Na szczycie morskiej turbiny wiatrowej

Premier Wielkiej Brytanii Boris Johnson z zadowoleniem obwieścił w październiku ubiegłego roku na konferencji Partii Konserwatywnej, że w ciągu najbliższych 10 lat morskie elektrownie wiatrowe będą wytwarzać wystarczającą ilość energii elektrycznej, aby zaopatrzyć w nią każdy dom w Wielkiej Brytanii.

„Czajniki, kuchenki, ogrzewanie, pojazdy elektryczne – wszystko będzie działać dzięki czystej energii wiatrowej pochodzącej z naszych wysp” – oświadczył premier. Po raz kolejny zapewnił on o zwiększeniu mocy morskich elektrowni (farm) wiatrowych do 40 gigawatów do roku 2030 i zadeklarował stworzenie 2000 nowych miejsc pracy w branży budowlanej oraz wsparcie 60 000 innych, a także zapowiedział, że Wielka Brytania stanie się „światowym liderem w produkcji czystej energii wiatrowej”.

Obecna moc morskiej energii wiatrowej w Wielkiej Brytanii wynosi około 10 gigawatów, a z badania przeprowadzonego przez konsultantów Aurora Energy Research z Oxfordu wynika, że deklarowane zwiększenie mocy turbin do 40 gigawatów kosztowałoby około 50 miliardów funtów i wymagałoby instalowania jednej nowej turbiny każdego dnia, przez najbliższe 10 lat. Powstaje zatem pytanie: skąd wzięła się tak dalekowzroczna wizja przyszłości i czy nie była to przypadkiem kolejna fanaberia premiera Johnsona?

Pochodzenie farmy wiatrowej – odrobina kontrowersji
Przybrzeżna farma wiatrowa EDF Teesside zlokalizowana jest na południowy wschód od historycznej przystani Hearlepool. Ten 62-megawatowy obiekt z 27 turbinami został skonstruowany na przełomie lat 2011/2012, a oddany do użytku w lipcu 2013 roku. Była to pierwsza wielkoskalowa elektrownia wiatrowa w północno-wschodniej Anglii.
Na powierzchni 3,9 mil kwadratowych wzniesiono się 27 turbin, zlokalizowanych na płytkim i piaszczystym dnie morskim. Obiekt znajduje się w odległości około jednej mili od Coatham Sands, w mieście Redcar, na południe od pogłębionego głównego kanału żeglugowego rzeki Tees. W tym rejonie nadal dopuszcza się łowienie krabów i homarów, natomiast ze względu na obecność kabli wprowadzono tam zakaz trałowania. Sytuacja ta nie podoba się miejscowym rybakom, powołującym się na brak badań, dotyczących wpływu owych przewodów elektrycznych na organizmy morskie oraz powstawanie podwodnych raf. Przedsiębiorstwo Crown Estates, które dzierżawi dno morskie, przeznaczyło 25 milionów funtów na realizację pięcioletniego programu pod nazwą „Offshore Wind Evidence and Change”, którego celem jest zbadanie kwestii ochrony i odbudowy dna morskiego.

Problemem są również obracające się łopaty turbin wiatrowych, które zagrażają życiu ptaków morskich w miejscu ich żerowisk, na przykład w okolicy portowego miasta Hornsea.

Ponadto istnieje konflikt pomiędzy Królewskim Stowarzyszeniem Żeglarskim (ang. RYA), a niektórymi operatorami turbin wiatrowych – choć nie związany z farmą EDF Teesside. Stowarzyszenie to apeluje, aby nie ustanawiać stref wyłączonych z ruchu morskiego wokół farm wiatrowych, jak chcieliby niektórzy operatorzy. Zdaniem Królewskiego Stowarzyszenia Żeglarskiego, przy minimalnej 22-metrowej wysokości łopat ponad poziomem morza i przy maksymalnym wzburzeniu fal – większość jachtów może bez problemu przemieszczać się wokół farm wiatrowych. Nie odnotowano żadnych niepokojących zdarzeń z udziałem turbin wiatrowych i łodzi rekreacyjnych na terytorialnych wodach Wielkiej Brytanii.

