Korišćenje snage vetra

Energija vetra: istorija

Snaga vetra koristila se možda još 5.000. godine p.n.e Najraniji poznati prikaz korišćenja energije vetra na jednoj egipatskoj vazi koja prikazuje jedrenjak datira iz 3.500. godine p.n.e. Originalno vozilo pokretano snagom vetra sa Nila...

Prva zabeležena upotreba vetrenjača je iz VII veka u Sistanu, u današnjem Avganistanu. Ove rane naprave, zvane panemone, veoma su se razlikovale od današnjih vetrenjača. Imale su vertikalnu osovinu i šest do dvanaest jedara, te su izgledale kao mesto za sušenje veša. Korišćene su da bi izvadila voda iz bunara i za mlevenje žitarica. Ima naznaka da se vetrenjače pojavljuju još ranije, čak u I veku.

Drevne "vetrenjače", Khaf, Sistan, današnji Avganistan

Moderna vetrenjača, sa horizontalnom osovinom i vertikalnim lopaticama, datira iz oko 1100. godine iz Evrope: zabeleška o iznajmljivanju iz 1185. godine odnosi se na vetrenjaču u Jorkširu, u Engleskoj. Ove prve vetrenjače još uvek su koristile jedra umesto rotora. Manje verzije ovakvog dizajna koriste se do današnjeg dana da bi se izvlačila voda u seoskim zajednicama širom sveta.

Neki naučnici dokazuju da se u Kini koriste vetrenjače više od 2.000 godina, ali prvi neosporni dokument jeste napomena u spisima kinsekog državnika iz 1219. godine. Ove kineske vetrenjače bile su veoma slične vetrenjačama iz srednje Azije - imale su vertikalnu osovinu i korišćene su za izvlačenje vode i mlevenje žitarica. Ali ono što je kod ovih vetrenjača predstavljalo bitnu razliku jeste prilagođavanje jedara menjanju pravca vetra.

Kineska vetrenjača sa vertikalnom osovinom (levo)
Kineska vetrenjača sa horizontanom osovinom Još uvek u upotrebi u nekim delovima Kine (desno)

Prva velika inovacija u korišćenju snage vetra bile su upravo vetrenjače koje su mogle da se okreću tako da su uvek okrenute ka vetru. U srednjovekovnoj Evropi, upravljač vetrenjače morao je ručno da okrene celu građevinu kako bi uhvatio svaki povetarac!

Holanđani, koji su još uvek lideri u tehnologiji korišćenja vetra, razvili su u XIV veku prvu vetrenjaču kod koje se samo vrh tornja okreće. Ove vetrenjače su imale fiksnu drvenu konstrukciju koja je u sebi imala mašineriju za mlevenje i pokretni vrh koji su činili krov, jedra, vratilo i kočnice. Na taj način se obrtao samo vrh ka vetru, a ne cela građevina kao do tad. Ovaj dizajn je omogućio da vetrenjače postanu veoma velike i da obavljaju više poslova istovremeno. Veće vetrenjače su značile i veću iskorišćenost snage vetra. Takođe, zamisao je Holanđana i da se za vetrenjače koriste lopatice umesto jedara.

Kada je svet počeo da koristi fosilna goriva sredinom XIX veka, snaga vetra, korišćena za jedrenjake i vetrenjače, bila je glavni svetski izvor energije. Danas, radimo na tome da zamenimo generatore na fosilna goriva turbinama na vetar i čak i supertankeri eksperimentišu sa novim, visokoefikasnim jedrima kao mogućim načinom za smanjivanje upotrebe goriva. Još jedan primer istorije koja je napravila pun krug i vratila se na početak.

Prva poznata vetroturbina koja je proizvodila električnu energiju, bila je vetroturbina sa vertikalnom osovinom koju je 1887. godine projektovao škotski profesor DŽejms Blajt (James Blyth) u Glazgovu. Građevina je bila visoka 18m, rotor je u prečniku imao 17m i proizodila je 12kW. Blajt je ponudio svoj pronalazak susednom gradu Marikirku. Oni su ga odbili verujući da je elektricitet đavolska rabota.

