Temat ten warto podjąć z racji zainteresowaniu wielu osób w Polsce tym tematem: widzimy coraz więcej farm wiatrowych, a w serwisach – nie tylko tematycznych – co jakiś czas pojawiają się informacje na temat nowych inwestycji w turbiny wiatrowe.
Jednak zacznijmy od początku – garść przydatnych informacji.
Elektrownia wiatrowa – zasada działania
Wiatraki znane są ludzkości od setek lat. Pierwsze z nich służyły jako źródło napędu dla młynów – były źródłem energii mechanicznej. Późniejsze konstrukcje umożliwiały przepompowywanie wody, a jeszcze później zaczęto wykorzystywać wiatraki do napędzania prądnic i generowania prądu elektrycznego.
Początkowo budowano wyłącznie generatory wiatrowe do ładowania akumulatorów, a później także do uzyskiwania wodoru w procesie elektrolizy. Dopiero w 1950 roku inżynier Johaness Juul skonstruował pierwszą elektrownię wiatrową z generatorem prądu przemiennego, a w roku 1957 zbudował na wybrzeżu Danii siłownię o mocy 200 kW. Co ciekawe jego założenia techniczne do dziś uważane sa za nowoczesne. Podstawową zasadą wykorzystywaną w elektrowniach wiatrowych jest wytwarzanie energii elektrycznej w generatorze poruszanym śmigłem o łopatach napędzanych wiatrem.
Zasada działania turbiny skonstruowanej przez Juula opierała się na minimalizacji ilości łopat, ustawieniu trójpłatowego wirnika z przodu zespołu generatora (tzw. up-wind), zastosowaniu generatora asynchronicznego, wykorzystaniu mechanizmu ustawiającego kierunek, zastosowanie hamulca areodynamicznego oraz regulację mocy poprzez zmianę kąta natarcia łopat wirnika (łopaty obracają się każda wzdłuż swojej osi, aż do możliwości ustawienia ich „w łopocie”, czyli na wprost do kierunku wiatru).
Obecnie instalowane elektrownie wiatrowe posiadają nie tylko większe, wyprofilowane z dużą precyzją łopaty, ale także skrzynie biegów, sprzęgła i hamulce.
Przydomowa elektrownia wiatrowa
W przypadku budowy przydomowej elektrowni wiatrowej konstrukcja jest dużo prostsza. W najprostszych wersjach stosuje się hamulce elektromagnetyczne, turbiny nie mają skrzyń biegów, regulowanego pochylenia łopat czy systemu ustawiania turbiny w kierunku na wiatr – który został zastąpiony prostym ogonem kierunkowym. Dzięki temu przydomowe elektrownie wiatrowe to konstrukcje relatywnie proste i dużo bardziej przystępne cenowo. Konstrukcja śmigieł jest też inna aby umożliwić osiąganie większych mocy przy słabszych wiatrach (przydomowe elektrownie wiatrowe nie są montowane tak wysoko jak przemysłowe, stąd stosuje się nieco większe powierzchnie łopat). Zanim jednak przystąpimy do inwestycji w tego rodzaju energię odnawialną warto poznać zalety i wady elektrowni wiatrowych.
Elektrownie wiatrowe wady i zalety
Do największych zalet które musimy uwzględnić w kalkulacji opłacalności elektrowni wiatrowej jest ich gotowość do pracy przez całą dobę we wszystkich porach roku. Dzięki temu mamy potencjalną możliwość korzystania z energii nie tylko w dzień, ale także i nocą. Drugą ogromną zaletą przydomowych elektrowni wiatrowych jest statystycznie większa produkcja energii w okresie zimowym niż letnim – co daje możliwość wykorzystanie turbin wiatrowych do ogrzewania domów i innych obiektów.
Do wad należy przede wszystkim zaliczyć zmienność wielkości produkcji energii w elektrowniach wiatrowych. Wynika to z faktu, że wiatr w rejonie Polski ma bardzo niepowtarzalny charakter i zdarza się, że w ciągu 3 dni turbina wiatrowa generuje ilość energii jaka powinna być wyprodukowana w ciągu miesiąca – nie sposób zużyć takiej ilości energii w ciągu trzech dni.
