ROZWÓJ ENERGETYKI WIATROWEJ

Budownictwo o zoptymalizowanym potencjale energetycznym
Lucjan KURZAK
Politechnika Częstochowska
ROZWÓJ ENERGETYKI WIATROWEJ
This study presents the state and prospects of use of electricity production from
wind energy, which is a renewable energy source. Obligations by the EU countries to
ensure 20% share of renewable energy in consumption of primary energy until 2020
also stimulate searching and analysis of opportunities to improve wind energy utilization as an energy source. The problems and directions connected with operation of
wind energy power plants as well as their advantages and drawbacks were also
characterized.
WPROWADZENIE
Zmniejszające się zapasy surowców energetycznych oraz coraz gorszy stan środowiska naturalnego zmuszają do poszukiwania alternatywnych, odnawialnych
źródeł energii. Nie powodują one żadnych efektów ubocznych ani emisji szkodliwych substancji. Wykorzystanie ich nie zmniejsza zasobów naturalnych, nie obniża jakości środowiska naturalnego, krajobrazu oraz długości życia roślin i zwierząt.
Zwiększa bezpieczeństwo energetyczne, a także tworzy nowe miejsca pracy, przy
okazji promując różne regiony [1, 2]. Obecnie jednym z najważniejszych elementów polityki energetycznej i środowiskowej Unii Europejskiej, której Polska jest
również członkiem, jest podnoszenie efektywności energetycznej oraz zwiększenie
udziału odnawialnych źródeł energii w jej całkowitym zużyciu. Odzwierciedleniem
realizacji tej polityki jest pakiet klimatyczno-energetyczny oraz plan „3 x 20”, którego podstawowe zobowiązania do 2020 roku zostały sformułowane w postaci:
− zwiększenia wykorzystania energii ze źródeł odnawialnych do 20 procent,
− zwiększenia efektywności wykorzystania energii także o 20 procent,
− redukcji emisji gazów cieplarnianych również o 20 procent.
1. ENERGIA WIATRU
Ostatnie dziesięciolecia to bardzo szybki rozwój energetyki odnawialnej opartej
na źródle, jakim jest wiatr. Przedstawione poniżej rysunki pozwolą bliżej poznać
zarówno tendencje światowego i europejskiego rozwoju energii wiatrowej, jak
również określić miejsce Polski w tym otoczeniu. Moc elektryczna zainstalowana
121
Rozwój energetyki wiatrowej
w ostatnich latach w światowej energetyce wiatrowej wzrosła z 39 363 MW
w 1993 roku do 194 527 MW w 2010 roku, a więc ponad 5-krotnie [3, 6].
Światowy rozwój energetyki opartej na wykorzystaniu energii wiatru prezentuje rysunek 1 (wraz z załączoną tabelą [6, 7]). Pokazuje on tendencje zachodzące
w latach 2003-2010 na kontynentach: Europy, Azji, Ameryki Północnej, gdzie
obserwuje się znaczące udziały i przyrosty energii uzyskiwanej z wiatru.
250000
MW
200000
150000
100000
50000
0
2003
2004
28764
34619
AMERYKA PÓŁN.
6678
7241
9833
AZJA
3349
4267
7098
572
880
1417
EUROPA
RESZTA ŚW.
