Nůžky mezi zásobami energetických surovin a energetickými potřebami lidstva se stále více rozevírají. Mohou tento nepříznivý vývoj zvrátit obnovitelné zdroje? Co třeba vítr?
Současný stav zásob energetických surovin lidstvo optimismem příliš nenaplňuje. Zdroje, jež se v podloží ukládaly desítky milionů let, pomalu mizí. Tento palčivý problém pociťují nejvíce ve vyspělých státech, které se již v dnešní době potýkají s různými výpadky v dodávkách elektrické energie nebo ropy.
Nároky lidstva je však potřeba něčím ukojit, a proto se stále usilovněji hledají další energetické zdroje. V poslední době se mnoho nadějí vkládá do tzv. obnovitelných zdrojů. Z hlediska člověka jde spíše o jejich znovuobjevení než objevení. Stačí si jen vybavit staré obrázky holandských větrných mlýnů či našich vodních mlýnů. Bez využití větru, tedy obnovitelného zdroje, by se Kolumbus na svých plachetnicích sotva dostal k břehům Ameriky. Avšak jsou naše očekávání spojená s obnovitelnými energetickými zdroji splnitelná? S odpovědí nám může pomoci i meteorologie.
Za vším hledej Slunce
Jaký je vlastně původ energie na Zemi? Téměř výhradním ”dodavatelem” energie je Slunce. Sluneční záření je základním a prakticky jediným zdrojem energie pro celý tzv. planetární geosystém, zjednodušeně prostor, ve kterém existuje život.
Ostatní energetické zdroje, jako je geotermální energie, energie přirozeného radioaktivního rozpadu řady prvků, energie uvolněná při elektrických výbojích v atmosféře, při magnetických bouřích a ostatní, jsou v porovnání s přijímanou zářivou energií Slunce zanedbatelné. Číselně vyjádřeno: Slunce asi 99,975%, ostatní 0,025%. Část dodané energie slunečního záření je pak transformována na jiné druhy energie, třeba tepelnou a elektrickou, druhotně na energii pohybovou nebo energii dlouhovlnného záření. Za jednu z transformovaných podob sluneční energie lze tedy považovat i pohybovou (kinetickou) energii proudícího vzduchu. Jen malá odbočka – třebaže je proudění vzduchu v atmosféře trojrozměrné, za vítr se v běžné řeči považuje jen jeho vodorovná složka.
Síla, která hýbe vzduchem
Proč vlastně vzduch v atmosféře proudí? Odpověď na tuto otázku je poměrně komplikovaná, dovolme si však luxus přeskočit některé záležitosti a začněme až od atmosférického tlaku. Na různých místech zemského povrchu totiž existují jeho vzájemně odlišné hodnoty. V meteorologii se pracuje (kvůli zjednodušení) hlavně s tlakem redukovaným na mořskou hladinu.
Díky existenci rozdílů v tlaku vzduchu mezi různými místy na Zemi, působí v atmosféře síla, která se snaží zmíněné diference vyrovnávat. Tu nazýváme síla tlakového gradientu a v tomto případě pracujeme s její horizontální složkou. Pokud by neexistovala žádná další síla působící na velkoprostorové vzduchové částice ve vodorovné rovině, pohybovaly by se tyto částice z oblasti vyššího tlaku přímo do oblasti s nižším tlakem. Tím by došlo k rychlému vyrovnání tlakových rozdílů, a bylo by po větru.
Množství energie na dosah
Taková situace by nastala, kdybychom se nalézali na Zemi nerotující kolem své osy. Jenomže zemská rotace působí silovými účinky na vše, co se vůči zemskému povrchu pohybuje, tedy i na proudící vzduch.
Nejvýznamnějším z těchto účinků je takzvaná Coriolisova síla. Účinky této síly můžeme pozorovat například při vypouštění vany, kdy se na severní polokouli vír točí vždy doprava, na jižní opačně. Její vodorovná složka způsobuje, že s rostoucí vzdáleností od rovníku se vzduch při svém pohybu stáčí na severní polokouli vpravo, na jižní vlevo od směru, který mu dala síla tlakového gradientu.
