Větrná energie

Větrná energie je obnovitelná energie používaná k vytváření elektrické energie pomocí větrných elektráren (turbín) s využitím proudění větru jako obnovitelného zdroje energie.

Nejobvyklejším využitím jsou dnes větrné elektrárny, které využívají síly větru k roztočení vrtule. K ní je pak připojen elektrický generátor. Teoreticky získatelný výkon je přímo úměrný třetí mocnině rychlosti proudící vzdušné masy. Protože rychlost větru značně kolísá, nedosahují větrné elektrárny po většinu doby nominálních hodnot generovaného výkonu.

V historii se místo převodu na elektřinu přímo konala nějaká mechanická práce. Větrný mlýn například mlel obilí, větrnými stroji se čerpala voda, lisoval olej, stloukala plsť nebo poháněly katry. Vítr se také používá k pohonu dopravních prostředků, nejvíc u lodí (plachetnice).

Teorie větrné elektrárny

Teoreticky dosažitelný výkon 
Proudící vzduch předává lopatkám větrné elektrárny část své kinetické energie. Albert Betz v roce 1919 odvodil teoreticky maximální dosažitelnou účinnost větrného stroje na 59,3 % (tzv. Betzovo pravidlo). Kinetická energie větru se v turbíně mění na energii otáčivého pohybu a následně v generátoru na energii elektrickou. Teoreticky dosažitelný výkon činí v případě jednotkové plochy

, kde kB je Betzův koeficient 0,59

Pro reálné turbíny s průměrem rotoru D (tedy délkou lopatky D/2) se používá vzorec

, kde cp je součinitel výkonnosti, v ideálním případě rovný 0,59

Účinnost 

Součinitel výkonnosti je sám o sobě funkcí rychlosti větru a je dán konstrukčním řešením turbíny, konkrétně převodní křivkou úhlu natočení lopatek turbíny v závislosti na rychlosti větru. To, v kombinaci s kubickou závislostí na rychlosti větru způsobuje pronikavou závislost skutečného výkonu na rychlosti větru (při poloviční rychlosti je výkon osminový atd.).

Další podstatnou hodnotou, definující účinnost větrného zdroje je koeficient ročního využití , definovaný jako poměr skutečně odvedeného výkonu k teoreticky možnému výkonu zdroje za rok. V českých podmínkách se  pohybuje v mezích 0,1–0,2, pro velmi větrné lokality dosahuje teoreticky až 0,28. Statisticky podle dat ČSÚ za rok 2007 však dosahuje koeficient ročního využití větrných elektráren v ČR pouze 12,71 % (za rok 2005 to bylo pouze 11 %).
Hodnota ovšem značně závisí na zvolené lokalitě – větrná farma Sternwald na rakousko-českých hranicích ve východní části Šumavy dosáhla se 7 větrnými elektrárnami o instalovaném výkonu 14 MW koeficientu ročního využití za rok 2006 21,9 %, za první 4 měsíce roku 2007 se dokonce podařilo dosáhnout hodnoty průměrného využití 32,3 % (přičemž po zbytek téhož roku to bylo necelých 20 %).

Další ztráty však vznikají i na jednotlivých částech soustrojí větrné elektrárny. Účinnost soustrojí se určí součinem účinnosti jednotlivých částí soustrojí elektrárny (rotoru, převodovky a generátoru):

Rychlost větru v obecných podmínkách 

Spektrum rozložení hustoty rychlostí větru v dané lokalitě je poměrně dobře popsatelné Rayleighovým rozdělením (normální rozdělení v polárních souřadnicích) jako speciálním případem rozdělení Weibullova. Jde o funkci

, kde v je náhodně proměnná rychlost větru,  je tvarový parametr rozložení
a  odpovídá střední hodnotě rychlosti větru

Je zřejmé, že maximum hustoty výskytu rychlostí bude vždy ležet vlevo od hustoty výskytu střední rychlosti větru. Pro reálné použití má smysl pracovat s pravděpodobností výskytu rozsahu rychlostí větru v intervalu (v1,v2), kterou lze určit jako

Velikost elektrárny 
Velká pole větrných elektráren jsou měně účinná (o rozloze nad 30 km). Způsobují totiž úbytek větru a velké větrné farmy mají limit účinnosti zhruba 1 W na čtvereční metr plochy země. V praxi v USA zabírají větrné elektrárny 70 akrů na produkci MW (tedy něco přes 3 W na čtvereční metr).