Elektrownia wiatrowa Teesside należy do spółki EDF, lecz kontrakt na infrastrukturę, tj. prace budowlano-montażowe (ang. balance of plant) powierzono holenderskiej firmie Van Oord oraz specjalizującej się w branży inżynierii morskiej firmie SeaRoc, która jest głównym wykonawcą. Do momentu przejęcia elektrowni przez spółkę EDF, dostawcą i operatorem turbin będzie Siemens.

Jak działają turbiny wiatrowe?
Jednostki Siemens SWT 2.3 stanowią optymalne rozwiązanie w świecie generatorów wiatrowych. Zapewniają one wydajną pracę nawet przy umiarkowanym wietrze. Wiatr na Teesside przeważnie wieje od brzegu w kierunku południowo-zachodnim. Umiejscowiona tam farma zaczyna wytwarzać energię elektryczną już przy prędkości wiatru ok. 9 mil na godzinę (3 w skali Beauforta, delikatna bryza). Jej szczytowa moc wynosi 2300 kilowatów, przy prędkościach wiatru od 25 (6 w skali Beauforta, silny wiatr) do ok. 56 mil na godzinę (10 w skali Beauforta, burza).

Powyżej tych wskazań może dojść do całkowitego zatrzymania łopat turbin, choć powinny one wytrzymywać siłę wiatru o prędkości maksymalnej do 123 mil na godzinę. Przy swobodnym ruchu wiatraków, cała farma jest w stanie zaopatrzyć w energię nawet 40 000 domów (wg. ostatnich oszacowań – do 56 000) w rejonie miast Redcar, Marske i Saltburn.

W branży poprzestano na trójłopatowym systemie obrotowym, uznając go za najkorzystniejszy pod względem wydajności wytwarzania energii, efektywności kosztowej, prędkości turbiny i poziomu hałasu. W elektrowni Teesside każdy system obrotowy wykonany jest z tworzywa sztucznego, wzmocnionego włóknem szklanym (GRP). Ma on 93 metry długości i zajmuje powierzchnię 6800 metrów kwadratowych. Maksymalna prędkość obrotowa to 16 obr./min (końcówki łopat poruszają się z prędkością 174,5 mil na godzinę).

Siemens buduje obecnie turbiny z napędem bezpośrednim. Taka turbina ma trójstopniową przekładnię planetarną „Winergy” o całkowitym przełożeniu 1:91. Zwiększa to prędkość obrotową wirnika (ok. 1500 obr./min) do wymaganej, znamionowej prędkości obrotowej generatora. Wytwarza on napięcie zmienne 690V o częstotliwości 50 Hz.

Aby wygenerowaną energię przesłać przez podwójne kable podmorskie w kierunku lądu do podstacji w Warrenby, napięcie w turbinie jest zwiększane do 33 kV. Tam, dwa ogromne transformatory znów podnoszą napięcie, aż do 66 kV. Jest to konieczne, żeby uzyskaną dzięki wiatrowi energię, bez strat wprowadzić do krajowej sieci.

Zmaganie z wiatrem
Wielka Brytania ma dużo lepszy dostęp do energii wiatrowej niż inne kraje europejskie. Szczególnie w porze wiosennej i nocą, gdy dochodzi do najdłuższych i najsilniejszych podmuchów wiatru. Turbiny Teesside są automatycznie sterowane, adekwatnie do prędkości i kierunku wiatru, według wskazań otrzymywanych ze stacji pogodowej. Sporadycznie występują „zawirowania” między samymi farmami wiatrowymi. Zdarzało się tak, że jedna farma wiatrowa musiała płacić drugiej odszkodowanie za turbulencje wiatrowe.

Dane „współczynnika obciążenia” elektrowni można znaleźć na stronie internetowej Fundacji Energii Odnawialnej (ang. Renewable Energy Foundation), która przedstawia średnią wartość między rzeczywistą a teoretyczną, maksymalną wydajnością wytwarzania energii elektrycznej. Średnia wydajność farmy EDF Teesside wynosi ok. 35% (dla porównania, podbny szkocki projekt pilotażowy osiąga średnią wydajność na poziomie 54,8%).

