Energia wiatrowa – alternatywna i naturalna energia wiatrowa

Białe wiatraki zdominowały już krajobraz bardzo wielu krajów na naszym kontynencie. Chociaż mają swoich przeciwników, są też obecnie jednym z najbardziej perspektywicznych sposobów na odejście od „brudnej” energetyki. Co warto wiedzieć o potencjale energii wiatrowej w Polsce i za granicą?

Już 200 lat przed Chrystusem Chińczycy wykorzystywali wiatr do napędzania prostych pomp wodnych, a na Środkowym Wschodzie pierwsze wiatraki mieliły ziarno na mąkę. Kupcy i uczestnicy krucjat krzyżowych przywieźli technologię ze sobą do Europy, gdzie rozprzestrzeniła się w ciągu średniowiecza jak przysłowiowe grzyby po deszczu, a później wraz z kolonizatorami zawędrowała za ocean. Niestety, w XX w. energia wiatrowa na świecie zaczęła być skutecznie wypychana energetykę paliw kopalnych, której pełnych konsekwencji człowiek jeszcze nie rozumiał. Dopiero w latach 70-tych, gdy nastąpił pierwszy poważny kryzys naftowy, zaczęliśmy ponownie interesować się odnawialnymi źródłami energii (OZE).

Co to jest energia wiatrowa?

Wiatr jest ruchem powietrza, a więc zdecydowanie można go zaliczyć do źródeł odnawialnych. Powstaje na Ziemi spontanicznie i nieustannie wskutek nierównego nagrzewania się atmosfery.

W ciągu dnia, gdy słońce świeci, masy powietrza ogrzewają się stosunkowo szybko w przeciwieństwie do mórz i oceanów, które długo utrzymują chłód. W zależności od powierzchni lądu i jego ukształtowania powietrze w jednych strefach staje się więc cieplejsze, w innych pozostaje zaś relatywnie zimne. Rozgrzane cząsteczki gazów poruszają się szybciej, wskutek czego powstają w atmosferze strefy o różnych ciśnieniach. To właśnie różnice w ciśnieniu powodują, że powietrze zaczyna się poruszać i to często dość intensywnie. Im większe różnice w temperaturach, a w konsekwencji i w ciśnieniach, tym większy wiatr. To wyjaśnia, dlaczego silne wiatry panują nad morzami, oceanami oraz w górach, gdzie różnice temperatur są wyjątkowo ekstremalne.

Przesuwające się wskutek różnic ciśnienia gazy generują energię kinetyczną. Czuć ją wyraźnie, kiedy wiatr uderzy nam w twarz. Od tysięcy lat człowiek wykorzystuje ją też w żeglarstwie, co de facto jest najstarszym zastosowaniem energii wiatrowej na świecie.

Jak pozyskuje się energię wiatrową?

W przeciwieństwie do energii geotermalnej i słonecznej, które należą do energii cieplnych, energia wiatrowa ma charakter kinetyczny. Oznacza to, że wiąże się z ruchem, który możemy wykorzystać do generowania prądu. Współcześnie w tym celu wykorzystuje się turbiny wiatrowe, będące podstawowym elementem elektrowni wiatrowych.

Pojedynczą turbinę tworzy wysoka wieża, na szczycie której znajduje się wirnik, czyli rotująca część maszyny wyposażona w wał, tarczę lub bęben oraz wieniec łopatkowy. Wiatr uderza w łopatki turbiny wprawiając je w ruch. W rezultacie na wale turbiny powstaje tzw. moment obrotowy, czyli moment siły, który przenoszony jest dalej do generatora, dając energię elektryczną.

Najczęściej spotykane turbiny wiatrowe charakteryzują się poziomą osią obrotu i zbudowane są z trzech łopat. Ich wysokość zazwyczaj oscyluje ok. 90 m, ale w Polsce najwyższe sięgają nawet 160 m (z łopatami o długości 50 m). Światowy rekord wysokości należał dotychczas do niemieckich turbin mierzących prawie 250 m. W Holandii już testuje się jednak 10 metrów wyższą turbinę Haliade-X, która jako pierwsza na świecie jest w stanie wygenerować ponad 280 MWh energii elektrycznej w ciągu jednego dnia – ilość ta wystarczy do zasilenia 30 tysięcy gospodarstw domowych.

Oprócz turbin o poziomej osi obrotu (jedno-, dwu-, trzy- lub wielopłatowych) istnieją również modele o pionowej osi – należą do nich m.in. turbina typu tornado możliwa do wykorzystania przy bardzo silnych wiatrach oraz turbina Darrieusa.

Turbiny wiatrowe zgrupowane są w skupiska zwane farmami, które mogą obejmować nawet setki „wiatraków”. Owa koncentracja pozwala obniżyć koszty budowy i ułatwia pozyskiwanie oraz przesyłanie energii, generując nawet powyżej 50kW. Uzyskany prąd zasila sieć energetyczną i sprzedawany jest później klientom poprzez operatorów. Elektrownie wiatrowe mogą jednak również mieć charakter przydomowy i wówczas ich moc nie przekracza zazwyczaj 100 W, co pozwala jednak pokryć potrzeby elektryczne kilku budynków. Minielektrownie nie bywają zazwyczaj podłączone do sieci energetycznej, ale wykorzystywane są wyłącznie lokalnie.

