6. Energia wiatrowa

Energia wiatru była wykorzystywana od starożytności. Już w XVIII w. p.n.e. wiatraki były używane do mielenia zbóż i nawadniania pól. Dopiero w XIX w. n.e. rozpoczął się szybki rozwój turbin wiatrowych. Pierwszą turbinę skonstruował Charles Francis Brush. Miała ona moc 12 kW (12 000 watów), średnicę 17 metrów i 144 łopaty. W kolejnych latach turbiny były udoskonalane. Obecnie największa turbina wiatrowa ma maszt o wysokości 138 metrów, średnicę wirnika 126 metrów, a jej maksymalna moc wynosi 6 MW (6 000 000 watów).

Energia wiatru jest pochodną energii promieniowania słonecznego. Wiatr to poziomy lub prawie poziomy ruch powietrza w stosunku do ziemi. Może być spowodowany różnicami ciśnień lub ukształtowaniem terenu. Prędkość wiatru rośnie wraz z wysokością. Na niższych wysokościach prędkość wiatru jest mniejsza ze względu na przeszkody takie jak drzewa i budynki, które go spowalniają. Dlatego generatory są umieszczone na wysokich masztach w gondolach.

Wiatr charakteryzuje się stochastycznością (przypadkowością) i niesterowalnością, co w konsekwencji prowadzi do dużej niestabilności tego źródła energii.

Dostępność energii wiatrowej szacuje się na podstawie :

• uporządkowanego wykresu prędkości – tj. zależności prędkości wiatru od czasu jej występowania;
• średniej i maksymalnej prędkości wiatru i ich udziału w skali roku;
• średniej i maksymalnej długości trwania ciszy;
• udziału w skali roku małych prędkości wiatru (v < 3 m/s).

Elektrownie wiatrowe służą do wytwarzania prądu elektrycznego. Wiejący wiatr napędza łopaty, które są połączone z wirnikiem i nadają mu ruch obrotowy. Wirnik jest połączony z przekładnią i generatorem, który obracając się wytwarza energię elektryczną.

Schemat turbiny wiatrowej

1. Fundament   2. Wyjście do sieci elektroenergetycznej   3. Wieża/ Maszt   4. Drabinka wejściowa 5. Serwomechanizm kierunkowania elektrowni   6. Gondola    7. Generator   8. Anemometr    9. Hamulec postojowy    10. Skrzynia przekładniowa   11. Łopata wirnika   12. Siłownik mechanizmu przestawiania łopat   13. Piasta

6.1 Zasada działania turbin wiatrowych

Wyróżnia się następujące podstawowe rozwiązania technologiczne ze względu na budowę siłowni, a w szczególności ze względu na:

Położenie osi wirnika:

• z pionową osią obrotu;
• z poziomą osią obrotu.

Liczbę płatów wirnika:

• jednopłatowe – spotykane rzadko ze względu na specyficzną konstrukcję wymagającą przeciwwagi do śmigła.

Dwupłatowe – rozwiązanie to pozwala zredukować koszty przedsięwzięcia oraz zmniejszyć masę wirnika. Do uzyskania mocy wyjściowej porównywalnej z wirnikiem trójpłatowym wymagane są jednak większe prędkości obrotowe, zdecydowało to o mniejszej popularności tego rozwiązania.

Trójpłatowe – to najbardziej rozpowszechnione konstrukcje elektrowni wiatrowych na świecie. Użycie trzech łopat, rozłożonych równomiernie co 120º, zapewnia stały moment bezwładności wirnika. Ze względu na stosunkowo niską prędkość, przy dość dobrym współczynniku wykorzystania energii wiatru, elektrownie te nie emitują zbyt dużego hałasu.

• Turbiny wielopłatowe – typ wiatraków, które rozpowszechniły się w USA. Jednak badania aerodynamiczne wykazały, że systemy z wieloma łopatami nie są najbardziej efektywne w elektrowniach wiatrowych.

Usytuowanie wirnika względem kierunku wiatru i masztu w turbinach z osią poziomą:

• Up-wind – nawietrzne, najczęściej spotykane rozwiązanie, wymagające sztywnych łopat, systemu nakierowywania na wiatr. Charakteryzuje się tym, że wirnik jest umieszczony przed masztem.
• Down-wind – zawietrzne, rozwiązanie rzadziej stosowane, można tutaj stosować wirnik podatny na podmuch wiatru. Charakteryzują się tym, ze wirnik jest umieszczony za masztem. Wariant ten jest mało popularny że względu na straty spowodowane zacienianiem wirnika przez maszt.