Drugą ważną wadą jest konieczność uzyskania pozwoleń w przypadku stosowania masztów stale związanych z gruntem. Można co prawda stosować „fortele” typu montaż na maszcie z odciągami i twierdzenie w razie kontroli, że jest to instalacja tymczasowa. Można też zamontować ją na dachu budynku, tak żeby turbina nie wykraczała 3 metry ponad szczyt dachu – ale jest to dozwolone tylko dla mniejszych jednostek mocy do 3 kW.
Po trzecie turbiny wiatrowe kiedy pracują wytwarzają hałas – mniejszy lub większy w zależności od klasy turbiny – co może być przyczyna problemów z sąsiadami.
Jeśli wszystkie powyższe problemy są dla nas do przejścia pozostaje kwestia ceny – czyli ile kosztuje elektrownia wiatrowa.
Ceny elektrowni wiatrowych
Ceny przemysłowych elektrowni wiatrowych kształtują się w okolicach 6,6 miliona zł/MW. Gdyby dało się przeliczyć tą cenę na jednostki przydomowe uzyskalibyśmy koszt zainstalowania turbiny wiatrowej na poziomie 6 600 zł netto/kW. Tak jednak nie jest. Koszt zainstalowanej i uruchomionej w najprostszej konfiguracji turbiny wiatrowej 2 kW przekracza 15 000 zł netto. W skład takiego systemu wchodzi turbina wiatrowa, maszt i system zrzutu energii do grzałki w buforze wodnym – energię można następnie wykorzystać do ogrzewania CWU lub CO.
Jeszcze gorzej jest z większymi elektrowniami przydomowymi. W przypadku turbiny 20 kW z produkcją energii elektrycznej (do akumulatorów lub w celu wpuszczania jej do sieci ) koszt inwestycji będzie nieproporcjonalnie droższy – cena sprzętu i pełnej instalacji elektrowni wiatrowej 20 kW może wynieść 250 000 zł netto.
Opłacalność elektrowni wiatrowej.
W przypadku dużych jednostek przemysłowych koszt instalacji 2,5 MW turbiny wynosi 15 mln zł netto. Przy tak dużych masztach średnia produkcja energii waha się w zakresie od 20 do 30% mocy nominalnej. Zakładając wariant optymistyczny, roczna produkcja przemysłowej turbiny wiatrowej wyniesie 6570 MWh energii. Mnożąc to przez cenę sprzedaży energii (czarna energia plus zielone certyfikaty dają razem 350 zł/MWh) otrzymujemy roczny przychód rzędu 2 362 500 zł. Uwzględniając najprostszą księgowość (podatek dochodowy 18% i koszty obsługi na poziomie 5% zysków) otrzymujemy roczny przychód rzędu 1 840 000 zł – możemy więc szacować, że taka inwestycja zwróci się nim minie 10 lat.
W przypadku małych przydomowych elektrowni wiatrowych opłacalność jest trudniejsza do obliczenia. Po pierwsze należy zdecydować jaki typ instalacji chcemy zastosować.
Mamy do wyboru:
- Przydomowe elektrownie wiatrowe do ogrzewania wody CWU i CO
- Przydomowe elektrownie wiatrowe do ładowania akumulatorów w celu późniejszego wykorzystania tej energii (off-grid)
- Przydomowe elektrownie wiatrowe ongrid – wpuszczające energię do sieci (on-grid).
Odwołując się do mojego wcześniejszego wpisu o opłacalności inwestycji fotowoltaicznych w systemach wyspowych (off grid) ze względu na żywotność akumulatorów – możemy odrzucić tę opcję jako opłacalną. Pozostają nam dwie możliwości: albo budowa elektrowni wiatrowej do magazynowania energii w ciepłej wodzie (do ogrzewania CWU – zamiast kolektorów i wspomagania ogrzewania CO) lub też instalacja podłączona do sieci.
