Elektrownie wiatrowe to urządzenia, które zamieniają energię ruchu mas powietrza w energię kinetyczną ruchu obrotowego wirnika elektrowni. Następnie energia z wirnika przekazywana jest do generatora, który wytwarza energię elektryczną. Ta natomiast zależna jest w znacznej mierze od efektywności użytych podzespołów i parametrów urządzenia. Wśród tych parametrów najważniejsze są z kolei moc generatora, średnica wirnika i efektywność systemów sterujących. Stąd rozwój energetyki wiatrowej to pogoń za coraz mocniejszymi generatorami i większą średnicą skrzydeł. Lecz istnieje kategoria małych elektrowni wiatrowych (MEWi), które w przeciwieństwie do wielkoskalowych elektrowni wiatrowych charakteryzują się niską mocą generatora i pozyskują energię wiatru z przyziemnych warstw atmosfery.

Warto wiedzieć

1. Małe elektrownie wiatrowe z reguły nie przekraczają mocy 50 kW, a ich powierzchnia robocza wirnika jest mniejsza niż 200 m2. Ponieważ polskie prawo przewiduje specjalne wsparcie dla instalacji OZE nie przekraczających 40 kW, ta moc może być traktowana jako graniczna dla MEWi;

2. W Polsce używane mogą być małe elektrownie wiatrowe spełniające normy bezpieczeństwa CE. Warto jednak zwracać uwagę, czy elektrownia posiada inne certyfikaty potwierdzające także jej wydajność, np. brytyjski MCS, amerykański SWCC, niemiecki TÜV Rheinland;

3. W polskich warunkach klimatycznych małe elektrownie wiatrowe powinny być przystosowane do pracy w niskich prędkościach wiatru, co z punktu widzenia konstrukcji turbiny przekłada się na większy wirnik przy zmniejszonej mocy generatora. Dlatego głównym kryterium doboru elektrowni wiatrowej powinna by potwierdzona rzeczywistymi badaniami, krzywa mocy elektrowni i jej wydajność przy prędkościach wiatru 5 – 7 m/s. Tzw. prędkość startowa wiatru elektrowni ma charakter tylko marketingowy i nie powinno się tej wartości brać pod uwagę wybierając model turbiny;

4. Przed rozpoczęciem inwestycji zaleca się przeprowadzenie starannej oceny wietrzności stosując proste metody oceny lokalizacji pod kątem eliminacji wpływu przeszkód terenowych, bądź przeprowadzenie monitoringu warunków wiatrowych przez specjalistyczną aparaturę. Jest to o tyle istotne, że ilość energii z elektrowni wiatrowej jest zależna od trzeciej potęgi prędkości wiatru, co oznacza że wiatr o dwukrotnie większej prędkości może dostarczyć ośmiokrotnie więcej energii;

5. W celu szybszego uzyskania pozwolenia na budowę mała elektrownia wiatrowa nie powinna przekraczać całkowitej wysokości 30 m (wg Ustawy o Ochronie Przyrody), co eliminuje konieczność przeprowadzenia oceny oddziaływania inwestycji na środowisko;

6. Chcąc posadowić turbinę wiatrową na tzw. zgłoszenie, czyli bez pozwolenia budowlanego, należy sytuować turbinę na maszcie nie związanym na stałe z gruntem, tzn. lekkim maszcie kratownicowym z linkami odciągowymi. Jednak tego typu rozwiązania mogą być stosowane tylko dla najmniejszych elektrowni o mocy do 5 kW.

Budowa małej elektrowni wiatrowej

Zasadniczym i wyróżniającym elementem elektrowni wiatrowej jest wirnik, który wychwytuje energię z ruchu mas powietrza i przekształca ją w energię mechaniczną, która przekazywana jest wałem do prądnicy. Istnieje bardzo wiele konstrukcji wirników, jednak najpopularniejszy jest model o poziomej osi obrotu i trzech łopatkach: np. Enwia E40 z mechanicznym nakierowaniem na wiatr (Rys. 2a) lub Aquael Ventus z manualnym statecznikiem (Rys. 2b), ale istnieją również rozwiązania o pionowej osi obrotu: np. typu Darrieus’a (Rys. 2c) lub typu Savonius’a (Rys. 2d).

