Vítr, obnovitelná energie Větrný potenciál České republiky a možnosti jeho využití ENERGETIKA

Transkript

1 ENERGETIKA JOSEF ŠTEKL JIŘÍ HOŠEK Šest větrných elektráren dánské výroby VESTAS V39-500kW u obce Ostružná v Hrubém Jeseníku (instalace 1994) Vítr, obnovitelná energie Větrný potenciál České republiky a možnosti jeho využití RNDr. Josef Štekl, CSc., (*1934) vystudoval meteorologii na Vojenské technické akademii v Brně, vědeckou hodnost získal na Přírodovědecké fakultě Univerzity Jana Evangelisty Purkyně v Brně. Pracuje jako vedoucí experimentální skupiny v Ústavu fyziky atmosféry AV ČR. V období zastával funkci ředitele ústavu. Zabývá se větrnou energií a dynamickou klimatologií. Mgr. Jiří Hošek (*1976) vystudoval fyzickou geografii na Přírodovědecké fakultě Univerzity Karlovy v Praze. V Ústavu fyziky atmosféry AV ČR se zabývá modely proudění v mezní vrstvě atmosféry. nulého století. Do konce r Dánové postavili 3200 větrných elektráren o celkovém výkonu 410 MW, což představovalo 2,4 % celkové dánské spotřeby elektrické energie. Evropský primát ve výši instalovaného výkonu větrných elektráren postupně převzalo Německo, kde bylo k postaveno větrných elektráren s celkovým instalovaným výkonem MW. Energie z větrných elektráren pokrývala v roce 2004 z celkové německé spotřeby 5,9 %, na území Šlesvicka-Holštýnska však 33,4 %. V Sasku, které má obdobné klimatické poměry jako severní Čechy, bylo 674 větrných elektráren s celkovým výkonem 666,5 MW (krylo 5,8 % místní spotřeby elektrické energie). 3 V České republice větrná energetika rostla v letech Bylo vybudováno 24 větrných elek tráren (s výkonem větším nebo rovným 50 kw) s celkovým okamžitým výkonem 8220 kw. Následoval pokles větrné energetiky (do r. 2002), způsobený demontáží pěti zařízení (celkem 925 kw) a nefunkčností Na území České republiky se v minulosti využívala energie větru ve větrných mlýnech. Historicky je doložen větrný mlýn v zahradě Strahovského kláštera v Praze již z roku Největší rozkvět větrného mlynářství byl v Čechách ve čtyřicátých letech 19. století, zatímco na Moravě a ve Slezsku až koncem sedmdesátých let. V Čechách je dokumentováno 198 větrných mlýnů, na Moravě a ve Slezsku Zájem o využívání obnovitelných zdrojů pro výrobu elektrické energie se zvýšil v sedmdesátých letech minulého století. V té době přibývaly poznatky o možné globální klimatické změně v důsledku rostoucí koncentrace skleníkových plynů (především CO 2 vlivem spalování fosilních paliv, hlavně v uhelných elektrárnách). Začaly se objevovat analýzy o vyčerpání neobnovitelných zdrojů energie a studie o překročení kapacity přírodních systémů pojmout objemné tuhé, kapalné a plynné odpady. Přímým impulzem pro rozvoj větrné energetiky pak byla energetická krize r. 1973, vyvolaná embargem zemí OPEC na vývoz ropy do hospodářsky vyspělých států. Pod tlakem prudkého zvýšení světových cen veškeré energie si tehdy tyto státy uvědomily omezenost energetických zdrojů a začaly ověřovat možnosti obnovitelných zdrojů energie pro využití v širším měřítku. Průkopníkem větrné energetiky v Evropě bylo Dánsko, kde se začaly stavět první větrné elektrárny koncem osmdesátých let miřady dalších. Šlo o větrné elektrárny domácí výroby, které byly sice levné, ale neprošly zkušebním provozem a trpěly velkou poruchovostí. Další příčinou úpadku byly nízké výkupní ceny, které se až do r pohybovaly od 0,9 do 1,13 Kč/kWh, tudíž neumožňovaly splácet podnikatelské úvěry. Od prosince 2002 do současnosti bylo uvedeno do provozu 15 větrných elektráren (o celkovém výkonu 9865 kw), ke konci r představoval celkový nominální výkon všech větrných elektráren v České republice kw. První etapu rozvoje převážně motivovalo nadšení v rodícím se podnikatelském prostředí, druhou pak zvýšení výkupních cen elektrické energie (v letech 2002 a ,00 Kč/kWh, v r ,70 Kč/ kwh, v r ,60 Kč/kWh). Trocha teorie o větrné energii Hustota výkonu větru charakterizuje možnosti využít kinetickou energii větru v dané ploše (udává se v Wm 2 ). Výkon je přímo úměrný hustotě vzduchu a třetí mocnině rychlosti větru. Ve standardní atmosféře klesne hustota vzduchu ve výšce 500 m oproti hodnotě u hladiny moře o 4,7 % a ve výšce 1000 m o 9,2 %. 