Prvi pokušaj da se pomoću vetra stvori električna energija u većem obimu pripisuje se Čarlsu Brašu (Charles F. Brush) iz Klivlenda, Ohajo, SAD. Njegova vetroturbina je imala iste karakteristike kao i Blajtova, sa tom razlikom što je imala horizontalnu osovonu i višestruke lopatice. On je svoju vetroturbinu napravio takođe 1887. godine i neki naučnici smatraju da je nemoguće dokazati da je Blajt to učinio pre njega.

Male vetrenjače sa više lopatica bile su simbol američke ekspanzije na zapad - šest miliona je instalirano između 1850. i 1970. godine. Ali je Čarls Braš uneo revoluciju u njihovoj primeni: umesto obrade žitarica i pumpanja vode, one su sada mogle biti korišćene za stvaranje električne energije i punjenje baterija.

Vetroturbina Jamesa Blytha (levo)
Vetroturbina Charlsa Brusha (desno)

Prva visokoenergetska turbina na vetar razvijena je u Rusiji 1931. godine. Imala je generator od 100KW i radila je skoro dve godine. Deset godina kasnije, vetroturbina od 1,25MW, sa elisama dužine 50m u prečniku, instalirana je u Vermontu. Radila je samo nekoliko stotina sati pre nego što je rotor pukao! Rani projekti su izgledali više kao ogromne naprave za podizanje, a rotori kao oštrice fena, u odnosu na današnje tanke, aerodinamične turbine.

Moderni dizajn turbina na vetar, sa tri lopatice na vrhu visokog, zatvorenog tornja, naziva se holandski koncept. Prototip koji je 1956. godine napravio Johanes Jul (Johannes Juul) radio je jedanaest godina bez održavanja (slika desno).

Naftni emargo 1973. i 1979. godine pojačao je interes SAD-a za energiju vetra. Već 1980. godine SAD su smatrane jednim od svetskih lidera u tehnologiji vetra. Ali, interes je zamro devedesteih godina kako je nafta ponovo pojeftinila, a američka industrija vetra tek počela da pristiže svetske lidere. Samo je jedna američka kompanija, GE Wind, među prvih deset proizvođača turbina na vetar u svetu.

Godine 2008, SAD preuzeo je vodeće mesto u proizvodnji struje putem vetra od Nemačke, sa Španijom, Kinom i Indijom u prvih pet najvećih proizvođača.

Ali SAD i dalje proizvodi manje od 1% struje korišćenjem energije vetra. Radi poređenja, Danska dobija više od 20% svoje struje od vetra.

Energija vetra: Potencijal

Energija vetra je zapravo oblik solarne energije. Toplota koju emituje Sunce zagreva Zemlju više na nekim mestima nego na drugim. Zemlja zagreva vazduh iznad nje stvarajući džepove toplijeg i hladnijeg vazduha. Topliji vazduh se podiže, a hladniji vazduh juri kako bi popunio prazno mesto. Tako nastaje vetar.

Energija vetra stvorena sunčevim nejednakim zagrevanjem zemlje mogla bi, teorijski, da za deset sati stvori dovoljno struje da se zadovolje svetske potrebe za godinu dana.

Kapaciteti industrije vetra u svetu porasli su na 158GW u 2009. godini i pola miliona zaposlenih.

Procenjuje se da SAD imaju 11 milijardi kilovat časova po godini u izvorima vetra. To je skoro dvaput više struje nego što SAD trenutno dobija iz svih drugih izvora energije, uključujući fosilna goriva. Kombinovani izvori energije vetra saveznih američkih država Severna Dakota, Južna Dakota, Teksas i Kanzas bili bi dovoljni da obezbede energiju za celu teritoriju SAD.

