LOW←TECH MAGAZINE

Mała turbina wiatrowa wynaleziona na nowo

2019-06-02T07:00:00+02:00

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

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

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.

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.

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.

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.

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.).

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.

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

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. ↩
“How to build a wind turbine“. High Piggott, 2003. ↩
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. ↩↩
Mishnaevsky, Leon, et al. “Materials for wind turbine blades: an overview.” Materials 10.11 (2017): 1285. ↩
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. ↩↩↩
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. ↩
Sinha, Rakesh, et al. “Selection of Nepalese timber for small wind turbine blade construction.” Wind Engineering 34.3 (2010): 263-276. ↩
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. ↩
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. ↩

Jak ponownie uczynić energię wiatrową zrównoważoną

2019-06-02T00:00:00+02:00

Ilustracja: Eva Miquel dla Low-Tech Magazine

Przez ponad dwa tysiące lat budowano wiatraki wytwarzające energię mechaniczną, wykorzystując materiały nadających się do recyklingu lub wielokrotnego użytku: drewno, kamień, cegły, płótno, metal. Kiedy w latach osiemdziesiątych XIX wieku pojawiły się turbiny wiatrowe nowego typu - wytwarzające energię elektryczną - materiały konstrukcyjne nie zmieniły się. Dopiero po pojawienie się kompozytowych skrzydeł wiatraków w latach osiemdziesiątych XX wieku energia wiatrowa stała się źródłem toksycznych odpadów, które trafiają na wysypiska śmieci.

Nowe technologie produkcji drewna oraz nowe rozwiązanie konstrukcyjne pozwalają ponownie budować duże turbiny wiatrowe niemal całkowicie z drewna - nie tylko skrzydła, ale także resztę konstrukcji. Upowszechnienie tych technologii rozwiązałoby problem odpadów i uczyniłoby produkcję turbin wiatrowych w dużej mierze niezależną od wydobycia paliw kopalnych i surowców mineralnych. Las posadzony między turbinami wiatrowymi może zapewnić drewno do budowy nowych wiatraków, kiedy stare ulegną zużyciu.

Czy skrzydło turbiny jest przyjazne środowisku?

Turbiny wiatrowe są uważane za czyste i zrównoważone źródło energii. Chociaż rzeczywiście mogą wytwarzać energię elektryczną emitując mniej CO2 niż elektrownie spalające paliwa kopalne, produkują dużo odpadów. Ten fakt można łatwo przeoczyć, ponieważ około 90% masy dużej turbiny to stal, użyta to konstrukcji wieży. Złomowana wieża jest często poddawana recyklingowi, co wyjaśnia, dlaczego turbiny wiatrowe mają bardzo krótki czas zwrotu energii - stal z recyklingu może być wykorzystana do produkcji nowych części turbin wiatrowych, co znacznie obniża zużycie energii podczas procesu produkcyjnego. (“Czas zwrotu energii” jest to czas w którym urządzenie wytwarzające energię, wytworzy energię równą energii użytej do wyprodukowania urządzenia, przyp. tłum.).

Jednak skrzydła współczesnych turbin wiatrowych są wykonane z lekkich kompozytowych tworzyw sztucznych, które zajmują sporo przestrzeni i są niemożliwe do recyklingu. Chociaż masa skrzydeł jest niska w porównaniu z całkowitą masą turbiny wiatrowej, nie jest ona zaniedbywalna. Na przykład jedno 60-metrowej długości skrzydło z włókna szklanego waży 17 ton, co oznacza, że turbina wiatrowa o mocy 5 MW wytwarza ponad 50 ton odpadów z tworzyw sztucznych, pochodzących z samych tylko skrzydeł.

Skrzydło ze wzmocnionego włókna szklanego. Źródło: Gurit.

Skrzydło wiatraka zazwyczaj składa się z połączenia żywicy epoksydowej - produktu rafinacji ropy naftowej - ze wzmocnieniami z włókna szklanego. Skrzydła zawierają również umieszczone w rdzeniu takie materiały jak pianka z polichlorku winylu, pianka z politereftalanu etylenu, drewno balsa (splecione we włókna i żywice epoksydowe) oraz powłoki poliuretanowe. ¹²³⁴

W przeciwieństwie do zawartej w wieży stali, plastikowe skrzydła nie mogą być poddane recyklingowi w celu wytworzenia nowych plastikowych skrzydeł. Zużyte materiały można jedynie poddać „downcycklingowi” (przetworzenie materiału na materiał niższej jakości przyp. tłum.), na przykład poprzez jego rozdrobnienie. Jednakże proces ten uszkadza włókna kompozytów i czyni je bezużytecznymi. Tak przetworzone skrzydło może jedynie posłużyć jako wypełniacz w produkcji cementu lub asfaltu. Opracowywane są inne metody przeróbki, jednak wszystkie napotykają na ten sam problem: nikt nie chce „przetworzonego” materiału. Pewna grupa architektów wykorzystała zużyte skrzydła do zrobienie ławek i placów zabaw, ale nie jest to rozwiązanie problemu kłopotliwych odpadów - nie możemy budować wszystkiego ze skrzydeł turbin wiatrowych.

