W obecnych czasach energia stała się najatrakcyjniejszym towarem wymiennym, mimo że jest wszędzie wokół nas. Trzeba ją tylko przechwycić i zamienić na formy najbardziej przydatne. Te najbardziej przydatne formy energii to paliwa (płynne, stałe i gazowe) oraz elektryczność.
Paliwa mają tę zaletę, że łatwo je magazynować i transportować, używając wtedy, gdy potrzeba. Z elektrycznością gorzej, w akumulatorach magazynować można niewiele energii w porównaniu z ich wagą i kosztami. Energię elektryczną trzeba wykorzystywać wtedy, gdy zostaje uzyskana (wytworzona).
Od dawna ludzi pociągało zdobywanie energii „za darmo”, wykorzystując te formy, które nas otaczają, ale które trudno było ujarzmić. Najpowszechniejszą formą takiej „dzikiej” energii jest wiatr. Nie jest to samoistna forma energii. Ruch dużych mas powietrza wywoływany jest ciepłem Słońca i zależy od lokalnego klimatu i ukształtowania terenu.
Ludzie nauczyli się przechwytywać energię wiatru już ponad dwa tysiące lat temu. Pierwsze wiatraki w czasach starożytnych wykorzystywane były sporadycznie do przepompowywania wody i mielenia zbóż. Powszechnie powrócono do tej formy napędu w czasach nowożytnych, gdy wiatr mógł dawać więcej mocy niż mięśnie zwierząt (koni i wołów) i skutecznie konkurował z energią spadku wody wykorzystywaną w kołach młyńskich. Do dzisiaj na wielu farmach pracują małe wiatraczki pompujące wodę dla zwierząt i do potrzeb domowych.
Pierwszy wiatrak wytwarzający energię elektryczną na większą skalę zbudowany był w 1888 roku w Cleveland nad jeziorem Erie. Stalowa, przysadzista konstrukcja ważyła 4 tony a generator prądotwórczy mógł dostarczać przy silnych wiatrach moc 12 kilowatów, czyli tyle, ile obecnie dają przydomowe awaryjne generatory zasilane gazem lub benzyną.
Od tego czasu inżynierowie przebadali aerodynamikę skrzydeł wiatraków i okazało się, że najlepszy efekt dają cienkie śmigła o profilu takim jak w samolotach. Początkowo projektowane szerokie skrzydła powodowały, że prędkość wiatru była wyhamowywana a energia wytrą cała się w wirach. Ponadto nacisk wiatru na szerokie skrzydła niszczył łożyska i powodował ogromne siły wywracające wieże.
Poważnym problemem jest różnica prędkości obrotowej wiatraka i prądnicy. Śmigła wiatraka obracają się raz na dwie-trzy sekundy, natomiast prądnica najkorzystniej pracuje, gdy kręci się 60 razy na sekundę. Przekładnia o tak dużym przełożeniu to dość drogi i zawodny element. Gdy wiatr słabnie i całkiem przycicha, wiatrak musi się dalej kręcić, aby zapewnić takie same obroty prądnicy, jakie są wymagane przez sieć, aby prądnica „zaskoczyła”, gdy tylko pojawi się podmuch wiatru. Prądnica, zamiast dawać energię, zużywa ją wtedy do napędu śmigieł. Jedynym ułatwieniem jest zmienne ustawienie śmigieł, które w takim przypadku tylko „tną” powietrze.
Inżynierowie projektujący pierwsze wiatraki nie zwracali uwagi na koszty konstrukcji, myśląc, że kiedyś tam wszystko potanieje i nakłady się zwrócą. Przy inwestycjach wiatrakowych nie zwracano uwagi na rachunek ekonomiczny, a raczej kierowano się hasłami politycznymi. Takim typowym hasłem jest „odnawialna energia”, gdyż energia wiatru przechwycona dzisiaj nie „zużywa się”. W następnych dniach Słońce dalej będzie powodowało ruch mas powietrza. Jest w tym jednak demagogia, gdyż wprawdzie wiatr się „nie zużywa”, ale zużywa się sam wiatrak i nie „odnawia” się samodzielnie.
