Technologie

Jak přesně fungují větrné elektrárny?

Větrné elektrárny jsou jednou z možností získávání zelené energie. Využití větru jako obnovitelného zdroje je výrazně ekologičtější než využití fosilních paliv. S horšícím se stavem ovzduší a celkově životního prostředí získávají větrné elektrárny na popularitě. Jak vlastně fungují a jaké jsou jejich hlavní výhody a nevýhody?

Jak přesně fungují větrné elektrárny?

Jak se vítr přemění na elektřinu?

Princip větrných elektráren spočívá v přeměně kinetické energie větru na elektřinu. Vítr působí na vrtule – rotory zařízení a turbína převádí tuto sílu na rotační mechanickou energii. Z té se prostřednictvím generátoru stane energie elektrická. Turbíny se v závislosti na principu fungování dělí na odporové a vztlakové, přičemž dnes používanějším typem jsou ty vztlakové z důvodu vyšší účinnosti.

Další běžné dělení větrných elektráren je podle samotné konstrukce. Turbíny jsou navrženy buď s horizontální, nebo s vertikální osou otáčení.

Horizontální turbíny jsou z důvodu vyšší účinnosti dnes více používaným typem. Během jejich provozu musí být zajištěno, aby vždy směřovaly proti směru vzdušného proudu, k čemuž dopomůže otáčení zařízení. Konstrukce horizontální turbíny je tedy o něco složitější a stožáry nelze dávat natěsno vedle sebe, protože v důsledku otáčení zabírají větší prostor. V neposlední řadě je zmiňované otáčení spojeno s hlukem.

Větrné elektrárny s vertikální osou bývají méně hlučné a potřebují méně prostoru. Představují lepší variantu v místech, kde se směr větru mění velmi často. Konstrukce i údržba zařízení je jednodušší než u horizontálních turbín, nicméně tyto výhody jsou vykoupeny nižší účinností.

Jaká je účinnost větrných elektráren?

V první řadě je nutné uvést, že v praxi není možné, aby byla zužitkována veškerá energie větru. Německý fyzik Albert Betz vypočetl maximální využití energie větru ve větrné turbíně, které činí 59,3 % celkové kinetické energie vzduchu proudícího přes turbínu. Tento údaj bývá někdy nazýván jako Betzovo pravidlo.

K teoretickému výpočtu německého fyzika je nutné ještě přičíst ztráty vznikající třením a odporem listů rotoru. Nezanedbatelné jsou také převodové úbytky a ztráty v generátoru či měniči. Skutečná účinnost větrných elektráren používaných v dnešní době se tak pohybuje většinou mezi 70–80 % Betzova limitu. Výše účinnosti u horizontálních turbín se pohybuje okolo 48 %, u těch vertikálních až o 10 % méně.

Velikost i jednotkový výkon „větrníků“ roste

WWEA (Světová asociace větrné energie) zveřejnila zprávu o větrné energetice za rok 2018. V celosvětovém srovnání je na první příčce Čína, kde je instalován celkový výkon větrných elektráren ve výši víc než 200 GW, což znamená celých 36 % celosvětového výkonu. Dalšími zeměmi na předních pozicích jsou USA, Německo, Indie a Brazílie.

V posledních letech se prosazuje výstavba zejména gigantických větrných elektráren na moři. Nejvíce jich instaluje v mořských lokalitách Velká Británie, Německo a Nizozemsko. Výhodou je, že na moři se mohou instalovat velké větrné elektrárny, které žádným způsobem nezasahují do krajiny. Letos se spustí testovací provoz zatím nejvýkonnější elektrárny Siemens Gamesa SG 10.0-193, jejíž průměr rotoru je 193 metrů.

Díky tomu roste i jednotkový výkon větrných elektráren. Do testovacího provozu se letos chystají uvést první větrné elektrárny o výkonu 10 MW (právě prototyp Siemens Gamesa SG 10.0-193), což je z historického měřítka neuvěřitelný úspěch. Když větrné elektrárny v 80. letech začínaly, byl jejich výkon v řádech desítek kW, takže jsme se v dnešní době dostali na výkon až 200krát vyšší.

Ve výhledu WWEA navíc uvádí, že do budoucna se očekává instalace ještě výkonějších modelů. Například společnost General Electric vyvinula prototyp 12 MW elektrárny Haliade X, jenž je 260 metrů vysoký s průměrem rotoru 220 metrů. Do ostrého provozu by mohl být nasazen v roce 2025.

V ČR se vítr podílí na výrobě elektřiny méně než 1 %

Zatímco v některých zemích Evropy hrají větrné elektrárny důležitou roli a významně se podílejí na výrobě elektřiny, v České republice se netěší velké popularitě. Poměrně rozšířený je názor, že „větrníky“ hyzdí krajinu, což komplikuje jejich výstavbu a podporu v politických řadách. V roce 2018 se větrné elektrárny podílely na výrobě elektřiny v ČR méně než jedním procentem. Výhled do budoucna neslibuje podle odborníků žádnou výraznou změnu tohoto stavu.

Předseda Komory obnovitelných zdrojů energie Štěpán Chalupa nachází paralely se stavem v Rakousku před 25 lety. V té době podle něj označovali někteří tamní politici svoji zemi za tu, kde „nefouká“ a všeobecná podpora větrných elektráren byla u našich jižních sousedů poměrně nízká. V současnosti se v Rakousku každoročně staví tolik větrných elektráren, kolik se v Česku vybudovalo za poslední čtvrtstoletí.

Kolik vyprodukuje větrná elektrárna hluku?