Turbina wiatrowa o mocy 5 MW zawiera w samych skrzydłach ponad 50 ton tworzywa sztucznego, które nie nadaje się do recyklingu.

Ze względu na ograniczone możliwości recyklingu i ponownego wykorzystania skrzydła są one zwykle składowane na wysypiskach (w USA) lub spalane (w UE). To ostatnie podejście jest nie mniej niezrównoważone niż składowanie, ponieważ spalanie tylko częściowo zmniejsza objętość odpadów (60% produktów spalania to toksyczny popiół), a resztę przekształca w zanieczyszczenie powietrza. Ponadto, biorąc pod uwagę, że włókno szklane jest niepalne, wartość kaloryczna łopat jest tak niska, że można z nich uzyskać niewielką lub żadną energię. ¹²³⁴

Problem odpadów - 25 lat później

Większość z około 250 000 turbin wiatrowych działających obecnie na całym świecie zainstalowano mniej niż 25 lat temu. 25 lat to szacunkowa długość życia turbiny. Gwałtowny rozwój energetyki wiatrowej w ciągu ostatnich dwóch dekad zostanie wkrótce odzwierciedlony, w opóźnionej w czasie, ale stale rosnącym i nieskończonym strumieniu odpadów.

W Europie udział zainstalowanych turbin wiatrowych starszych niż 15 lat wzrośnie z 12% w 2016 r. do 28% w 2020 r. W Niemczech, Hiszpanii i Danii ich udział wzrośnie do 41-57%. Tylko w 2020 r. te trzy kraje będą musiały zdeponować na składowiskach od 6 000 do 12 000 skrzydeł turbin wiatrowych. ⁵

Staroświeckie wiatraki miały żagle zrobione z materiałów całkowicie nadających się do recyklingu. Źródło: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Ilość składowanych na wysypiskach skrzydeł będzie nie tylko rosnąć ale również ich rozmiary będą się powiększać. Obecnie na świecie panuje trend budowy coraz większych wirników. Turbiny wiatrowe budowane 25 lat temu miały skrzydła o długości około 15-20 m, podczas gdy dzisiejsze łopaty osiągają długości 75-80 m lub więcej. ³ Szacunki oparte na aktualnych danych dotyczących wzrostu energii wiatrowej sugerują, że do 2028 r. na całym świecie odpady z materiałów kompozytowych ze skrzydeł turbin osiągną masę 330 000 ton rocznie i 418 000 ton rocznie do 2040 r. ¹

Gwałtowny rozwój energetyki wiatrowej w ciągu ostatnich dwóch dekad zostanie wkrótce odzwierciedlony, w opóźnionym w czasie, ale stale rosnącym i nieskończonym strumieniu odpadów.

Są to ostrożne szacunki, ponieważ nie biorą pod uwagę licznie zgłaszanych awarii i wymiany uszkodzonych skrzydeł oraz ponieważ ciągły rozwój bardziej wydajnych skrzydeł o wyższych możliwościach generowania energii powoduje wymianę tych elementów na długo przed końcem ich żywotności. ¹ ⁶ Ponadto szacowana ilość odpadów wynika z liczby turbin wiatrowych zainstalowanych w latach 2005–2015, kiedy to energia wiatrowa zapewniała maksymalnie 4% światowego zapotrzebowania na energię. Gdyby wiatr, tak jak oczekuje się tego w krajach uprzemysłowionych, dostarczał 40% (obecnego) zapotrzebowania na energię, powstawałoby 3 do 4 milionów ton odpadów rocznie.

