Jak wyglądają turbiny wiatrowe offshore, czyli morska energetyka wiatrowa i jej niezwykły potencjał

Na skutek stale zwiększającej się emisyjności tlenków węgla, siarki i azotu na całym świecie, zanieczyszczania środowiska spowodowanego wydobywaniem ropy i wielu innych czynników, postanowiono odejść od konwencjonalnych źródeł energii i skupić się na innych sposobach jej pozyskiwania w sposób przyjaźniejszy dla środowiska oraz człowieka. W tym celu w krajach europejskich wprowadzono pakiet inicjatyw politycznych, których celem jest osiągniecie neutralności klimatycznej do roku 2050. Z tego powodu poszukiwane są najefektywniejsze sposoby otrzymywania energii w sposób niekonwencjonalny i jak najbardziej przystępny dla otoczenia.

Jednym z takich pomysłów spowodowanych potrzebą redukcji ingerencji w środowisko są farmy wiatrowe położone na terenach mórz. W porównaniu z bardziej pospolitymi lądowymi farmami wiatrowymi charakteryzują się one nie tylko brakiem oddziaływania na codzienne życie człowieka z powodu ich dalekiego usytuowania od wszelkich miejsc zamieszkania, lecz przede wszystkim większą efektywnością energetyczną spowodowaną bardziej intensywnymi wiatrami występującymi poza terenami lądów. Na pierwszy rzut oka można założyć, że w wielu aspektach przewyższają inne niekonwencjonalne sposoby otrzymywania energii, a szczególnie ich lądowe odpowiedniki. Przyjrzyjmy się więc zaletom i wadom tego rodzaju farm i dowiedzmy się, jaki kryją w sobie potencjał.

Budowa i aspekty ekonomiczne

Z informacji z poprzednich lat wynika, że głębokość zanurzenia podstawy turbiny ulokowanej na wodach płytkich i przejściowych występujących we wcześniej przytoczonych farmach znajduje się w zakresie do około 60 metrów w głąb zbiorników wodnych. Nie uwzględnia to turbin dryfujących na powierzchni wody znajdujących się w głębszych częściach mórz i oceanów, których głębokości osiągają nawet 300 metrów. Jedną z pierwszych tak głęboko ulokowanych elektrowni wiatrowych jest Hywind Tampen otwarta w 2022 roku. Osadzona jest 140 kilometrów od brzegów Norwegii i składająca się z 11 turbin, które osiągają moc 88 MW ze średnią roczną produkcją na poziomie 384 GWh. Są to wysokie osiągi, co dobrze o nich świadczy, gdyż miejsca na wodne farmy wiatrowe jest o wiele więcej niż na te na lądzie.

Na ten moment teren możliwy do zagospodarowania w wodach płytkich i przejściowych sięga średnio odległości 1 kilometra od brzegu lądów. Oszacowano, że potencjał energetyczny tych terenów przekracza 17 TW, przy wiatrach osiągających średnie prędkości 7 m/s. Mimo że to niemożliwe i mało opłacalne, aby zabudować wszystkie brzegi oceanów i mórz farmami wiatrowymi, to i tak znajduje się wiele miejsc nadających się idealnie na budowę wielu farm wiatrowych. Miejsca takie charakteryzują się niskim wpływem na środowisko, silnymi, lecz bezpiecznymi wiatrami, spokojnymi wodami oraz niezbyt głęboką wodą i odpowiednio twardym podłożem.

Jak wyglądają dryfujące turbiny wiatrowe?

Przechodząc do technicznego aspektu budowy podstaw turbin na morzach i oceanach. Budowa ich dryfujących wersji wygląda następująco:

Przeważnie turbiny te mają częściowo lub całkowicie zanurzone podstawy, które utrzymują turbinę na powierzchni tafli wody z pomocą sił wyporu i przymocowanych do dna nóg. Charakteryzują się one prostotą w swoim ulokowaniu i budowie, niezależnie od głębokości zbiornika ich budowa zostaje praktycznie taka sama. Jedyne co ulega zmianie, to długość lin mocujących podstawę wiatraka z dnem zbiornika. Wyróżniają się one także możliwością przemieszczenia dzięki niestacjonarnej budowie. Cena podstawy jest niezmienna niezależnie od głębokości ulokowania wiatraka. Jedyne co się zmienia to długość lin pomiędzy podstawą a dnem. Niestety cechują się one także wysokim kosztem budowy, jak i konstrukcji z powodu prac na dużych głębokościach.

