Kierunki rozwoju nowoczesnych farm wiatrowych

Optymalizacja w planowaniu farm wiatrowych, projekto­wanie nowych turbin, maga­zynowanie energii, lokalne sieci elek­troenergetyczne, system aukcyjny, świadczenie usług systemowych, udział w rynku OZE polskich firm, morska energetyka wiatrowa to głów­ne kierunki rozwoju farm wiatrowych w Polsce. Każdy z nich dotyczy innej dziedziny. Wspólny kierunek rozwoju odnawialnych źródeł energii jest wypadkową prac architektów, planistów, inżynierów, ekonomistów, prawników poruszających się w aktualnej i plano­wanej przestrzeni prawnej.

Planowanie przestrzenne jest za­daniem gmin. To właśnie na poziomie lokalnych samorządów zostają przy­gotowywane miejscowe plany zago­spodarowania przestrzennego (rys. 1), które dopuszczają lokalizację farm wiatrowych na konkretnych terenach.

Rys. 1 Mapa miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego uwzględniająca lokaliza­cję turbin wiatrowych z infrastrukturą, drogami dojazdowymi, placami montażowymi oraz strefą ochronną oddziaływania hałasu (źródło: archiwum WSB Parki Wiatrowe)

Badania środowiskowe, analizy hałasu – które wyznaczają strefy ochronne da­jące możliwość rozmieszczenia turbin wiatrowych w bezpiecznej odległości od budynków mieszkalnych – są uwzględ­niane na etapie planowania inwestycji. Warto wspomnieć, że wymagania do­tyczące hałasu turbin wiatrowych są ostrzejsze od norm dopuszczających poziom dźwięków spowodowanych przez lotniska i autostrady. Nowocze­sne farmy wiatrowe będą z pewnością z dużym zapasem spełniać kryteria środowiskowe, tak aby można było spróbować, choć w małym stopniu, obalić niektóre mity krążące o ener­getyce wiatrowej. Przyszłość farm wiatrowych to projektowanie z szacun­kiem do sąsiadów, mieszkańców gmin, środowiska. Duży wpływ na planowanie przestrzenne, w tym dotyczące farm wiatrowych, będzie miała ustawa kra­jobrazowa. Ma ona za zadanie uporząd­kować przestrzeń, ujednolicić wymaga­nia wobec wszystkich urządzeń, które wpisują się w krajobraz w Polsce.

Projektanci konstrukcji turbin wia­trowych nie próżnują. Od 30 lat roz­woju nowoczesnej energetyki wia­trowej wygląd turbin wiatrowych zmienił się diametralnie. Tempo rozwoju wiatraków przedstawiają rysunki 2, 3, 4 i 5. Obecnie projektuje się najczęściej instalacje składające się z wiatraków o mocy 2–3 MW, z wieżami o wysokości od 80 do 150 m oraz średnicą wirnika od 90 do 130 m. Na rynku dostępne są już turbiny o mocach nawet 6 MW, takie planuje się na otwartym morzu. Zwiększenie wysokości wieży powoduje lepsze wykorzystanie warunków wietrzności. Prędkość wiatru rośnie bardzo szybko wraz ze zwiększaniem wysokości i dlatego warto projektować wysokie turbiny.

Przeszkodą są względy konstrukcyjne. Silne momenty zginające wymagają zastosowania dużych fundamentów, często posadowionych pośrednio za pomocą pali, oraz, co jest o wiele trudniejsze, zastosowania dużych średnic wież u podstawy. Nie tylko transport, ale również montaż większych konstrukcji jest bardzo utrudniony. Dziś to jest główne wyzwanie projektantów. Dla konstrukcji o wysokości do 100–120 m stosować można wieże stalowe, których dolny segment ma średnicę pozwalającą na przewożenie takich elementów. Dla konstrukcji wyższych najczęściej stosuje się wieże hybrydowe, w któ­rych dolne segmenty wykonywane są z prefabrykowanych elementów (łupin) betonowych, składanych na budowie w całość. Te po zmontowaniu całej wieży sprężane są linami od góry aż do fundamentu. Wyższe segmenty takiej wieży wykonuje się ze stali. Tu wygrywa szybkość montażu i lek­kość konstrukcji. Takie wieże mogą osiągać nawet 140-150 m. Wyższe konstrukcje wymagają zastosowania wież kratownicowych. Mają one dwie podstawowe wady: bardzo dużą po­wierzchnię zabudowy na poziomie te­renu oraz niezbyt atrakcyjny wygląd. Spotyka się też prefabrykowane wie­że stalowe montowane z elementów, których gabaryty nie powodują pro­blemów w transporcie, ale wykonanie takich wiatraków trwa na placu budowy o wiele dłużej. Jednak mimo tych trudności nic nie wskazuje na to, aby trend miał się zmienić. Będą z pewno­ścią pojawiały się pomysły pomagają­ce zwiększyć średnicę wirników i moc generatorów oraz wysokość wież, tak aby lepiej wykorzystać potencjał odnawialnego źródła energii, jakim jest wiatr. Inżynierowie i projektanci są gotowi na wyższe konstrukcje, jednak wykonanie bardzo dużych obiektów jest niezwykle kosztowne. Dlatego finansiści pilnują, czy stosunek ceny budowy wysokiej turbiny wiatrowej do spodziewanych korzyści wynikających z lepszych warunków jej pracy jest wciąż opłacalny.

