Miniony i obecny wiek pokazał dobitnie dynamikę rozwoju naszego świata. Dynamiczny postęp światowej gospodarki w sposób znaczący wpłynął i dalej wpływa na środowisko, z którego człowiek czerpie niezwykle cenne surowce naturalne, zarówno odnawialne jak nieodnawialne. Ich znaczenie dla każdego społeczeństwa, narodu czy kraju jest ogromne. Z ekonomicznego punktu widzenia najbardziej cenne są surowce nieodnawialne, takie jak węgiel, ropa naftowa, gaz ziemny.
Wraz z postępem cywilizacyjnym, surowce te zaczęły się wyczerpywać, co spowodowało wzrost ich cen na rynkach światowych. Transport i energetyka wykorzystując ogromne ilości energii powodują degradację środowiska oraz nieodwracalne zmiany w jego funkcjonowaniu. Dlatego też cały świat musi coraz mocniej spoglądać w kierunku odnawialnych źródeł energii. Odnawialne źródła energii to przede wszystkim; energia: słoneczna, wody, wiatru, geotermalna oraz energia pochodząca z biomasy. Liczne badania naukowe i ekspertyzy wskazują, że z wszystkich OZE to energia wiatru obok energii słońca zasługuje na największą uwagę, prowadzi to do dynamicznego rozwoju energetyki wiatrowej na świecie i w Polsce. Polska w ramach Unii Europejskiej, dostosowuje się pod tym względem do całej Europy. UE w wielu swoich aktach prawnych zawarła wytyczne dotyczące pochodzenia oraz dystrybucji energii z odnawialnych źródeł energii. Obecnie, dzięki szybko rozwijającej się technologii, idącej w parze z rozwojem systemu wsparcia dla Odnawialnych Źródeł Energii (OZE), opartego na rozwiązaniach prawno-ekonomicznych, możliwy jest rozwój systemu magazynowania i wykorzystywania energii odnawialnej z własnych mikroźródeł. Jednym z takich systemów wsparcia, jest przyjęty w dniu 27 marca 2014 r. programu dofinansowań do mikroinstalacji OZE – Prosument [Prosument 2014]. Beneficjentami programu będą osoby fizyczne, spółdzielnie mieszkaniowe, wspólnoty mieszkaniowe oraz jednostki samorządu terytorialnego.
Wraz z nową ustawą o Odnawialnych Źródłach Energii, wejdą w życie przepisy, które dostosują prawo do realnych warunków panujących na rynku energetycznym, w którym coraz większe znaczenia mają mieć właśnie źródła odnawialne. Jednym z elementów zwiększania produkcji energii elektrycznej przez elektrownie wiatrowe jest rozwój przydomowych elektrowni wiatrowych. W ustawie takie instalacje klasyfikowane są jako mikroinstalacje. Na rynku dostępnych jest wiele przydomowych elektrowni wiatrowych, w większości są to elektrownie o poziomej osi obrotu, jednak od kilku lat można dostrzec pojawiające się oferty elektrowni o pionowej osi obrotu. Elektrownie te są bardzo ciekawym rozwiązaniem inżynierskim, dlatego też uznaliśmy, że warto było by się dokładnie im przyjrzeć, oraz przeanalizować ich działanie. W artykule znajduje się opis elektrowni wiatrowych z pionową osią obrotu wirnika. Dokonana została analiza produktywności energii elektrycznej w skali roku wraz z analizą ekonomicznej opłacalności na podstawie programu NFOŚiGW i projektu nowej ustawy o OZE. Obliczenia i analizy wykonano dla dwóch lokalizacji turbin, a więc uwzględniając zróżnicowane warunki wiatrowe oraz dla trzech mocy nominalnych. Daje to możliwość oceny przydatności elektrowni wiatrowych o małej mocy oraz pozwala wskazać przyszłe kierunku rozwoju tej technologii.