6.2 Rodzaje elektrowni wiatrowych

6.2.1 Typy elektrowni wiatrowych

• Autonomiczne – pracujące na własną sieć wydzieloną – okresy ciszy wyznaczają rozmiary akumulatorów;
• Podłączone do sieci – nastawione na wykorzystanie wiatrów słabych, średnich i silnych.
• Elektrownie o mikroskali i małej skali
  • piko – od kilku do 100 W
  • mikro – do 40 kW
  • mała – do 100 kW, instalacje służące do zasilania energią elektryczną pojedynczych budynków jednorodzinnych,  gospodarczych, małych budynków użyteczności publicznej
  • mogą działać w układach autonomicznych, jak i podłączonych do sieci.
• Elektrownie wiatrowe średniej mocy – ponad 100 kW
  • instalacje służące do zasilania energią elektryczną pojedynczych budynków, gospodarstw, małych osiedli
  • mogą działać na sieć wydzieloną wytwórcy i oddawać/ sprzedawać wyprodukowaną energię elektryczną do sieci
• Elektrownie wiatrowe dużej mocy – parki wiatrowe moc w MW podłączone do sieci elektroenergetycznej wytwarzana energia elektryczna jest oddawana/sprzedawana do sieci. Elektrownia, w tym największej skali tzw. park wiatrowy, muszą spełniać wymagania lokalnego operatora sieci;
• Elektrownie na morzu (off shore) połączone z siecią na lądzie.

6.2.2 Typy elektrowni wodnych

Elektrownia zbiornikowa (regulacyjna)

• Wykorzystuje się energię potencjalną wody – energię spadających mas wody z danej wysokości.
• Aby zwiększyć potencjał energetyczny wody buduje się wysokie zapory, które umożliwiają spiętrzenie wody w postaci sztucznego zbiornika.

Elektrownie Szczytowo-pompowe

• Pełnią funkcję magazynów energii
• Służą zapewnieniu spójności pomiędzy czasem i wielkością generowanej energii z zapotrzebowaniem na tę energię.
• Przy niewielkim zapotrzebowaniu na energię elektryczną, istniejący nadmiar energii jest wykorzystywany do pompowania wody do zbiornika znajdującego się na określonej wysokości.
• Podczas dużego zapotrzebowania na energię elektryczną energia potencjalna spadającej wody jest przetwarzana „z powrotem” na energię elektryczną.
• Elektrownie szczytowo-pompowe to akumulatory energii potencjalnej. Możliwe jest ich efektywne kojarzenie z elektrowniami wiatrowymi i elektrowniami słonecznymi.

Elektrownie przepływowe

• Energia jest pozyskiwana dzięki wykorzystaniu energii kinetycznej płynącej wody. Woda może swobodnie przepływać przez elektrownię przy braku zapotrzebowania . Elektrownie przepływowe działają najefektywniej, przy naturalnym spadku wody.

Elektrownie pływowe

• Elektrownie pływowe wykorzystują energię potencjalną wody morskiej spiętrzonej w czasie pływów morskich.

Małe elektrownie wodne

• Małe elektrownie wodne – MEW – moce poniżej 5 MW w Polsce, w Skandynawii i Szwajcarii do 2 MW, w innych krajach Europy do 10 MW, w USA 15 MW.

6.3 Potencjał teoretyczny i techniczny energii wodnej

6.3.1 Potencjał teoretyczny

• Na możliwość wykorzystania energii wód śródlądowych wpływają:
  • Opady deszczu i ich rozłożenie w czasie;
  • Przepuszczalność gruntu;
  • Ukształtowanie terenu, przede wszystkim jego spadek.
• Małe elektrownie wodne (MEW) obiekty piętrzące na małych ciekach wodnych o mocach zainstalowanych rzędu 100 kW są korzystne z punktu widzenia wytwarzania energii elektrycznej dla potrzeb własnych wytwórcy i sprzedaży do sieci.
• Obiekty piętrzące małych elektrowni wodnych z reguły nie stanowią zagrożenia mogą wpływać korzystnie na gospodarkę wodną i środowisko.
• Możliwość wykorzystania wód śródlądowych jako źródła energii wyznacza się poprzez wyznaczenie katastru sił wodnych, który określa teoretyczną roczną energię średniego rocznego przepływu rzek.