A to není vše. Svými účinky působí na proudící vzduch také dostředivá síla nebo síla tření. Ta se uplatňuje ve vrstvě atmosféry do výšky asi dvou kilometrů nad povrchem a zpomaluje proudění vzduchu. Rychlost větru v blízkosti zemského povrchu bývá proto menší ve srovnání s volnou atmosférou.
Vlivem tření též dochází k určitému stočení přízemního větru. Podtrženo a sečteno, v atmosféře probíhá neustálá snaha o vyrovnání regionálních tlakových rozdílů, která však, díky působení rozmanitého spektra sil, nemá valnou šanci na úspěch. V této mase neustále proudícího vzduchu je ukryto obrovské množství kinetické energie, jež se nám nabízí k využití. Můžeme ji ale využívat i v našich geografických podmínkách? Má vítr tolik energie, aby nám “rozsvítil žárovky”?
Patří elektrárny jen na hřebeny hor?
V České republice obecně platí, že průměrná rychlost větru se zvyšuje s rostoucí nadmořskou výškou, i když samozřejmě existují určité regionální a místní zvláštnosti. Jako potenciálně nejzajímavější místa pro stavbu větrných elektráren u nás se tedy jeví spíše horské polohy jako Krušné hory, Krkonoše, Jeseníky a další. Je však třeba mít na paměti, že v těchto oblastech mohou být v zimním období výrazně nepříznivější podmínky, a to díky četnosti výskytu námrazových jevů a extrémních hodnot rychlosti větru. Tedy vlivů, jež pak mají na plynulý chod větrné elektrárny negativní dopad.
Budeme-li při hledání vhodné lokality pro stavbu elektrárny vycházet ze starších mapových podkladů, pak většina nížinných i část středních poloh budou patřit k místům málo vhodným pro využívání energie větru. Platí to z jednoduchého důvodu, tyto mapy totiž převážně znázorňují údaje naměřené ve výšce 10 m nad zemí.
Dnes se však můžeme běžně setkávat s větrnými turbínami s osou rotoru ve výšce kolem 100 m nad terénem, kde jsou (hlavně díky menšímu tření) větrné poměry poněkud jiné a pro větrnou energetiku výhodnější. V takových případech tedy může být při dobře realizovaném projektu větrná elektrárna relativně ”úspěšná” i v nižších polohách, například v oblasti jižní Moravy.
Data šitá na míru
Při projektování větrné elektrárny jsou klíčovými podkladovými informacemi údaje o rychlosti a směru větru v daném místě. Málokdy jsou ovšem k dispozici data ”šitá na míru”, tedy naměřená přesně v tom bodě a v takové výšce nad zemí, kde bude rotor větrné turbíny instalován.
Pokud takové údaje nemáme, mohou nám pomoci počítačové modely, které umějí údaje z blízké meteorologické stanice či jiného měřícího místa ”přenést” do námi požadované lokality a výšky nad terénem. Jedním z takových nástrojů je program WAsP (Wind Atlas Analysis and Application Program), jenž má téměř dvacetiletou tradici a je v současné době používán ve více než 100 zemích světa. Program obsahuje tři hlavní podprogramy – modul proudění vzduchu nad terénem, drsnostní modul a takzvaný překážkový člen.
S matematikou na vítr
Modul proudění vzduchu pracuje s digitálním terénem s horizontálním rozlišením 100 metrů nebo podrobnějším, tedy s podkladem obdobným, jako je tomu u geografických informačních systémů. Zohledňuje vliv nadmořské výšky i různých terénních tvarů na vlastnosti proudění vzduchu. Vstupní data z meteorologické stanice jsou tedy ”upravena” podle toho, jak je tvarován terén mezi touto stanicí a místem budoucí větrné elektrárny. Přitom se zohledňuje i výška, v níž bude rotor elektrárny pracovat.
