W jaki sposób „wiatraki” wytwarzają prąd? Ile takiego prądu mogą wygenerować i czym w ogóle jest energia wiatrowa? W poniższym tekście przyjrzymy się tym zagadnieniom.
Czym jest energia wiatrowa?
Jest to energia kinetyczna powstająca na skutek występowania różnicy temperatur między masami powietrza, które się przemieszczają tworząc wiatr. Uzyskanie mocy przez turbinę wiatrową następuje dzięki przekazaniu energii kinetycznej wiatru do łopat wirnika i wprawieniu ich w ruch obrotowy.
Energia wiatrowa stale zyskuje na popularności i jest jedną z form odnawialnych źródeł energii. Jest to alternatywa dla energetyki konwencjonalnej, opartej na paliwach kopalnych, ponieważ redukuje emisję gazów cieplarnianych. Jest to szczególnie istotne z perspektywy dbania o środowisko.
Turbiny wiatrowe mogą powstawać zarówno na lądzie, jak i na wodzie. Farmy morskie dają jednak większe możliwości w pozyskiwaniu energii, a ponadto ich lokalizacja jest mniej uciążliwa dla ludzi. Minusem jest jednak skomplikowany proces przyłączenia takiej elektrowni do sieci.
Niewielkie elektrownie wiatrowe są wykorzystywane do zasilania samodzielnych systemów nawigacyjnych i telekomunikacyjnych. Znajdują też zastosowanie w przypadku prywatnych gospodarstw, domków letniskowych, stacji odsalania wody morskiej, oświetlania obiektów wolnostojących, nawadniania itp. Są one szczególnie przydatne w przypadku systemów oddalonych od sieci energetycznych.
Bardzo często małe elektrownie współpracują systemowo z modułami fotowoltaicznymi oraz generatorami prądu na ropę. Dzięki temu zapewnione są stałe dostawy prądu.
Jak działa elektrownia wiatrowa?
Elektrownia wiatrowa działa na zasadzie wprawiania w ruch łopat wirnika za pomocą energii wiatru. Następnie energia zostaje przekazana do generatora, który to zmienia ją w energię elektryczną. W ten sposób dochodzi do procesu przekształcania energii kinetycznej wiatru w energię mechaniczną, a następnie w energię elektryczną.
Wielkość generatora determinuje, jaka ilość wiatru zostanie zamieniona w energię elektryczną. Każda turbina ma podłączenie do sieci energetycznej i to właśnie tam przekazywana jest energia, która została wyprodukowana.
Jak zostało już wyjaśnione powyżej, energia wiatrowa powstaje dzięki różnicy temperaturowej mas powietrza. Wiatr jest zjawiskiem, które polega na ruchu powietrza, ruch ten powstaje dzięki zmianom temperatury, różnicom ciśnień oraz ukształtowaniu terenu.
Wyróżnia się dwa typy turbin wiatrowych – HAWT i VAWT.
Turbiny typu HAWT często mają wygląd tradycyjnego wiatraka i dzięki temu są wyjątkowo wydajne podczas silnego wiatru, są też znacznie tańsze. Jest to najpopularniejszy model turbin wiatrowych.
Turbiny typu VAWT mają bardziej futurystyczny kształt i dzięki temu ich praca jest uzależniona od zmian kierunku wiatru. Znacznie lepiej wykorzystują one siłę podmuchów wiatru. Muszą być przez to dużo bardziej wytrzymałe, aby nie ulec zniszczeniu. To powoduje, że są znacznie droższe.
Oba rodzaje turbin składają się z takich samych elementów. Jest to wieża, gondola z generatorem oraz wirnik z łopatami.
Ile prądu wytwarza turbina wiatrowa?
Obecnie przeciętne lądowe turbiny wiatrowe generują 2-3 megawatów mocy, co pozwala na wyprodukowanie 6 milionów kilowatogodzin energii elektrycznej rocznie. Taka ilość wystarcza do zaspokojenia zapotrzebowania na energię elektryczną około 1500 przeciętnych gospodarstw domowych.
Istnieją również większe i wydajniejsze turbiny o mocy nawet 15 MW, jak i mniejsze turbiny przeznaczone dla gospodarstw domowych generujące moc kilkunastu KW.
