10. Przybrzeżne elektrownie wiatrowe

 Przybrzeżna farma wiatrowa London Array znacząco przyczyni się do osiągnięcia przez Wielką Brytanię jej celów dotyczących energetyki odnawialnej.
James Smith, prezes koncernu Shell w Wielkiej Brytanii
Energia elektryczna jest zbyt istotnym towarem, by traktować ją jako program tworzenia nowych miejsc pracy w przemyśle turbin wiatrowych.
David J. White

Wiatry wiejące nad morzem są silniejsze i stabilniejsze niż te nad lądem. Dzięki temu przybrzeżne farmy wiatrowe dostarczają więcej mocy na jednostkę powierzchni niż farmy lądowe. Farma wiatrowa Kentish Flats, położona na Morzu Północnym, u ujścia Tamizy, około 8,5 km od miejscowości Whitstable i Herne Bay, rozpoczęła pracę pod koniec 2005 roku. Oczekiwano, że jej średnia moc na jednostkę powierzchni wyniesie 3,2 W/m2. W roku 2006 średnia moc elektrowni wyniosła 2,6 W/m2.

Zakładam, że moc na jednostkę powierzchni równa 3 W/m2 (o 50% większa niż nasze oszacowanie dla elektrowni wiatrowych na lądzie – 2 W/m2) jest odpowiednią liczbą dla przybrzeżnych farm wiatrowych w Wielkiej Brytanii.

Warunki wiatrowe na Bałtyku są nieco gorsze niż na Morzu Północnym, jednak zostawimy te oszacowania Davida bez zmian.

Potrzebujemy teraz oszacowania, jak duża powierzchnia morza w rzeczywistości mogłaby zostać pokryta turbinami wiatrowymi. Zgodnie z przyjętą konwencją powinniśmy podzielić przybrzeżne elektrownie wiatrowe na znajdujące się na płytkich wodach i te, które usytuowane są na głębokich akwenach.Według powszechnej opinii płytko posadownione elektrownie wiatrowe (budowane na dnie o głębokości do 25–30 m), chociaż są prawie dwa razy droższe od elektrowni lądowych, to przy niewielkich dopłatach są ekonomicznie opłacalne. Z kolei budowa elektrowni osadzonych głęboko na dnie morza nie jest obecnie opłacalna. Do roku 2008 powstała zaledwie jedna taka farma wiatrowa na wodach brytyjskich jako próbny prototyp, przesyłający wyprodukowaną przez siebie energię do położonej niedaleko platformy wiertniczej Beatrice.

wiatraki na wodzie

Fot. 10.1. Kentish Flats – farma wiatrowa w płytkich wodach przybrzeżnych. Każdy wirnik ma średnicę 90 m, a jego środek znajduje się w głowicy na wysokości 70 m. Każda turbina o mocy maksymalnej 3 MW waży 500 ton,
połowa to waga fundamentów. Fot. © Elsam. Użyte za pozwoleniem.

Płytko położone przybrzeżne elektrownie wiatrowe

W granicach brytyjskich wód terytorialnych obszary płytkie to około 40 000 km2, z czego większość znajduje się u wybrzeży Anglii i Walii. To dwukrotność powierzchni Walii.
Średnia moc możliwa do uzyskania z farm wiatrowych, pokrywających cały ten teren, wynosiłaby 120 GW lub 48 kWh na osobę dziennie. Jednakże trudno wyobrazić sobie pogodzenie tych planów z żeglugą. Jestem pewien, że na znaczących obszarach zakazano by budowy farm wiatrowych. Musimy więc zredukować dostępną powierzchnię o tereny stanowiące korytarze żeglugowe oraz wykorzystywane przez rybołówstwo. Proponuję, byśmy oszacowali dostępną część na jedną trzecią całości tych akwenów. A zatem oszacowana przez nas maksymalna rzeczywista moc dostępna z płytko posadowionych przybrzeżnych farm wiatrowych wynosi 16 kWh na osobę dziennie.

mapa  mapa

Rys. 10.2. Brytyjskie wody terytorialne płytsze niż 25 m (kolor żółty) i o głębokości pomiędzy 25 m a 50 m (kolor fioletowy). Dane pochodzą z DTI Atlas of Renewable Marine Resources. © Prawa autorskie do publikacji rządowych

