O co tyle szumu? Energia wiatru w pigułce

Cześć!

Nadeszła sobota, więc czas na nasz cotygodniowy felieton poświęcony energii. Dzisiaj zgodnie z zapowiedzią zajmujemy się energią wiatru. Cofniemy się dobrych kilka lat wstecz i powiemy sobie skąd, jak i dlaczego. A na końcu – no właśnie… o co tyle szumu? Czyli – dlaczego energia wiatru bywa czasem tak kontrowersyjna. Mam nadzieję że uda mi się nieco rozjaśnić Wam w głowach i rozwiejemy kilka mylnych stereotypów. Zaczynamy!

1. Skąd to się wzięło?

Jeśli oglądaliście „Dr Who”, to wyobraźcie sobie że jesteśmy teraz na naszym statku kosmicznym TARDIS i przemierzamy czasoprzestrzeń zatrzymując się ni mniej, ni więcej ok. 3200 p.n.e. w Egipcie.

Wedle historyków to tutaj pierwszy raz wykorzystano energię wiatru w praktycznym celu. Nie były to oczywiście nowoczesne turbiny wiatrowe z jakich korzystamy dzisiaj… a zwykłe żaglówki. Jeśli pamiętacie zeszłotygodniowy felieton, pisałem tam że energia pierwotna zamieniana jest w inne rodzaje energii użytecznej. Cóż… w przypadku żaglówek energia wiatru wykorzystywana jest i była w pierwotnej postaci, wiatr wieje i tym samym napina żagiel, dzięki czemu łódka nabiera prędkości.

Pierwsze wzmianki o wiatrakach pochodzą z XVIII w. p.n.e. w Starożytnym Babilonie – pewnie kojarzycie Kodeks Hammurabiego, to właśnie w nim spisano sposób działania wiatraka. Wciąż oczywiście nie były to turbiny które generują energię elektryczną. Wiatraki w starożytności, jak i w średniowieczu w Europie służyły do melioracji i nawadniania pól, bądź nieco później w młynach. Jednak w tej sytuacji mówimy już o konwersji energii. Energia wiatru zostaje przekształcona w energię mechaniczną, która pompuje wodę do pobliskich upraw.

Znów wsiadamy w nasz statek czasoprzestrzenny i ze średniowiecznej Europy, przenosimy się do XIX w. Szkocji, a dokładnie do domu Jamesa Blytha. To właśnie ten uczony w 1887 r., czyli już po wynalezieniu generatora elektrycznego, wpadł na pomysł aby przekształcić energię wiatru, w energię elektryczną. Jak pomyślał – tak zrobił… i jak na pragmatycznego naukowca przystało, zasilił oświetlenie w swoim domu :).

Na skalę przemysłową pierwszy raz wykorzystano energię wiatru w ZSRR jeszcze przed II Wojną Światową. Pierwsze turbiny generowały ok. 100 kW energii, ale nie były żadną konkurencją dla paliw kopalnych. Szczerze mówiąc, do końca XX w. energetyka wiatrowa nie odgrywała większej roli w światowym dostarczaniu energii elektrycznej.

2. Jak to działa?

Cóż… zasada działania jest dokładnie odwrotna, do zasady działania wentylatora, który chłodzi Was w upalne czerwcowe dni. Wentylator wykorzystuje energię elektryczną, aby wytworzyć wiatr. Turbina wiatrowa wykorzystuje wiatr, aby wytworzyć energię elektryczną. Ruch powietrza obraca śmigło turbiny, które połączone jest z generatorem i w ten sposób przekształca energię mechaniczną śmigła w energię elektryczną. (Przypominam po raz kolejny że energii nie da się wyprodukować, można jedynie przekształcić jedną jej formę w drugą). 

Ciekawą sprawą jest, że energia wiatru ma swój początek w energii… słonecznej. Zwróćcie uwagę, że energia dostarczana przez Słońce dociera do naszej planety nierównomiernie (siedzę w Szwecji… wiem coś o tym -.-). Lądy nagrzewają się i stygną znacznie wolniej niż akweny wodne. Morza, oceany itd. To zjawisko powoduje, że na Ziemi występuje różnica temperatur, która prowadzi do różnicy ciśnień. Wiatr to nic innego, jak poziomy ruch powietrza, spowodowany właśnie różnicą ciśnień. Gdy siedzicie na plaży podczas wakacji w Darłówku podczas dnia od strony morza, morska bryza przyjemnie chłodzi Was, przy 30 st. upale. Ale… jeśli postanowicie spędzić noc na plaży (nie polecam), bryza będzie wiała w kierunku morza.