4 Rychlost větru v přízemní vrstvě atmosféry s výškou narůstá podle logaritmického vztahu. Protože se rychlost větru s časem mění, vyjadřuje se hustota energie za určitý časový interval, nejčastěji za období roku. Údaje pro tyto výpočty se získávají např. z desetiminutových průměrů měřených po hodinách, ně- 1) O. Pokorný: Soupis lokalizace větrných mlýnů v Čechách, Studia geographica 18, 179, 1973, Geografický ústav ČSAV, Brno. 2) V. Burian: Větrné mlýny na Moravě a ve Slezsku, Práce odb. společenských věd Vlastivědného ústavu v Olomouci 7, 79, ) C. Ender: Windenergienutzung in der Bundesrepublik Deutschland, Stand , Dewi Magazin 26, ) Pro určení kde a jak měřit průměrné rychlosti větru se používají statistické a numerické modely, které pracují v různě detailních sítích. Základním zdrojem vstupních údajů jsou meteorologická, popřípadě účelová měření směru a rychlosti větru. Největší význam mají stanice s vrcholovou expozicí nebo s expozicí na rovinách či horských planinách. Méně vhodné jsou stanice na svazích, nevhodné jsou stanice v kotlinách nebo údolích. Náročný požadavek na modelové výpočty musí postihnout deformace proudění vyvolané největšími překážkami, jako jsou např. Alpy, až po deformace vyvolané malými překážkami (rozměrů v řádu desítek metrů). MODELY VAS A WASP K popisu jevů vyvolaných velkými orografickými překážkami jsme použili upravený model VAS vyvinutý v Ústavu fyziky atmosféry AV ČR.* Metoda vychází ze systému MEZOMA** a předpokládá dostatečnou hustotu vstupních meteorologických stanic a reprezentativnost naměřených dat v širším okolí stanice z hlediska orografie, drsnosti povrchu a dalších vlivů. Jestliže použijeme přímo naměřená data, nejsou tyto předpoklady v dostatečné míře splněny. Aby byla zachována dostatečná síť míst měření, je třeba vybrat i méně reprezentativní stanice. Právě takové lokální vlivy malého měřítka však odstraní metoda WAsP. Model WAsP [Wind Atlas Analysis and Application Program] byl vyvinut v Risø National Laboratory v dánském Roskilde. Představuje model proudění v přízemní vrstvě atmosféry, který je složen z dílčích modelů, postihujících různé účinky zemského povrchu na větrné charakteristiky. Vliv drsnosti povrchu a jejích změn na proudění je modelován pomocí konstrukce logaritmického vertikálního profilu větru za předpokladu neutrálního teplotního zvrstvení s malou opravou o odchylky způsobené stabilitou nebo nestabilitou atmosféry. Model umí získaný profil ještě opravit o vliv interní mezní vrstvy, která je vyvolána ostrou změnou parametru drsnosti povrchu. K simulaci odchylek způsobených orografií byl do programu WAsP začleněn numerický model založený na potenciálu proudění. Střed výpočetní domény s polárními souřadnicemi je umístěn do počítaného bodu, takže popis terénu je v jeho okolí nejpřesnější. Sami autoři uvádějí, že pro model je vliv orografie největším zdrojem nejistot. Podle naší zkušenosti model nadhodnocuje vliv velmi členité orografie. *) J. Štekl a kol.: Perspektivy využití energie větru pro výrobu elektrické energie na území ČR, IV. část, výzkumná zpráva ÚFA AV ČR, s. 158, Praha **) Z. Sokol, J. Štekl, P. Pešice: Objective analysis of meteorological elements of Czech republic. Sborník: Mountainous meteorology, climatology and aerology of the lower layers of troposphere, , Stará Lesná Vesmír 84, červen Vesmír 84, červen

