Battery used Battery charging

Low←tech Magazine

Mała turbina wiatrowa wynaleziona na nowo

Ze względu na swoje walory estetyczne i możliwość produkowania ich lokalnie, małe drewniane turbiny wiatrowe mogą podnieść społeczną akceptację dla energii wiatrowej.

Przekład: Michal Kolbusz

image

Zdjęcie: Mała turbina wiatrowa z drewnianymi skrzydłami. Źródło: InnoVentum.

Wiele dostępnych na rynku małych turbin wiatrowych ze skrzydłami zrobionymi z tworzywa sztucznego i stalowymi wieżami, znanych jest ze swojej niskiej niezawodności, wysokiej „embodied energy” i z ograniczonej mocy (ang „embodied energy” jest to różnie definiowany termin, w tym kontekście je to szerokie pojęcie, które oznacza energię zużytą w całym procesie wytworzenie turbiny; od pozyskania surowców, poprzez produkcję i transport, aż do montażu turbiny na miejscu docelowym, przyp. tłum.).

Budowanie turbin z drewna może zmienić tę sytuacją. Ze względu na swoje walory estetyczne i możliwość produkowania ich lokalnie, małe drewniane turbiny wiatrowe mogą podnieść społeczną akceptację dla energii wiatrowej.

Ponadto dzięki ostatnim innowacjom w konstrukcji wież możliwe jest łatwiejsze stawianie turbin, zmniejszające lub nawet eliminujące zapotrzebowanie na betonowe fundamenty i użycie ciężkiego sprzętu.

Niska wydajność

Testy wykazały, że dostępne na rynku małe turbiny wiatrowe w czasie całego swojego życia rzadko generują wystarczającą ilość energii, aby zrekompensować energię zużytą do ich wytworzenia. Istnieją trzy powody, dla których tak jest. Po pierwsze, istnieją prawa fizyki. Wydajność energetyczna turbiny wiatrowej rośnie szybciej niż jej wysokość i rozmiar wirnika, co oznacza, że gdy turbina wiatrowa zmniejsza się, jej moc wyjściowa maleje ponad proporcjonalnie (wraz ze spadkiem wysokości maleje siła wiatru, a skracając dwukrotnie skrzydła wirnika zmniejszamy czterokrotnie pole powierzchni pozyskiwania energii, przyp. tłum.).

Po drugie, skrzydła turbin wiatrowych są zwykle wykonane z nienadającego się do recyklingu tworzywa sztucznego wzmocnionego włóknem szklanym, którego wytwarzanie jest energochłonne. Energia ta musi zostać „spłacona” przez cały okres eksploatacji turbiny wiatrowej, co może stanowić wyzwanie w przypadku wiatraków o małych rozmiarach.

Po trzecie, użytkowanie małych turbin wiatrowych zależy od zdolności producentów do kontynuowania działalności i dostarczania klientom części zamiennych. W przeciwieństwie do paneli fotowoltaicznych turbiny wiatrowe mają wiele ruchomych części przez co wymagają częstszych napraw. Nie jest rzadkością zjawisko, że dostawcy małych turbin wiatrowych mają krótszą żywotność niż ich produkty. 1

Ręcznie robione drewniane skrzydła

Praw fizyki nie można zmienić, ale możemy ponownie uczynić małe turbiny wiatrowe opłacalnymi i zrównoważonymi. Decydujące w tej kwestii będzie rozwiązanie dwóch ostatnich z wyżej wspomnianych problemów. Od ponad dwudziestu lat pracuje nad nimi szkocki inżynier Hugh Piggott, który buduje małe turbiny wiatrowe o mocy 1–2 kW, o średnicy wirnika 2-4 m wyposażonych w skrzydła z litego drewna. 2

!image

Ręcznie rzeźbione skrzydła. Źródło: 5

Skrzydła turbin Piggott’a są ręcznie rzeźbione na miejscu przy użyciu podstawowych narzędzi do obróbki drewna, których obsługa nie wymaga posiadania specjalnych umiejętności. W przeciwieństwie do skrzydeł z włókna szklanego do ich produkcji wcale nie zużywa się energii lub jedynie niewielką jej ilość (mowa tutaj o energii pochodzącej z sieci elektrycznej czy z pracy silników spalinowych, którą musiałyby być zasilane mechaniczne maszyny do obróbki drewna, przyp. tłum.). Dzięki temu rosną szanse, że turbina wiatrowa wygeneruje więcej energii w ciągu swojego życia niż zużyto do jej wytworzenia.

