Niestała jak wiatr, paląca jak słońce. Ciemniejsza strona odnawialnej mocy

Niestała jak wiatr, paląca jak słońce. Ciemniejsza strona odnawialnej mocy
Odnawialne źródła energii to nie tylko blaski, nadzieje i optymistyczne prognozy. Prawda jest też taka, że OZE robią w świecie energetyki sporo zamieszania i sprawiają kłopoty, z którymi nie zawsze tradycyjne sieci i systemy umieją sobie poradzić. Ich rozwój przynosi wiele nieprzyjemnych niespodzianek i pytań, na które nie potrafimy jeszcze odpowiedzieć.

Energia produkowana w OZE – siłowniach wiatrowych i instalacjach fotowoltaicznych – stanowi nie lada problem dla krajowych sieci elektroenergetycznych.

Pobór mocy w sieci nie jest stały. Ulega wahaniom dobowym w dość dużym przedziale wartości. Jego dopasowanie ze strony systemu energetycznego pozostaje skomplikowane, bowiem wiąże się z koniecznością zapewnienia odpowiednich parametrów prądu sieciowego (napięcia, częstotliwości). W przypadku siłowni konwencjonalnych - np. turbiny parowej - ograniczenie mocy możliwe jest poprzez obniżenie ciśnienia pary czy prędkości obrotowej turbiny. W siłowni wiatrowej taka regulacja jest niemożliwa. Gwałtowne zmiany siły wiatru (np. wichury) mogą co prawda w krótkim czasie generować znaczne moce, ale trudne do zaakceptowania przez system elektroenergetyczny. Skoki mocy w sieci lub jej chwilowy brak są z kolei zagrożeniem dla końcowych użytkowników, maszyn, komputerów itp. Rozwiązanie stanowią sieci inteligentne, tzw. smart grid, wyposażone w odpowiednie narzędzia - w tym magazyny energii, systemy sprawnej i wszechstronnej dystrybucji. Jednak takich systemów jest na świecie wciąż niewiele.

Grafika australijskich Zielonych, sławiąca osiągnięcie stanu zero emisji gazów cieplarnianych
Grafika australijskich Zielonych, sławiąca osiągnięcie stanu zero emisji gazów cieplarnianych

Wyłączenia i niewykorzystane moce

Przerwy w dostawach energii elektrycznej, które we wrześniu ubiegłego roku dotknęły prowincję Południowa Australia, były spowodowane przez kłopoty dziewięciu z trzynastu farm wiatrowych, zasilających region. Wskutek tego z sieci zniknęło łącznie 445 megawatów mocy. Choć operatorzy siłowni wiatrowych zapewniali, że przerwy nie są skutkiem wahań typowych dla energii wiatru - czyli silniejszego lub słabszego dmuchania - lecz problemów z oprogramowaniem, to jednak wrażenie, że na OZE nie do końca można polegać, trudno było zatrzeć.

Dr Alan Finkel, który na zlecenie australijskich władz badał później rynek energetyczny, doszedł przy okazji do wniosku, że rozwój OZE wpływa na dyskryminację biedniejszych warstw społeczeństwa. Jego zdaniem, przy wielkich inwestycjach branży w źródła odnawialne ceny energii muszą wzrosnąć, co uderzy najbardziej w osoby o najniższych dochodach. Dotyczyć to ma w każdym razie Australii, która zamyka elektrownie oparte na swoim tanim węglu i stara się je zastąpić odnawialnymi źródłami energii.

Traf chciał, że ostatnia elektrownia węglowa we wspomnianej, dotkniętej zaciemnieniem Południowej Australii, zamknięta została tuż przed opisywanymi kłopotami, w maju 2016 r. Niestabilność dostaw to dobrze znany, ale wciąż niezbyt oswojony problem energetyki odnawialnej. Znamy go też z Polski. Jeśli zestawimy 4,9 GW mocy z wiatraków osiągnięte 26 grudnia 2016 r., gdy wiał huragan „Barbara”, z produkcją rodzimych turbin tydzień wcześniej, okaże się, że była wtedy siedemdziesiąt razy niższa!

