Czy wiatraki energetyczne mogą zmienić klimat

Dla wielu młodych ludzi, a pewnie i polityków, wiatraki wydają się być  wentylatorami, tylko takimi bardzo dużymi. Praca wiatraków kojarzyć się wtedy może z przyjemnym chłodzeniem i przewietrzaniem okolicy, a więc z chłodzeniem Ziemi. Czy im więcej wiatraków, tym chłodniejszy powinniśmy mieć klimat? Zanim dowiemy się, jaka jest prawda, poznajmy historię wiatraków.

WIATRAK W KULTURZE.

Podobnie jak młyny wodne, wiatraki budziły powszechną sympatię (jeszcze w ubiegłym wieku nie były instalacjami tak monstrualnymi, jak obecnie). Wiatrak kojarzony był z bogactwem, szczęściem, dobrym współżyciem, miłością. Od drugiej połowy XIX i przez cały XX wiek motyw wiatraka często widniał na kartkach z życzeniami okolicznościowymi, np. z okazji ślubu oraz na pocztówkach.

HISTORIA WIATRAKÓW. 

Wiatrak to rodzaj silnika, maszyna, zamieniająca energię kinetyczną wiatru na ruch obrotowy. Jeśli energia jest wykorzystywana w celu generacji energii elektrycznej, to noszą one nazwę turbin wiatrowych. Istnienie wiatraków w Europie Zachodniej potwierdzają źródła  z końca XII wieku. Z pisanych  źródeł można dowiedzieć się, że wiatraki wykorzystywano na ziemiach polskich już (przynajmniej) w XIII wieku, a zachowane jego ryciny pochodzą z XV wieku. Nie mamy się zatem czego wstydzić. Wiatraki rozwijały się w Europie prawie równolegle z rozwojem młynów wodnych, zaś lokalizacja była kwestią dostępności wiatru lub cieków (a nie ideologii, jak dzieje się to obecnie). Koła wodne były częściej wykorzystywane w młynarstwie oraz w przemyśle hutniczym, przetwórczym i w tartakach. W Polsce, która przez wieki była spichlerzem Europy, wiatraki służyły przede wszystkim do mielenia zboża, w Holandii – do przepompowywania wody. 

Wojny, które przetaczały się przez ziemie polskie, szczególnie pierwsza i druga wojna światowa, dziesiątkowały polskie wiatraki. Przykładowo: w 1939 roku w Polsce działało jeszcze 7000 wiatraków, w czasie wojny uległo zniszczeniu prawie 2/3 z nich . W czasach okupacji Ukrainy przez ZSRR Polska przyjęła emigranta – prof. inż. Jana Szowgeniwa (1874-1943) i zatrudniła w latach 1929-1939 w Ministerstwie Rolnictwa. Opracował w tym okresie w języku polskim m.in. liczącą prawie 200 stronic pracę: Silniki wiatrowe, Wydawnictwo Pol. Komitetu Energet., W-wa, 1932. W związku z postępem młyny wiatrowe (jak i wodne) były stopniowo zastępowane maszynami parowymi, a następnie elektrycznymi. W PRL likwidacja młynów wodnych i wiatrowych była oznaką postępu socjalistycznego. Młynarzy traktowano jak wyzyskiwaczy i kułaków. Wiatraki, turbiny i koła wodne napędzające młyny miały wraz z kapitalizmem odejść w zapomnienie. Czyż ówczesne rewolucyjne hasła nie przypominają tych ekstremistycznych, dzisiejszych – odejścia raz na zawsze od energetyki węglowej? Co ciekawe, wiatraki i małe elektrownie wodne słusznie, lub nie-, ale właśnie przeżywają swój renesans.

ILE ENERGII NIESIE W SOBIE WIATR

Szacuje się, że 1 do 2% energii słonecznej docierającej do powierzchni Ziemi ulega zamianie na energię wiatru. Ze stałej słonecznej wyliczyć można, że moc promieniowania słonecznego docierającego do całej Ziemi (szczytu atmosfery) wynosi 1,74e17 W (czyli 1,74×10 do potęgi 17, czyli 1,74x10exp17 wata). Ziemia wraz z atmosferą odbijają około 30% promieniowania słonecznego. Energia niesiona przez słoneczne promieniowanie elektromagnetyczne ulega zamianie na różna rodzaje energii, z tego, jak wspomniano wyżej, wiatr napędzany może być  1-2% z mocy 1,2e17W, co wynosi 1200-2400 TW (Tera = 1012, czyli 10e12, czyli 10 do potęgi 12 wata). Wiatr – ruch atmosfery zatem niesie z sobą potężną ilość energii kinetycznej. Jaką część energii wiatru może człowiek wykorzystać bez uszczerbku dla homeostazy Ziemi: równowagi ekosystemów Ziemi i jej bilansu energetycznego? W tym opracowaniu nie będzie wszystkich odpowiedzi, część stanie się zrozumiała dopiero po zapoznaniu się z przygotowywaną kolejną publikacją.

