Energetyka wiatrowa dziś i jutro

Historia turbin wiatrowych

Co ciekawe, turbiny wiatrowe są starsze, niż mogłoby się wydawać.

Pierwszą maszynę napędzaną wiatrem skonstruowali starożytni Grecy w I wieku n.e. Na terenach dzisiejszego Iranu i Afganistanu od VII do XIX wieku wiatraków używano m.in. do mielenia zboża i pompowania wody.

Pod koniec XII wieku w północno-zachodniej Europie zaczęły się upowszechniać wiatraki pionowe służące do mielenia zboża. Przez kolejne pokolenia wiatraki wyrastały na całym kontynencie. Wystarczy pomyśleć o Holandii i jej walce o odzyskiwanie lądu z morza.

Pod koniec XIX wieku wiatraki zaczęły ustępować turbinom wiatrowym wytwarzającym energię elektryczną. Pierwszą znaną turbinę wiatrową do produkcji prądu zbudował w 1883 roku austriacki inżynier. Pod koniec lat 80. XIX wieku podobne konstrukcje stanęły w Szkocji i Stanach Zjednoczonych.

Pierwsze turbiny wiatrowe były małe i zawodne, ale w XX wieku konstrukcja turbin i materiały stale się rozwijały. Powstały większe i wydajniejsze turbiny, zdolne do komercyjnej produkcji energii, a w XXI wieku stały się one siłą napędową przejścia na zieloną energię.

Dlaczego turbiny wiatrowe to tak obiecująca technologia?

Po pierwsze, ta technologia jest tak skuteczna, bo w przeciwieństwie do paneli słonecznych turbiny wiatrowe pracują zarówno w dzień, jak i w nocy. Owszem, zdarzają się okresy słabego wiatru, a turbina potrzebuje minimalnej prędkości wiatru (zwykle ok. 3 m/s), żeby zacząć produkować prąd. Dlatego tak ważne są magazyny energii.

Po drugie, te wielkie "wentylatory" są stosunkowo opłacalne. Postawienie ogromnej konstrukcji może sporo kosztować, ale turbiny wytwarzają znacznie więcej prądu niż panele słoneczne. Jedna turbina wiatrowa potrafi wytworzyć tyle energii elektrycznej, co panele słoneczne zajmujące siedem boisk piłkarskich. Energia wiatrowa ma więc znacznie większą gęstość energetyczną. Turbiny wiatrowe zamieniają na prąd zwykle około 35-45% energii wiatru (teoretyczne maksimum, tzw. granica Betza, to 59,3%), a panele słoneczne zwykle tylko 18-22% energii słonecznej. Słońce daje nam mnóstwo energii, ale nie umiemy jeszcze wydajnie zamieniać jej na prąd. Jeszcze.

Oczywiście jest też zaleta najbardziej oczywista. Wytwarzając prąd z wiatru, uniezależniamy się od paliw kopalnych, czyli zasobów skończonych, z którymi wiążą się problemy geopolityczne i środowiskowe. To wzmacnia niezależność i bezpieczeństwo energetyczne, a przy tym zmniejsza nasz udział w globalnym ociepleniu.

Nie można też zapominać o korzyściach ekonomicznych, jakie daje powstanie całej nowej branży. Farmy wiatrowe tworzą miejsca pracy w produkcji, budownictwie i serwisie. Do tego właściciele gruntów, którzy dzierżawią ziemię pod turbiny, często dostają za to pieniądze, co przynosi korzyści ekonomiczne społecznościom wiejskim.

Wreszcie, turbiny wiatrowe zajmują stosunkowo mało miejsca na lądzie. Mogą współistnieć z uprawami i wypasem, a teren pod nimi nadal da się wykorzystać do innych celów.

Energia wiatrowa ma niezaprzeczalne zalety, ale na drodze do jej większej popularności i upowszechnienia stoi kilka przeszkód.

Opłacalność

Energia wiatrowa stała się bardziej opłacalna, ale wciąż jest co poprawiać, zwłaszcza w porównaniu z mocno dotowanymi paliwami kopalnymi. Postęp technologiczny, który obniży koszty produkcji i serwisu, oraz konsekwentna polityka państw wspierająca odnawialne źródła energii mogłyby sprawić, że wiatr stanie się atrakcyjniejszą opcją.

Magazynowanie nadwyżek energii

Wiatr jest zasobem zmiennym, czyli nie zawsze wieje. Potrzebne są opłacalne rozwiązania do magazynowania energii na dużą skalę, które zrównoważą sieć i zapewnią stabilne dostawy prądu, gdy wiatr słabnie. Niezbędny jest postęp w technologii baterii albo w alternatywnych metodach magazynowania.