Gorączka złota w turbinach wiatrowych
W czerwcu Bloomberg poinformował o morskich inwestycjach wiatrowych, jak o żyle złota, w którą w pierwszej połowie roku zainwestowano 35 miliardów dolarów. Kwota ta obejmuje inwestycję 3,9 miliarda dolarów w koncern energetyczny Vattenfall i 3,8 miliarda dolarów, w firmę energetyczną SSE (ze względu na planowaną farmą w szkockiej zatoce Firth of Forth na Morzu Północnym). Inwestycje w Wielkiej Brytanii, w pierwszych sześciu miesiącach 2020 roku, wyniosły 5,7 mld dolarów amerykańskich. To ponad 3,5 razy więcej niż łączna suma inwestycji na początku 2019 roku.

Optymizm widać wszędzie. Młodzi ludzie wiążą swoją przyszłość z energią wiatrową, tak samo jak kiedyś stawiano na przemysł wydobywczy. Choć należy liczyć się z wieloma wyzwaniami, ta gałąź gospodarki może przynosić spory dochód – tak jak kiedyś górnictwo czy platformy wiertnicze.

Na stosunkowo płytkich wodach zatoki Teesside, konstrukcja turbiny polegała na wbiciu w morskie dno, stalowego fundamentu typu monopal o średnicy 5,5 metra i wadze około 500 ton, na głębokość 35 metrów. Następnie, fundament przykrywano 300-tonową, żółtą platformą. Te dwie sekcje stanowiłą podstawę 80-metrowej wieży z 82-tonową gondolą, zawierającą skrzynię biegów, wirnik i łopaty, napęd protektorowy i generator.

Wielkość turbin zmienia się w zależności od punktu widzenia – z bliska są ogromne. Biorąc pod uwagę wysokość, wysokie napięcie i morze, sytuacja jest niebezpieczna, a największym elementem ryzyka są ewentualne wyładowania atmosferyczne. Nie bez powodu, tak ogromną wagę przywiązuje się do kwestii bezpieczeństwa.

Z praktycznej perspektywy
Morska energetyka wiatrowa to duża, skomplikowana i kosztowna inżynieria, a wraz z rozwojem Hornsea and Dogger Bank oraz innych dużych morskich farm wiatrowych, można oczekiwać jej wielkiego rozwoju. Rząd i grupy działające na rzecz środowiska głoszą, że morska energia wiatrowa tanieje, ale istnieją też dowody na to, że w miarę starzenia się elektrowni, staje się ona coraz droższa, a firmy „żonglują” kapitałem na wydatki operacyjne.

Większość farm wiatrowych funkcjonuje już ok. 25 lat. Przeważająca część kontraktów Crown Estates wymaga, aby teren po zdemontowaniu wiatraków został oczyszczony i naprawiony. W czasie ekspoloatacji, każdego rodzaju podzespoły, maszyny czy turbiny wymagają konserwacji i mogą się zepsuć. Cykl konserwacji dodatkowo komplikują szkody spowodowane przez słoną wodę, silny wiatr i promieniowanie UV.

Olbrzymie automatyczne bębny smarujące i staranna konstrukcja sprawia, że turbina wiatrowa powinna być w stanie samodzielnie „dbać o siebie” przez sześć miesięcy – między niezbędnymi czynnościami konserwacyjnymi. Jednak po ośmiu latach „wirowania”, turbiny Teesside starzeją się i czasami wymagają napraw, a to wiąże się z koniecznością zapewnienia dostaw niezbędnych części zamiennych.

W tej branży wszystko jest skomplikowane, w tym także finansowanie. Najnowszy raport Urzędu Odpowiedzialności Budżetowej podaje, że w zeszłym roku dotacje na energię odnawialną wyniosły około 8 miliardów funtów. Szacuje się, że całkowita kwota tych dotacji będzie każdego roku rosła i w latach 2025/2026 osiągnie 11,3 miliarda funtów.

Pozyskiwanie energii z wiatru nigdy nie będzie darmowe, ani szczególnie łatwe. Myślenie w ten sposób byłoby pochopnym umniejszaniem wartości niesamowitego projektu inżynieryjnego oraz umiejętności i odwagi zespołu inżynierów oraz techników, którzy go realizują, a także nadzorują jego działanie.

Źródło: The Telegraph