będą uczestniczyły w aukcjach. Wytwórca oferujący najniż-szą cenę za 1 MWh zobowiąże się do dostarczania energii do sieci, a w zamian otrzyma przez 15 lat gwarantowaną stałą cenę za którą będzie sprzedawał energię elektryczną do sieci.
Rys. 1 Ι Mapa miejscowego planu zagospodarowania przestrzennego uwzględniająca lokaliza-cję turbin wiatrowych z infrastrukturą, drogami dojazdowymi, placami montażowymi oraz strefą ochronną oddziaływania hałasu (źródło: archiwum WSB Parki Wiatrowe)
Badania środowiskowe, analizy hałasu – które wyznaczają strefy ochronne da-jące możliwość rozmieszczenia turbin wiatrowych w bezpiecznej odległości od budynków mieszkalnych – są uwzględ-niane na etapie planowania inwestycji.
Warto wspomnieć, że wymagania do-tyczące hałasu turbin wiatrowych są ostrzejsze od norm dopuszczających poziom dźwięków spowodowanych przez lotniska i autostrady. Nowocze-sne farmy wiatrowe będą z pewnością z dużym zapasem spełniać kryteria środowiskowe, tak aby można było spróbować, choć w małym stopniu, obalić niektóre mity krążące o ener-getyce wiatrowej. Przyszłość farm wiatrowych to projektowanie z szacun-kiem do sąsiadów, mieszkańców gmin, środowiska. Duży wpływ na planowanie przestrzenne, w tym dotyczące farm wiatrowych, będzie miała ustawa kra-jobrazowa. Ma ona za zadanie uporząd-kować przestrzeń, ujednolicić wymaga-nia wobec wszystkich urządzeń, które wpisują się w krajobraz w Polsce.
Projektanci konstrukcji turbin wia-trowych nie próżnują. Od 30 lat roz-woju nowoczesnej energetyki wia-trowej wygląd turbin wiatrowych zmienił się diametralnie. Tempo rozwoju
wiatraków przedstawiają rysunki 2, 3, 4 i 5. Obecnie projektuje się najczę-ściej instalacje składające się z wia-traków o mocy 2–3 MW, z wieżami o wysokości od 80 do 150 m oraz średnicą wirnika od 90 do 130 m.
Na rynku dostępne są już turbiny o mo-cach nawet 6 MW, takie planuje się na otwartym morzu. Zwiększenie wysoko-ści wieży powoduje lepsze wykorzysta-nie warunków wietrzności. Prędkość wiatru rośnie bardzo szybko wraz ze zwiększaniem wysokości i dlatego war-to projekwar-tować wysokie turbiny.
Przeszkodą są względy konstrukcyjne.
Silne momenty zginające wymagają zastosowania dużych fundamentów, często posadowionych pośrednio za pomocą pali, oraz, co jest o wiele trudniejsze, zastosowania dużych średnic wież u podstawy. Nie tylko transport, ale również montaż więk-szych konstrukcji jest bardzo utrud-niony. Dziś to jest główne wyzwanie projektantów. Dla konstrukcji o wy-sokości do 100–120 m stosować można wieże stalowe, których dolny segment ma średnicę pozwalającą
na przewożenie takich elementów.
Dla konstrukcji wyższych najczęściej stosuje się wieże hybrydowe, w któ-rych dolne segmenty wykonywane są z prefabrykowanych elementów (łupin) betonowych, składanych na budowie w całość. Te po zmontowaniu całej wieży sprężane są linami od góry aż do fundamentu. Wyższe segmenty takiej wieży wykonuje się ze stali. Tu wygrywa szybkość montażu i lek-kość konstrukcji. Takie wieże mogą
osiągać nawet 140–150 m. Wyższe konstrukcje wymagają zastosowania wież kratownicowych. Mają one dwie podstawowe wady: bardzo dużą po-wierzchnię zabudowy na poziomie te-renu oraz niezbyt atrakcyjny wygląd.
