Větrné elektrárny včera, dnes a zítra

Aktualizováno 9. září 2017 | Rubrika: Čistota vody a rekreace , Co bychom měli vědět o vodě

větrná energie - mořská větrná farma osel

Možnostem využití potenciálu větrné energie se v rozsáhlé analýzy věnuje populárně-vědecký server osel.cz. Vzhledem k zaměření našeho portálu vyjímáme z textu pouze pasáž věnovanou zejména větrným farmám v pobřežních vodách.

Možnosti realizace větrných farem na pobřeží (on-shore) mohou být omezené a stále více se jich tak staví ve vodě (off-shore). Mořské farmy v pobřežních mělčinách těží z výhody lepších větrných podmínek. Koeficient ročního využití výkonu tak u nich bývá vyšší než u systémů na pevnině. Obvyklé hodnoty se pohybují mezi 30 až 45 %. Výstavba navíc není limitována nutností omezení vlivu na okolní osídlení. V blízkosti nejsou obyvatelé, kteří by proti turbínám protestovali. Výstavbě tak nebrání princip NIMBY (Not In My Back Yard – ne na mém dvorku). Jistým omezením však může být, že mohou narušovat navigaci a provoz lodní dopravy. Výhodou je také, že velmi rozměrné komponenty velkých turbín lze dopravovat po vodě. Jejich transport na pevnině je často velmi problematický. Nevýhodou je nutnost efektivní ochrany samotných turbín i komponent využívaných pro transport elektřiny na pevninu před agresivní slanou vodou. Odhady životnosti mořské větrné farmy se liší v rozmezí dvacet až čtyřicet let. Podle dosavadních zkušeností z provozu těch nejstarších zařízení postavených v devadesátých letech lze předpokládat tu vyšší hranici – třicet let a více.

Dánsko bylo v čele budování větrných turbín na pevnině a brzy začalo pociťovat nedostatek vhodných volných míst. První off-shore farma Vindeby tak byla vybudována v blízkosti dánského pobřeží u ostrova Loland a elektřinu do sítě začala dodávat v roce 1991. Jedenáct turbín s výkonem 450 kW bylo na základy instalováno už v zkompletované podobě. Jeho celkový výkon byl 5 MW. Ověřilo se na nich, že off-shore turbíny mají zhruba o 20 % vyšší výrobu než stejné stroje na pevné zemi. Začátkem roku 2017 ukončila po více než čtvrt století provozu tato větrná farma provoz, když se její další provozování ukázalo být neekonomické. Celkově vyrobila 243 GWh elektrické energie, což znamená koeficient využití zhruba 22 %.

První vyřazení off-shore farmy bylo zahájeno již začátkem roku 2016. Tehdy zahájila firma Vattenfall likvidaci elektrárny Yttre Stengrund v Baltském moři u jihovýchodního pobřeží Švédska. Pět větrných turbín NEG Micon NM 72/2000 o výkonu 2 MW mělo celkově výkon 10 MW. Začaly dodávat elektřinu v roce 2001 a po patnácti letech bylo rozhodnuto o jejím uzavření. Jeho důvody byly ekonomické i technické. Typ větrných turbín byl jeden z nejstarších a celkem jich bylo vyrobeno pouze 50 kusů. Shánění náhradních dílů a vysoké náklady případného vylepšení vedly k jejímu zavření. Firma Vattenfall si v tomto případě ověřila metody rozebrání off-shore turbín. Šlo o úplnou likvidaci včetně betonových základů a kabelů, které je připojovaly.

