Větrná energetika a střety s jinými technologiemi

Současný vývoj by mohl svádět k představě, že nic nebrání neomezenému rozvoji větrné energetiky. Tak jednoznačně však situace zdaleka nevypadá a jako jiné energetické zdroje současnosti i větrné elektrárny mají svá omezení a limity. Obecně můžeme vydělit limity charakteru technického, environmentálního a „sociálního“. Tento článek se bude zabývat především technickými limity rozvoje VtE, v celkovém pohledu na problematiku však nelze opomíjet i zmíněné ostatní složky.
 

Dostatečnost větrného potenciálu

Základní podmínkou, aby vůbec mělo smysl větrnou elektrárnu (či farmu více větrných elektráren) postavit, je dostatečný větrný potenciál. O tom, kdy lze potenciál považovat za dostatečný, rozhoduje ekonomika projektu. Aby byl projekt VtE realizovatelný, musí být z investičního hlediska stejně výhodný nebo výhodnější než možné alternativní investice. Bude tedy záležet zejména na:
- výkupní ceně vyrobené energie,
- ceně technologie VtE,
- nákladech a rizicích spojených s projektem,
- výstavbou, provozem a demontáží VtE,
- úrovni úrokových sazeb a dostupnosti úvěrů.

V podmínkách České republiky o výkupní ceně energie z větru rozhoduje Energetický regulační úřad (ERÚ). Ten nastavuje cenu tak, aby při aktuální úrovni investičních nákladů byla výstavba VtE rentabilní při hodnotě průměrné rychlosti větru ve výšce osy turbíny od 6 m/s (příloha vyhlášky ERÚ č. 475/2005). Tato rychlost větru odpovídá roční využitelnosti větrné turbíny na úrovni cca 20 až 25 % neboli 1 750–2 200 hodin plného výkonu (záleží na typu elektrárny), s rostoucí průměrnou rychlostí využitelnost výrazně roste. Na základě uvedeného údaje byla Ústavem fyziky atmosféry vypočtena mapa míst s dostatečným větrným potenciálem (viz. obr. 2). Výška VtE byla v souladu se současným stavem technologie uvažována na úrovni 100 m. Jak vyplývá z mapy, míst s dostatečným větrným potenciálem je poměrně mnoho a rozloha území s vhodnými větrnými podmínkami by čistě teoreticky umožňovala výstavbu VtE o souhrnném výkonu v řádu až stovek GW.
 

Maximální instalovatelný výkon VtE na daném území

Počet a výkon VtE, které je možno postavit na dané ploše, jsou limitovány velikostí VtE a minimální vzdáleností mezi jednotlivými stroji. Rozměry a jednotkový výkon větrných elektráren podléhají neustálému technologickému vývoji. Zatímco počátkem 90. let převládaly VtE o výkonu kolem 150 kW a průměrem rotoru 30 m, v současné době jsou typicky instalovány VtE o výkonu 2 MW a průměru rotoru kolem 90 m (viz. obr. 3) Tento rostoucí trend stále pokračuje, byť již pomalejším tempem, a u větrných elektráren blízké budoucnosti lze očekávat hodnoty kolem 100-110 m průměru rotoru a 2,5-3 MW výkonu pro vnitrozemí a kolem 120 m  průměru a 5 MW výkonu pro mořské podmínky. Další nárůst je již limitován možnostmi dopravy a stavby VtE a rostoucí materiálovou náročností VtE na jednotku výkonu.

Obr. 1 - Vývoj instalované kapacity větrných elektráren v celosvětovém měřítku

V případě větších větrných farem je maximální instalovatelný výkon více než výkonem jednotlivých VtE limitován minimálními relativními rozestupy mezi jednotlivými stroji. Ty jsou dány vzájemným ovlivněním VtE, a to snížením průměrné rychlosti větru za rotorem VtE a zvýšenou turbulencí v závětří VTE. Minimální vzdálenost mezi VtE by proto měla být v běžných podmínkách přibližně 5násobek průměru rotoru, v případě výrazné převahy proudění z určitého směru pak 3násobek ve kolmo na převládající směr větru a 6 násobek či více ve směru převládajícího proudění. Celkově tak vychází maximální instalovatelný výkon kolem 10 MW/km².
 

Dostupnost potřebné infrastruktury
Velké VtE současnosti jsou převážně konstruovány za účelem dodávky elektřiny do sítě. Je tedy nezbytné zajistit vyvedení jejich výkonu do distribuční či přenosové soustavy. Jednotlivé VtE či malé větrné farmy je možno zpravidla připojit do sítí 22/35 kV, větrné farmy o výkonu nižších desítek MW do sítí 110 kV a největší projekty pak musí být vyvedeny přímo do přenosové soustavy. V podmínkách České republiky převažují spíše malé projekty navázané na distribuční soustavu. Příhodná místa pro výstavbu VtE se však nacházejí spíše v méně osídlených zemědělských regionech s omezenou kapacitou rozvodných soustav, což významně limituje počet realizovatelných VtE. Tento problém je samozřejmě řešitelný prostřednictvím posílení stávajících či výstavbou nových elektrických sítí, rozhodující otázkou však je, jakým způsobem tyto dodatečné náklady ovlivní ekonomiku daného projektu. Další podmínkou výstavby VtE je dosažitelnost míst výstavby pro těžkou stavební techniku a především pro dovoz velmi rozměrných komponent VtE. Tato otázka v některých případech limituje velikost realizovatelných VtE, zejména v horských oblastech.

Obr. 2 - Mapa míst s dostatečným větrným potenciálem (světlejší, roztroušené oblasti) podle ÚFA AV ČR. V mapě jsou vyznačeny taktéž plochy CHKO a národních parků (tmavší, celistvější oblasti).

