IV DNI ENERGII ODNAWIALNEJ Aspekty techniczne i ekonomiczne elektrowni wiatrowych dr inż. Zbigniew Wyszogrodzki POWIAT BRODNICKI Jabłonowo Pomorskie, 12.09.2012

Elektrownia wiatrowa Elektrownia wiatrowa to zespół urządzeń produkujących energię elektryczną, wykorzystujących do tego turbiny wiatrowe. Farma wiatrowa to zespół kilku – kilkuset elektrowni wiatrowych.

Energia z wiatru Energia elektryczna uzyskana z wiatru jest uznawana za ekologicznie czystą, gdyż, pomijając nakłady energetyczne związane z wybudowaniem takiej elektrowni, wytworzenie energii nie pociąga za sobą spalania żadnego paliwa.

Energia z wiatru – opis układu Budowa elektrowni wiatrowej: fundament, wieża, gondola – wirnik, generator, (przekładnia), urządzenia pomocnicze.

Energia z wiatru – opis układu Energetyka wiatrowa - uproszczony schemat budowy typowej siłowni wiatrowej dla energetyki zawodowej.

Energia z wiatru – opis układu Elektrownia wiatrowa Vestas V80 (2MW) Sterownik piasty. Cylinder systemu sterowania łopatami. Oś główna. Chłodnica oleju. Skrzynia przekładniowa. Sterownik VIP z konwerterem. Hamulec postojowy. Dźwig serwisowy. Transformator. Piasta wirnika. Łożysko łopaty. Łopata. Układ blokowania wirnika. Układ hydrauliczny. Tarcza hydraulicznego układu hamowania wirnika. Pierścień układu kierunkowania. Rama. Koła zębate układu kierunkowania. Generator. Chłodnica generatora.

Energia z wiatru – opis układu Wirnik najważniejsza część elektrowni wiatrowej, następuje w nim zamiana energii wiatru na energię mechaniczną, osadzony jest na wale, poprzez który napędzany jest generator.

Energia z wiatru – opis układu Wirnik prędkość obrotowa 15-20 obr/min, typowy generator asynchroniczny wytwarza energię elektryczną przy prędkości ponad 1500 obr/min, niezbędne jest użycie przekładni lub układu energoelektronicznego.

Energia z wiatru – opis układu Wirnik najczęściej spotykane: wirniki trójpłatowe, zbudowane z włókna szklanego wzmocnionego poliestrem, w pieście wirnika umieszczony jest serwomechanizm pozwalający na ustawienie kąta nachylenia łopat (skoku).

Energia z wiatru – opis układu Gondola konieczność zapewnienia obrotu o 360° w celu optymalizacji położenia względem wiatru, silnik zainstalowany na szczycie wieży, który poprzez przekładnię zębatą może ją obracać, w elektrowniach małej mocy, jej ustawienie pod wiatr zapewnia ster kierunkowy zintegrowany z gondolą.

Energia z wiatru – opis układu Przekładnia komplikuje budowę elektrowni wiatrowej, zmniejsza sprawność, utrudnia czynności serwisowe i naprawcze,

Energia z wiatru – opis układu Rozwiązania bezprzekładniowe w turbinach dużej mocy, popularność zdobywa koncepcja z wolnoobrotowym generatorem synchronicznym, w której za wartość częstotliwości wyjściowej odpowiada układ energoelektroniczny.

Energia z wiatru – opis układu Pozostałe urządzenia mechanizm ustawienia łopat i kierunkowania elektrowni zarządzany przez układ mikroprocesorowy na podstawie danych wejściowych (np. prędkości i kierunku wiatru), ponadto: transformator, łożyska, układy smarowania oraz hamulec zapewniający zatrzymanie wirnika w sytuacjach awaryjnych.

Zależność mocy od prędkości wiatru Przykładowa krzywa mocy (ENERCON E70 – 2.300 kW)

Krzywa mocy Przebieg krzywej zależy od konstrukcji turbiny (a w szczególności płatów wirnika) i jej układów regulacji.

Krzywa mocy Charakterystyczne punkty: Punkt startu (cut on) jest to prędkość wiatru począwszy od której śmigła zaczynają się obracać i na wale turbiny pojawia się moment mechaniczny. W zależności od konstrukcji turbiny punkt startu ma wartość od 2,5 m/s do 5 m/s.

Krzywa mocy Charakterystyczne punkty: Punkt wyłączenia (cut off) jest to prędkość, przy której następuje zatrzymanie turbiny ze względu na zagrożenie mechaniczne konstrukcji. Punkt wyłączenia ma wartość z przedziału 23 do 27 m/s.

Krzywa mocy Charakterystyczne punkty: Punkt prędkości znamionowej jest to prędkość wiatru, przy której turbina osiąga swoją moc znamionową. Zazwyczaj jest to prędkość od 11 do 16 m/s.