Dość szeroko propagowane są indywidualne inwestycje w wiatraki, zarówno dla własnych, domowych potrzeb, jak i wiatraki sprzedające energie do sieci. Wielu ludzi wydaję pieniądze dla zabawy, tak zwanego „hobby”. Rachunek ekonomiczny dla inwestycji wiatrakowych, nie jest jednak przekonywujący.
Producenci turbin wiatrowych zalecają dla średniego domu instalowanie wiatraka z generatorem o mocy 5 kilowatów. Cena w Polsce jest rzędu 40 tysięcy złotych, w USA około $10,000.
Niewielki dom, do którego oprócz elektryczności doprowadzony jest gaz, potrzebuje średnio 1 kilowat mocy elektrycznej – miesięcznie zużywa około 700 kilowatogodzin. Pobór mocy jest jednak nierównomierny, czasami po włączeniu ochładzania i innych urządzeń domowych, pobór mocy skacze do 10 i więcej kilowatów. Nad ranem, gdy dom jeszcze „śpi”, pobór mocy spada do zera.
Wiatrak pracuje jednak wtedy, gdy wieje odpowiednio mocny wiatr, a tego nie możemy kontrolować. Wykorzystanie mocy wiatraka jest rzędu 20%, czyli wiatrak o mocy 5kW zapewni średnio, w dłuższym okresie czasu, moc wystarczającą dla potrzeb domu. Są jednak dni, że wiatr ustaje na długi okres. Zgromadzenie zapasu energii na 2 dni wymagałoby 100 akumulatorów samochodowych.
Wprowadzono jednak zachęcające przepisy, że można energię produkowaną w nadmiarze odsyłać do elektrowni (do sieci), a w chwilach, gdy potrzeba więcej mocy, kupować ją na tradycyjnych warunkach. Elektrownie nie kwapią się jednak z kupowaniem energii wiatraków, gdyż jest to produkcja bardzo kapryśna. Bywa, że w ciągu kilku minut wiatr zrywa się a po chwili ustaje.
Pobór z sieci przez ogół użytkowników jest raczej stabilny i statystyki pokazują, jakie są potrzeby w każdej chwili. Z energią wypompowywaną do sieci przez wiatraki, elektrownie często nie mają co robić, bo przecież trudno wyhamowywać turbiny wielkich turbogeneratorów jądrowych lub węglowych. Jedynie elektrownie wodne mogą być buforami dla wiatraków.
Od ponad 25 lat budowane są całe zespoły wiatraków, tak zwane farmy wiatrowe. Początkowo konstruowano wiatraki o mocy około 100 kilowatów. Obecnie moc pojedynczych konstrukcji, o wysokości przekraczającej 100 metrów i odpowiednio dużej rozpiętości śmigieł, sięga 5 megawatów. Dwieście takich wiatraków ma moc porównywalną z przeciętną elektrownią węglową. Inwestycja w wiatraki wcale nie zwalnia z budowy tradycyjnych elektrowni, bo przecież wiatr nie wieje bez przerwy.
Obecnie koszt turbiny wiatrowej o mocy 1 megawat to około 2 miliony dolarów. Turbina taka, zainstalowana w najkorzystniejszych warunkach wiatrowych, średnio oddaje do sieci 300 kW. Próbujmy to oszacować. Koszt wytworzenia energii w klasycznej elektrowni to około 5 centów za kilowatogodzinę. Moc 300 kW to około $15 na godzinę, $360 dziennie, ponad $10,000 miesięcznie. „Inwestorzy” przekonali się, że spłacana miesięcznie pożyczka (mortgage) na dwumilionowy dom kosztuje przez 15 lat nieco więcej niż nasz dochód $10,000. A wiatrak trzeba konserwować, wymieniać części itd. Jak dotąd, najdłużej eksploatowany wiatrak w Szwecji pracował tylko15 lat.
Jedyny dochód, na jaki można liczyć, to dopłaty, dotacje, ulgi. Doszło już do paradoksów. Rząd niemiecki zagwarantował właścicielom wiatraków cenę skupu jednej kilowatogodziny 42 eurocentów. Ten sam inwestor, w swoim domu, płaci około 10 eurocentów za kilowatogodzinę. Jak długo to może trwać?
