiększyła w tym okresie moc z energetyki wiatrowej ponad 10 razy. Na tym polu Polska wypada dość słabo. Jest to między innymi pokłosie restrykcyjnej legislacji.
Drugi wykres z kolei prezentuje udział procentowy wiatru w całkowitej produkcji energii danego kraju. W tym wypadku mamy do czynienia z okresem obejmującym lata 1985 – 2022.
Trzeba przyznać, że Dania zostawiła konkurencję daleko w tyle. Ponad 50% energii Duńczycy produkują z wiatru. Większość tej mocy pochodzi z farm morskich (offshore). Polska plasuje się pomiędzy średnią dla Unii Europejskiej a Stanami Zjednoczonymi z udziałem trochę wyższym niż 10%.
Podsumowanie
Artykuł ten stanowi pierwszą część cyklu o energetyce wiatrowej. W kolejnej przeczytasz o różnych rodzajach turbin wiatrowych, o rodzajach farm wiatrowych.
Energetyka wiatrowa to fascynująca dziedzina. Z racji, że nie obcujemy z nią tak blisko jak z fotowoltaiką (bo przecież rzadko kto ma ogródku turbinę wiatrową), informacje o niej są trochę mniej rozpowszechnione. Mam nadzieję, że ten wpis rozbudził nieco twoją ciekawość do dalszego zgłębiania jej tajników, rozjaśnił Ci spojrzenie na niektóre kwestie i zrewidował wiele obiegowych mitów.
Jakie jest Twoje podejście do turbin wiatrowych i energetyki wiatrowej? Daj znać w komentarzu.