Odnawialne źródła energii w rolnictwie - elektrownie wiatrowe

Wiatr, jako źródło energii jest znany i wykorzystywany przez ludzi od kilkunastu wieków. Jedno z zastosowań to transport morski, gdzie poprzez żagle wiatr napędzał łodzie i statki. W dalszej kolejności pojawiły się młyny, których żarna napędzane były również siłą wiatru, a wymyślne jak na tamte czasy konstrukcje, zyskały nazwę wiatraków. Wykorzystanie wiatru do napędu łodzi i okrętów datuje się od przynajmniej trzech, czterech tysiącleci. Najstarsze informacje o urządzeniach wiatrowych stosowanych na lądzie pochodzą z drugiego tysiąclecia przed Chrystusem. W Europie wiatraki z osią poziomą i czterema skrzydłami zaczęto stosować w VIII w. do mielenia zboża i pompowania wody. Konstrukcja wiatraków oczywiście ewaluowała i w XVII powstał nowy typ wiatraka, tzw. wiatrak holenderski składający się z dwóch części: nieruchomej bryły dolnej i ruchomej głowicy. W Polsce pierwsze wiatraki pojawiły się na przełomie XIII i XIV wieku i najwięcej pracowało ich na Pomorzu Zachodnim i Gdańskim, Warmii i Mazurach oraz na Mazowszu, Ziemi Lubuskiej, Śląsku i Wielkopolsce. Stopniowy ich zanik przypada na przełom XIX i XX wieku, kiedy zaczęły być zastępowane maszyną parową.(1) Do wyeliminowania wiatraków z krajobrazu wiejskiego w znacznej mierze przyczyniła się okupacja niemiecka i pierwsze lata powojenne, kiedy to wiatraki były celowo niszczone, aby ograniczyć nielegalny przemiał zboża, stanowiącego znaczący składnik obowiązkowych kontyngentów jakie musieli dostarczać rolnicy.

Obecnie wykorzystywane wiatraki nie służą już do mielenia zboża, czy pompowania wody, ale ich podstawowym zadaniem jest produkcja energii elektrycznej. Współczesny wiatrak w dużym uproszczeniu składa się z wieży, łopat wiatraka oraz mechanizmu przeniesienia napędu i generatora prądu, które umieszczone są w gondoli. Dodatkowo turbiny wyposażone są w mechanizmy i systemy zabezpieczenia pozwalające m.in. uniknąć konsekwencji zbyt gwałtownych wiatrów. Nowoczesne farmy wiatrowe są oczywiście w pełni skomputeryzowane, co umożliwia ich zdalne sterowanie oraz monitoring i kontrolę pracy. Większość obecnie wykorzystywanych wiatraków posiada poziomą oś obrotu, ale należy wiedzieć, że są dostępne również rozwiązania z pionową osią obrotu. Biorąc pod uwagę moc wykorzystywanych elektrowni wiatrowych to jej zakres jest bardzo szeroki i może wynosić dla małych elektrowni poniżej 100 kW, ale równie dobrze dla dużych elektrowni około 2 MW. W różnego typu analizach należy jednak uwzględnić że efektywność wykorzystania zainstalowanej mocy szacuje się w polskich warunkach na około 20%. Podstawą działania wirnika elektrowni wiatrowej jest wykorzystanie różnicy ciśnień pomiędzy dolną i górną powierzchnią łopat, która powstaje dzięki ich ukształtowaniu. Wiatr przepływający nad górną (dłuższą) powierzchnią łopaty ma dłuższą drogę niż strumień opływający dolna część łopaty, co powoduje wytwarzanie się nad górną powierzchnią niższego ciśnienia w porównaniu z dolną częścią. Powstała różnica ciśnień powoduje powstanie siły kierunkowej w stronę niższego ciśnienia, a w jej efekcie ruch łopat wirnika.

