W. Adamczak Możliwości i efektywność przetwarzania energii...       Praca mgr,        06.04 PP WBMiZ

I.                   Wstęp.

Elektrownie wiatrowe są jednym z przyszłościowych rozwiązań w dziedzinie energetyki. Mają zapewnioną istotna pozycje w programach strategii energetycznej dla krajów zachodnio europejskich. Liczne programy prowadzone w Europie mają na celu promowanie tego sposobu pozyskiwania prądu elektrycznego a poszukiwanie bardziej efektywnych rozwiązań konstrukcyjnych samych aerogeneratorów staje się istotnym punktem programów proekologicznych w wielu krajach.

Jednakże aerogeneratory to nie tylko wielkie elektrownie stworzone z myślą o energetyce zawodowej. Wiele zastosowań mogą znaleźć systemy stworzone do pracy w układach zamkniętych (podgrzewanie zbiorników wodnych, ładowanie pieców akumulacyjnych, zasilanie pomp nawadniających).

Aerogeneratory nastawione na pracę w układach zamkniętych  nie muszą generować prądu o ściśle ustalonych, niezmiennych parametrach wymaganych w sieciach przesyłowych. Pozwala to na większą swobodę przy projektowaniu tych urządzeń i ułatwia wprowadzenie nowatorskich rozwiązań.

   W mojej pracy będę starał się przedstawić: możliwości i efektywność bezpośredniej zamiany ruchu wirnika aerogeneratora na prąd elektryczny. Zaprezentuje  istniejące już rozwiązania, zarówno te przeznaczone do współpracy z liniami przesyłowymi, jak i te które pracują w układach zamkniętych. Postaram się przedstawić moje propozycje na zwiększenie efektywności uzyskiwania prądu z wiatru i porównam je z istniejącymi rozwiązaniami. Spróbuję odpowiedzieć na pytanie, czy nowatorskie rozwiązania są lepsze od konstrukcji najbardziej rozpowszechnionych i dopracowanych, oraz czy potencjalne korzyści, które za sobą niosą nie przewyższają potencjalnych problemów, które mogą stwarzać. Dane do porównań będę czerpał z udostępnianych przez producentów dokumentacji technicznych ich wyrobów, materiałów prezentowanych przez firmy zajmujące się sprzedażą elektrowni wiatrowych, oraz wszelkich dostępnych publikacji dotyczących energetyki wiatrowej.

Z racji dość skromnej liczby dostępnych książek poświęconych pozyskiwaniu prądu z energii wiatru, większość materiałów będę pozyskiwał za pośrednictwem internetu, ze stron internetowych producentów turbin wiatrowych oraz specjalistycznych serwisów zarówno polskich jak i zagranicznych (głównie duńskich i niemieckich).

II.                Miejsce energetyki wiatrowej we współczesnym świecie.

2.1 Ogólny zarys proekologicznych tendencji  w sektorze energetycznym.

Współczesna energetyka ma przed sobą nowe wyzwania. Zwiększająca się świadomość ekologiczna niejako wymusza pozyskiwanie energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych. Najbardziej rozpowszechnionym i dostępnym sposobem na wykorzystanie energii odnawialnej na świecie są aerogeneratory.

Istnieje wiele, ciekawych i efektywnych rozwiązań proekologicznych takich jak elektrownie solarne, wykorzystanie biomasy( wierzba, słoma, biogaz), elektrownie wodne czy też tzw.” wytwarzanie w skojarzeniu”, czyli kogeneracja [1 , 39]. Elektrownie wodne są źródłem taniej, czystej energii. W skali globalnej zajmują pierwsze miejsce jeżeli chodzi o pozyskiwanie energii ze źródeł odnawialnych, jednakże budowa dużych elektrowni wodnych pochłania olbrzymie pieniądze, ma kolosalny wpływ na ekosystem w którym powstaje( proekologiczność staje się dyskusyjna), oraz ogranicza obszar ich zastosowań do obszarów o dużych zasobach wodnych.

Najpowszechniej stosowane rozwiązanie kogeneracyjne polega na tym, że jednostka tego typu wytwarza zarówno energię elektryczną jak i cieplną. Energia cieplna ma formę pary. Elektrownia wytwarzająca w skojarzeniu składa się z 3 głównych elementów: turbiny gazowej, połączonego z nią generatora oraz kotła do odzysku ciepła spalin. Mieszanka sprężonego powietrza i gazu ziemnego spalana jest w komorze spalania turbiny gazowej. Gazy o temperaturze osiągającej od 1200°C do 1300°C napędzają łopatki turbiny gazowej, która połączona jest poprzez wał z generatorem. Generator zamienia energię mechaniczną na elektryczną. Spaliny wylotowe z turbiny (o temperaturze ok. 500°C) skierowane są do kotła odzysku ciepła, gdzie oddają swoje ciepło i przekształcają wodę zasilającą kocioł w wysokociśnieniową, przegrzaną parę wodną. [38]

Zastosowanie kogeneracji na skalę przemysłową daje lepsze wykorzystanie energii zawartej w paliwach, wzrost sprawności urządzeń a tym samym redukcję zużycia paliw i produkcji zanieczyszczeń (patrz załącznik 3).