Drsnostní modul zas zohlední vliv různé ”hrubosti” povrchu v oblasti výpočtu. Nad ”hladkými” povrchy, jako jsou třeba vodní plochy, je proudění jen málo ovlivňováno a deformováno. Avšak drsnější povrchy (les, obec, město) mohou vést ke vzniku nežádoucích neuspořádaných vírů (turbulencí) a obecně tedy k zeslabování rychlosti proudění.
V některých případech jsou v blízkém okolí místa měření větru překážky, jako budovy nebo stromy, jež mohou naměřené hodnoty zkreslovat. Překážkový člen modelu WAsP umí k těmto skutečnostem přihlédnout a popsané místní vlivy při výpočtu částečně eliminovat.
Výsledkem celého modelového výpočtu jsou pak očekávané hodnoty rychlosti a směru větru v místě stavby větrné turbíny. A pokud je již znám i typ a požadované technické parametry navrhované elektrárny, lze modelovat i její roční produkci energie.
Byrokracie v akci
Dostatečná rychlost větru je pro výkonné větrných turbín, které mají dodávat energii do sítě, pouze nutnou podmínkou, nikoliv postačující. Je třeba, aby byl v blízkosti větrné turbíny nebo parku vhodný ”přípojný bod”, jenž bude schopen po technické stránce vyrobenou energii ”převzít” do distribuční či přenosové soustavy.
V neposlední řadě je nutné vyřešit i všechny formality s ohledem na ochranu životního prostředí, hygienu, ochranná pásma různých objektů, vlastnická práva apod. Dobrá větrná lokalita může být v řadě případů nevyužitelná právě z důvodu nesouladu s některým z uvedených faktorů.
Dá se energie z větru skladovat?
I když už větrná elektrárna stojí a produkuje energii, tak vše nemusí jít, jak “po másle”. Vyrobená energie je totiž většinou dodávána do distribuční sítě přesně v okamžiku její výroby, tedy bez nějakého skladování na pozdější dobu. Pokud však dojde k výpadku, tak musí být zastoupena zdrojem jiným. To se netýká jen větrných elektráren, ale jakékoliv elektrárny. Nelze sáhnout do skladu a když nefouká vítr tak „svítit ze zásob z dřívější vichřice“.
Svítit ze zásob lze jen v případě, že má výrobce dostatečně dimenzované akumulátory a energie takto uskladněná ke svícení stačí. Takovým případem může být větrná elektrárna někde na samotě v chatové oblasti, kdy nejsou nároky na kvalitu a množství energie příliš vysoké.
Můžeme se na vítr vždy spolehnout?
Z pohledu energetika jsou zdroje z větrné energie těžko předvídatelné. To, jestli budou dodávat, nedokáže v potřebné míře ovlivnit žádná použitá technologie, ale je to věcí čistě zákonů přírody.
Problémem všech větrných turbín je určitá větší či menší nepravidelnost a rozkolísanost ve výrobě energie. Ta je dána neustále se měnícími meteorologickými podmínkami. Počasí totiž nelze poručit a tak se vyskytují povětrnostní situace, za kterých prostě tyto elektrárny pracovat nemohou. Mezi takové patří zejména tzv. stacionární tlakové výše, které se mohou v prostoru střední Evropy usadit i na řadu dnů. V nich se prakticky nemusí pohnout ani lísteček. Naštěstí není počet takových „výluk“ během roku příliš vysoký.
Bez exhalací a devastace krajiny
A jaké jsou hlavní výhody využívání energie z větru? Vítr je k dispozici zdarma a v nevyčerpatelném množství. Navíc výroba elektrické energie větrnými elektrárnami probíhá bez vedlejších negativních dopadů na krajinu a zdraví člověka, jakými jsou exhalace, odpady či devastace krajiny těžbou.
