Mały wiatrak, na twoim dachu lub w ogrodzie, wydaje się być dobrym pomysłem. Niestety, dostępne w sprzedaży mikroturbiny wiatrowe z trudem są w stanie zasilić żarówkę.
Ich żywotność jest znacznie krótsza niż czas potrzebny na zwrot zainwestowanych pieniędzy, a w warunkach miejskich nie są w stanie dostarczyć nawet tyle energii, ile zużyto do ich produkcji. Przykre, ale prawdziwe.
Problemem nie jest wiatrak – problem jest wiatr
Małe wiatraki stawiane są od kilku dziesięcioleci, lecz w ostatnich latach ich rozwój skupia się przede wszystkim na zastosowaniu w warunkach miejskich (w których większość z nas żyje). Trudno nadążyć za coraz to nowszymi sposobami ich wykorzystania - stawia się je na dachach, montuje na masztach w ogródkach czy na słupach przy drogach.
Mały wiatrak w zabudowanym obszarze to nowe zjawisko. Od wieków, wiatraki stawiano przede wszystkim na otwartych równinach, tak wysoko jak to możliwe, starając się aby w około nich nie było żadnych przeszkód, ponieważ potrzebują one swobodnego przepływu silnego wiatru. W miastach sytuacja jest inna - wiatr wieje słabo – jednak każdy projektant miejskich wiatraków twierdzi, że opracował “rewolucyjny” wiatrak, specjalnie stworzony do niskich prędkości wiatru.
Większość z tych wiatraków nie jest jeszcze dostępna w sprzedaży, więc ciężko zweryfikować obietnice składane przez ich projektantów. Kilka, które już są dostępne na rynku, to między innymi “Energy Ball”, holenderski produkt sprzedawany również w sąsiedniej Belgii. Wiatrak ten produkuje firma “Home Energy”.
Energy Ball, który można umieścić na dachu lub maszcie w ogródku, ma być w stanie dostarczyć więcej energii niż tradycyjny wiatrak, już przy wyjątkowo niskiej prędkości wiatru 2 m/s (2 w skali Beauforta).
Tak świetny wynik jest możliwy dzięki “efektowi Venturii”, zainspirowanemu przed prądy rzeczne. Dzięki swoim “niezwykłym i wyjątkowym właściwościom aerodynamicznym”, urządzenie tworzy przepływ powietrza, które “jest początkowo skupiane, a następnie przyśpieszane wzdłuż wirnika”. Co więcej, Home Energy określa swój wiatrak jako “piękny” i “bezgłośny”, odpowiadając tym samym na dwa, ważne zarzuty stawiane miejskim wiatrakom: zanieczyszczenie wizualne i zanieczyszczenie hałasem.
Moc Wyjściowa: 100 kWh Na Rok
Wszystko to wygląda obiecująco, ale przyjrzyjmy się liczbom. Home Energy podaje, że Energy Ball może w rok dostarczyć 500 kWh prądu elektrycznego, albo zaspokoić od 15 do 20% średniego rocznego zapotrzebowania na elektryczność jednego holenderskiego gospodarstwa domowego (które zużywa 3,567 kWh na rok). Jednak te deklaracje oparte są na średniej prędkości wiatru 7 m/s (4 w skali Beauforta) - wysoce optymistyczne.
Jeśli spojrzymy na mapę wiatrów Holandii (tych informacji nie można znaleźć na stronie Home Energy), możemy zobaczyć, że średnia prędkość wiatru na lądzie (na wysokości 10 metrów) to tylko 4.3 m/s. Holandia jest krajem znanym z silnych wiatrów, jednak tylko na małej części jej wybrzeża średnia prędkość wiatru dochodzi do 7 m/s. W Belgii średnia prędkość wiatru na wybrzeżu nie osiąga nawet 6 m/s.
