Jak zbudować pływającą farmę wiatrową?

Osiągają końcówki długich na co najmniej 40 metrów łopat wirnika przy pełnym obciążeniu. Wtedy obracają się ponad 19 razy na minutę. Przy silnym wietrze sztormowym wiejącym szybciej niż 25 metrów na sekundę (90 kilometrów na godzinę) elektronika wyłącza urządzenie ze względów bezpieczeństwa.

Musi osiągnąć wiatr, aby wirniki wielkich turbin mogły się obracać. Takie warunki, w połączeniu z wysoką wilgotnością, ciepłą warstwą powietrza bezpośrednio nad Morzem Północnym i znajdującą się nad nią masą zimnego, panowały 12 lutego 2008 roku, gdy zrobiono to zdjęcie. Wiatraki zmieszały obie warstwy – wilgoć z ciepłego powietrza skondensowała się w zimnym i powstała widoczna mgła.

Znajduje się w pierwszym parku wiatrowym na Morzu Północnym. Horns Rev 1 ulokowano 14 kilometrów od zachodniego wybrzeża Danii. Dwumegawatowe konstrukcje z 2002 roku mierzą po 180 metrów, czyli 10 metrów więcej niż warszawski hotel Marriott. Wysokość nowoczesnych turbin wiatrowych przekracza nawet 220 metrów.

Pływające platformy montażowe nadają się do instalacji elektrowni wiatrowych na płyciznach. Dzięki odbiornikom GPS i bocznym sterom strumieniowym na dziobie są w stanie utrzymać pozycję z centymetrową dokładnością, oprzeć się na wysuniętych nogach i wystawić nad poziom wody cały kadłub.

Do Peterhead, najbardziej na wschód wysuniętego miasteczka w Szkocji, nie przyjeżdżają amatorzy dobrej pogody: dużo tu deszczu, mało słońca, a przede wszystkim wieje silny wiatr. Jego średnia roczna prędkość wynosi tu prawie dziesięć metrów na sekundę – to dwa razy więcej niż na północnych krańcach polskiego wybrzeża Bałtyku. Jednak właśnie dzięki temu okolice Peter­head są idealną bazą dla eksperymentu przeprowadzanego w odległości 25 kilometrów od miasteczka, na głębokim tu na ponad 100 metrów Morzu Północnym.

U wybrzeży Szkocji powstaje Hywind – pierwsza pływająca farma wiatrowa na świecie. Żaden z pięciu planowanych wiatraków, z których ma się ona składać, nie będzie zakotwiczony w dnie. Zostaną rozmieszczone na powierzchni ponad 4 kilometrów kwadratowych. Jak jednak sprawić, by prawie 200-metrowy stalowy cylinder o średnicy 14 metrów mimo wiatru i fal zachował pozycję pionową? Tym bardziej że na jego szczycie zamocowany jest obracający się wirnik o średnicy 154 metrów?

Pomysł jest wzorowany na zabawce znanej pod nazwą wańka-wstańka: około 2000 ton balastu z kamieni i wody ciągnie dolną część cylindra w kierunku dna, podczas gdy wypełniona powietrzem górna część obiektu utrzymuje go nad wodą. Zanurzony na około 100 metrów korpus trochę się chwieje, ale może się poruszać wraz z falami do 20 metrów w górę i w dół.

Na skutek odchyleń od pionu oraz w związku z faktem, że wyżej wiatr jest silniejszy niż przy powierzchni morza, wirnik pracuje w stale zmieniających się warunkach. Aby mimo to obracał się równomiernie, komputer bezustannie dostosowuje kąt nachylenia jego łopat – raz wiatr prześlizguje się pomiędzy nimi, a raz naciera, napotykając silniejszy opór, by z większą mocą obracać wirnik. Elektrownia testowa w Norwegii pracuje od 2009 roku bez zarzutu.

I to nawet przy wichurach wiejących z szybkością 44 metrów na sekundę oraz falach o wysokości 19 metrów! – W wietrznym roku 2011 wyprodukowała ona 10 gigawatogodzin energii elektrycznej [ilość wystarczająca dla ponad 3000 dwuosobowych gospodarstw domowych – przyp. red.].

Podobna elektrownia w dobrym miejscu na lądzie jest w stanie dostarczyć tylko sześć giga­watogodzin – mówi Peter Egedal, kierownik działu technologicznego w Siemens Wind Power. Pięć sześciomega­watowych turbin unoszących się w morzu o głębokości 95–120 metrów ma zaopatrywać w energię elektryczną około 20 000 gospodarstw domowych. Prąd popłynie do odbiorców na lądzie przewodami ułożonymi na dnie.

Całe przedsięwzięcie ma kosztować około miliarda złotych – wciąż jeszcze dwa razy więcej niż w przypadku elektrowni osadzonych na stałe w dnie morskim. Technologia ma jednak potanieć: – Do instalacji i konserwacji elektrowni ze stałym fundamentem niezbędne jest specjalistyczne wyposażenie. Ponadto trzeba ją każdo­razowo dopasować konstrukcyjnie do lokalizacji. Pływające wiatraki są wszędzie takie same, co umożliwia produkcję na faktycznie masową skalę – wyjaśnia Irene Rummelhoff z firmy Statoil.