W przeciwieństwie do obecnie panujących w przemyśle trendów, skupiających się przede wszystkim na wydajności turbin, Piggott poświęca maksymalną moc wiatraka na rzecz jego niezawodności. Jego turbiny wykorzystują system rolowania, który ogranicza wykorzystanie siły wiatru przy prędkości 8 m/s (5 w skali Beauforta), podczas gdy większość modeli komercyjnych pracuje na pełnych obrotach nawet przy wyższych prędkościach wiatru. To rozwiązanie zwiększa niezawodność konstrukcji, ponieważ im części wolniej się obracają tym wolniej się zużywają. 3

Lokalna produkcja

Porównanie turbin wiatrowych Piggott’a z komercyjnie dostępnymi modelami wykazało, że chociaż przy prędkości wiatru powyżej 8 m/s, modele komercyjne generują więcej energii, jest ona jednak w dużej mierze marnowana. Dzieje się tak ponieważ nadwyżka mocy jest wytwarzana w czasie kiedy baterie turbin są już pełne. Na dodatek szkocki projekt jest około 20% tańszy, biorąc pod uwagę zarówno koszty inwestycyjne, jak i operacyjne. 3

!image

Zdjęcie: Drewniane turbiny wiatrowe w Nepalu. Źródło: 5

Udostępnienie swojego projektu przez Piggott’a na zasadach „open source”, zaowocowało pojawieniem się na całym świecie wielu tysięcy domowej roboty małych turbin wiatrowych. Projekt ten stał się podwaliną wielu inicjatyw elektryfikacji obszarów wiejskich w Nepalu, Mongolii, Peru i Nikaragui 4567. W krajach “rozwijających się” szanse na wykorzystanie drewnianych turbin są większe niż w krajach „rozwiniętych”. Dzięki możliwości lokalnego ich wytwarzania i naprawy drewniane wiatraki mają dużą przewagę nad turbinami komercyjnymi i panelami fotowoltaicznymi (których części zamienne trzeba sprowadzać z odległych miejsc, przyp. tłum.).

Komercyjne turbiny wiatrowe z drewnianymi skrzydłami

Ostatnimi czasy można zaobserwować większe zainteresowanie skrzydłami z litego drewna, kiedyś powszechnie wykorzystywanych w małych wiatrakach i turbinach 89. Wartym wspomnienia jest sukces holenderskiej firmy EAZ Wind, założonej w 2014 roku przez czterech młodych surferów. Przedsiębiorstwo, które dzisiaj zatrudnia ponad 40 pracowników, sprzedaje turbiny wiatrowe ze skrzydłami z litego drewna, farmom i kooperatywom energetycznym w regionie. Wysokością przewyższają turbiny Piggott ‘a około pięciokrotnie. Charakteryzują się mocą wyjściową 10 kW i średnicą wirnika 12 m.

!image

Turbina wiatrowa z drewnianymi skrzydłami, zbudowana przez EAZ Wind.

Skrzydła są wykonane ze sklejonych ze sobą drewnianych desek, modelowanych do pożądanego kształtu za pomocą piaskowania. Uformowane skrzydła pokrywane są żywicą epoksydową, zabezpieczającą je przed wilgocią. Krawędzie nacierające skrzydeł wzmocnione są paskiem z tworzywa sztucznego z włóknem szklanym dla poprawy wytrzymałości.