2005
2006
2007
2008
57223
66194
76185 86213
13063
18670
27606
38478 44189
10650
15787
24272
38909 58641
1990
2228
2931
40887 48683
2009
4360
2010
5484
Rys. 1. Światowy rozwój energetyki wiatrowej
Źródło: Opracowanie autora na podstawie danych EC BREC IEO
Moc elektrowni wiatrowych w Europie wzrosła z 28 764 MW w 2003 roku do
86 213 MW w 2010 roku, a więc 2,99 razy. Pomimo tak znaczącego wzrostu,
europejski udział w światowej mocy energetyki wiatrowej zmalał w prezentowanym okresie z około 73% w 2003 roku do około 44% w 2010 roku. Dzieje się tak
w wyniku rosnącego znaczenia energetyki wiatrowej na pozostałych kontynentach,
które dotychczas były mniej widoczne w tej dziedzinie. I tak udział Azji wzrósł
z 8,5% w 2003 roku do 30,1% w 2010 roku, zaś Ameryki Północnej odpowiednio
z 17 do 22,7%. Należy w tym miejscu zaznaczyć, że w rozpatrywanym okresie 8
lat moc elektrowni wiatrowych zainstalowanych w Chinach wzrosła z 644 do
42 287 MW, a więc prawie 65-krotnie [6, 7]. Moc elektrowni wiatrowych w Ameryce Północnej i Azji jest porównywalna, a ich światowe udziały w 2010 roku wynoszą odpowiednio 22,7 i 30,1%. Szybki rozwój energetyki wiatrowej daje się zauważyć także w pozostałych rejonach świata, w których moc wzrosła z 572 MW
w 2003 roku do 5489 MW w 2010 roku. Reszta świata w energetyce wiatrowej to
122
L. Kurzak
zaledwie 2,8%, co pokazuje ogrom zadań i możliwości stojących przed pozostałymi kontynentami.
Udział państw Unii Europejskiej w europejskim rozwoju energetyki wiatrowej
jest dominujący. Moc zainstalowana w państwach Unii Europejskiej w 2010 roku
wynosiła 84 339 MW wobec 86 213 MW w całej Europie [6, 7].
Udział poszczególnych państw UE w rozwoju energetyki wiatrowej pokazuje
rysunek 2. Przedstawia on przyrosty mocy zainstalowanej w energetyce wiatrowej
dla ostatnich ośmiu lat, od 2003 do 2010 roku [6, 7].
MALTA
0
SŁOWENIA
0
SŁOWACJA
5
31
ŁOTWA
43,3
LUKSEMBURG
82
CYPR
148,8
ESTONIA
LITWA
154
FINLA NDIA
197
REP.CZECH
375
WĘGRY
293
BUŁGA RIA
375
RUMUNIA
418
2010
2003
888
BELGIA
1010,6
A USTRIA
POLSKA
1185
GRECJA
1208
1428
IRLA NDIA
SZWECJA
2163
HOLA NDIA
2245
3800
PORTUGALIA
3897,8
DA NIA
5203,8
W.BRY TA NIA
FRANCJA
5660
WŁOCHY
5797
20676
HISZPA NIA
27214,7
NIEMCY
0
5000
10000
15000
20000
25000
30000
Rys. 2. Moc elektrowni wiatrowych w państwach UE w 2003 i 2010 roku (w MW)
Źródło: Opracowanie autora na podstawie danych EC BREC IEO
Moc elektryczna w poszczególnych krajach UE, jak widać na rysunku, jest bardzo zróżnicowana. Pokazaną dodatkowo na rysunku 2 moc w 2003 roku należy
traktować jako poziom odniesienia pozwalający ocenić efekty uzyskane w po-
123
Rozwój energetyki wiatrowej
szczególnych państwach UE w zakresie rozwoju energetyki wiatrowej w ostatnich
ośmiu latach.
Jak widać, dominujące znaczenie w europejskiej energetyce wiatrowej odgrywają Niemcy. Ich udział w całej mocy zainstalowanej w państwach Unii Europejskiej w 2010 roku wynosił 32,3%, tj. 27 214,7 MW. Drugim wiodącym krajem jest
Hiszpania, której moc elektrowni wiatrowych osiągnęła w 2010 roku 20 676 MW,
co stanowi 24,5% całej energetyki wiatrowej UE. Te dwa kraje Europy dysponują
więc mocą większą niż 25 pozostałych krajów Unii. Polska z mocą 1185 MW na
koniec 2010 roku zajmuje środkowe miejsce wśród 27 państw Unii Europejskiej.
Należy jednak podkreślić, że w ostatnich latach nastąpił bardzo dynamiczny rozwój energetyki wiatrowej w Polsce, który spowodował prawie dwunastokrotny
wzrost mocy zainstalowanej z 61 MW w 2003 roku do 1185 MW w 2010 roku [7].
