MACIEJ DURACZYC
SKI*
Porównanie produkcji energii ze z
ródeł alternatywnych: wody i wiatru
SÅ‚owa kluczowe
energetyka wiatrowa  energetyka wodna  inwestycje
Streszczenie
Coraz większe zainteresowanie odnawialnymi z
ródłami energii (OZE) skłania inwestorów do analizy ich
efektywności. Najczęściej brane pod uwagę są energia wody i wiatru.
W referacie porównano ilość produkowanej energii w elektrowni wodnej i wiatrowej o porównywalnych
mocach.. Omówione zostały technologie wykorzystywane w energetyce alternatywnej oraz dokonano analizy
porównawczej danych z trzech elektrowni.
1. Wstęp
Wykorzystanie energii ze z
ródeł odnawialnych w Polsce stale rośnie i przewiduje się, że ta
tendencja zostanie zachowana. Zgodnie z założeniami polityki energetycznej, w 2017 roku udział
odnawialnych z
ródeł energii (OZE) w całkowitym bilansie wyniesie 12,9 %, a udział produkcji
energii pochodzącej z OZE najbliższych latach wzrośnie kilkukrotnie, w porównaniu ze stanem
obecnym. Ratyfikowane przez Polskę zobowiązania oraz przyjęte do realizacji programy istotnie
wpłyną również na rozwój wykorzystania energii wodnej i wiatru w sektorze energetycznym. Prze-
widywany popyt na energię wytwarzaną z OZE, w tym za pomocą potencjału wody, czy wiatru
będzie w najbliższych latach stale wzrastał. Osiągnięcie zakładanych pułapów w produkcji czystej
energii niekoniecznie zatrzyma tempo rozwoju sektora alternatywnej energii. Konwencjonalne
z
ródła energii zużywane są w ogromnych ilościach, a ich zasoby ograniczone. Popyt na energię
elektryczną w nowoczesnych gospodarkach stale się zwiększa, dlatego też alternatywne z
ródła
energii są jedyną szansą na zapewnienie Polsce i Europie bezpieczeństwa energetycznego. Jedną
z najpopularniejszych form pozyskiwania zielonej energii (oprócz biomasy) jest energia wiatrowa
i wodna. Wielu inwestorów zadaje sobie pytanie, która z dostępnych technologii pozyskiwania
czystej energii jest lepsza  energetyka wodna czy wiatrowa. Jednym z najważniejszych kryteriów
*
Wydział Energetyki i Paliw, Akademia Górniczo-Hutnicza, Kraków
e-mail: [e-mail]
315
Duraczyński M.: Porównanie produkcji energii ze z
ródeł alternatywnych: wody i wiatru
porównawczych jest ilość mocy jaką można uzyskać z poszczególnych z
ródeł a co za tym idzie
ilość wyprodukowanej energii.
W przypadku pozyskiwania energii z wiatru moc zależy głównie od prędkości wiatru, a także
od powierzchni zataczania skrzydeł. W przypadku energetyki wodnej moc, jaką można uzyskać,
przede wszystkim zależy od wielkości przepływu i spadu.
W artykule porównano efektywność produkcji energii w przykładowych elektrownich wodnych
i wiatrowych.
Do analizy wytypowano następujące jednostki:
- energetyka wiatrowa (3 lokalizacje: małopolskie, podkarpackie, świętokrzyskie)
- energetyka wodna (1 lokalizacja: podkarpackie)
MapÄ™, wraz z naniesionymi lokalizacjami, przedstawiono na rysunku 1.
Rysunek 1. Mapa lokalizacji poszczególnych urządzeń [z
ródło: opracowanie własne]
Figure 1. Map of locations for individual devices [source: own elaboration]
2. Wykorzystywane technologie
2.1. Mała elektrownia wodna (MEW)  podstawowe dane
Blok siłowni wodnej, o wymiarach ok. 21 x 20m, zaprojektowano jako konstrukcję żelbetową.