Spotyka się też prefabrykowane wie-że stalowe montowane z elementów, których gabaryty nie powodują pro-blemów w transporcie, ale wykonanie takich wiatraków trwa na placu budo-wy o wiele dłużej. Jednak mimo tych Rys. 2 Ι Rozwój turbin wiatrowych na przestrzeni ostatnich lat (archiwum firmy Vestas)
Model turbiny/średnica wirnika (m) Rok pierwszej instalacji
Moc MWh/rok
Rys. 3 Ι Rozwój turbin wiatrowych na przestrzeni ostatnich lat (materiały udostępnione przez firmę Siemens)
trudności nic nie wskazuje na to, aby trend miał się zmienić. Będą z pewno-ścią pojawiały się pomysły pomagają-ce zwiększyć średnicę wirników i moc generatorów oraz wysokość wież, tak aby lepiej wykorzystać potencjał od-nawialnego źródła energii, jakim jest wiatr. Inżynierowie i projektanci są gotowi na wyższe konstrukcje, jednak wykonanie bardzo dużych obiektów jest niezwykle kosztowne. Dlatego finansiści pilnują, czy stosunek ceny
budowy wysokiej turbiny wiatrowej do spodziewanych korzyści wynikających z lepszych warunków jej pracy jest wciąż opłacalny.
Magazynowanie energii to bezwzględ-ny kierunek rozwoju całej branży ener-gii odnawialnej. Problemem energii pozyskiwanej ze źródeł odnawialnych jest, niestety, zależność od warunków pogodowych. Dotyczy to większości instalacji OZe, to jest elektrowni
wod-Rys. 5 Ι Przykład rozwoju modeli turbin wiatrowych na przestrzeni ostatnich lat (źródło: pre-zentacja o ewolucji produktów wiatrowych firmy GE)
Rys. 4 Ι Zestawienie mocy turbiny, średnicy wirników i dostępnych dla nich wysokości wież oferowanych przez producenta turbin wiatrowych (materiały udostępnione przez firmę Siemens)
Wysokość wieży (m) Wieże stalowe
wieża dostępna dla modelu turbiny planowana
Wieża hybrydowa lub wieża BSS
Model turbiny Moc [MW] Średnica wirnika
[m]
nych, wiatrowych oraz ogniw foto-woltaicznych. O ile energia słoneczna jest pozyskiwana w okresach dużego zapotrzebowania na energię, to jest w szczycie dziennym, o tyle prąd z wia-tru często generowany jest w tzw.
godzinach pozaszczytowych, w nocy, kiedy zapotrzebowanie na energię w sieci maleje. Spotyka się już rozwią-zania będące połączeniem tych dwóch źródeł energii w celu ustabilizowania sieci. Panele fotowoltaiczne uzupełniają dobową produkcję energii przez gene-rację w okresach słonecznej, często bezwietrznej pogody, a i w rocznym zestawieniu również produkują najwię-cej energii w najgorszych dla wiatra-ków miesiącach, tj. w czerwcu, lipcu i sierpniu. Natomiast taka wspólna in-stalacja w okresie zimowym bazuje na energii wyprodukowanej z wiatru. Nie zastąpi to jednak trendu w poszukiwa-niu możliwości magazynowania energii minimum w okresach dobowych. Roz-wiązanie takie polega na przetrzymaniu części energii wyprodukowanej w nocy, kiedy jest mniejsze zapotrzebowanie w sieci i tym samym cena chwilowa
Class*IEC
za dostarczoną do sieci 1 MWh jest niższa, i sprzedaniu jej w ciągu dnia, w szczycie zapotrzebowania, po wyż-szej cenie nominalnej. Znane są nam elektrownie szczytowo-pompowe (rys.
6), wykorzystujące zbiorniki wodne do magazynowania energii produkowanej w nocy, którą potem można odzyskać przez spuszczenie wody przez te same urządzenia ze zbiornika wodnego po-łożonego wyżej. elektrownie szczyto-wo-pompowe w szczycie działają jako generatory energii elektrycznej, a poza szczytem – jako pompy zasilane ener-gią. Podobne rozwiązanie stosuje się w elektrowniach ciśnieniowych, gdzie magazynuje się energię przez pompo-wanie powietrza do naturalnych zbior-ników podziemnych (rys. 7). W wyniku odwróconego procesu w dzień odzy-skuje się energię. Takie rozwiązania wy-magają odpowiednich warunków geolo-gicznych. Niestety, nawet jeśli warunki ukształtowania terenu pozwoliłyby na taką instalację, to budowa olbrzymich zbiorników wodnych jest w dzisiejszych czasach prawie niemożliwa. Dlatego inżynierowie na całym świecie pracu-ją nad rozwiązaniami umożliwiapracu-jącymi magazynowanie energii przez baterie nowego typu. Dziś przeszkodą są kosz-ty, ale patrząc na rozwój tej dziedziny w branży samochodowej i elektroniki użytkowej, wydaje się, że nie będziemy musieli długo czekać na nowatorskie pomysły.