Zmienność czasowa produkcji Zmiany produkcji energii wiatrowej w ciągu doby

Zmienność czasowa produkcji wiatr w ciągu większości dni jest słabszy w nocy, a silniejszy w dzień, zmiany produkcji energii wiatrowej w ciągu dnia pasują do zmian dobowej konsumpcji energii, w nocy, kiedy zapotrzebowanie na energię spada, produkcja energii w elektrowniach wiatrowych również spada.

Energetyka wiatrowa w Polsce

Energetyka wiatrowa

Energetyka wiatrowa Średnie roczne prędkości wiatru w Łebie i Nowym Sączu na przestrzeni 33 lat.

Energetyka wiatrowa w Polsce Łączna moc zainstalowana 1180 MW (stan na 31.12.2010, źródło: URE) oraz pojedyncze turbiny lub zespoły kilku turbin o małej mocy rozsiane po całym kraju

Energetyka wiatrowa w Polsce łącznie w Polsce posadowionych jest 320 koncesjonowanych źródeł, nasycenie elektrowniami wiatrowymi w Polsce należy do najniższych w Europie, moc zainstalowana w energetyce wiatrowej: na mieszkańca - 0,012 kW, na 1 km2 obszaru lądowego - 1,44 kW.

Energetyka wiatrowa w Polsce Produkcja energii ELEKTRYCZNEJ Z wiatru, GWh: 2004: 142,3 2005: 135,3 2006: 388,4 2007: 494,2 2008: 790,2 2009: 864,5

Energetyka wiatrowa w Polsce Udział generacji wiatrowej w krajowym zużyciu energii elektrycznej: 2004: 0,1% (142GWh/ 144TWh) 2005: 0,09% (135GWh/ 145TWh) 2006: 0,26% (388,4GWh/ 149TWh) 2007: 0,32% (494,2GWh/ 154TWh) 2008: 0,51% (790,2GWh/ 153TWh) 2009: 0,58% (864,5GWh/ 148,7TWh)

Energetyka wiatrowa w Polsce Udział energetyki wiatrowej w mocy zainstalowanej w OZE. Źródło: URE Moc zainstalowana w [MW] w OZE w latach 2005-2009 (bez technologii współspalania) stan na 31.12.2010 r.

Energetyka wiatrowa w Polsce Udział generacji wiatrowej w krajowej produkcji energii elektrycznej z OZE. Źródło: URE Produkcja energii elektrycznej (MWh) przez poszczególne technologie OZE oraz świadectwa pochodzenia w latach 2005 – 2009 (stan na 14.01.2010).

Energetyka wiatrowa w Polsce Produkcja energii elektrycznej w (MWh) przez poszczególne technologie OZE w latach 2005 – 2009. Źródło: Opracowanie PSEW na podstawie danych URE. Stan na 14.01.2010

Energetyka wiatrowa w Polsce Mapa odnawialnych źródeł energii Źródło: PSEW .Stan na 31.12.2010

Energetyka wiatrowa w Polsce Mapa odnawialnych źródeł energii Źródło: PSEW .Stan na 31.12.2010   Moc - cała Polska ( MW) Wiatr 1180 Biomasa 356 Biogaz 82 Woda 937

Energetyka wiatrowa w Polsce Nowe przyłączenia (w realizacji):

Energetyka wiatrowa w Polsce Pod kątem mocy zainstalowanej w energetyce wiatrowej Polska nie jest jeszcze widzialna na mapie świata… jesteśmy daleko za Niemcami, USA, Hiszpanią, Danią, Włochami, UK, Holandią, Portugalią, Francją, Grecją, Szwecją, Irlandią… ale kraj nasz posiada duży potencjał rozwojowy.

Energetyka wiatrowa na świecie moc zainstalowana w energetyce wiatrowej na świecie: ok. 94 000 MW, największy rynek: Niemcy – moc zainstalowana 22 247 MW, II miejsce: USA - moc blisko 17 000 MW, III miejsce: Hiszpania – moc 15 145 MW.

Energetyka wiatrowa na świecie Przyrosty mocy w energetyce wiatrowej (2006) USA - 5 244 MW, Niemcy - 1 667 MW, Hiszpania - 3 522 MW, Chiny - 3 449 MW.

Energetyka wiatrowa na świecie Udział generacji wiatrowej w pokryciu krajowego zapotrzebowania na energię: Dania - 20% Hiszpania - 9% Niemcy - 7% EU-25 - 3,3%.

Energetyka wiatrowa na świecie Łączna moc (w MW) zainstalowana na 10 największych rynkach wraz z tempem ich rozwoju: Kraj Moc zainst. w 2001 (MW) Moc zainst. w 2002 (MW) Moc zainst. w 2003 (MW) Moc zainst. w 2004 (MW) Moc zainst. w 2005 (MW) Moc zainst. w 2006 (MW) Moc zainst. w 2007 (MW) Niemcy 8743 11968 14612 16649 18428 20622 22247 USA 4245 4674 6361 6750 9149 11603 16818 Hiszpania 3550 5043 6420 8263 10027 11615 15145 Indie 1456 1702 2125 3000 4430 6270 8000 Chiny 406 473 571 769 1267 2604 6050 Dania 2456 2880 3076 3083 3122 3136 3125 Włochy 700 806 922 1261 1717 2123 2726 Japonia 357 486 761 991 - 1431 UK 525 570 759 889 1353 1963 2389 Holandia 523 727 938 1081 1219 1560 1746

Elektrownie wiatrowe morskie (offshore)

Elektrownie wiatrowe morskie Potencjał techniczny 25 000 TWh w 2020 r. 30 000 TWh w 2030 r. Zapotrzebowanie na energię UE 3 537 TWh w 2020 r. 4 279 TWh w 2030 r. Potencjał energii wiatrowej na morzu przekracza łączne zapotrzebowanie krajów Unii Europejskiej na energię elektryczną 7- krotnie.