ELEKTROWNIE WIATROWE O PIONOWEJ OSI OBROTU WIRNIKA
Technologia elektrowni wiatrowych o pionowych turbinach wiatrowych VAWT (ang. Vertical Axis Wind Turbine) była dość słabo rozwijana, przez co elektrownie tego typu stanowią niewielki procent pracujących obecnie instalacji. Większość konstrukcji oparta jest na:
- wirniku Savonius’a,
- wirniku Darrieus’a,
- rotorze typu H,
- wirniku świderkowej.
Silnik wiatrowy typu Savonius’a został wymyślony w 1922 przez fińskiego inżyniera Sigurda J. Savonius’a. Sama turbina jest bardzo prostej budowy, wielokrotnie budowana przez amatorów. Wirnik typu Savonius’a charakteryzuje się niską sprawnością przetwarzania energii wiatru oraz dużą zmiennością momentu napędowego w trakcie obrotu wirnika. Wiele instytucji naukowych próbuje zniwelować wady konstrukcji wirnika typu Savonius’a. Istotą działania wirnika tego typu jest wykorzystanie sił parcia wiatru, a także jego siły nośnej. Zaletą wirników typu Savonius’a jest wysoki moment startowy, co powoduje częste wykorzystanie do napędzania pomp wodnych.
Silnik wiatrowy typu Darrieus’a w 1931 r. został skonstruowany przez francuskiego inżyniera Georges’a Darrieus’a. Silnik ten wykorzystuje siłę nośną powstałą w wyniku przepływu strugi powietrza wokół profilu o spłaszczonym kształcie. Podstawową jego zaletą jest wręcz zerowy moment startowy. Najczęściej do jego rozruchu wykorzystuje się śliniki elektryczne lub dwa wirnika typu Savonius’a. Silnik wiatrowy typu Darrieus’a posiada bardzo wąskie zastosowanie komercyjne.
Największą grupę wśród produkowanych turbin VAWT są turbiny z rotorem typu H. Wytwarzają one moment napędowy w wyniku działania siły nośnej, powstającej na profilu zbliżonym do płata lotniczego. Rotor typu H można sklasyfikować także jako modyfikacje wirnika Darrieus’a. Najczęściej budowane są one jako dwu-, trzy- lub czteropłaty. Rotory typu H mają zastosowania zarówno w małej energetyce jak i energetyce zawodowej. W ramach rozwoju wirników typu H, powstała koncepcja modyfikacji, która wykorzystuje strumienie powietrza wiejące od dołu. Celem modyfikacji jest zwiększenie zastosowania turbin do pracy w terenach gęsto zabudowanych.
Wirniki świderkowe są pewnego rodzaju „wariacją” wirników Savoniusa. Ich konstrukcja przypomina „kieszenie” rozmieszczone wzdłuż linii śrubowej. „Kieszenie” są pojedynczymi elementami, które łączone tworzą powierzchnie czynną. Atutem konstrukcji jest umiejętność wykorzystania siły wiatru nawet od 1,5 m/s oraz mała zmienność momentu napędowego. Siłownie świderkowe jednego ze skandynawskich liderów produkcji elektrowni wiatrowych o pionowej osi obrotu już przy powierzchni działania wiatru równej 2 m2 osiągają moc 50 W, przy prędkości wiatru 6 m/s. Ich atutem jest bezpośrednie połączenie wirnika z prądnicą. Efektem tego, ograniczona zostaje waga turbiny, co powoduje zmniejszenie kosztów produkcji. Umożliwia to wykorzystywanie siłowni na obiektach użytkowych, wieżach i budynkach, choć najczęściej instaluje się kilka siłowni jednocześnie. Turbiny te nie generują prawie żadnych dźwięków. Ich prosta budowa powoduje iż mogą być dostarczane w paczce do samodzielnego montażu.