Zanim przejdziemy dalej, chciałbym zaznaczyć, jak wielka powierzchnia morza – dwie trzecie Walii – jest potrzebna, by dostarczyć 16 kWh na osobę dziennie. Jeśli wzdłuż całej linii brzegowej Wielkiej Brytanii (długość: 3000 km) wybudujemy pas turbin o stałej szerokości 4 km, to będzie on miał powierzchnię 13 000 km2. To powierzchnia, którą musimy zapełnić turbinami, żeby dostarczyć moc 16 kWh na osobę dziennie. By pokazać to w inny sposób, rozważmy liczbę turbin, które musiałyby być użyta. Moc 16 kWh na osobę dziennie byłaby dostarczana przez 44 000 „3 MW” turbin, co oznacza 15 elektrowni na kilometr linii brzegowej, gdyby rozmieścić je wszystkie w równych odstępach na 3000 km wybrzeża.

Przybrzeżna energetyka sprawia wiele problemów ze względu na korozyjne działanie morskiej wody. Na terenie dużej duńskiej farmy wiatrowej Horns Reef wszystkie 80 turbin trzeba było rozmontować i naprawić zaledwie po 18 miesiącach wystawienia na działanie morskiego wiatru. Wszystko wskazuje na to, że turbiny z Kentish Flats mają podobne problemy ze skrzyniami biegów, a jedna trzecia z nich musiała zostać wymieniona w ciągu pierwszych 18 miesięcy użytkowania.

Polskie wody terytorialne to około 8000 km2, przy czym przybrzeżne wody Bałtyku Południowego mają niewielkie głębokości, nieprzekraczające 20 m. Średnia moc możliwa do uzyskania z farm wiatrowych, pokrywających cały ten teren, wynosiłaby 24 GW lub 10 kWh na osobę dziennie. Przy założeniu wykorzystania 40% tego obszaru (więcej niż dla Wielkiej Brytanii) na potrzeby energetyki wiatrowej uzyskujemy 4 kWh na osobę dziennie.

Głęboko posadowione przybrzeżne elektrownie wiatrowe

elektrownie wiatrowe

Rys. 10.3. Przybrzeżne elektrownie wiatrowe

Obszary o głębokości pomiędzy 25 m a 50 m zajmują około 80 000 km2 – taką powierzchnię ma Szkocja. Zakładając ponownie, że moc na jednostkę powierzchni wynosi 3 W/m2, głęboko posadowione przybrzeżne farmy wiatrowe mogłyby dostarczyć kolejne 240 GW, czyli 96 kWh na osobę dziennie, gdyby obszar ten całkowicie pokryć wiatrakami. Ponownie musimy wziąć pod uwagę korytarze żeglugowe. Proponuję, tak jak poprzednio, przyjąć jedną trzecią powierzchni jako możliwą do zabudowania farmami wiatrowymi. Obszar ten będzie więc o około 30% większy niż Walia i duża jego część będzie znajdowała się w odległości większej niż 50 km od wybrzeża.

Rezultat: jeśli powierzchnia równa pasowi o szerokości 9 km, położonemu wzdłuż wybrzeża, zostałaby wypełniona turbinami, to mogłyby one dostarczyć moc 32 kWh na osobę dziennie. To faktycznie wielka ilość energii, lecz wciąż niewystarczająca, by zaspokoić nasze ogromne zużycie. I wciąż jeszcze nie wspomnieliśmy o problemie sporadyczności wiatru. Powrócimy do tego tematu w rozdziale "Fluktuacje i magazynowanie energii".

Umieszczę ten potencjalny udział „głębokich” przybrzeżnych elektrowni wiatrowych w słupku produkcji z zastrzeżeniem, że – jak już wcześniej wspomniałem – eksperci od energetyki wiatrowej obliczyli, że ten rodzaj energetyki jest niezmiernie kosztowny.

