Rosnące ceny energii skłaniają właścicieli domów jednorodzinnych do poszukiwania alternatywnych źródeł zaopatrzenia w energię elektryczną oraz ciepło. O ile fotowoltaika jest rozwiązaniem już powszechnie znanym i społecznie akceptowanym, o tyle nieszczególnie nadaje się do celu zapewnienia energii niezbędnej na utrzymanie komfortu cieplnego. W szczególności, jeśli gospodarstwo jest rozliczane w systemie net-billingu (obowiązującego od kwietnia bieżącego roku).
Z tego względu część właścicieli spogląda z zainteresowaniem na małe turbiny wiatrowe (MEW – akronim zbieżny z małą energetyką wodną). Na wstępie należy zaznaczyć, iż ogólnie okres jesienno-zimowy jest kojarzony ze żniwami w energetyce wiatrowej (Rys.1). Tak więc potencjalnie i gospodarstwa domowe mogą mieć możliwość odniesienia korzyści z wiatru, który zazwyczaj w zimie kojarzy się nam jedynie z przemarzniętymi rękami.
Rys. 1. Zmienność generacji wiatrowej oraz fotowoltaicznej w Polsce w 2021. Na podstawie danych raportowanych przez PSE do ENTSO-E.
Nasłonecznienie i prędkość wiatru w Polsce
Jednak o ile warunki nasłonecznienia są w całym kraju z grubsza podobne (Rys. 2), jeśli nie jednakowe, to z praktyki wiemy, że warunki wietrzności mogą się znacząco różnić nawet w miejscach odległych od siebie o kilkaset metrów, nie wspominając o miejscach odległych od siebie o kilkanaście czy wiele kilometrów. Zjawisko to jednak nie jest widoczne na powszechnie dostępnych mapach wietrzności, ponieważ są one opracowane ze stosunkowo niską rozdzielczością przestrzenną (Rys. 3). Ze względu na wzmożone zainteresowanie tematyką wykorzystania potencjału energii wiatru przez gospodarstwa domowe, postanowiliśmy przeanalizować, jak kształtuje się dostępność energii wiatru w stosunku do zapotrzebowania na energię cieplną w budynkach.
Rys. 2. Przestrzenna zmienność nasłonecznienia w Polsce. Na podstawie reanalizy ERA-5 (nasłonecznienie na płaszczyznę horyzontalną) za rok 2021.
Rys. 3. Przestrzenna zmienność średniej prędkości wiatru w Polsce. Na podstawie reanalizy ERA-5 (na wysokości 10 metrów nad poziomem gruntu) za rok 2021.
W tym celu wykorzystaliśmy szeregi czasowe dostępne w ramach opracowań nazywanych typowym rokiem meteorologicznymi (TRM) – do wykorzystania tych danych skłoniło nas ich powszechne zastosowanie w budownictwie. Przeprowadziliśmy uproszczoną analizę dla budynku mieszkalnego (około 150 m2), którego zużycie wynosi 100 kWh na metr kwadratowy na rok – jest to wartość uśredniona dla budynków zlokalizowanych w miejscowościach wg Rys. 4. Obiekt jest zaopatrywany w ciepło i ciepłą wodę użytkową z wykorzystaniem powietrznej pompy ciepła o przeciętnych parametrach rynkowych. Założenia mają umożliwić przeprowadzenie ogólnej analizy, szczegółowe wartości zużycia energii i efektywności pompy ciepła będą różnić się np. z powodu oczekiwanej przez użytkowników temperatury wnętrza zapewniającej komfort, sposobu użytkowania pomieszczeń czy zastosowanego w budynku systemu ogrzewania.
Rys. 4. Zużycie energii cieplnej na potrzeby utrzymania komfortu cieplnego oraz przygotowanie ciepłej wody użytkowej dla typowego roku meteorologicznego.
W oparciu o dane pochodzące z TRM zasymulowaliśmy pracę małej elektrowni wiatrowej o mocy znamionowej 5 kW umieszczonej na wysokości 12 metrów nad poziomem gruntu. Jak wynika z mapy (Rys. 6), w roku typowym, który jest uśrednieniem z wielolecia, w Polsce miejscem szczególnie uprzywilejowanym pod kątem dostępności energii wiatrowej na wysokościach kojarzonych z domami jednorodzinnymi jest wyłącznie wybrzeże Morza Bałtyckiego. Sprzeczne to jest jednak z powszechnym postrzeganiem rozkładu przestrzennego potencjału energetyki wiatrowej w Polsce (patrz Rys. 3). Wskazuje to również na dużą złożoność problemu jednoznacznej odpowiedzi co do opłacalności wykorzystania energii wiatru w Polsce w oparciu o małe turbiny wiatrowe – ponieważ dane o zmienności o potencjale na wysokości typowej dla MEW mają charakter silnie punktowy – co opisano we wstępie.
