Wiatraki prądotwórcze — jak działają? Co warto o nich wiedzieć?

Wiatraki prądotwórcze — jak działają i na czym polega ich efektywność

Wiatr jest uważany za wyjątkowo wartościowy surowiec energetyczny. Wyróżnia się tym, że jest:

• odnawialny – powstaje samoczynnie i nigdy nie ulegnie wyczerpaniu,
• czysty – nie generuje żadnych zanieczyszczeń środowiskowych,
• społecznie akceptowalny – elektrownie wiatrowe budzą znacząco mniej kontrowersji, niż np. energetyka jądrowa,
• konkurencyjny ekonomicznie – raz wybudowana infrastruktura wyróżnia się wysokim stopniem bezobsługowości, co pozwala na utrzymanie zadowalającej marży relatywnie niskim kosztem.

Wykorzystanie energetyki wiatrowej nie jest trendem odosobnionym. Międzynarodowa Agencja Energetyczna wskazuje, że dostrzega się go na całym świecie. Do 2050 roku energia elektryczna pochodząca z wiatru ma zaspokoić niemal 20% globalnego zapotrzebowania na prąd. Krajami, które w szczególności promują wykorzystanie tej technologii, są Chiny, Stany Zjednoczone, Niemcy, Indie, ale też Hiszpania, czy Wielka Brytania¹.

Energetyka wiatrowa w Polsce. Aktualna sytuacja

A jak wykorzystanie wiatraków prądotwórczych wygląda w Polsce? Okazuje się, że wcale nie najgorzej. Moc zainstalowana w energetyce lądowej w 2023 r. wzrosła o 15% względem roku poprzedniego. Wartość tzw. mocy zainstalowanej przekroczyła 10 GW, ale jak donosi spółka Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A., to dopiero początek. Do 2040 r. moc zainstalowana ma sięgnąć 22,1 GW albo nawet 41,4 GW w zależności od kierunku, w jakim postąpią zmiany legislacyjne (wartości odnoszą się do odległości między wiatrakami wynoszącymi minimum 700 i 500 m). Obecnie najwięcej energii produkuje się w województwie pomorskim, zachodnio-pomorskim i wielkopolskim².

Jak działają wiatraki prądotwórcze — proces wytwarzania energii z wiatru

Aby lepiej docenić możliwości wiatraków prądotwórczych, warto dobrze zrozumieć zasadę ich działania. W największym uproszczeniu można powiedzieć, że wiatraki prądotwórcze wykorzystują podwójną przemianę energii. W pierwszej kolejności energia kinetyczna zawarta w strudze wiatru porusza łopatami wirnika, generując tym samym energię mechaniczną. Następnie energia mechaniczna jest wykorzystywana do napędzenia generatora wytwarzającego prąd elektryczny. Ten pozornie prosty mechanizm występuje w wielu wariantach technicznych, które z grubsza można podzielić na trzy kategorie³:

• wirniki z poziomą osią obrotu HAWT (ang. Horizontal Axis Wind Turbine),
• wirniki z pionową osią obrotu VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbine),
• turbiny bezłopatkowe (ang. Bladeless Turbine).

W każdym przypadku mechanizm działania wiatraka będzie wyglądał nieco inaczej. Co więcej, w obrębie pierwszych dwóch spośród wymienionych kategorii wykorzystuje się różnego rodzaju technologie. I tak na przykład wirniki HAWT dzielą się na: wirniki jedno-, dwu- i trzypłatowe, wirniki wyposażone w dyfuzor oraz wirniki wykorzystujące efekt Magnusona.

Pierwsze rozwiązanie jest szczególnie rozpowszechnione w krajach Unii Europejskiej. Tego typu urządzenia wyróżniają się wysoką sprawnością. Niestety stwarzają one istotne zagrożenie dla ptactwa, generują sporo hałasu i wymagają zastosowania specjalnych mechanizmów ustawiania łopat na wiatr, blokowania pracy i wysokich prędkościach wiatru i modułów hamujących.