Hlučnost větrných elektráren 

Větrné elektrárny jsou zdrojem nežádoucího hluku. Jeho hlavními původci (zde a dále jsou uvažovány zdroje, pracující s vrtulí na nabíhající vzdušný proud) jsou aerodynamické hluky obtékání listů vrtule, gondoly a dříku stavby, turbulence, vznikající obtékáním náběžné hrany listu, víry v okolí konců vrtulových listů, turbulence nad odtokovou hranou listu a hluk laminárního proudění. Dále je hluk produkován mechanickými částmi konstrukce (servomotory a jejich převody, čerpadla, chladicí ventilátory měničů a mechanismů) a generátorem. Mimo slyšitelné pásmo v oblasti frekvencí 2–31,5 Hz (infrazvuk) je hluk větrných elektráren na úrovni přirozeného pozadí.

Šíření hluku větrného zdroje 
V praxi je jako model šíření používána náhrada prostředí hemisférou s homogenními vlastnostmi. V tomto modelu lze určit hlasitost hluku s danou intenzitou a v dané vzdálenosti dle vzorce

kde R je vzdálenost od zdroje hluku a α je součinitel absorpce, přijímaný pro suchý vzduch α=0.005 dBm−1, přičemž zdroj hluku je považován za bodový. Metodika měření je dána IEC 61400-11 ve druhém vydání. České hygienické normy připouštějí maximální úroveň hluku v obytné zástavbě 50 dBA ve dne a 40 dBA v noci, přípustná úroveň hluku ve volné přírodě není stanovena.

Infrazvuky 
Zdrojem infrazvuků jsou zejména mechanické části konstrukce větrných turbín. Pro stanovení jejich intenzity nelze používat hlukoměry s filtrem křivky A (ekvivalent citlivosti ucha), který infrazvuky potlačuje. Hluk větrných elektráren, emitovaný v infrazvukové oblasti dosahuje až 70 dB (Vestas V-52 70 dB na frekvenci 16 Hz, Vestas V-80 72 dB ve frekvenčním rozsahu 4–26 Hz), což v tomto pásmu odpovídá přirozenému hlukovému pozadí. Infrazvukové vlnění se kromě vzdušné cesty šíří i konstrukcí dříku a základovou deskou do okolí.

Hluky, typické pro větrný zdroj

Vliv na životní prostředí 
Větrné elektrárny působí na dravé ptáky v ekosystému podobně jako jejich predátoři.

Technologie na výrobu energie z větru spotřebovává několikrát více minerálů než technologie mající za zdroj energie spalování plynu, což úměrně zatěžuje životní prostředí těžbou surovin, pokud kovy nejsou z recyklovaného zdroje.  V přepočtu na vyrobenou MWh větrná farma potřebuje k instalaci cca 2x více minerálů než jaderná elektrárna, na druhou stranu k provozu nepotřebuje palivo a neprodukuje z výroby odpad. 

Pokud jde o srovnání celoživotního cyklu větrných elektráren s jinými zdroji elektřiny, je vítr druhým nejčistším a nejbezpečnějším zdrojem po slunci. Srovnání kalkuluje s údaji o produkci skleníkových plynů a propočtem vlivu na úmrtí z nehod a znečištění.

Větrné elektrárny v Česku 

Celkový instalovaný výkon větrných elektráren v České republice k 31. 12. 2019 přesáhl 339 MW. V roce 2019 větrné elektrárny vyrobily 700 GWh brutto, což je 0,9 % hrubé konečné spotřeby v ČR (dopočteno podle). Odpovídá to také průměrnému výkonu 79,9 MW (koeficient ročního využití 23,54 % pro skutečně dodanou energii do sítě je to 23,24 %).

Ústav fyziky atmosféry Akademie věd České republiky odhadl v roce 2007 technický potenciál větrné energie v České republice na 29 GW a 71 TWh ročně (tedy 96 % roční hrubé spotřeby ČR v roce 2019 – dopočteno podle). Technický odhad uvažoval využití tehdy dostupných větrných turbín ve výšce kolem 100 m nad povrchem země, ale ignoroval většinu jiných praktických omezení – např. vlastnická práva a zastavěnost pozemků, ochranná pásma radarových a telekomunikačních zařízení a jiná omezení – jde tedy o teoretické maximum, kterého by šlo čistě technicky dosáhnout.