Rys. 5. Wykorzystanie mocy zainstalowanej małej turbiny wiatrowej wg danych o prędkości wiatru w trakcie typowego roku meteorologicznego.
Różnice w dostarczaniu energii – turbina wiatrowa a instalacja fotowoltaiczna
Jak czytać mapę na Rys. 5? Podane na mapie wartości odnoszą się do współczynnika wykorzystania mocy znamionowej. A więc przyjmując podobną charakterystykę pracy różnych turbin wiatrowych z dobrym przybliżeniem, można wyznaczyć energię generowaną przez urządzenia o mocy innej niż zasymulowane przez nas 5 kW. Przykładową wartość wynoszącą 10% przy założeniu mocy turbiny należy odczytywać jako generację energii na poziomie: 10% * 8760 (liczba godzin w roku) * moc zainstalowana. Warto zauważyć, iż typowa wartość współczynnika wykorzystania mocy zainstalowanej dla instalacji PV w Polsce kształtuje się na poziomie około 10-12% (każdy 1 kWp dostarcza w skali roku około 876 – 1051 kWh). Zwróćmy uwagę, że dla źródła wiatrowego obserwujemy wartości od około 0,5% (Zakopane) do aż 15,6% (Łeba) – a więc zmienność przestrzenna jest dużo większa niż w wypadku generacji fotowoltaicznej.
Podkreślić należy, że analizy dla generacji wiatrowej te zachowują ważność dla miejsc, w których typowe lata meteorologiczne zostały wyznaczone, natomiast w całym otoczeniu tych punktów stanowią one przybliżoną informację – warunki wietrzności mogą być inne w miejscach bardziej eksponowanych na wiatr, na przykład grzbietach pagórków. Oznacza to, że turbiny wiatrowe mogą być bardzo dobrym rozwiązaniem dla wielu właścicieli budynków jednorodzinnych czy gospodarstw rolnych, jednak wymagane jest dość szczegółowe zaobserwowanie realnych warunków wietrzności i oszacowanie, czy mogą one zostać szybko zmienione na przykład przez nową zabudowę jednorodzinną powstałą dookoła rozważanej działki.
Turbina wiatrowa a zapotrzebowanie na ciepło
Na tym etapie analizy przyjrzyjmy się więc relacji pomiędzy podażą energii elektrycznej z turbiny wiatrowej a zapotrzebowaniem na ciepło budynku jednorodzinnego w ujęciu godzinowym. Arbitralnie wybraliśmy w tym celu Bielsko-Białą jako lokalizację o nie najgorszych warunkach wietrzności oraz średnim zapotrzebowaniu na ciepło (14,4 MWh). W skali roku turbina wiatrowa o mocy 5 kW wygenerowała około 3,35 MWh energii elektrycznej. Na Rys. 6 można zaobserwować wyraźną zmienność generacji w czasie oraz dominację godzin o bardzo niewielkiej bądź zerowej generacji. Przez około 3400 godzin w roku turbina wiatrowa nie pracuje, a przez ponad 90% godzin moc generowana jest niższa niż 20% (1kW) mocy maksymalnej tej turbiny. Biorąc pod uwagę zmienność sprawności pompy ciepła w zależności od temperatury zewnętrznej, oszacowaliśmy, iż w teorii taka produkcja energii elektrycznej z wiatru pozwoliłoby na wygenerowanie około 13,3 MWh energii cieplnej. Jednak generacja ta niekoniecznie skojarzona byłaby z chwilowym jej zapotrzebowaniem (patrz w szczególności okres letni).
Rys. 6. Generacja turbiny wiatrowej oraz zużycie ciepła w Bielsku-Białej w oparciu o typowy rok meteorologiczny.
Jaka moc turbiny wiatrowej do pompy ciepła?
Jaka byłaby więc konieczna moc zainstalowana turbin wiatrowych w każdej z lokalizacji, by w skali roku wygenerowały ilość energii elektrycznej zużytą potencjalnie przez pompę ciepła? Odpowiedź na to pytanie przedstawiono na Rys. 7.
