Małe turbiny wiatrowe. Co na to don Kichot?
Autor: Mariusz Filipowicz
(Nafta & Gaz Biznes – kwiecień 2004)
Małe turbiny (zwłaszcza o pionowej osi) mogą łatwo znaleźć swoją niszę. Wygląda na to, że
nadchodzą sprzyjające warunki dla rozwoju i zastosowania technologii małych, nie rzucających
się w oczy, cicho pracujących turbin wiatrowych.
Jedną z najbardziej dynamicznie rozwijających się gałęzi energetyki odnawialnych źródeł energii
jest energetyka wiatrowa. W chwili obecnej turbiny wiatrowe na całym świecie wytwarzają
elektryczność dla ok. 35 milionów ludzi, dając zatrudnienie 100 tys. osób.
Rozwój energetyki wiatrowej odbywa się dzięki instalowaniu coraz to większych zespołów
turbin wiatrowych (parków wiatrowych). Moc zainstalowana w parku wiatrowym może być
rzędu setek MW, a moc pojedynczej turbiny osiąga już wartość kilku MW. Wraz ze wzrostem
mocy rosną rozmiary turbin, są to już potężne konstrukcje o wysokości wieży dochodzącej do
100 m. I tutaj zaczynają się pojawiać pewne problemy:
•
w dużych turbinach produkcja energii silnie zależy od warunków wiatrowych, rozpoczyna
się przy prędkości wiatru ok. 5 m/s, a przy prędkości powyżej 20 m/s trzeba je wyłączyć ze
względów bezpieczeństwa,
•
duże turbiny potrzebują sporo niezabudowanego terenu,
•
pojawiają się głosy o „wizualnym zanieczyszczeniu środowiska”, czyli po prostu o psuciu
krajobrazu,
•
uciążliwy jest szum, wytwarzany przez końcówki łopat poruszające się z prędkością
nawet kilkuset kilometrów na godzinę,
•
obrońcy przyrody donoszą o zagrożeniu dla ptaków czy np. nietoperzy.
Potrzeba przezwyciężenia tych problemów, a zarazem chęć dalszego rozwoju energetyki
wiatrowej spowodowała wzrost zainteresowania stosowaniem małych (o mocy od 0,1 kW do 100
kW) turbin wiatrowych, często o konstrukcji z pionową osią, które nie stwarzają wyżej
wymienionych problemów. W przypadku konstrukcji o pionowej osi specjalna aerodynamika
pozwala na niestosowanie hamulców, a maksymalna prędkość obrotowa reguluje się sama.
Obecnie rynek na turbiny wiatrowe jest podzielony na dwa obszary:
•
duże turbiny rzędu MW,
•
małe zdecentralizowane jednostki.
Rynek na duże jednostki jest kontrolowany przez kilka dużych manufaktur. Napotykają jednak na
opory przy lokalizowaniu kolejnych parków wiatrowych, dlatego strategią staje się coraz większe
wykorzystywanie terenów przybrzeżnych („off-shore”) oraz instalowanie nowych jednostek w
krajach rozwijających się.
Rynek na małe turbiny rozwija się z powodów technicznych jak i logistycznych. Ciągle
pojawiają się nowe zastosowania zdecentralizowanych systemów opartych na małych turbinach
wiatrowych. Nie bez znaczenia jest zwiększanie przez poszczególne kraje udziału energii
odnawialnej. Zatem szereg mniejszych firm zaczęło opracowywać i wprowadzać na rynek swoje
produkty.
W przypadku odizolowanych stanowisk małe turbiny wiatrowe stanowią konkurencję do
generatorów Diesla czy paneli fotowoltaicznych. Ogólnie niższa wydajność energetyczna małych
turbin powoduje, że koszt zainstalowania jednostki mocy w przypadku małych turbin jest
wyższy. W Stanach koszt energii uzyskanej z małych elektrowni wiatrowych wynosi od 0,8-0,12
USD/kWh.
Łatwa instalacja
Mogą być stosowane wszędzie tam, gdzie wymagana jest produkcja niewielkich ilości energii
elektrycznej przy mniej korzystnych zasobach wiatrowych. Konstrukcja może być przenośna i
instalowana w trudno dostępnym terenie, konstrukcje mogą być stosowane np. na jachtach czy
łódkach i np. stosowane do podświetlania tablic informacyjnych nocą.