Zalety energii wiatrowej

Nie tylko wiatr jest niewyczerpalnym źródłem „zasilania”, ale także umożliwia produkcję czystej energii bez spalania paliw oraz emisji szkodliwych związków chemicznych. Redukuje tym samym naszą zależność od wyczerpalnych kopalin. Jedyne „brudne” obciążenie dla środowiska naturalnego stanowi proces transportu i montażu turbin, który wymaga specyficznych pojazdów i maszynerii. Jest to zarazem najtańsza forma energii w kategoriach kosztów operacyjnych – nowoczesne turbiny nie wymagają skomplikowanej konserwacji. Owszem, sama turbina i jej instalacja jest dość droga, ale warto podkreślić, że produkcja i konstrukcja farm wiatrowych generują tysiące miejsc pracy. Tylko w Stanach Zjednoczonych zatrudnienie z tego powodu znajduje ponad 120 tysięcy osób.

Nieustanne doskonalenie technologii sprawia również, że turbiny stają się niesłychanie efektywne w generowaniu prądu elektrycznego. Z jednej strony poprawia się ich funkcjonalność, z drugiej maleje uciążliwość dla otoczenia. A farmy wiatrowe, mimo że mają swoje wady, zasadniczo nie zajmują dużych powierzchni lądu i nie ograniczają działalności rolniczej. Wielu operatorów wynajmuje wręcz ziemię od rolników, zwiększając ich dochody, podczas, gdy na terenach wokół turbin nadal prowadzona jest uprawa lub hodowla bydła.

Wady energii wiatrowej

Jak już wyżej wspomniano, turbiny nie należą do najtańszej technologii. Od inwestorów wymagają zaangażowania olbrzymich środków finansowych, które muszą również pokryć prace podziemne związane z doprowadzeniem wygenerowanej energii do sieci. Projekty na większą skalę, które cechują się najwyższą opłacalnością w długim czasie, są więc bardzo wymagające na etapie budżetowania. Nie pomaga również fakt, że wiatry wieją ze zmienną siłą, co uniemożliwia zagwarantowanie stałych dostaw energii z farm wiatrowych. Dla bezpieczeństwa energetycznego wymagane jest więc zaplanowanie alternatywnego zasilania.

Niestety, turbiny wiatrowe mają również negatywny wpływ na ekosystemy. Poruszające się łopaty stanowią bowiem zagrożenie dla ptactwa oraz nietoperzy i mogą utrudniać wielu gatunkom migrację. Co więcej, są one również źródłem dość uciążliwego hałasu, który odstrasza dzikie zwierzęta lądowe i zaburza ich naturalne zwyczaje. Także ludzie źle odbierają nieprzyjemny odgłos ciągłego wirowania i stąd lokalizacja farm wiatrowych kłóci się z rozmieszczeniem zabudowań mieszkalnych.

Odpowiedzią na ostatni z wymienionych problemów wydają się być coraz popularniejsze morskie farmy wiatrowe. Umiejscowione bezpośrednio nad morzem ograniczają one uciążliwość dźwiękową i krajobrazową. Ich koszt jest jednak bardzo wysoki, a szkodliwość dla ptactwa morskiego potencjalnie wysoka.  Eksperci ostrzegają również przez zwiększonym ryzykiem kolizji statków w nocy oraz zaburzeniem podwodnych ekosystemów wskutek pola elektromagnetycznego oraz hałasu przekazywanego do wody.

Energia wiatrowa w Polsce

Według raportu GUS dotyczącego produkcji energii odnawialnej w 2020 r. w Polsce energia wiatrowa była drugim najważniejszym źródłem po biopaliwach stałych. Jej udział w OZE wyniósł 10,85%, czyli pięć razy więcej niż w przypadku energii słonecznej. Agencja Rynku Energii podaje, że 2021 r. moc wszystkich farm wiatrowych w kraju osiągnęła 7,1 GW, co oznacza wzrost o 11% w skali rok do roku. Łącznie polska energetyka wiatrowa wyprodukowała 30TWh energii elektrycznej!

Eksperci podkreślają, że potencjał jest znacznie większy, ale jak dotąd rozwój farm hamuje tzw. „zasada 10H”, która mówi, że turbina nie może zostać zainstalowana w odległości mniejszej niż jej 10-krotna wysokość od zabudowań mieszkalnych. Spodziewana liberalizacja tej zasady umożliwi dynamiczny rozwój farm wiatrowych, które w polskich warunkach są efektywniejsze niż fotowoltaika. Na szczególną uwagę zasługują możliwości związane z morską energetyką wiatrową. Na Morzu Bałtyckim istnieją doskonałe warunki do budowy farm, które zdaniem ekspertów do 2050 r. mogłyby wytwarzać nawet 325 TWh rocznie.

W skali Europy największym producentem energii wiatrowej pozostają Niemcy, choć w 2021 r. najwięcej nowych instalacji zrealizowała Wielka Brytania, która stawia przede wszystkim na morskie turbiny. Eksperci z agencji WindEurope szacują też, że to właśnie morska energetyka wiatrowa będzie najprężniej rosnącym segmentem rynku, a już w 2026 r. nowych inwestycji będzie nawet trzy razy więcej niż przybywa obecnie w skali roku!