6.3.2 Potencjał techniczny

• W praktyce hydroenergetyczne zasoby wodne Polski są niewielkie ze względu na:
  • niekorzystnie rozłożone opady,
  • dużą przepuszczalność gruntu
  • niewielkie spadki terenów.
• Kataster sił wodnych wynosi około 23,6 TWh.
  • Jednakże rzeczywisty możliwy do wykorzystania potencjał techniczny stanowi tylko około 58% tej wartości, tj. 13.7 TWh rocznie, z czego tylko 1,6 TWh przypada na małą energetykę wodną – MEW.
• Potencjał rzek polskich jest obecnie wykorzystywany jedynie w około 13%, z czego 90% stanowi duża energetyka wodna.
• Duże hydroelektrownie przepływowe wytwarzają około 1,75 TWh/a.
• Całkowita moc zainstalowana w elektrowniach wodnych wynosi ponad 2000 MW,  przy czym 70% stanowią elektrownie szczytowo pompowe.

6.4 Potencjał teoretyczny i techniczny energii wodnej w Polsce

Polski potencjał wodny jest na bardzo wysokim poziomie. Wśród rzek największe znaczenie ma Wisła – przypada na nią 45,3% zasobów hydroenergetycznych Polski. Kolejne to dorzecza Wisły i Odry – stanowią 43,6%, Odra to 9,8% i rzeki Przymorza stanowiące 1,8%. Obecnie Polska wykorzystuje swoje zasoby jedynie w 12%, a 7,3% energii dostarczanej do sieci energetycznej produkowanej jest z energii wody.

W Polsce istnieje ponad 400 elektrowni wodnych, kilkanaście to duże zawodowe elektrownie powyżej 5 MW, pozostałe należą do MEW (małe elektrownie wodne) Dla porównania w Norwegii, aż 98% energii elektrycznej w krajowym systemie produkowane jest w elektrowniach wodnych. Szacowany potencjał techniczny hydroenergetyki w Polsce to 12 TWh/rok.

6.5 Wady i zalety energetyki wodnej

Zalety energetyki wodnej

• Nie zanieczyszczają środowiska naturalnego spalinami i płynami, które powstają w procesie spalania nieodnawialnych źródeł energii, takich jak paliwa kopalne.
• Mogą stanowić zabezpieczenie przeciwpowodziowe dzięki możliwości gromadzenia wody w odpowiednich zbiornikach retencyjnych.
• Mają większą sprawność niż elektrownie konwencjonalne, dzięki czemu efektywniej wytwarzają energię elektryczną.
• Nie zużywają nieodnawialnych źródeł energii, które dzięki temu mogą być dłużej wykorzystywane.
• Wytwarzanie w nich energii elektrycznej jest kilkukrotnie tańsze niż w przypadku tradycyjnych elektrowni.
• Mogą być wykorzystane do celów rekreacyjnych oraz sportów wodnych, co przyczynia się do wzrostu turystyki w rejonach elektrowni.

Wady energetyki wodnej

• Ingerowanie w środowisko naturalne, co wiąże się głównie z utrudnieniem wędrówki rybom zmierzającym na tarło oraz z likwidacją miejsc lęgowych ptaków, co przyczynia się do zmniejszenia ich liczebności.
• Nakłady na ich inwestycje mogą być 2–3 razy wyższe niż w przypadku tradycyjnych elektrowni.
• Przyczynianie się do zmian struktury hydrologicznej (np. Tama Trzech Przełomów w Chinach, która spowolniła ruch obrotowy Ziemi poprzez zatrzymanie dużych mas wody).
• Powodowanie zamulenia zbiorników wodnych, a tym samym zmniejszenie ich przepustowości, co w okresach obfitych opadów czy roztopów może doprowadzić do wystąpienia podtopień lub powodzi.
• Niebezpieczeństwo zakłóceń sejsmicznych.
• Zmiana poziomu wody przyczynia się do występowania zjawisk osuwiskowych i abrazji brzegów.
• Wytwarzanie w procesie produkcji energii elektrycznej hałasu, który jest uciążliwy dla mieszkańców terenów w okolicy elektrowni.
• Konieczność przesiedlania ludności w przypadku budowy elektrowni na terenach wcześniej zaludnionych – może to przyczyniać się również do społecznych protestów.
• Możliwość emisji szkodliwego metanu pochodzącego ze zbiorników zaporowych zlokalizowanych przy elektrowniach.