W budynku elektrowni zainstalowano trzy jednakowe turbiny Kaplana z wałem pionowym typ
2100 mm. Zastosowano generatory asynchroniczne o napięciu 0,4 kV, współpracujące z siecią
dystrybutora energii. Dodatkowo siłownia wodna wyposażona jest w następujące urządzenia:
- kraty wlotowe, o odpowiednim rozstawie prętów (ok. 75 mm), które powstrzymają ryby przed
dostaniem siÄ™ do turbin,
- bariery elektryczne od wody górnej i wody dolnej, których głównym zadaniem jest odstraszanie
ryb przed dostaniem siÄ™ do elektrowni.
Bariery od strony dolnej pełnią ponadto dodatkową funkcję, kierując ryby w kierunku przepław-
ki dla ryb, co dokonuje się dzięki wytwarzaniu stopniowych elektro-impulsów pola elektrycznego
niskiego napięcia, które oddziaływają na układ elektroreceptorowy organizmu.
- kładki robocze do obsługi krat i zamknięć.
316
Krakowska Konferencja MÅ‚odych Uczonych 2009
Elektrownia jest w pełni zautomatyzowana z zakresie:
- odstawienie turbozespołów w awaryjnych sytuacjach,
- automatyczne, ponowne załączanie się turbozespołów,
- dobór pracy turbozespołów, uzależniony od ilości wody będącej do dyspozycji w danej chwili,
co gwarantuje maksymalne wykorzystanie energii wody płynącej w rzece, a w związku z tym
wytworzenie maksymalnej ilości energii elektrycznej.
MEW zaklasyfikowana jest do IV klasy budowli hydrotechnicznych ze względu na spad wyno-
szÄ…cy H = 4,5 m (dla budowli IV klasy w granicach 2÷5 m), oraz moc elektrowni Pmax = 1,5 MW
tj. (poniżej 2,5 MW).
Tabela 1. Podstawowe dane MEW [z
ródło: opracowanie własne]
Table 1. Basic data of MEW [source: own elaboration]
Podstawowe parametry MEW
Przełyk instalowanych turbin Q = 57 m3/s
Spad elektrowni Hmaxbrutto = 4,5 m
Moc elektrowni N = 1 500 kW
Pomiędzy turbiną a generatorem, zainstalowane są przekładnie planetarne (3 szt.), transforma-
tor wewnętrzny alkaiczny 1600 kV, szafa sterownicza, szafa rozdzielcza, przekładnie kierownicze
(3szt.), sterowania do powłok piętrzących wodę, 3-przęsłowe powłoki piętrzące wodę do wysokości
ok. 37 m ponad próg betonowy. Wysokość piętrzenia wody: około 4,2 m: tj. rzędna 162,00 m n.p.m.
do rzędnej 166,20 m n.p.m, spad wody około 4 m, średnioroczny przepływ wody około 35 m3/s,
przełyk maksymalny turbiny około 19 m3/s.
2.2. Elektrownia wiatrowa (EW)  podstawowe dane
Tabela 2 Podstawowe dane EW [z
ródło: opracowanie własne na podstawie danych firmy Nordex]
Table 2 Basic data of wind power plant [source: own elaboration based on the Nordex company]
Dane konstrukcyjne Przekładnia
1 stopień planetarny,
Prędkość wiatru dla startu 3,5 m/s Typ
2 stopnie zębate czołowe
Znamionowa prędkość wiatru 12 m/s Układ elektryczny
Prędkość wiatru
25 m/s Moc znamionowa 1500 kW
dla zatrzymania
podwójnie zasilany
Wirnik Typ generatora
generator asynchroniczny,
modulacja szerokości
Średnica 77 m Typ przekształtnika
impulsów IGBT
Omywana powierzchnia Zakres prędkości
4654 m² 1000 do 1950 Ä…10 % min-1
wirnika obrotowych
Ilość łopat 3 Napięcie znamionowe 690 V