Skrzydło wiatraka na przestrzeni wieków

Kiedy przyjrzymy się historii energetyki wiatrowej, zobaczymy że tworzywa sztuczne nie były jej istotnym elementem. Wykorzystanie wiatru do mechanicznej produkcji energii sięga starożytności, a pierwsze wiatraki wytwarzające energię elektryczną - obecnie nazywane turbinami wiatrowymi - powstały w latach osiemdziesiątych XIX wieku. Skrzydła z włókna szklanego zaczęto produkować dopiero w latach osiemdziesiątych XX wieku. Przez około dwa tysiące lat wiatraki dowolnego rodzaju nadawały się w całości do recyklingu.

Pierwsze turbiny wiatrowe w Europie postawił w Danii Paul La Cour. Użył skrzydeł z drewnianych listew - tak jak w tradycyjnych wiatrakach. Zdjęcie: Paul La Cour Museum.

Staromodne wiatraki miały wieże zbudowane z drewna, kamienia lub cegły. Ich „skrzydła” lub „żagle” były zwykle wykonane z drewnianej ramy pokrytej płótnem lub deskami. W późniejszych wiekach części były coraz częściej wytwarzane z żelaza, materiału również nadającego się do recyklingu.

Kiedy w XVIII i XIX wieku wynaleziono nowe typy żagli (później w XX wieku opracowano żagle Dekkerized i Bilau), konstrukcja wiatraków uległa zmianie, ale materiały konstrukcyjne pozostały takie same (można wspomnieć również o ograniczonym użyciu aluminium w XX wieku, metalu, który można w całości poddać recyklingowi przyp. tłum). ⁷ Ponadto, w przeciwieństwie do współczesnych turbin wiatrowych, które wymagają regularnej wymiany w całości, staromodne wiatraki mogą przetrwać wiele dziesięcioleci, a nawet stuleci, dzięki regularnym naprawom i konserwacji.

Rzut oka na historię energetyki wiatrowej pokazuje, że plastik nie jest koniecznym materiałem.

Pierwsza turbina wiatrowa w USA, zbudowana przez Charlesa F. Brusha, miała żagiel o średnicy 17 m, złożony 144 cienkich łopatek wykonanych z drewna cedrowego. Pierwsza turbina wiatrowa w Europie, zbudowana przez Paula La Cour w Danii, miała cztery tradycyjne żagle z drewnianymi listwami o średnicy wirnika 22,8 m.

Projekt La Cour’a został szeroko skopiowany przez lokalne duńskie przedsiębiorstwa na terenie całego kraju, w wyniku czego tysiące turbin wiatrowych pracowało na duńskich farmach w latach 1900–1920. W pierwszej połowie XX wieku zbudowano dziesiątki eksperymentalnych turbin wiatrowych, w tym niektóre wyposażone w stalowe skrzydła, takie jak turbina wiatrowa Smith-Putnam z 1939 r. w USA. ⁸

Wirnik trójskrzydłowej turbiny Gedser usztywniony nadbudową z ramą powietrzną ze stalowych drutów.

W 1957 r. Johannes Juul - uczeń Paula La Cour - zbudował trójskrzydłową turbinę wiatrową Gedser. Wirnik o średnicy 24 m opierał się na nadbudowie z ramą powietrzną ze stalowych drutów, zapewniającą należytą sztywność wirnika i skrzydeł. Łopaty zostały zbudowane ze stalowych żerdzi obudowanych aluminiowymi płatami mocowanymi do drewnianych żeber.

Turbina Gedser była najbardziej udaną turbiną wiatrową, aż do połowy lat osiemdziesiątych. Pracowała przez 11 lat bez konserwacji, generując do 360 000 kWh rocznie. Pracę turbiny przerwała na wiele lat awaria łożyska wirnika. Usterka została naprawiona dopiero pod koniec lat siedemdziesiątych. Kiedy turbina znów zaczęła pracować okazało się, że działa sprawniej niż pierwsze turbiny wiatrowe ze skrzydłami z włókna szklanego. ⁸⁹

Rozmiar ma znaczenie

Pierwsza turbina wiatrowa ze skrzydłami z włókna szklanego została postawiona 1978 roku w Danii, gdzie zasilała budynek szkoły. Dzięki wirnikowi o średnicy 54 m turbina Tvind była w tym czasie największą turbiną wiatrową jaką kiedykolwiek zbudowano. Po 1980 roku skrzydła z włókna szklanego stały się standardem w Danii, a „duński model” został później skopiowany na cały świat. Wydaje się, że skrzydła z plastiku to nieodłączna cecha wiatraków. To stawia nas przed istotnym dylematem.

