Energia Eoliana
Data: 1-15 decembrie 2005
Stadiul actual al utilizarii energiei eoliene
A) Programe tehnologice si performante superioare
In ultimii 10 ani, utilizarea energiei eoliene a consemnat un progres deosebit. Astfel, intre 1995 – 2005, rata anuala de crestere a fost de cca 30%, conducand la o putere instalata totala noua de 32.000 MW, adica dublu decat in domeniul energiei nucleare din aceeasi perioada.
Tarile fruntase in acest interval de timp sunt Germania, cu o crestere de 16.338 MW, si Spania, cu 8.169 MW.
Asemenea rate de crestere au condus EWEA (European Wind Energy Association) la o concluzie oficiala: "Producerea de energie eoliana a parasit statutul de activitate marginala pentru a atinge acum domeniul surselor de energie neconventionala eficiente si rentabile “.
Un asemenea progres a fost posibil atat prin inbunatatirile tehnologice aduse instalatiilor, cat si printr-o mai buna cunoastere a comportarii si caracteristicilor curentilor de aer utilizati ca sursa de actionare. Implantarea unei instalatii eoliene de mare putere necesita raspunsuri la intrebari legate de directia, viteza si regularitatea curentilor de aer in locul respectiv, dar si de distributia pe verticala a temperaturilor aerului si de vegetatia locala (generatoare de turbulente) s. a. Toate aceste probleme isi gasesc astazi un raspuns sigur multumita unor programe informative puse la punct de cadrele Universitatii daneze RISCE in modelul fizic WASP. Metodele cuprinse in acest program de calculator au devenit elemente-cheie in standardul international pentru evaluarea unui potential eolian. In scopul analizarii mai fine a previziunilor eoliene s-a utilizat si un sondor acustic denumit “sodar“, care poate cartografia in 3D vantul pe o retea locala distribuita vertical de la 5m la 300m inaltime. La randul sau, societatea franco-germana EOLE RES a dezvoltat un program de calculator care simuleaza cresterea arborilor. Aceasta problema este legata atat de durata de viata a unei instalatii eoliene, apreciata la minimum 25 de ani, cat si de faptul ca in acest interval de timp arborii plantati la sol isi pot dubla, prin crestere, atat inaltimea cat si volumul, influentand, prin perturbatiile produse, curentii de aer din zona.
Imbinarea armonioasa a progreselor tehnice cu cele informatice a condus la cresterea spectaculoasa a utilizarii energiei eoliene. Asa cum rezulta si din figura 1, in ultimii 25 de ani eficacitatea energetica s-a dublat, iar costul unui kWh produs a coborat de la 0,7 euro la 0,32 euro in prezent.
Fig. 1
Cresterea dimensiunilor si puterilor
instalate pentru eolienele cu ax orizontal,
de-a lungul ultimilor douazeci si cinci de ani
Pornindu-se de la o lege specifica acestei activitati, anume ca puterea instalata a unei surse eoliene este proportionala cu patratul razei elicei, rezulta ca prin multiplicarea cu doi a lungimii palei elicei, puterea obtinuta creste de patru ori. In acest fel apar avantaje legate atat de reducerea numarului de instalatii eoliene necesare pentru o zona, cat si de reducerea masiva a costurilor globale.
Ecuatia prezentata mai sus, simpla si cunoscuta de mult timp, nu a putut fi aplicata cu succes decat in ultima perioada. Pentru aceasta s-a apelat la cunostinte si materiale folosite curent in aeronautica. In acest fel, metalul utilizat initial la confectionarea elicelor a fost inlocuit cu materiale compozite usoare precum fibra de sticla si, mai nou, fibra de carbon. In acest fel castigul in greutate si in rigiditate a permis construirea de pale din ce in ce mai lungi si mai rezistente.
Un alt factor important de progres a fost acela al adaptarii sistemului “cu pas variabil”. Instalatiile vechi aveau elicea fixata pe un ax orizontal care, in functie de viteza vantului, cupla ansamblul la viteza minima utilizabila si il decupla cand vantul, devenind prea puternic, periclita stabilitatea instalatiei. Acest sisem, cu decuplare aerodinamica (denumit si Stall ) era un sistem robust, sigur, dar cu o eficienta redusa, mai ales in zonele unde vanturile nu aveau o buna regularitate.
Si in acest caz inginerii au gasit o solutie mai buna apeland tot la tehnicile folosite in aeronautica. Astfel, cu ajutorul unui surub special conceput si judicios amplasat (“pitch“ in engleza, de unde si numele procedeului), o pala este orientata optim fata de directia si forta vantului, prin schimbarea unghiului de atac. La un vant foarte slab, pala este dispusa aproape perpendicular pe directia curentului de aer, iar la un vant foarte puternic, pala pivoteaza in lagar oferind o suprafata de impact din ce in ce mai mica, pana la pozitia paralela (in cazul furtunilor foarte puternice ). In sistemul Stall, cu cativa ani in urma, plaja de functionare a unei instalatii eoliene se situa la viteze ale vantului cuprinse intre 14 si 79 km/h. Astazi, folosind sistemul “cu pas variabil“, rotorul unei instaltii eoliene incepe sa se roteasca la 8 km/h si functioneaza eficace pana la viteze ale vantului de 120 km/h.