(z lewej) Farma wiatrowa na bałtyckim wybrzeżu. (z prawej) Elektrownia wiatrowa o zachodzie słońca

Wiatr, który wykorzystują do swojego napędu elektrownie wiatrowe stanowi energię ruchu atmosfery i jest przekształconą formą energii słonecznej. Wywoływany jest przez różnicę w nagrzewaniu lądów i mórz, biegunów i równików, czyli przez różnicę ciśnień między poszczególnymi strefami cieplnymi oraz przez siłę Coriolisa związaną z ruchem obrotowym ziemi. Teoretycznie wiatry wiejące na powierzchni lądów mają potencjał energetyczny o mocy 40 TW, co wynosi 20 razy więcej niż obecna moc zainstalowanych na świecie elektrowni. Zasoby energetyczne wiatru możliwe do wykorzystania w Polsce ocenia się na 10% obecnego zapotrzebowania na energię elektryczną (ok. 3000 MW), a najkorzystniejsze dla lokalizacji wiatraków jest wybrzeże Bałtyku. Dla celów energetycznych interesujące są prędkości wiatru powyżej 4 m/s, co daje podstawę do zaliczenia 2/3 kraju do obszaru o korzystnych warunkach wiatrowych.(2) Według danych GUS energia pozyskiwana z wiatru stanowiła w bilansie OŹE w 2008r. 1,3%, jednak widoczna jest znaczna tendencja wzrostowa, ponieważ w 2006 jej udział wynosił tylko 0,3%. Produkcja energii elektrycznej w elektrowniach wiatrowych wzrosła z 50 TJ w 2001 r. do 3878 TJ w 2009 r.(3)

Elektrownie wiatrowe są jednym z rozwiązań w zakresie pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych, który budzi znaczne kontrowersje środowiskowe. Zarzuca się im niekorzystne oddziaływanie na ludzi poprzez hałas oraz rzucanie cieni i migotanie światła wywołane ruchem łopat wirnika. Ponadto wiatraki mogą pogarszać walory krajobrazowe i powodować znaczne zagrożenie dla awifauny. Z drugiej strony dają możliwości rozwoju obszarów wiejskich i kraju poprzez wzrost zatrudnienia, przychody z tytułu podatków, ograniczenie uzależnienia od zewnętrznych dostaw paliw kopalnych. Konflikty na linii zwolennicy – przeciwnicy budowy elektorowi wiatrowych w danej lokalizacji, są niemal stałym elementem procesu inwestycyjnego i droga do ostatecznego konsensusu uwzględniającego korzyści i zagrożenia wydaje się niestety ciągle odległa. Biorąc pod uwagę dane statystyczne dla UE- 25, gdzie z energii wiatru pozyskiwało się w 2008 r. 7,2% ogółu energii z OŹE należy oczekiwać, że jej udział będzie rósł również w Polsce.

Pomimo licznych kontrowersji należy uznać, że energetyka wiatrowa jest jednym z sektorów OŹE, który rozwija się w Europie w sposób bardzo dynamiczny. Biorąc pod uwagę aspekty środowiskowe można domniemywać, ze ogólny bilans wpływu energetyki wiatrowej na środowisko versus eksploatacja zasobów paliw kopalnych będzie jednak zdecydowanie bardziej korzystny dla wiatraków. Analizując historię rozwoju wykorzystania energii wiatrowej w poprzednich wiekach oraz jej stan obecny można stwierdzić, że ludzkość wróciła na ścieżkę rozwojową wykorzystania energii, z której zeszła tylko na chwilę pod wpływem paliw kopalnych.

Przypisy:
(1) Nowak W., Stachel A. A., Borusewicz – Gozdur A.: Zastosowanie odnawialnych źródeł energii. Politechnika Szczecińska, 2008.
(2) Tytko R.: Odnawialne źródła energii. OWG Warszawa, 2009.
(3) Energia ze źródeł odnawialnych w 2009 r. GUS Warszawa, 2010.