Przyjmuje się, że ok. 1% energii Słońca, przekształcane jest w energię wiatrów, co stanowi ok. 900 TW energii. Niestety, większość tej energii znajduje się np. na środku oceanów, czy w miejscach niedostępnych dla człowieka, a tym bardziej niemożliwych do postawienia kilku turbin wiatrowych. Szacuje się, że energia wiatru którą możemy wykorzystać to ok. 18-170TW. Dla porównania na dzień dzisiejszy ludzkość potrzebuje ok. 15-17 TW

3. Od czego zależy?

Moc generowana przez pojedynczą turbinę wiatrową, zależy od szeregu czynników, spróbujemy sobie je po kolei omówić:

  • Prędkość wiatru  (v – velocity) – najważniejszy czynnik, wraz ze wzrostem prędkości wiatru, ilość generowanej energii wzrasta do trzeciej potęgi (!!!). Czyli, jeśli prędkość wiatru przepływającego przez turbinę wiatrową wzrośnie dwukrotnie, to ilość przetworzonej energii mechanicznej na elektryczną, wzrośnie ośmiokrotnie. Warto jednak dodać, że istnieje prędkość maksymalna i minimalna i związane jest to ze względami bezpieczeństwa. Prędkości przy których turbina może bezpiecznie i wydajnie pracować wahają się od 8-25 m/s. W innym wypadku…

  • Gęstość powietrza (ρ – grecka litera oznaczająca gęstość) – może wiecie, może to dla Was nowość, ale w różnych temperaturach powietrze przyjmuje różną wartość gęstości, łatwo można to zaobserwować w mroźny dzień. Pamiętam taką wycieczkę na Turbacz z tatą i p. Kazimierzem Tischnerem (Brat patrona konkursu). Było chyba z -25 st. C, powietrze było bardzo suche i w zasadzie każdy oddech był odczuwalny. Także im niższa temperatura, tym większa gęstość powietrza. Im wyższa gęstość powietrza, tym większa ilość energii. Oczywiście, w tym wypadku też mówimy o pewnych limitach.
  • Przekrój poprzeczny strumienia wiatru (A – area, czyli powierzchnia) – nazwa jest zabójcza – wiem. Już tłumaczę. Chodzi o obszar nakreślany przez ruch łopat turbiny (śmigieł w uproszczeniu). Czyli będzie to pole koła, gdzie promieniem będzie +/- długość jednego śmigła. Im większe to pole, tym znów większa ilość energii.
  • Sprawności (η – grecka litera oznaczająca sprawność) – tak sprawność mechaniczna całej turbiny, jak i sprawność generatora. W wypadku sprawności mechanicznej – odpowiada na pytania w jakim stopniu energia wiatru przetwarzana jest na energię mechaniczną. Jeśli mówimy o sprawności generatora – odpowiada na pytanie w jakim stopniu generator jest w stanie przetworzyć energię mechaniczną turbiny na energię elektryczną.
  • Współczynnik wykorzystania energii wiatru(Cp) – to jest poprawka którą należy przyjąć w obliczeniach, wynika z tego że prędkość wiatru przed wirnikiem i za wirnikiem (śmigłem) jest różna. W skrócie, wiatr z większą prędkością wieje przed turbiną, niż za nią – ten współczynnik w teorii wynosi 1/3, a w praktyce przyjmuje się wartości w zakresie 0,2-0,4.

Podsumowując, tak wyglądałby cały wzór, gdzie P [W] to moc elektryczna uzyskana przez turbinę.