Razvoj 10% izvora vetra u deset najvetrovitijih saveznih država mogao bi da omogući istu količinu struje kao i elektrane na ugalj u SAD. Developeri u oblasti energije vetra obično zakupljuju prostor za njihove turbine po ceni od 2.000 dolara ili više po turbini za godinu.

Za farmere, postavljanje turbine zahteva samo 1 do 2m² prostora i minimalno utiče na sađenje i uzgoj stoke. Ovo je pouzdan prihod… Iznajmljivanje može da traje 20 godina ili više, a ni jedan usev ne može da se meri sa ovim povraćajem po kvadratnom metru.

Tokom narednih 20 godina, Wind Powering America Initiative ministarstva energetike uložiće 60 milijardi dolara u kapitalne investicije u ruralnim oblastima SAD, što će obezbediti 1,2 milijardi dolara novih prihoda za farmere i stvoriti 80.000 novih radnih mesta.

Vodeće zemlje u Evropi u korišćenju energije vetra su Nemačka (26,4GW) i Španija (20,7GW), a daleko iza njih po proizvodnji su Velika Britanija (5,2GW), Francuska (5,2GW) i Italija (4,9GW).

Izveštaj Evropske agencije za životno okruženje (European Environment Agency - EEA) potvrdio je da bi energija vetra mogla da višestruko opskrbi Evropu. Izveštaj ističe da bi Evropa 2020. gordine mogla da proizvede tri puta više energije od očekivane potražnje, a 2030. čak i sedam puta više.

Evropsko udruženje za energiju vetra (European Wind Energy Association - EWEA) procenjuje da će do 2020. godine u Evropi biti instalirano 230GW kapaciteta za proizvodnju energije vetra, od čega 190GW na kopnu i 40GW na moru.

Osnovne činjenice o energiji vetra

Turbine na vetar rade na jednostavnom principu: velika, rotirajuća lopatica stvara mnogo energije, čak i kad se pokreće sporo. Što je veća elisa, što je veći generator na koji je prikačena, više energije se dobija. Menjač pretvara spore obrtaje elise u 1.500opm (obrtaja po minutu) neophodnih da bi se pokrenuo generator. Tanke elise mikroturbina mogu da se okreću čak i 50opm. Ogromne elise komercijalnih turbina lenjo rotiraju na 12-15opm.

Današnje vetroturbine koriste sofisticiranu aerodinamiku za postizanje maksimalne efikasnosti. Integrisani instrumenti prate i brzinu i pravac vetra i kako bi motor za usmeravanje okretao turbinu ka vetru. Elise mogu takođe biti rotirane u svojoj osnovi kako bi se dobio maksimum energije od preovlađujućih vetrova. Daleko se stiglo u odnosu na vreme kada su radnici u vetrenjači hitali da okrenu svoju građevinu!

Vetroturbine zahtevaju minimalnu brzinu vetra od 11m/h da bi efikasno radile, a maksimalnu efikasnost dostižu pri brzini vetra od oko 33m/h. Maksimalna brzina vetra može biti oko 50m/h, u tom momentu kočioni mehanizmi zaključavaju elise da se ne kreću. Turbine su testirane pri brzinama vetra većim od 150m/h, tako da mogu da izdrže snagu i najvećeg uragana.

Većina elisa za vetroturbine pravi se od fiberglasa ili od mešavine drveta i epoksida, a tornjevi se prave od nerđajućeg čelika.

Danas postoji na hiljade dizajna vetrenjača, koji koriste i vertikalnu i horizontalnu osu. Horizontani dizajn sa tri rotora poznat kao danski koncept ostaje i dalje najšire korišćen. Smatra se da je on najefikasniji i najlakši za održavanje.

Najjača turbina na svetu je Enercon E-126 u Emdenu, Nemačka (slika desno). Toranj je visok 138m a rotoru, koji u prečniku ima 126m, treba 5 sekundi da obrne krug (12opm). Proizvodiće 20 miliona kilovat časova godišnje. Ali to ne zadovoljava developere i veće turbine se već razvijaju.