Niemcy i Chiny przekonały się już, że nie wystarczy zbudowanie wiatraków i paneli słonecznych, aby nowa energetyka sprawnie działała. Rząd niemiecki musiał ostatnio płacić właścicielom rosnących jak grzyby po deszczu turbin wiatrowych za zmniejszenie mocy, gdyż sieci przesyłowe nie wytrzymywały dostarczanego obciążenia. Problemy notuje się również w Chinach. Tamtejsze elektrownie węglowe, których nie można szybko włączyć i wyłączyć, powodują, że turbiny wiatrowe są przez 15% czasu bezczynne, gdyż sieć nie jest w stanie odebrać energii z elektrowni i turbin. To nie wszystko. Elektrownie słoneczne powstają tam w takim tempie, że sieć przesyłowa nie może przyjąć aż 50% generowanej przez nie energii.

Wiatraki w grupach tracą moc

W ubiegłym roku badacze z niemieckiego Instytutu Maksa Plancka w Jenie opublikowali w prestiżowym czasopiśmie naukowym „Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS) artykuł, w którym wykazali, że wydajność dużych farm wiatrowych jest znacznie mniejsza, niż wynikać to mogłoby po prostu z ich skali. Dlaczego uzyskiwana ilość energii nie skaluje się liniowo wraz z wielkością instalacji? Uczeni sugerują, że to same wiatraki spowalniają wiatr, korzystając z jego energii, co sprawia, że jeżeli na danym terenie zainstaluje się ich dużo, niektóre z nich nie otrzymają jej tyle, aby pracować z maksymalną wydajnością.

Badacze, wykorzystując dane z wielu dużych instalacji wiatrowych i porównując je z danymi dla odizolowanych wiatraków, stworzyli model w oparciu o znane już modele mechaniki wiatrów. Pozwolił on na obserwowanie klimatu w okolicy turbin wiatrowych. Jak zwrócił uwagę dr Lee Miller, jeden z autorów publikacji, wydajności energetyczne, jakie szacuje się dla odizolowanych wiatraków, są istotnie wyższe niż te obserwowane dla całych ich instalacji.

Naukowcy określili, że w skrajnym przypadku turbina wiatrowa umieszczona w rejonie dużego zagęszczenia takich instalacji produkować może jedynie 20% energii elektrycznej potencjalnie dostępnej, gdyby umiejscowiona była samodzielnie.

Opracowany model wpływu turbin wiatrowych naukowcy wykorzystali do oszacowania ich globalnego wpływu. Pozwoliło to na obliczenie, ile energii
elektrycznej wyprodukować można w skali świata, wykorzystując turbiny wiatrowe. Okazuje się, że jedynie ok. 4% powierzchni lądów ma potencjał do generowania więcej niż 1 W/m2, a średnia wynosi ok. 0,5 W/m2 - wartości te są podobne do poprzednich szacunków, opartych na zaawansowanych modelach klimatycznych, ale o ok. dziesięć razy mniejsze niż szacunki oparte jedynie na lokalnej średniej prędkości wiatru. Oznacza to, że zachowując optymalne rozmieszczenie wiatraków, na naszej planecie uzyskać będzie można nie więcej niż ok. 75 TW mocy wiatrowej. To jednak i tak znacznie więcej, niż jest aktualnie zainstalowanych mocy elektrycznych na świecie (ok. 20 TW), więc nie ma powodów do obaw - pamiętając w dodatku, że na Ziemi aktywnych jest dziś jedynie ok. 450 MW mocy wiatrowych.

Masakra stworzeń latających

W ostatnich latach pojawiają się raporty i informacje o zabijaniu przez turbiny wiatrowe ptaków i nietoperzy. Znane są obawy, że machiny, kręcąc się na pastwiskach, przerażają krowy, ponadto mają wytwarzać szkodliwe infradźwięki itd. Nie ma przekonujących naukowych badań na ten temat, choć doniesienia o hekatombie latających stworzeń to stosunkowo wiarygodne dane.