Rys. 2a,b,c,d Małe elektrownie wiatrowe o poziomej i pionowej osi obrotu

W energetyce wiatrowej stosuje się kilka rodzajów generatorów w zależności od wielkości elektrowni, jak i celu jakiemu energia elektryczna ma służyć, tj.:

A)   ELEKTROWNIE DZIAŁAJĄCE W SIECI WYDZIELONEJ (OFF-GRID)

Rozwiązanie stosowane w elektrowniach najmniejszych mocy (poniżej 20 kW). Stosuje się tutaj prądnice prądu stałego lub małe prądnice trójfazowe w wykonaniu z magnesami trwałymi. Charakteryzują się tym, że pracują one przy zmiennej prędkości obrotowej wirnika. Typowy układ działa z bateriami akumulatorów lub grzałką elektryczną i zasobnikiem wody, w której gromadzona jest energia elektryczna lub ciepło. Ponadto w układzie występują regulatory napięcia oraz (opcjonalnie) falowniki do generowania napięcia zmiennego. Generatory prądu zmiennego również pozwalają na uzyskanie energii prądu stałego. Niezbędne w tym celu jest uprzednie wyprostowanie napięcia oraz odpowiednia regulacja. Z powodu tego, że wartość napięcia i częstotliwości zależne są od prędkości wiatru to do uzyskania stałych wartości częstotliwości i amplitudy napięcia niezbędne jest wykorzystanie układu z dodatkowo umieszczonym falownikiem. Zakres napięć nominalnych przy jakich pracują układy autonomiczne to (12-230) V prądu stałego bądź zmiennego. Małe wymiary elektrowni w zasadzie wykluczają stosowanie wolnoobrotowych generatorów synchronicznych.

Rys. 3 Schemat małej elektrowni wiatrowej działającej na sieci wydzielonej w systemie hybrydowym z instalacją fotowoltaiczną i źródłem awaryjnym (agregatem prądotwórczym)1

B)   ELEKTROWNIE PODŁĄCZONE DO SIECI ENERGETYCZNEJ (ON-GRID)

Energia elektryczna produkowana w takich elektrowniach musi mieć takie same parametry (częstotliwość i napięcie) jak sieć, z którą elektrownia wiatrowa współpracuje. Zwykle prędkość obrotowa turbiny utrzymywana jest na stałym poziomie, jednak stosuje się też układy pracujące ze zmienną prędkością obrotową.

W elektrowniach pracujących na potrzeby sieci energetycznej najczęściej wykorzystywana jest prądnica asynchroniczna. Nie są one szeroko używane poza energetyką wiatrową, i małymi hydroelektrowniami. Maszyny te maja wiele zalet, są bardzo niezawodne, stosunkowo tanie i odporne na przeciążenia. Charakterystyczną cecha generatorów asynchronicznych jest występowanie zjawiska poślizgu. Dzięki niemu prądnica nieznacznie zwiększa lub zmniejsza prędkość, jeśli zmienia się moment napędowy. Jeżeli zaistniałaby potrzeba zastosowania elektrowni z generatorem asynchronicznym do pracy na sieć wydzieloną, gdzie byłby jedynym źródłem energii, wtedy ujawni się wada generatorów asynchronicznych, którą jest konieczność zasilenia uzwojenia stojana (namagnesowania) przed rozpoczęciem pracy. Potrzebne wtedy będzie urządzenie, które dostarczy prąd magnesujący przed rozpoczęciem pracy (kondensatory, akumulator).

Innym rozwiązaniem jest prądnica synchroniczna, składająca się ze stojana (statycznej części prądnicy), a na obwodzie stojana umieszczonych cewek (uzwojenia) w których indukuje się napięcie przemienne. Aby zachować stabilność napięcia i częstotliwości na zaciskach maszyny, strumień magnetyczny oraz prędkość obrotowa wirnika muszą być stałe, stąd nazwa prądnicy (synchronizm prędkości obrotowej wirnika i pola magnetycznego prądnicy). Maszyny synchroniczne charakteryzują się tym, że ich prędkość obrotowa musi dokładnie odpowiadać częstotliwości sieci. Podczas zmian momentu zmienia się jedynie kąt pomiędzy polem elektromagnetycznym wirnika i stojana. Rozwiązaniem, które zapewnia najlepsze wykorzystanie energii wiatru są bezprzekładniowe elektrownie oparte na wolnoobrotowym generatorze synchronicznym. Małe obroty i brak przekładni powoduje znaczne uproszczenie konstrukcji, zmniejszenie zużycia materiałów i generowanego hałasu. Zmienne obroty zwiększają sprawność elektrowni i jej wydajność energetyczną. Wadą tego rozwiązania jest generowana energia elektryczna o innych parametrach, niż parametry sieci. Do podłączenia takiej elektrowni do systemu elektroenergetycznego konieczne są układy elektroniczne dużych mocy.

Rys 4. Schemat instalacji małej energetyki wiatrowej podłączonej do sieci energetycznej

Nakłady inwestycyjne i koszty eksploatacji instalacji fotowoltaicznej

Nakłady inwestycyjne dotyczące budowy małej elektrowni wiatrowej uzależnione są prócz skali inwestycji także od sposobu zagospodarowania energii. Na rysunku 5 zestawiono strukturę nakładów dla systemów wyspowych w wariantach z akumulatorami i zasobnikiem CWU oraz systemów on-grid.