Przy średniej prędkości wiatru 4 m/s, roczny uzysk energii Energy Ball’a wyniesie 100 kWh (te dane pochodzą z ich strony). Taki wynik, to nie 15-20%, a zaledwie 3-4% rocznego zapotrzebowania na prąd holenderskiego domu (100 kWh odpowiada ciągłemu zużyciu energii o mocy 11 W). Przeszkody, takie jak drzewa czy budynki, mogą jeszcze obniżyć tą wartość.
Czas Zwrotu: 50 Do 750 Lat
Niska moc wyjściowa Energy Ball nie byłaby takim problemem, jeśli produkt byłby tani. Cena Energy Ball z pełnym wyposażaniem to 5 000 euro. Jeśli przeciętna holenderska rodzina, chciałaby pokryć 15% swojego zapotrzebowanie na energię elektryczną, musiałaby zainstalować przynajmniej pięć takich urządzeń. Całkowity koszt - 25 000 euro. Jeśli Energy Ball miałby dostarczyć 100% wymaganej energii, należałoby zamontować 30 wiatraków za sumę 150 000 euro.
Moc wyjściowa Energy Ball jest obliczona dla średniej prędkości wiatru 7 m/s, co w warunkach miejskich jest nierealne
Ile czasu potrzeba, żeby taka inwestycja się zwróciła? Home Energy jest na tyle ostrożne, żeby na swojej stronie napisać jedynie, że “czas zwrotu zależy od ilości zainwestowanych pieniędzy, rocznego uzysku energii oraz obowiązującej stawki za kilowatogodzinę”. Znacznie uczciwiej byłoby napisać, że Energy Ball nigdy się nie zwróci.
Stawki za kilowatogodzinę energii elektrycznej różnią się pomiędzy państwami, a nawet w obrębie nich. Przyjmijmy jednak stawkę na poziomie 0,20 euro za 1kWh, czyli, względnie wysoką, średnią taryfę holenderską (to trzykrotnie więcej niż w USA). Jeśli przyjąć, za Home Energy, wysoce optymistyczną średnią prędkość wiatru 7 m/s (co daje roczny uzysk energii 500 kWh), to czas zwrotu wyniesie 50 lat. Weźmy bardziej realną wartość 4 m/s i czas zwrotu wydłuża się do 250 lat. W Stanach, przy ich średniej taryfie za kWh, czas zwrotu wyniesie 750 lat.
2 Lata Gwarancji
Oczywiście ceny prądu mogą wzrosnąć, a Energy Ball może stanieć. Jeśli przyjmiemy, cenę energii elektrycznej na 1 euro za kWh, to inwestycja w Energy Ball zwróci się po 10 latach (przy optymistycznej średniej prędkości wiatru 7 m/s) albo po 50 latach (przy bardziej realnej prędkości 4 m/s). Jeśli Home Energy, obniży ceną swojego produktu o połowę, to czas zwrotu skróci się do 5 lat (przy wietrze 7 m/s) i 25 lat (4 m/s). Jednak, nawet w tych dwóch hipotetycznych sytuacjach, czas zwrotu to jedynie spekulacja.
Według producenta, żywotność małego wiatraka wynosi 20 lat. To nic więcej, jak tylko obietnica. Urządzenie sprzedawane jest z gwarancją na 2 lata. Panele słoneczne mają gwarancję na 20 lat. W przeciwieństwie do paneli, wiatraki składają się wielu ruchomych części, co sprawia że są bardziej podatne na zepsucie.
Energia Wcielona (*)
(*) Energia wcielona (z ang. „embodied energy”), oznacza ilość energii, jaka została zużyta do wyprodukowania, transportu i montażu urządzenia. Nie jest to precyzyjny termin. Niektórzy autorzy, jako energię wcieloną podają ilość energii, potrzebnej to wyprodukowania urządzenia w fabryce, a inni dodają do tego jeszcze energię potrzebną na wydobycie i przetworzenie surowców użytych do produkcji. Można by powiedzieć, że każdy wyprodukowany przedmiot “ucieleśnia” energię zużytą do jego powstania, przyp. tłum.
