Větrné elektrárny včera, dnes a zítra (díl 1.)

Větrné turbíny se staly zdrojem elektřiny s nejrychlejším růstem instalovaného výkonu i produkce elektřiny. Podívejme se, jaká je současnost i budoucnost využití větrné energie a její potenciál ve světě i v Česku.

Větrnou energii využívá lidská civilizace už od nepaměti. V posledních desetiletích se staly větrné turbíny druhým nejužívanějším obnovitelným zdrojem hned po těch vodních. První větrnou turbínu pro výrobu elektřiny postavil v roce 1887 profesor James Blyth ve Skotsku. Jeho deset metrů vysoké zařízení dobíjelo akumulátory, které se využívaly pro osvětlení jeho chaty. Zhruba ve stejné době postavil větrnou turbínu i Charles F. Brush v Clevelandu v Ohiu. Jednalo se o klasické „americké“ větrné kolo s mnoha listy. Během zimy na rozhraní let 1887 a 1888 instaloval turbínu s průměrem rotoru 17 m, namontovaném na věži o výšce 18 m. Skládal se ze 144 paprskovitě uspořádaných listů z cedrového dřeva. Výkon zdroje 12 kW při 500 otáčkách za minutu byl využíván buď k dobíjení systému akumulátorů, nebo pro osvětlení a pohon různých zařízení v Brushově laboratoři.

O tři roky později v roce 1891 instaloval svou větrnou turbínu Poul la Cour, který byl vynálezcem a učitelem v dánském městečku Askov. Ta se podobala více klasickému mlýnu s nižším počtem listů. Měřil a studoval účinnost a vlastnosti systému při různém počtu listů a v různých podmínkách. Dokonce řešil i akumulaci energie pomocí elektrolyzéru a výroby vodíku, který využíval v lampách vlastní konstrukce.

V průběhu následujícího období se s rozvojem elektrifikace a elektrické sítě vyvíjely postupně různé typy větrných turbín, které uspokojovaly rozdílné typy potřeb. V čele vývoje bylo právě Dánsko, kde měl Poul la Cour řadu následovníků. Zlom v rozvoji a širší využití lze datovat do čtyřicátých let dvacátého století. V té době soupeřily elektrárny se dvěma a třemi listy. Výkony turbín se pohybovaly většinou mezi 50 až 70 kW. Ale již v roce 1941 byla ve Vermontu v USA sestrojena unikátní turbína s výkonem 1000 kW.

Na jedné straně se jednalo spíše o menší modely, které mohly s využitím akumulátoru nebo v součinnosti s jiným zdrojem elektřiny zásobovat v ostrovním režimu osamělá místa mimo síť. Na druhé pak o stále větší modely, které dodávaly elektřinu do zvětšující se elektrické sítě. Dnes se využívají turbíny od výkonů velmi malých až po výkony několika megawattů.

Hlavní zlom v intenzitě jejich využívání nastal v důsledku ropné krize v sedmdesátých letech a postupného přechodu k využití moderních lehkých, avšak velmi pevných materiálů. Pokrok v této oblasti výrazně zlepšil efektivitu i ekonomičnost těchto zařízení. Opravdu bouřlivý rozvoj pak nastal v osmdesátých a zvláště devadesátých letech minulého století. Začínají se stavět i velmi rozsáhlé větrné farmy. Budují se nejen na pevnině, ale i v pobřežních vodách, a to ve stále větších hloubkách. Na jedné straně to vede k zvýšeným nákladům na instalaci a vlivem koroze způsobené mořskou vodou i na údržbu, na druhé se však získává mnohem lepší koeficient využití výkonu.

Ještě na začátku devadesátých let byl sumární výkon větrných turbín velmi malý, teprve v roce 1996 dosáhl hodnoty 6,1 GW, na konci roku 2015 už 432,4 GW. V roce 2016 se instalovalo celkově 54,8 GW a na začátku roku 2017 tak byl celosvětově instalovaný výkon 486,7 GW.

Na počátku 21. století se větrné zdroje stávají těmi, u kterých roste instalovaný výkon nejrychleji. Obrovskou jejich výhodou je, že mají široké rozpětí možných výkonů. Je možné je využívat jako decentralizované místní zdroje, zároveň však i jako velké centrální zdroje, které se ovšem dají budovat postupně po jednotlivých turbínách a tím se snižuje investiční riziko.