Nachylenie osi waÅ‚u wirnika 5° CzÄ™stotliwość 50 Hz
szkło-żywica epoksy-
Materiał Współczynnik migotania < 5
dowa lub szkło-poliester
Znamionowa prędkość Współczynnik zawartości
10,6  19,0 ą10 % min-1 około 1 %
obrotowa harmonicznych
Prędkość obwodowa koń-
69,6 m/s
cówek łopat przy 19 min-1
317
Duraczyński M.: Porównanie produkcji energii ze z
ródeł alternatywnych: wody i wiatru
3. Szacowana produkcja energii dla elektrowni wodnej
Energia, jaką możemy uzyskać dzięki wykorzystaniu energii wody określa wzór [5]:
E =· Å" Á Å" g Å" H Å"Vsr Å"t
gdzie:
·  sprawność, (85 %, typowa sprawność literaturowa turbiny Kaplana dla szerokiego zakresu przepÅ‚ywów)
Á  gÄ™stość wody (1000 kg/m3)
g  przyspieszenie ziemskie
H  spad, (przyjęto 4 m)
Vśr  średni przepływ, (przyjęto 20 m3/s na podstawie danych wieloletnich z IMGW, zobacz rys. 2)
t  czas pracy elektrowni w roku (przyjęto 8500 h ze względu na konieczność wyłączenia elektrowni
dla przepływów ekstremalnych oraz z powodu wykonania niezbędnych prac konserwacyjnych )
Rysunek 2. Rozkład Weibulla dla lokalizacji MEW
Figure 2. Weibull distribution for the location of MEW
Po podstawieniu otrzymujemy
E =· Å" Á Å" g Å" H Å"Vsr Å"t = 5670180000Å"Wh = 5760Å" MWh
4. Szacowana produkcja energii dla elektrowni wiatrowej  1
W analizie posłużono się danymi pomiarowymi zebranymi przy użyciu dedykowanych masztów
pomiarowych. Poniżej przedstawione jest zbiorcze opracowanie zebranych w ciągu roku danych,
tj róża wiatrów i rozkład Weilbulla.
Rysunek 3. Róża wiatru oraz rozkład Weibulla dla lokalizacji  1 [z
ródło: opracowanie własne]
Figure 3. Wind rose and the Weibull distribution for the location  1 [source: own elaboration]
318
Krakowska Konferencja MÅ‚odych Uczonych 2009
Tabela 3. Rozkład średniej prędkości wiatru (U), parametrów rozkładu Weibulla (A, k),energii (E), częstości
występowania (f) dla poszczególnych kierunków, z których wieje wiatr [z
ródło: opracowanie własne]
Table 3. Distribution of the average wind speed (U), Weibull distribution parameters (A, K), energy (E),
frequency (f) for the different directions from which the wind blows [source: own elaboration]
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 All
A 5,8 5,6 5,3 5,1 6,0 6,3 5,2 6,1 6,5 7,4 7,1 6,4 6,3
k 2,00 2,62 2,81 2,63 2,40 2,93 2,02 2,53 2,62 2,31 2,27 2,08 2,26
U 5,10 4,95 4,68 4,49 5,31 5,63 4,60 5,44 5,77 6,55 6,30 5,71 5,60
E 155 113 92 84 149 156 113 154 180 289 260 210 184
f 6,1 4,0 4,7 4,3 7,0 8,7 7,4 9,1 11,1 12,7 12,8 12,2 100
Wykorzystano następujące wyrażenie:
1
P = Å" Á Å" S Å"u3
2
gdzie:
Á  gÄ™stość powietrza, równÄ…
S  powierzchnia zataczana przez skrzydła wirnika
u  prędkość średnia
Dokładniejsza analiza oparta jest na parametrach rozkładu Weibulla i krzywej mocy turbiny.
Analizując dane można zauważyć, iż produkcja energii będzie się kształtowała na poziomie ok.
4000 MWh rocznie. Produkcja dla elektrowni wiatrowych  2 i  3 zostanie oszacowana w analo-
giczny sposób.