Kolejnym z problemów elektrowni ulokowanych tak daleko od brzegu jest połączenie sieciowe, a dokładniej straty energii podczas jej transportu. Aktualnie używa się prądu przemiennego o wysokim napięciu (HVAC), który niestety nie jest idealny i niezbyt dobrze sprawdza się na dłuższych dystansach. Wynika to z faktu, że wraz ze zwiększającą się odległością przesyłu występuje dłuższa ilość kabla, który ma swoją własną zwiększającą się z odległością rezystancję, która zmniejsza natężenie prądu oraz powoduje wytracenie energii na kablach w postaci ciepła.

Różne konstrukcje turbin wiatrowych

Wracając do aspektów konstrukcyjnych turbin ulokowanych na dnach zbiorników wodnych, sposób osadzenia turbin zazwyczaj opiera się na obciążeniu grawitacyjnym, trójnogiej lub kratownicowej podstawie albo przedłużonej słupowej bazie wbitej głęboko w ziemię. Taki rodzaj budowy zapewnia stabilność konstrukcji, chociaż wiąże się z wieloma problemami. Ze względu na dużą liczbę czynników bezpieczeństwa konstrukcji, jedną z największych trudności przy budowie każdego z wiatraków jest uwzględnienie jego bezpiecznej granicy wytrzymałościowej ściśle związanej z ruchami wody. Także przenoszenie obciążenia pomiędzy łączeniem konstrukcji a jej cementową podstawą może naprężać zaprawę, której zadaniem jest bezpieczne ulokowanie sprzętu na dnie zbiornika, doprowadzając do jej uszkodzenia.

Zamiennikiem cementu są metalowe podstawy, które też mają swoje wady – często ulegają korozji, przez co muszą być poddawane ciągłej obserwacji i okresowym konserwacjom. Dobrym działaniem przeciw powstawaniu korozji jest instalacja ochron katodowych działających na zasadzie instalacji zewnętrznej anody, na której zachodzą reakcje utleniania. W tym wypadku korpus wiatraka staje się katodą.

Są one pewniejszą i bardziej budżetową alternatywą dla dryfujących turbin ulokowanych w głębokich wodach. Pomimo pozornie większej inwazyjności na otoczenie wyróżniają się mniejszym kosztem produkcji, łatwiejszą instalacją sieci elektrycznych, prostszym transportem materiałów budowlanych oraz są bardziej dostępne pod względem budowy i konserwacji. Chociaż cenowo turbiny ulokowane na wodzie wypadają gorzej w porównaniu z lądowymi, cena za turbinę na wodzie o mocy 1 MW wynosiła 2,5-3 mln €, podczas gdy na tamten moment cena budowy turbiny na lądzie wahała się w okolicach 1,3 mln € za 1 MW. Średni koszt wytwarzania energii w ciągu jej istnienia prezentuje się następująco. Ceny prądu wypadają w podobnym stosunku cenowy, na rok 2019 wartość za MWh z turbin ulokowanych na dnie wód wynosiła 88,06 €, dryfujących 134,42 €, a z lądowych 36,15 €.

Wpływ na lokalną faunę

Pomijając wszystkie zalety czy wady konstrukcyjne, jak i ekonomiczne, powinno się także skupić na środowisku. Jednym z tematów wartych uwagi jest wpływ farm wiatrowych na faunę wodną w ich otoczeniu. Podczas fazy montażu oraz mocowania turbin za pomocą pali do dna oceanów zauważono tendencję do unikania miejsca budowy przez ssaki wodnych i ryby, oraz do zgonów i uszkodzeń słuchu tych stworzeń wskutek dźwięków wydobywających się podczas przygotowywania i wbijania pali. Dostępne badania wskazują, że reagują one na hałas o niskim natężeniu pochodzący z wcześniej wymienionych źródeł. Na szczęście poziom zakłóceń wynikający z budowy jest wystarczająco niski, aby wcześniej przebywające na tych terenach zwierzęta wróciły po jej ukończeniu.

Reasumując, pokazuje to, że tworzenie farm wiatrowych nie powinno mieć miejsca w obszarach gęsto zamieszkanych przez osobniki wodne. Działające już turbiny generują dźwięk w wodzie w zakresie od 80 do 150 decybeli, do czego dochodzą dodatkowe dźwięki produkowane przez poruszające się statki. Są to fale znajdujące się w zasięgu słyszalności zarówno ryb, jak i ssaków, co może spowodować wysiedlenia niektórych gatunków wrażliwych na dźwięki.

Wnioski

Wodne farmy wiatrowe mają wielki potencjał, który należałoby rozwijać. Ale na ten moment występuje wiele problemów w ich budowie, jak i konserwacji, które należałoby rozwiązać i rozwinąć.

Źródła: biofund.org, iopscience.iop.org, umces.edu, weathergroundwind.com, zpe.gov.pl, heinenhopman.com, cncbc.com

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Nova Energia, AGH.
Jakub Ekes