Moduł E1 Etapy rozwoju energetyki wiatrowej w województwie kujawsko-pomorskim Koordynator modułu - dr Dariusz Brykała Autorzy: Prof. dr hab. Zbigniew Podgórski Mgr Łukasz Sarnowski 1 5.1.1. Etapy rozwoju energetyki wiatrowej na świecie i w Europie Początki wykorzystania przez człowieka energii wiatru są trudne do jednoznacznego określe- nia. Egipcjanie już 2000 lat przed naszą erą wykorzystywali energię wiatru do napędu swoich łodzi. Z Kodeksu Hammurabiego (ok. 1750 r. p.n.e.) wynika, że energia wiatru była wykorzystywana również w Persji. W Indiach w IV w. p.n.e. powstał pierwszy opis zastosowania wiatraka do pompowania wody, a już w II wieku p.n.e w Chinach stosowano wiatraki w kształcie kołowrotów do nawadniania pól uprawnych. Na początku naszej ery wiatraki pojawiły się w krajach basenu Morza Śródziemnego. Rok 644 n.e. uznany został za datę pierwszej udokumentowanej wzmianki o wiatrakach. Pierwsze wiatraki europejskie pojawiły się w Anglii w IX wieku, we Francji w XI wieku, a od wieku XIII upowszechniły się w Europie Zachodniej. Najstarszy obraz wiatraka w Europie znajduje się na inicjale pierwszej strony rękopisu angielskiego z 1270 r. Pierwotnie wiatrak był drewnianą "bud- ką", którą obracano wokół centralnie usytuowanego słupa, tak aby ustawić skrzydła na wiatr. Rewo- lucji w konstrukcji wiatraków dokonali Holendrzy, którzy wprowadzili konstrukcje czteroskrzydłowe. Miało to miejsce w 1390 r. Rozwój wiatraków typu „holendrów” przypadł w Europie na XVII wiek. W roku 1745 angielski konstruktor Edmund Lee wprowadził w budowie wiatraka pomocnicze koło kie- rujące automatycznie wiatrak w stronę wiatru. Największy rozkwit wiatraków miał miejsce w poło- wie XIX wieku. W Europie pracowało wówczas około 200 tysięcy tego typu obiektów (Lerch, 2010). Szacuje się, że młyny napędzane energią wiatru pracowały z łączną mocą około 1 TW. Pod koniec XIX wieku rozwój maszyny parowej spowodował wyparcie napędu wiatrowego z wielu dziedzin życia gospodarczego, co przyczyniło się do zastoju tej dziedziny techniki. W tym czasie na terenie Danii pracowało około 30 000 młynów wietrznych, podobna ilość wiatraków była ówcześnie także w Holandii. W czasie zimy 1887-88 Charles F. Brush zbudował w Stanach Zjednoczonych pierwszą samo- czynnie działającą siłownię wiatrową o mocy 12 kW produkującą energię elektryczną. Jak na owe czasy turbina Brush'a była imponująca: wirnik miał średnicę 17 metrów i składał się ze 144 łopat zrobionych z drzewa cedrowego (ryc. E.1.1). Konstrukcja Amerykanina dostarczała przez okres około 20 lat energii do ładowania akumulatorów, znajdujących się w piwnicy jego posiadłości. Na świecie w tym samym czasie wielu konstruktorów oraz zwykłych pasjonatów pracowało nad konstrukcją przy- domowej turbiny wiatrowej, już wtedy szukano także sposobu na komercyjne wykorzystanie energii wiatru. Ryc. E.1.1. Turbina skonstruowana przez Charlesa Francisa Brusha. Źródło: http://www.dzienwiatru.eu/ciekawe-artykuy/34-ciekawe-artykuy/57-historia-energetyki-wiatrowej.html 2 W Europie pierwszy wiatrak do produkcji energii elektrycznej pojawił się w Danii w 1890 ro- ku. W 1940 roku uruchomiono tu pierwszą turbinę o mocy 1,25 MW. Duński pionier energetyki wia- trowej