Producent podaje, że turbiny - zainstalowane na 15 metrowych wieżach - produkują około 30,000 kWh energii elektrycznej rocznie, co odpowiada rocznemu zapotrzebowaniu na prąd dziesięciu holenderskim domów. Turbina kosztuje 46 tys. euro, przez co jest tańsza niż instalacja fotowoltaiczna ( 4,600 euro na jedno gospodarstwo domowe to połowa ceny fotowoltaiki). Inwestycja zwraca się po 7-10 latach - w wietrznej, północnej Holandii.

Akceptacja społeczna

Co ciekawe, wybór drewnianych skrzydeł przez EAZ Wind nie jest powodowany chęcią zmniejszenia „embodied energy” turbin wiatrowych. Misją firmy jest uczynienie terenów wiejskich - w szczególności farm i małych wsi - samowystarczalnymi w energię elektryczną. Ma to być osiągnięte poprzez projektowanie estetycznych i lokalnie wytwarzanych turbin, na których obecność mieszkańcy nie będą narzekać. W Holandii, tak jak w wielu innych krajach, duże turbiny wiatrowe - razem z towarzysząca im infrastrukturą linii transmisyjnych - wzbudzają wiele sprzeciwu lokalnych mieszkańców.

!image

Stawianie turbiny wiatrowej. Źródło: EAZ Wind.

To podejście wydaje się działać. Z reguły kiedy na jednej farmie zaczyna pracować turbina, sąsiedzi stają się następnymi nabywcami. EAZ sprzedało do tej pory ponad 400 turbin. Rosnąca akceptacja społeczna dla energii wiatrowej wydaje się brać z dwóch powodów.

Po pierwsze, turbiny z drewnianymi skrzydłami mają bardziej naturalny wygląd, co zwiększa ich estetykę. Po drugie, są wytwarzane lokalnie, co przynosi korzyści dla gospodarki regionu. Drewno na skrzydła pochodzi z pobliskiej prowincji i jest przetwarzane przez regionalne przedsiębiorstwa.

Drewniane wieże

Turbiny od EAZ Wind mają drewniane skrzydła, ale wieże ze stali. Szwedzkie przedsiębiorstwo InnoVentum ma inne podejście: ich turbiny wiatrowe mają drewniane wieże, ale skrzydła wykonane z plastiku. Każda wieża, o wysokości 12 lub 20 m jest unikalną konstrukcją, składającą się z małych drewnianych modułów, nitowanych w całość na miejscu.

!image

Drewniana wieża firmy Innoventum.

Stojąca na kilku nogach wieża nie wymaga wcale, lub prawie w cale, betonowych fundamentów. Do postawienie wieży nie potrzeba użycia dźwigu - wystarczą liny i wciągarka. Około piętnastu konstrukcji tego typu zostało postawionych od 2012 roku. Podobnie jak EAZ Wind, celem firmy jest wypracowanie nowej estetyki turbin, która ma podnieść społeczną akceptację dla energii wiatrowej.

!image

Turbina wiatrowa z drewnianymi skrzydłami i wieżą. Źródło: InnoVentum.

Wydaje się oczywistym, że można by połączyć rozwiązania obu firm i stworzyć turbinę wiatrową, której zarówno skrzydła, wieża i elementy nośne, będą wykonane z drewna. Całkowicie drewniana turbina - nie licząc przekładni, generatora i instalacji elektrycznej - w jeszcze większym stopniu obniży koszty energetyczne potrzebne do jej wyprodukowania, co uczyni ją bardziej opłacalną i przyjazną środowisku, w całym okresie jej użytkowania.

W kwestii emisji drewnianą turbinę można uznać za “pochłaniacz” (ang. carbon sink) dwutlenku węgla, ponieważ materiał do jej budowy pochodzi z drzew które zaabsorbowały CO2 podczas swojego wzrostu.