Gdy sieć nie jest w stanie przyjąć całej wyprodukowanej energii wiatrowej, operatorzy muszą ograniczyć produkcję, co określa się jako energy curtailment.

Prawo

Obecnie w Europie obowiązują różne przepisy dotyczące odległości turbin wiatrowych od innych budynków i dopuszczalnego poziomu hałasu.

• Polska: W 2023 roku Polska zmieniła restrykcyjną zasadę "10H", która wymagała, by odległość turbiny od zabudowy mieszkalnej wynosiła co najmniej 10-krotność wysokości turbiny. Nowe przepisy dopuszczają minimalną odległość 700 metrów, choć branża zabiegała o 500 metrów.
• Niemcy: W Niemczech minimalne odległości zależą od landu. Niektóre landy wymagają 1000-1250 metrów, inne dopuszczają mniejsze odległości, około 700 metrów.
• Dania: Dania określa minimalną odległość turbiny od domów na 4-krotność jej całkowitej wysokości. Jeśli odległość jest mniejsza niż 6-krotność całkowitej wysokości, właściciele domów mogą ubiegać się u inwestora o odszkodowanie za spadek wartości nieruchomości.
• Szwecja: Szwecja ogranicza hałas do 35 dBA na terenach rekreacyjnych wieczorem i w nocy oraz do 40 dBA na terenach mieszkalnych w nocy.
• Wielka Brytania: Nie ma krajowego standardu, ale niektóre zalecenia mówią o odległościach 500-600 metrów. UK Noise Association zaproponowało ostrożniejsze 1600 metrów.

Odbiór społeczny

Turbiny wiatrowe są coraz lepiej przyjmowane, ale część społeczeństwa wciąż ma obawy. Dotyczą one hałasu, wpływu na krajobraz i potencjalnego zagrożenia dla ptaków. Lepsza konstrukcja turbin, odpowiedzialny wybór lokalizacji i otwarta komunikacja z mieszkańcami mogą pomóc zdobyć szersze poparcie społeczne. Może czas przemyśleć priorytety: ochrona przyrody jest ważna, ale ważne jest też ograniczanie emisji dwutlenku węgla, które również ratuje życie.

Recykling

Energia wiatrowa jest czysta podczas pracy turbin, ale ich produkcja i likwidacja mogą wpływać na środowisko. Jeszcze gorzej jest, gdy do magazynowania nadwyżek energii odnawialnej używa się baterii. Ten wpływ można ograniczyć, stawiając na zrównoważone materiały i odpowiedzialne postępowanie z turbinami po zakończeniu eksploatacji. Spodziewamy się też, że w przyszłości pojawią się nowe procesy, dzięki którym całość będzie znacznie bardziej przyjazna dla środowiska. Musimy też ustanowić i egzekwować zasady, które zapewnią odpowiedzialny recykling turbin i baterii.

Turbiny wiatrowe produkują prąd, gdy wieje wiatr, a nie wtedy, gdy potrzebuje go sieć, więc operator sieci musi czasem poprosić farmę wiatrową o mniejszą produkcję. Polski regulator, URE, publikuje roczne dane. Za 2024 rok podano, że na polecenie PSE, krajowego operatora systemu przesyłowego, elektrownie wiatrowe wyprodukowały o 118 047,6 MWh mniej, by zbilansować system elektroenergetyczny, i o 7027,7 MWh mniej z powodu ograniczeń przesyłowych. W elektrowniach słonecznych te same polecenia odjęły 595 168,4 MWh i 2095,7 MWh. Operatorzy systemów dystrybucyjnych (OSD) zlecili dodatkowo ograniczenie 24 121,1 MWh energii słonecznej, a zrobiły to tylko 3 ze 188 OSD.

URE opisuje te polecenia jako ostateczność: PSE najpierw stosuje inne środki i dopiero potem zleca instalacjom odnawialnym zmniejszenie mocy. Te same polecenia mogą też wyłączyć magazyn energii albo zmienić moc, jaką pobiera lub oddaje.