Rys. 2 Rozwój turbin wiatrowych na przestrzeni ostatnich lat (archiwum firmy Vestas)

Magazynowanie energii to bezwzględ­ny kierunek rozwoju całej branży ener­gii odnawialnej. Problemem energii pozyskiwanej ze źródeł odnawialnych jest, niestety, zależność od warunków pogodowych. Dotyczy to większości instalacji OZE, to jest elektrowni wodnych, wiatrowych oraz ogniw fotowoltaicznych. O ile energia słoneczna jest pozyskiwana w okresach dużego zapotrzebowania na energię, to jest w szczycie dziennym, o tyle prąd z wia­tru często generowany jest w tzw. godzinach pozaszczytowych, w nocy, kiedy zapotrzebowanie na energię w sieci maleje. Spotyka się już rozwią­zania będące połączeniem tych dwóch źródeł energii w celu ustabilizowania sieci. Panele fotowoltaiczne uzupełniają dobową produkcję energii przez gene­rację w okresach słonecznej, często bezwietrznej pogody, a i w rocznym zestawieniu również produkują najwię­cej energii w najgorszych dla wiatra­ków miesiącach, tj. w czerwcu, lipcu i sierpniu. Natomiast taka wspólna in­stalacja w okresie zimowym bazuje na energii wyprodukowanej z wiatru. Nie zastąpi to jednak trendu w poszukiwa­niu możliwości magazynowania energii minimum w okresach dobowych. Roz­wiązanie takie polega na przetrzymaniu części energii wyprodukowanej w nocy, kiedy jest mniejsze zapotrzebowanie w sieci i tym samym cena chwilowa za dostarczoną do sieci 1 MWh jest niższa, i sprzedaniu jej w ciągu dnia, w szczycie zapotrzebowania, po wyż­szej cenie nominalnej. Znane są nam elektrownie szczytowo-pompowe (rys. 6), wykorzystujące zbiorniki wodne do magazynowania energii produkowanej w nocy, którą potem można odzyskać przez spuszczenie wody przez te same urządzenia ze zbiornika wodnego po­łożonego wyżej. Elektrownie szczytowo-pompowe w szczycie działają jako generatory energii elektrycznej, a poza szczytem – jako pompy zasilane ener­gią. Podobne rozwiązanie stosuje się w elektrowniach ciśnieniowych, gdzie magazynuje się energię przez pompo­wanie powietrza do naturalnych zbior­ników podziemnych (rys. 7). W wyniku odwróconego procesu w dzień odzy­skuje się energię. Takie rozwiązania wy­magają odpowiednich warunków geolo­gicznych. Niestety, nawet jeśli warunki ukształtowania terenu pozwoliłyby na taką instalację, to budowa olbrzymich zbiorników wodnych jest w dzisiejszych czasach prawie niemożliwa. Dlatego inżynierowie na całym świecie pracu­ją nad rozwiązaniami umożliwiającymi magazynowanie energii przez baterie nowego typu. Dziś przeszkodą są kosz­ty, ale patrząc na rozwój tej dziedziny w branży samochodowej i elektroniki użytkowej, wydaje się, że nie będziemy musieli długo czekać na nowatorskie pomysły.