Zredukowane „zanieczyszczenie wizualne” i akustyczne
Małe turbiny wiatrowe, zwłaszcza te o pionowej osi nie stwarzają zanieczyszczenia wizualnego,
są łatwe do wkomponowania w otoczenie, a nawet możliwe jest uczynienie z nich elementów
dekoracyjnych. Obecnie pojawiają się projekty pięknych, cichych „elementów
architektonicznych” z wkomponowanymi turbinami wiatrowymi. Jako przykład może służyć
duże centrum handlowe w Finlandii, gdzie zainstalowano dwie turbiny „świderkowe” o
sumarycznej mocy 50 kW. Niestety, koszt takich elementów jest obecnie jeszcze wysoki.
Przykładowa turbina „świderkowa” o wysokości ok. 1,5 m (wraz z generatorem) zaczyna
pracować przy prędkości wiatru 2-3 m/s produkując przy tej prędkości moc ok. 2 W, a przy
prędkości 14 m/s 120 W. Wytrzymuje wiatr o prędkości 60 m/s.
Generowana moc jest zatem niewielka, jednak wystarczająca np. do ładowania baterii, zasilania
systemów pomiarowych czy sygnalizacyjnych.
Turbiny wiatrowe w miejscach o ekstremalnych warunkach wiatrowych
Bardzo dobrze spisują się w takich miejscach turbiny o osi pionowej, o mocy rzędu 10 kW. Mogą
one być instalowane w miejscach, gdzie wieją ekstremalnie silne wiatry lub występują silne
podmuchy wiatrów. Odporne są nawet na cyklony, burze piaskowe, czy sztormy i mogą
pracować w temperaturach od –50 do 50°C.
Firma „Ropatec AG” zainstalowała i przetestowała tego typu rozwiązanie we włoskich Alpach
(na wysokości 3150 m, gdzie zdarzają się wiatry o prędkości ponad 250 km/h). Innym
przykładem są dwie turbiny, każda o mocy 6 kW, zasilające górską restaurację na wysokości
2300 m.
Ogólnie według oszacowań firmy, turbina o mocy 3 kW dla wiatru o średniej rocznej prędkości 7
m/s może wyprodukować rocznie ok. 4000 kWh energii elektrycznej, co odpowiada
przeciętnemu zapotrzebowaniu gospodarstwa domowego (średnia europejska to ok. 3500
kWh/rok).
Turbiny wiatrowe w terenie zabudowanym
Pojawiają się projekty jak najściślejszego wykorzystania energii wiatrowej dla potrzeb
budynków. Istotne jest to, że budynki i turbina wzajemnie na siebie oddziałują, w pewnych
miejscach budynek może przyśpieszać ruch wiatru i być traktowany jako koncentrator prędkości
wiatru.
Koncepcja ta jest w fazie projektu, rozważane jest m.in. umieszczanie turbin wiatrowych w
takich położeniach, jak:
•
pomiędzy budynkami jako dyfuzorami, wykorzystuje się tutaj efekt koncentracji
prędkości wiatru przez budynki w najwęższym miejscu pomiędzy budynkami,
•
w kanale przechodzącym przez budynek, zwiększony przepływ powierza wywołuje
różnica ciśnień pomiędzy stroną wietrzną i zawietrzną,
•
na dachu budynku, symulacje komputerowe pokazują ok. 30% zwiększenie prędkości
wiatru kilka metrów nad dachem w porównaniu do przepływu bez obecności budynku.
Najbardziej realna i najszybsza do powszechnego użytku może być koncepcja umieszczania
turbin wiatrowych na dachu. W tym celu został opracowany specjalny typ konstrukcji „Turby”
wykorzystujący zarówno wiatry wiejące poziomo, jak i pod różnymi kątami (częsta sytuacja
zwłaszcza przy krawędziach dachu). Jedna turbina „Turby” waży ok. 90 kg, jest łatwa do
montażu. Wszystkie elementy kontrolne i regulacyjne są sprzęgnięte z generatorem. Została
opracowana przez TU Delft (Holandia). Parametry typowej turbiny to: średnica rotora 2 m,
wysokość wieży 5-7,5 m, moc 2,5 kW. Według obliczeń holenderskich, w związku z
koncentrującym działaniem budynków, 5 m ponad dachem budynku o wysokości 20 m panują
podobne warunki wiatrowe jak w terenie niezabudowanym na wysokości 10 m. W takim
przypadku turbina „Turby” o mocy 2,5 kW jest w stanie wytworzyć rocznie ok. 1800 kWh
energii elektrycznej (dla obszarów o średniej prędkości wiatru 4,3 m/s).
