| Energia odnawialna |
|---|
 |
| Energia wodna Energia geotermalna Energia prądów morskich, pływów i falowania Energia słoneczna Energia wiatru Biopaliwo Biomasa Biogaz Energia cieplna oceanu |
Energia wiatru - energia kinetyczna przemieszczających się mas powietrza, zaliczana do odnawialnych źródeł energii. Jest przekształcana w energię elektryczną za pomocą turbin wiatrowych, jak również wykorzystywana jako energia mechaniczna w wiatrakach i pompach wiatrowych, oraz jako źródło napędu w jachtach żaglowych. W 2011 energia wiatru dostarczyła ludzkości 430 TWh, czyli 2,5% światowego zapotrzebowania na energię elektryczną[1].
Spis treści |
Najstarszym znanym wykorzystaniem energii wiatru są łodzie żaglowe. Wiadomo, że były używane już w Starożytnym Egipcie około 3200 lat p.n.e.[2]. Pierwsze wzmianki o wiatrakach znajdują się w Kodeksie Hammurabiego spisanym w XVIII wieku p.n.e.[3]. Wiatraki te miały służyć do pompowania wody i melioracji pól. Najstarsze znane projekty wiatraków pochodzą z prac Herona z Aleksandrii z pierwszego wieku naszej ery[4]. Wiatraki te miały pionową oś obrotu. Pierwsze wiatraki o poziomej osi obrotu, czyli takiej jaka jest obecnie najpopularniejsza, pojawiły się w Europie w XII wieku[5]. Pierwszym zapisem dotyczącym wiatraków na ziemiach polskich jest zezwolenie zakonnikom z Białego Buku na jego budowę wydane przez księcia Wisława z Rugii w 1271 roku[6].
Po wynalezieniu generatora elektrycznego możliwe stało się wykorzystanie energii wiatru do wytwarzania energii elektrycznej. Pierwszą turbinę wiatrową skonstruował w 1887 roku i opatentował w 1891 roku szkocki wynalazca James Blyth[7]. Używał jej do zasilania oświetlenia w swoim domu. Małe turbiny do generowania prądu dla wolnostojących domów rozpowszechniły się na początku XX wieku. Pierwsze przemysłowe turbiny, generujące 100 kW, wybudowano w 1931 roku w ZSRR[8]. Przez wiele lat nie stanowiły one jednak konkurencji dla generatorów zasilanych paliwami kopalnymi. Pierwsze próby wykorzystania turbin wiatrowych na masową skalę były podejmowane w latach 70 XX wieku w odpowiedzi na kryzys naftowy. Do końca XX wieku nie stały się one jednak znaczących źródłem energii. W 1995 roku moc wszystkich zainstalowanych na świecie turbin wynosiła 4,5 GW i generowały one mniej niż 0,1% całkowitej zużywanej przez ludzkość energii elektrycznej[9].
Energia kinetyczna powietrza przelatującego przez powierzchnię A w czasie t określa się wzorem:
gdzie v to prędkość wiatru a ρ to gęstość powietrza. Avt określa objętość powietrza przelatującego przez powierzchnię A, Avtρ jego masę. Powierzchniowa gęstość mocy, czyli energia na jednostkę czasu i powierzchni, określa się wzorem
Moc ta jest więc zależna od trzeciej potęgi prędkości, co oznacza że wiatr o dwukrotnie większej prędkości może dostarczyć ośmiokrotnie więcej mocy. Dlatego lokalizacja turbin wiatrowych w miejscach gdzie wieją silne wiatry ma kluczowe znaczenie dla ich efektywności.
Nie cała energia kinetyczna wiatru może zostać wykorzystana przez turbinę. Wykorzystanie tej energii powoduje, że wiatr zwalnia, utrudniając dalszy napływ wiatru. Teoretycznie maksymalna efektywność turbiny może wynieść 59,3%[10]. W praktyce efektywność turbin jest niższa.
Źródłem energii kinetycznej wiatru jest energia światła słonecznego. Ponieważ Ziemia jest nierówno ogrzewana, a lądy nagrzewają się (i stygną) szybciej niż morza, na Ziemi cały czas tworzą się różnice temperatur. Wywołuje to prądy konwekcyjne w atmosferze, różnice ciśnień i cyrkulację powietrza. Szacuje się, że około 1% energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi przekształca się w energię wiatrów, co oznacza że sumaryczna ich moc może sięgać 900 TW[11]. Większość tej mocy należy do wiatrów wiejących na dużych wysokościach i nad oceanami. Ilość mocy jaka może być praktycznie wykorzystana jest szacowana, w zależności od metodologii, od 18 do 170 TW[12]. Dla porównania, całkowite zapotrzebowanie mocowe ludzkości to 15 – 18 TW[11].