Rys. 5 Struktura nakładów inwestycyjnych dla systemów fotowoltaicznych (źródło: IEO)

Zdecydowaną większość nakładów inwestycyjnych stanowi elektrownia wiatrowa. W wariancie systemu MEWi z akumulatorami dużą część kosztów inwestor musi ponieść na zakup akumulatorów (ok. 24%). Należy mieć na uwadze także fakt, że akumulatory z reguły wymienia się po 10 tys. cyklów ładowania, co może nastąpić w okresie od 5 do 8 lat. Po tym czasie należy wymienić baterie na nowe, co wyraźnie zwiększa koszt użytkowania instalacji. Systemy MEWi z akumulatorami sprawdzą się przede wszystkim tam, gdzie brak jest dostępu do sieci lub koszt jej doprowadzenia jest bardzo wysoki.

Znacznie tańszym rozwiązaniem lokalnego magazynowania energii jest podgrzewanie ciepłej wody użytkowej. Co prawda grzanie wody energią elektryczną może wydawać się być mniej efektywne niż tradycyjnymi metodami (kotły węglowe, kotły na biomasę), to sens wykorzystania MEWi do tych celów broni się kosztem instalacji, ponieważ do podgrzewania ciepłej wody nie potrzebne są skomplikowane systemy sterowania czy wysokiej jakości parametry napięcia, a tym samym w tego typu rozwiązaniach stosuje się proste i tanie generatory prądu, które zasilają tylko grzałkę zasobnika. Dodatkowy koszt może stanowić zakup zasobnika CWU (ok. 9%).

Elektrownie produkujące energię do sieci, zwykle wymagają opracowania bardziej szczegółowej dokumentacji i dokonania dodatkowych czynności administracyjnych), a poza tym (z racji skali inwestycji, tj. z reguły min. 10 do 40 kW) również wymagany jest solidniejszy maszt elektrowni z fundamentem żelbetonowym.

Rys. 6 Nakłady inwestycyjne małych elektrowni wiatrowych (źródło: IEO)

W zależności od sposobu zagospodarowania energii z małej elektrowni wiatrowej średnie koszty jednostkowe przyjmują zróżnicowane wartości. Najtańszymi rozwiązaniami będą MEWi do podgrzewania CWU (ok. 5 000 – 5 500 zł/kW) z uwagi na prosty generator i mało skomplikowaną instalację elektryczną, lecz rekomendowaną maksymalną mocą dla tego typu rozwiązań będzie 10 kW.

Droższym rozwiązaniem są elektrownie przystosowane do współpracy z siecią elektroenergetyczną, z uwagi na konieczność utrzymania przez MEWi jakości parametrów sieci (napięcie, częstotliwość, synchronizacja itp.). Średni koszt jednostkowy dla instalacji on-grid zawiera się między 6 200 – 7 500 zł/kW.

Najdroższe rozwiązanie małej elektrowni wiatrowej stanowi instalacja na sieć wydzieloną z akumulatorami elektrochemicznymi. Tego typu instalacje wymagają akumulatorów, które mogą stanowić nawet 1/4 całej inwestycji, a ponadto potrzebny jest również kontroler ładowania akumulatorów wraz z przekształtnikiem prądu stałego na zmienny. Średnie jednostkowe koszty tego typu instalacji wynoszą ok. 11 000 do 13 500 zł/kW.

Rys.7 Uśrednione roczne koszty eksploatacyjne małych elektrowni wiatrowej (Źródło: IEO)

Rysunek 7 przedstawia zróżnicowane koszty eksploatacji małych elektrowni wiatrowych. Najniższe koszty eksploatacji występują w przypadku systemu MEWi do podgrzewania CWU, ograniczające się do okresowych przeglądów technicznych (średni koszt jednostkowy: 25 – 60 zł/kW). Wyższe koszty występują w instalacjach typu on-grid, w których przeglądy techniczne i wymiana części eksploatacyjnych jest droższa, a dodatkowo występuje ubezpieczenie instalacji. Najwyższe koszty eksploatacyjne występuję w systemach MEWi z akumulatorami, gdzie zakłada się przynajmniej jednokrotną wymianę wszystkich akumulatorów w instalacji (średni koszt jednostkowy wynosi 500 – 600 zł/kW).

Ekonomika małych elektrowni wiatrowych

W niniejszej analizie koszty produkcji energii elektrycznej zostały obliczone metodą tzw. „rozłożonego kosztu produkcji energii”, zwaną LCOE (ang. levelised cost of energy). Istotą tej metody jest to, że koszt produkcji energii elektrycznej wynika z rzeczywistych nakładów poniesionych na inwestycję OZE oraz kosztów eksploatacji podczas całego okresu użytkowania urządzeń. Wyniki obliczeń tą metodą pozwalają na swobodne porównywanie kosztów produkcji energii z różnych źródeł, zarówno tych odnawialnych, jak i konwencjonalnych, w tym energii z sieci elektroenergetycznej.