Ciekawą koncepcją jest zastosowanie koła zamachowego jako urządzenia ma-gazynującego energię w postaci energii kinetycznej. Taka możliwość akumulacji energii jest interesująca i wydaje się, że daje bardzo duże możliwości. Aku-mulowanie energii w nocy, kiedy jest tania, i sprzedawanie jej w dzień, kiedy jest droga, jest celem takich urządzeń.
Koło zamachowe jest montowane na gruncie przy zastosowaniu fundamen-tu betonowego. Każde koło
zamacho-we wyposażone jest w układ chłodzą-cy oraz układ sterowania przepływem energii (przekształtnik plus komputer).
Napięcie znamionowe takiego urzą-dzenia wynosi 600 VAC, dlatego przy zastosowaniu wraz z turbinami wiatro-wymi wymagany byłby montaż trans-formatora 0,6 kV/30 kV o odpowiednio dużej mocy. Żywotność takich urządzeń szacuje się na 20 lat. Maksymalna moc pobierana/oddawana to 360 kW przez 5 minut lub 70 kW przez 30 minut. Maksymalna wartość
akumulo-wanej energii 35 kWh to jednak bardzo mało i żeby zakumulować 1 MWh ener-gii, trzeba zainstalować 29 takich kół zamachowych. Zakumulowanie energii 1 MWh np. w środku nocy (godz. 1.00), która w tym czasie kosztuje przykła-dowo 130 zł, i sprzedanie tej energii w środku dnia (o godz. 12.00) np. po 200 zł, daje dziennie zysk tylko 70 zł, a rocznie 25 500 zł. Niestety po tych uproszczonych obliczeniach widać, że obecnie jest to rozwiązanie ekonomicz-nie jeszcze ekonomicz-niedoskonałe.
Rys. 6 Ι Uproszczony schemat elektrowni szczytowo-pompowej (prezentacja „Energy Storage Systems”, autor dr inż. K. herlender i mgr K. Witkowska)
Dzień: woda przepływa z góry na dół, napędzając
turbinę, a prądnice wytwarzają energię elektryczną Noc: woda pompowana jest do górnego zbiornika w celu ponownego wykorzystania w ciągu dnia
Rys. 7 Ι Schemat układu ciśnieniowego magazynu energii (prezentacja „Magazyny energii – niezbędny element Smart Power Grids”, autor dr inż. Kazimierz herlender)
Rys. 8 Ι Schemat układu lokalnego systemu elektroenergetycznego (prezentacja „Magazyny energii – niezbędny element Smart Power Grids”, autor dr inż. Kazimierz herlender)
Magazynowanie energii jest nieod-łączną częścią planowanych lokal-nych systemów elektroenergetycz-nych (LSE, tak zwany smart grid), których idea polega na zrównowa-żeniu jednostek wytwórczych z od-biorcami energii. Zastosowanie wielu różnych instalacji OZe przy wsparciu urządzeń magazynujących energie daje szansę pracy sieci autonomicz-nie bądź przy podłączeniu do tra-dycyjnego systemu elektroenerge-tycznego. W tym drugim przypadku z tą korzyścią, że wpływ na sieć ze-wnętrzną jest bardzo mały i stabilny.
Niestabilność odnawialnych źródeł energii, takich jak elektrownie wia-trowe, panele fotowoltaiczne, może mieć duży wpływ na tradycyjną sieć, dlatego zminimalizowanie tego zjawi-ska jest priorytetem dla inżynierów projektujących rozwój systemów.
Dobrze zaprojektowany LSe (smart grid) jest przyszłością energetyki.