i aerodynamiki Poul la Cour odkrył, że znacznie wydajniejsze dla generatorów elektrycznych są wirniki o kilku łopatach. Energię elektryczną uzyskaną z siłowni wiatrowych wykorzystywał on do procesu elektrolizy, z którego otrzymywał wodór, który służył mu do oświetlania jego szkoły. Silny początkowo rozwój małej energetyki wiatrowej w Stanach Zjednoczonych i Europie został zahamo- wany przez ogólnoświatowy kryzys gospodarczy w latach trzydziestych XX wieku a następnie przez II wojnę światową. Do 1940 roku Dania miała ponad 1300 działających generatorów wiatrowych. W tym samym czasie w USA zbudowano około 6 milionów takich generatorów. Turbiny wiatrowe były dla miesz- kańców wsi w ówczesnych czasach jedynym dostępnym źródłem elektryczności. W 1950 roku inżynier Johannes Juul jako pierwszy skonstruował siłownię wiatrową z genera- torem prądu przemiennego. Jego kolejne rozwiązania konstrukcyjne zawarte w elektrowni wiatrowej o mocy 200 kW zbudowanej w 1957 roku na wybrzeżu Gedser w Danii wykorzystywane są do dzisiaj. Turbina Gedsera posiadała trójpłatowy wirnik zwrócony przodem do wiatru (up-wind), generator asynchroniczny, mechanizm ustawiania kierunku, hamulce aerodynamiczne oraz regulację mocy poprzez zmianę kąta natarcia łopat. Przez 11 lat turbina ta pracowała podłączona do sieci. W 1960 roku na świecie wykorzystywano ponad 1 milion małych siłowni wiatrowych. Ponowny wzrost zainteresowania szerszym wykorzystaniem energii wiatru do celów energetycznych miał miejsce po kryzysie energetycznym w 1973 r. W latach 80 XX wieku nastąpił rozwój przemysłowej energetyki wiatrowej. Na przestrzeni kilkunastu lat dopracowano nowe rozwiązania techniczne w zakresie budowy siłowni wiatrowych. W Niemczech profesor Ulrich Hutter w krótkim czasie skonstruował serię prototypowych, horyzontal- nych urządzeń o zmiennym ustawieniu kątów natarcia skrzydeł. W Stanach Zjednoczonych po kryzy- sie energetycznym rząd federalny wprowadził energetykę wiatrową do krajowego programu badań i rozwoju. USA korzystało w tych pracach z technologii wojskowych i najnowszych osiągnięć techniki. W efekcie w stanie Ohio zainstalowano prototypową turbinę nazwaną MOD-0 o mocy 1 MW, a na- stępnie kolejne MOD-0A i MOD-2. Agencja NASA przyczyniła się także do rozwoju energetyki wia- trowej - wybudowana przy jej współudziale turbina nad rzeką Columbia miała skrzydła o długości około 100 m. Równolegle na świecie powstawały nowe konstrukcje generatorów, poprawiano wy- trzymałość mechaniczną elementów oraz stosowano coraz to nowsze materiały. W odróżnieniu od Stanów Zjednoczonych inżynierowie w Europie skupili się bardziej na możliwości wdrożenia urządzeń energetyki wiatrowej na rynek. Konstrukcje Europejskie bazowały na turbinie Gedser'a i w najwięk- szej mierze rozwijali je Niemcy i Duńczycy. W latach sześćdziesiątych budową elektrowni wiatrowych zajmowali się głównie pasjonaci. Dominowały konstrukcje o mocy do 15 kW, z trójłopatowym wirnikiem. W latach 1974-1979 Chri- stian Riisager wybudował około 30 turbin wiatrowych. Po roku 1980 duńskie zakłady energetyczne podjęły decyzję o seryjnej budowie maszyn o generatorach 660 kW. Niestety praca tych maszyn oka- zała się całkowicie nieopłacalna