Zwolennicy miejskich wiatraków przyznają czasem, że uzysk energii jaki oferują nie jest zbyt imponujący, lecz przekonują jednocześnie, że ich kupno niesie wyraźne korzyści dla środowiska, nawet jeśli, z ekonomicznego punktu widzenia, inwestycja w nie to pomyłka. Brzmi to przekonywająco, jednak w tej narracji coś się pomija: energię potrzebną do wyprodukowania i instalacji urządzenia.
Do wyprodukowania miejskich wiatraków nie potrzeba tak dużo energii, jak w przypadku paneli fotowoltaicznych, jednak skoro ich uzysk energii i żywotność są znacznie niższe, to ich “ślad energetyczny” (ang. energy footprint) musi być większy. Zgodnie z ostatnim raportem [UK Carbon Trust (http://www.carbontrust.co.uk/Publications/publicationdetail.htm?productid=CTC738&metaNoCache=1), miejskie wiatraki prawie zawsze mają czas zwrotu energii dłuższy niż 20 lat.
Innymi słowy: małe wiatraki w miastach nigdy nie dostarczą takiej ilości energii, jaką zużyto na ich wyprodukowanie i zainstalowanie. Stawianie ich szkodzi środowisku. Dla porównania, duże turbiny wiatrowe mają średni zwrot energetyczny wynoszący mniej niż rok.
Fizyka Wiatru
Ekogadżeciarze na pewno szybko odeprą zarzuty, że może to i prawda, że Energy Ball jest porażką, ale nie znaczy to, że inne projekty również. Niestety, problemem nie jest wiatrak - ale wiatr. Ponieważ Holendrzy mają długą tradycję stawiania wiatraków, istnieje więc spora szansa, że Energy Ball wypadnie lepiej niż jego konkurenci.
Dwukrotny wzrost prędkości wiatru zwiększa moc wiatru ośmiokrotnie. To, jak zaprojektujesz wiatrak, nie robi większej różnicy
Prędkość wiatru ma dużo większy wpływ na moc wyjściową wiatraka, niż jego konstrukcja. Do obliczenie mocy wiatraka, potrzeba pomnożyć gęstość powietrza, powierzchnię czynną (roboczą) wirnika i (sześcian) prędkości wiatru. Wydłużenie promienia wirnika dwukrotnie zwiększa moc wiatraka czterokrotnie.
Dwukrotne zwiększenie prędkości wiatru zwiększa moc wiatru ośmiokrotnie. Przy średniej prędkości wiatru na poziomie 7 m/s, wiatrak generuje 5.36 razy więcej energii, niż przy prędkości wiatru 4.0 m/s. To, jak wiatrak jest zaprojektowany, nie robi większej różnicy.
Prędkość Rozruchu
Przy niskich prędkościach wiatru, nawet niewielkie zmiany mogą zrobić wielką różnicę. Według Carbon Trust, prędkość wiatru wymagana do uruchomienia małej turbiny wiatrowej wynosi od 3 do 4 m/s. Jest to wartość zbliżona do średniej prędkości wiatru na lądzie w wietrznych krajach, takich jak Holandia czy Belgia.
Testy wykonane przez Carbon Trust wykazały, że turbina wiatrowa, pracująca przy średniej prędkości wiatru 4.5 m/s, wygenerowała 7 razy więcej energii niż turbina pracująca przy średniej prędkości wiatru 3.0 m/s. Turbina pracująca przy niższej średniej prędkości, nie za każdym razem osiągała prędkość rozruchową, co prowadziło do przestojów w produkcji energii. Duże turbiny wiatrowe, charakteryzują się współczynnikiem wykorzystania mocy (oblicza się go dzieląc czas, w którym turbina rzeczywiście pracowała, przez czas z jaką mogłaby pracować tj. 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, 365 dni w roku, przyp. tłum.) na poziomie 28-35%, małe turbiny stawiane na obszarach wiejskich osiągają 15-20%, a ich potencjał na obszarach miejskich może spaść do zaledwie 10%.