2 Vlevo: Dvě bezpřevodovkové větrné elektrárny německé výroby ENERCON E66-1,8MW u Dippoldiswalde v předhůří Osterzgebirge (20 km od hranic s ČR). Na protější straně nahoře: Kuželov. Zděný větrný mlýn holandského typu, proti větru se natáčí střecha s osou křídel a křídly. Střecha je uložena otočně na kolejnici. Mlýn je po rekonstrukci v sedmdesátých letech minulého století v provozuschopném stavu, technická památka v majetku Technického muzea v Brně. Na protější straně vlevo dole: Starý Podvorov. Před dvěma roky opravený tzv. beraní mlýn. Proti větru se otáčela celá dřevěná stavba, uložená na středovém sloupu v úrovni podlahy prvního patra mlýna. Na protější straně vpravo dole: Ruprechtov. Mlýn s unikátní Halladayovou turbínou, kterou jeho majitelé opravili do původní podoby. Americký patent řešící regulaci chodu naklápěním žaluzií, uložených v sekcích po obvodu větrného rotoru. Asi jediná funkční Halladayova turbína v Evropě se dočkala dvou replik (ve Znojmě pohání 6 kw generátor a u Olomouce slouží jako poutač u nákupní zóny). Snímky Břetislav Koč 0 0 rotoru, jeho technologické parametry a výška jeho umístění nad zemí (výkon s výškou stoupá v důsledku růstu rychlosti větru). kdy se však musíme spokojit s průměrnými rychlostmi větru v tzv. klimatických termínech (7, 14, 21 h). Výkon odebíraný proudícímu vzduchu rotorem turbíny určuje plocha REALIZACE HYBRIDNÍHO MODELU VAS / WASP U aplikace metody složené z modelů WAsP a VAS jsme nejprve původní data zbavili vlivu nejbližšího okolí a získali klimatické charakteristiky větru pro referenční výšky nad povrchem a referenční drsnosti povrchu. Tyto podmínky by se na daném místě vyskytly, pokud by zde byla homogenní a konstantní drsnost povrchu, plochý terén a pokud by proudění nenarušovaly žádné překážky. K odstranění lokálních vlivů jsme použili všechny části programu WAsP model pro orografii, drsnost povrchu i překážky. Tuto část výpočtu doprovázelo podrobné zpracování větroměrných dat a údajů o poloze a okolí stanic. Po sérii výpočtů byla výsledkem aplikace modelu WAsP v konečném rozlišení m. K ověření našich výsledků jsme použili samotná vstupní data. Pro každé místo měření jsme provedli interpolaci modelem VAS z ostatních stanic vstupního souboru, z něhož byla hodnocená meteorologická stanice vypuštěna. Průměrná absolutní odchylka u těchto dat dosáhla 0,44 ms 1 a odmocnina ze střední kvadratické chyby (RMSE) 0,53 ms 1. Odchylky větší než 1 ms 1 se objevily u šesti meteorologických stanic, a to u těch, kde byl popis okolních překážek velmi komplikovaný nebo kde se na poměrně blízkých stanicích naměřila výrazně odlišná průměrná rychlost větru. Co nás zajímá při větrném plánování Stupeň vhodnosti určitého území pro využití větrnou energetikou může určovat zásoba větrné energie nebo potenciál větrné energie, který bývá členěn do více úrovní, přičemž následující pojetí je nejobvyklejší. Klimatologický (teoretický) potenciál větrné energie vychází z hustoty výkonu větru. Je vhodné jej udávat ve výšce m nad zemí (tj. na horní hranici přízemní vrstvy, kde jsou již nejvýznamnější účinky drsnosti zemského povrchu potlačeny). Plochu příhodnou pro stavbu větrných elektráren vymezuje dolní mez hustoty výkonu větru, která vychází z ekonomické analýzy. Z toho důvodu se určení plochy musí aktualizovat v závislosti na technologickém vývoji větrných elektráren a na výkupní ceně elektrické energie. Německá studie z roku 1994 udávala mezní hodnotu 210 Wm 2. Většinou se pro vymezení plochy vhodné pro stavbu větrných elektráren používá jednodušší kritérium průměrná roční rychlost větru. V tomto postupu je zanedbán vliv hustoty vzduchu. Obdobně jako v předcházejícím případě se stanovuje dolní mezní hodnota. V současné době se na území České republiky bere za mezní hodnotu průměrné roční rychlosti větru ve výšce 30 m údaj 5,2 ms 1. Technický potenciál větrné energie lze definovat celkovým nominálním výkonem, celkovou očekávanou roční výrobou větrných elektráren, které odpovídají poslednímu stavu dosažené technické úrovně při využití dostupného klimatologického (teoretického) potenciálu. Respektovat se musí požadavky na výstavbu a provoz (připojovací podmínky, hlukové emise, dopravní infrastruktura, vliv na chráněné krajinné oblasti, aspekty plynoucí z projektu NATURA 2000 ad.). Technický potenciál se časem mění a závisí na vývoji technologií větrných elektráren (viz tabulku I). Realizovatelný potenciál větrné energie je technický potenciál daný do souvislosti s územními plány. Jde o první přiblížení s Vesmír 84, červen