Rys. 7. Teoretyczna moc turbiny wiatrowej zaspakajająca w bilansie rocznym zużycie energii przez powietrzną pompę ciepła.
Zwróćmy uwagę na przypadek ekstremalny Zakopanego, gdzie moc ta przekracza potencjalnie 110 kW ze względu na kiepskie warunki wietrzności wg typowego roku meteorologicznego – ale co podkreślamy po raz kolejny – nie wyklucza wykorzystania tego źródła energii w tamtym rejonie ze względu na jego wysoką zmienność przestrzenną.
Mała turbina wiatrowa to skomplikowana inwestycja
Należy podkreślić, że niniejszy artykuł ma jedynie za zadanie wstępnie określić możliwość efektywnej współpracy pomiędzy pompą ciepła a turbiną wiatrową. Na cały zestaw uwarunkowań przyrodniczo-technicznych nakłada się pakiet uwarunkowań formalno-prawnych związanych na przykład z przysługującym systemem rozliczania energii dostarczonej do sieci elektroenergetycznej. Tak więc w stosunku do bieżącego rozliczania w ramach net-billingu istotna różnica będzie przy posiadaniu przez właściciela instalacji przywileju rozliczania w ramach net-meteringu, bowiem to drugie rozwiązanie w pełni uzasadnia bilansowe podejście do wytwarzania i zużywania energii elektrycznej. Rozliczanie w ramach net-billingu powinno zwrócić szczególną uwagę na możliwość wykorzystania energii w momencie jej wytwarzania, czy to bezpośrednio do ogrzania pomieszczeń lub zasobników/buforów w instalacji hydraulicznej.
Z wcześniejszych prac wiemy, że na szczegółowym poziomie czasowym korelacja pomiędzy zapotrzebowaniem na ciepło, czyli niską temperaturą na zewnątrz, a prędkością wiatru jest niska, co daje się nam we znaki również w formie słabego przewietrzania obszarów zurbanizowanych w czasie dużych mrozów, skutkuje smogiem i słabą jakością powietrza.
Energia elektryczna pochodząca z turbin wiatrowych nie będzie również szczególnie dostępna w okresie letnim, kiedy generujemy zapotrzebowanie na ciepłą wodę użytkową, co wiąże się zapotrzebowaniem na ciepło pomimo braku ogrzewania pomieszczeń.
Jakkolwiek wykorzystanie turbin wiatrowych może być bardzo kuszące ze względu na możliwość wytwarzania energii elektrycznej na działkach, na których nie sposób posadowić fotowoltaikę lub te możliwości zostały już wyczerpane, a także spodziewane ułatwienia legislacyjne, zadanie to jest nietrywialne. Tak jak już kilkukrotnie podkreślono w tym tekście, bardzo silnie zróżnicowane są możliwości efektywnego wykorzystania turbin wiatrowych nie tylko na terenie kraju, ale również w obrębie danej miejscowości, w zależności od położenia budynku względem form rzeźby terenu oraz innych, potencjalnie obniżających wietrzność obiektów (las, budynki, ekrany akustyczne itp.).
Wyzwaniem jest takie znalezienie takiego sposobu zarządzania energią i budżetem w budynku, który uwzględni możliwość tzw. wystąpienia suszy energetycznej w źródłach wiatrowych, która może trwać nawet cały rok. Z historii pomiarów meteorologicznych znane są bowiem lata szczególnie wietrzne, ale również szczególnie spokojne, jeśli chodzi o występowanie poziomych ruchów powietrza. Zatem z punktu widzenia planowania budżetu domowego źródła wiatrowe są mniej niezawodne aniżeli źródła fotowoltaiczne. Mogą one natomiast stanowić ciekawy miks, w którym źródła fotowoltaiczne będą zaopatrywały w energię (w szczególności) w okresie letnim, zaś w czasie, gdy źródła te nie będą oferowały szczególnej produktywności, użytkownik będzie miał sposobność wykorzystania wytworzonej na własne potrzeby energii z turbin wiatrowych. Należy mieć jednak świadomość chimerycznej natury zasobów energii wiatru. Takie układy hybrydowe były już wielokrotnie rozważana w literaturze, zarówno krajowej, jak i międzynarodowej i ich niezawodność jest znacznie wyższa aniżeli każde z tych źródeł z osobna.