PROGRAM PROSUMENT
Wraz z końcem marca 2014 Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej wprowadził w życie programu dofinansowań do mikroinstalacji OZE, Prosument [Prosument 2014]. Beneficjentami programu są osoby fizyczne, spółdzielnie mieszkaniowe, wspólnoty mieszkaniowe oraz jednostki samorządu terytorialnego. Program ma na celu ograniczenie emisji CO2 w wysokości 165 000 Mg oraz zwiększenie rocznej produkcji energii ze źródeł odnawialnych o 360 000 MWh. W ramach programu osoby fizyczne posiadające prawo do dysponowania budynkiem mieszkalnym jednorodzinnym, wybudowanym lub w budowie oraz wspólnoty mieszkaniowe zarządzające budynkami mieszkalnymi wielorodzinnymi będą mogły się starać o dofinansowanie ze środków udostępnionych przez NFOŚiGW. Środki udzielane są w formie pożyczki która wynosi do 100% kosztów kwalifikowanych instalacji wchodzących w skład przedsięwzięcia, w ramach dotacji można taż otrzymać 40% dofinansowania dla instalacji. Musi być to jednak instalacja małej mocy tzw. mikroinstalacja. Małe elektrownie wiatrowe muszą posiadać zainstalowaną moc elektryczną do 40kW. Maksymalna wysokość kosztów kwalifikowanych wynosi 150 tys. zł w przypadku osoby fizycznej oraz 450 tys. zł w przypadku wspólnoty lub spółdzielni mieszkaniowej. Samo oprocentowanie pożyczki w skali roku wynosi 1%, maksymalny okres finansowania pożyczka to 15 lat, a przy jej udzielaniu możliwa jest karencja w spłacie rat kapitałowych, nie dłuższa niż 6 miesięcy od daty zakończenia przedsięwzięcia.
OCENA EFEKTYWNOŚCI ENERGETYCZNEJ WYBRANYCH TYPÓW ELEKTROWNI WIATROWYCH
Przez ocenę efektywności energetycznej elektrowni wiatrowych, rozumie się ilość energii wyprodukowanej przez daną elektrownie w skali roku, przy konkretnych uwarunkowaniach lokalizacyjnych. Energia i prędkość wiatru są bowiem silnie uzależnione od ukształtowania terenu i wysokości wnika nad powierzchnią gruntu. Do analizy wybrano trzy typy elektrowni o pionowej osi obrotu. Wybrane moce znamionowe to:
- 2 kW,
- 3 kW,
- 5 kW.
Zestawienie ich parametrów zawiera poniższa rycina i tabela.
Ryc.1.Porównanie charakterystyk generowanej mocy chwilowej a prędkość wiatru wybranych turbin.
[Opracowanie własne na podstawie AirGenerator 2014]
Tab.1. Zestawienie parametrów technicznych elektrowni.
Źródło: Opracowanie własne na podstawie AirGenerator 2014
Najbardziej miarodajnym i właściwym czynnikiem w ocenie energetycznej elektrowni wiatrowych o pionowej osi obrotu jest roczna wielkość produkcji energii elektrycznej. Aby ocena była jak najbardziej dokładna, w obliczeniach zostały odwzorowane rzeczywiste warunki występujące w dwóch lokalizacjach na terenie Polski, miejskiej, Krakowa i wiejskiej, Rymanowa w województwie podkarpackim.
Tab.2. Zasoby energetyczne wiatru w wybranych miejscowościach.
Źródło: Opracowanie własne na podstawie Soliński I., Ostrowski J., Soliński B., 2010
Przy ocenie zasobów energetyczny wiatru najważniejsza jest średnia roczna prędkość wiatru. Moc strumienia powietrza przepływającego przez daną powierzchnię ilustruje wzór (1). Czynnikiem decydującym o mocy wiatru jest, zatem średnia roczna prędkość wiatru występująca we wzorze (1) w trzeciej potędze.
gdzie:
- P – moc jednostkowa strumienia powietrza inaczej moc surowa (pierwotna)
- – gęstość powietrza, (średnio 1,225 )
- A – powierzchnia [ ]
- V – prędkość wiatru [m/s]
Analizując powyższy wzór można wywnioskować, że dwa razy większa prędkość będzie skutkowała ośmiokrotnym zwiększeniem całkowitej mocy. Dlatego też dużą wagę przykłada się do dokładnego pomiaru prędkości wiatru, bowiem w konsekwencji ma on duży wpływ na opłacalność ekonomiczną danego przedsięwzięcia. Wysokość pomiarów parametrów energetycznych wiatru powinna być równa lub zbliżona do wysokości, na której umieszczona jest oś wirnika elektrowni wiatrowej. Inne zmienne mają mniejszy wpływ na roczną produkcję energii elektrycznej, zależą od najbliższego otoczenia elektrowni. Wysokość osi wirnika jest wartością standardową, najczęściej proponowaną przez producentów w przypadku małych elektrowni wiatrowych. Wyniki obliczeń rocznej wielkość produkcji energii elektrycznej metodą oceny energii wiatru i wydajność elektrowni wiatrowej na podstawie średniorocznej prędkości wiatru i prędkości znamionowej przedstawia ryc. 2.
