Turbiny wiatrowe zwykle nie pracują samotnie. Żeby ich praca była opłacalna, stawia się całe farmy wiatrowe. Poza tym, w zależności od tego gdzie dana farma wiatrowa zostanie wybudowana, mamy do czynienia z farmami lądowymi albo morskimi. Dlatego w dzisiejszym artykule rzucę nieco światła na typy farm wiatrowych.
Skoro już wiesz, jak zbudowana jest turbina wiatrowa i jakie są jej rodzaje, pora skupić się na aspekcie farm wiatrowych. Bo – jak wiemy – w kupie (znaczy grupie) siła. Turbiny są bardzo społeczne 😉 i wolą pracować w grupie, otoczone przez swoje koleżanki. Poniżej skupię się na omówieniu następujących zagadnień:
– Różne typy farm wiatrowych – offshore, onshore,
– Wady i zalety konkretnych typów farm,
– Ekonomia – czyli ile trzeba wydać, żeby wybudować sobie farmę wiatrową,
– „Naj” w świecie farm wiatrowych – trochę ciekawostek ze świata.
Przypominam, że artykuł ten jest częścią cyklu dotyczącego energetyki wiatrowej. Poprzednie wpisy możesz przeczytać tutaj: Jak działa turbina wiatrowa, Rodzaje turbin wiatrowych. Zachęcam Cię do zapoznania się z nimi przed lekturą poniższego tekstu. Ułatwi Ci to zrozumienie niektórych informacji.
Farmy wiatrowe
Zgodnie z polską legislacją, za farmę wiatrową w naszym kraju uznaje się już pojedynczą turbinę (wraz z niezbędnym osprzętem) przyłączoną do sieci. Na zachodzie przyjmuje się jednak, że farma to grupa siłowni ustawiona na określonym obszarze. Co znaczy w tym przypadku grupa? Jest to przynajmniej kilka jednostek wytwórczych. Górny limit? Kilkaset. Tak, dobrze przeczytałeś. Największe farmy wiatrowe mogą liczyć kilkaset turbin.
W tym materiale będę używać zamiennie pojęć farma wiatrowa i elektrownia wiatrowa, ponieważ oznaczają one to samo.
Czas wreszcie zastanowić się nad podziałem naszych elektrowni wiatrowych. Już na wstępie zapowiadam, że będzie to podział prostszy niż przy rodzajach turbin. A więc:
Lądowe farmy wiatrowe (ang. onshore – na lądzie)
Do tej grupy zaliczymy wszystkie konstrukcje stawiane… Brawo – na lądzie. To właśnie z nimi mamy najczęściej do czynienia. Taka elektrownia składa się z: grupy turbin wiatrowych, transformatorów odpowiedzialnych za podniesienie napięcia z niskiego do średniego w celu dystrybucji energii na terenie farmy oraz podstacji elektrycznej, w której następuje z kolei podniesienie napięcia do poziomu wysokiego tak, żeby można było optymalnie podłączyć elektrownię do systemu dystrybucyjnego.
A gdzie stawiane są takie farmy? O tym decydują projektanci i konstruktorzy na podstawie danych uzyskanych z map wiatru oraz własnych pomiarów prędkości i kierunku wiatru. Oczywiście żeby taką elektrownię postawić, nie wystarczą tylko chęci i odpowiednia prędkość wiatru na danym obszarze. Niezbędne są również przepisy krajowe lub lokalne, wprowadzające regulacje dotyczące budowy w określonych miejscach.
Ustawa odległościowa (tzw. ustawa 10H)
W Polsce w 2016 roku wprowadzono przepisy „Ustawy odległościowej” (Dz. U. z 2016 r. poz. 961) powszechnie zwane zasadą 10H. Na jej mocy turbinę wiatrową można było od tej chwili postawić w odległości od zabudowań wynoszącej 10-krotność wysokości turbiny w najwyższym miejscu. A więc razem z łopatami. W praktyce były to więc odległości minimum kilometra od zabudowań. Co jeszcze istotne, odległość ta nie dotyczyła tylko zabudowy mieszkalnej, ale także obszarów szczególnie cennych przyrodniczo. Do takich możemy zaliczyć chociażby: parki narodowe, parki krajobrazowe, rezerwaty przyrody, obszary Natura 2000. Efekt był taki, że na ponad 99,7% terenu kraju stawianie farm wiatrowych stało się niemożliwe.