Acest progres tehnic a permis amplasarea instalatiilor eoliene in locuri dintre cele mai diferite, asigurand functionari eficiente de peste 2400 ore/an, fata de maximum 1600 ore/an in urma cu 10 ani. Mai mult, instalatii foarte recente si foarte moderne (urmeaza exemple) depasesc in prezent o functionare eficienta de peste 3000 ore/an, cu un factor de sarcina mai mare de 40%. Se mentioneaza ca prin factor de sarcina se intelege perioada de-a lungul careia energia este produsa intr-o centrala.
Progresele tehnologice realizate in ultimii 10 ani nu au fost doar de ordin aerodinamic, chimic si mecanic, caci electrotehnica si electronica, ajutate de calculator, au venit si ele cu o serie de contributii importante. Astfel, generatoarele de curent electric situate in nacela instalatiei eoliene au fost trecute de la 4 la 50 de poli (cu electromagneti), fapt ce a marit foarte mult eficienta transformarii energiei mecanice de rotatie in energie electrica, mult mai usor de stabilizat ca fercventa si intensitate. De asemenea, inginerii grupului german ENERCON au reusit recent o cuplare directa a celor doua agregate, evitandu-se astfel instalatiile greoaie si nefiabile necesare pentru demultiplicare (folosite pana de curand), care aveau ca scop convertirea vitezei de rotatie clasice de 40 ture/minut ale rotorului la mai mult de 1000 de ture/minut ale generatorului in turatie minima pentru inducerea curentului electric. Aceasta rezolvare tehnologica elimina mecanismele intermediare (un fel de cutie de viteza automata) care necesitau operatii dese si dificile de intretinere (schimbarea periodica a lichidului de racire, eliminarea deselor defecte mecanice s. a.).
Electronica, la randul ei, a contribuit si ea din plin la progresul tehnologic global prezentat in ultimii ani de instalatiile eoliene, printr-un control al comenzilor mai rapid, cu o reactie mult mai scurta la variatiile de viteze ale vantului si, implicit, o calitate superioara a curentului electric produs. Se pot evita astfel in prezent cu usurinta perturbatiile din retelele electrice comerciale.
B. Exemple de instalatii eoliene de ultima generatie
a ) Cu ax orizontal
Cand, in urma cu 4 ani, firma germana NORDWIND punea in functiune, pe litoralul baltic, o instalatie eoliana cu o putere efectiva de 1500kW, aplauzele si aprecierile admirative au fost si ele la inaltime. Dar, in 2 februarie 2005, la Brunsbuettel (langa Hamburg), alta firma germana - “Repower“ - a dat in exploatare o instalatie gigant (prima dintr-o serie de 30) cu puterea instalata de 5 MW (5000kW, in prezent cea mai mare din lume). Denumita pe scurt “ M5 “, aceasta poate alimenta constant cu energie electrica o localitate cu cca 5000 de locuinte confortabile. Pentru o asemenea instalatie, concernul Siemens a elaborat agregate moderne care sa permita simultan:
- prelucrarea si contorizarea curentului electric eolian produs;
- distribuirea acestuia in reteaua locala;
- transferarea eventualului exces in reteaua generala (cu o contorizare secundara necesara);
- compensarea (cu o contorizare corespunzatoare) a curentului solicitat de comunitatea locala, in plus fata de cel debitat eolian.
Daca pentru o instalatie tip “M5“ s-au pus astfel de probleme, atunci pentru un ansamblu de 30 asemenea instalatii gigant, capabile sa alimenteze (la noi in tara) orase ca Timisoara, Ploiesti sau Constanta, problemele de distributie directa si inversa nu vor face decat sa se amplifice, la fel ca si eforturile cercetatorilor pentru a tine pasul cu noile solicitari propuse de zeul Eol.
Rezumand caracteristicile mecanice ale unei instalatii “M5“, putem mentiona:
- inaltimea turnului...........................................120m
- diametrul ansamblului elicei cu 3 pale...........124m
- nacela autoorientabila.....................................accesibila cu lift
interior sau
elicopter
Fig. 2
Instalatia eoliana M5 cu ax orizontal
....................................................