pod kątem produkcji energii elektrycznej. Po pokonaniu problemu nieekonomiczności wcześniej działających elektrowni wiatrowych w latach 90 powstały pierwsze urządzenia produkujące energię na skalę przemysłową. W roku 1990 moce zainstalowane w energetyce wiatrowej w całej Europie wynosiły jedynie 470 MW. Na świecie wartość zainstalowanej mocy w energetyce wiatrowej dochodziła wówczas do 2,4 GW (ryc. E.1.2). Największy udział w tym miała Dania, następnie Niemcy, Holandia i Hiszpania (tabela E.1.1). Cztery następne w rankingu kraje prezentowały sumaryczne moce rzędu kilku mega- watów. W roku 1997 liczba krajów europejskich, w których realnie istniała energetyka wiatrowa, zwiększyła się już do 22, a całkowita moc zainstalowana w elektrowniach wiatrowych na naszym kontynencie osiągnęła 4766 MW. 3 Tabela E.1.1. Rozwój energetyki wiatrowej w wybranych państwach Europy w latach 1990-1997 (moc zainstalowana w MW) Kraj Rok 1990 1993 1996 1997 Niemcy 60 326 1545 2080 Dania 343 487 857 1116 Hiszpania 10 57 249 512 Holandia 40 132 299 325 W. Brytania 8 130 270 320 Szwecja 5 30 105 117 Włochy 2 18 71 10 Irlandia 0 7 11 51 Portugalia 0 8 20 38 Grecja 2 26 29 29 Źródło: http://el_wiatrowe.republika.pl/wykorzys.htm Współcześnie największym na świecie producentem energii z wiatru stały się Chiny. Łączna moc zainstalowana elektrowni wiatrowych w tym kraju wynosi 44,7 GW. W 2010 r. zostały tu odda- ne do użytku farmy o łącznej mocy prawie 19 GW, co stanowi ponad 50% nowych instalacji na świe- cie. Pod względem mocy możliwej do wytworzenia przez elektrownie wiatrowe w Europie (tabe- la E.1.2, ryc. E.1.3), Niemcy zajmują pierwszą pozycję (27,2 GW), wyprzedzając Hiszpanię (20,7 GW). Największym europejskim rynkiem nowych projektów w 2010 r. była Hiszpania (1,5 GW), wyprzedza- jąc Niemcy (1,4 MW) i Francję (1,1 GW). Ryc. E.1.2. Moc zainstalowana farm wiatrowych na świecie w latach 1990-2010 oraz prognoza do 2015 roku. Źródło: Leung, Yang, 2012. 4 Tabela E.1.2. Kraje o największej mocy zainstalowanej elektrowni wiatrowych na koniec 2010 r. Źródło: Energetyka wiatrowa w Polsce, 2011 Ryc. E.1.3. Łączna moc zainstalowana farm wiatrowych w poszczególnych państwach Europy na ko- niec 2010 r. Źródło: Energetyka wiatrowa w Polsce, 2011 5 Reasumując, po II wojnie światowej można wyróżnić następujące etapy rozwoju energetyki wiatrowej na świecie i w Europie: Etap I – lata 1955-1985 Rozwijają się małe przydomowe siłownie wiatrowe o średnicy wirnika do 15 m. Trwają po- szukiwania rozwiązań problemów teoretycznych, technologicznych i konstrukcyjnych. Na świecie brak międzynarodowych standardów Etap II – lata 1986-1990 Powstają pierwsze seryjne siłownie wiatrowe produkowane na szerszą skalę. Średnica wirni- ka dochodzi do około 30 m. Etap III – lata 1990-1994 Produkcja na dużą skalę siłowni o mocy zainstalowanej 600 kW. Średnica wirnika dochodzi do 50 m. Etap IV – od roku 1994 W krótkim czasie następuje przyśpieszenie rozwoju technologicznego. Bardzo szybko po- wstają coraz większe typy elektrowni wiatrowych o średnicy wirnika ponad 50 m, w XXI wieku prze- kraczające 120 m (ryc. E.1.4 i E.1.5). Ich moc współcześnie dochodzi do 7,5 MW (turbina Enercon E- 126). (Kaldellis, Zafirakis,