Co oczywiste przepisy te zastopowały inwestycję w tę gałąź zielonej energetyki. Nic więc dziwnego, że od początku budziły spory sprzeciw środowisk zajmujących się energetyką wiatrową. Od momentu wprowadzenia ustawy wysokościowej pojawiały się głosy jej liberalizacji. I tak w połowie 2022 r. trafił do sejmu odpowiedni projekt zmniejszający odległość wiatraków od zabudowań (i innych elementów krajobrazu wymienionych wyżej) z 10-krotności wysokości do 500 m. Jednak wśród większości sejmowej nie było woli zmian i trafił on do zamrażarki. Ze względu jednak m.in. na naciski ze strony władz unijnych, zaczęto zajmować się tym tematem i 23 kwietnia 2023 r. weszła w życie Ustawa wiatrakowa. Niestety postulowane 500 m zmieniono na 700 m. Zdaniem ekspertów odległość ta jest niewystarczająca, żeby myśleć o budowie elektrowni wiatrowych na masową skalę.
Zobaczymy, jakie zmiany przyniesie przyszłość, bo jak wiadomo, energetyka wiatrowa jest gałęzią bardzo rozwojową i złagodzenie polskich przepisów będzie konieczne, jeśli chcemy myśleć o transformacji energetycznej naszego kraju.
Zalety i wady lądowych farm wiatrowych
Poniższa tabelka przedstawia zbiorcze zestawienie zalet i wad wiatrowych elektrowni lądowych:
Morskie farmy wiatrowe (ang. offshore – morski, przybrzeżny)
Tutaj raczej też bez większych zaskoczeń – są to farmy budowane na morzu lub oceanie. Historia elektrowni morskich nie jest wcale tak odległa, ponieważ pierwszą tego typu konstrukcję wybudowali Duńczycy w 1991 r. Stała się ona poletkiem doświadczalnym dla nowych farm. Budowniczowie i projektanci opracowując turbiny offshore, bazują zarówno na doświadczeniu płynącemu z lądowych farm oraz przemysłu wydobywczego (platformy wiertnicze na morzach).
Z uwagi na silniejsze wiatry wiejące na obszarach wodnych, a także na większą stałość i przewidywalność tych wiatrów, morskie elektrownie wiatrowe wytwarzają więcej energii elektrycznej niż ich lądowe koleżanki. Ponadto możliwe jest budowanie większych turbin, ponieważ nie są one poddawane takim „kontrowersjom” jak te lądowe – nie „szpecą” krajobrazu, nie oddziałują negatywnie na człowieka, ich ewentualny hałas nikomu nie przeszkadza. Co tak naprawdę oznacza termin: farmy morskie? Są to wszystkie elektrownie posadowione w przybrzeżnym pasie wody. Mogą to być więc zarówno wybrzeża, jak i jeziora, fiordy oraz obszary wodne o określonej głębokości (o tym poniżej).
Fundamenty farmy wiatrowej typu offshore
Budowa morskich farm wiatrowych jest trudniejsza ze względów logistycznych. Oczywiście wszystko zależy od miejsca docelowego posadowienia. I tak komponenty zostają wstępnie złożone na lądzie i przetransportowane specjalnymi statkami. Tak samo jak platformy wiertnicze, turbiny są przytwierdzone do dna morskiego za pomocą specjalnych fundamentów:
Fundamenty muszą być na tyle wytrzymałe i na tyle solidnie zakotwiczone w dnie, żeby utrzymać całą konstrukcję w niezmiennej pozycji, niezależnie od siły wiatru. W związku z tym niemożliwe jest z powodów konstrukcyjnych i/lub ekonomicznych, stawianie turbin w miejscach, gdzie głębokość wody przekracza maksymalnie 80 m. W takich miejscach można za to zainstalować pływające turbiny wiatrowe (o których nieco szerzej napiszę w dalszej części artykułu).