Przejście na skrzydła z włókna szklanego było spowodowane głównie chęcią budowy większych turbin wiatrowych. Większe turbiny wiatrowe obniżają koszt wytworzonej energii elektrycznej na kilowatogodzinę z dwóch powodów: siła wiatru rośnie wraz z wysokością, a podwojenie promienia wirnika zwiększa moc wyjściową turbiny czterokrotnie.

Odkąd zaczęto wprowadzać do konstrukcji włókno węglowe, wiatraki staja się coraz większe. Średnice wirników wzrosły z około 50 m latach dziewięćdziesiątych do 120 m latach dwutysięcznych. Największe współczesne morskie turbiny wiatrowe mają średnice wirników powyżej 160 m, a w Holandii budowana jest turbina o mocy 12 MW i średnicy wirnika 220 m. ³⁶¹⁰

Udoskonalone skrzydła wiatraka z lat czterdziestych XX w. zaprojektowane i zbudowane przez P. L. Fauel. Zdjęcie: Rasbak (CC BY-SA 3.0)

Jednak wraz ze wzrostem wielkości wzrasta również masa skrzydła wirnika, co wymaga użycia lżejszych materiałów. Jednocześnie większe skrzydła bardziej odchylają się pod naporem wiatru, tak że ich sztywność strukturalna ma coraz większe znaczenie dla utrzymania optymalnej wydajności aerodynamicznej i uniknięcia uderzenia skrzydła w wieże. Krótko mówiąc, większe turbiny wiatrowe z dłuższymi skrzydłami stawiają coraz wyższe wymagania wobec użytych materiałów, które to wymagania przewyższają możliwości materiałów nadających się do recyklingu. ¹¹¹² Turbiny wiatrowe stały się bardziej wydajne, ale także mniej zrównoważone.

Większe turbiny wiatrowe z dłuższymi skrzydłami stawiają coraz wyższe wymagania materiałowe.

Obecnie ten trend ilustruje rosnące wykorzystanie kompozytów wzmocnionych włóknem węglowym, które są jeszcze mocniejsze, sztywniejsze i lżejsze niż kompozyty wzmocnione włóknem szklanym. ¹¹ Zastosowanie włókna węglowego – które dodatkowo komplikuje możliwość recyklingu - stało się standardem w konstrukcji największych skrzydeł turbin wiatrowych, głównie w miejscach poddawanych dużym obciążeniom, takich jak: mocowania skrzydeł do piasty lub czop dźwigara. Wkroczyliśmy w nową erę, w której skrzydła są teraz tak wielkie, że nie mogą być wykonane z samych kompozytów wzmocnionych włóknem szklanym.

Skrzydło wirnika wynaleziona na nowo.

Przemysł, który nazywa siebie zrównoważonym i odnawialnym, nie może co roku wysyłać milionów ton odpadów z tworzyw sztucznych na wysypiska. Czy możemy wrócić do budowania turbin wiatrowych wyłącznie z materiałów nadających się do recyklingu? Jak duże moglibyśmy je budować? W jakim stopniu można pogodzić wydajność i zrównoważony rozwój?

Udoskonalone skrzydła wiatraka z lat trzydziestych XX w. zaprojektowane przez Kurta Bilau. Wieża jest zbudowana z kamienia, a łopaty z drewna i aluminium. Zdjęcie: Frank (CC BY-SA 3.0).

Większość badań nad bardziej przyjaznymi środowisku skrzydłami turbin wiatrowych trzyma się kurczowo tworzywa sztucznego jako głównego materiału. Tworzywa termoplastyczne można stopić i ponownie wykorzystać, co umożliwia przetworzenie zużytych skrzydeł w nowe skrzydła, nawet na miejscu. Jednak ze względu na niższą wytrzymałość i sztywność materiałów termoplastycznych nie skonstruowano jeszcze z nich skrzydeł większych niż 9 m. ¹¹³

Innym kierunkiem badań są próby zastąpienie włókien szklanych włóknami drzewnymi lub lnianymi. Takie skrzydła mogą osiągać duże rozmiary, ale mają tylko niewielką przewagę w zakresie zrównoważonego rozwoju w porównaniu z łopatami z włókna szklanego i żywicy epoksydowej. ¹⁴¹⁵ Żywica epoksydowa na bazie ropy naftowej jest bardziej szkodliwa niż włókno szklane, a materiały kompozytowe wytwarzane z użyciem naturalnych włókien wymagają zastosowania większej ilość żywicy (część żywicy jest pochłaniana przez same włókna, co nie ma miejsca w przypadku włókna szklanego przyp. tłum) ¹⁶¹⁷¹²

Niektórzy inżynierowie i naukowcy zbaczają z utartych ścieżek rozwoju technicznego i wracają do bardziej tradycyjnych konstrukcji drewnianych. W przypadku małych turbin wiatrowych skrzydła można wyciąć z litego drewna. W przypadku większych turbin wiatrowych skrzydła mogą przybierać postać pustej w środku aerodynamicznej skorupy, przymocowanej do żebrowanej ramy, i podłużnic wspartych na belce zwanej dźwigarem – wszystkie elementy zbudowane z klejonych laminowanych desek, belek i paneli.