3 Vesmír 84, červen

4

5 realitě při zpracování studií o možnostech výroby elektrické energie ve větrných elektrárnách na konkrétních místech. Dále ještě rozlišujeme realizovaný potenciál větrné energie. Větrné možnosti České republiky Přiložená mapa zobrazuje prostorové rozložení hustoty výkonu větru (ve Wm 2 ) nad územím České republiky ve výšce 40 m nad povrchem, které jsme získali kombinací modelů VAS a WAsP. Z hlediska větrných elektráren se nejpříznivější plochy území s hustotou výkonu větru nad 400 Wm 2 nalézají v Krušných horách, Krkonoších a v Hrubém Jeseníku, lokálně se vyšší rychlosti vyskytují též na vrcholcích a nejvyšších hřebenech Beskyd, ojediněle i dalších pohoří (Javorníků, Doupovských hor, Českého středohoří, Ještědského hřbetu a Jizerských hor, Šumavy, Bílých Karpat). Poměrně vhodné plochy s hustotou výkonu přes 200 Wm 2 jsou v oblasti Žďárských vrchů a horního Posázaví, na pozvolných jihovýchodních svazích Českomoravské vrchoviny, v oblasti Oderských vrchů a Nízkého Jeseníku. Nejnižší hustotu výkonu větru mají údolí a území s velkou drsností povrchu (Sokolovská, Českobudějovická a Třeboňská Tabulka I. Vývoj základních charakteristik větrných elektráren (VE) typu VESTAS. Výpočet teoretické roční produkce byl proveden pro lokalitu Dlouhá Louka (870 m n. m.) v Krušných horách. typ výkon výška průměr roční VE [kw] stožáru rotoru produkce [m] [m] [MWh] V , V , V , V , V , V , pánev, severovýchodní části České tabule a severní části Hornomoravského úvalu). Podíl území ČR, na němž byly vypočteny hodnoty přes 200 Wm 2, dosahuje 9 %, zatímco pro hranici 400 Wm 2 činí jen 1,2 %. Pohled do budoucnosti Rozvoj české větrné energetiky ovlivní zákon o podpoře energií z obnovitelných zdrojů, který nabude platnost 1. srpna Tento zákon vychází ze směrnice Evropského parlamentu a rady 2001/77/EC a vytvořil podmínky pro naplnění cíle podílu z obnovitelných zdrojů na hrubé spotřebě v České republice ve výši 8 % k roku Pokud víme, úroveň technického potenciálu byla určena pouze pro část Krušných hor, ležící na území kraje Ústí nad Labem. 7 Bylo určeno 288 pozic vhodných pro výstavbu větrných elektráren s celkovým nominálním výkonem 576 MW a roční produkcí MWh. Při hrubém odhadu technického potenciálu větrné energie, který nezahrnuje příznivé větrné podmínky na území CHKO a na zalesněných plochách, lze předpokládat stavbu větrných elektráren s průměrným instalovaným výkonem 1400 kw a roční výrobou elektrické energie 2,2 2,6 TWh. Pouze hrubý odhad realizovatelného potenciálu větrné energie v první etapě realizace lze předpokládat v úrovni větrných elektráren s celkovým instalovaným výkonem MW a roční výrobou 1,0 1,2 TWh. Domníváme se, že budoucnost ukáže, zda rozvoj větrné energetiky jako jedné z nejpřívětivější vůči životnímu prostředí nabude přiměřené tempo. Z ekonomických hodnocení větrné energetiky se vytrácejí pohled na snižování emisí CO 2, vyčerpatelnost přírodních zdrojů a náklady na externality. Dynamický rozvoj větrné energetiky v sousedních zemích může být pro nás inspirací, ale i poučením. Ö Prostorové rozložení hustoty výkonu větru [Wm 2 ] nad územím ČR ve výšce 40 m nad povrchem (model VAS/WAsP) 7) J. Štekl, J. Hošek, J. Svoboda: Potenciál větrné energie v Krušných horách, Větrná energie 20, 8, K dalšímu čtení J. Kuntzsch, W. Daniels (1994): Windenergienutzung im Freistaat Sachsen. Ein Projekt des Sächsischen Staatsministeriums für Umwelt und Landesentwicklung, s I. Troen, E. L. Petersen: European Wind Atlas, Risø National Laboratory, Roskilde Vesmír 84, červen