Větrné farmy v pobřežních vodách se intenzivně budují právě u evropského pobřeží Baltského moře a Severního moře. Největší instalované kapacity mořských off-shore větrných turbín má Velká Británie a Německo. Největší větrnou farmou je London Array ve Velké Británii, která má 175 turbín Siemens SWT-3.6-120 a tedy celkový výkon 630 MW. Elektřinu dodává od roku 2012. Druhou je Gemini Wind Farm v Holandsku s celkovým výkonem 600 MW, která má 150 turbín Siemens SWT-4.0 a do provozu byla uvedena v roce 2017. Na třetím místě je Gode Wind v Německu, která má celkový výkon 582 MW a je tvořena 97 turbínami Siemens SWT-6.0-154. Do provozu se dostala také v roce 2017. Celkový výkon přes 500 MW mají ještě farma Gwynt y Môr ve Velké Británii se 160 turbínami SWT-3.6-107 a celkovým výkonem 576 MW, která byla uvedena do provozu v roce 2015. Ve Velké Británii je také farma Greater Gabbard s výkonem 504 MW, která má 140 turbín stejného typu a do provozu byla uvedena v roce 2012. V budoucnu by je všechny měla překonat off-shore farma DONG Energy Hornsea Project ONE, která se buduje na yorkshirském pobřeží v hloubkách mezi 20 až 40 m. Ta by měla mít 174 turbín s výkonem 7 MW a její celkový nominální výkon by měl dosáhnout až hodnoty 1,2 GW. Intenzivní rozvoj větrných turbín v pobřežních vodách však nastal i v Číně.

Řada podniků se začala na instalace v pobřežních vodách zaměřovat. Jde například o firmy, které mají zkušenosti s podmořskou těžbou a mají tak vybavení i pracovníky určené pro práci v moři. V oblasti turbín pro tyto účely dominují firmy Siemens, Vestas, Senvion a Adwen (společný podnik firem AREVA a Gamesa pro mořské instalace). Dalším rozšířením možností výstavby větrných turbín na moři jsou plovoucí turbíny. První takovou instalací byla elektrárna Siemens s výkonem 2,3 MW, průměrem rotoru 82 m a výšce gondoly nad hladinou 65 m. Postavena byla v Severním moři v oblasti mezi norským Stavangerem a skotským Aberdeenem v roce 2009 a během prvního celého roku provozu měla koeficient ročního využití 36 %. V daném místě je hloubka moře 220 m.

V současné době (2017) zahajuje v této oblasti u pobřeží Peterhead ve skotském Aberdeenshire budování první plovoucí větrné farmy Hywind norská ropná společností Statoil. Zatímco u pevně zakotvených větrných turbín je optimální hloubka mezi 20 až 50 metry, je u plovoucích turbín možná instalace i ve vodách s hloubkou mezi 100 až 700 metry. A uvažuje se i o hloubkách větších. Jde o pět turbín s výkonem 6 MW, které zaujímají plochu 4 km2 a jsou vzdáleny 25 km od pobřeží Peterhead. Průměrný vítr v těchto místech Severního moře je okolo 10 m/s. Pilotní projekt umožní ověřit možnosti takových zařízení, které významně rozšiřují plochy, kde se větrné turbíny mohou budovat. Jsou předpoklady, že vlivem postupného zaplňování vhodných lokalit na pevnině i v plytkých pobřežních vodách poroste zájem o tyto technologie. Nestandardní a zatím exotická zařízení se plánují i pro pevninu. Velice zajímavé by v budoucnu mohlo být využití létajících větrných turbín, které by byly vynášeny do velkých výšek nad 600 m, kde vanou stabilnější a silnější větry. Plošná hustota výkonu větru by zde mohla být až několikanásobkem hodnot i u nejvyšších pozemských turbín.

O reálných projektech se začalo uvažovat v osmdesátých letech a doposud se testovalo několik prototypových strojů. Většinou to však bylo pouze na zemi a ve vzduchu pouze ve formě technologických zkoušek. Možným zařízením je systém, který rotor využívá nejdříve jako vrtuli k dosažení velký výšek a poté se vypíná a začíná fungovat jako větrná turbína. Pro vynášení mohou být využitý i balóny nebo systém podobný draku nebo padáku. Vyrobená elektřina je na zem transportována kotvícím kabelem. Značným problémem může být možné ohrožení leteckého provozu a následky pádu. Proto se spíše uplatní nad mořem. Zatím nejdále se snad dostala společnost Altaeros Energies v Bostonu zaměřená na vývoj ve vzduchu se vznášejících plošin pro telekomunikace, dálkový průzkum, výzkum vývoje atmosféry i výrobu elektřiny pomocí větru. Ta využila v roce 2012 balón naplněný héliem pro vynesení standardní turbíny Skystream s rotorem 3,7 m a výkonem 2,5 kW. Do vývoje v této oblasti se intenzivně zapojuje řada společností a mezi nimi například i známé firmy Google a E.ON. Je součástí jejich aktivit v oblasti obnovitelných zdrojů. Jejich cílem je zatím dokončit a otestovat plně funkční prototyp.