168,3
RAZEM EU27
0,9
SŁOWACJA
13,8
ŁOTWA
RUMUNIA
19,5
REP.CZECH
20,5
29,5
WĘGRY
31
POLSKA
36,8
FINLANDIA
LITWA
46,3
BUŁGARIA
49,6
BELGIA
81,9
WIELKA BRYT.
83,9
LUKSEMBURG
86,2
FRANCIA
87,5
96,1
WŁOCHY
CYPR
102,1
GRECJA
106,9
111
ESTONIA
120,7
AUSTRIA
135,4
HOLANDIA
231,6
SZWECJA
IRLANDIA
319,6
332,7
NIEMCY
PORTUGALIA
366,4
449,6
HISZPANIA
686,6
DANIA
0
100
200
300
400
500
600
700
Rys. 3. Wskaźnik mocy zainstalowanej w państwach UE w 2010 roku na 1000
mieszkańców (w kW/1000 mieszkańców)
Źródło: Opracowanie autora na podstawie danych EC BREC IEO
800
124
L. Kurzak
Bardziej obiektywnym wyróżnikiem pokazującym wykorzystanie energii wiatru
jest wskaźnik mocy zainstalowanej w danym kraju UE na 1000 mieszkańców.
Rysunek 3 przedstawia moc zainstalowaną w 2010 roku w poszczególnych państwach Unii Europejskiej przypadającą na 1000 mieszkańców [6]. Pokazuje on
bardzo duże zróżnicowanie tego wskaźnika. Średni wskaźnik dla całej UE wynosi
168,3 kW/1000 mieszkańców. Rozpiętość jest olbrzymia i, jak widać, dla mieszkańców Słowacji wynosi 0,9 kW/1000 mieszkańców, zaś w Danii 686,6 kW/1000
mieszkańców. Należy jednak wziąć pod uwagę uwarunkowania obiektywne, wynikające z różnych zasobów i potencjału energii wiatrowej oraz rozwoju gospodarczego (nowe państwa UE w porównaniu do „starej Piętnastki”). Zapóźnienie gospodarcze i cywilizacyjne niektórych krajów wyraźnie potwierdzają wartości
wskaźników na rysunku 3. Wysokie wskaźniki, jak widać, mają wysokorozwinięte
państwa nadmorskie (Dania, Hiszpania, Niemcy, Portugalia, Irlandia i Holandia),
które ponadto w swych działaniach od wielu lat mocno wspierały rozwój energetyki wiatrowej.
Polska z 31 kW/1000 mieszkańców zajmuje jedno z ostatnich miejsc w Unii
Europejskiej. Wskaźnik ten pokazuje ogrom prac i jednocześnie możliwości stojące przed krajową energetyką wiatrową, która winna dążyć do poziomów osiąganych przez państwa przodujące w tej dziedzinie.
2. EFEKTYWNOŚĆ ORAZ WYBÓR ŹRÓDEŁ ENERGII
Istotne z punktu widzenia perspektyw i skali wykorzystania zasobów energii
odnawialnej do produkcji energii elektrycznej są koszty oraz efektywność konwersji. Zależą one od rodzaju źródła, uwarunkowań lokalnych, rozwoju technologii
przetwarzania oraz skali i powszechności. W prezentowanej na rysunku 4 analizie
porównawczej wykorzystano dane oficjalne, które uśredniono dla większej grupy
krajów, a w szczególności państw członkowskich UE, gdzie systemy wsparcia produkcji energii odnawialnej i rynki energii są bardzo zróżnicowane [4].
Efektywność ekonomiczna poszczególnych technologii energetycznych, dla warunków uśrednionych dla całej UE, została przedstawiona w dokumencie Komisji
Europejskiej: Źródła energii, koszty produkcji i eksploatacji technologii wytwarzania energii elektrycznej, produkcji ciepła i transportu. Stanowi on załącznik do
Drugiego strategicznego przeglądu sytuacji energetycznej (tzw. Second Strategic
Energy Review) w ramach tzw. planu działań na rzecz bezpieczeństwa energetycznego i solidarności energetycznej UE [5]. W dokumencie porównano koszty i wydajność różnych technologii wykorzystywanych do produkcji energii ze źródeł odnawialnych. Jest to opracowanie wiarygodne i oficjalne zarazem, mogące służyć
jako podstawa do porównawczej oceny ekonomicznej różnych technologii OZE
w UE, w szczególności kosztów technologii wytwarzania energii elektrycznej
obecnie i w perspektywie do 2020 r. Dokument został sporządzony na podstawie
najnowszych danych kosztowych dotyczących technologii dostępnych w UE.