Jedním z dalších faktorů, který v České republice hraje proti větrným elektrárnám, jsou obavy obyvatel z hluku. Na rozdíl od argumentu o hyzdění krajiny, je tato skutečnost alespoň měřitelná. Úroveň hlučnosti větrných elektráren nesmí v Česku přesahovat zákonem stanovené hygienické normy, tj. 50 dB při denním a 40 dB při nočním provozu. Konstrukce větrných elektráren jsou navíc navrhovány v dostatečné vzdálenosti od nejbližšího obydlí.

Zastánci větrných elektráren považují faktor hluku spíše za fámu, kterou se snaží vyvracet přirovnáváním způsobeného hluku k jiným skutečnostem. Věděli jste například, že les vzdálený 200 metrů vydává při rychlosti větru 6–7 m/s přibližně stejný hluk jako větrná elektrárna v totožné vzdálenosti? Nebo že hluk elektrárny, i v její bezprostřední blízkosti, je nižší než hluk auta, které od nás projíždí na silnici ve vzdálenosti 100 metrů? To, že panuje přesvědčení o hlučnosti větrných elektráren, je dáváno za vinu především prvním prototypům na našem území. Ty v některých případech skutečně nesplňovaly hygienické normy a musely být odstraněny nebo dodatečně upraveny.

Výhody a nevýhody větrných elektráren

Základní výhodou větrných elektráren je samotný vítr v podobě obnovitelného, ekologického, bezplatného a nevyčerpatelného zdroje energie. Při provozu tohoto typu elektráren nedochází k vypouštění skleníkových plynů ani dalších škodlivých látek do ovzduší. V podstatě jediný vyprodukovaný odpad je tak samotná konstrukce po skončení životnosti zařízení. Tento typ odpadu představuje zároveň jednu z hlavních výzev větrné energie, protože aktuální způsoby, jak materiál z elektráren recyklovat nebo zlikvidovat, jsou nedostatečné a velmi nákladné.

Naopak mezi hlavní nevýhody větrných elektráren patří, kromě zmiňovaného hluku a zásahu do vzhledu krajiny, závislost momentálního výkonu na aktuální síle a směru větru. Když fouká příliš slabý vítr, je nutné dodávat do sítě energii z jiného zdroje a naopak při silném větru je třeba bránit přetížení rozvodové sítě. Tento problém zatím neumíme efektivně řešit, a proto v současné době nemohou větrné elektrárny zcela nahradit jiné typy energie, představují však šetrný doplňkový zdroj.

Výhody a nevýhody v kostce

+ Využívají obnovitelný a nevyčerpatelný zdroj energie.
+ Využití větru jako zdroje je bezplatné.
+ Při provozu nedochází k vypouštění skleníkových plynů ani dalších škodlivých látek.

- Výkon je závislý na aktuální síle a směru větru.
- Elektrárna je výrazným zásahem do vzhledu okolní krajiny. 
- Způsoby, jak recyklovat konstrukce elektráren jsou nedostatečné a velmi nákladné.
- Vzhledem k vyšší pořizovací ceně je životnost větrných elektráren poměrně krátká.
- Vydávají periodický aerodynamický hluk, který může mít vliv na lidskou psychiku.

Větrné elektrárny v budoucnosti

I když jsou větrné elektrárny v posledních letech velmi oblíbené, začíná se ukazovat, že budoucnost možná nebude tak růžová, jak si environmentalisté malovali. Důvodem je hlavně již zmíněná obtížná recyklace, případně likvidace. Podle odhadů amerických vědců se bude USA do 20 let potýkat přibližně s 720 tisíci tunami odpadu ze starých turbín. 90 % částí turbíny je přitom recyklovatelných a nebo je možné je prodat. Velký problém je však s vrtulemi, které jsou ze směsi pryskyřice a laminátu, podobně jako vesmírné rakety. Jejich přeprava je drahá a neekologická, umístění na skládky pak kvůli jejich velikosti téměř nemožné. Evropa je na tom díky pravidlům pro nakládání s odpady o něco lépe a některé ze společností starší díly například dále rozprodávají, i tak však bude nutné tento palčivý problém co nejdříve vyřešit.

Recyklace však pro USA není jediným zádrhelem. Komplikovaná je také výroba nových elektráren, a to hlavně kvůli dostupnosti surovin, konkrétně neodymu. Ten se využívá k výrobě silných magnetů a těží se z velké části v Číně. Současná situace mezi USA a Čínou by však mohla v dodavatelském a výrobním procesu způsobit potíže. Možností by mohla být sázka na těžbu dodržující environmentální standardy přímo v USA či technologie, které magnety při výrobě nepoužívají.

Věděli jste, že v budoucnu by mohlo být možné získat elektřinu z větru úplně jinak, než jsme zvyklí nyní? V arabských zemích vzbuzují velký zájem například elektrárny vypadající jako gigantický létající drak, které by měly být vhodnější pro země s nižšími a méně stabilnějšími větrnými zdroji.

3 NEJ ze světa větrných elektráren
	Země	Název	Poznámka
Největší plovoucí větrná elektrárna	Portugalsko	WindFloat Atlantic	Výhodou tohoto typu elektráren je možnost využít silný vítr a velké mořské plochy. Instalace je však poměrně náročná.
Největší větrný park na světě	Velká Británie	Projekt Dogger Bank	Obrovský větrný park mají tvořit tři části. Creyke Beck A, Creyke Beck B a Teesside A.
Největší větrná turbína na světě	První prototyp byl umístěn v Nizozemsku	Haliade-X	Lopatka turbíny má délku přes sto metrů, stožár je vysoký 260 metrů.