Energia wiatrowa: Potencjalnie największe możliwości dla czystej energii

21 minute read

Zaktualizowano Wed Mar 03 2021

Obecnie wiatr zapewnia tylko 0,8% światowych dostaw energii. W tym rozdziale przyjrzymy się temu, co możemy zrobić, żeby to zwiększyć. Ale najpierw sprawdźmy, jak działa energia wiatrowa.

Ziemka z parasolką

Jak działa energia wiatrowa?

W jakiej formie jest energia wiatrowa w chwili przechwytywania?


Energia wiatru pochodzi z ogromnych turbin wiatrowych, które zmieniają energię kinetyczną wiatru w energię elektryczną.

Większość turbin ma dwie lub trzy łopaty, które są tak zaprojektowane, żeby wiatr uderzał w nie pod konkretnym kątem. Łopaty te następnie obracają śmigłem, które zasila generator, żeby produkował energię elektryczną.

Ile kosztuje energia wiatrowa?

Lądowa energia wiatrowa (pochodząca z turbin, które znajdują się na lądzie) jest jedną z najtańszych form energii odnawialnej, jaką dysponujemy. W niektórych przypadkach jest nawet tańsza niż energia z paliw kopalnych.

Oczekuje się, że w przyszłości jej koszt zmniejszy się jeszcze bardziej. Do 2030 roku globalny średni koszt lądowej energii wiatrowej prawdopodobnie spadnie o 0,03-0,05 USD na kWh – z 0,06 USD na kWh w 2018.

Co sprawi, że energia wiatrowa będzie tańsza?


W miarę jak budujemy więcej turbin, koszt ich budowy maleje. To wynik zjawiska zwanego korzyścią skali: wiele kosztów budowy produktu (takich jak koszt projektu) wystarczy opłacić tylko raz, niezależnie od tego, ile sztuk się wybuduje. Dlatego im więcej sztuk danego produktu wytworzymy, tym będą średnio tańsze.

Energia wiatrowa także robi się coraz tańsza, ponieważ ilość energii, jaką generuje każda turbina, wzrasta. Dzieje się tak z powodu ulepszeń technologicznych.

Ulepszenie turbin wiatrowych?

Są dwa ważne współczynniki, które musimy wziąć pod uwagę:

Moc znamionowa: Turbiny wytwarzają więcej energii, kiedy wiatr jest szybszy, prawda? Tak. Ale w pewnym momencie to się zatrzymuje i szybszy wiatr przestaje dawać więcej energii. Ten moment to tak zwana moc znamionowa. Im wyższą ma wartość, tym lepiej.

Moc znamionowa turbin wiatrowych

Współczynnik wykorzystania mocy: To cząstka czasu, w którym turbina działa z mocą znamionową. Jeśli zbudujemy turbinę w regionie, w którym wiatru jest mało, rzadko będzie osiągać swoją moc znamionową. W efekcie będzie mieć niski współczynnik wykorzystania mocy. Obecnie lądowe turbiny wiatrowe działają ze współczynnikiem wykorzystania mocy w wysokości zaledwie 34%.

Współczynnik wykorzystania mocy lądowych turbin wiatrowych

Dopóki nie zwiększymy tej liczby, wiatr nie będzie w stanie zapewniać nam stabilnej dostawy energii, chyba, że wydamy mnóstwo pieniędzy, żeby znaleźć sposób na magazynowanie nadmiaru energii w czasie, gdy wiatr nie wieje.

Mając to na uwadze, przyjrzyjmy się, jak możemy zwiększyć liczbę obu z nich.

Większa znaczy lepsza – zwiększenie mocy znamionowej

W ostatnich latach turbiny robiły się coraz większe. Poniższy obrazek pokazuje, jak średnica turbin w USA zwiększała się na przestrzeni ostatnich 20 lat:

Średnica turbiny w USA na przestrzeni czasu

Ten wzrost oznacza, że turbiny wiatrowe mogą teraz generować średnio dużo więcej energii.

Co nas powstrzymuje przed produkcją większych turbin wiatrowych?


Choć większe turbiny są droższe w produkcji, wytwarzają także więcej energii, więc na dłuższą metę są tańsze.

Łopaty robią się jednak obecnie tak ogromne, że transportowanie ich z fabryki jest znacznie trudniejsze. Oznacza to, że musimy budować turbiny na miejscu, co może być droższe. Na większe turbiny działa ponadto silniejszy wiatr, muszą więc być budowane z mocniejszego materiału, który może być trudniejszy do wyprodukowania.

Oczywiście zwiększenie mocy znamionowej turbiny na niewiele się zda, jeśli rzadko będzie działać z tą mocą ze względu na zbyt słaby wiatr. Co możemy na to poradzić?

Czy możemy polegać na energii wiatrowej? Zwiększmy współczynnik wykorzystania mocy!

Jak możemy zwiększyć współczynnik wykorzystania mocy turbin wiatrowych? (Pamiętaj: współczynnik wykorzystania mocy określa, jak często działają one z pełną mocą. Równie ważne: bardziej niezawodny wiatr oznacza bardziej niezawodną energię)


Ogólnie rzecz biorąc, wiatr na morzu jest zarówno szybszy, jak i bardziej stały niż na lądzie. Dlatego budowanie turbin wiatrowych na morzu (zwanych turbinami morskimi) pozwala wytwarzać więcej energii bardziej systematycznie.

Na lądzie vs na morzu

Wiatr jest także silniejszy i bardziej stały wyżej, dlatego budowanie wyższych turbin ma podobny efekt. Jednak, podobnie jak w przypadku większych turbin, wymaga to mocnych materiałów, które obecnie są droższe.

Jak inaczej moglibyśmy więc zbierać energię z tego silnego wiatru?

