Energija vjetra

SADRAJ Uvod Historija vjetra Nastanak vjetra i principi iskoritavanja Iskoritenost energije vjetra Energija vjetra Vjetroelektrane Vjetroturbine Zakljuak

UvodObnovljivi izvori energije, ne ukljuujui hidroenergiju, daju manje od 10% ukupno potrebne energije. Taj udio u budunosti treba znatno poveati jer neobnovljivih izvora energije ima sve manje, a i njihov tetni utjecaj sve je izraeniji u zadnjih nekoliko desetljea. Iz toga se vidi da se obnovljivi izvori mogu i moraju poeti bolje iskoritavati i da ne trebamo brinuti za energiju nakon fosilnih goriva. Razvoj obnovljivih izvora energije, osobito od vjetra, vode, sunca i biomase vaan je zbog nekoliko razloga: Obnovljivi izvori energije imaju vrlo vanu ulogu u smanjenju emisije ugljikovogdioksida u atmosferu. Smanjenje emisije CO2 u atmosferu je politika Europske unije. Poveanje udjela obnovljivih izvora energije poveava energetsku odrivost sustava. Takoer pomae u poboljavanju sigurnosti dostave energije nanain da smanjuje ovisnost o uvozu energetskih sirovina i elektrine energije. Oekuje se da e obnovljivi izvori energije postati ekonomski konkurentni konvencionalnim izvorima energije u srednjem do dugom razdoblju. Nekoliko tehnologija, osobito energija vjetra, male hidrocentrale, energija iz biomase isuneva energija, su ekonomski konkurentne. Ostale tehnologije su ovisne opotranji na tritu da bi postale ekonomski isplative u odnosu na klasine izvore energije. Proces prihvaanja novih tehnologija vrlo je spor i uvijek izgleda kao da nam izmie za malo. Glavni problem za instalaciju novih postrojenja je poetna cijena. To die cijenu dobivene energije u prvih nekoliko godina na razinu potpune neisplativosti u odnosu na ostale komercijalno dostupne izvore energije. Veliki udio u proizvodnji energije iz obnovljivih izvora rezultat je ekoloke osvijetenosti stanovnitva, koje usprkos poetnoj ekonomskoj neisplativosti instalira postrojenja zaproizvodnju "iste" energije.

Historija vjetraLjudi su od davnina pokuavali da iskoriste kinetiku energiju vjetra. Najstariji poznati mlin na snagu vjetra pronadjen je u Iranu. Nakon vie vjekova, tu tehnologiju su razvili Holanani. To su prvobitno bili mlinovi koji su se koristili za mljevenje itarica. Takoer su iskoritavali za navodnjavanje i pumpanje vode. Proizvodnja elektrine energije poela je krajem 19. stoljea pa nadalje. 1887-88 godine Charles F. Brush je napravio prvu vjetroturbinu koja je proizvodila elektrinu energiju od oko 12 kW. U Evropi je poetkom 20-og stoljea naruito znaajan bio razvoj vjetroturbina u Danskoj. U 1918-toj postojalo je oko 120 lokalnih zajednica koje su imale vjetroturbine snage 20-35 kW to je inilu ukupno oko 3 MW.Slika br.1.