Rys. 8 Uproszczony wzór obliczenia rozłożonego kosztu produkcji energii

Szczegółowe założenia instalacji fotowoltaicznych o analizowanych mocach zainstalowanych podano poniżej:

1. Instalacja korzysta z programu wsparcia NFOŚiGW „Prosument” (tzn. 40% dotacji do kosztów kwalifikowanych małej elektrowni wiatrowej + kredyt preferencyjny)

2. Instalacja przyłączona do sieci zgodnie wg kryteriów stosowanych dla mikroinstalacji określonych w najnowszym projekcie Ustawy o OZE (wersja 6.3) z dnia 28 marca 2014

3. W instalacji nie uwzględniono kosztów magazynowana energii (ani w akumulatorach elektrochemicznych, ani w zasobniku CWU)

4. Okres trwałości instalacji – 15 lat

5. Wewnętrzna stopa zwrotu inwestycji – 8%

Rys. 9 Koszty produkcji energii elektrycznej w małych elektrowniach wiatrowych w zależności od ich mocy znamionowej (źródło: IEO)

Na podstawie wyników obliczeń kosztów produkcji energii z małych elektrowni wiatrowych można wywnioskować, że największą opłacalność inwestycji można uzyskać w instalacji o mocach z górnego przedziału zakresu (40 kW), gdzie koszt LCOE równoważy się ze średnimi stawkami za energię elektryczną z sieci w taryfach G (dla gospodarstw domowych) i C (dla małych i średnich firm).

Należy mieć dodatkowo na uwadze fakt, że mała elektrownia wiatrowa może działać z różnych warunkach wiatrowych osiągając przy tym odmienne współczynniki wykorzystania mocy (kWh/rok), tj. liczbę godzin w ciągu roku, kiedy turbina działa z mocą maksymalną. Z reguły MEWi o małej mocy lokalizowane są w gorszych warunkach wiatrowych i osiągają gorsze współczynniki, co przekłada się na wyższy koszt LCOE.

Ponieważ nie uwzględniono kosztów magazynowania energii (przyjęto wariant, że cała energia elektryczna generowana przez małą elektrownię wiatrową jest na bieżąco konsumowana przez inwestora), analiza nie odzwierciedla rzeczywistych kosztów zarządzania energią z instalacji o założonej mocy. Istnieje kilka możliwości zarządzania energią:

Konsumpcja energii na potrzeby własne:

W tym przypadku wymagane byłyby baterie akumulatorów do magazynowania energii. Koszt magazynowania energii, który średnio wynosi od 2 do 6 zł/kWh zmagazynowanej energii, zupełnie wyklucza opłacalność, gdyż okres zwrotu inwestycji (w porównaniu do zasilania z sieci) jest dłuższy niż trwałość małej elektrowni wiatrowej. Tego rodzaju instalacje są stosowane przede wszystkim w miejscach, gdzie nie opłaca się doprowadzać infrastrukturę dystrybucji energii elektrycznej.

Sprzedaż całej energii do sieci:

Tego rodzaju rozwiązanie jest opłacalne w momencie, gdy stawki za energię elektryczną oddawaną do sieci są na tyle wysokie, by mogły zrównoważyć rozłożony koszt produkcji energii z instalacji PV (rys. 7). W obecnej wersji projektu Ustawy o OZE (v6.3 z 28.03.2014), gdy wspomniana stawka wynosi 80% ceny energii na rynku hurtowym (tj. ok. 0,14zł/kWh), w przypadku tego rozwiązania okres zwrotu inwestycji przewyższa okres trwałości instalacji,

Dominacja konsumpcji własnej ze sprzedażą nadwyżek energii do sieci:

Rozwiązanie uwzględniające elementy obydwu wyżej przedstawionych rozwiązań może skutecznie skrócić okres zwrotu inwestycji. W tym celu należy tak dobrać moc znamionową elektrowni wiatrowej, by zmaksymalizować zużycie generowanej energii na potrzeby własne, ale bez korzystania z magazynów energii, podczas gdy resztę nadwyżek wyprodukowanej energii oddawać do sieci. W tym momencie inwestor zarabia na oszczędzaniu energii niezużywanej z sieci energetycznej (po średnich stawkach 0,60 – 0, 75 zł/kWh), oszczędza także na niemagazynowaniu energii w akumulatorach. W przypadku takiego rozwiązania inwestor może liczyć na zwrot inwestycji w przeciągu 10 lat (dla instalacji z górnego przedziału mocy, tj. 30-40 kW), w zależności od dynamiki wzrostu cen energii elektrycznej z sieci i udziału konsumpcji własnej w wolumenie energii wyprodukowanej z instalacji fotowoltaicznej.