Istotnym aspektem wpływającym na wieloletnią sposobność wykorzystania turbiny wiatrowej w celu zaopatrzenia się, przynajmniej częściowego, w energię elektryczną do celów grzewczych jest możliwość istotnego wpłynięcia na produktywność instalacji przez sąsiadów. Mowa tu nie tylko o tak oczywistych sprawach, jak powstanie nowego budynku tworzącego zacisze w miejscu, w którym stoi i pracuje, a przynajmniej powinna pracować turbina wiatrowa, ale również zmiana sposobu zagospodarowania gruntu – zamiana łąki na zarośla lub las, zamiana gruntu ornego wykorzystywanego do uprawy roślin okopowych na pole kukurydzy czy konopi włóknistej. Modyfikacje te, zazwyczaj dopuszczalne przez prawo, mogą znacząco zmieniać tak zwaną szorstkość terenu, a więc stanowić barierę dla wiatru. Właściciel instalacji ma przy tym niewielkie pole manewru, bowiem podniesienie położenia turbiny wiatrowej powyżej spodziewanych po ułatwieniach legislacyjnych kilkunastu metrów będzie wiązało się ze znacznymi kosztami w celu spełnienia warunków formalnych, a jej przesunięcie będzie wiązało się z poniesieniem kosztów przebudowania przyłącza elektrycznego.
Turbina wiatrowa do ogrzewania – jak sprawdzić, czy warto?
Zatem zachęcamy wszystkich zainteresowanych wykorzystaniem energii wiatrowej z tak zwanych małych turbin wiatrowych w szczególności osoby myślące o wykorzystaniu tej energii na potrzeby ogrzewania pomieszczeń i przygotowania ciepłej wody użytkowej, do przeprowadzenia, nawet we własnym zakresie, szeroko zakrojonego rozpoznania rzeczywistej dostępności energii wiatru w ciągu roku. Istnieje możliwość określenia położenia budynków względem rzeźby terenu, generalnego wystawienia na wiatr, co można zaobserwować w czasie użytkowania budynku, a także przeanalizowania możliwych zmian w otoczeniu, które będą wpływały na możliwość pracy turbiny wiatrowej. Dobrym rozwiązaniem może być wykorzystanie tanich, prostych anemometrów (czujników prędkości wiatru) dostępnych na różnych portalach handlowych za stosunkowo niewielkie pieniądze w celu zgrubnego zmierzenia, jaka jest faktyczna prędkość wiatru w przewidywanym do zainstalowania turbiny miejscu. Można w ten sposób łatwo stwierdzić, ile godzin w ciągu badanego okresu turbina wiatrowa produkowałaby energię w ogóle, a ile godzin z mocą nominalną. Wynik takich rozważań może być niekiedy zaskakujący zarówno w pozytywnym, jak i negatywnym znaczeniu.
A jeśli zainteresował Was temat, to koniecznie zajrzyjcie do interaktywnej mapy z wynikami obliczeń.
Autorzy artykułu
Jakub Jurasz
W latach 2018-2020 pracownik naukowy MDH University w Szwecji. Od 2021 adiunkt-naukowo dydaktyczny na Wydziale Inżynierii Środowiska Politechniki Wrocławskiej. Zainteresowania naukowe: hybrydowe układy wytwórcze oparte o odnawialne źródła energii, sytuacje ekstremalne w energetyce odnawialnej, zmienność i komplementarność zasobów energii słońca, wiatru oraz wód płynących. Aktywna współpraca międzynarodowa z partnerami z: Niemiec, Chin, Szwecji, Włoch, Francji, Brazylii, Kolumbii, USA, Kanady, Litwy, Egiptu oraz Algieri. Scopus Author ID: 56469780000.
Bartłomiej Ciapała
Pracuje na Wydziale Geologii, Geofizyki i Ochrony Środowiska AGH w Krakowie. W swojej pracy naukowej skupia się na wykorzystaniu lokalnych odnawialnych źródeł energii z uwzględnieniem uwarunkowań społecznych i ekonomicznych. Głównymi zagadnieniami badawczymi są wykorzystanie niskotemperaturowych zasobów geotermalnych, w tym z wykorzystaniem pomp ciepła oraz badanie możliwości wprowadzania energii z różnych odnawialnych źródeł energii do sieci elektroenergetycznych i ciepłowniczych.