Ryc. 2. Uśredniona roczna produkcja energii elektrycznej dla wirnika na wysokości 12 m [opracowanie własne].
Na podstawie powyższej ryciny można stwierdzić, że elektrownie wiatrowe o pionowej osi obrotu, usytuowane w miastach, będą mieć znikomo małą produkcja energii elektrycznej. Na taki stan rzeczy składa się niska roczna średnia prędkość wiatru która jest niższa od startowej prędkości wiatru [tab.1]. Z tego też powodu analiza ekonomiczna dla danej lokalizacji nie ma większego sensu, pomimo korzystnych źródeł finansowania przedsięwzięcia inwestycyjnego.
OCENA EFEKTYWNOŚCI EKONOMICZNEJ INWESTYCJI
Ekonomiczna ocena turbin wiatrowych oparta została na zasadach i założeniach, które najczęściej stosuje się przy ocenie projektów i przedsięwzięć inwestycyjnych. Energetyka odnawialna posiada swoją własną specyfikę, wymaga dość wysokich nakładów inwestycyjnych jednakże koszty samej eksploatacji są wręcz znikome. Dla porównania energetyka węglowa posiada całkiem inne proporcje, stosunkowo niskie koszty inwestycyjne zbiegają się z wysokimi kosztami eksploatacyjnymi, generowanymi przez zakup węgla. W ocenie efektywności ekonomicznej turbin wiatrowych o małej mocy, proponuje się zastosowanie następującej metody:
Metody oceny efektywności ekonomicznej przedsięwzięć inwestycyjnych [Soliński I., Ostrowski J., Soliński B., 2010], dzielącej się na:
- metody statyczne
- prosty okres zwrotu nakładów inwestycyjnych
- księgowa stopa zwrotu
- metody dynamiczne
- wartości bieżącej netto przepływów pieniężanach NPV
- wewnętrzna stopa zwrotu IRR
Przy ocenie kosztów inwestycyjnych, brano pod uwagę ceny zakupu elektrowni wiatrowych, które są oferowane w Polsce przez jednego z nielicznych dilerów technologii. Koszty te przedstawia tabela 3.
Tab.3. Porównanie kosztów (w zł) związanych z zakupem elektrowni wiatrowych dla poszczególnych mocy znamionowych.
Źródło: Opracowanie własne
Koszty samej eksploatacji elektrowni wiatrowych są stosunkowo niskie. Założono, że kształtują się one na poziomie 1 % nakładów. Przy założeniu, że gwarancja wynosi 4 lata można stwierdzić, że w trakcie jej trwania koszty eksploatacji nie będą występować. Zakładając także, że w przepisach z projektu ustawy z dnia 28.03.2014 o OŹE [Projekt ustawy o OŹE] producenci energii w mikroinstalacjach zwolnieni zostaną z wymogu posiadania koncesji Prezesa URE na wytwarzane energii elektrycznej z odnawialnych źródeł energii, a także zwolnieni zostaną z obowiązku prowadzenia działalności gospodarczej. Powyższe wymogi zastąpione zostaną odpowiednio przez przedstawienie informacji od operatora dla mikroinstalacji, oraz wpis do rejestru wytwórców energii dla małych instalacji. Nastąpi także całkowite zwolnienie z kosztów przyłączenia do sieci dla mikroinstalacji lub zmniejszenie opłat o połowę dla małych instalacji [Projekt ustawy o OŹE].