Vlastnosti větrných turbín

Současné větrné turbíny patří kromě těch velmi malých většinou k zařízením s horizontální osou a mívají obvykle tři listy vrtule. Elektrárna se tak skládá z ocelového tubusu, který může obsahovat spodní železobetonovou část. Na jeho vrcholu je otočně uložená gondola, v ní je osa a ložisko rotoru a systém natáčení gondoly a listů. V současné době vyráběné velké větrné elektrárny mají „pitch“ regulaci, která umožňuje kontinuální nastavování listů změnou úhlu náběhu. To dovoluje reagovat na změnu větrných podmínek a požadovaných parametrů provozu turbíny.

Počet otáček bývá mezi 10 a 22 za minutu a obvodová rychlost může dosahovat až 320 km/hod. Třílistová konstrukce je pro větší turbíny konstrukčním optimem. Při větším počtu listů by hmotnost strojovny, nesoucí vícelisté kolo, byla příliš velká. Také tlak větru působící na listy vícelistého rotoru by byl velmi velký a trubkový stožár by musel být velmi silně dimenzován. Kromě většího namáhání by se projevila i větší hlučnost zařízení. Vícelisté rotory se tak využívají jen u velmi malých strojů.

Pro konstrukci vrtulí se využívají lehké a odolné materiály, sklolamináty, epoxidové pryskyřice a různé kompozitní materiály. Velikosti turbín jsou dány jejich předpokládaným využitím. Může jít o:

• mikroelektrárny o výkonu do 2 kW a průměru rotoru do 2 m. Ty se využívají typicky pro napájení (dobíjení baterií) u odlehlých zařízení či jako doplňkový zdroj energie u menších budov a lze je umístit například na budovy či stožáry sloužící primárně k jiným účelům,
• malé větrné elektrárny o výkonu do 50 kW a průměru rotoru do 15 m. Mají význam jako lokální zdroj energie například pro odlehlá místa bez připojení k síti (typicky v kombinaci s dalšími zdroji a/nebo baterií). Vzhledem ke svým rozměrům se umisťují již spíše na samostatně stojící stožár, výjimečně i na budovy,
• střední větrné elektrárny o výkonu do 300 kW a průměru rotoru cca do 35 m. Tyto mají relativně omezené využití, například jako doplňkový zdroj pro zásobování odlehlých lokalit, jako jsou menší ostrovy a podobně,
• velké větrné elektrárny výkonu nad 300 kW. Ty tvoří v současnosti zcela dominantní segment větrné energetiky a slouží jako zdroje energie v rámci velkých elektrických sítí.

Efektivitu využití turbíny omezuje Betzovo pravidlo, které na základě fundamentálních fyzikálních principů určuje, že větrná turbína může v ideálním případě využít 59,3 % energie větru. U reálných i nejmodernějších turbín existují různé další ztráty a současná zařízení dokáží dosáhnout hodnot mezi 70 až 80 % limitu z Betzova pravidla.

Rotor turbíny se většinou začne otáčet při rychlosti větru přesahující 2 až 5 m/s (7 až 18 km/h). Pak s rychlostí větru roste postupně i výkon elektrárny, nejdříve velmi rychle. Při rychlosti větru zhruba mezi 10 až 14 m/s (36 až 50 km/h) dosáhne výkon maxima a jeho zvyšování nepokračuje. Většinou u rychlosti 20 až 25 m/s (75 až 90 km/h) se turbína vypíná a nastaví se do polohy, v níž je riziko poškození co nejmenší. I tak silnému větru odolají jen do jisté limitní rychlosti, která se pro jednotlivé typy pohybuje v rozmezí od 40 do 72 m/s (144 až 259 km/hod).

Postupně dochází k optimalizaci geometrie listů k docílení maximální účinnosti a snížení hluku. Součástí moderních turbín je softwarová optimalizace regulace a nastavení jejich provozu. Začínají se využívat lasery, které měří parametr větru několik stovek metrů před gondolou a podle jejich měření se optimalizuje nastavení gondoly a listů.

Koeficient využití výkonu (kapacitní faktor), který ukazuje nakolik je v průběhu roku využíván instalovaný výkon, se pohybuje mezi 15 až 50 %, ale velmi silně závisí na geografických podmínkách. Velmi dobré bývají na otevřených pláních, případně mořském pobřeží, či na oblých holých hřebenech hor. Ještě lépe jsou na tom většinou turbíny instalované v mořích.