5. Produkcja dla elektrowni wiatrowej 2
Rysunek 4. Róża wiatru oraz rozkład Weibulla dla lokalizacji  2 [z
ródło: opracowanie własne]
Figure 4. Wind rose and the Weibull distribution for the location  2 [source: own elaboration]
Tabela 4. Rozkład średniej prędkości wiatru (U), parametrów rozkładu Weibulla (A, k),energii (E), częstości
występowania (f) dla poszczególnych kierunków, z których wieje wiatr [z
ródło: opracowanie własne]
Table 4. Distribution of the average wind speed (U), Weibull distribution parameters (A, K), energy (E),
frequency (f) for the different directions from which the wind blows [source: own elaboration]
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 All
A 6,1 5,6 5,9 5,7 5,6 4,3 4,5 7,0 7,4 7,6 7,1 6,8 6,3
k 2,41 2,08 1,63 2,44 2,90 1,86 2,16 1,91 2,35 2,05 2,04 2,43 1,93
U 5,41 4,98 5,25 5,04 5,02 3,84 4,02 6,23 6,56 6,77 6,25 6,05 5,60
E 158 140 214 126 111 72 71 296 286 354 281 218 213
f 4,5 3,2 4,5 9,5 13,1 5,8 5,3 12,3 13,8 11,4 8,6 8,1 100
319
Duraczyński M.: Porównanie produkcji energii ze z
ródeł alternatywnych: wody i wiatru
Analizując dane można zauważyć, że produkcja energii będzie kształtowała się na poziomie
ok. 3300 MWh rocznie.
6. Produkcja dla elektrowni wiatrowej  3
Rysunek 5. Róża wiatru oraz rozkład Weibulla dla lokalizacji  3 [z
ródło: opracowanie własne]
Figure 5. Wind rose and the Weibull distribution for the location 3 [source: own elaboration]
Tabela 5. Rozkład średniej prędkości wiatru (U), parametrów rozkładu Weibula (A, k),energii (E), częstości
występowania (f) dla poszczególnych kierunków, z których wieje wiatr [z
ródło: opracowanie własne]
Table 5. Distribution of the average wind speed (U), Weibula distribution parameters (A, K), energy (E),
frequency (f) for the different directions from which the wind blows [source: own elaboration]
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 All
A 4,1 3,4 2,2 4,1 4,7 5,2 5,4 4,4 4,6 5,4 4,6 4,2 4,6
k 1,67 1,16 0,82 1,87 1,79 2,02 2,55 1,83 1,47 2,58 1,94 1,68 1,76
U 3,70 3,25 2,47 3,61 4,21 4,63 4,76 3,87 4,19 4,82 4,10 3,76 4,08
E 73 91 99 59 98 115 103 75 126 106 83 76 92
f 2,0 0,5 0,6 13,9 35,5 7,7 3,4 9,1 10,4 3,5 4,8 8,6 100
Analizując dane można stwierdzić, iż produkcja energii będzie kształtować się na poziomie
ok. 2100 MWh rocznie.
W celu porównania warunków pracy elektrowni wodnej i wiatrowej dokonano dopasowania
przepływów za pomocą rozkładu Weibulla, wynik przedstawiono na rysunku 2. W analizowanym
przypadku można zauważyć, że przepływy wody niezbyt dobrze opisywane są rozkładem Weibulla.
W przypadku rzeki występuje bardzo małe prawdopodobieństwo pojawienia się niewielkich prze-
pływów (tzn. rzeka nie wysycha ani nie zmienia się w mały strumień). W analizowanym przypad-
ku nie obserwowano przepływu poniżej 4 m3/s. W przypadku wiatru dość często natomiast obser-
wuje się sytuacje, gdy prędkość jest niewielka, lub też praktycznie równa zeru. Odmienna sytuacja
występuje dla dużych przepływów  w przypadku rzeki względnie często występują przepływy
duże, w porównaniu do przewidywań rozkładu Weibulla Dla wiatru wysokie prędkości obserwuje
siÄ™ bardzo rzadko.
7. Obliczenie wskaz
nika redukcji emisji dwutlenku
Dzięki znajomości wielkości wyprodukowanej energii, możliwe jest oszacowanie wskaz
nika
redukcyjnego, czyli ilości unikniętej emisji CO2 do atmosfery. Obliczony wskaz
nik redukcyjny
dla poszczególnych elektrowni pokazano w tabeli 7.
