Wiatr

Jak wiele energii wiatrowej moglibyśmy potencjalnie wytworzyć? Możemy oszacować potencjał wiatru wiejącego na lądzie w Wielkiej Brytanii poprzez pomnożenie średniej mocy farm wiatrowych na jednostkę powierzchni przez powierzchnię przypadającą na osobę w Wielkiej Brytanii: moc na osobę = moc wiatru na jedn. pow. x jedn. pow. na osobę .

Rozdział B (str. 279) wyjaśnia, jak oszacować moc na jednostkę powierzchni, dostarczaną przez farmę wiatrową w Wielkiej Brytanii. Jeśli typowa prędkość wiatru wynosi 6 m/s (22 km/h), to moc farmy wiatrowej na jednostkę powierzchni jest równa 2 W / m2 .

Prawdopodobnie prędkość wiatru równa 6 m/s dla wielu miejsc w Wielkiej Brytanii jest przeszacowana. Na przykład Rys. 4.1. przedstawia średnie dzienne prędkości wiatru w Cambridge w roku 2006. Osiągają one tam 6 m/s zaledwie przez 30 dni w roku – histogram znajduje się na Rys. 4.6. Jednakże w niektórych miejscach średnie prędkości wiatru przekraczają 6 m/s – na przykład, na szczycie góry Cairngorm w Szkocji (Rys. 4.2.) Włączając do obliczeń gęstość zaludnienia w Wielkiej Brytanii, czyli 250 osób na kilometr kwadratowy – lub inaczej mówiąc 4000 m2 na osobę, stwierdzimy, że farmy wiatrowe mogą wygenerować: 2 W/m2 x 4000 m2/osobę = 8000 W na osobę .

To wartość uzyskana przy założeniu, że farmy wiatrowe byłyby upakowane na powierzchni całego kraju oraz zakładając, że 2 W/m2 jest poprawną wielkością mocy na jednostkę powierzchni. Zamieniając ten wynik na naszą ulubioną jednostkę mocy, otrzymamy 200 kWh/dobę na osobę .

Bądźmy jednak realistami. Jaką część kraju możemy wyobrazić sobie rzeczywiście pokrytą wiatrakami? Może 10%? Wniosek z tego taki, że jeśli pokryjemy wiatrakami (dostarczającymi 2 W/m2) najbardziej wietrzne 10% powierzchni kraju, to będziemy w stanie wygenerować 20 kWh/dobę na osobę, co stanowi połowę mocy zużywanej na przejeżdżanie 50 km dziennie przeciętnym samochodem napędzanym paliwami kopalnymi .

Może i lądowe zasoby wiatrowe Wielkiej Brytanii są ogromne, jednakże ewidentnie nie są wystarczające, by zaspokoić nasze ogromne zużycie energii. Do farm wiatrowych położonych na morzu przejdziemy później .

Prędkość wiatru w Polsce, średnio rzecz biorąc, jest trochę niższa niż w Wielkiej Brytanii, jednak są to niewielkie różnice, którą w dużym stopniu możemy skompensować, budując trochę wyższe wiatraki. Średnią prędkość wiatru wynoszącą 6 m/s w miejscach o bardzo dobrych warunkach wiatrowych mamy na wysokości około 60–80 m, co dość dobrze odpowiada wysokości budowanych wiatraków. Jednak raczej nie znajdziemy 30 000 km2 dopuszczonych do zabudowy miejsc o tak dobrych warunkach wiatrowych .
Załóżmy więc, że nasze wiatraki będą stać w miejscach ze średnią prędkością wiatru na poziomie 5,5 m/s. Oznacza to moc na jednostkę powierzchni równą 1,5 W/m2 .

W Polsce na 1 osobę przypada 8000 m2, czyli dwa razy więcej niż w Wielkiej Brytanii, co daje nam moc całkowitą rzędu 30 kWh na osobę dziennie .
Czyniąc za Davidem założenie, że zabudowujemy farmami wiatrowymi, wiatrak przy wiatraku, 10 procent powierzchni Polski, dostajemy ostatecznie wynik 30 kWh/dobę na osobę, czyli znacząco lepiej niż w Wielkiej Brytanii .

Powinienem szczególnie podkreślić, jak szczodre są poczynione przeze mnie założenia. Porównajmy nasze oszacowanie brytyjskiego potencjału wiatrowego z obecnie istniejącą infrastrukturą wiatrową na świecie. Liczba wiatraków, które byłyby potrzebne do zaopatrzenia Wielkiej Brytanii w 20 kWh/dobę na osobę, jest 50 razy większa od całej infrastruktury wiatrowej Danii, 7 razy większa niż na wszystkich farmach wiatrowych Niemiec i dwa razy większa od liczby wszystkich istniejących turbin wiatrowych na świecie .

Proszę, nie zrozumcie mnie źle. Czy mówię, że nie powinniśmy zawracać sobie głowy budowaniem farm wiatrowych? Wcale nie. Po prostu staram się przekazać pomocny w rozważaniach fakt, że gdybyśmy chcieli, aby energetyka wiatrowa rzeczywiście miała znaczenie, to farmy wiatrowe muszą pokrywać naprawdę ogromne powierzchnie .

Wniosek ten – że maksymalny udział wiatru na lądzie, choć ogromny, nie pokrywa naszego zapotrzebowania – jest istotny. Zweryfikujmy zatem kluczową wielkość – założoną przez nas moc farmy wiatrowej na jednostkę powierzchni (2 W/m2) i porównamy ją z wartością odpowiadającą rzeczywistej brytyjskiej farmie wiatrowej .

Farma wiatrowa Whitelee, położona niedaleko Glasgow w Szkocji, posiada 140 turbin o łącznej mocy szczytowej wynoszącej 322 MW; całość przypada na powierzchnię 55 km2, co oznacza maksymalnie 6 W/m2. Średnia generowana moc jest mniejsza, ponieważ turbiny nie pracują z maksymalną mocą przez cały czas. Stosunek średniej mocy do mocy szczytowej nazywany jest współczynnikiem obciążenia lub współczynnikiem wykorzystania mocy. Jego wielkość może być bardzo zróżnicowana w zależności od miejsca, do którego się odnosi. Zazwyczaj współczynnik ten dla dobrze umiejscowionej farmy wiatrowej z nowoczesnymi turbinami wynosi 30%. Jeśli założymy, że Whitelee ma współczynnik obciążenia równy 33%, to średnia produkcja mocy na jednostkę powierzchni wynosi 2 W/m2, a więc dokładnie tyle samo, ile wyliczyliśmy wcześniej .

Farma wiatrowa Karcino, zlokalizowana niedaleko Kołobrzegu, posiada 17 turbin Vestas typu V90-3 o średnicy wirników 90 m, zamontowanych na wieżach o wysokości 105 m. W tym miejscu o bardzo dobrych warunkach wiatrowych i na tak dużej wysokości średnia prędkość wiatru wynosi 7 m/s. Łączna moc szczytowa wynosi 51 MW i przypada na powierzchnię 6 km2, czyli moc maksymalna farmy wynosi 8,5 W/m2. Uruchomiona w 2010 roku farma ma wytwarzać 120 GWh rocznie, co oznacza średnią produkcję mocy na jednostkę powierzchni równą 2,3 W/m2. Trochę więcej niż w wyliczeniach, jest to jednak przykład elektrowni położonej w szczególnie sprzyjającym miejscu i wyposażonej w bardzo wysokie wiatraki .

przypis. 4.1.