Energia Eoliana

ENERGIE REGENERABILĂ – ENERGIA EOLIANĂ

În situația actuală, caracterizată de creșterea alarmantă a poluării cauzate de producerea energiei din arderea combustibililor fosili, devine din ce în ce mai importantă reducerea folosirii acestor combustibili. Energia regenerabilă este o soluție foarte bună la problema energetică globală.

Energia eoliană este o sursă de energie regenerbilă generată din puterea vântului. Energia cinetică a vântului poate fi folosită pentru a roti niște turbine, care sunt capabile de a genera electricitate. Formarea vânturilor se datorează mișcării pământului, astfel încât soarele nu încălzește pământul uniform, fapt care creează mișcări în aer.

Utilizarea vântului pentru a genera energie electrică a fost o tehnică mult folosită. Când vântul întoarce palele unei mori de vânt, se învârte o turbină în interiorul unui mic generator pentru a produce electricitate, la fel ca la o uzină electrică pe cărbune. O moară de vânt la o fermă poate face doar o cantitate mică de energie electrică, suficientă pentru a alimenta câteva utilaje de la fermă. Pentru a produce suficientă electricitate pentru o mulțime de oameni, companiile de electricitate construiesc „ferme eoliene” cu zeci de turbine eoliene uriașe. Fermele eoliene sunt construite în zonele de câmpie, deschise, unde vântul suflă cu cel puțin 14 mile pe oră.

La sfârșitul anului 2006, capacitatea mondială a generatoarelor eoliene era de 73.904 MW, acestea producând ceva mai mult de 1% din necesarul mondial de energie electrică.

Se crede că potențialul tehnic mondial al energiei eoliene poate să asigure de cinci ori mai multă energie decât este consumată acum. Acest nivel de exploatare ar necesita 12,7 % din suprafața pământului să fie acoperite de parcuri de turbine, presupunând că terenul ar fi acoperit cu 6 turbine mari de vânt pe kilometru pătrat. Aceste cifre nu iau în considerare îmbunătățirea randamentului turbinelor și a soluțiilor tehnice utilizate.

Deși încă o sursă relativ minoră de energie electrică pentru majoritatea țărilor, producția energiei eoliene a crescut de câteva ori între 1999 și 2010, ajungându-se ca, în unele țări, ponderea energiei eoliene în consumul total de energie să fie semnificativ: Danemarca – 23%, Spania – 8%, Germania – 6%.

Figura 2.1. Puterea eoliană instalată și predicții până în 2020

În ultimii ani, utilizarea energiei eoliene a consemnat un proces deosebit. Astfel, între 1995 – 2005, rata anuală de creștere a fost de cca 30%, conducând la o putere instalată totală de 32.000 MW, adică dublu decât în domeniul energiei nucleare din aceeași perioadă.

Viteza vântului este considerată de 80 m, deoarece aceasta este înălțimea turbinelor moderne de 1500 kW, cu un diametru de 77 m.

La nivel global, circa 13% din toate stațiile meteorologice raportează viteze medii anuale ale vântului la 80 m ≥ 6,9 m/s (puterea vântului fiind de clasa 3 sau mai mare). Zonele respective, prin urmare, pot fi considerate potrivite pentru producerea de energie eoliană cu cost redus. Această estimare este considerată a fi conservatoare.

Figura 2.2. Harta potențialului eolian mondial, cu vânturile la 80 m

De pe toate continentele, America de Nord are cel mai mare număr de stații din clasa ≥ 3 (435) și Antarctica are cel mai mare procent (60%). Zonele cu potențial mare se regasesc în Europa de Nord de-a lungul Mării Nordului, vârful de sud a continentului sud – american, insula Tasmania în Australia, regiunea Marilor Lacuri, precum si coastelor de nord – vest a Americii de Nord.

Figura 2.3. Harta potențialului eolian cu vânturile medii la 80 m pentru Europa

Figura 2.4. Harta potențialului eolian în România, cu vânturi la 50 m

Se observă că sunt reprezentate cu aceeași culoare zone care au un potențial diferit. Astfel, în zona litoralului, reprezentată cu violet, puterea vântului este > 8,5 m/s, iar în Munții Făgăraș, reprezentați tot cu violet, puterea vântului este > 11,5 m/s.