Drewno klejone warstwowo z fornirów

Drewno klejone warstwowo z fornirów – jest to materiał który powstaje poprzez zrywanie z drzewa z płatów drewna, a następnie sklejanie ich w cienkie warstwy. Materiał ten pojawił się w latach osiemdziesiątych XX wieku i posiada wyraźną przewagę nad litym drewnem. Struktura drewna może różnić się w obrębie jednego drzewa. Dlatego długość belki-dźwigara używanych w przedprzemysłowych wiatrakach była ograniczona dostępnością dużych pni drzew o równomiernej jakości. Największy tradycyjny drewniany wiatrak, jaki kiedykolwiek zbudowano - młyn Murphy z 1900 r. W San Francisco - miał średnicę wirnika 35 m.

Skrzydła patentowe z krawędziami Dekker’a, lata 40te XX w. Zdjęcie: Reboelje.

Proces licowania, w którym powstaje drewno laminowane, równomierniej rozkłada defekty drewna (takie jak sęki), dając lepsze i bardziej przewidywalne właściwości materiału. Pozwala to budować większe drewniane skrzydła. ¹² Laminaty drewniane pozwalają na znaczne obniżenie kosztów i masy w porównaniu z włóknem szklanym. Mimo że wytrzymałość i sztywność są niższe, większość obciążenia, które musi wytrzymać skrzydło, jest wynikiem jego ciężaru własnego. Z tego wynika, że drewniane skrzydło nie musi być tak wytrzymała jak skrzydło z włókna szklanego (ponieważ waży proporcjonalnie mniej) ¹² Niemniej jednak niska sztywność drewna utrudnia kontrolę ugięcia skrzydła w wirnikach o bardzo dużych rozmiarach.

W 2017 roku podczas testów turbiny wiatrowej o mocy 5 MW ze skrzydłami o długości 61,5 m przeprowadzonej w UMassAmherst w USA obliczono, że aby uzyskać wystarczającą sztywność i wytrzymałość, skrzydło wykonane z laminowanych paneli fornirowych musiałaby być o 2,8 razy cięższe niż skrzydło wykonane z tworzywa sztucznego (48 ton w porównaniu z 17 tonami) i musiałaby być skonstruowana z laminatu o grubości ponad 50 cm. ¹² Chociaż wynik testów sugeruje, że z technicznego punktu widzenia możliwe jest zbudowanie wiatraka z drewnianymi skrzydłami o długości większej niż 60 m, lecz nie jest to praktyczne rozwiązanie. Cięższe skrzydła wymagają znacznie solidniejszej konstrukcji turbiny, co pomnaża koszty i zużycie zasobów.

Są dwa sposoby rozwiązania problemu niskiej sztywności drewna. Pierwszym z nich jest konstruowanie skrzydeł wykonanych głównie z drewna klejonego warstwowo z fornirów wzmocnionego poprzeczkami z włókna węglowego pokrytych zewnętrzną warstwą włókna szklanego. We wcześniej wspomnianym teście stwierdzono, że takie hybrydowe skrzydła drewno-włókno węglowe są wystarczająco sztywne aby osiągnąć długość 61,5 m dla turbiny o mocy 5 MW i osiągają ciężar o 3 tony niższy niż skrzydła z włókna szklanego. ¹² Inne badania skrzydeł drewno-włókno węglowe o tej samej długości, uzyskały podobne wyniki (chociaż w drugim przypadku skrzydło drewno-włókno węglowe jest nieco cięższe niż skrzydło z tworzywa sztucznego). ¹⁴

Skrzydła wykonane z drewna wzmacnianego włóknem węglowym zawierają mniej elementów z tworzyw sztucznych, a jednocześnie elementy te nie są przeplecione z drewnem na całej długości skrzydła, ale są wyraźnie oddzielone od niego. Dzięki takiemu rozwiązaniu ponowne użycie lub spalanie zużytych skrzydeł staje się bardziej atrakcyjne. Jednak zgodnie z wyżej wspomnianymi badaniami tak skonstruowane skrzydło nadal zawiera 2,5 tony ¹⁴ do 6,2 ton ¹² kompozytów z tworzyw sztucznych, co oznacza, że trójskrzydłowa turbina wiatrowa o mocy 5 MW wytworzyłaby 7,5 do 18,4 ton odpadów nie nadających się do recyklingu (konwencjonalna turbina tej mocy produkuje do 50 ton odpadów nie nadających się do przetworzenia).