Przesył energii elektrycznej na ląd
A jak wygląda dostarczanie wyprodukowanej energii na ląd? Otóż pojedyncze turbiny w elektrowni połączone są ze sobą oraz z morską stacją transformatorową na pomocą kabli (poprowadzonych dla bezpieczeństwa blisko dna morskiego). W stacji transformatorowej następuje podniesienie napięcia energii elektrycznej do poziomu minimalizującego straty przesyłowe. Teraz znowu za pomocą kabli morskich ta energia jest przesyłana do lądowej stacji transformatorowej. Nie jest to jakaś przypadkowa stacja transformatorowa, tylko dostosowana do konkretnego projektu. Kolejnym etapem jest stacja trafo stanowiąca element sieci dystrybucyjnej krajowego systemu energetycznego. Tą siecią elektroenergetyczną prąd jest przesyłany, a następnie dystrybuowany do odbiorców końcowych.
Zalety i wady morskich farm wiatrowych
Poniższa tabelka przedstawia zbiorcze zestawienie zalet i wad wiatrowych elektrowni morskich:
Pływające turbiny wiatrowe
Kilka chwil wcześniej wspomniałam o dość świeżym rozwiązaniu, jakim są pływające turbiny wiatrowe. Tak naprawdę ciągle trwają prace i badania mające ulepszyć te urządzenia. Od 2007 r. zaczęto instalację prototypowych pojedynczych turbin, a od 2021 r. działa już na świecie kilka farm wiatrowych, wykorzystujących na razie małą liczbę turbin. Czym tak naprawdę są te urządzenia i gdzie je można wykorzystać? Zastosowanie znajdują wszędzie tam, gdzie niemożliwe byłoby posadowienie typowych turbin na fundamencie, czyli w miejscach o głębokości przekraczającej 80 m. Dodatkowo turbina taka mogłaby być konstruowana w całości na lądzie (w dokach portowych) lub strefie przybrzeżnej, a następnie holowana na docelowe miejsce. Im głębiej w morze, tym docelowa produkcja energii elektrycznej byłaby większa, a oddziaływanie na ludzi mniejsze (np. na szlaki handlowe, rybołówstwo).
Budowa pływającej turbiny wiatrowej
Jak zbudowana jest pływająca turbina wiatrowa? Mimo dość mylącej nazwy nie jest prawdą, że taka turbina pływa sobie na wolności w dowolną stronę na morzu. Byłoby to niemożliwe zarówno z powodów bezpieczeństwa, jak i celu, któremu służy jej budowa – czyli produkcji energii elektrycznej. Dlatego też jest ona „uwiązana” do konkretnej lokalizacji za pomocą systemu kotwiącego. Wyróżniamy trzy systemy kotwiące:
- system cumowniczy napinający (ang. Tension leg mooring systems) – uwięzi znajdują się pod napięciem i silniej utrzymują pozycję turbiny,
- luźne systemy cumownicze (ang. Catenary loose mooring systems) – liny łączące konstrukcję z balastem nie są tak naprężone,
- sieć trakcyjna z balastem (ang. Ballasted catenary configuration) – każda lina kotwicząca wyposażona jest dodatkowo w wielotonowe obciążenie, co zwiększa sztywność pływającej nad wodą konstrukcji.
Oczywiście turbina wiatrowa nie utrzymałaby pionu mając jedynie jeden punkt styczny z wodą – w postaci wieży. Dlatego też osadza się ją na specjalnej (zwykle trójkątnej) platformie stanowiącej dodatkowy balast:
Podział farm wiatrowych na terenie Europy
Na stronie internetowej WindEurope możesz się dokładnie zapoznać z wieloma statystykami i danymi dotyczącymi energetyki wiatrowej w Europie. Chciałabym podzielić się z Tobą tylko jednym wykresem z tej strony. Jest to zestawienie aktualne na dzień 23.07.2023 r. i prezentujące podział całkowitej energii wytwarzanej z wiatru dla 20 krajów Europy, z podziałem na część wytwarzaną z farm morskich i lądowych. Jak widać, moc zainstalowanych farm lądowych zostawia mocno w tyle te morskie, choć może w przyszłości ulegnie rotacja miejsc.