Nastanak vjetra i principi iskoritavanjaVjetar je horizontalno kretanje atmosferskog vazduha koji nastaje usljed razlika u gustini vazduha odnosno temperaturi. Energija vjetra je transformirani oblik suneve energije. Sunce neravnomjerno zagrijava razliite dijelove Zemlje i to rezultira razliitim tlakovima zraka, a vjetar nastaje zbog tenje za izjednaavanjem tlakova zraka. Postoje dijelovi Zemlje na kojima puu takozvani stalni (planetarni) vjetrovi i na tim podrujima je iskoritavanje energije vjetra najisplativije. Dobre pozicije su obale oceana i puina mora. Puina se istie kao najbolja pozicija zbog stalnosti vjetrova, ali cijene instalacije i transporta energije koe takvu eksploataciju. Kod pretvorbe kinetike energije vjetra u mehaniku energiju (okretanje osovine generatora) iskoritava se samo razlika brzine vjetra na ulazu i na izlazu. Albert Betz, njemaki fiziar dao je jo davne 1919.godine zakon energije vjetra, a koji je publiciran 1926. godine u knjizi Wind-Energie. Njime je dan kvalitativni aspekt znanja iz mogunosti iskoritavanja energije vjetra i turbina na vjetar. Njegov zakon kae da moemo pretvoriti manje od 16/27 ili 59% kinetike energije vjetra u mehaniku energiju pomou turbine na vjetar. 59% je teoretski maksimum, a u praksi se moe pretvoriti izmeu 35% i 45% energije vjetra. Kao dobre strane iskoritavanja energije vjetra istiu se visoka pouzdanost rada postrojenja, nema trokova za gorivo i nema zagaivanja okoline. Loe strane su visoki trokovi izgradnje i promjenjivost brzine vjetra (ne moe se garantirati isporuivanje energije). Za domainstva vrlo su interesantne male vjetrenjae snage do nekoliko desetaka kW. One se mogu koristiti kao dodatni izvor energije ili kao primarni izvor energije u udaljenim podrujima. Kad se koriste kao primarni izvor energije nuno im se dodaju baterije (akumulatori) u koje se energija sprema kad se generira vie od potronje. Velike vjetrenjae esto se instaliraju u park vjetrenjaa i preko transformatora spajaju se na elektrinu mreu. Slika prikazuje princip pretvorbe i nain prikljuivanja vjetrenjae na elektrinu mreu. Mogua primjena je da se energija dobivena iz vjetra koristi kao sekundarni izvor energije za kuanstvo.

Iskoritenost energije vjetraEnergija vjetra se u posljednih 10 godina promovirala u najbre rastuu granu industrije na svijetu, te u jedan od izvora energije s kojim svaka ozbiljna elektroenergetska mrea mora raunati u svom sustavu. Vjetroelektrane su prestale biti posao samo za entuzijaste i relativno male privatne investitore i postale su glavna tema svih velikih elektroenergetskih kompanija i velikih investitora. Prije samo 10 godina takav scenarij je bilo teko zamisliti. Energija vjetra danas stvara stotine tisua novih radnih mjesta diljem svijeta. Vjetroelektrane su u zadnjih par godina zaslune za veinu novoinstalirane snage za proizvodnju elektrine energije u energetskom sektoru. Vjetroagregati su narasli do skoro nezamislivih dimenzija i postali su specijalizirani za skoro sve vrste terena i klimatskih uvjeta, te ih se moe pronai u tropskim podrujima, ali i arktikim uvjetima. Kombinirana visina stupa i lopatice na najveim svjetskim vjetroagregatima dosie visine i iznad 200 m, to je skoro dvije treine visine Eiffelovog tornja. Pojedinana snaga najveih vjetroagregata danas prelazi 6 MW, to je vie od ukupne snage prve vjetroelektrane u Hrvatskoj na Pagu, a koja se sastoji od 7 vjetroagregata. Standardne dimenzije vjetroagregata su se udvostruile u 10 godina, a snaga se poveala i do tri puta. Istovremeno sa razvojem dimenzija su se razvile i nove tehnologije i spoznaje o uinku vjetroelektrana na elektroenergetsku mreu, razvijeni su vjetroagregati koji pruaju potporu mrei i imaju pozitivan utjecaj na stabilnost sustava, razvijeni su napredni prognostiki modeli vjetra sa visokom tonou do nekoliko dana unaprijed, a posebno za razdoblja do 24 sata unaprijed, cijene proizvedenog kilovatsata padaju, a gorivo je isto i besplatno. Sve to je dodatno osnailo argumente za to vei prodor vjetroelektrana u elektroenergetske sustave diljem svijeta. Trenutno je u svijetu instalirano blizu 200 GW vjetroelektrana, to je snaga koja je ekvivalentna kao 285 nuklearnih elektrana Krko. Pregled instaliranih kapaciteta u svijetu moete pogledati na slici br.2. Na ljestvici prvo mjesto dre SAD, dok ih slijedi Kina, a ljestvicu onih koji imaju instaliranih preko 10 GW popunjavaju jo i Njemaka, panjolska i Indija. Pri tome je Kina samo u 2009. godini instalirala gotovo nevjerojatnih 13.803 MW! Prema novo instaliranim kapacitetima elektrana u zadnjih 5 godina vjetroelektrane se nalaze u samom vrhu u odnosu na sve izvore energije. Prema regijama, vodei proizvoa i korisnik energije vjetra je i dalje Europa, ali Sj. Amerika i Azija svakim danom sve vie napreduju. I u godinama globalne financijske krize interesantno je primijetiti kako trita Europe i SAD-a, pa i Kine i Indije i dalje premauju sva oekivanja novo instalirane snage, to je samo dokaz koliko su energija, i posebno obnovljivi izvori energije trajna vrijednost u koju se uvijek isplati ulagati. Mnoge drave su obnovljive izvore energije, a posebno vjetar uvrstile u svoje dugorone planove ekonomskog oporavka i posebno sve vee elje za energetskom neovisnou. Kada govorimo o svjetskim regijama, treba spomenuti da su regije June Amerike i Afrike izuzetno bogate energijom vjetra i njihov jai prodor na svjetsko trite je zapoeo, ali se pravi boom tek oekuje u sljedeih nekoliko godina, a znaajan doprinos ukupnoj instaliranoj snazi se oekuje i u Australiji. Prema zadnjoj direktivi EU iz 2009. godine 34% elektrine energije do 2020. godine mora biti proizvedeno iz obnovljivih izvora, a najvei doprinos bi trebale ostvariti upravo kopnene vjetroelektrane koje su trenutno najjeftinija tehnologija za iskoritavanje nekog obnovljivog izvora energije. Sukladno tome EWEA je podigla ciljeve instaliranja vjetroelektrana sa 180 GW na 230 GW do 2020., i ukljuila u tu brojku i 40 GW sve naprednijeg trita priobalnih vjetroelektrana. Cilj za 2030. je podignut sa 300 GW na 400 GW.