W celach porównawczych wszystkie koszty zostały przeliczone na euro w 2005 r.
na podstawie średniorocznej stopy wzrostu inflacji dla strefy euro, zgodnie z da-
125
Rozwój energetyki wiatrowej
nymi Eurostat (po uprzednim ewentualnym przeliczeniu na euro z innych walut
według średniego kursu wymiany w danym roku). Podstawowymi wskaźnikami,
których użyto do porównania opłacalności ekonomicznej poszczególnych technologii, były: nakłady inwestycyjne, koszty eksploatacyjne oraz całkowite koszty
produkcji energii.
Rysunek 4 przedstawia przewidywane i uśrednione koszty produkcji energii
elektrycznej w roku 2020 dla różnych odnawialnych źródeł energii. Nawet przy
stosunkowo konserwatywnych w tym przypadku założeniach, dotyczących produktywności elektrowni wiatrowych, przy uśrednionym dla farm morskich i lądowych
koszcie 73 €2005/kW (50÷95 €2005/kW) będą one wówczas najtańszym odnawialnym
źródłem energii elektrycznej.
Porównanie energetyki wiatrowej wypada też bardzo dobrze w zestawieniu
z kosztami produkcji energii ze źródeł konwencjonalnych. Zdaniem Komisji Europejskiej, koszty produkcji energii elektrycznej z elektrowni wiatrowych w 2020 r.
w UE będą porównywalne z kosztami produkcji energii elektrycznej w elektrowniach jądrowych, ale będą niższe od wszystkich innych technologii wytwarzania
energii elektrycznej ze spalania węgla, gazu i ropy naftowej, i to we wszystkich
przyjętych scenariuszach zmian cen paliw kopalnych [4].
400
350
300
250
200
150
100
50
0
Farmy
wiatrowe
lądowe
Farmy
wiatrowe
morskie
Biogaz
Biomasa
stała
Fotowoltaika
Rys. 4. Przewidywane średnie koszty produkcji energii elektrycznej w Europie w roku
2020 (w €2005/MW)
Źródło: Opracowanie autora na podstawie: G. Wiśniewski, K. Michałowska-Knap, P. Dziamski,
A. Oniszk-Popławska, P. Regulski, Wizja rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce do
2020 roku, Instytut Energetyki Odnawialnej, PSEW, Warszawa 2009
Zdaniem Komisji Europejskiej, farmy wiatrowe charakteryzują się też najkrótszym okresem budowy, porównywalnym z instalacjami wykorzystania gazu wysypiskowego. Farmy wiatrowe budowane są w UE w czasie 2-krotnie krótszym niż
126
L. Kurzak
systemy kogeneracyjne na biomasę, 4-krotnie krótszym niż elektrownie wodne
i 6-krotnie krótszym niż elektrownie jądrowe [4].
Decydującym kryterium wyboru przez inwestora źródła energii pierwotnej do
produkcji energii elektrycznej jest przewidywany do uzyskania zysk. Na wybór
źródła wpływ ma wiele czynników, ale głównymi są dostępność i koszt pozyskania
oraz poziom techniczny technologii przetwarzania. Rysunek 5 przedstawia decyzje
inwestorów Unii Europejskiej w 2009 roku i poziom wykorzystania rodzajów
źródeł energii w przetwarzaniu na energię elektryczną. Obrazuje on roczny bilans
zmiany mocy w 27 państwach UE. Łączna nowo zainstalowana moc według danych [4] wyniosła 13 342,8 MW. W tym samym czasie nastąpiło jednoczesne wyłączenie 1749 MW. W efekcie w 2009 roku nastąpił przyrost mocy elektrycznej
w państwach UE o 11 593,8 MW.