W przypadku Polski jedyne głęboko położone wody terytorialne to rejon Zatoki Gdańskiej, gdzie dno opada w stronę Głębi Gdańskiej. Względnie mała powierzchnia tego obszaru w stosunku do całości wód terytorialnych, jak i intensywna żegluga nie czynią z niego atrakcyjnego miejsca do budowy elektrowni wiatrowych.
Można za to rozważyć budowę głęboko posadowionych elektrowni wiatrowych POZA wodami terytorialnymi. Na razie jednak, do momentu znaczącego wykorzystania wód terytorialnych, pomińmy tę możliwość i przyjmijmy, że dla Polski energia pochodząca z głęboko posadowionych elektrowni wiatrowych wyniesie 0 kWh na osobę dziennie.

Trochę porównań i kosztów

Jak więc ma się nasz wyścig pomiędzy zużyciem energii a jej produkcją? Po dodaniu przybrzeżnych elektrowni wiatrowych zarówno płytko-, jak i głębokowodnych do słupka produkcji, zielony słupek wyszedł na prowadzenie. Tym, co chciałbym, abyś dostrzegł w wyścigu, jest kontrast: jak łatwo jest dorzucić większy klocek do słupka zużycia i jak trudne jest podwyższanie słupka produkcji. Podczas pisania tego akapitu poczułem, że jest mi trochę zimno, więc podkręciłem odrobinę ogrzewanie. Łatwo jest zużywać dodatkowe 30 kWh dziennie. Jednakże wyciśnięcie kolejnych 30 kWh na osobę dziennie z odnawialnych źródeł energii wymaga tak dużej industrializacji środowiska, że aż trudno to sobie wyobrazić.

rury

Fot. 10.5. Rury do budowy gazociągu Langeled. Zdjęcie pochodzi z Bredero–Shaw.

By wytworzyć 48 kWh dziennie na osobę z przybrzeżnych elektrowni wiatrowych w Wielkiej Brytanii, potrzebne jest 60 milionów ton betonu i stali – jedna tona na osobę. Roczna światowa produkcja stali wynosi około 1200 milionów ton, co oznacza 0,2 tony na osobę na świecie. Podczas drugiej wojny światowej amerykańskie stocznie zbudowały 2751 statków klasy Liberty, każdy zawierający 7 000 ton stali, co w sumie daje 19 milionów ton stali lub 0,1 tony na Amerykanina. Tak więc wybudowanie 60 milionów ton turbin nie jest poza zasięgiem naszych możliwości, jednakże nie oszukujmy się, myśląc, że jest to łatwe. Wytworzenie tak wielu wiatraków jest wyczynem porównywalnym z budową statków Liberty.

Dla porównania, aby w Wielkiej Brytanii wytworzyć 48 kWh mocy na dobę na osobę z energetyki jądrowej, potrzeba 8 milionów ton stali i 140 milionów ton betonu. Możemy także porównać 60 milionów ton elementów konstrukcyjnych potrzebnych do wybudowania rozważanych przybrzeżnych elektrowni wiatrowych, z istniejącą infrastrukturą eksploatacji paliw kopalnych znajdującą się pod wodami i wokół Morza Północnego (rys. 10.4). W 1997 roku 200 instalacji oraz 7000 km rurociągów w wodach Morza Północnego, należących do Wielkiej Brytanii, zawierało w sobie 8 milionów ton stali i betonu. Nowo wybudowany gazociąg Langeled, biegnący z Norwegii do Wielkiej Brytanii, dostarczający gaz w ilości odpowiadającej mocy 25 GW (10 kWh na dobę na osobę), pochłonął kolejny milion ton stali i milion ton betonu.

platforma

Fot. 10.4. Platforma Magnus, położona w brytyjskiej północnej części Morza Północnego, składa się z 71 000 ton stali. W roku 2000 platforma ta dostarczyła 3,8 miliona ton ropy i gazu, co odpowiada mocy 5 GW. Koszt platformy to 1,1 miliarda funtów. Fot. Terry Cavner.

Rząd brytyjski ogłosił 10 grudnia 2007 roku, że mógłby zezwolić na utworzenie 33 GW mocy z przybrzeżnych elektrowni wiatrowych (co pozwoliłoby na dostarczenie Wielkiej Brytanii średnio 10 GW, czyli 4,4 kWh na osobę dziennie). Plan ten przez niektórych w branży wiatrowej nazywany jest „gruszkami na wierzbie” („pie in the sky”). Zaokrąglijmy tę liczbę do 4 kWh na osobę dziennie [co odpowiada naszym oszacowaniom dla Polski – red.] To jedna czwarta mojego oszacowania dla płytko posadowionych przybrzeżnych elektrowni wiatrowych (16 kWh na osobę dziennie). By uzyskać taką średnią moc, potrzeba około 10 000 „3 MW” turbin wiatrowych – takich jak na rysunku 10.1 (mają one maksymalną moc 3 MW, jednakże średnio dostarczają 1 MW).