Kolejne założenia analizy to:
- wielkość rocznej produkcji energii elektrycznej wyliczona została według powyżej przedstawionej metody,
- cena za 1 kWh będzie składową ceny za sprzedaż i ceny „zaoszczędzonej” poprzez użytkowanie „własnej” energii (tzw. zysk przez oszczędności). Cena za sprzedaż wynosi 15 gr. za 1kWh a cena za „własną” energie wynosi 0,58 gr. za 1kWh (średnia cena za taryfę G11 w 2013). Obydwie ceny uzyskają 4,5%-wy roczny wzrost. Jest to wartość czysto teoretyczna, w głównej mierze zbliżona do średniorocznego wskaźnika cen towarów i usług konsumpcyjnych. W większej perspektywie czasu, może ona ulec znacznym zmianom. Ze względu na specyfikę energii wiatrowej podział cen dokonany został w stosunki 80-20 na korzyść „własnej” energii.
- stopa dyskontowa wynosi 8 %,
- na inwestycje środki będą pochodzić z NFOŚiGW na warunkach, takich jak w programie Prosument [Prosument 2014] wysokość kredytu wynosi 60% całkowitych kosztów inwestycji, 40 % całkowitych kosztów inwestycji będzie w formie bezzwrotnej dotacji,
- okres spłaty kredytu wynosi 15 lat,
- bankowa stopa procentowa kredytu preferencyjnego wynosi 1%,
Dzięki innym zapisom ustawy o OŹE, zniesiony został obowiązek prowadzenia działalności gospodarczej. Dlatego też przychody z tytułu sprzedaży energii w mikro- i niektórych małych instalacjach OZE objętych systemem taryf gwarantowanych, zostały obarczone podatkiem dochodowym w formie ryczałtu od dochodów, który wynosi [Projekt ustawy o OŹE] ;
- podatek w formie ryczałtu od dochodów – 19%,
- okres obliczeniowy eksploatacji wynosi 25 lat,
- nie uwzględnia się czasu budowy, gdyż są to elektrownie proste w budowie i czas ich montażu jest bardzo krótki.
Na podstawie powyższych założeń dokonano oceny efektywności ekonomicznej poszczególnych turbin wiatrowych przyjętych do analizy. Wyniki analizy przedstawione zostały w tab. 4.
Tab.4. Zestawienie wskaźników oceny efektywności ekonomicznej inwestycji dla wybranych mocy znamionowych turbin wiatrowych.
Źródło: Opracowanie własne
Analizując prosty okres zwrotu nakładów kapitałowych dla poszczególnych mocy znamionowych można stwierdzić, że elektrownie wiatrowe o pionowej osi obrotu, zwracają się stosunkowo długo. Najkorzystniejszy okres zwrotu nakładów inwestycyjnych posiada elektrownia o mocy 2 kW, powodem tego są niskie koszty inwestycji, które znacząco wzrastają dla mocy wyższych.
Księgowa stopa zwrotu dla badanych elektrowni potwierdza wnioski z analizy prostego okresu zwrotu nakładów kapitałowych.
Biorąc pod uwagę powyższe wyniki obliczeń należy stwierdzić, że dla elektrowni z pionową osią, o mocy: 2kW i 5kW wartość NPV > 0, czyli stopa rentowności inwestycji jest wyższa od stopy granicznej. Dla elektrowni o mocy 3 kW zaktualizowana wartość kapitałowa netto jest poniżej 0, elektrownia ta w analizowanej konfiguracji jest nieopłacalna w użytkowaniu. Główną przyczyna takiego stanu rzeczy jest nieproporcjonalny wzrost kosztów inwestycyjnych związanych instalacją takiej turbiny do wzrostu generowanej rocznej energii elektrycznej.
Z dwóch opłacalnych ekonomicznie inwestycji, budowa elektrowni o mocy 5 kW jest najkorzystniejsza, bowiem wewnętrzna stopa zwrotu dla tej turbiny osiąga wielkość najwyższą tj. 2,43 %. Jednakże obliczone wewnętrzne stopy zwrotu nie są na tyle wysokie, aby turbiny o mocy 2 kW i 5 kW uznać za bardzo opłacalną inwestycje. Należy też pamiętać o pominiętej w analizie lokalizacji miejskiej. W jej przypadku inwestowanie w technologie turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu było by przysłowiowymi „pieniędzmi wyrzuconymi w błoto”.