Koliko velika treba da bude turbina? Treba naći ravnotežu između energije koja može biti stvorena snagom lokalnih vetrova i troškova izgradnje, transporta i instalacije. Veće turbine proizvode više struje, ali ne treba trošiti novac na turbinu koja je prevelika za snagu vetra koji je na raspolaganju.

Koliko visoka bi trebalo da bude turbina? Visina tornja vetroturbine mora da iznosi najmanje polovinu prečnika rotora (inače će pri prvom okretu elise udariti u zemlju!) i obično je visina 1 do 1,5 veličine prečnika rotora. Više kule podižu elise više, tamo gde je vetar jači i stabilniji, ali kad je u pitanju estetika, ljudi više vole izgled vetroturbina kod kojih je visina tornja otprilike jednaka prečniku rotora.

Jednom kada se instaliraju, savremene turbine su 98% pouzdane, što znači da imaju u proseku samo 2% zastoja. Vetroturbine najbolje rade na mestima gde malo toga ima što bi moglo da ometa slobodno kretanje vetra: na otvorenim dolinama, vrhovima brda, na planinskim pašnjacima i na pučini. SAD, npr, ima više potencijalnih mesta za vetrenjače uz svoje obale nego što ima pogodnih mesta za njih unutar države. Većina velikih američkih gradova nalazi se blizu otvorenih vodenih površi okeana i jezera, tako da će verovatno mnogi veliki budući vetroparkovi SAD-a biti smešteni na moru.

Vetar verovatno nikad neće stvarati 100% naše struje, zato što vetar ne duva uvek. Ovo takođe važi i za solarnu energiju koja se ne stvara tokom noći. To ne znači da će nam uvek biti potrebno fosilno gorivo, zato što zeleni izvori kao što su hidro i biogorivo mogu da obezbede potrebnu rezervu.

Jedna od osnovnih stvari za budućnost bez fosilnih goriva jeste razvoj velikih baterija za skladištenje struje. Trenutno ovakva tehnologija ne postoji, ali ako se bude razvila, to će dati veliki podstrek energiji vetra i solarnoj energiji. Tada bi solarni i vetroparkovi mogli da generišu punim potencijalom kada sunce sija i vetar duva, a da se koriste baterije rezerve kako bi se popunile praznine.

Malo poznate činjenice o energiji vetra

Energija vetra obezbeđuje više radnih mesta po uloženom dolaru nego bilo koja druga tehnologija energije. Svaki megavat novih kapaciteta za proizvodnju energije vetra stvara 15 – 19 novih radnih mesta.

Troškovi energije vetra u SAD-u pali su za 80% od 1980. godine. Pašće još više kako povećana domaća proizvodnja vetroturbina i ekonomija koja iz toga proističe budu ulazile u igru. Vetar će, naravno, uvek biti besplatan.

Kada se uporedi energetski povraćaj za različite izvore goriva (količina proizvedene energije upoređena sa količinom energije koja je potrošena da bi se ta energija proizvela) vetroparkovi imaju povraćaj 17 do 39 puta utrošene energije. Nuklearne elektrane imaju povraćaj od 16, a toplane na ugalj od samo 11 puta. Nije teško napraviti pravi izbor.

Iako je vetar nepredvidljiv, većina vetroturbina je pozicionirana tako da generiše 65 – 90% vremena. Zato što se brzina vetra menja, one ne rade uvek sa 100% efikasnosti. Ipak, kretanje vetra ima tendenciju ubrzavanja tokom dana i usporavanja tokom noći, što je sličan obrazac tipične dnevne potražnje energije.

Energija vetra je jedna od najsigurnijih tehnologija za stvaranje energije. Za oko 25 godina intenzivnog rada i sa više od 70.000 turbina instaliranih širom sveta, ni jedna osoba nije bila povređena tokom normalnog toka rada vetroturbine.