Z kolei turbiny z osią pionową to najstarsze, znane ludzkości. Wyróżnia się prostą konstrukcją i niższymi kosztami budowy. Łatwo je zamontować i zdemontować. Mogą też pracować przy skrajnie różnych prędkościach wiatru – zwykle już od 2 m/s do niemal 60 m/s. Turbiny z osią pionową cechuje jednak niższa sprawność.

Przydomowe wiatraki prądotwórcze — czy warto inwestować?

Elektrownie wiatrowe to nie tylko „duże” rozwiązanie komercyjne. Coraz częściej stosuje się je jako uzupełniające źródło energii elektrycznej w domach jednorodzinnych. Stawia się je na masztach wysokich na kilkanaście metrów i mogą pracować przy niskich prędkościach wiatru. Tego typu instalacje składają się z kilku elementów: turbiny osadzonej na maszcie, licznika, okablowania, akumulatora (opcjonalnie). 

W praktyce niewielkie wiatraki prądotwórcze wykorzystuje się do ogrzania wody w układzie centralnego ogrzewania. Wytworzony w ten sposób prąd może być też przekazany bezpośrednio do sieci przydomowej, aby zasilić wykorzystywane na co dzień urządzenia AGD/RTV, nadwyżkę kierować zaś bezpośrednio do sieci elektroenergetycznej. W tym celu wykorzystuje się falownik z układem MPPT (ang. Maximum Power Point Tracking) podobnie jak w przypadku instalacji fotowoltaicznej⁴.

Domowe wiatraki prądotwórcze jako alternatywne źródło energii. Gdzie sprawdzi się najlepiej?

Przydomowe wiatraki prądotwórcze mogą być efektywnym źródłem energii elektrycznej, ale niestety nie sprawdzą się w każdych warunkach. Przede wszystkim na wydajność takiej instalacji wpływa ciągłość wiatru i jego prędkość. Jeżeli podmuchy występują okazjonalnie lub też są bardzo słabe, łopaty wirnika nie będą mogły obracać się odpowiednio szybko, a tym samym nie zasilą generatora. W praktyce więc technologia najlepiej zadziała na rozległych obszarach płaskich oraz na wzniesieniach. Jeżeli dom stoi w zagłębieniu terenu, jest otoczony lasem lub inną, gęstą zabudową, lepiej postawić na inne źródła energii odnawialne, na przykład mikroinstalacje fotowoltaiczne. W ich przypadku efektywność w dużym stopniu zależy od ekspozycji krzemowych paneli na promieniowanie słoneczne.

Na to, ile energii elektrycznej wytworzy turbina wiatrowa, w dużej mierze wpływa także jej moc. Można przyjąć, że 3 kW zasili podstawowe urządzenia w domu jednorodzinnym i oświetlenie. Z kolei 5 kW powinno zaspokoić w pełni zapotrzebowanie domowników na energię elektryczną. Urządzenia o mocy 10 kW lub więcej lepiej sprawdzą się w przypadku działalności gospodarczej.

Dofinansowanie na wiatraki prądotwórcze — jak uzyskać wsparcie finansowe?

W czerwcu 2024 roku ruszył nabór na uzyskanie dofinansowania do przydomowych elektrowni wiatrowych. Program nosi nazwę „Moja Elektrownia Wiatrowa”⁵ i pozwala indywidualnym użytkownikom otrzymać nawet 47 tysięcy złotych wsparcia na zakup turbiny wraz z magazynem energii. Finansowanie obejmuje lata 2024-2029 na łączną kwotę inwestycji 400 milionów złotych. Pierwsza tura naboru wniosków przypada na okres 17 czerwca 2024 r. do 16 czerwca 2025 r. Na tym etapie dofinansowanie wynosi łącznie 50 milionów złotych.

Elektrownie wiatrowe mogą stanowić atrakcyjne rozwiązanie dla firm i gospodarstw ulokowanych w korzystnych warunkach terenowych. Są efektywne, relatywnie tanie w montażu i praktycznie bezobsługowe.