Větrné turbíny rostou (jako) z vody

Vladimír Wagner

V nedávné době byla dokončena druhá německá mořská větrná farma Baltik1. A právě tyto větrné farmy by podle německých představ měly nahradit spolu s plynovými a uhelnými elektrárnami elektrárny jaderné. Podívejme se tedy na možnosti této produkce elektřiny.

Instalace první turbíny mořské větrné farmy Horns Rev II (zdroj Dong Energy).

Mořské větrné farmy

Výhodou větrných elektráren v přímořských oblastech či rovnou v pobřežních vodách jsou většinou daleko vhodnější větrné podmínky – stabilnější a intenzivnější vítr. Zároveň lze vybrat oblasti, kde lze postavit velmi velké větrné elektrárny ve velkém počtu tak, aby byly dostatečně vzdálené od obydlených sídel. Je tak možné stavět rozsáhlá pole těchto zařízení a dosáhnout tak větší efektivity. Stavba zařízení v pobřežním moři je tak sice náročnější i dražší, ale zvýšení efektivity produkce elektrické energie vede ke snížení nákladů na jednotku produkované elektrické energie.

Příprava a realizace prvních projektů větrných turbín pro tyto farmy a začátky jejich budování se datují již do devadesátých let minulého století, ale všechny velké v současnosti fungující mořské větrné farmy byly uvedeny do plného provozu až ve století tomto. Časově omezené jsou tak zkušenosti s životností jednotlivý větrných turbín a dlouhodobé efektivity jejich provozu a údržby.

Jednou z takových zkušeností je provozování deseti větrných turbín V39-500 kw od firmy Vestas v dánském Tunoe Knob. Ty jsou umístěny 6 km od pobřeží, fungují už od roku 1995 a je tak s nimi šestnáctiletá zkušenost. Hloubka moře je v daném místě 3 – 5 m. Výška ukotvení rotoru je 45 m. Turbíny mají výkon 0,5 MW a stále dodávají elektřinu. Roční produkce elektřiny je zhruba 12,5 GWh. To reprezentuje koeficient využití instalovaného výkonu 0,285.

Úplně nejstarší však je dánská mořská větrná farma Vindeby, která má jedenáct turbín s výkonem 0,45 MW. Ty vyrobila firma Siemens, která je vedle firmy Vestas jedním z největších výrobců těchto zařízení.

Turbína firmy Vestas použitá ve větrné farmě Thanet (zdroj Vattenfall/Lavernder Blue)

Větrné turbíny.

Větrné turbíny umožňují přeměnit kinetickou energii větru na mechanickou, která je pak pomocí generátoru přeměněna na elektrickou. Moderní větrné turbíny mívají tři listy vrtule, počet otáček je mezi 10 až 22 za minutu a obvodová rychlost může být až 320 km/hod. Rychlost rotace vrtule může být i konstantní, ale většinou se mění. I když je snaha, aby byla blízká nějaké optimální hodnotě. Proto je důležité, aby moment setrvačnosti vrtule byl co nejmenší a hledají se tak co nejlehčí a nejpevnější materiály. To je důvod, proč moderní vrtule využívají sklolamináty, epoxidové pryskyřice a různé kompozitní materiály.

Vrtule se dokáží natáčet a v případě příliš silného větru zaujmout takovou polohu a nastavení, že se riziko poškození sníží na minimum. I tak však každá turbína má určitou maximální hodnotu rychlosti větru, kterou dokáže vydržet. U těch současných bývá v rozmezí od 144 km/hod do 259 km/hod.

Turbíny mají velmi vysokou efektivitu. Ta roste i s tím, jak se zvětšují jejich rozměry. Vítr ve větších výškách má větší rychlost a i efektivita konverze jeho kinetické energie turbínou se zvětšuje. Proto je snaha zvětšovat velikost i výkon větrných turbín při udržení co nejlepších aerodynamických parametrů. Ale zároveň dosáhnout co nejmenších nákladů na jejich výrobu a nízkou náročnost údržby.

V současnosti se většinou využívají při budování mořských větrných parků větrné turbíny s výkonem mezi dvěma až čtyřmi megawatty, největší pak má výkon 5 MW a má průměr rotoru 120 m. V přípravě jsou však i turbíny s výkonem 7 m, třeba u zmíněné firmy Vestas (V164-7.0 MW). Ve čtvrtém čtvrtletí 2012 se předpokládají prototypy a začátkem roku 2015 pak sériová výroba. Ve vývoji je i turbína s výkonem 10 MW jejíž výška bude 162 m a průměr rotoru 145 m. V rámci evropského projektu UpWind, který probíhal v posledních pěti letech minulého desetiletí a zabýval se aspekty spojenými s vývojem extrémně velkých větrných turbín, se ukázalo, že technicky lze realizovat turbíny s výkonem až 20 MW. Průměr rotoru takové turbíny by mohl být 200 m,

Mořská větrná farma Thanet (zdroj Vattenfall/Lavernder Blue).