Optimální geografické podmínky tak jsou ve specifických místech. Pokud chceme větrnou energii využívat v co největší míře, musíme budovat co nejvíce větrných turbín právě v těchto oblastech. Ty se pak doplňují turbínami v méně vhodných větrných podmínkách, ale v blízkosti míst spotřeby. V současné době se tak staví velké větrné farmy, které obsahují desítky, stovky a v budoucnu možná i tisíce turbín. Jejich vzdálenost ve větrných parcích, které pokrývají plně nějaké území, by měly být mezi šesti až desetinásobkem průměru jejich rotoru. U opravdu velkých farem se udává ekonomicky optimální vzdálenost až 15 průměrů rotoru. Naopak u menších větrných farem, zvláště pokud je dostupné území limitované, jsou vzdálenosti mezi turbínami menší, typicky pětinásobek průměru rotoru. V případě umístění do řady kolmo k převládajícímu větru jsou často optimální odstupy pouze okolo trojnásobku průměru rotoru.

Hlavně u mořských větrných farem je třeba řešit optimální vyvedení výkonu ze všech turbín. V tomto případě jsou většinou jednotlivé turbíny připojeny kabely k transformátorové stanici, která se jako součást farmy také nachází v moři. V ní se nižší napětí, například 34,5 kV, produkované větrnými turbínami mění na vyšší hodnoty, většinou mezi 132 kV až 400 kV, vhodné pro transport na větší vzdálenosti (u farem vzdálených od pobřeží se k tomuto účelu často využívá stejnosměrného proudu). Elektřina se pak podmořskými kabely přivádí na pevninu. Pro tyto účely se budují speciální plošiny či dokonce umělé ostrovy. Ty mohou být připojeny více vedeními do různých míst a dodávat elektřinu podle potřeby střídavě do různých oblastí.

Stále větší turbíny

Pro velké farmy na pevnině i v pobřežních vodách se v současné době začínají uvádět do provozu stále větší turbíny. V letech 2014 až 2017 instalovala společnost Innogy ve své větrné farmě Zuidwester v Nizozemsku dvanáct nových větrných turbín firmy Enercon, které jsou největšími na pevnině. Nahradily staré turbíny, které zde vyráběly elektřinu od začátku osmdesátých let. Každá z nich má výkon 7,5 MW a výšku 200 m. Gondola je ve výšce 135 m, na ní je umístěn generátor o hmotnosti 220 tun a listy rotoru o průměru 127 m. U zařízení na pevnině je velikost elektráren často limitována uděleným povolením či problémy s dopravou extrémně velkých komponent. Zvláště, když se jedná o hůře dostupná místa bez možnosti využití lodní dopravy, ať mořské nebo říční.

Přesto je i na pevnině stále patrný trend k růstu velikosti větrných elektráren. Zejména v méně větrných či lesnatých oblastech je možno díky zvětšení výšky elektrárny dosáhnout podstatného zvýšení její efektivity. Například v Německu se proto typická výška nyní plánovaných elektráren pro nejbližší roky pohybuje mezi 200 a 250 m při průměrech rotoru mezi 120 a 160 m. Samotný výkon těchto elektráren přitom neroste tak výrazně, typické hodnoty jsou okolo 3 až 4 MW. Díky tomu je možné i v relativně málo větrných oblastech dosahovat využití výkonu okolo 30 %.

Ještě větší výkony mají turbíny v mořských větrných farmách. Doposud měly typické projekty turbíny o výkonu 3,6 MW a výšce 145 m. V současnosti největší je turbína Vestas V164-8.0 MW s výkonem 8 MW, která má na výšku celkově 195 m. Řada firem pracuje na ještě větších zařízeních hlavně pro mořské farmy. Předpokládají, že pro off-shore projekty budou mít již v blízké době turbíny o výkonu 13 až 15 MW. Podle výsledků pět let trvajícího evropského výzkumného projektu UpWind, který se zabýval aspekty spojenými s vývojem extrémně velkých větrných turbín, technicky lze dosáhnout výkon až 20 MW při průměru rotoru asi 250 m.