Powietrzna energetyka wiatrowa – lot do wyższych współczynników wykorzystania mocy?

Powietrzna energetyka wiatrowa to zbiór technologii, które przechwytują bardzo silne wiatry wiejące wysoko w atmosferze.

Tradycyjny wiatr vs potencjał mocy latawca

Jedna z tych technologii polega na puszczaniu latawców w celu przechwycenia energii wiatru na wysokości 70-450 m. Działa to w następujący sposób:

  • Latawce są przymocowane go długich lin, które są zwinięte w zwój przymocowany do ziemi.
  • Latawcami kieruje się tak, żeby odleciały, ciągnąc linę i rozwijając zwój, żeby wyprodukować energię.
  • Kiedy zwój jest w pełni rozwinięty, latawiec ustawia się tak, żeby można było wciągnąć go z powrotem na linie przy użyciu mniejszej ilości energii, niż wykorzystano przy odlatywaniu.
Moc latawca

Należy przeprowadzić więcej badań, zanim stanie się to opłacalne z ekonomicznego punktu widzenia, ale możliwe jest zwiększenie współczynnika wykorzystania mocy z około 35% do 60%.

A co z kosztami środowiskowymi?

Jak sądzisz, jakie są cztery główne obawy związane z energią wiatrową?


Obawy dotyczące turbin wiatrowych

Przyjrzyjmy się im po kolei:

Wpływ na widoki: Można go zmniejszyć, umieszczając farmy wiatrowe w odległych miejscach i na morzu. Tam, gdzie to możliwe, przedsiębiorcy mogą włączać lokalną społeczność w planowanie, a nawet posiadanie nowych farm.

Hałas: Dostosowując kształt ostrzy, można lekko zredukować świszczący dźwięk, który wydają. Mechaniczny hałas wydawany przez same turbiny można również zmniejszyć, używając cichszej maszynerii lub umieszczając obudowy akustyczne wokół górnych części turbin.

Fale radiowe: Farmy wiatrowe mogą zakłócać fale radiowe. Może to wpływać na systemy nawigacji radarowej pobliskich łodzi i samolotów. Musimy znaleźć sposób na nauczenie naszych obecnych systemów radarowych, żeby rozpoznawały sygnały pochodzące z turbin, oraz/lub budować nowe turbiny z materiałów pochłaniających promieniowanie radarowe.

Ptaki mogą zginąć po zderzeniu z obracającymi się ostrzami, ale unikanie budowania turbin na obszarach z dużymi populacjami ptaków może ograniczyć ten efekt. Ptaki można też chronić, zatrzymując turbiny, jeśli rzadkie gatunki są w pobliżu. W przypadku morskich farm wiatrowych wysokość turbin można dostosować tak, żeby nie pokrywała się z lotem ptaków morskich.

Użytkowanie gruntów

Duże turbiny wiatrowe mogą generować dużo mocy, ale zajmują też dużo miejsca. Elektrownia jądrowa o obszarze 3,4 km² wyprodukowałaby tyle samo mocy, co 344 km² terenu pełnego turbin wiatrowych. Jednak jeśli wykorzystamy przestrzeń między turbinami wiatrowymi na przykład w celu uprawy roślin jadalnych, zmniejszymy obszar „stracony” dla wiatru o ponad 90%!.

Wymogi dotyczące terenu farmy wiatrowej

Farmy wiatrowe pływające na oceanie

Jednym z oczywistych sposobów na zmniejszenie zużycia gruntów przez turbiny wiatrowe jest budowanie ich na morzu.

Wiemy już, że morskie farmy wiatrowe mogą mieć wyższą moc znamionową i współczynnik wykorzystania mocy, ale są też droższe w budowie i utrzymaniu. Korzyści skali i zwiększony popyt mogą jednak sprawić, że w przyszłości pojawi się o wiele więcej morskich farm wiatrowych.

Dzisiejsze morskie turbiny wiatrowe można budować jedynie w pobliżu wybrzeża na płytkich szelfach kontynentalnych. Zajmują one jednak tylko 10% obszaru oceanów, co ogranicza teren, na którym mogą być budowane farmy. Ponadto wiatry na szelfach kontynentalnych są wolniejsze i mniej stałe niż na głębokim oceanie.

Żeby rozwiązać ten problem, inżynierowie pracują nad pływającymi turbinami wiatrowymi. Są one po prostu zakotwiczone w dnie morskim za pomocą dużych kabli i mogą być umieszczane praktycznie na każdej głębokości.

Pływające turbiny wiatrowe

Na całym świecie odbywają się różne testy tej technologii. Na przykład jedna pływająca farma wiatrowa od 2017 roku dostarcza 30 MW mocy znamionowej u wybrzeży Szkocji, działając ze współczynnikiem wykorzystania mocy sięgającym 65% i wytrzymując fale o wysokości 8,2 m! Świetnie, prawda?

Podsumowanie

Duże turbiny wiatrowe mogą wytwarzać ogromne ilości czystej i, co ważne, taniej energii. To świetnie, ale pomaga tylko, jeśli zasilanie jest stabilne.

W tym rozdziale zobaczyliśmy, że zwiększenie współczynnika wykorzystania mocy turbin to nasza najlepsza szansa na zwiększenie stabilności energii wiatrowej.

To pomaga do pewnego stopnia, ale niestety ludzie nie są w stanie kontrolować pogody. Dlatego żeby używać wiatru na dużą skalę, potrzebujemy dużych zapasów energii, żeby nadrobić czas, w którym wiatr nie wieje wystarczająco szybko.

Odnawialnym źródłem energii, które jest tanie oraz niezawodne, jest energia wodna – temat następnego rozdziału!

Następny rozdział