Ograniczenie mocy, czyli curtailment, występuje w czterech postaciach. Operator systemu zleca elektrowni zmniejszenie mocy albo wyłączenie. Umowa przyłączeniowa ogranicza moc, jaką obiekt może eksportować. Zasada zero-export zabrania eksportu w ogóle. A właściciel albo trader ogranicza moc dobrowolnie, gdy cena wyeksportowanej energii spada do zera lub poniżej. Tylko pierwsza z nich to to, co prawo UE nazywa redysponowaniem, czyli środek obejmujący też zwiększenie generacji lub obciążenia, nie tylko ich zmniejszanie. Dla oprogramowania każda postać przychodzi jako inny sygnał i trzeba ją obsłużyć inaczej.

Nasze własne projekty to obiekty fotowoltaiczne z bateriami i pokazują, co musi robić oprogramowanie sterujące. Wymagania wyglądają tak:

• Sygnały mają spisany priorytet. Limity bezpieczeństwa, polecenia operatora sieci, limity eksportu z umowy przyłączeniowej, peak shaving (obcinanie krótkich szczytów zapotrzebowania) i handel działają na te same falowniki i baterię, więc system potrzebuje stałej kolejności i ekranu, który pokazuje, jaka reguła ogranicza moc w tej chwili.
• Każdy kontroler reaguje na własny wyzwalacz. Kontroler bezpieczeństwa, który dusi baterię przy każdym aktywnym limicie, traci energię bez powodu.
• Limit jest egzekwowany w punkcie przyłączenia. System zarządzania energią (EMS) odczytuje licznik sieciowy, porównuje eksport z limitem i na bieżąco reguluje falowniki, z zapasem na czas reakcji falownika i bezpiecznym rozwiązaniem awaryjnym, takim jak zero-export, gdy licznik przestaje odpowiadać.
• Nadwyżka trafia do baterii, zanim moc zostanie obcięta. Wymaga to zapasu w stanie naładowania baterii (jak bardzo jest pełna) przed godzinami, w których spodziewane jest ograniczenie, a gdy bateria jest pełna, moc i tak trzeba zmniejszyć.
• Prognozy i raporty uwzględniają ograniczenia mocy. Prognoza produkcji na godziny z zablokowanym eksportem powinna pokazywać nie więcej niż zużycie plus ładowanie baterii.
• Każde zdarzenie zostawia dowody: start, koniec i wartość limitu, moc, jaką elektrownia mogła wyprodukować, moc, jaką faktycznie wyprodukowała, stan naładowania i moc ładowania baterii oraz wysłane wartości zadane razem z odczytanymi wartościami zwrotnymi.

EMS, który zbudowaliśmy dla Skyfri, przyjmuje od OSD sygnały ograniczające eksport energii z fabryki do sieci ze względu na bezpieczeństwo sieci. Do października 2024 roku miał już ograniczanie eksportu na żądanie operatora sieci, algorytmy zero-export i zero PV export oraz ogranicznik maksymalnego obciążenia obiektu, przetestowane na miejscu z operatorem sieci.

Dla magazynów baterii Global Green zbudowaliśmy w 2026 roku osobne kontrolery:

• limit eksportu od OSD;
• limit baterii od OSD i bezpośrednie komendy dla baterii;
• ograniczenie eksportu z PV i ograniczenie eksportu do sieci;
• kontroler bezpieczeństwa ograniczający moc.

W domowym EMS Zeronest anti-reflux, czyli blokowanie eksportu do sieci, to jeden z ręcznych trybów baterii, a algorytm automatyczny przełącza na niego, gdy cena za wyeksportowaną energię jest zerowa lub ujemna. Od 2026 roku prognoza produkcji pokazuje nie więcej niż zużycie plus ładowanie baterii w godzinach, w których zaplanowano anti-reflux.

Te same pytania dotyczą każdej elektrowni, która musi stosować się do sygnałów sieci, a dane URE powyżej pokazują, że farmy wiatrowe należą do tych obiektów. Jeśli planujesz oprogramowanie dla wytwórców lub magazynów energii, zobacz naszą stronę o tworzeniu oprogramowania dla energetyki i case study Skyfri.

Energia słoneczna i wiatrowa cieszy się ogromnym zainteresowaniem. Przepisy na całym świecie się zmieniają i muszą się zmieniać, bo zdecydowana większość krajów europejskich, poza Norwegią i Szwecją, ma przed sobą długą drogę do zerowej emisji netto.

Wyzwania pozostają, od obniżenia kosztów po magazynowanie energii, ale postęp technologiczny, lepsze przepisy i otwarta komunikacja ze społeczeństwem mogą utorować drogę przyszłości napędzanej wiatrem. Stawiając na energię wiatrową, możemy zapewnić zrównoważoną przyszłość kolejnym pokoleniom.