O turbină eoliană lucrează într-un mod opus celui al unui ventilator. În loc de a folosi energie electrică pentru a face vânt, o turbină eoliană folosește vântul pentru a produce electricitate. Vântul întoarce paletele, care acționează un arbore, care se conectează la un generator de energie electrică și produce electricitate. Energia electrică este trimisă prin linii de transport și distribuție la o stație.

Figura 2.5. Interiorul unei turbine eoliene

1 – palete 8 – unitate de control

2 – rotor 9 – anemometru

3 – instalație de acordare a unghiului 10 – palete de vânt

paletelor cu vântul 11 – nacelă

4 – frână 12 – ax cu viteză mare

5 – ax cu viteză mică 13 – unitate girație

6 – cutie de viteze 14 – motor

7 – generator 15 – turn

Îmbinarea armonioasă a proceselor tehnice cu cele informatice a condus la creșterea spectaculoasă a utilizării energiei eoliene.

Un asemenea proces a fost posibil atât prin îmbunătățirile tehnologice aduse instalațiilor, cât și printr-o mai bună cunoaștere a comportării și caracteristicilor curenților de aer utilizați ca sursă de acționare.

Implantarea unei instalații eoliene de mare putere necesită răspunsuri la întrebări legate de direcția, viteza și regularitatea curenților de aer în locul respectiv, dar și de distribuția pe verticală a temperaturilor aerului și de vegetația locală (generatoare de turbulențe). În scopul analizării mai fine a previziunilor eoliene s-a utilizat și un sondor acustic denumit „sodar”, care poate cartografia în 3D vântul pe o rețea locală distribuită vertical de la 5 m la 300 m înălțime. Societatea franco – germană EOLE RES a dezvoltat un program de calculator care simulează creșterea arborilor. Acestă problemă este legată atât de durata de viață a unei instalații eoliene, apreciată la minimum 25 de ani, cât și de faptul că în acest interval de timp arborii plantați la sol își pot dubla, prin creștere, atât inălțimea cât și volumul, influențând prin perturbațiile produse, curenții de aer din zonă.

O regulă specifică energiei eoliene spune că puterea instalată a unei surse eoliene este proporțională cu pătratul razei elicei. Aceasta înseamnă că prin multiplicarea cu doi a lungimii palei elicei, puterea obținută crește de patru ori. Pentru aceasta s-a apelat la cunoștințe și materiale folosite curent în aeronautică. Metalul utilizat inițial la confecționarea palelor a fost înlocuit cu materiale compozite ușoare precum fibra de sticlă sau fibra de carbon. În acest fel câștigul în greutate și în rigiditate a permis construirea de pale din ce în ce mai lungi și mai rezistente.

Un alt factor important de progres a fost acela al adaptării sistemului „cu pas variabil”. Instalațiile vechi aveau elicea fixată pe un ax orizontal care, în funcție de viteza vântului, cupla ansamblul la viteza minimă utilizabilă și îl decupla când vântul, devenind prea puternic, periclita stabilitatea instalației. Acest sistem cu decuplare aerodinamică era un sistem robust, sigur, dar cu o eficiență redusă. Mai ales în zonele unde vânturile nu aveau o bună regularitate.

În acest caz, s-a apelat tot la tehnicile folosite în aeronautică. Cu ajutorul unui șurub special conceput și judicios amplasat, o pală este orientată optim față de direcția și forța vântului, prin schimbarea unghiului de atac. La un vânt foarte slab, pala este dispusă aproape perpendicular pe directia curentului de aer, iar la un vânt foarte puternic, pala pivotează în lagar oferind o suprafată de impact din ce în ce mai mică, pană la poziția paralelă, în cazul furtunilor foarte puternice.