Mniejsze turbiny wiatrowe?

Szkody środowiskowe spowodowane przez odpady powstające przy złomowaniu skrzydeł hybrydowych można uznać za dopuszczalne w porównaniu z masę odpadów z konwencjonalnych skrzydeł. Jednak dalej nie rozwiązuje to problemu powstawania nienadających się do przetworzenia odpadów co przy dynamicznym wzroście produkcji energii wiatrowej nadal skutkuje rosnącym strumieniem plastiku.

Skrzydło z drewna klejonego warstwowo z fornirów wzmocnione włóknem węglowym. Źródło ¹⁴

Możemy jednak podejść do problemu zrównoważonego rozwoju w sposób bardziej ambitny i powrócić do budowy turbin wiatrowych wykonywanych w całości z drewna - nawet jeśli oznacza to, że będą one mniejsze. Istnieje również inny powód za tym, aby przestać skupiać się wyłącznie na wydajności turbin. Problem powstawania szkodliwych odpadów nie wynika jedynie z konstrukcji skrzydeł. Inne części turbin wiatrowych są również coraz częściej wykonywane z tworzyw sztucznych. Są to przede wszystkim przednia piasta (miejsce mocowania łopat) i pokrywa gondoli (obudowa, która chroni układ napędowy i urządzenia pomocnicze przed warunkami atmosferycznymi). ¹²³⁴

Dzisiejsze trendy w konstrukcji turbin stawiają na coraz większe zastosowanie elektroniki, która w większości nie nadaje się do recyklingu, oraz instalowanie generatorów z magnesami trwałymi opartymi na pierwiastkach ziem rzadkich, które oszczędzają koszty w porównaniu z mechanicznymi przekładniami, ale tylko kosztem niszczycielskiego wydobycia surowców. Większe turbiny wiatrowe zabijają także więcej ptaków i nietoperzy. ¹⁹

Poświęcając część wydajności, moglibyśmy wiele zyskać w kwestii ochrony środowiska.

Poświęcając część wydajności moglibyśmy wiele zyskać w kwestii ochrony środowiska. Zwolennicy energetyki wiatrowej mogą się z tym nie zgadzać, ponieważ spowodowałoby to, że energia wiatrowa byłaby mniej konkurencyjna w stosunku do paliw kopalnych.

Jednak wzrostowi cen energii wiatrowej zawsze można przeciwdziałać przez wzrost cen paliw kopalnych. Wysoce problematyczne jest to, że tanie paliwa kopalne służą nam za punktu odniesienia dla oceny rentowności energii wiatrowej. Turbiny wiatrowe stają się coraz bardziej szkodliwe dla środowiska przez dążenie do konkurowania z paliwami kopalnymi - a tym samym przez dążenie do zapewnienia energii dla zasilania naszego stylu życia opartego na węglu, ropie i gazie. Gdybyśmy zmniejszyli nasze zapotrzebowanie na energię, mniejsze i mniej wydajne turbiny wiatrowe nie stanowiłyby problemu.

Pierwsza turbina wiatrowa w USA, zbudowana przez Charles’a F. Brush’a, miała wirnik średnicy 17 metrów złożony z 144 cienkich cedrowych łopatek.

Jak duże moglibyśmy budować skrzydła turbin wiatrowych wykorzystując jedynie laminowany fornir? Na dzień dzisiejszy nie wiadomo. Zapytałem Rachel Koh, naukowczynię, która obliczyła wymagania dla w pełni drewnianej łopaty o długości 61,5 m, ale nie mogła mi pomóc: „Przeprowadziłam modelowanie jedynie dla skrzydeł turbiny o mocy 5 MW. Hipotetycznie możliwe byłoby przeprowadzenie kolejnego modelowania aby odpowiedzieć na Twoje pytanie, ale byłoby to poważne przedsięwzięcie”. Koh zauważa także, że możliwe jest dalsze zwiększenie sztywności laminatów drewnianych dzięki innowacjom w ich produkcji.