Aby przystąpić do obliczeń musimy zaprognozować roczną produkcję energii elektrowni wiatrowej – jest to bardzo istotna i najtrudniejsza część naszych obliczeń – szerzej opowiem o tym pod koniec. Załóżmy, że nasza mała turbina 2 kW będzie pracować tak wydajnie jak duża turbina przemysłowa – czyli z roczną ciągłą produkcją na poziomie 30% mocy nominalnej (jest to bardzo optymistyczne założenie i bardzo rzadko się zdarza by było potwierdzone przez rzeczywistość, niemniej pozwólmy sobie zrobić kalkulacje przy tym założeniu). W związku z tym, roczna produkcja energi wyniesie – 5256 kWh energii elektrycznej – jeśli do tej pory ogrzewaliśmy wodę prądem to nasze rachunki za prąd spadną mniej więcej o około 2600 zł na rok (zakładamy cenę 1 kWh na poziomie 50 gr).
A jak jest w przypadku systemu ongrid? Zakładamy, że uda nam się dzięki naszej przebiegłości wykorzystać 80% energii elektrycznej produkowanej przez turbinę wiatrową, a pozostała energia zostanie odsprzedana do sieci (przy założeniu ceny zakupu energii na poziomie 50 gr, a odsprzedaży na poziomie 14 gr) roczny przychód wyniesie 2250 zł rocznie.
Znając przykładowe koszty systemów 2 kW do ogrzewania wody na poziomie 16 000 zł brutto, a dla systemu ongrid na poziomie 22 000 zł brutto – łatwo można oszacować czas spłaty inwestycji.
W przypadku instalacji ongrid będzie to około 10 lat, a w przypadku systemu do grzania wody około 7 lat. Trzeba przyznać, że przy takich założeniach opłacalność elektrowni wiatrowych wygląda bardzo obiecująco. Jest jednak w tym rozumowaniu pewien haczyk. A mianowicie…
Uzyski elektrowni wiatrowej
Przy wykonywanych kalkulacjach bardzo optymistycznie założyliśmy, że nasz turbina będzie pracować średnio w ciągu roku z mocą 30% mocy nominalnej. W rzeczywistości jednak, dobrze zamontowana elektrownia wiatrowa daje średniorocznie 15% uzysków, czyli dwa razy mniej niż założyliśmy! W tej sytuacji czas amortyzacji wydłuża się dwukrotnie.
Kolejnym problemem jest takie zużycie energii wewnątrz naszego obiektu, żeby nie wpuszczać jej do sieci lub nie dopuścić do przestoju turbiny, kiedy woda zostanie już ogrzana do wartości granicznych. Z opinii klientów wiemy, że zdarzają się często długie okresy bezwietrzne po których przychodzi kilka dni naprawdę intensywnych wiatrów – nie sposób wtedy zmagazynować w krótkim czasie tak dużej ilości energii w małych systemach domowych, a z kolei wpuszczanie jej do sieci wiąże się z minimalizacją zysków.
No i na koniec najważniejsze – przed każdą inwestycją należy wykonać pomiary wietrzności terenu. Bez tej informacji może się okazać, że w miejscu gdzie chcemy zainstalować turbinę wiatrową wieją słabe wiatry, które dadzą nam uzyski na poziomie 10% – w takim wypadku turbina nigdy nam się nie spłaci. Najlepiej na miejsce instalacji wybierać odsłonięte tereny – bez zabudowań, z niską roślinnością a turbinę postawić na wysokim maszcie. Uzyskujemy wtedy małą „szorstkość terenu” (która lokalnie spowalnia ruch powietrza blisko ziemi) a poprzez zastosowanie wysokiego masztu wchodzimy w zakres wyższych prędkości wiatru. Wysoka prędkość wiatru jest wymagana ze względu na charakterystykę turbin wiatrowych. Osiągają one moc nominalną w zakresie 8-12 m/s (im lepsza turbina tym prędkość wiatru przy mocy nominalnej mniejsza).
Podsumowując
…inwestycja w elektrownie wiatrową nie jest pozbawiona sensu, ale jeśli ma się opłacać należy ją realizować dużo bardziej rozważnie niż chociażby instalację ogniw fotowoltaicznych.
Należy zwrócić uwagę na ukształtowanie terenu, zmierzyć prędkość wiatru (najlepiej w ciągu roku) wybrać dobrą turbinę o mocy nominalnej poniżej 10 m/s, zastosować wysoki maszt (przynajmniej 9 m) i wykorzystywać elektrownie wiatrową do ogrzewania CWU i CO – w ten sposób najszybciej się ona spłaci.
Dodano we