Evropské mořské větrné farmy

Zmínili jsme jednu z prvních malých větrných farem v dánském Tunoe Knob. Dánsko je také jedním z největších uživatelů větrné energie a má několik velkých mořských větrných farem. Z nich Horns Rev II a Rodsan II jsou druhá a třetí největší v Evropě. První z nich byla spuštěna v roce 2009, má výkon 209 MW a skládá se z 91 větrných turbín firmy Siemens o výkonu 2,3 MW. Druhá pak o rok později, má o jednu méně stejných turbín a celkový výkon tedy 207 MW.

Největší mořská větrná farma je však ve Velké Británii. Jedná se o Thanet s celkovým výkonem 300 MW, která se skládá ze stovky turbín firmy Vestas s výkonem 3 MW. Ta byla dokončena v roce 2010 a patří tak k nejmodernějším. Lze si tak na ní dokumentovat některé základní parametry. Je jedenáct kilometrů od pobřeží hrabství Kent a zaujímá plochu 35 km². Vzdálenost mezi turbínami v řadě je 500 m a mezi řadami turbín pak 800 m. Hloubka moře v daném místě je zhruba mezi 20 až 25 m.

Z jednotlivých turbín jdou kabely k transformátorové stanici na moři, která je součástí farmy. Tam se napětí 33 kV produkované větrnými turbínami mění na 132 kV. Elektřina se pak dvěma podmořskými kabely přivádí na pevninu. Odhady životnosti farmy se liší a jsou mezi dvacet až čtyřiceti lety. Ovšem podle zkušeností z provozu zmiňovaných farem postavených v devadesátých letech lze spíše předpokládat dosažení i překročení hodnoty třiceti let. Rozdílné jsou také odhady koeficientu využití instalovaného výkonu. Rozumné odhady se pohybují mezi 0,3 až 0,4.

Náklady na vybudování farmy byly zhruba jedna miliarda eur. V nedávném článku o tepelných slunečních elektrárnách jsem srovnával cenu sluneční elektrárny Andasol 1 a jaderného bloku EPR. Pokud použiji stejnou metodu i pro větrnou farmu Thanet, dostanu, že pro nahrazení jaderného bloku EPR bych potřeboval zhruba dvanáct větrných farem jako je Thanet. To by stálo zhruba 12 miliard eur. To je trochu více než dvojnásobek ceny jaderného bloku EPR v Olkilluoto po zdraženích. A o více než padesát procent méně než by se zaplatilo za ekvivalentní produkci elektrické energie v tepelných slunečních elektrárnách typu Andasol 1. Musím zdůraznit, že toto srovnání, které může naznačit rozdíly v nákladech na energii z těchto zdrojů, je jen velmi hrubé. Do ceny jaderné energie je třeba započítat cenu paliva, která se v průběhu funkce zařízení spotřebuje, i když ta je velmi malá oproti ceně stavby bloku. A také náklady na likvidaci vyhořelého jaderného paliva. Na druhé straně může být životnost jaderného bloku až dvojnásobná oproti větrné farmě.

Mořská větrná farma Thanet je v současnosti největší, ale Velká Británie má řadu dalších velkých a je spolu s Dánskem v čele využívání tohoto zdroje energie. Celkový instalovaný výkon mořských větrných farem už je více než jeden gigawatt. A ve výstavbě je řada dalších, které instalovaný výkon mohou rychle zvýšit. Jedná se o větrnou farmu London Array s plánovaným výkonem 630 MW a Greater Gabbar s výkonem 504 MW, které využívají turbíny firmy Siemens s výkonem 3,6 MW. Do budoucna jsou pak navrhovány mořské větrné farmy s výkonem překračujícím gigawatt.

Výhodné podmínky pro stavbu mořských větrných farem jsou v Evropě hlavně v Severním a Baltském moři. I to určuje, které státy mohou tuto možnost využívat.

Větrná farma Alpha Ventus

Německý nástup

K ním patří i Německo. První německá mořská větrná farma byla dokončena v roce 2009. Jde o farmu Alpha Ventus, která se nachází v Severním moři 45 km od ostrova Borkum. Její celkový výkon je 60 MW a využity jsou turbíny firem AREVA a REpower s výkonem 5 MW. Nedávno byla spuštěna druhá německá mořská větrná farma Baltik 1. Je první, která se nachází v Baltském moři, zhruba 16 km od poloostrova Fischland-Darss-Zingst. Celkový výkon jednadvaceti turbín je 50 MW. Zatímco Alpha Ventus je testovací projekt, Baltik 1 je první komerční projekt. Ve výstavbě je druhá ještě větší větrná farma v Baltském moři s označením Bard 1, která by měla mít 80 turbín s výkonem 5 MW. Celkový výkon tak překročí výkon mořské větrné farmy Thanet o více než třicet procent. Její cena se odhaduje na 1,2 miliardy eur. Takže cena na instalovaný výkon je srovnatelná a potvrzuje vstupní data do našich výpočtů v předchozím odstavci.