Střety s jinými technologiemi
Množství lokalit možné výstavby VtE je významně omezeno možnými střety s jinými technologiemi. Jako nejzávažnější se v současné době jeví ovlivnění radarových měření otáčejícími se rotory VtE. Velmi restriktivní přístup v tomto ohledu zvolila zejména Armáda ČR, kdy byla z preventivních důvodů zakázána výstavba VtE do vzdálenosti až 40 km od jejich radarů. Po důkladnějším zhodnocení reálného vlivu VtE dojde pravděpodobně k zmírnění podmínek, respektive k individuálnímu posuzování jednotlivých projektů, přesto lze z tohoto titulu očekávat omezení výstavby VtE na nezanedbatelné části území ČR.
Na části území ČR je výstavba VtE vyloučena z důvodu vlivu na leteckou dopravu. To se týká zejména okolí velkých letišť a leteckých koridorů pro nízké přelety letadel. V některých případech je omezena maximální výška VtE. Další okolností je vliv VtE na některé liniové stavby. S ohledem na turbulence vyvolané otáčením rotoru by VtE neměly být stavěny v blízkosti elektrických vedení VVN. Za přijatelný odstup je považována vzdálenost 300 m od těchto vedení. Negativní dopad turbulencí lze omezit instalací tlumících zařízení, v takovém případě se minimální vzdálenost snižuje na 100 m. VtE by také neměly být v námrazových oblastech stavěny v blízkém okolí silnic či jiných míst s častým pohybem osob či vozidel v zimním období, aby bylo zamezeno možnosti škod či zranění v důsledku pádu námrazy.
 

Závěr
V předloženém článku jsem se pokusil podat přehled hlavních technických omezení, limitujících možnosti výstavby větrných elektráren. Je samozřejmé, že takový výčet nemůže být úplný, neboť existuje mnoho dalších technických limitů, které se týkají specifických situací; článek popisuje ty okolnosti, které v celkovém pohledu hrají zásadnější roli. Lze však konstatovat, že i po aplikaci všech nezbytných technických omezení je teoretický prostor pro výstavbu VtE obrovský, a to i na vnitrozemském a relativně hustě zalidněném území ČR. Technologie však není vše a při výstavbě VtE je nutno respektovat i další omezení vyplývající z ochrany přírody a obyvatel. Dalším a zcela zásadním limitujícím faktorem je sociální rozměr problematiky, tedy vztah obyvatel a státní správy k větrné energetice a (ne)existence jednoznačných pravidel a jednotné koncepce. Celkovým limitem rozvoje větrné energetiky je pak schopnost energetického systému efektivně přenést, využít či uchovat kolísající výkon větrných elektráren. Tato schopnost se sice v důsledku pokroku postupně zvyšuje, přesto však nelze očekávat, že by se větrná energetika mohla - přinejmenším v dohledné budoucností - stát více než jednou ze součástí energetického mixu.

Obr. 3 - Vývoj průměrného výkonu nově instalovaných větrných elektráren [kW] v Německu. (zdroj: DEWI Magazin)

Article summarizes main technical limits of wind energy development. Basically, only locations where wind conditions allow economically viable wind energy projects are suitable for wind energy development. The map (fig. 2) shows that under current economical conditions such locations are not uncommon in the Czech Republic. The amount of wind power, that is possible to harvest from any area, is limited by the size and energy output of single wind energy converter and by the minimum distance between converters. It is possible to install approximately up to about 10 MW of wind capacity per square kilometer nowadays, the typical capacity factor of wind turbines in Czech Republic is around 25%. However, not all locations with favorable wind conditions are available for wind energy development. The main technical limitations include: sufficient capacity of grid connection, availability of acceptable roads, interaction with radars and aviation, protection of very high voltage lines and icing issues. Many of these limitations can be technically solved (e.g. grid connection and roads can be reinforced or new ones can be built), however this is limited by price paid for it and eventually by environmental limits. Environmental limits and social issues are indeed the other crucial factors limiting the wind energy development. In spite of all this, the wind energy potential remains very high and especially in global point of view the only real limiting factor is the ability of energy network to effectively transport, consume or conserve the fluctuating output of wind energy.

Статья рассматривает главные технические ограничения в развитии ветряной энергетики. В сущности, только те места, где ветряные условия позволяют экономически реализовать проекты с ветряной энергией, подходят для развития ветряной энергетики. Карта (рис. 2) показывает, что при настоящих экономических условиях в Чешской Республике такие места не представляют собой ничего необычного. Количество ветряной энергии, которую можно собирать из любой области, ограничено размером и энергетическим выходом одного конвертора ветряной энергии и минимальным расстоянием между конверторами. В настоящее время можно установить вплоть до порядка 10 MВт ветряной мощности на квадратный километр, типичный фактор мощности ветряных турбин в Чешской Республике составляет порядка 25%. Однако, не все места/ районы с соответствующими ветряными условиями подходят для развития ветряной энергетики. Главные технические ограничения являются следующими: достаточный объем подачи к распределительной сети, доступность подходящих дорог, интеракция с радарами и авиацией, защита проводки высокого напряжения и проблемы с обледенением. Многие эти проблемы можно технически разрешить (например, подсоединение к распределительной сети; дороги можно укрепить или построить новые), однако, это ограничено ценой, которую необходимо за это заплатить, и в конечном итоге ограничениями в области окружающей среды. Ограничения в области окружающей среды и социальные вопросы – это действительно факторы, которые ограничивают развитие ветряной энергетики. Несмотря на это, остается очень высоким потенциал ветряной энергии и с глобальной точки зрения является единственным действительно ограничивающим фактором доступность энергетической сети для эффективной передачи, расхода или хранения колеблющейся мощности ветряной энергии на выходе.

Autor

• Mgr. Hanslian David