Elektrownie wiatrowe morskie Osiem morskich farm wiatrowych 100 x 100 km będzie w stanie wyprodukować 3000 TWh – tyle wynosi zapotrzebowanie krajów UE na energię elektryczną. Źródło: Siemens

Elektrownie wiatrowe morskie Wyszczególnienie europejskich instalacji farm morskich (koniec 2010 r.) Źródło: EWEA 2009

Elektrownie wiatrowe morskie Moc zainstalowana - stan 2010 r.: 2.056 MW, 9 krajów Źródło: EWEA 2009

Elektrownie wiatrowe morskie Turbiny wiatrowe - stan 2010 r.: 828 szt. Źródło: EWEA 2009

Elektrownie wiatrowe morskie Rozwój energetyki wiatrowej morskiej, 1991-2009 (MW) Źródło: EWEA 2009

Elektrownie wiatrowe morskie Morskie farmy wiatrowe: średnia moc turbiny: 2,9 MW, moc farm wiatrowych: od 2 MW (Lely, Holandia, 1994 r.) do 209 MW (Horns Rev 2, Dania, 2010 r.), średnia moc morskiej farmy wiatrowej: 2008 r. – 62,2 MW 2009 r. – 72,1 MW

Elektrownie wiatrowe morskie Średnia moc morskiej farmy wiatrowej, MW Źródło: EWEA 2009

Elektrownie wiatrowe morskie Średnia moc turbiny morskiej farmy wiatrowej, MW Źródło: EWEA 2009

Elektrownie wiatrowe morskie Dynamika rozwoju: 2008: 366 MW – moc zainstalowana w ciągu roku 1 471 MW – łączna moc zainstalowana 2009: 420 MW – moc zainstalowana w ciągu roku 2 000 MW – łączna moc zainstalowana

Elektrownie wiatrowe morskie Średnia głębokość w miejscu instalacji, m Źródło: EWEA 2009

Elektrownie wiatrowe morskie Głębokość w miejscu instalacji, m Źródło: EWEA 2009

Elektrownie wiatrowe morskie Średnia głęb. w miejscu instalacji w poszczególnych farmach, m Źródło: EWEA 2009

Elektrownie wiatrowe morskie Koncepcja montażu Źródło: Boczar T. Energetyka wiatrowa. Aktualne możliwości wykorzystania. Wydawnictwo Pomiary Automatyka Kontrola 2008.

Elektrownie wiatrowe morskie Średnia odległość od brzegu, km Źródło: EWEA 2009

Elektrownie wiatrowe morskie Odległość od brzegu, km Źródło: EWEA 2009

Elektrownie wiatrowe morskie Średnia odległość od brzegu w poszczególnych farmach, km Źródło: EWEA 2009

Elektrownie wiatrowe morskie Zalety elektrowni morskich: wiatr jest silniejszy i bardziej stabilny, niż na lądzie, wiatry wokół Europy mają zdolność 7- krotnego zaspokojenia potrzeb energetycznych kontynentu, turbiny morskie produkują energię elektryczną przez 70 – 90% czasu,

Elektrownie wiatrowe morskie Zalety elektrowni morskich: morska energia wiatrowa zapewnia bezemisyjną produkcję energii dla Europy, w roku 2020, 40 GW zainstalowanych we wiatrakach pozwoli uniknąć emisji 85 mln ton emisji CO2 i wyprodukować 148 TWh energii elektrycznej.

Elektrownie wiatrowe morskie Zalety elektrowni morskich: Europa jest liderem w zakresie technologii i instalacji elektrowni morskich, elektrownie morskie zapewniają miejsca pracy i regenerują obszary brzegowe.

Elektrownie wiatrowe morskie Farma o mocy 100 GW: pokrywa 10% zapotrzebowania UE na energię elektryczną, pozwala uniknąć emisji 200 mln ton CO2 rocznie, stanowi atrakcyjny kierunek inwestowania.

Elektrownie wiatrowe morskie Nakłady – roczne i skumulowane, 2011-2020, mld € Roczne nakłady (prawa oś) Nakłady skumulowane (lewa oś) Źródło: EWEA 2009

IV DNI ENERGII ODNAWIALNEJ Aspekty techniczne i ekonomiczne elektrowni wiatrowych dr inż. Zbigniew Wyszogrodzki POWIAT BRODNICKI Jabłonowo Pomorskie, 12.09.2012