K dalšímu zlepšení efektivity velkých větrných turbín by mohl přispět model se dvěma rotory na společné hřídeli. Jeden rotor je umístěn klasicky na čelní straně gondoly, zatímco druhý je na její zadní straně. Rotory se otáčejí v souhlasném směru a jsou vůči sobě posunuty o 30˚, což je úhel umožňující nejvyšší možné využití větru i na zadní straně. Prototyp takové elektrárny vyvíjí společnost Airgenesis. Do roku 2020 chce mít prototyp turbíny s výkonem 11 MW.

Větrné farmy na pevnině

První větrnou farmou byla Crotched Mountain na jihu amerického státu New Hampshire. Fungovala od roku 1980 až do roku 2008. Její celkový výkon byl 0,6 MW a tvořilo ji 20 turbín o výšce 18 m a výkonu 30 kW.

V průběhu necelých čtyřiceti let pak byl postaven na vhodných místech velký počet větrných farem se stoupajícím počtem turbín o stále větším výkonu. Zaujímají sice rozsáhlé plochy (až stovky čtverečných kilometrů), ale půda mezi nimi může být zemědělsky využívána. Výběr místa je velmi důležitý, v případě pevninských farem ovlivňuje profil terénu a jeho pokrytí vegetací množství dostupné větrné energie.

V současné době jsou největší pevninské farmy v Číně, Indii a USA. Vůbec největší je čínská farma Gansu se současným výkonem 6800 MW, celkově by měl mít výkon 20000 MW v roce 2020. Další v pořadí jsou také čínské. Větrná farma Zhang Jiakou má výkon 3000 MW, Urat Zhongqi (Bayannur City) má 2100 MW, Hami výkon 2000 MW a Damao Qi (Baotou City) pak 1600 MW. Výkon 1000 MW a více má ještě dalších pět větrných farem. Z nich jedna je v USA, další v Indii a zbývající tři v Číně. I z tohoto přehledu je vidět, že Čína v současné době velkým větrným instalacím dominuje. Je však třeba poznamenat, že zde narážíme na problém definice jedné farmy. Zvláště v případě Číny jde často spíše o celý regionální systém s více navazujícími farmami.

Problémem je, a právě u Číny se to projevuje hodně dramaticky, že vhodné větrné podmínky jsou často ve velkých vzdálenostech od obydlených a průmyslových oblastí. Důležitá je tak výstavba vedení mezi farmami a obydlenými a průmyslovými celky. Velká část vyrobené elektřiny vyrobené větrem se tak nyní maří, kvůli tomu, že kapacita existujících vedení nestačí.

Větrné farmy 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).

Úplně nové koncepty

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.

Článek bude pokračovat druhým dílem…

---

Poděkování: Děkuji za velmi podnětnou diskuzi a komentáře k článku kolegovi Davidu Hanslianovi.

Poznámka: Článek je první z cyklu, který bude rozebírat možnosti jednotlivých energetických zdrojů u nás, a jehož cílem je iniciovat diskuzi o budoucím rozvoji české elektroenergetiky a jeho úskalích i možnostech. Hlavně v souvislosti s tím, že od poslední aktualizace energetické koncepce uplynulo již pár let a v oblasti energetiky se u nás reálně nic moc neudělalo. Zároveň se objevuje řada rizik a tak je velmi důležité udělat si přehled o vývoji a stavu energetiky ve světě i u nás.

Článek byl původně publikován na webu OSEL.CZ

Práce rozebírající potenciál větru u nás:

[1] Hanslian D., Hošek J., Chládová Z., Pop L., Svoboda J., Štekl J. (2007): Určení technického potenciálu větrné energie na území České republiky. Výzkumná zpráva. Ústav fyziky atmosféry AV ČR, Praha, 78s + přílohy.

[2] Hanslian, D., Hošek, J., & Štekl, J. (2008). Odhad realizovatelného potenciálu větrné energie na území České republiky. Ústav fyziky atmosféry AV ČR, Praha, 32s.

[3] Hanslian, D., & Hošek, J. (2012): Aktualizovaný odhad realizovatelného potenciálu větrné energie z perspektivy roku 2012. Ústav fyziky atmosféry AV ČR, Praha, 23s.

[4] Štěpán CHALUPA a David HANSLIAN. Analýza větrné energetiky v ČR. Komora obnovitelných zdrojů energie, březen 2015.

Doporučená literatura:

Velice pěkný cyklus článků o větrné energii od Břetislava Koče na serveru TZB.

David Vobořil: Větrné elektrárny – princip, rozdělení, elektrárny v ČR

Stránky České společnosti pro větrnou energii