Podle odhadu realizovatelných větrných elektráren Ústavu fyziky atmosféry AVČR z roku 2007, který zapracoval i dodatečná praktická omezení stavby větrných elektráren, odhadl v ČR podle nejméně příznivého scénáře potenciál pro 472 větrných turbín o výkonu 991 MW s produkcí 2,4 TWh za rok, v případě středního scénáře 1179 turbín s celkovým výkonem 2516 MW a produkcí 5,6 TWh za rok a v případě pro větrnou energii nejpříznivějšího scénáře potenciál 2736 turbín o výkonu 5972 MW s produkcí 14,7 TWh ročně. V roce 2012 Ústav zpřesnil svůj odhad středního scénáře na potenciál 759 turbín o celkovém výkonu 2277 MW s roční výrobou 5,9 TWh.

Největší větrná elektrárna na světě

Největší větrná farma se nachází v Gansu, v severovýchodní Číně. Ve skutečnosti se jedná o skupinu 18 menších větrných farem. Celkem by měla tato farma čítat kolem 7000 větrných turbín. Plánovaný výkon elektrárny je 20 GW, nicméně elektrárna je stále ve výstavbě.

Nejvyšší pokrytí výroby elektřiny pomocí větru 
Španělská energetika zaznamenala ráno 30. prosince 2009 rekord, energie z větrných elektráren tam pokryla přes 54 % celkové poptávky po elektřině. To odpovídalo výkonu přes 10 000 megawattů.

Nejvýkonnější větrné turbíny 
V této oblasti jde vývoj stále kupředu. V roce 2018 nejvýkonnější větrné turbíny měly výkon 8,8 MW. Před koncem roku 2019 začal v nizozemském Rotterdamu zkušební provoz turbíny Haliade-X, která dosahuje výkonu 12 MW. Výška stožáru 260 m a délka lopatek přes 100 m ji činí největší turbínou světa. Její sériová výroba je naplánována na rok 2021.
Přední výrobce větrných turbín, Dánská firma Vestas, představila v únoru 2021 turbínu instalovatelnou na moře o výkonu 15 MW.

Garance ceny 
Stavba větrných elektráren není rentabilní, a proto je provozovatelům garantována nejnižší výkupní cena elektřiny. Pokud cena na burze za denní cenu klesne pod tuto mez, je rozdíl provozovateli dorovnáván. Pokud cena elektřina tuto mez přesahuje, je zisk provozovateli ponechán. V roce 2023 vede nedostatečná garantovaná cena v Německu k tomu, že aukci klesá objem vysoutěžených projektů (73,2 EUR/MWh, tj. asi 1,83 Kč/kWh).

Větrné elektrárny na moři 

Větrné turbíny na moři jsou větrné elektrárny, jejichž konstrukce se nachází na vodní ploše, obvykle na mořském kontinentálním šelfu. Větrné turbíny na moři generují větší množství energie než pevninské turbíny, což je to způsobeno tím, že na moři panují vyšší rychlosti větru než na souši. Tyto větrné elektrárny se mohou nacházet i na jiných vodních plochách, jako jsou jezera, fjordy nebo chráněné pobřežní oblasti. Mohou mít základy zabudované do dna nebo mohou být umístěné na plovoucí konstrukci, která je připoutána ke dnu. Skupiny větrných turbín tvoří větrné farmy.

Celková světová kapacita větrných elektráren na moři byla 29,1 GW ke konci roku 2019. Nejvíce větrných turbín na moři se v současné době nachází v severní Evropě, zejména ve Velké Británii a Německu. Dohromady představují více než dvě třetiny celkově instalované větrné energie na moři.

Dříve byla cena výroby elektřiny pomocí mořské větrné turbíny vyšší než náklady na výrobu elektřiny pomocí větrných turbín na souši.  Avšak náklady v posledních letech rychle klesají. V roce 2019 dělaly 78 $ / MWh. Od roku 2017 je mořská větrná energie v Evropě cenově konkurenceschopná s konvenčními zdroji energie.

Odkazy

Reference

Literatura

Související články 
 Větrná turbína
 Větrná farma
 Větrné turbíny na moři
 Seznam větrných elektráren v Česku

Externí odkazy 
 
 
 Česká společnost pro větrnou energii
 Přeměna větrné energie na elektrickou - větrné turbíny

 
Údržba:Články s referencemi v nadpisech
Obnovitelné zdroje energie
Druhy energie
Vítr
Větrné elektrárny