Do systemów kogeneracyjnych można także zaliczyć samochody o napędzie hybrydowym, spalinowo – elektrycznym, które dysponują bardzo dobrą dynamiką przy jednoczesnym znacznym zmniejszeniu spalania, oraz dużym odzyskiem energii bezpowrotnie traconej w zwykłych samochodach ( np. podczas hamowania energia nie jest bezpowrotnie tracona przez nagrzewanie tarcz hamulcowych ale jest przekazywana do prądnic ładujących akumulatory silnika elektrycznego).

Systemami kogeneracyjnymi są także współczesne kotły gazowe odzyskujące ciepło spalin, które w starych kotłach ulatują kominem ( kocioł z odzyskiem ciepła ze spalin oddaje zimne spaliny – stąd konieczność stosowania kwasoodpornych wkładów kominowych ), jak również systemy ogrzewania budynków współpracujące z układami odzysku ciepła uciekającego kanałami wentylacyjnymi. Układ zaopatrywania budynków mieszkalnych w ciepłą wodę przy wykorzystaniu kolektorów słonecznych oraz małej elektrowni wiatrowej to także wytwarzanie w skojarzeniu. Przy bezchmurnym niebie i braku wiatru pracują tylko kolektory, przy dużym zachmurzeniu i wietrznej pogodzie tylko wiatrak. Jeżeli wystąpią dobre warunki nasłonecznienia i wietrzności mogą działać zarówno kolektory jak i wiatrak, a nadmiar energii może zostać zmagazynowany w baterii akumulatorów.

Jak widać idea kogeneracji jest szeroka i na dużą skale wdrażana np. w nowo budowanych domach, czy produkowanych masowo samochodach (np. dostępna w Polsce TOYOTA PRIUS).

Pozostałe proekologiczne sposoby pozyskiwania energii w skali światowej można potraktować raczej jako ciekawostki. W Polsce przyszłościowym rozwiązaniem wydaje się być spalanie biomasy( planuje się spalanie w elektrociepłowniach mieszanki wierzby opałowej i węgla). W warunkach krajowych jest to jeszcze wzmocnione faktem,  że 1,7mln hektarów ziemi ornej leży odłogiem [2].

Ciekawym rozwiązaniem wydaje się też pozyskiwanie biogazu z odpadów po produkcji rolniczej. Jest to rozwiązanie raczej dla dużych ferm produkcji zwierzęcej. Koszt budowy instalacji biogazowej o pojemności 200m3 , przeznaczonej dla 200DJP (duże jednostki przeliczeniowe), z komorami gnojowymi i płytą kompostową oszacowano na 300 000 – 400 000 PLN. Technologia ta jest opłacalna przy przerobie 5-7 ton odpadów płynnych w ciągu doby [1, s264].

Wydaje się jednak w najbliższej przyszłości najbardziej dostępnym i możliwym w zastosowaniu sposobem na zwiększenie produkcji energii ze źródeł odnawialnych jest rozpowszechnienie generatorów wiatrowych.

Za wykorzystaniem aerogeneratorów w produkcji energii przemawia też to, iż zasoby naturalne-kopaliny ,z których korzystamy kiedyś się skończą (rys. 1.).

Rys. 1. Zasoby kopalin materiałów i energii wg innych źródeł [2].

Następstwa kryzysu energetycznego mogą być bardzo poważne, co zostało zobrazowane (rys. 2.) w odniesieniu do jednego z najważniejszych mediów energetycznych naszych czasów – ropy naftowej .

Energetyka wiatrowa od początku lat 90-tych przeżywa burzliwy rozwój. Wielkość nowo instalowanej mocy w elektrowniach wiatrowych wzrastała przez ostatnich 8 lat przeciętnie o 40% rocznie, czyniąc energetykę wiatrową jedną z najszybciej rozwijających się gałęzi przemysł [27].

Rys. 2. Produkcja  ropy i jej prognoza skojarzona z prognozą  danych demograficznych i

zanieczyszczenia [2].

Rozwój ten to zasługa prowadzonej polityki ukierunkowanej na umożliwienie energii wiatrowej konkurowania z już istniejącymi technologiami i uznającej korzyści płynące z energii wiatrowej, które przeważnie nie są zawarte w cenach elektryczności płaconych przez konsumentów(chodzi tutaj głównie o korzyści ekologiczne, ale także o ożywienie gospodarcze rejonów nieuprzemysłowionych, typowo rolniczych, o niskich klasach ziemi uprawnej).