320
Krakowska Konferencja MÅ‚odych Uczonych 2009
Tabela 6. Wskaz
nik redukcji emisji CO2 [z
ródło: opracowanie własne]
Table 7. The reduction of CO2 emission [source: own elaboration]
Ilość wyprodukowanej Wskaz
nik
Lp. Nazwa Moc [ MW]
energii [MWh] redukcyjny [t/rok]
1 Mała elektrownia wodna 1,5 5 760 5 549
2 Elektrownia wiatrowa 1 1,5 4 080 3 931
3 Elektrownia wiatrowa 2 1,5 3 300 3 179
4 Elektrownia wiatrowa 3 1,5 2 100 2 023
8. Podsumowanie
Powyższa analiza trzech jednostek OZE o tej samej mocy wykazała, że szacowana produkcja
energii elektrycznej będzie się różnić dość znacznie i jest najbardziej efektywna przy zastosowa-
niu technologii MEW (5760 MWh). Na uwagę zasługuje fakt, że te same turbiny wiatrowe umiesz-
czone w różnych lokalizacjach mogą wyprodukować różne ilości energii elektrycznej. Wynik ten
podkreśla znaczenie pomiarów prędkości wiatru przed wykonaniem inwestycji. Analogicznie,
dla inwestycji w energetykę wodną istotne są pomiary przepływu wody.
Wyprodukowana  czysta energia przekłada się na unikniętą emisję dwutlenku węgla  co zo-
stało podkreślone w niniejszym opracowaniu. Jednak ilość wyprodukowanej energii nie jest jedy-
nym kryterium, którym należy się kierować przy wyborze technologii.
Należy również zwrócić uwagę na:
- lokalizację (w przypadku wiatru jest znacznie więcej miejsc, które można wykorzystać pod
budowę przyszłej elektrowni),
- koszt inwestycji w przeliczeniu na 1 MW nowej mocy wytwórczej (koszt budowy elektrowni
wiatrowej jest mniejsze niż w przypadku budowy MEW o tej samej mocy),
- czynniki środowiskowe w danym miejscu (Często zdarza się iż nie ma możliwości uzyskania
pozwolenia wodno prawnego ze względu na coraz częstszą tendencję zmniejszenia się ilości
wody w ekosystemie. W przypadku energetyki wiatrowej  niemożność uzyskania decyzji
środowiskowej ze względu na znaczny hałas bądz
występowanie na danym terenie  unikalnych
gatunków roślin i zwierząt).
Należy również podkreślić, iż pomimo różnic w efektywności produkcji  zielonej energii po-
winniśmy promować każdą technologię, która przyczynia się do poprawy bilansu i bezpieczeństwa
energetycznego, dostarczania taniej lokalnej energii, rozwoju lokalnego rynku, nie zapominajÄ…c
o globalnym ograniczeniu zanieczyszczeń i redukcji ilości emitowanego dwutlenku węgla.
Literatura
[1] Duraczyński M.: Badanie oraz ocena zasobów energii wiatru w rejonie miasta Sandomierz, III Krakow-
ska Konferencja Młodych Uczonych, Kraków, ss. 215  223, 2008.
[2] Duraczyński M.: Perspektywy rozwoju i pozyskiwania energii wiatru na potrzeby energetyki na przy-
kładzie lokalizacji w województwie świętokrzyskim Konferencja Czysta Energia, Czyste Środowisko,
Kraków, ss. 65 75, 2008.
[3] Hoffman M.: Poradnik MEW (www.mew.pl)
[4] Laudyn D., Pawlik M., Strzelczyk F.: Elektrownie, WNT, Warszawa, 2000.
[5] Michałowski S., Plutecki J.: Energetyka wodna, WNT, Warszawa, 1975.
[6] NORDEX  informacje własne firmy.
[7] RozporzÄ…dzenia ministra gospodarki Dz.U.2008.156.969
321
Duraczyński M.: Porównanie produkcji energii ze z
ródeł alternatywnych: wody i wiatru
MACIEJ DURACZYC
SKI
Comparison of Energy Production from Alternative Sources: Water and Wind
Key words
wind energy  water energy  investments
Summary
The growing interest in investment in RES tends investors to make decisions which of the pure sources
are most efficient. Most are taking into account two sources water and wind energy.
This paper presents comparison of the amount of energy produced from wind and hydro power plants
of comparable capacity. Technology used in water and wind power generation and analysis of data has been
discussed.
322