Home Energy twierdzi, że prędkość rozruchu ich wiatraka wynosi 2 m/s. To ściema i są tego świadomi. Na swojej stronie, w dziale “Pytań i Odpowiedzi” piszą, że ich wiatrak zaczyna się obracać przy prędkości 2 m/s, ale zaczyna wytwarzać prąd dopiero przy prędkości 3 m/s.
Wysokość
Ważnym czynnikiem, wpływającym na prędkość wiatru, jest wysokość nad poziomem gruntu. Na wyższych wysokościach wiatr wieje szybciej, a jego prędkość podlega mniejszym wahaniom. Z tego powodu, obecnie stawia się coraz wyższe turbiny wiatrowe, a takie rozwiązania jak “dryfujące turbiny”, zdobywają spore zainteresowanie. Właśnie z tego powodu, potencjał małych turbin wiatrowych jest wyolbrzymiany. Kiedy trafiamy na mapę prędkości wiatru, spora jest szansa, że pokazuje ona prędkości dla wysokości 75 metrów nad poziomem gruntu (pokazuje potencjał dla stawiana konwencjonalnych, wysokich turbin). Ciężko znaleźć mapę, pokazujących prędkość wiatru dla 10 metrów na poziomem gruntu.
Miejskie wiatraki są z zasady stawiane blisko gruntu, tam gdzie prędkości wiatru są najniższe. Oczywiście, można umieścić turbinę na maszcie wysokości 100 metrów, ale taka konstrukcja powiększy tylko, i tak spory, ślad węglowy urządzenia. Postawienie wiatraka na dachu wieżowca również nie będzie najlepszym pomysłem. Chociaż prędkość wiatru zauważalnie wzrośnie, to mała powierzchnia dachu nie pozwoli ustawić, takiej ilości wiatraków, żeby starczyło prądu dla wszystkich mieszkańców budynku.
Czego Nam Trzeba
Fundamentalnym problemem miejskich turbin wiatrowych jest to, że wykorzystują słabe źródło energii. Na dachu, w obszarze zabudowanym, prędkość wiatru jest niska i kapryśna. Chociaż można starać się opracowywać coraz to inne projekty wiatraków, nie rozwiąże to problemu słabego wiatru.
Większość map wiatrów pokazuje prędkość wiatru na wysokości 75 metrów albo wyższej
Postawienie jednej, dużej turbiny wiatrowej, będzie zawsze lepszym rozwiązaniem niż stawienie wielu małych. Smutne, ale prawdziwe. Z panelami solarnymi jest inaczej. Miejskie budynki i [drzewa (http://www.alternet.org/environment/80170/)) mogą rzucać cień na panele, ale można tego uniknąć, montując je na dachach. Zbieranie energii słońca z powierzchni miejskiego dachu, nie jest mniej wydajne, niż zbieranie jej z wiejskiej łąki.
Ponieważ, niemożliwością jest znaczące zwiększenie mocy miejskich turbin wiatrowych, jedyną nadzieję, dla zdecentralizowanej energii wiatrowej, jest produkowanie znacznie tańszych turbin, które będą miały znacznie niższy ślad węglowy albo znacznie wyższą żywotność.
Aktualizacja : Test małych turbin wiatrowych
Wydaje się, że byliśmy zbyt delikatni dla Energy Ball. Test dwunastu małych turbin wiatrowych przeprowadzony w rzeczywistych warunkach przez holenderską prowincję Zelandia (wyjątkowo wietrzny region), potwierdził nasze dotychczasowe wnioski, że małe wiatraki są zasadniczo wadliwą technologią.
Energy Ball osiągnął najgorszy wynik spośród wszystkich testowanych modeli, uzysk energetyczny wyniósł jedyni 73 kWh/rok – to mniej niż zakładał nasz najczarniejszy scenariusz. Inne mikroturbiny nie wypadły dużo lepiej. Przeczytaj o tym w artykule.