Las turbin wiatrowych

Niezależnie od tego, czy wybieramy duże skrzydła z drewna i włókna węglowego, czy mniejsze łopaty z samego drewna, w obu przypadkach możemy użyć drewna do wykonanie pozostałych elementów turbin. W 2012 r. niemiecka firma TimberTower zbudowała wieżę z klejonego warstwowo drewna o wysokości 100 m dla turbiny wiatrowej o mocy 1,5 MW. Może się wydawać, że nie ma potrzeby aby budować drewniane wieże turbin skoro są one konstruowane z materiałów doskonale nadających się do recyklingu (ze stali). Jednak turbina wiatrowa, której konstrukcja jest prawie całkowicie wykonana z drewna, oferuje dodatkowe korzyści.

Ilustracja Eva Miquel dla Low-Tech Magazine.

Użycie drewna może prawie całkowicie uniezależnić produkcję turbin wiatrowych od wydobycia surowców mineralnych i paliw kopalnych. Wykonanie części przekładni i podzespołów elektrycznych nadal potrzebowałoby pozyskania kopalin, jednak możliwe jest częściowe ominięcie tego problemu konstruując wiatraki wytwarzające bezpośrednio energię mechaniczną lub cieplną (takie konstrukcje nie wymagają użycia elektroniki, a niezbędne elementy metalowe można wykonać z przetworzonego złomu, przyp. tłum.). ¹⁸ Ponadto, drewniane turbiny wiatrowe mogą sekwestrować CO2, ponieważ drzewa przeznaczone na wiatraki pochłaniają dwutlenek węgla w procesie fotosyntezy.

Ponadto, przestrzeń pomiędzy turbinami wiatrowymi na farmie wiatrowej, która nie nadaje się pod zabudowę, powinna zostać wykorzystana do hodowli lasu, który dostarczy drewno dla następnego pokolenia turbin wiatrowych. Drewno można piłować, przetwarzać i montować na miejscu, co eliminuje zużycie energii związane z transportem części turbin wiatrowych. Energia potrzebna do produkcji laminatów i budowy turbin mogłaby pochodzić z wiatraków, a także ze spalania biomasy leśnej. Drewniana turbina wiatrowa może stać się podręcznikowym przykładem gospodarki o obiegu zamkniętym.

Co z panelami słonecznymi?

W nadchodzącym artykule skupimy się na panelach fotowoltaicznych. Czy są one przyjazne środowisku i czy ich produkcja jest zrównoważona? Czy toksyczne i niezdatne do recyklingu odpady są nieodłącznie towarzyszą energii słonecznej z PV? Czy możemy budować panele słoneczne przy użyciu zrównoważonych materiałów? Jaki to będzie miało wpływ na cenę i wydajności energii słonecznej?

