Spółki informują o kolejnych etapach budowy pierwszy polskich morskich farm na Bałtyku. Trwa pierwsza faza budowy offshore, zarówno inwestorzy, jak i decydenci mówią zaś już o trzeciej. W przypadku budowy MFW blisko siebie może powstać ślad aerodynamiczny, gdy jedna farma przysłania drugą.
Kluczową częścią polskiej transformacji energetycznej są morskie farmy wiatrowe. Dowodem na to są deklaracje Orlenu, który współtworzy pierwszą polską morską farmę wiatrową Baltic Power, mającą zaspokoić trzy procent polskiego zapotrzebowania na energię elektryczną. Oprócz koncernu z Płocka wiatraki na Bałtyku planują stawiać Polska Grupa Energetyczna i Polegeneria. Pierwsza morska farma wiatrowa ma Polsce dostarczyć energię w 2026 roku.
Przesycenie obszaru morskiego wiatrakami może jednak powodować narastanie śladu aerodynamicznego (ang. wake effect). Chociaż ten może występować również w ramach jednej farmy wiatrowej, gdy część turbin przysłania inne (efekt będzie jednak słabszy niż przy przysłonięciu przez inną MFW). Wake effect w uproszczeniu polega on na tym, że wiatr napędzający turbiny wytraca energię kinetyczną, przez co wiatraki będące dalej otrzymują jej mniejszą ilość i mniej generują.
Wspomniany efekt stanowił podłoże konfliktu między holenderskim a belgijskimi firmami z sektora offshore. Zjawisko śladu aerdynamicznego (tudzież zacienia) w rozmowie z Biznes Alert komentują profesor Paweł Flaszyński z Polskiej Akademii Nauk (PAN) i Marceli Tauzowski starszy kierownik ds. analityki i optymalizacji morskich farm wiatrowych PGE Baltica, starszy kierownik ds. analityki i optymalizacji morskich farm wiatrowych PGE Baltica.
– Mowa o efekcie występowania śladów aerodynamicznych za turbinami wiatrowymi. Turbiny zlokalizowane na farmie, tworzące grupę/klaster, zachowują się jak każdy obiekt opływany powietrzem. Obecność grupy turbin powoduje zmianę w prędkości w otoczeniu całej farmy, a dodatkowo część energii kinetycznej wiatru jest przejmowana przez wirniki turbin. Turbiny wiatrowe są położone w dużych odległościach od siebie, ale na tyle małych, że oddziaływanie pomiędzy turbinami są znaczące, a cały klaster zachowuje się jak obiekt o bardzo dużej porowatości – mówi profesor Flaszyński.
Zjawisko wyjaśnia powyższy rysunek, który przedstawia dwie sytuację. Pierwsza zakłada, że na obszarze znajduje się tylko jedna morska farma wiatrowa (farma A), a w drugim, że przed nią postawiono farmę B.
– Na tym przykładzie przedstawiono sytuację, gdy wszystkie turbiny są ustawione w rzędach zgodnie z kierunkiem wiatru (od lewej do prawej). To skrajna sytuacja, która bardzo rzadko występuje na farmach, ale prezentuje kumulację efektu oddziaływania śladów aerodynamicznych turbin. Kolor charakteryzuje prędkość wiatru wyznaczoną w oparciu o uproszczone modele obliczeniowe. Na dolnym rysunku widoczne jest obniżenie prędkości wiatru za farmą B, co wpływa na produktywność farmy A. Obniżenie prędkości jest silnie zależne od konfiguracji farmy, róży wiatrów oraz warunków atmosferycznych (stanu atmosferycznej warstwy przyściennej, turbulencji). Operatorzy farm projektują tak ustawienie turbin, aby minimalizować oddziaływanie turbin na farmie – wyjaśnia profesor PAN.
– Często zapomina się, że do blokowania i spadku prędkości dochodzi nie tylko po przejściu strumienia powietrza przez wirnik, ale również przed samą turbiną. Zgodnie z prawem Betza – prędkość powietrza za turbiną zmniejsza się do jednej trzeciej prędkości przed turbiną, a biorąc pod uwagę moc wiatru, która zmienia się proporcjonalnie do trzeciej potęgi jego prędkości, wpływ zjawiska zacienienia turbin na ich pracę i w efekcie na produkcję energii jest niebagatelny – zauważa Marceli Tauzowski z PGE Baltica.
Kluczowy jest plan
Mimo, że same morskie wiatraki są stosunkowo statyczne, to ich turbiny mogą być w ograniczonym zakresie rotowane, w zależności od potrzeby. Dodatkowo same straty wynikłe ze śladu aerodynamicznego można zminimalizować na etapie projektu.
– Już na etapie planowania layoutu, czyli rozstawienia turbin wiatrowych na obszarze farmy, można wpłynąć na ograniczenie strat aerodynamicznych. Ich wielkość zależy od tego, jak daleko od siebie stoją turbiny, jak są rozstawione względem siebie i innych farm w okolicy. Jednak nie tylko odległości mają znaczenie. Kluczowe są również parametry turbin zarówno w obrębie farmy, jak i tych sąsiadujących, takie jak średnica wirnika, wysokość wieży i to jak duży jest miks, czyli różnice w rozmiarach poszczególnych turbin. Te czynniki wpływają na sposób, w jaki wiatr przepływa przez farmę i jak szybko regeneruje się za każdą turbiną – wyjaśnia Tauzowski w rozmowie z redakcją.
Profesor Paweł Flaszyński wyjaśnia, że ograniczenie śladu aerodynamicznego jest możliwe i wymaga analiz „w oparciu o dane meteorologiczne dla danych lokalizacji i konfiguracji farm oraz wykorzystania modeli obliczeniowych umożliwiających przewidywanie zjawisk przepływowych w otoczeniu farmy”.
– Najbardziej optymalny model zachowania odległości między turbinami – taki, który teoretycznie byłby najbardziej efektywny pod względem minimalizacji strat aerodynamicznych – jest w praktyce bardzo trudny do zastosowania ze względu na ograniczenia przestrzenne, środowiskowe i ekonomiczne. W projektach farm wiatrowych na Bałtyku najczęściej stosuje się konfiguracje, które są kompromisem między efektywnością a dostępną powierzchnią na morzu, czyli zwiększenie zagęszczenia turbin na farmie, choć kosztem nieco większych strat wynikających z oddziaływań aerodynamicznych między turbinami – dodaje ekspert PGE.
Przesycenie Bałtyku wiatrakami
Powstające obecnie morskie farmy wiatrowe są elementem pierwszej fazy, zarówno rząd jak i branża wspominają już o trzeciej. Z każdą następną inwestycją będzie rosło ryzyko wystąpienia śladu aerodynamicznego.
– Choć sytuacja na Bałtyku nie jest jeszcze tak zaawansowana pod względem zagęszczenia projektów jak na Morzu Północnym, gdzie efekt zacienienia i konkurencja przestrzenna są znacznie bardziej odczuwalne, to już teraz widać, że planowanie przestrzenne i koordynacja projektów stają się kluczowe – zauważa ekspert PGE.
Zgodnie z polską polityką energetyczną na Bałtyku do 2040 roku może powstać do kilkunastu nowych projektów o łącznej mocy 18 GW.
– To ogromna szansa, ale jednocześnie duże wyzwanie, zarówno pod względem technicznym, jak i regulacyjnym – zauważa Marceli Tauzowski z PGE.
Marcin Karwowski