Rys. 3 Rozwój turbin wiatrowych na przestrzeni ostatnich lat (materiały udostępnione przez firmę Siemens)

Ciekawą koncepcją jest zastosowanie koła zamachowego jako urządzenia ma­gazynującego energię w postaci energii kinetycznej. Taka możliwość akumulacji energii jest interesująca i wydaje się, że daje bardzo duże możliwości. Akumulowanie energii w nocy, kiedy jest tania, i sprzedawanie jej w dzień, kiedy jest droga, jest celem takich urządzeń. Koło zamachowe jest montowane na gruncie przy zastosowaniu fundamen­tu betonowego. Każde koło zamachowe wyposażone jest w układ chłodzą­cy oraz układ sterowania przepływem energii (przekształtnik plus komputer). Napięcie znamionowe takiego urzą­dzenia wynosi 600 VAC, dlatego przy zastosowaniu wraz z turbinami wiatro­wymi wymagany byłby montaż trans­formatora 0,6 kV/30 kV o odpowiednio dużej mocy. Żywotność takich urządzeń szacuje się na 20 lat. Maksymalna moc pobierana/oddawana to 360 kW przez 5 minut lub 70 kW przez 30 minut. Maksymalna wartość akumulowanej energii 35 kWh to jednak bardzo mało i żeby zakumulować 1 MWh ener­gii, trzeba zainstalować 29 takich kół zamachowych. Zakumulowanie energii 1 MWh np. w środku nocy (godz. 1.00), która w tym czasie kosztuje przykła­dowo 130 zł, i sprzedanie tej energii w środku dnia (o godz. 12.00) np. po 200 zł, daje dziennie zysk tylko 70 zł, a rocznie 25 500 zł. Niestety po tych uproszczonych obliczeniach widać, że obecnie jest to rozwiązanie ekonomicz­nie jeszcze niedoskonałe.

Rys. 4 Zestawienie mocy turbiny, średnicy wirników i dostępnych dla nich wysokości wież oferowanych przez producenta turbin wiatrowych (materiały udostępnione przez firmę Siemens)

Magazynowanie energii jest nieod­łączną częścią planowanych lokal­nych systemów elektroenergetycz­nych (LSE, tak zwany smart grid), których idea polega na zrównowa­żeniu jednostek wytwórczych z od­biorcami energii. Zastosowanie wielu różnych instalacji OZE przy wsparciu urządzeń magazynujących energie daje szansę pracy sieci autonomicz­nie bądź przy podłączeniu do tra­dycyjnego systemu elektroenerge­tycznego. W tym drugim przypadku z tą korzyścią, że wpływ na sieć ze­wnętrzną jest bardzo mały i stabilny. Niestabilność odnawialnych źródeł energii, takich jak elektrownie wia­trowe, panele fotowoltaiczne, może mieć duży wpływ na tradycyjną sieć, dlatego zminimalizowanie tego zjawi­ska jest priorytetem dla inżynierów projektujących rozwój systemów. Dobrze zaprojektowany LSE (smart grid) jest przyszłością energetyki.

Rys. 5 Przykład rozwoju modeli turbin wiatrowych na przestrzeni ostatnich lat (źródło: prezentacja o ewolucji produktów wiatrowych firmy GE)

Świadczenie usług systemowych

W oczach operatorów sieci dystry­bucyjnej farmy wiatrowe są często traktowane jako niestabilne źródła energii, które stwarzają w sieci same problemy. O ile moc takiej instalacji można bardzo łatwo i szybko regu­lować „w dół” (tylko do maksymal­nej wartości wynikającej z chwilowej prędkości wiatru), o tyle niestety przewidywanie i planowanie produkcji zależne jest od czynników zewnętrz­nych – siły wiatru. Kierunkiem roz­woju instalacji OZE jest stworzenie możliwości świadczenia, przez farmy wiatrowe, usług dodatkowych, na które istnieje techniczne zapotrzebo­wanie w sieci elektroenergetycznej. Są to takie usługi, jak regulacja mocy czynnej i biernej, operacyjna rezerwa mocy, udział w automatycznej regula­cji mocy i napięcia. Dziś sprawdzane są możliwości prawne dla takich dzia­łań i być może w niedalekiej przyszło­ści instalacje OZE będą mogły stać się alternatywą dla konwencjonalnych źródeł również w tych dziedzinach.