Łącząc siły wiatru i słońca

Najnowsze produkty InnoVentum stanowią połączenie turbiny wiatrowej z panelami fotowoltaicznymi montowanymi do ich podstawy. Takie rozwiązanie oszczędza pieniądze i materiały, ponieważ instalacja wiatrowa i fotowoltaiczna może opierać się na tej samej strukturze oraz korzystać ze wspólnej sieci przewodów elektrycznych i akumulatorów. Połączenie fotowoltaiki i wiatru zwiększa szanse na równomierne generowanie energii w ciągu doby, co zmniejsza zapotrzebowania na magazynowanie energii. Baterie są najbardziej niezrównoważoną częścią każdego poza sieciowego (ang. offgrid) systemu energetycznego (wydobycie, przetwarzanie i transport surowców mineralnych, takich jak rudy metali ziem rzadkich, prowadzi do poważnych szkód środowiskowych, ponadto baterie są trudne w recyklingu, przy. tłum.).

!image

Panele solarne i turbina wiatrowa wykorzystują tę samą konstrukcję nośną. Zdjęcie: InnoVentum.

W hybrydzie słoneczno-wiatrowej EAZ Wind, moc wyjściowa turbiny jest dwukrotnie wyższa niż paneli fotowoltaicznych, odzwierciedla to wietrzny, ale niezbyt słoneczny klimat północnej Holandii. Dodanie fotowoltaiki do turbiny zwiększa uzysk energii do 45,000 kWh na rok, co odpowiada zapotrzebowaniu 14 holenderskim domów. Jednakże wykorzystanie paneli solarnych zwiększa “embodied energy” instalacji, co sprawia, że przestaje być “pochłaniaczem” CO2, a staje się jego emitentem netto.

!image

Panele solarne i turbina wiatrowa wykorzystują tę samą konstrukcję nośną. Zdjęcie: InnoVentum.

Zdecentralizowana produkcja energii

Małe drewniane turbiny wiatrowe oferują dodatkowe korzyści dla wszystkich zdecentralizowanych źródeł energii. Fakt, że płacą za nie bezpośrednio osoby, które korzystają z ich pracy zwiększa ich społeczną akceptację. Dodatkowo eliminują konieczność budowy linii transmisyjnych oraz powoduję, że większa ilość energii jest wytwarzana i zużywana lokalnie. Te dwie cechy sprawiają, że łatwiej jest zintegrować nieprzewidywalną energię wiatru z krajową siecią elektroenergetyczną. Ostatnią, ale nie najmniej ważną, korzyścią jest to że włączenie ludzi w produkcję własnej elektryczności zachęca ich do oszczędzania energii.

Kris De Decker

Piśmiennictwo


  1. Kostakis, Vasilis, et al. “The convergence of digital commons with local manufacturing from a degrowth perspective: two illustrative cases .” Journal of Cleaner Production 197 (2018): 1684-1693. 

  2. How to build a wind turbine“. High Piggott, 2003. 

  3. Sumanik-Leary, Jon, et al. “Locally manufactured small wind turbines: how do they compare to commercial machines.” Proceedings of 9 th PhD Seminar on Wind Energy in Europe. 2013. 

  4. Mishnaevsky, Leon, et al. “Materials for wind turbine blades: an overview.” Materials 10.11 (2017): 1285. 

  5. Mishnaevsky Jr, Leon, et al. “Strength and reliability of wood for the components of low-cost wind turbines: computational and experimental analysis and applications.” Wind Engineering 33.2 (2009): 183-196. 

  6. Mishnaevsky Jr, Leon, et al. “Small wind turbines with timber blades for developing countries: Materials choice, development, installation and experiences.” Renewable Energy 36.8 (2011): 2128-2138. 

  7. Sinha, Rakesh, et al. “Selection of Nepalese timber for small wind turbine blade construction.” Wind Engineering 34.3 (2010): 263-276. 

  8. Clausen, P. D., F. Reynal, and D. H. Wood. “Design, manufacture and testing of small wind turbine blades.” Advances in wind turbine blade design and materials. Woodhead Publishing, 2013. 413-431. 

  9. Pourrajabian, Abolfazl, et al. “Choosing an appropriate timber for a small wind turbine blade: A comparative study.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 100 (2019): 1-8. 

36.24KB