4. Perspektywy

Energetyka wiatrowa rozwija się w dzisiejszych czasach szybciej niż kiedykolwiek. Stany Zjednoczone wprowadziły do systemu dodatkowe 5,3 GW energii, co stanowiło 35% całkowitej energii wprowadzonej do systemu w roku ubiegłym. W planach wciąż pozostaje wprowadzenie ok. 225 GW energii. To więcej niż planowana suma dla turbin gazowych i konwencjonalnych elektrowni węglowych. Ujmując całą rzecz globalnie, każdego roku pojemność energii wiatru na świecie wzrasta o 25% w perspektywie ubiegłych 5 lat. Pomijając jednak liczby, ilość generowanej energii elektrycznej w turbinach wiatrowych pozostaje niewielka w skali globalnej, w porównaniu do energii kopalin (przede wszystkim węgiel).

Jedną z największych zalet energii wiatru pozostaje fakt, że koszty paliwa są zerowe (podobnie do energetyki wodnej). Niemniej jednak musimy zwrócić również uwagę na wady systemu. Jedną z głównych jest nieciągłość dostaw energii pierwotnej. Czyli wiatru, niejednokrotnie ciężko jest przewidzieć czy odpowiednia ilość wiatru będzie występowała na danym terenie. Oczywiście są na świecie regiony które bardziej nadają się do stawiania farm wiatrowych, jak i te gdzie nie ma to większego sensu – jak zwykle wszystko jest kwestią trafnej oceny.

5. Kontrowersje

Obiecałem, że na końcu podyskutujemy chwilę o kontrowersjach związanych z budową i użytkowaniem elektrowni wiatrowych. Pragnę podkreślić, że przedstawione tutaj poglądy – to moje poglądy prywatne na tą sprawę, a Was zachęcam do krytycznego myślenia i wyciągnięcia własnych wniosków:

  • Przeciwnicy budowy farm wiatrowych przywołują argument o niszczeniu krajobrazu i walorów turystycznych miejscowości – no cóż… znam obiekty które mają znacznie bardziej negatywny wpływ na wizualny stan krajobrazu. Pytanie czy w czasach, w których w Polsce grozi nam niedostatek energii możemy oglądać się na turystyczny aspekt? Czy będzie on miał znaczenie gdy pewnego pięknego dnia dojdzie do blackoutu?
  • Energetyka wiatrowa stanowi zagrożenie dla wielu gatunków ptaków – dla mnie osobiście argument tak samo pomijalny jak powyższy, przy cały szacunku dla ptasiorów, nietoperzy czy innych latających, gdy istnieje widmo niedostatku energii elektrycznej, fakt że kilka z nich rozbije się o wirnik turbiny wydaje się nie mieć większego znaczenia.
  • Wpływ turbin wiatrowych na zdrowie i samopoczucie ludzi – często słyszy się o negatywnym wpływie neurologicznym na osoby mieszkające w pobliżu turbin wiatrowych. Ja pragnę podkreślić, że nie istnieją poważne badania, które potwierdziłyby tą hipotezę, tak długo jak nie zostanie to udowodnione, ten argument pozostaje wymysłem nadgorliwych „ekologów”
  • Mimo iż praca wiatraków jest zero-emisyjna, to sam proces produkcji powoduje emisję wielu szkodliwych substancji do atmosfery – i jeśli któryś z argumentów do mnie przemawia to właśnie ten. Jeśli spojrzymy szerzej na proces produkcji elementów do turbiny wiatrowej, to powstają one w wysoce energochłonnych procesach, gdzie dostarczona energia najczęściej pochodzi z elektrowni konwencjonalnych, więc choć sama turbina wiatrowa jest „czysta ekologicznie” to sam proces jej powstawania i późniejszego recyklingu nie jest. To warto mieć na uwadze.

Dziękuję Wam za uwagę. W przyszłym tygodniu zajmiemy się energią Słońca, czyli powiemy sobie parę słów o generacji ciepła i energii elektrycznej podczas przetwarzania promieni słonecznych. Jest to również jeden z dostępnych tematów w drugim etapie. Już niebawem przed Wami drugi quiz, pojawią się tam znów pytania ode mnie. Ja osobiście zalecam powtórzyć sobie parę informacji o promieniotwórczości czy przepływie ciepła pomiędzy ciałami – coś może się trafić ;). Trzymajcie się ciepło! Do znów!

Paweł