Fig. 3
Nacela instalatiei M5, cu accesul asigurat de elicopter
b ) Cu ax vertical
Asemenea instalatii sunt legate de constructii civile individuale inalte, blocuri etc. Ele pot fi montate pe partea superioara a unor asemenea cladiri, reusind sa acopere in buna masura consumul de energie electrica al acesteia. Daca pentru instalatiile eoliene cu ax orizontal industria germana si-a dovedit prioritatea, francezii se pot lauda cu realizari de varf in grupa eolienelor cu ax vertical. Astfel, firma GUAL INDUSTRIE din Perpignan a dat in exploatare cateva turbine cu ax vertical care asigura o serie de caracteristici importante:
- randamente superioare cu aproape 30% fata de turbinele cu ax vertical cunoscute;
- viteza maxima a vantului pana la care sunt eficiente este de 150km/h;
- rotorul se prezinta ca o roata de moara prevazuta cu un numar determinat de cupe;
- la un ax vertical inalt de 3m, rotorul are un diametru maxim de 8m, putand asigura o putere instalata efectiva de pana la 55 kW.
Pentru alimentarea rotorului cu un flux de aer constant, acesta este canalizat intr-o coroana cu pale fixe, adica un stator, de unde si numele suplimentar de statoeoliana. Profilul palelor rotorului si ale statorului au fost definite in Laboratorul de modelare pentru mecanica fluidelor din Marsilia.
.............................................................
Fig. 4
Instalatie tip Gual Industrie (Franta) cu ax vertical,
montata pe acoperisul unei locuinte
C. Perspective
Acest pachet important de tehnologii mai eficiente, realizate in ultimii 10 ani, conduce implicit la intrebarea fireasca: “Unde se va opri aceasta cursa a noutatilor tehnice din domeniul instalatiilor eoliene?“
Un prim raspuns poate fi adus de premisa ca nu poate fi nelimitat acest progres tehnologic. Teoretic vorbind, exista un prag fizic fata de capacitatile productiei de energie eoliana, fapt definit chiar de “legea lui Betz“ formulata in 1919 de fizicianul german Albert Betz. Conform acesteia, doar 59% din energia cinetica adusa de curentii de aer poate fi recuperata maximal, spre a fi convertita in energie mecanica primara. Avand in vedere ca instlatiile moderne, de ultima generatie (care beneficiaza de modernizarile deosebite mentionate mai sus) se apropie deja de 50%, marja de manevra a cercetatorilor ramane inca importanta, dar nu infinita. Pentru obtinerea, in continuare, de noi performante, cele mai multe idei converg tot catre ameliorari aerodinamice. Astfel, cercetarile actuale vizeaza nu numai caracteristicile palelor, ci rotorul in ansamblul sau. Modelarea acestuia poate aduce noi progrese si, implicit, noi performante. Mai bine utilizat, fluxul de aer din jurul nacelei poate conduce, intr-un viitor apropiat, la cresterea de la 10% la 20% a randamentului local de curgere si la o mai mare reducere a zgomotului produs de intreaga instalatie. Fata de vacarmul pe care il produceau cu 20 de ani in urma, instalatiile moderne aduc o poluare sonora de numai 44 dB la 250 m distanta de piciorul stalpului, nu mai mult decat zgomotul dintr-o sala de mese. Pentru aceasta nacela a fost capitonata interior cu materiale fonoabsorbante, “cutia de viteze” a disparut, iar multiplicatoarele freaca mai putin.
Ramane insa un deziderat aproape imposibil de realizat de catre cercetatorii care lucreaza in domeniul instalatiilor de produs energie eoliana, anume acela de a face ca acestea sa se incadreze in peisajul ambiant. Numai ca gigantismul la care s-a ajuns in prezent ofera ca singura solutie posibila aceea de a le “transporta“ in afara localitatilor si deci a vizualizarii de catre cetateni. De aici a aparut si posibilitatea, pentru tarile limitrofe marilor si oceanelor, de a amplasa grupe de asemenea instalatii gigantice, dincolo de tarm (asa-numitul offshore), realizandu-se astfel adevarate ferme eoliene marine.
......................................................
Fig. 5
Ferma eoliana in offshore ( Germania, Marea Nordului )
Multe tari, printre care Germania, Danemarca, Anglia (in Scotia), Spania, au deja in exploatare numeroase instalatii eoliene amplasate la cativa kilometri de malul apei marilor.
Toate aceste realizari, ca si cele ce vor urma, concura la indeplinirea unuia dintre obiectivele prioritare ale Uniunii Europene si ale Acordului Kyoto 1, anume producerea, prin energii regenerabile, pana in 2010, a 22% din necesarul energetic al intregii comunitati. Astfel, in cei cinci ani ramasi pana la termenul scadenta, Germania isi propune sa mai monteze agregate eoliene cu o putere instalata de 3.200 MW, iar Anglia cu 6000MW. Celelalte tari vin si ele din urma: Franta cu 600 MW si Spania cu 1000 MW. Altele, printre care si tara noastra, care a instalat de curand la Targul lui Bot ( langa Ploiesti ) o turbina eoliana moderna, cu o putere efectiva de 0,6 MW, incearca sa se mentina in aceasta cursa ecologica.
Pentru viitor speram la mai mult.