In urmă cu câțiva ani, plaja de funcționare a unei instalații eoliene se situa la viteze ale vântului cuprinse între 14 și 79 km/h. Astazi, folosind sistemul „cu pas variabil”, rotorul unei instalații eoliene începe să se rotească la 8 km/s și funcționează eficace până la viteze ale vântului de 120 km/h.

Acest progres tehnologic a permis amplasarea instalațiilor eoliene în locuri dintre cele mai diferite, asigurând funcționări eficiente de peste 2400 ore/an, față de maximum 1600 ore/an în urmă cu 15 ani. Instalații foarte recente și foarte moderne depășesc în prezent o funcționare eficientă de peste 3000 ore/an, cu un factor de sarcină (perioada de-a lungul căreia energia este produsă într-o centrală) mai mare de 40%.

Progresele tehnologice realizate în ultimii ani nu au fost doar de ordin aerodinamic, chimic și mecanic, pentru că și electrotehnica și electronica, ajutate de calculator, au venit și ele cu o serie de contribuții importante. Generatoarele de curent electric situate în nacela instalației eoliene au fost trecute de la 4 la 50 de poli, fapt care a mărit foarte mult eficiența transformării energiei mecanice de rotație în energie electrică, mult mai ușor de stabilizat ca frecvență și intensitate.

Inginerii grupului german Enercon au reușit o cuplare directă a celor două agregate, evitându-se astfel instalațiile greoaie și nefiabile necesare pentru demultiplicare, care aveau ca scop convertirea vitezei de rotație clasice de 40 ture/minut ale rotorului la mai mult de 1000 ture/minut ale generatorului în turație minimă, pentru inducerea curentului electric. Această rezolvare tehnologică elimină mecanismele intermediare care necesitau operații dese și dificile de întreținere.

Electronica a contribuit și ea din plin la progresul tehnologic global prezentat în ultimii ani de instalațiile eoliene, printr-un control al comenzilor mai rapid, cu o reacție mult mai scurtă la variațiile de viteze ale vântului și o calitate superioară a curentului electric produs. Se pot evita astfel, în prezent, perturbațiile din rețelele electrice comerciale.

Turbinele eoliene se pot roti orizontal sau vertical.

Figura 2.6. Tipuri de turbine eoliene

Turbinele cu ax orizontal au axul rotorului principal și generatorul electric la partea de sus a unui turn, și trebuie să se poziționeze în vânt. Turbinele mici sunt poziționate printr-o simplă paletă de vânt, în timp ce turbinele mari, utilizează un senzor de vânt cuplat cu un motor servo. Cele mai multe au o cutie de viteze, care transformă rotația lentă a palelor într-o rotație mai rapidă care este mai potrivit pentru un generator electric. Deoarece un turn produce turbulențe în spatele lui, turbina este de obicei poziționată în direcția opusă vântului față de turnul său de sprijin. Palete de turbine sunt rigide pentru a preveni ca ele să fie împinse în turn de vânturile puternice. Paletele sunt amplasate la o distanță considerabilă în fața turnului și, uneori, sunt înclinate ușor spre înainte în vânt. Au fost construite și turbine în direcția vântului, în ciuda problemelor de turbulență, deoarece ele nu au nevoie de un mecanism suplimentar pentru păstrarea lor în linie cu vântul, si deoarece în vânturile puternice paletelor li se poate permite să fie indoite, ceea ce reduce zona pe care o mătură si, astfel, rezistența lor la vânt. Întrucât turbulențele ciclice pot duce la oboseala structurilor, cele mai multe turbine orizontale sunt proiectate în direcția opusă vântului.