11000
MW
10048
9000
7000
6266
5605
5000
3000
542
-954
EN. JĄDROWA
0 -795
WĘGIEL
OCEANICZNA
GEOTERMIA
BIOGAZ
MAŁE HYDROEL.
OLEJ OPAŁOWY
SKONCENTR.EN.SŁOŃCA
DUŻE HYDROEL.
ODPADY
BIOMASA
FOTOWOLTAIKA
GAZ ZIEMNY
WIATR
-1000
418 172 120 102 54
12 3,4 0,4
TORF
1000
Rys. 5. Zmiana mocy w elektrowniach Unii Europejskiej z podziałem na źródła
wytwarzania w 2009 roku [4]
Warto zauważyć, że zmniejszenie mocy wytwórczych dotyczy elektrowni wykorzystujących energię jądrową i węgiel. Jest to znamienna sytuacja i obrazuje politykę energetyczną Unii Europejskiej, zwłaszcza jeśli chodzi o rolę w niej paliw
kopalnych, szczególnie węgla. W kwestii energii jądrowej istotny wpływ na zahamowanie jej wykorzystania mają obawy związane z bezpieczeństwem eksploatacji.
Taka tendencja, wobec ostatniej katastrofy w elektrowni jądrowej w Japonii, będzie się pogłębiała. Wiele państw Europy wstrzymało decyzje o nowych inwestycjach, a nawet zostały wyłączone elektrownie jądrowe już eksploatowane. Także
Rozwój energetyki wiatrowej
127
energetyka europejska oparta na węglu będzie zmniejszała potencjał wytwórczy.
Nowych inwestycji jest niewiele, a ponadto w wielu dotychczas eksploatowanych
elektrowniach kończy się okres żywotności technicznej. Nowe technologie czystego wytwarzania energii elektrycznej z węgla są jeszcze na etapie badań i analiz
ekonomicznych oraz ekologicznych.
Jeśli chodzi o przyrost mocy wytwórczych energii elektrycznej w UE, decydujące znaczenie mają siłownie wykorzystujące źródła odnawialne. Najwyższy przyrost mocy w 2009 roku, o 10 048 MW, odnotowały siłownie wiatrowe, a kolejne to
opierające swoją produkcję na gazie ziemnym ze wzrostem o 6266 MW. Elektrownie fotowoltaiczne ze wzrostem o 5605 MWp zajmują trzecią pozycję w tym
zestawieniu. Następne w kolejności są elektrownie wykorzystujące biomasę,
a więc również zasoby odnawialne, z udziałem 542 MW nowej mocy. Jest to wielkość o rząd mniejsza w porównaniu z fotowoltaiką. Obserwując dotychczasowy
trend rozwoju energetyki odnawialnej w Europie, można stwierdzić, że w najbliższych latach wśród nowych elektrowni dominujące będą siłownie, gdzie źródłem
będzie przyjazna środowisku energia wiatru i słońca.
PODSUMOWANIE
Szybki rozwój energetyki wiatrowej jest możliwy dzięki wzrostowi mocy znamionowych pojedynczych siłowni wiatrowych (opracowanie nowoczesnych materiałowo i aerodynamicznie konstrukcji wiatraków i układów konwersji energii mechanicznej na elektryczną). Wzrost mocy jednostkowych wymusza na operatorach
systemów elektroenergetycznych konieczność opracowania szczegółowych wymagań dotyczących sterowania farmami w normalnych i zakłóceniowych stanach
pracy Krajowego Systemu Elektroenergetycznego.
Siłownie wiatrowe mają następujące zalety [1, 3, 4]:
− nie zanieczyszczają środowiska naturalnego,
− energia wiatru jest bezpłatna,
− mogą być budowane na nieużytkach (pustynie, wybrzeże, skały),
− zapewniają nowe miejsca pracy.