2.2 Polityka energetyczna w Polsce, dyrektywy unijne, prognozy rozwoju.

W ciągu ostatniego dziesięciolecia skumulowana, zainstalowana moc wyjściowa elektrowni wiatrowych wzrastała z prędkością ponad 32% rocznie, do całkowitej wielkości prawie 13000 MW w całej Europie na koniec roku 2000, co obrazuje poniższy wykres(rys. 3.). [5]

W roku 2000 Europejskie Stowarzyszenie Energetyki Wiatrowej zwiększyło swój cel dotyczący mocy elektrowni wiatrowych zainstalowanych w UE z 40 GW do 60 GW do roku 2010 [elektrownie wiatrowe], co potwierdza poważne traktowanie aerogeneratorów jako jednego z filarów produkcji energii elektrycznej.

Rys3. Przyrost  mocy generowanej przy pomocy generatorów wiatrowych w UE na tle produkcji światowej w latach 1990-2000 [5].

Prędkość, z jaką instalowane są nowe moce, w rzeczywistości wzrastała w tym samym okresie średnio o ponad 40% rocznie (rys 4) [5].

Polityka wspierania rozwoju energetyki wiatrowej przyjmuje różne formy: finansowanie badań i rozwoju energetyki wiatrowej z budżetu państwa, polityka rozwoju rynku energii odnawialnych itp..

Rys. 4.Procentowy przyrost mocy generowanej przez aerogeneratory w UE na tle    świata [5].

Inne obszary polityki, nie będące z pozoru powiązane z sektorem energetycznym mogą mieć znaczący wpływ na wykorzystanie energii wiatru.

Są to takie zagadnienia jak:

§         polityka dotycząca zmian klimatycznych oraz przepisy ochrony środowiska, np. z zakresu lokalnego zanieczyszczenia powietrza(chodzi tutaj głównie o emisję szkodliwych związków chemicznych do atmosfery),

§         planowanie rozwoju gospodarczego i regionalnego,

§         środki zapewnienia bezpieczeństwa dostaw energii( w przypadku Polski byłoby to np. uniezależnienie się od dostaw gazu z Rosji).

O tym, że Europa jest swoistym światowym zagłębiem produkcji energii za pomocą aerogeneratorów świadczy jej udział w światowej produkcji energii (rys 5.)

Rys. 5. Całkowita produkcja energii pozyskanej z wiatru na świecie[6].

Wszystkie trzy instytucje, Rada, Komisja i Parlament Europejski wypowiadają się w sprawie poparcia dla działań ochrony środowiska przyczyniających się do redukcji zmian klimatycznych. Taka polityka jest zgodna z zobowiązaniami UE do stosowania się do założeń Protokołu z Kioto. Obecnie w niewystarczającym stopniu korzysta się z odnawialnych źródeł energii. Wykorzystywanie odnawialnych źródeł energii na szerszą skale przyczyni się do ograniczenia efektu cieplarnianego. Dyrektywa ustala cele do osiągnięcia przez Państwa Członkowskie przyczyniające się do realizacji polityki promocji odnawialnych źródeł energii na rynku energetycznym. Zgodnie z założeniami Dyrektywy cele te muszą być zgodne z globalnym założonym celem osiągnięcia 12% całkowitego krajowego zużycia energii do 2010r. Ponadto, do 2010r. odnawialne źródła energii na wewnętrznym rynku krajowym muszą stanowić 22,1% całkowitej produkcji energii [8].

Dyrektywa wymaga podjęcia środków gwarantujących przesył i dystrybucję energii elektrycznej wyprodukowanej w odnawialnych źródłach energii. W tym celu wprowadzono przepisy zobowiązujące operatorów do zapewnienia pierwszeństwa w świadczeniu usług przesyłowych energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii w krajowym systemie elektroenergetycznym.

Polska jako nowy członek Unii Europejskiej będzie musiała również realizować ten program. W proponowanym projekcie zmian prawa energetycznego z dnia 9.01.2004 zakłada się  nałożenie   obowiązku zakupu lub wytworzenia energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych, na przedsiębiorstwa energetyczne zajmujące się sprzedażą energii elektrycznej. Maja one zapewnić  objęcie całej ilości energii elektrycznej wytwarzanej w kraju, według zasad wymaganych w dyrektywie UE oraz realizację celu produkcji energii ze źródeł odnawialnych na  poziomie 7,5 % energii elektrycznej zużywanej brutto w kraju dla 2010 roku.

Poniższa tabela obrazuje jak wygląda sytuacja w Polsce jeżeli chodzi o produkcje energii z wiatru, na tle reszty Europy (tabela 1.)

Tabela 1.Wykaz zainstalowanych mocy w poszczególnych krajach [6].