Turbinele utilizate în fermele eoliene pentru producerea comercială a energiei electrice sunt de obicei, cu trei palete și sunt poziționate în vânt de motoare controlate pe computer. Acestea au viteze mari, de peste 320 de kilometri pe oră, au înaltă eficiență și riplul cuplului mic, care contribuie la buna fiabilitate. Paletele sunt colorate, de obicei – gri, și au o lungime de 20 – 40 m sau mai mult. Turnurile de susținere sunt din oțel tubular de 60 – 90 m înălțime. Paletele se rotesc cu 10 – 22 rotații pe minut. La 22 de rotații pe minut, viteza de vârf este mai mare de 91 m/s. O cutie de viteze este frecvent utilizată pentru accelerarea vitezei generatorului, deși se poate utiliza o conducere directă a unui generator inelar. Unele modele funcționează la o viteză constantă, dar mai multă energie poate fi colectată de turbine cu viteză variabilă care utilizează un convertor de putere în stare solidă pentru interfața cu sistemul de transmisie. Toate turbinele sunt echipate cu caracteristici de protecție pentru a evita deteriorarea la viteze ale vântului ridicate, prin înclinarea paletelor în vânt care încetinește rotația lor, completate de frâne.

Asemenea instalații sunt legate de construcții civile individuale înalte, blocuri, etc. Ele pot fi montate pe partea superioară a unor asemenea clădiri, reușind să acopere în bună măsură consumul de energie electrică al acesteia.

Turbinele eoliene cu ax vertical sunt un tip de turbine eoliene unde arborele rotorului principal este așezat pe verticală. Printre avantajele acestui aranjament, sunt că generatoarele și cutiile de viteze pot fi plasate aproape de sol și că turbinele nu trebuie să se poziționeze în vânt.

Inconveniente majore pentru modele timpurii includ cuplul pulsator care poate fi produs în timpul fiecărei revoluții și momentele imense de flexiune pe palete. Proiecte mai recente au rezolvat problema folosind un cuplu de torsiune la lame elicoidale aproape similare cu turbinele de apă Gorlov.

Turbinele verticale oferă o serie de avantaje față de turbine eoliene tradiționale cu ax orizontal. Ele pot fi grupate împreună mai aproape în ferme eoliene, facându-se economie în spațiu. Acest lucru nu se produce datorită faptului că aceste turbine sunt mai mici, ci mai degrabă din cauza efectului de încetinire a aerului pe care le au turbinele orizontale, forțând designerii să le separe cu de zece ori lațimea lor.

Turbinele verticale sunt robuste, liniștite, omni – direcționale și ele nu crează așa mult stres pe structura de sprijin. Ele nu au nevoie de așa mult vânt pentru a genera energie, astfel că se permite ca ele să fie mai aproape de sol, fiind mai ușor de întreținut.

Dacă pentru instalațiile eoliene cu ax orizontal, industria germană și-a dovedit prioritatea, francezii se pot lauda cu realizări de vârf în grupa eolienelor cu ax vertical. Astfel, firma Gual Industrie din Perpingnan a dat în exploatare câteva turbine cu ax vertical care asigură o serie de caracteristici importante:

randamente superioare cu aproape 30% față de turbinele cu ax vertical cunoscute;

viteza maximă a vântului până la care sunt eficiente este de 150 km/h;

rotorul se prezintă ca o roată de moară prevăzută cu un număr determinat de cupe;

la un ax vertical înalt de 3 m, rotorul are un diametru maxim de 8 m, putând asigura o putere instalată efectivă de pân de 55 kW.

Energia eoliană este printre formele de energie regenerabilă care se pretează aplicațiilor la scară redusă.

Instalațiile eoliene la scară mică sust sisteme de generare a curentului cu o capacitate de producție de până la 50 kW. Comunitățile izolate, care astfel se pot baza doar pe generatoare diesel pot folosi turbine eoliene pentru a înlocui consumul de combustibil diesel. Persoanele fizice pot achiziționa aceste sisteme pentru a reduce sau elimina dependența lor de rețea de energie electrică pentru motive economice sau de altă natură.

Turbinele eoliene au fost utilizate pentru producerea de energie elecrică de uz casnic în special prin depozitarea acesteia în acumulatoare în zone izolate. Turbinele eoliene conectate la rețea pot fi sisteme de stocare a energiei de tip acumulatoare sau pot să introducă energia produsă în rețea. Turbinele eoliene care nu sunt conectate la rețea nu produc energie tot timpul astfel că utilizatorii trebuie să fie adaptați la utilizarea energiei intermitent, să acumuleze energia în acumulatori sau să utizeze alternativ și alte surse de energie (generatoare diesel, energie fotovoltaică, etc).