W Polsce długo wyczekiwana była usta­wa o odnawialnych źródłach energii i system aukcyjny. Rozwój farm wia­trowych zależy w dużym stopniu od po­pytu na rynku światowym na instalacje OZE. Ta jest wypadkową zapotrzebo­wania na energetykę niekonwencjonalną związaną z ochroną klimatu, akcepta­cji społecznej oraz regulacji prawnych. W Polsce tylko do końca 2015 r. instalacje nowo budowane będą mogły ko­rzystać z ustawowego wsparcia, jakim są świadectwa pochodzenia zielonej energii – zielone certyfikaty wydawa­ne za każdą wyprodukowaną 1 MWh. Od nowego roku firmy, które uzyska­ją komplet pozwoleń umożliwiających rozpoczęcie budowy farmy wiatrowej, będą uczestniczyły w aukcjach. Wy­twórca oferujący najniższą cenę za 1 MWh zobowiąże się do dostarczania energii do sieci, a w zamian otrzyma przez 15 lat gwarantowaną stałą cenę, za którą będzie sprzedawał energię elek­tryczną do sieci. System przetargowy, teoretycznie idealny, ma wybierać naj­tańsze, najlepiej przygotowane projekty. Spółka, która wygra przetarg, będzie miała 48 miesięcy na zrealizowanie in­westycji. Jedną z obaw wprowadzenia takiego systemu wsparcia jest problem zaniżonych cen oferowanych przez pod­mioty, które źle skalkulują koszty inwe­stycji bądź przeszacują na etapie analiz możliwości produkcyjne farmy. Wygrają aukcję, ale nigdy nie zrealizują inwesty­cji, po 48 miesiącach postawią siebie w stan upadłości, a Polskę, przez blo­kowanie możliwości realizacji projektów innym inwestorom, w trudnej sytuacji względem wymagań w 2020 r.

Rys. 6 Uproszczony schemat elektrowni szczytowo-pompowej (prezentacja „Energy Storage Systems” autor dr inż. K. Herlender i mgr K. Witkowska)

Rynek OZE w Polsce rozwija się sys­tematycznie od kilku lat. Zagranicz­ni producenci turbin coraz częściej wybierają polskich producentów nie tylko jako dostawców drobnych pod­zespołów turbin wiatrowych, ale rów­nież poważnych elementów konstruk­cyjnych. W Polsce jest już dużo firm zajmujących się produkcją wież stalo­wych oraz łopat wirników. Przy budo­wie dróg dojazdowych i fundamentów wiatraków w większości pracują już tylko lokalne firmy. Dostarczanie żura­wi samochodowych, transport turbin to zadania, które również coraz czę­ściej realizowane są przez lokalnych polskich podwykonawców.

Rys. 7 Schemat układu ciśnieniowego magazynu energii (prezentacja „Magazyny energii – niezbędny element Smart Power Grids” autor dr inż. Kazimierz Herlender)

Przygotowanie projektów budowla­nych, projektów wykonawczych, ra­portów środowiskowych, kompletnej dokumentacji potrzebnej do uzy­skania pozwolenia na budowę już od dawna realizowane jest tylko przez coraz lepiej przygotowanych naszych inżynierów. W urzędach gmin, które chcą rozwijać energetykę odnawial­ną na swoich terenach, pojawiają się wakaty dla osób koordynatorów odpo­wiedzialnych za rozwój tej dziedziny, a w każdym dużym mieście w Polsce na wyższych uczelniach technicznych pojawiły się kierunki studiów związa­nych z branżą OZE.

Rys. 8 Schemat układu lokalnego systemu elektroenergetycznego (prezentacja „Magazyny energii – niezbędny element Smart Power Grids”, autor dr inż. Kazimierz Herlender)

Jest jeszcze jeden kierunek, w któ­rym zmierza energetyka wiatrowa w Polsce i na świecie. Są to bez wątpienia morskie farmy wiatrowe. Ze względu na warunki wietrzności, a co za tym idzie sprawność takich instalacji nie mają sobie równych. Takie możliwości dużej produkcji energii motywują do działania inwe­storów, którzy muszą pokonać wiele trudności, m.in. czasochłonne przy­gotowanie inwestycji, utrudnienia związane z odległościami od sieci przesyłowych, posadowienie wia­traków. Z niecierpliwością czekamy na pierwszą taką budowę w polskiej części Bałtyku.

Jak szybko i w którym kierunku roz­winą się nowoczesne farmy wiatro­we, nie jest do końca przesądzone. Podobnie jak w motoryzacji na po­czątku XX wieku przed pojawieniem się w Stanach Zjednoczonych tań­szego, szybszego Forda T pojazdy elektryczne były bardziej popular­ne niż samochody spalinowe. Tam w ciągu kilku lat trend się odwrócił i bardzo szybko i na długo zapomnia­no o samochodach z napędem na baterie. Dziś zmiany w technolo­giach są niezwykle szybkie.

Należy pamiętać o tym, że rozwój turbin wiatrowych zależy od wielu czynników i choćby konstruktorzy byli gotowi na ogromne konstrukcje, to ekonomiści mogą szybko sprowa­dzić ich na ziemię.

mgr inż. Michał Ptaszyński

WSB Parki Wiatrowe