Dla porównania duża elektrownia węglowa wytwarza około 1 GW mocy, a jeden wiatrak około 2 MW. Oznacza to, że potrzebnych jest aż 500 wiatraków, aby otrzymać tyle energii, ile produkuje elektrownia zasilana węglem. Należy także pamiętać o tym, że elektrownia wiatrowa nie wytwarza energii non stop. Jej praca jest przecież uzależniona od pogody.
Ale to nie ilość mocy wytwarzanej za pomocą turbin wiatrowych jest jej największym atutem.
Jej największym atutem jest to, że prąd z elektrowni wiatrowych otrzymywany jest z naturalnych zasobów, które nigdy się nie wyczerpią, a przy produkcji energii nie emitują szkodliwych substancji do środowiska.
Rozwój energetyki wiatrowej
Postępujący rozwój technologiczny pozwala na zwiększanie udziału elektrowni wiatrowych w zaspokajaniu zapotrzebowania energetycznego. Z biegiem lat rozwiązano wiele problemów technicznych, które utrudniały budowę i uruchamianie elektrowni wiatrowych. Problemem, którego nie da się wyeliminować, jest brak możliwości przewidywania warunków atmosferycznych. Niestabilność i nieprzewidywalność siły wiatru jest barierą nie do pokonania. Elektrownie wiatrowe zawsze będą uzależnione od pogody.
Prowadzone są oczywiście badania na temat ogólnego oszacowania siły wiatru, jego kierunku i częstotliwości. Wpływ na produkcję energii pochodzącej z wiatru mają też warunki, w jakich położona jest elektrownia wiatrowa, ponieważ mogą one wpływać na wyciszenie lub wręcz spotęgowanie siły wiatru. Wszystko to ma bezpośredni wpływ na ilość wytwarzanej energii.
Teoretycznie, ilość wiatru występująca na świecie jest wystarczająca do zaspokojenia potrzeb energetycznych na całym świecie. Tyle że nie każdy kraj dysponuje takim samym potencjałem. Najlepsze warunki wietrzne występują w Danii, Holandii, Wielkiej Brytanii i na północy Francji.
Aktualnie, energetyka rozwija się w ramach kierunku lądowego i morskiego. Energetyka lądowa opiera się na wielkoskalowej i małej.
Energetyka wielkoskalowa to duże turbiny wiatrowe, posiadające moce przekraczające 1 MW oraz farmy wiatrowe, składające się z kilku lub nawet kilkudziesięciu siłowni wiatrowych. Są one przeznaczone do produkowania energii na masową skalę. Wytwarzanie dużej ilości energii pozwala na sprzedawanie jej do sieci elektroenergetycznej.
Mała energetyka wiatrowa to pojedyncze turbiny wiatrowe, posiadające moce na poziomie maksymalnym 100 kW. Budowane są głównie w bliskim sąsiedztwie terenów mieszkalnych. Pełnią rolę wspomagającego źródła energii. Powstają też w miejscach, które są trudno dostępne na energetyki konwencjonalnej, z powodu utrudnionego dostępu do sieci.
Alternatywą lądowej energetyki wiatrowej jest energetyka morska, która to stanowi dość innowacyjne rozwiązanie, polegające na budowaniu elektrowni wiatrowych na terenach morskich (na wodach otwartych). Jest to szczególnie korzystne z tego względu, że wiatr jest tam większy i bardziej stabilny. Nie ograniczają go żadne zabudowania i jest większa przestrzeń otwarta, która to właśnie sprzyja podmuchom wiatru.
Energetyka wiatrowa w Polsce i na świecie
Koncern BP opublikował raport, z którego dowiadujemy się, że wiatr pozwolił wyprodukować w Polsce ponad 16 terawatów mocy. Łącznie, moc odnawialnych źródeł energii w Polsce wynosi obecnie ponad 28 GW, co oznacza, że 56% z tego wyprodukowały elektrownie wiatrowe.
Energetyka wiatrowa na świecie wciąż dynamicznie się rozwija. Ilość prądu wytworzonego przez elektrownie wiatrowe w 2020 roku wzrosła o 11% w stosunku do roku poprzedniego, głównie było to spowodowane inwestycjami w Chinach i Stanach Zjednoczonych, które są odpowiedzialne za 79% światowej energetyki wiatrowej. Obecnie za pomocą wiatru świat wytwarza ponad 1592 TWh energii.