SPRAWNOŚĆ ENERGETYKI WIATROWEJ.

Określenie sprawności energetyki opartej o panele fotowoltaiczne jest banalne i zostało opisane w poprzednich rozdziałach „Panele fotowoltaiczne, czyli jak wydać środki unijne na ogrzanie klimatu” (realna ich sprawność wynosi ok. 14%, zaś ponad 80% służy natychmiastowemu ogrzaniu klimatu). W przypadku wiatraków sprawność jest bardziej złożona. W  oparciu o: Kożuchowski K., „Meteorologia i klimatologia” oraz opracowanie Powiślańskiej Regionalnej Agencji Zarządzania Energią, „Wiatraki energią przyszłości„,

 http://www.praze.pl/UserFiles/File/Pakiety/5/5.5/wiatraki.pdf , 

na sprawność elektrowni wiatrowej  składa się iloczyn sprawności strumieniowej (stopień wykorzystania mocy wiatru przez wirnik)  ηs – poniżej 60%), sprawności mechanicznej  ηm , sprawności aerodynamicznej  ηa , sprawności generatora  ηg . Podana w wymienionym wyżej opracowaniu moc, jaką można uzyskać, mieści się w zakresie 23,7 do 47,4%. Moc użyteczna uległa zmniejszeniu z powodu (źródło j.w.): tarcia powietrza o łopaty, wyrównywania ciśnienia po obu stronach łopat, zawirowań strumienia powietrza  za wirnikiem – turbulencji, niewykorzystania środkowej części wirnika, częściowego odpływu powietrza poza wirnikiem,  wzajemnego oddziaływania łopat. Tak liczona sprawność przy prostym porównaniu z nowoczesnymi blokami nadkrytycznymi elektrowni węglowej wychodzi na korzyść elektrowni węglowej. Nie jest to jednak porównanie adekwatne. Pozostała energia nie ulega całkowitej zamianie na ciepło. Część pozostaje jako energia wiatru poruszającego się z mniejszą już prędkością poza turbiną. Cała reszta ulega zamianie na ciepło, które z punktu widzenia klimatu wydaje się najważniejsze. Gdyby pominąć strumień wiatru, który ze swoją energią kinetyczną przedostaje się poza wiatrak, sprawność elektrowni wiatrowej może osiągać ponad 50%, a to by plasowało energetykę wiatrową na poziomie lub nawet minimalnie wyżej, aniżeli nowoczesna energetyka węglowa. Wspomniana część „osłabionego” wiatrakiem wiatru w dalszym ciągu może służyć chłodzeniu powierzchni Ziemi, lecz z wyraźnie mniejszą już skutecznością. Już wiele lat temu  obserwowano w okolicach farm wiatrowych wzrost temperatury o ok.2 °C.  Sprawność energetyczna wiatraków nie jest tego jedyną przyczyną.

WPŁYW WIATRAKÓW NA TEMPERATURĘ PRZYPOWIERZCHNIOWĄ

Definicja klimatu obejmuje szereg parametrów, w tym temperaturę, nasłonecznienie, wilgotność, siłę wiatru. Alarmiści klimatyczni eksponują temperaturę i jej wzrost, fałszywie oskarżając o to zjawisko dwutlenek węgla. Temperatura jest mierzona na wysokości 2 m od podłoża. Jest to wysokość stanowiąca ułamek wysokości wiatraków energetycznych. 

Wiatrak nie tylko uwalnia ciepło nieużyteczne, wynikające z jego sprawności energetycznej jako maszyny (co przedstawiono powyżej).

Jak to zostało opisane w rozdziale „Antropogeniczne zaburzenie cyrkulacji atmosfery przyczyną globalnego ocieplenia”, wiatrak energetyczny, a szczególnie ich szereg w postaci tzw. farm wiatrowych stanowi przeszkodę dla naturalnego przepływu mas powietrza. Upośledza to możliwości rozpędzenia się wiatru, chłodzenia ewaporacyjnego powierzchni oraz przeniesienia ciepła na większe wysokości. Zapewne, podobnie jak w przypadku ściany wieżowców, działa też efekt fenu za przeszkodą. Co więcej, ponieważ wraz z wysokością następuje naturalny spadek temperatury, w przypadku sztucznej przeszkody temperatura powinna być mierzona na poziomie wysokości przeszkody, gdyż ekstrapolując w dół, otrzymujemy zawyżone wyniki w odniesieniu do klimatu. 