Větší využívání obnovitelných zdrojů podporuje i platná energetická legislativa. Podle ní jsou tyto zdroje přednostně připojovány do distribuční soustavy, cena výkupu elektrické energie z těchto zdrojů je zvýhodněná atd. Zvýšení podílu energie z ”domácích” zdrojů pak v důsledku vede ke snížení závislosti na dovozu strategických surovin.
Pro výstavbu větrných elektráren může také hovořit i estetický cit. Pro mnoho lidí bude zřejmě přijatelnější pohled na park větrných elektráren, než na monstrum jaderné či tepelné elektrárny.
Více se dozvíte:
Meteorologický slovník výkladový a terminologický, MŽP ČR, 1993.
Kopáček Jaroslav – Bednář Jan, Jak vzniká počasí, Karolinum, 2005.
Netopil Rostislav a kol., Fyzická geografie I, SPN, 1984.
Větrné elektrárny: mýty a fakta, Sdružení Calla a Hnutí Duha, 2005.
www.wasp.dk
Kolik energie vyrábí vítr?
Celková kapacita větrných elektráren dosáhla v loňském roce hodnoty 59 322 MW, což je ve srovnání s předchozím rokem nárůst o 25%. Z regionálního pohledu i nadále jednoznačně vede Evropa s přírůstkem 6 316 MW.
Z hlediska celkové dosud instalované kapacity stále drtivě dominují dvě země, Německo (18 428 MW) a Španělsko (10 027 MW), které dohromady drží téměř polovinu celosvětové kapacity větrných elektráren.
A jak je na tom Česká republika? V minulém roce bylo nově instalováno 11 MW výkonu a celková instalovaná kapacita tak dosáhla 26 MW (0,016 % z celkové výroby)
Zdroj: www.csve.cz
Pozor na ptáky!
Někdy se o větrných elektrárnách mluví jako o velkých zabijácích ptáků. Otáčející se lopatky pro letící opeřence sice riziko představují, ale ne velké. Turbína je pro ně viditelná překážka, kterou oblétají, někdy i prolétají. Nebezpečnější je elektrárna v noci nebo za mlhy, avšak ani případný střet s otáčející se lopatkou nemusí skončit tragicky, přestože její obvodová rychlost na koncích dosahuje až 200 km/h. Kamery totiž zaznamenaly, že vzduchový polštář okolo lopatky dokáže ptáky „odstrčit“, aniž by je zranil či usmrtil.
Přesto je známo několik případů, kdy došlo k zabití většího počtu ptáků větrnými elektrárnami. Příčinou však bylo její špatné umístění. Aby se něco podobného už neopakovalo, je potřeba nepřipustit stavby v přírodních rezervacích, v místech velkého soustředění ptáků nebo napříč jejich tahovým cestám.
Tři listy stačí
Podle aerodynamického principu dělíme větrné motory na vztlakové a odporové. Nejrozšířenějším typem jsou elektrárny s vodorovnou osou otáčení, pracující na vztlakovém principu, kdy vítr obtéká lopatky s profilem podobným letecké vrtuli. Všechny velké moderní elektrárny používají třílisté rotory.
Existují také elektrárny se svislou osou otáčení. Ty se však v praxi příliš neuplatnily, protože u nich dochází k mnohem vyššímu dynamickému namáhání, jež značně snižuje jejich životnost.
Zdroj: www.i-ekis.cz
Větrné rekordy
Do dnešního dne byla absolutně nejvyšší rychlost větru při zemském povrchu naměřena na horské meteorologické stanici Mount Washington ve státě New Hampshire (USA) 12. dubna 1934. Tento rekord činí 416 km/h při maximálním nárazu, a 338 km/h jako nejvyšší průměr rychlosti větru za 5 minut.
V bývalém Československu byla zaznamenána nejvyšší rychlost větru v nárazu na meteorologické stanici Skalnaté Pleso 29. listopadu 1965, a to 283 km/h.