Wady siłowni wiatrowych to:
− mogą prowadzić (doświadczenia niemieckie w latach 2003-2004) do destabilizacji systemu energetycznego kraju,
− ze względu na trudności prognozowania mocy (zwłaszcza w dłuższej perspektywie czasowej) wymagają niekiedy stosowania akumulatorów energii,
− stanowią zagrożenie dla ptaków,
− konstrukcje niedopracowane technicznie negatywnie oddziałują na otoczenie,
pracując zbyt głośno.
Jednym z głównych kierunków ekspansji energetyki wiatrowej w Europie jest
obecnie budowa parków wiatrowych offshore. Państwa mające dostęp do morza
mogą wykorzystywać swoje wody terytorialne lub swą strefę ekonomiczną pod
budowę elektrowni wiatrowych. Inwestycje w farmy na morzu są jednak przedsięwzięciem bardziej skomplikowanym i wymagającym większych nakładów (rys. 4)
128
L. Kurzak
niż budowa farm na lądzie. Inwestycje te winny być wspierane zarówno przez UE,
jak i poszczególne państwa poprzez odpowiednie mechanizmy dla projektów offshore. Wykorzystanie potencjału tkwiącego w lokalizacjach morskich może wpłynąć na przyspieszenie rozwoju energetyki wiatrowej w Europie.
Energetyka wiatrowa nie może ograniczać się tylko do budowania kolejnych
farm lądowych i w rejonach nadmorskich. Obszary te coraz częściej, w wyniku
zbyt dużego nasycenia wiatrakami, które mogą ingerować w krajobraz, co w konsekwencji negatywnie wpłynie na ich dotychczasowe walory turystyczno-rekreacyjne. Dlatego dalszy rozwój energetyki wiatrowej powinien uwzględniać
również budowanie małych turbin wiatrowych, zapewniających zdecentralizowane
źródła energii na potrzeby lokalne.
Energia wiatru może być wykorzystana do innych celów niż tylko produkcja
energii elektrycznej, np. w budowie hybrydowych instalacji wiatrowo-słonecznych
jako źródło ciepłej wody oraz do ogrzewania pomieszczeń.
Wdrożenie pakietu klimatyczno-energetycznego oraz planu „3 x 20” jest wyzwaniem, ale i szansą dla państw UE na przyspieszenie procesu modernizacji energetyki. Sektor energetyczny musi zachować konkurencyjność wraz z zaostrzaniem
wymagań w zakresie redukcji emisji gazów cieplarnianych, wzrostem ceny uprawnień do emisji CO2 i stopniowym wyczerpywaniem się najłatwiej i najtaniej dostępnych zasobów paliw kopalnych.
Energetyka wiatrowa stanowi zasadniczy element rynku odnawialnej energii
elektrycznej w Europie, a w dobie polityki klimatycznej i szybkiego rozwoju gospodarczego - niezwykle ważny segment całego rynku energetycznego.
LITERATURA
[1] Kurzak L., Tendencies in Development of Renewable Energy Sector and Energy-Saving Civil
Engineering in the European Union, Wydawnictwo Wydziału Zarządzania Politechniki Częstochowskiej, Częstochowa 2009.
[2] Kurzak L., Conditions of Development of Polish Wind Energy Sector, [w:] Energy and Environment in Knowledge Based Economy, T. Nitkiewicz, R. Lescroart (eds.), Wyd. Haute
Ecole<<Blaise Pascal>>, Argon 2008, 20-30.
[3] Kurzak L., Development in Wind Energy Sector in the European Union, Rynek Energii 2010,
4(89), 119-124.
[4] Wiśniewski G., Michałowska-Knap K., Dziamski P., Oniszk-Popławska A., Regulski P., Wizja
rozwoju energetyki wiatrowej w Polsce do 2020, Instytut Energetyki Odnawialnej, PSEW, Warszawa 2009.
[5] Commission of the European Communities: Second Strategic Energy Review - AN EU ENERGY
SECURITY AND SOLIDARITY ACTION PLAN COM(2008)781, Bruksela 2008.
[6] Statistical information concerning individual sectors of renewable energy in Poland and EU
countries, EurObserv'ER, EC BREC IEO.
[7] Wind in power, 2010 European statistics, February 2011, EWEA.