Właśnie ten norweski koncern stoi za projektem Hywind, a zatrudnieni przez niego naukowcy, tacy jak Climent Molins, pracują już nad kolejną innowacją: cylindrem z betonu, który będzie transportowany do miejsca wykorzystania w ułożeniu poziomym i na miejscu zalewany wodą balastową.

– Beton jest nie tylko tańszy, ale i trwalszy oraz bardziej ekologiczny niż stal – wyjaśnia Molins. W dłuższej perspektywie koncepcja ta wydaje się wygrywać z elektrowniami umocowanymi na stałe: – Co 20 lat – odpowiada to mniej więcej okresowi żywotności turbiny na lądzie – trzeba będzie całość po prostu odholować z powrotem do portu i wymienić zużyte części – wyjaśnia statyk Habib J. Dagher z Uniwersytetu Maine. Wiele wskazuje na to, że gdy pierwsze turbiny zastosowane na farmie Hywind przejdą na emeryturę, na morzach będzie się już roić od pływających wiatraków. John Olav Tande z norweskiego Centrum Badań nad Energią wyjaśnia: – Potencjał mórz jest pod tym względem praktycznie nieskończony, a w każdym razie na pewno większy niż globalne zapotrzebowanie na energię elektryczną.

Elektrownie wiatrowe są transportowane do swojej lokalizacji docelowej statkiem. Ponieważ łopat wirnika, maszynowni czy segmentów wieży nie da się rozłożyć na części i zapakować do kontenerów, podróż odbywają na pokładzie.

Na morzu turbinom – ze względu na wichury, fale i pływy – stale grozi zniszczenie, ale też pracują tam intensywniej i regularniej, produkując dzięki temu około dwa razy więcej energii niż na lądzie. Niniejsza grafika przedstawia sześć koncepcji takich elektrowni – wszystkie są kosztowne: cena instalacji to średnio 10–17 mln złotych na megawat mocy, a na platformach pływających – nawet 30 mln (w przypadku wiatraków lądowych to 6 mln złotych). Komercyjnie wykorzystuje się jak dotąd wyłącznie elektrownie osadzone w dnie (lewa strona). Elektrownie o pływających fundamentach (prawa strona) są obecnie testowane. Mają one tę przewagę nad wiatrakami montowanymi na stałe, że można je instalować na głębokich wodach, kilkanaście–kilkadziesiąt kilometrów od brzegu. Ich wykorzystanie byłoby gigantycznym krokiem w kierunku przełomu energetycznego: według danych Instytutu Fraunhofera tylko u wybrzeży Starego Kontynentu można byłoby zapewnić produkcję prądu dwukrotnie przekraczającą zapotrzebowanie krajów Unii Europejskiej.

Transport łopaty wirnika o długości 88,4 metra to tzw. przewóz nadgabarytowy, który wymaga specjalnego zezwolenia – a w tym przypadku obejmuje także dziewięć miesięcy planowania przejazdu na 218-kilometrowej trasie, blokady drogowe i wycinkę zieleni.

Częściowo zanurzone platformy stabilizują się samoczynnie: wykrywają wychylenia powodowane przez fale i wpompowują lub wypompowują odpowiednią ilość wody balastowej. Niezbędną do tego energię produkuje sama turbina.

Najbardziej materiałooszczędna procedura: pusty cylinder stalowy pływa w morzu, a w pionie utrzymuje go około 3000 ton balastu umieszczonego na dole. Liny podtrzymujące zapewniają, że nie odpłynie.

Tak zwane fundamenty kratownicowe należą do najbardziej kosztownych struktur podwodnych. Budową przypominają słup elektryczny, którego ażurowe rusztowanie jest osadzone w ziemi. Konstrukcję tego typu wykorzystuje także wiele platform wiertniczych.

Fundamenty monopalowe dobrze się sprawdzają na płaskich, piaszczystych podłożach: rurę o średnicy około siedmiu metrów wbija się w grunt niczym gwóźdź. Co najmniej połowa całkowitej długości wiatraka musi znaleźć się pod dnem, aby zapewnić mu dostateczną stabilność.

Liny utrzymują pływające korpusy w stabilnej pozycji pod powierzchnią wody. Na skutek wiatru, fal i prądów morskich elementy mocujące narażone są na bardzo silne naprężenia rozciągające.

Trójnogi nadają się do instalacji w zwartym podłożu na głębokości do 50 metrów. Ich końce osadza się w gruncie za pomocą bolców. Wszystkie wiatraki pracujące na Bałtyku są montowane na trójnogach lub fundamentach kratownicowych.

Konsultacja naukowa: dr Tomasz Greczyło, Wydział Fizyki i Astronomii Uniwersytetu Wrocławskiego

Zobacz, co można znaleźć w najnowszym numerze Świata Wiedzy