Slika br.2

Energija vjetraKinetika energija vjetra moe se pretvoriti u druge oblike energije - mehaniku ili elektrinu energiju. Na primjer, kad jedrenjak razvije jedra, iskoritava energiju vjetra kako bi se kretao po moru. Takav se nain koritenja energije vjetra koristio godinama. Vjetar je pomogao i u otkrivanju Amerike - i Kolumbovi brodovi bili su jedrenjaci. Energija vjetra koristi se i u vjetrenjaama. U Nizozemskoj se vjetrenjae stoljeima rabe za pokretanje pumpi za vodu u nizinskim predjelima. Vjetar takoer pogoni i mlinove za mljevenje brana ili kukuruza, na slian nain na koji u vodenicama mlinove pogoni potencijalna energija vode. Vjetar danas znamo koristiti i za proizvodnju elektrine energije u vjetroelektranama. Ureaj za proizvodnju elektrine energije iz kinetike energije vjetra ne zovemo vjetrenjaa nego vjetroturbina. Znai, vjetrenjae pogone mlinove za brano ili kukuruz, odnosno pumpe za vodu, a vjetroturbine nam slue u vjetroelektranama za proizvodnju elektrine energije.Slika br.3

VjetroelektraneVjetar okree lopatice vjetroturbine privrene na osovinu povezanu s mjenjakom kutijom. U mjenjakoj kutiji se pomou mehanizma s zupanicima poveava brzina vrtnje osovine. Mjenjaka je kutija s jedne strane spojena na osovinu turbine, a s druge na osovinu velike brzine vrtnje. Ta osovina okree rotor generatora te se tako proizvodi elektrina energija. Svaki se vjetar ne moe na ovaj nain iskoristiti za proizvodnju elektrine energije. Ponekad je brzina vjetra prevelika - stoga turbina ima konicu. Konica ne dozvoljava turbini vrtnju s prevelikim brojem okretaja, lako se to ini mnogo, da bi se na jednom mjestu proizvelo to vie elektrine energije, vjetroturbine se grade u velikim grupama. Takve se grupe zovu vjetroelektrane. Vjetroelektrane se, naravno, grade u predjelima gdje vjetrovi najee puu i gdje je brzina puhanja pogodna. Slika br.4