Kris De Decker

Piśmiennictwo

Ramirez-Tejeda, Katerin, David A. Turcotte, and Sarah Pike. “Unsustainable Wind Turbine Blade Disposal Practices in the United States: A Case for Policy Intervention and Technological Innovation.” NEW SOLUTIONS: A Journal of Environmental and Occupational Health Policy 26.4 (2017): 581-598. http://docs.wind-watch.org/ramireztejeda2016-bladedisposal.pdf ↩↩↩↩↩↩
Wilburn, David R. Wind energy in the United States and materials required for the land-based wind turbine industry from 2010 through 2030. US Department of the Interior, US Geological Survey, 2011. https://pubs.usgs.gov/sir/2011/5036/sir2011-5036.pdf ↩↩↩
Jensen, Jonas Pagh. “Evaluating the environmental impacts of recycling wind turbines.” Wind Energy 22.2 (2019): 316-326. https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/we.2287 ↩↩↩↩↩
Martínez, Eduardo, et al. “Life cycle assessment of a multi-megawatt wind turbine.” Renewable energy 34.3 (2009): 667-673. http://communityrenewables.org.au/wp-content/uploads/2013/02/Life-cycle-analysis-turbines_Renewable-Energy_2009.pdf ↩↩↩
Ziegler, Lisa, et al. “Lifetime extension of onshore wind turbines: A review covering Germany, Spain, Denmark, and the UK.” Renewable and Sustainable Energy Reviews 82 (2018): 1261-1271. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1364032117313503 ↩
Lefeuvre, Anaële, et al. “Anticipating in-use stocks of carbon fiber reinforced polymers and related waste flows generated by the commercial aeronautical sector until 2050.” Resources, Conservation and Recycling 125 (2017): 264-272. https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0921344917301775 ↩↩
De Decker, Kris. “Wind powered factories: history (and future) of industrial windmills.” Low-Tech Magazine. Barcelona (2009). https://solar.lowtechmagazine.com/2009/10/history-of-industrial-windmills.html ↩
The Rise of Modern Wind Energy: Wind Power for the World. Pan Stanford Publishing, 2013. https://www.crcpress.com/Wind-Power-for-the-World-The-Rise-of-Modern-Wind-Energy/Maegaard-Krenz-Palz/p/book/9789814364935 ↩↩
Lundsager, P., Sten Tronæs Frandsen, and Carl Jørgen Christensen. “Analysis of data from the Gedser wind turbine 1977-1979.” (1980). http://orbit.dtu.dk/files/33441311/ris_m_2242.pdf ↩
Gupta, Ashwani K. “Efficient wind energy conversion: evolution to modern design.” Journal of Energy Resources Technology 137.5 (2015): 051201. http://energyresources.asmedigitalcollection.asme.org/article.aspx?articleid=2211540 ↩
Brøndsted, Povl, Hans Lilholt, and Aage Lystrup. “Composite materials for wind power turbine blades.” Annu. Rev. Mater. Res. 35 (2005): 505-538. http://www-eng.lbl.gov/~shuman/NEXT/MATERIALS&COMPONENTS/Pressure_vessels/FRP_Hutter_flange.pdf ↩↩
Koh, Rachel. “Bio-based Wind Turbine Blades: Renewable Energy Meets Sustainable Materials for Clean, Green Power.” (2017). https://scholarworks.umass.edu/dissertations_2/1102/ ↩↩↩↩↩↩↩
Murray, Robynne, et al. Manufacturing a 9-meter thermoplastic composite wind turbine blade. No. NREL/CP-5000-68615. National Renewable Energy Lab.(NREL), Golden, CO (United States), 2017. https://www.nrel.gov/docs/fy18osti/68615.pdf ↩
Borrmann, Rasmus. “Structural design of a wood-CFRP wind turbine blade model.” (2016) https://www.eksh.org/fileadmin/bilder/themen/Energieforschung/02_-Final_Report-_Strcutural_Design_of_a_Wood-CFRP_Wind_Turbine_Blade_Model.pdf ↩↩↩↩
Spera, David. “Wind Turbine Technology: Fundamental Concepts in Wind Turbine Engineering, Second Edition.” (2009) https://ebooks.asmedigitalcollection.asme.org/book.aspx?bookid=271 ↩
Corona, Andrea, et al. “Comparative environmental sustainability assessment of bio-based fibre reinforcement materials for wind turbine blades.” Wind Engineering 39.1 (2015): 53-63. http://orbit.dtu.dk/files/129909032/0309_524x_2E39_2E1_2E53.pdf ↩
The use of wood for wind turbine construction. Meade Gougeon, NASA. https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19800008214.pdf ↩
De Decker, Kris. “Heat your house with a mechanical windmill.” Low-Tech Magazine. Barcelona (2019). https://solar.lowtechmagazine.com/2019/02/heat-your-house-with-a-water-brake-windmill.html ↩
Loss, Scott R., Tom Will, and Peter P. Marra. “Estimates of bird collision mortality at wind facilities in the contiguous United States.” Biological Conservation 168 (2013): 201-209. https://repository.si.edu/bitstream/handle/10088/35192/NZP_Marra_2013-Estimates_of_bird_collision_mortality_at_wind_facilities_in_the_contiguous_United_States.pdf?sequence=1&isAllowed=y ↩

LOW←TECH MAGAZINE

﻿Mała turbina wiatrowa wynaleziona na nowo

Niska wydajność

Ręcznie robione drewniane skrzydła

Lokalna produkcja

Komercyjne turbiny wiatrowe z drewnianymi skrzydłami

Akceptacja społeczna

Drewniane wieże

Łącząc siły wiatru i słońca

Zdecentralizowana produkcja energii

Piśmiennictwo

﻿Jak ponownie uczynić energię wiatrową zrównoważoną

Czy skrzydło turbiny jest przyjazne środowisku?

Problem odpadów - 25 lat później

Skrzydło wiatraka na przestrzeni wieków

Rozmiar ma znaczenie

Skrzydło wirnika wynaleziona na nowo.

Drewno klejone warstwowo z fornirów

Mniejsze turbiny wiatrowe?

Las turbin wiatrowych

Co z panelami słonecznymi?

Piśmiennictwo

Mała turbina wiatrowa wynaleziona na nowo

Jak ponownie uczynić energię wiatrową zrównoważoną