Când viteza vântului este suficientă, turbina eoliană produce energie electrică care poate fi utilizată pentru alimentarea sistemului sau încărcarea bateriilor. Când nu bate vântul, sistemul este alimentat de energia stocată în baterii. Modulele fotovoltaice pot fi utilizate în combinație cu generatorul eolian sau ca surse individuale. Utilizând astfel de sisteme, se poate produce propria energie în mod gratuit și absolut ecologic în orice loc.

Sistemele eoliene sunt proiectate în jurul unei magistrale de curent continuu care formează punctul comun de conectare pentru toate sursele și sarcinile de curent continuu.

Controlul de curent continuu este format dintr-un centru de putere de curent continuu care include siguranțe electrice de protecție, sisteme de control, supraveghere și monitorizare a instalației. Turbinele de vânt și modulele fotovoltaice sunt conectate la centrul de putere prin regulatoare de încărcare separate. Tot la centru de putere sunt conectate o baterie sau grup de baterii ce asigură pe termen scurt stocarea de energie.

Invertorul sau orice sarcină electrică consumatoare de curent continuu sunt și ele conectate tot la centrul de putere. Generatorul de avarie poate fi comandat să pornească și să se oprească automat de către centrul de putere.

Sistemul de generare de energie electrică pentru zone izolate încorporează una sau mai multe turbine de puteri diferite. Turbinele furnizează putere variabilă care se transformă în inventor, în tensiune alternativă constantă 230 V și frecvență 50 Hz, folosită pentru alimentarea consumatorilor de curent alternativ. Excesul de putere se acumulează în baterii până ce acestea sunt încărcate. În perioadele cu vânt slab, energia acumulată în baterii alimentează consumatorii via invertor.

Energia eoliană reprezintă „domeniul cel mai exploziv” din punct de vedere al investițiilor în România. În următorii ani, România are șanse să ajungă pe primul loc în Europa Centrală și de Est în privința capacității de producție a energiei eoliene. Însă există o problemă. Cererile de racordare din partea investitorilor depășesc de aproape patru ori capacitatea sistemului energetic național de preluare a energiei eoliene. Cererile de racordare din partea investitorilor la Sistemul Energetic Național însumează o putere de peste 11.000 MW, potrivit unei informații transmise de compania de transport electricitate Transelectrica.

În situația actuală, sistemul energetic național poate prelua aproximativ 3.000 MW putere instalată. Practic, doar un sfert din cererile de racordare din acest moment ar avea șanse să se concretizeze. Potrivit Transelectrica, se fac eforturi pentru creșterea capacității de transport a energiei. Până în prezent, Transelectrica a semnat contracte de racordare pentru o putere de 3559,2 MW și avize tehnice de racordare pentru o putere de 4.850 MW. Pentru racordarea la rețea, au fost semnate peste 100 de contracte.

Chiar dacă potențialul este mare, investițiile realizate efectiv în acest sector sunt încă reduse. La inceputul anului 2010, erau instalați 14,1 MW de energie produsă în turbine eoliene. Cu cei 14 MW, România se situa în 2009 pe locul 23 în Uniunea Europeană în ceea ce privește energia produsă de vânt.

În România, zonele cele mai vânate de investitori sunt cele din Dobrogea. Mai sunt câteva zone potrivite care sunt cautate în afara Dobrogei: partea de est a Moldovei (Iași, Vaslui, Galați) și în Caraș Severin. Trebuie să existe câteva caracteristici: vânt, rețele electrice apropiate și teren plat.

Marile grupuri energetice din Europa sunt interesate să construiască parcuri eoliene în România. Printre companiile mari care au proiecte avansate în România se numără CEZ, Iberdrola, Enel, Energias de Portugal și Petrom.

Autoritatea Națională de Reglementare în Domeniul Energiei (ANRE), a autorizat 20 de companii pentru desfășurarea activităților de constructii, montaj și punere în funcțiune aferente realizării de noi capacități energetice eoliene.