V souvislosti se svou snahou o vystoupení z jaderné energetiky se v Německu připravuje velmi rychlý rozvoj této oblasti. V současné době dostalo povolení dvacet pět projektů v Severním moři o celkovém výkonu 5,65 GW a tři v Baltském moři s celkovým výkonem 1,04 GW. Další projekty byly odpovědným orgánům předloženy. Dohromady s těmi už schválenými by mělo jít o 56 mořských větrných farem v Severním moři a 15 v Baltickém moři.

Turbína firmy AREVA ve větrné farmě Alpha Ventus.

Závěr – výhody i slabiny

Mořské větrné farmy mohou být významnou posilou energetického mixu oblastí, které se nacházejí v blízkosti moří s vhodnými podmínkami. Jedná se o ekologický a obnovitelný zdroj, jeho ekologické dopady jsou tak relativně velmi malé. Největší část nákladů i ekologických dopadů jsou spojeny s výstavbou a likvidací větrných farem po uplynutí životnosti. Provozní náklady jsou spojeny hlavně s údržbou zařízení a jsou relativně velmi nízké. Zatím sice nejsou cenově konkurenceschopné s klasickými zdroji a neobejdou se bez dotací, situace se však pro ně stále zlepšuje vývojem nových materiálů, lepších aerodynamických parametrů větrných turbín i zvyšováním ceny uhlí a dalších fosilních paliv. V budoucnu by tak mohly být stále konkurenceschopnější.

Stejně jako solární zdroje jsou i větrné značně proměnné a musí se s tím při jejich využívání počítat. Ovšem mořské větrné farmy mají díky velkým rozměrů svých turbín i lepším větrným podmínkám v oblastech, kde se staví, koeficient využití instalovaného výkonu překračující hodnotu 0,3. Problém je, že na rozdíl od dříve popsaných tepelných slunečních elektráren v horkých oblastech, jejichž výkon sleduje spotřebu klimatizovaných měst, u větrných elektráren větrná situace většinou nekoreluje s potřebou napájených sídel. Situaci je tak třeba řešit jedním ze dvou způsobů.

Prvním je využití možnosti ukládání energie. Bohužel v této oblasti je zatím jediná varianta, která je technologicky a ekonomicky využitelná v širším měřítku. Jedna se o přečerpávací vodní elektrárny. Tuto možnost například intenzivně využívá Dánsko, které je napojeno na severskou elektrickou síť a využívá vodní elektrárny v Norsku a Švédsku. Druhou možností je záložní elektrárna, která je schopna velmi rychle naběhnout či zvýšit výkon, když se větrná situace změní. Může jít zase o vodní elektrárnu, ale velmi často jsou pro tyto účely využívány elektrárny plynové a uhelné. Z koeficientu využití instalovaného výkonu je vidět, že nelze předpokládat, že by podíl těchto zdrojů v energetickém mixu mohl překročit třetinu. Situace by se mohla změnit v budoucnu, když by se našly možnosti pro efektivní ukládání energie.

Státem, který je v současnosti na špici ve využívání větrné energie (nejen mořských větrných farem) je Dánsko, které z větru získalo v roce 2008 přes 19 procent elektrické energie. Má však k tomu velmi specifické podmínky. Jeho průmyslové oblasti se rozkládají blízko moře s velmi vhodnou větrnou situací. Jak už jsem zmínil, umožňuje napojení na severskou elektrickou síť využívání velkého potenciálu vodních elektráren. Je ovšem třeba dodat, že Dánsko produkovalo v roce 2008 přes 70 procent elektrické energie pomocí fosilních zdrojů.

Vhodných míst s ideálními podmínkami pro stavbu mořských větrných farem je omezené množství a často se nacházejí v místech, která jsou hodně vzdálená od průmyslových oblastí. Znamená to nutnost stavět dlouhá vedení velmi vysokého napětí. To platí právě třeba pro Německo, kde možné zdroje větrné energie jsou na severu a potenciální spotřebitelé na jihu. S velkým nárůstem využívání větrné energie tímto způsobem dojde i ke stavbám v méně vhodných oblastech a k poklesu efektivity těchto zařízení. Zároveň využití velkého počtu zdrojů ze stejné oblasti přináší problém s tím, když v celé oblasti nastanou větrné podmínky a výkon je extrémně velký nebo naopak v případě bezvětří. Při ideálních větrných podmínkách v dané oblasti se pak bude muset vypínat i část větrných elektráren. A jejich efektivita tak zase poklesne. Nutnost velkého počtu záložních fosilních zdrojů, které jsou využívány jen částečně, vede jednak k nutnosti započítat náklady na jejich stavbu a také počítat s příslušně velkým podílem fosilních paliv v energetickém mixu a odpovídající produkcí oxidu uhličitého.

Je tak třeba najít rozumný podíl mořských větrných farem v energetickém mixu oblastí, které mají vhodné podmínky. Pokud se nastaví, tak už teď a tím více v budoucnu by mohly být vítanou posilou při výrobě potřebné elektrické energie.

Brázdy za vrtulemi větrných turbín mořské větrné farmy Horns Rev II zviditelněné oblačností (zdroj Vattenfal)

V Řeži 9. 5. 2011

---