Využití větrných turbín vyžaduje vhodné geografické podmínky. Velmi důležité je tak znát co nejpodrobněji větrné podmínky území. Právě na jejich základě je pak možné plánovat umístění větrných elektráren. Pro Českou republiku mapy větrných podmínek vytváří Ústav fyziky atmosféry AV ČR. Výchozím parametrem pro posuzování potenciálu větrné energie v nějakém místě je hustota výkonu větru, tedy výkon, který bychom získali využitím veškeré kinetické energie větru proudící jednotkovou plochou kolmou na směr proudění. Zásadní význam má rychlost větru díky tomu, že se při výpočtu výkonu vyskytuje ve třetí mocnině. Relevantní je rychlost větru v ose rotoru. Při posuzování kvality jednotlivých míst z hlediska využití pro produkci větrné elektřiny se zavádí několik pojmů. Prvním je klimatologický (teoretický) potenciál větrné energie. Ten je určen pouze hustotou výkonu větru ve výšce typické pro osu turbíny. Vhodné pro využití se pak označují většinou taková území, kde je hustota výkonu větší než mezní. Jednodušším vhodným kritériem je překročení mezní hodnoty průměrné roční rychlosti větru v dané výšce, velice často se využívá 100 m, což je výška osy rotoru současných velkých turbín. Pro efektivní využití pro produkci je vhodné mít průměrnou rychlost větru vyšší než 6 m/s. To neznamená, že se nedají využívat lokality s nižší rychlostí, ale ty mají daleko horší podmínky v síti pro konkurenci s větrnými zdroji v místech s větší rychlostí větru a také jinými zdroji.

Ještě důležitější je technický potenciál větrné energie, který je určován celkovým nominálním výkonem a celkovou roční výrobou elektřiny z větrných turbín, které odpovídají současnému stavu technologií s využitím klimatologického potenciálu. A to s respektem k zákonným a dalším podmínkám pro jejich výstavbu a provoz. Jde například o dodržení vzdálenosti od obytných budov, infrastrukturních staveb a respektování ekologických, ochranářských a památkových omezení. Zde se promítá technologický vývoj, který například může umožnit využívání i míst s menší rychlostí větru. Technický potenciál se tak v čase mění. Pro realističtější odhad se zavádí realizovatelný větrný potenciál, ten se získá redukcí technického potenciálu korekčním faktorem, který však nelze stanovit exaktním postupem. Korekce se snaží zahrnout vliv kapacity distribučních sítí, postoje veřejnosti a zastupitelstev obcí, výsledků řízení EIA, průběhu územních řízení a stavebních povolení a mnoha dalších okolností.

Pokud se podíváme na větrnou mapu Česka, vidíme poměrně velice malou rozlohu území s průměrnou rychlostí větru vyšší než 6 m/s a jejich rozdrobenost. Místa s průměrnou rychlostí větru vyšší než 7 m/s jsou pak ojedinělá a umístěná na horských hřebenech. Pokud se podíváme na větrnou mapu Německa, je vidět, že je naše situace odlišná od stavu na severu Německa, kde území s průměrnou rychlostí větru vyšší než 6 m/s a dokonce přesahující 7 m/s pokrývají spojitě rozsáhlé plochy. Naše situace je naopak podobná situaci v Bavorsku, a právě ono je velmi dobou referencí, jak by se mohla situace s využíváním větru u nás vyvíjet v podmínkách intenzivní podpory tohoto zdroje.

Podmínky podobné těm na severu Německa panují na celém pobřeží Severního a Baltického moře i v některých dalších evropských přímořských oblastech. Podstatně lepší podmínky jsou pak například na větrných pláních nebo horských hřbetech v USA a Číně. To je jedním z důvodů, proč jsou právě Čína, USA, Německo, Velká Británie nebo Čína v čele využívání větru.

Zdroj: www.osel.cz, foto (mořská větrná farma Dan Tysk), autor: Paul Langrock

 

Související rubriky: Čistota vody a rekreace, Co bychom měli vědět o vodě, Podnikání s vodou a zákony, Přehrady a vodní díla, Prevence povodní, voda v krajině, Statistiky a kauzy