Obraz z kamery termowizyjnej ukazujący nietoperza lecącego nocą w pobliżu turbiny wiatrowej
Obraz z kamery termowizyjnej ukazujący nietoperza lecącego nocą w pobliżu turbiny wiatrowej

Co roku o elektrownie wiatrowe rozbijają się setki tysięcy nietoperzy. Gniazdujące w koronach drzew ssaki mylą prądy powietrzne wokół wiatraków z tymi, które opływają ich domy - podał serwis iflscience.com w 2014 r. Elektrownie mają też przypominać nietoperzom wysokie drzewa, w których koronach spodziewają się chmary owadów lub własnego gniazda. Zdają się to potwierdzać nagrania z kamer termowizyjnych, które pokazują, że nietoperze zachowują się w przypadku elektrowni wiatrowych tak samo, jak wobec drzew. Naukowcy przekonują, że setki tysięcy nietoperzy mogłyby przeżyć, gdyby zmieniono konstrukcję łopat wirnika. Rozwiązaniem jest także zwiększenie progu, przy którym zaczyna się on kręcić. Badacze myślą też o wyposażeniu turbin w sygnalizację ultradźwiękową, która ostrzegałaby nietoperze.

Prowadzony np. dla Niemiec przez Krajowy Urząd Ochrony Środowiska Brandenburgii rejestr zderzeń tych zwierząt z turbinami wiatrowymi potwierdza masowy charakter śmiertelnych przypadków. Zjawisko to badali również Amerykanie, potwierdzając wysoką śmiertelność wśród nietoperzy, przy czym zauważono, że częstość kolizji jest silnie uzależniona od warunków pogodowych. Przy dużej prędkości wiatru współczynnik kolizji był mniejszy, przy mniejszych natomiast liczba ofiar uderzeń wzrastała. Graniczną prędkość wiatru, przy której współczynnik kolizji znacznie malał, określono na poziomie 6 m/s.

Ptak spalony nad kompleksem Ivanpah
Ptak spalony nad kompleksem Ivanpah

Jak się okazało, niestety, zabija także wielka amerykańska siłownia słoneczna Ivanpah. Wkrótce po jej uruchomieniu „The Wall Street Journal” poinformował, że kalifornijski projekt może być ostatnim takim w USA - właśnie z powodu powodowanej hekatomby ptaków.

Kompleks zajmuje 1300 ha na jednej z pustyń Kalifornii, na południowym zachodzie od Las Vegas. Ma trzy wieże wysokie na 40 pięter oraz 350 tys. luster. Zwierciadła odbijają światło słoneczne w kierunku kotłowni znajdujących się na szczytach wież. Powstaje para, która wprawia w ruch generatory wytwarzające prąd. Starczy on dla 140 tys. domów. Jednak system zwierciadeł rozgrzewa powietrze wokół wież aż do 540°C i przelatujące w pobliżu ptaki po prostu płoną żywcem. Według raportu firmy Harvey&Associates w ciągu roku na terenie elektrowni zginęło ich ponad 3,5 tys.

Zbyt wiele medialnego szumu

Na koniec warto wspomnieć o jeszcze jednym niekorzystnym zjawisku. Wizerunek OZE cierpi nierzadko od przesady i nadmiaru medialnej wrzawy, która potrafi wprowadzać ludzi w błąd co do rzeczywistego stanu rozwoju tej technologii.

Przykładowo, nagłówki serwisów informacyjnych głosiły swego czasu, że miasto Las Vegas przechodzi w całości na energię odnawialną. Brzmiało to sensacyjnie. Dopiero po wczytaniu się dokładniej i głębiej w podawane informacje, dowiadywaliśmy się, że owszem - w Las Vegas przechodzą na 100% odnawialnego zasilania, ale tylko… budynki miejskie, stanowiące w tej aglomeracji ułamek procenta zabudowań.

Zapraszamy do lektury TEMATU NUMERU w najnowszym wydaniu miesięcznika "Młody Technik".