W przypadku turbin na dachu nie jest wymagana modyfikacja budynku. W przypadku kanału
budynek wymaga kilku adaptacji. Tego typu koncepcje wzbudzają zainteresowanie architektów
pojawia się bowiem możliwość tworzenia nowych rozwiązań projektowych.
Turbiny zainstalowane w terenie zabudowanym mogą być sprzęgnięte z siecią energetyczną i w
ten sposób wpisują się w koncepcję rozproszonej generacji energii elektrycznej, zyskującej coraz
więcej zwolenników chociażby ze względu na ataki terrorystyczne. W tym scenariuszu brak jest
wyraźnie zdefiniowanych celów do ataku: dużych jednostek produkujących energię czy długich
linii przesyłowych – na które uderzenie powodować będzie pozbawienie wielkiej liczby
odbiorców energii. Uważa się, że model z dużą centralną elektrownią i długimi liniami
przesyłowymi jest inherentnie nieefektywny.
Perspektywy rozwoju małych turbin wiatrowych
Małe turbiny (zwłaszcza o pionowej osi) mogą łatwo znaleźć swoją niszę. Wygląda na to, że
nadchodzą sprzyjające warunki dla rozwoju i zastosowania technologii małych, nie rzucających
się w oczy, cicho pracujących turbin wiatrowych.
W samych Stanach Zjednoczonych (według American Wind Energy Association) potencjał
instalacji tego typu jednostek wynosi dziesiątki GW. Różne opracowania pokazują, że nastąpił
wzrost wartości sprzedaży małych turbin w ostatnich pięciu latach o ok. 40% i do 2005 r.
sprzedaż osiągnie ponad 750 mln USD. Globalne zapotrzebowanie może wynosić do 3 mln
domowych systemów wiatrowych (uwzględniono gospodarstwa domowe które mogą sobie
pozwolić na tego typu systemy). Zgodnie z oszacowaniami Banku Światowego, te gospodarstwa
wydają obecnie ok. 35 mld USD na takie artykuły jak nafta, świece, baterie tylko w celu
zapewnienia sobie oświetlenia w nocy.
Małe turbiny wiatrowe łatwo mogą być sprzęgane w systemy energetyczne z fotowoltaiką,
generatorami diesla czy mikroturbinami gazowymi i tworzyć w ten sposób efektywne i pewne
systemy energetyczne. W tej chwili zaczynają efektywnie konkurować z generatorami Diesla, na
przykład przejmując część mocy. Przykładowo przeprowadzono ostatnio analizę ekonomiczną
rozwiązania energetycznego dla pewnej odosobnionej osady w Arktyce. Jeden wariant
obejmował instalację generatora Diesla o mocy 500 kW, a drugi instalację generatora Diesla o
mocy 200 kW i czterech turbin wiatrowych (przy średniej rocznej prędkości wiatru ok. 7,5 m/s).
Wariant drugi jest trzykrotnie droższy (378 tys. USD w porównaniu do 125 tys. USD w
pierwszym), ale z powodu oszczędności na paliwie (90 tys. USD/rocznie) zwraca się w czasie
krótszym niż trzy lata.
Już w tej chwili spore zainteresowanie pochodzi m.in. od operatorów GSM (turbiny wiatrowe są
bardziej efektywne niż fotowoltaika, zwłaszcza na dalekiej północy, gdzie jest mało światła; gdy
spadnie śnieg, to efektywność fotowoltaiki jest praktycznie zerowa). Firma „Ropatec AG”
wygrała przetarg na zasilanie siedmiu stacji telefonii komórkowej. Odbędzie się to za pomocą
systemu turbina wiatrowa 3 kW + panel fotowoltaiczny 1 kW.
Małe turbiny wiatrowe mogą mieć jeszcze jedno istotne zastosowanie: rozpoznawanie i
monitoring zasobów wiatrowych, ważne przy rozważaniu lokalizacji większych jednostek,
bowiem najpewniejszą i jedynie wiarygodną analizę ekonomiczną można sporządzić, mając dane
histogramy prędkości wiatru z kilku poprzedzających inwestycję lat.
Autor jest pracownikiem naukowym Wydziału Paliw i Energii, AGH w Krakowie.