Ljudi prigovaraju da energija vetra zahteva vladine subvencije, ali treba razmisliti o ovome: federalne vlada SAD je u proteklih 30 godina platila 35 miljarde dolara kako bi se pokrili medicinski troškovi zbrinjavanja rudara koji pate od bolesti crnih pluća. To ne plaćaju kompanije koje se bave iskopavanjem uglja. Ovo je samo jedan mali primer kako vlade subvencionišu proizvodnju fosilnih goriva.

Neistine i plouistine o energiji vetra

Svaka nova tehnologija donosi sa sobom strah od nepoznatog. Kada je Tomas DŽeferson predstavio Americi paradajz, mnogi ljudi su verovali da je on otrovan. Neki ljudi su mislili da je struja delo đavola. Postoje slični urbani mitovi o energiji vetra. Evo nekih najčešćih.

Vetroturbine su bučne. Zapravo, u krugu od 300m, prosečna turbina pravi buku koliku pravi i frižider… a propisi u SAD, npr, nalažu odstojanje ne manje od 380m. U podnožju vetroturbine može se voditi normalna konverzacija. Sasvim je druga priča kada se stoji na 300m od klasične elektrane.

Vetroturbine se pretvaraju u katapulte leda kada se ohlade. O ovome se često raspravlja na webu. Nastavlja se sa raspravljanjem o njoj sa mnogo naučnih dokaza sa obe strane… Ali, trenutno, sve to predstavlja naučnu fantastiku zato što se nikada zaista nije desilo. Kada se turbine zalede, elise izgube svoj aerodinamični oblik i turbina se polako zaustavlja. Iz ovog istog razloga avioni ne lete dok se ne odlede. Sa zaustavljenom turbinom, led može da padne na zemlju, isto kao što pada sa streha kuća. Trebalo bi voditi računa kada se hoda direktno ispod turbine po hladnom danu. Ljudi koji stanuju u hladnim predelima ovo dobro znaju.

Vetroturbine izazivaju efekat treperenja senki od kog može da pozli. Ovaj efekat nastaje kada sunce koje se diže ili zalazi prolazi direktno iza vetroturbine koja se kreće. Industrija vetra priznaje da ovo treperenje može nastati u toku perioda od par minuta u toku izlaska ili zalaska sunca, pod veoma specifičnim okolnostima, zato se ta mogućnost uzima u obzir tokom planiranja mesta instalcije. Treperenje predstavlja neprijatnost, ali nikada nikoga nije zaista učinilo bolesnim.

Vetroturbine ubijaju ptice. Ovo je tačno. Ptice i šišmiši mogu da udare u tornjeve ili da budu uhvaćeni u brzu promenu pritiska iza elisa turbine koje se vrte. Ali i mnoge druge stvari ubijaju ptice: fabrike, telefonski stubovi, automobili, kamioni, brodovi, avioni, antene, ravni stakleni prozori, dalekovodi, domaće mačke i naravno industrijski dimnjaci i otrovni smog iz elektrana na fosilno gorivo.

Planeri vetroparkova rade zajedno sa environmentalistima kako bi obezbedili da turbine ne budu smeštene na migracionom putu ili u staništima. Postoji istinska briga da se umanji uticaj.

Svaki oblik ljudske tehnologije utiče na okruženje i naše društvo. Važno je da ne podvrgavamo energiju vetra standardu apsolutne environmentalne perfekcije, dok u isto vreme prihvatamo miniranja, bušenja u potrazi za naftom, otpuštanja u prirodu nusprodukta industrije, prolivanje tankera, curenje naftovoda, eksplozije u postrojenjima za skladištenje i neizbežan smog i emisiju gasova koji izazivaju efekat staklene bašte kao normalne prateće pojave vezane za industriju fosilnih goriva.

Linkovi: