Větrná energie v Andalusii, Španělsko: Podrobná analýza s důrazem na oblast Tarifa

Mezi konkrétní příklady větrných farem v Tarifě patří:

Projekt repoweringu větrné farmy El Cabrito společností ACCIONA, který nahradil 90 starých turbín 12 moderními při zachování celkové kapacity 30 MW a zvýšení výroby o 16 %.6 Tento projekt demonstruje trend modernizace stávající infrastruktury pro dosažení vyšší účinnosti a snížení vizuálního a environmentálního dopadu. Srovnání počtu starých a nových turbín a zvýšená produkce jasně ukazují výhody technologického pokroku. Zmínka o sníženém vizuálním a hlukovém dopadu a usnadnění průletu ptáků zdůrazňuje environmentální aspekty moderního rozvoje větrných farem.

Větrná farma Kw Tarifa, uvedená do provozu v roce 1995 s kapacitou 30 MW, je nyní vyřazena z provozu.10 To poukazuje na životnost starších větrných farem a potřebu repoweringu nebo vyřazení. Vyřazení Kw Tarifa z provozu zdůrazňuje životní cyklus větrných farem a posiluje význam strategií repoweringu. Znalost data uvedení do provozu a vyřazení poskytuje představu o provozní životnosti raných větrných farem v regionu.

Větrné farmy La Herrería a Pasada de Tejeda s kombinovanou kapacitou 54 MW produkují ročně 120,3 GWh elektřiny, což postačuje pro zásobování 34 500 domácností.7 To zdůrazňuje významný energetický přínos větrných farem v této oblasti. Značná výroba energie z La Herrería a Pasada de Tejeda podtrhuje významný přínos větrných zdrojů Tarif k energetickým potřebám velkého počtu domácností. Uvedená hodnota GWh a ekvivalentní počet domácností přímo kvantifikují dopad těchto větrných farem.

Několik menších instalací větrných farem v Tarifě provozovaných společností Alstom Power s individuálními kapacitami od 150 kW do 600 kW.8 Tyto instalace ilustrují přítomnost jak velkých, tak menších projektů větrné energie. Rozmanitost rozsahu větrných farem v Tarifě naznačuje vyspělý sektor s různými aplikacemi. Existence projektů s výrazně odlišnými kapacitami (MW vs. kW) naznačuje rozmanitou krajinu výroby větrné energie.

Větrná farma o výkonu 6 MW v Tarifě, sestávající z 12 turbín Nordtank o výkonu 500 kW, produkuje ročně přes 20 milionů kWh.8 To poskytuje další příklad funkční větrné farmy a její produkce. To dále posiluje významnou výrobu energie z větrných farem soustředěných v oblasti Tarifa. Kvantifikace roční produkce v kWh poskytuje konkrétní údaje o energetickém výnosu specifické větrné farmy.

Instalovaný výkon větrné energie v Andalusii

Data o instalovaném výkonu v různých letech ukazují na růst. Například v roce 2022 měla Andalusie instalovaný výkon 3 543,8 MW. Porovnání instalovaného výkonu Andalusie s ostatními autonomními regiony ve Španělsku ukazuje, že Andalusie se trvale řadí mezi nejvýznamnější regiony. Budoucí cíle pro obnovitelnou energii v Andalusii směřují k dosažení 20 GW do roku 2026. Ambiciózní budoucí cíle pro obnovitelnou energii v Andalusii naznačují trvalé a rostoucí spoléhání se na větrnou energii a další obnovitelné zdroje. Plánované významné navýšení (z současných úrovní na 20 GW) je podpořeno jasným politickým směřováním a investičním zaměřením na obnovitelné zdroje energie.

Základní principy technologie větrných turbín

Přeměna větrné energie na elektrickou energii: Základní princip spočívá v tom, že vítr otáčí lopatkami, které roztáčejí rotor spojený s generátorem, a ten následně vyrábí elektřinu. Aerodynamické síly (vztlak a odpor) způsobují otáčení rotoru, když vítr proudí přes lopatky. Betzův zákon definuje teoretickou maximální účinnost větrné turbíny na 59,3 %. 

Hlavní součásti větrné turbíny:

• Rotor a lopatky: Zachycují větrnou energii. Lopatky fungují podobně jako křídla letadla.

• Kryt: Uzavřená konstrukce na vrcholu věže, která obsahuje generátor, převodovku (pokud je přítomna) a další součásti.

• Generátor: Přeměňuje mechanickou energii na elektrickou energii.

• Převodovka (u některých konstrukcí): Zvyšuje otáčky z hřídele rotoru s nízkými otáčkami na hřídel generátoru s vysokými otáčkami. Turbíny s přímým pohonem převodovku nemají. Volba mezi použitím převodovky nebo systému s přímým pohonem představuje klíčové konstrukční rozhodnutí v technologii větrných turbín s kompromisy z hlediska účinnosti, spolehlivosti a nákladů. 

• Věž: Podpírá kryt a rotor ve výšce, kde jsou rychlosti větru obecně vyšší a méně turbulentní. Vyšší věže zachycují více energie.

• Řídicí systémy: Systém natáčení  pro orientaci turbíny proti větru, systém nastavení úhlu lopatek pro optimální zachycení energie a bezpečnost.

• Transformátor: Zvyšuje napětí vyrobené elektřiny pro efektivní přenos.

Typy větrných turbín:

• Větrné turbíny s horizontální osou otáčení (HAWT): Nejběžnější typ, s lopatkami rotujícími kolem horizontální osy.

• Větrné turbíny s vertikální osou otáčení (VAWT): Lopatky rotují kolem vertikální osy, jsou všesměrové.

Výroba elektřiny: Dynamo versus alternátor ve větrných turbínách

Technické srovnání dynama a alternátoru:

• Dynamo: Vyrábí stejnosměrný proud (DC) pomocí komutátoru. Starší technologie, vyžaduje více údržby kvůli opotřebení kartáčů a komutátoru.

• Alternátor: Vyrábí střídavý proud (AC) pomocí sběrných kroužků. Praktičtější pro moderní aplikace, zejména pro připojení k síti. Přechod od dynama k alternátorům ve větrných turbínách odráží širší pokrok v elektrotechnice, upřednostňující AC pro jeho účinnost při přenosu a kompatibilitu se sítí. Alternátory jsou standardem v moderních větrných turbínách, existují technické důvody související s výhodami AC pro integraci do sítě a sníženou údržbou ve srovnání s DC dynamy.

Moderní větrné turbíny primárně používají alternátory, konkrétně indukční (asynchronní) a synchronní generátory.

Indukční generátory: Robustní, nákladově efektivní, běžně používané ve větších větrných turbínách. Mohou být s kotvou nakrátko, s vinutým rotorem a dvojitě napájené indukční generátory (DFIG). DFIG jsou zvláště rozšířené, umožňují provoz s proměnnými otáčkami a řízení jalového výkonu. Dominance indukčních generátorů, zejména DFIG, v moderních větrných turbínách umožňuje provoz s proměnnými otáčkami pro maximalizaci zachycení energie z proměnlivého větru a potřebu podpory sítě prostřednictvím řízení jalového výkonu. 

Synchronní generátory: Lze je použít s permanentními magnety nebo bez nich. Synchronní generátory s permanentními magnety (PMSG) jsou účinné a vhodné pro malé i velké systémy, zejména pro turbíny s přímým pohonem. Rostoucí využívání synchronních generátorů s permanentními magnety, zejména u turbín s přímým pohonem, naznačuje trend směrem k vyšší účinnosti a snížení mechanické složitosti eliminací převodovky. 

Střídavý proud je vhodnější pro přenos na velké vzdálenosti a integraci do stávající střídavé sítě. Proměnlivé rychlosti větru vyžadují generátory, které mohou efektivně pracovat v širokém rozsahu otáček, což je lépe dosažitelné s alternátory a související výkonovou elektronikou. Generátory větrných turbín obvykle produkují nízké střídavé napětí, často v rozmezí 600 až 1 000 voltů, nebo běžně 690V. Některé větší turbíny mohou generovat napětí kolem 3 kV. Poměrně nízké napětí generované přímo turbínou vyžaduje zvýšení napětí pomocí transformátorů pro efektivní přenos do sítě, čímž se minimalizují energetické ztráty. Nízké napětí by vedlo k významným ztrátám při přenosu na velké vzdálenosti, proto mají klíčovou roli transformátory v systému.

Charakteristika napětí a nutnost konverze AC/DC

Jak již bylo zmíněno, typický rozsah výstupního napětí je 600-1000V AC, přičemž 690V je běžné. Střídavé napětí a frekvence produkované generátorem větrné turbíny se mění s rychlostí větru. Elektrická síť pracuje s konstantní frekvencí (např. 50 Hz v Evropě) a vyžaduje synchronizovaný vstup energie. Proměnlivý střídavý proud z generátoru je nejprve usměrněn na stejnosměrný proud pomocí usměrňovače. Tento stejnosměrný proud je poté pomocí střídače (invertoru) převeden zpět na střídavý proud s konstantní frekvencí a napětím.

Důvody pro konverzi:

• Synchronizace se sítí: Zajišťuje, že vyrobená energie je ve fázi a má správnou frekvenci pro připojení k síti.

• Zpracování proměnlivé frekvence: Umožňuje turbínám pracovat s proměnlivými otáčkami pro maximalizaci zachycení energie, přičemž stále poskytuje stabilní výstup do sítě.

• Optimalizace výkonové elektroniky: Některé střídače pracují nejlépe se stejnosměrným vstupem.

• Sběr výstupů z více turbín: Stejnosměrná sběrnice může být použita pro sběr energie z několika turbín před převedením na střídavý proud kompatibilní se sítí.

Existují i alternativní přístupy. Některé moderní turbíny mohou používat střídače AC-AC nebo přímo připojit stator k síti s řízením na straně rotoru pro modulaci frekvence a napětí. Existence alternativních metod konverze naznačuje pokračující inovace v oblasti výkonové elektroniky s cílem zlepšit účinnost a potenciálně zjednodušit integraci do sítě. Metoda AC/DC/AC tedy není jediným řešením a  jsou zkoumány přímější způsoby propojení se sítí.

Integrace větrné energie do andaluské elektrické sítě

Elektřina z větrných farem je obvykle shromažďována v rozvodně uvnitř větrné farmy. Transformátory v rozvodně zvyšují napětí na střední napětí (10-35 kV) pro efektivní přenos na kratší vzdálenosti v rámci sítě větrné farmy. Pro připojení k hlavní vysokonapěťové síti (typicky 100-150 kV) se obvykle nachází další transformátor zvyšující napětí v centrální rozvodně obsluhující více větrných farem. Většina sítí větrných farem využívá pro distribuci středního napětí podzemní kabely, aby se minimalizoval vizuální dopad, ačkoli z důvodu nákladů se někdy používají i nadzemní vedení. Malé větrné farmy (do cca 30 MW) se mohou připojovat přímo k místní síti středního napětí, potenciálně bez centrálního transformátoru v rozvodně.

Španělsko má dobře rozvinutou síťovou infrastrukturu schopnou integrovat velké množství větrné energie. Španělská vláda zavedla politiky a předpisy na podporu integrace obnovitelných zdrojů energie, včetně větrné energie. Síťové kodexy definují technické požadavky pro připojení větrných elektráren k síti, čímž zajišťují stabilitu a spolehlivost. Byly nabídnuty pobídky pro opatření související s integrací do sítě, jako je dodávka jalového výkonu a schopnost překlenutí poruch. Byly zaznamenány problémy související s povolením k přístupu k síti a velkým počtem nevyřízených žádostí. Významný počet nevyřízených žádostí o přístup k síti naznačuje vysoký zájem o rozvoj projektů obnovitelné energie ve Španělsku, což potenciálně zatěžuje administrativní kapacity a zdůrazňuje potřebu zjednodušení schvalovacích procesů. Samotný objem nevyřízených žádostí naznačuje silný trh pro obnovitelné zdroje energie, ale také poukazuje na potenciální překážky v procesu schvalování a připojování.

Rostoucí instalovaný výkon obnovitelné energie (včetně větrné) v Andalusii významně přispívá k národní síti. Region se aktivně podílí na repoweringu stávajících větrných farem s cílem zlepšit účinnost a připojení k síti. Projekty výstavby platforem HVDC v andaluských přístavech (Algeciras a Cádiz) umožňují budoucí roli při usnadnění připojení větrných farem na moři ze severní Evropy a Severní Ameriky. Zapojení Andalusie do výstavby platforem HVDC staví region do pozice potenciálního budoucího centra pro mezinárodní výměnu energie z větrných farem na moři, čímž dále posiluje jeho roli v širším evropském energetickém prostředí. HVDC se používá pro efektivní přenos na velké vzdálenosti. Rozvoj těchto platforem v Andalusii naznačuje strategický krok k využití potenciálu větrné energie na moři i mimo její vlastní hranice.

Výhody a nevýhody větrné energie v andaluském kontextu

Výhody:

• Čistý a udržitelný zdroj energie: Snižuje závislost na fosilních palivech a snižuje emise skleníkových plynů, čímž přispívá ke zmírnění klimatických změn. Andalusie díky větrné energii ročně zabrání emisím více než 3 milionů tun CO2.

• Bohaté větrné zdroje v Andalusii: Zejména v oblastech jako Tarifa, zajišťující vysoké faktory využití kapacity.

• Ekonomické přínosy: Vytváření pracovních míst ve výrobě, instalaci, údržbě a souvisejících odvětvích. V roce 2020 vygenerovala větrná energie v Andalusii 880 přímých pracovních míst. Příspěvek k HDP Andalusie. Snížení energetické závislosti.

• Podporuje vývoj v oblasti technologie turbín, integrace do sítě a skladování energie.

• Větrné farmy mohou být umístěny na půdě nevhodné pro zemědělství.

• Modernizace starých větrných farem zvyšuje účinnost, snižuje dopad na životní prostředí a zlepšuje společenskou přijatelnost.

Nevýhody:

• Rychlost větru je proměnlivá, což vede k výkyvům ve výrobě energie.

• Větrné turbíny mohou narušovat krajinu, což může být problém v oblastech s vysokou turistickou hodnotou nebo malebnou krajinou, jako jsou části Andalusie.

• Turbíny produkují hluk, který může být obtěžující pro obyvatele v blízkosti. Moderní turbíny výrazně snížily mechanický hluk, přičemž aerodynamický hluk z lopatek je primárním zdrojem.

• Potenciální poškození ptáků a netopýrů kolizemi s lopatkami turbín. Větrná farma Tarifa vykázala vysokou úmrtnost dravců a netopýrů. Repowering s menším počtem větších turbín může tento dopad zmírnit. Zaznamenané vysoké míry úmrtnosti v Tarifě zdůrazňují potřebu pečlivého výběru lokalit a opatření ke zmírnění dopadů při rozvoji větrných farem, zejména v ekologicky citlivých oblastech známých migrací ptáků. 

• Větrné farmy vyžadují značné rozlohy půdy, ačkoli skutečná stopa turbín a infrastruktury je menší než celková plocha.

• Zřízení větrných farem zahrnuje vysoké počáteční investice.

• Lopatky vyrobené z kompozitních materiálů mohou být obtížně recyklovatelné.

• Modernizace přenosové infrastruktury pro připojení vzdálených větrných farem k městským centrům může být nákladná.

Technologický pokrok a inovace v andaluské větrné energetice

Repowering větrných farem: Nahrazování starších, méně účinných turbín modernějšími a výkonnějšími, jak je vidět např. na projektu El Cabrito. To zvyšuje výrobu energie a zároveň často snižuje počet turbín a dopad na životní prostředí.

Větší a výkonnější turbíny: Vývoj a nasazení turbín s většími rotory a vyššími kapacitami, jako je větrná farma El Puntal II společnosti Iberdrola o výkonu 15 MW v Malaze (Andalusie) s turbínami vysokými 163,5 metru. Společnost GE Vernova také dodává turbíny o výkonu 6,1 MW pro větrné farmy v Andalusii. Trend směrem k větším a výkonnějším turbínám naznačuje snahu o dosažení vyšší účinnosti a energetického výnosu z jednotlivých instalací, což potenciálně optimalizuje využití půdy a snižuje celkové projektové náklady na jednotku vyrobené energie. Příklady společností Iberdrola a GE Vernova nasazujících turbíny o výkonu několika megawattů v Andalusii demonstrují jasný průmyslový trend směrem k navyšování velikosti turbín pro zlepšení výkonu.

Plovoucí větrné farmy na moři: Vývoj projektů jako "La Pinta" (990 MW) a "Nao Victoria" (990 MW) společnosti IberBlue Wind u pobřeží Granady a Almerie, využívajících plovoucí technologii pro přístup do hlubších vod se silnějšími a stabilnějšími větry. Tyto projekty mají za cíl přispět k cílům Španělska v oblasti větrné energie na moři. Vznik projektů plovoucích větrných farem na moři v Andalusii znamená významný krok k využití obrovského potenciálu větrných zdrojů na moři, překonávající omezení turbín s pevným základem v hlubších vodách a otevírající nové možnosti pro výrobu čisté energie. Oznámení několika rozsáhlých projektů plovoucích větrných farem společností IberBlue Wind zdůrazňuje strategické zaměření na rozvoj větrné energie na moři v regionu, s využitím pokroků v technologii plovoucích turbín.

Pokročilé konstrukce turbín: Inovace v aerodynamice, materiálech (např. lopatky z uhlíkových vláken) a řídicích systémech pro zlepšení účinnosti a snížení hluku.

Integrace s výrobou zeleného vodíku: Plány na projekty jako "Andalusia Green Hydrogen Valley" společnosti Moeve (dříve Cepsa), které budou využívat obnovitelnou energii, včetně větrné, k výrobě zeleného vodíku. To naznačuje synergii mezi větrnou energií a dalšími technologiemi čisté energie pro dekarbonizaci. Rozvoj projektů zeleného vodíku spojených s větrnou energií v Andalusii představuje pokrokový přístup k ukládání a využití energie, potenciálně řešící problém intermitence větrné energie a vytvářející nové zdroje hodnoty. Iniciativa "Andalusia Green Hydrogen Valley" jasně spojuje výrobu zeleného vodíku s dostupností obnovitelných zdrojů energie, jako je vítr, a představuje strategii pro propojení sektorů a integraci energetických systémů.

Umělá inteligence pro údržbu a provoz: Využití AI k predikci potřeb údržby a přizpůsobení provozu turbín na základě aktuálních větrných podmínek.

Iniciativy pro recyklaci lopatek: Snahy o nalezení udržitelných řešení pro recyklaci lopatek větrných turbín vyrobených z kompozitních materiálů.

Ing. František Janeba, manažer OP TAK a mezinárodní projektové spolupráce