VjetroturbinePretvorba kinetike energije vjetra u kinetiku energiju vrtnje vratila odvija se pomou lopatica rotora vjetrene turbine ili vjetroturbine. Pri tome se rotor i elektrini generator nalaze na zajednikom vratilu nalaze (tanije, izmeu njih postoji odgovarajui prijenosnik). U generatoru dolazi do pretvorbe kinetike energije vrtnje vratila u konanu, elektrinu energiju pa se cijelo postrojenje esto naziva i vjetrogeneratorom.

Slika br.5

U osnovi, vjetroturbine mogu raditi na dva principa iskoritavanje energije vjetra, pa se zato i osnovna podjela svodi na podjelu prema tim principima. Tako imamo: vjetroturbine koje rade na principu otpornog dijelovanja (drag devices), vjetroturbine koje rade na principu potiska (lift devices) i vjetroturbine koje rade na kombiniranju obaju principa. Vjetroturbine koje rade na principu otpornog dijelovanja imaju manju iskoristivost od vjetrenjaa koje rade na principu potiska, zbog toga danas preteito koriste vjetroturbine koje rade na principu potiska ili koje rade na principu kombiniranja obaju principa. Osim ove glavne podjele postoji jo niz podjela vjetroturbina, pa ih tako u ovisnosti prema nekim konstrukcijskim i radnim znaajkama razvrstavamo po: poloaju osi turbinskog kola: vjetroturbine s vodoravnom osi i okomitom osi. omjeru brzine najudaljenije toke rotora i brzine vjetra: brzohodne i sporohodne. broju lopatica: vielopatine, s nekoliko lopatica i s jednom lopaticom. veliini zakretnog momenta: visokomomentne i niskomomentne. nainu pokretanja: samokretne i nesamokretne. efikasnosti pretvorbe energije vjetra u zakretni moment: nisko i visoko efikasne. nainu okretanja rotora prema brzini vjetra: promjenjive i nepromjenjive.

Slika br.6 (Vjetroturbina s okomitom (vertikalnom) osi)

Zakljuakovjek se oduvijek koristio energijom vjetra. Prije izuma parnoga stroja sva je svjetska trgovina ila morskim putovima, na jedrenjacima koji su se koristili vjetrom kao pogonskom snagom. Kola vjetrenjaa rabila su se za navodnjavanje i odvodnjavanje, a vjetrenjae su sluile kao mlinovi za ito. Prva nastojanja da se ova tehnologija, koja neznatno teti okoliu i ne crpi snagu iz konanih izvora, ponovno oivi, dola je u 50-im godina prolog stoljea, no tek su naftne krize i pojaan svijesto zatiti okolia pridonijeli ponovnom oivljavanju zanimanja za ovaj obnovljivi izvor energije. Vjetroenergija je od devesetih godina 20. stoljea najbre rastui izvor elektrine energije u svijetu. Godinji rast novih vjetroelektrana je zaista fascinantan (2 % od 1990. do 50 % 2005. godine na globalnoj razini) i daleko nadmauje rastfosilnih i nuklearnih elektrana. Premda instalirane vjetroelektrane ine danas samo 0,5- 1 % svjetskih kapaciteta elektrana, ovakav brzi rast, zasnovan na golemom prirodnom potencijalu, prilino razvijenoj tehnologiji, te ekolokim prednostima pred termoelektranama na fosilna goriva, moe ih u bliskoj budunosti uiniti najprihvatljivijom alternativom u brojnim dravama. Moda bi za prihvaanje vjetroelektrana kritiarima te tehnologije bilo lake kad bi uzeli u obzir njezine ekoloke prednosti, primjerice, prosjena vjetroelektrana snage 1,5 MW tijekom svojih 20 godina rada tedi vie od 40.000 t kamenog ugljena u konvencionalnoj elektrani, a i elektrina energija proizvedena ovim putem dosta se dobro uklapa u reime elemenata odrive energetike.

10