Najwięcej dużych turbin wiatrowych zainstalowanych jest w USA. Na przełęczy San Gorgonio w okolicy Palm Springs jest zainstalowane ponad 4 tysiące turbin wiatrowych. Teren ten ma jedne z najkorzystniejszych na świecie warunki wiatrowe. Słońce nagrzewa olbrzymi pustynny płaskowyż i powietrze tam szybko się wznosi. Codziennie wiejący silny wiatr znad Pacyfiku uzupełnia braki przez tę wąską dolinę pomiędzy górami. Na prawie codzienną porcję energii z elektrowni wiatrowych można tam liczyć.
Mimo tak korzystnych warunków, farmy wiatrowe w Kalifornii szybko by bankrutowały, gdyby nie dotacje. Z kolei utrudnia się działalność tradycyjnych elektrowni, nakładając różne podatki i opłaty „za dwutlenek”. Cena produkowanej elektryczności w Kalifornii znacznie
wzrosła i mieszkańcy tam płacą kilka razy więcej niż w innych, konserwatywnych stanach.
W Europie najkorzystniejsze warunki wiatrowe panują na wybrzeżach Atlantyku i Morza Północnego. Prawie tyle samo wiatraków co w USA zainstalowano w Niemczech. W pozostałych krajach, w Hiszpanii, Portugalii, Danii, Wielkiej Brytanii, łączna moc zainstalowanych wiatraków dorównuje instalacjom niemieckim. Niestety, są tam gorsze warunki wiatrowe i wykorzystanie mocy wiatraków instalowanych w Europie jest znacznie mniejsze – około 20%.
Na gęsto zaludnionych terenach w Europie wiatraki pokazały swoją uciążliwość. Wielkie śmigła kręcąc się w pobliżu masztów wywołują wiry powietrza i dudniące infradźwięki. Ptaki, które nieopatrznie wleciały w strefę wiatrakowych wirów, często giną uderzone śmigłem. Długie wpatrywanie się w kręcące śmigła daje efekt hipnotyczny (Don Kichote) – nie jest to jednak ozdoba terenu.
Znaleziono rozwiązanie niektórych problemów. Duże farmy wiatrakowe w Europie stawia się na morzu, kilka kilometrów od wybrzeży. Pojawiły się jednak nowe trudności.
Zrobienie odpowiednio wytrzymałych fundamentów na dnie rozfalowanego morza nie jest łatwe. Morska woda szybko koroduje stalowe konstrukcje, a używanie niekorodujących materiałów podraża inwestycje. Niemniej, naciski polityków i „ekologów” są na tyle mocne, że wiatraki nadal są projektowane i budowane.
W Polsce wielu inwestorów i spółek zdecydowało się na instalacje małych farm wiatrakowych. Moc każdej z nich jest rzędu kilkunastu – kilkudziesięciu megawatów, a łącznie, około pracujących 20 farm, nie daje nawet tyle energii, co mała elektrownia węglowa. Większość inwestorów „przejechała się” na wiatrakach, gdyż elektrownie nie są zainteresowane skupowaniem energii pojawiającej się od przypadku do przypadku, często w najmniej odpowiednich chwilach. Wszyscy mają ciągle nadzieję na dotacje, zwroty i ulgi wymuszane na lokalnych administracjach przez Unię Europejską.
Mimo tak niekorzystnego startu, wiatraki nie znikną z naszego krajobrazu. Mały domek wakacyjny postawiony w takim terenie, gdzie doprowadzenie elektryczności byłoby zbyt kosztowne, może być wyposażony w wiatrak i kilka akumulatorów magazynujących energię wystarczającą do lodówki i oświetlenia. Również niektóre kompanie przemysłowe i handlowe mogą wystawiać na dachu wiatraczki, aby pokazać swoją „poprawność”. Nie oszukujmy się jednak.
„Darmowa” energia z takiego wiatraczka będzie wielokrotnie droższa niż ta z elektrowni (licząc inwestycję), a wystarczy zaledwie do oświetlenia kilku korytarzy.
(ami)