Ile kosztowałoby wzniesienie tych „33 GW” mocy? No cóż, „90 MW” farma wiatrowa, Kentish Flats, kosztowała 105 milionów funtów, więc „33 GW” powinny kosztować około 33 miliardów funtów. Jednym ze sposobów, by wyjaśnić, co oznacza przeznaczenie 33 miliardów funtów na przybrzeżne elektrownie wiatrowe, dostarczające 4 kWh na dobę na osobę, jest rozdzielenie tej kwoty pomiędzy mieszkańców Wielkiej Brytanii, co daje 550 funtów na osobę. Nawiasem mówiąc, jest to znacznie lepszy interes niż w przypadku mikroturbin. Montowane na dachach mikroturbiny kosztują obecnie około 1500 funtów i, nawet przy dość optymistycznie założonej prędkości wiatru równej 6 m/s, dostarczają zaledwie 1,6 kWh/dobę. W rzeczywistości, w typowej miejskiej lokalizacji w Anglii, takie turbiny dostarczają jedynie 0,2 kWh dziennie.

Kolejnym wąskim gardłem, ograniczającym instalowanie turbin wiatrowych, jest potrzeba użycia do tego celu specjalnych statków. By postawić 10 000 turbin wiatrowych („33 GW”) w ciągu 10 lat, potrzeba około 50 specjalnych platform samopodnoszących. Ponieważ każda kosztuje 60 milionów funtów, to dodatkowo trzeba w nie zainwestować 3 miliardy funtów. Nic wielkiego w porównaniu z wspomnianymi 33 miliardami funtów, ale potrzeba wykorzystania specjalnych barek jest elementem wymagającym wcześniejszego zaplanowania.

Koszty dla ptaków

Czy wiatraki zabijają „ogromne liczby” ptaków? Farmy wiatrowe okryły się ostatnio złą sławą w Norwegii, gdzie turbiny wiatrowe położone na Smola, grupce wysepek przy północno-zachodnim wybrzeżu, zabiły 9 orłów bielików w ciągu 10 miesięcy. Podzielam troskę BirdLife International o ochronę rzadkich gatunków. Jednak, jak zawsze, wydaje mi się, że warto bliżej przyjrzeć się liczbom.

koty

Rys. 10.6. Liczba ptaków ginących w różnych okolicznościach. Roczna liczba ptaków zabijanych w Danii przez turbiny wiatrowe, samochody i koty. Liczby z Lomborg (2001). Zderzenia z oknami zabijają mniej więcej tyle samo ptaków co koty.

Oszacowano, że w Danii rocznie turbiny wiatrowe zabijają 30 000 ptaków. Jednocześnie wiatraki generują 19% elektryczności. Horror! Zakazać wiatraków! Jednakże wiemy również, że ruch samochodowy zabija w Danii jeden milion ptaków rocznie. Trzydzieści trzy razy większy horror! Trzydzieści trzy razy więcej powodów, żeby zakazać samochodów! Zaś w Wielkiej Brytanii 55 milionów ptaków rocznie jest zabijanych przez koty.

Kierując się tylko emocjami, wolałbym żyć w kraju bez żadnych samochodów, właściwie żadnych wiatraków, ale z mnóstwem kotów i ptaków (z kotami polującymi na ptaki i jednocześnie będącymi ofiarą norweskich bielików, by wyrównać szanse). Jednakże tak naprawdę chciałbym po prostu, by decyzje dotyczące samochodów i wiatraków były podejmowane na podstawie racjonalnego, opartego na faktach myślenia, a nie tylko emocji. Może jednak potrzebujemy wiatraków!

Rozdział 10 w wersji PDF możesz pobrać tutaj.

Wykonanie PONG, grafika GFX RedFrosch.



logowanie | nowe konto