Koszt budowy farmy wiatrowej
Żeby odpowiedzieć na pytanie: Ile trzeba wydać na farmę wiatrową?, muszę wprowadzić najpierw pewien ekonomiczny termin. Chodzi o CAPEX (ang. Capital Expenditure – wydatki kapitałowe). To nic innego, jak inwestycje w środki trwałe lub kapitał, dokonywane przez dane przedsiębiorstwo w celu nabycia lub ulepszenia swoich aktywów. W energetyce wiatrowej CAPEX-em określa się koszt, jaki trzeba ponieść, żeby uzyskać konkretną ilość energii elektrycznej zwykle wyrażoną w megawatach (MW). Europejskie Stowarzyszenie Wiatrowe podało, że w 2021 r. CAPEX dla farm lądowych wyniósł 1,3 mln euro/MW. Wartość ta jest średnią dla Europy. Najniższe koszty budowy są w Hiszpanii i Finlandii (1,1 mln euro/MW), a największe w Niemczech i Francji (1,5 mln euro/MW). Przy wyliczaniu tych kosztów należy brać pod uwagę każdy etap budowy farmy. Od projektowania, przez uzyskiwanie pozwoleń na budowie kończąc. Stąd wynikają te rozbieżności dla różnych krajów.
A jak wyglądają koszty budowy farm morskich? Tu wartości są znacznie wyższe i w 2021 r. wyniosły 3,5 mln euro/MW. Powodowane jest to między innymi wyższymi kosztami projektowymi (szczególnie dla kilku francuskich projektów, które dodatkowo zaliczyły mocne opóźnienia). Dodatkowo dochodzi jeszcze budowa farm w większej odległości od lądu.
Co z kolei wpływa na obniżanie wartości CAPEX? Przede wszystkim budowa coraz większych turbin oraz coraz większych farm. W tym przypadku mamy do czynienia ze skalowalnością inwestycji.
Na pewno CAPEX jest obecnie na niższym poziomie, niż był jeszcze kilka, kilkanaście lat temu. Można założyć, że przez pewien czas będzie jeszcze nieznacznie spadał. Jednakże w którymś momencie dotrze do ściany, której nie uda mu się przebić, prawdopodobnie z powodów technologicznych.
„Naj” farmy wiatrowe na świecie
Nic tak dobrze nie „działa” na człowieka jak ciekawostki. Dość łatwo je zapamiętać, a energia potrzebna do ich przeczytanie jest znacznie mniejsza, niż ta potrzebna do zgłębienia danego tematu. Dlatego dzisiaj w ramach takich oto chwil relaksu, podzielę się z Tobą informacjami na temat największych farm wiatrowych na świecie.
Lądowe farmy wiatrowe
– 1. miejsce – Gansu Wind Turbine (Chiny) – aktualnie w fazie rozbudowy. Docelowa moc to 20 GW i 7000 turbin. Znajduje się na pustyni Gobi. Krytykowana przez ekspertów m.in. przez to, że ponoć 40% produkowanego prądu idzie przysłowiowo w piach,
– 2. miejsce – Markbygden (Szwecja) – w fazie rozbudowy. Ma zostać ukończona w 2025 r. i osiągnąć moc 4 GW przy około 1100 turbinach,
– 3. miejsce – Alta Wind Energy Center AWEC (USA, Kalifornia) – największa farma lądowa w Stanach Zjednoczonych. Jej moc wynosi ponad 1,5 GW i składa się z 600 turbin,
Morskie farmy wiatrowe
– 1. miejsce – Hornsea Project Two (Wielka Brytania) – zlokalizowana na Morzu Północnym w odległości 120 km od wybrzeża. Jej moc to obecnie prawie 1,4 GW, 165 turbin,
– 2. miejsce – Hornsea Project One (Wielka Brytania) – moc ponad 1,2 GW, 174 turbiny,
– 3. miejsce – Moray East (Wielka Brytania) – położona u wybrzeży Szkocji. Jej moc: 950 MW i 100 turbin.
Podsumowanie
W tym miejscu chciałabym zakończyć ten jakże interesujący temat. Z pewnością w przyszłości farmy wiatrowe będą dalej rozwijane, będą zwiększały swoje rozmiary i odległości od lądu. Zapewne zmienią się czołowi gracze w kategorii „naj”. Ale to temat na zupełnie nowy artykuł.