.jpg)
Najpowszechniej stosowanym sposobem produkcji energii elektrycznej z wiatru są turbiny wiatrowe. Składają się one z wirnika zamontowanego na wysokiej wieży i połączonego z generatorem prądu. Ponieważ wiatry wiejące przy powierzchni Ziemi mają zwykle niewielką prędkość, moc generowanego prądu można zwiększać zarówno zwiększając średnicę wirnika jak i wysokość wieży. Ograniczeniem jest wytrzymałość materiałów z których zbudowana jest turbina. Największe współcześnie budowane turbiny mają wirniki o średnicy 164 metrów zamontowane na wieży o wysokości 187 metrów i umożliwiają wytwarzanie 7 MW mocy[13].
Ponieważ siła wiatru jest zmienna, turbiny wiatrowe przez większość czasu nie pracują z pełną dostępną mocą. Stosunek wytwarzanej energii do teoretycznie możliwej do wytworzenia przez daną turbinę (współczynnik wydajności) wynosi zwykle 20–40%, a najwyższe wyniki uzyskują turbiny umieszczone w szczególnie dogodnych miejscach[14]. Przykładowo 1 MW turbina o współczynniku wydajności 35% wytwarza w ciągu roku 1 × 0.35 × 24 × 365 = 3066 MWh, zamiast teoretycznie możliwych 1 × 24 × 365 = 8760 MWh.
Moc generowane przez turbiny może gwałtownie się zmieniać z godziny na godzinę w zależności od siły wiatru, dodatkowo ulegając zmianom dobowym i rocznym. Ponieważ odbiorcy energii elektrycznej nie chcą być uzależnieni od takich zmian, farmy wiatrowe muszą być wspomagane bądź przez klasyczne elektrownie, bądź przez systemy magazynowania energii takie jak elektrownia szczytowo-pompowa lub CAES[15]. Wykorzystanie energii słonecznej równocześnie z wiatrową może częściowo niwelować ten problem[16][17]. Wyże baryczne charakteryzują się czystym niebem i stosunkowo słabymi wiatrami przy powierzchni, natomiast niże baryczne są zwykle bardziej wietrzne i bardziej pochmurne. Podobnie na wielu obszarach najsilniejsze wiatry wieją w zimie, gdy energii słonecznej jest najmniej[18].
Wiatry wiejące nad morzem są silniejsze i stabilniejsze niż wiejące nad lądami[19]. Uzasadnia to budowanie farm wiatrowych na dnie morskim, mimo wyższych kosztów infrastruktury i utrzymania. Farmy takie powstają w Belgii, Danii, Finlandii, Niemiec, Irlandii, Holandii, Norwegii, Szwecji i Wielkiej Brytanii. Do końca 2011 roku powstało ich kilkadziesiąt, o łącznej mocy ponad 3 GW[20].
Od początku XXI wieku energetyka wiatrowa rozwija się w tempie 20-30% rocznie. Moc elektrowni wiatrowych wybudowanych do 2000 roku wynosiła 18 GW, do 2005 roku wynosiła 59 GW, a do 2010 roku wynosiła 199 GW[9]. W 2011 roku całkowita moc elektrowni wiatrowych wynosiła 239 GW[22].
| Kraj | 2009 | 2010 | 2011 | Wzrost 2011/2010 |
|---|---|---|---|---|
 Chińska Republika Ludowa | 25 810 | 44 733 | 62 733 | 40,2% |
 Stany Zjednoczone | 35 159 | 40 180 | 46 919 | 16,8% |
 Niemcy | 25 777 | 27 215 | 29 075 | 6,8% |
 Hiszpania | 18 865 | 20 676 | 21 637 | 4,6% |
 Indie | 11 807 | 13 065 | 15 800 | 20,9% |
 Włochy | 4 850 | 5 787 | 6 747 | 16,6% |
 Francja | 4 574 | 5 660 | 6 640 | 17,3% |
 Wielka Brytania | 4 245 | 5 203 | 6 018 | 15,7% |
 Kanada | 3 319 | 4 008 | 5 265 | 31,4% |
 Portugalia | 3 357 | 3 702 | 4 290 | 15,9% |
| Świat | 159 766 | 196 653 | 239 000 | 21,5% |
Według badań przeprowadzonych przez brytyjski think tank Civitas, w przeliczeniu na jednostkę energii elektrownie wiatrowe przyczyniają się do wyższej emisji CO2 niż elektrownie węglowe. Wynika to z tego, że elektrownie wiatrowe produkują prąd przez około 30% czasu i muszą być wspomagane przez elektrownie węglowe, których ciągłe rozpalanie i wygaszanie powoduje większą emisję zanieczyszczeń, niż nieprzerwana praca[23].
Z powodu turbulencji wywoływanych przez wiatraki podnosi się temperatura powietrza[24].
Budowa turbin wiatrowych wymaga ton neodymu, który jest wydobywany głównie w Mongolii Wewnętrznej w sposób powodujący skażenie środowiska. W okolicach miasta Baotou, przetwarzającym 30 tysięcy ton metali ziem rzadkich rocznie, powstało dziesięciokilometrowe jezioro toksycznych odpadów przemysłowych. Uprawa ziemi i hodowla stała się niemożliwa, a wśród mieszkańców zwiększyła się częstotliwość zachorowań na raka, osteoporozę, choroby skóry i choroby układu krążenia[25].