PODSUMOWANIE
Podsumowując ocenę możliwości wykorzystania elektrowni wiatrowych o pionowej osi obrotu małej mocy, jako współfinansowanej przez program NFOŚiGW Prosument, należy stwierdzić, że elektrownie wiatrowe bardzo dobrze nadają się do wykorzystania jako przydomowe źródła energii, a co za tym idzie mogą być bardzo skutecznym źródłem dochodów. Elektrownie wiatrowe o pionowej osi obrotu są ciekawym rozwiązaniem na rynku OZE, który ciągle rozwija się bardzo dynamicznie. Co do samej produkcji energii elektrycznej, kluczową sprawą pozostaje posiadanie terenu o odpowiednich warunkach wiatrowych. Z analizowanej literatury i powyższego artykułu można wyciągnąć wniosek, iż aby produkowana ilość energii elektrycznej bilansowała się z kosztami ekonomicznymi, średnioroczna prędkość wiatru musi być wyższa niż 5,5 m/s. Daje to szerokie pole do popisu dla potencjalnych przyszłych „prosumentów”. Na terenie samej małopolski i podkarpacia niewątpliwie znajduje się wiele miejsc o wyższej prędkości rocznej wiatru. Co do kwestii samych lokalizacji miejskich analiza potwierdziła, iż nie jest to dobry teren dla turbin wiatrowych i badania nad tymi lokalizacjami powinny być skierowane w kierunku fotowoltaiki. Jednakże ciekawym rozwiązaniem w stosunku do miast i elektrowni wiatrowych o pionowej osi obrotu może być popularne na zachodzie umieszczanie elektrowni świderkowych na dachach najwyższych budynków, które dodatkowo zasilane są strumieniem powietrza z wyrzutni klimatyzatorów. Brak odpowiednich danych powoduje jednak, iż powyższe stwierdzenie jest tylko teorią.
Z ekonomicznego punktu widzenia elektrownie o pionowej osi obrotu są na tzw. „granicy opłacalności”. Pomimo niewątpliwie korzystnego programy NFOŚiGW Prosument, cena naszej energii elektrycznej jest stosunkowo niska, ma na to wpływ cena węgla kamiennego i brunatnego. Jednak patrząc z „szerszej perspektywy” cena ta nie uwzględnia fundamentalnej różnicy, jaką niewątpliwie stanowi koszt ekologiczny. W przypadku OZE jest on bardzo marginalizowany, wręcz zapominany.
Elektrownie HAWT są niewątpliwie technologią bardzo przyszłościową. Ich rozwój powinien się przede wszystkim skupić na zmniejszeniu kosztów produkcji bądź zmaksymalizowaniu produkcji energii w skali roku, np. poprzez zmniejszenie prędkości startowych dla poszczególnych typów turbin.
Literatura
Program priorytetowy. Wspieranie rozproszonych, odnawialnych źródeł energii. Cześć 4) Prosument – linia dofinansowania z przeznaczeniem na zakup i montaż mikroinstalacji odnawialnych źródeł energii (NFOŚiGW).
Projekt ustawy z dnia 28.03.2014 o odnawialnych źródłach energii, wersja 6.3.
Soliński I.,2014, Potencjał rozwoju energetyki wiatrowej na Podkarpaciu oraz jego ograniczenia, Kraków.
Soliński I., Matusik M., 2014, Inteligentne budynki. Nowe możliwości działania. Pod redakcją J. Mikulika. Kraków.
Soliński I., Ostrowski J., Soliński B., 2010, Energia wiatru. Komputerowy system monitoringu. Wyd. AGH, Kraków.
Ząber., 2012, Małe elektrownie wiatrowe. Biuletyn Informacyjny. Nowy Sącz.
AirGenerator, oferta handlowa 2014. http://generatory-wiatrowe.pl/?page_id=19.5