INTERAKCJA WIATRU I WIATRAKÓW

Wiatraki to konstrukcje osiągające 250 m wysokości. Są zatem porównywalne do najwyższych drapaczy chmur. Nie są tak szczelne wobec wiatru jak wzgórze lub bariera szeregu wieżowców, bo przepuszczają pomiędzy łopatami ponad 40% pierwotnego wiatru, który za wiatrakiem ma już mniejszą prędkość. Analogicznie, jak w przypadku wzgórza lub szeregu wieżowców, w przypadku farm wiatrowych obserwowany jest wzrost ciśnienia od strony dowietrznej, spadek ciśnienia po stronie zawietrznej, szybszy przepływ wiatru nad i pomiędzy wiatrakami. Obserwowany też jest wzrost temperatury po stronie zawietrznej. Wprawdzie brak jest badań dotyczących zwiększenia ilości opadów od strony dowietrznej i zmniejszenia wilgotności po stronie zawietrznej, należy domniemywać, że duże farmy wiatrowe, szczególnie te leżące nad brzegami mórz i oceanów też są źródłem ciepłego wiatru – fenu , podobnie, jak ściany wieżowców (patrz rozdział: „Zaburzenie cyrkulacji atmosfery przyczyną globalnego ocieplenia”).

ZAGROŻENIA WIATRAKÓW DLA SYSTEMU ENERGETYCZNEGO

Sprawność energetyczna wiatraków, czyli straty ciepła przy produkcji energii elektrycznej, jest podobna do strat powodowanych przez elektrownie węglowe, innymi słowy uwalnianie ciepła odpadowego przez te dwa rodzaje elektrowni są zbliżone. Czy wiatraki to aż tak dobre źródło elektryczności? Istnieje problem, który wobec wiatraków wywołał w Niemczech wiele dyskusji. Z powodu lepkości powietrza, która hamuje przepływ wiatru blisko gruntu, optymalny pod względem energii strumień wiatru znajduje się na wysokości około 250 m od podłoża. Dlatego współczesne wiatraki osiągają taką wysokość. Im więcej farm wiatrowych i im więcej wieżowców na drodze, tym wyżej będzie uniesiony ten poziom strumienia energii wiatru powyżej szczytów wiatraków. Wiatraki zbyt zagęszczone nie będą dostawały wystarczającej energii do produkcji elektryczności. Ważniejszym problemem jest fakt, że wiatr raz wieje, innym razem – nie. Wiatraki są niestabilnym źródłem energii. Aby zapewnić ciągłość i stabilność dostaw energii potrzebne są albo potężne magazyny energii, albo rezerwa elektrowni konwencjonalnych, zapewniających ciągłość dostaw energii także w czasie ciszy wiatru. Podobny, choć znacznie większy, problem występuje w przypadku farm fotowoltaicznych, gdzie też musi być zapewniona ciągłość dostaw energii, obojętnie, czy słońce świeci, czy nie. Spośród energetyki konwencjonalnej najbardziej wrażliwe na nagłe zmiany zapotrzebowania są elektrownie atomowe. Awaria takiej elektrowni może być niezwykle groźna. Być może Niemcy i z tego powodu zrezygnowali z energetyki atomowej, utrzymując jako bufor dla niestabilnych OZE wciąż potężne elektrownie węglowe, opalane węglem własnym lub paliwem importowanym w oparciu o wieloletnie kontrakty. 

MAGAZYNY ENERGII

Ten problem dotyczy i elektrowni wiatrakowych i fotowoltaicznych. Więcej o magazynach energii czytelnik znajdzie w osobnym rozdziale Magazyny energii.

ZAGROŻENIA ŚRODOWISKOWE WIATRAKÓW

– Zwolnienie przepływu wiatru zaburza temperaturę przy powierzchni gruntu.

• Zwolnienie prędkości wiatru zmniejsza parowanie wody z gleb lub wód.- Nad lądami od 1979 r. zaobserwowano spadek prędkości przypowierzchniowych wiatrów o 15%, przy pewnym wzroście nad oceanami (Vautard R., Cattiaux J., Yiou P., Thepaut J.M., Ciais P., Northern Hemisphere atmospheric stilling partly attributed to an increase in surface roughness, Nature. Geoscience, vol.3, p.756.)

– Infradźwięki emitowane przez wiatraki rozprzestrzeniają się w atmosferze nad powierzchnią wody i w samej wodzie. Działają nie tylko na wrażliwe zwierzęta; przy dłuższym narażeniu mogą niekorzystnie wpływać na samopoczucie ludzi. 

(Kudźma Z., Stosiak M., Reduction of infrasounds in machines with hydrostatic drive, Acta of Bioengineering and Biomechanics, Vol. 15, No. 2, 2013, Department of Hydraulic Machines and Systems, Institute of Machines Design and Operation, Wrocław University of Technology, Poland).

– infradźwięki są drogą porozumiewania się wielorybów.

Tylko w 2018 toku liczbę wielorybów, które zginęły u wybrzeży Wielkiej Brytanii i Irlandii, szacuje się na blisko 1000 (Endfield J., Whale Deaths And Wind Farms – The Facts That Cannot Be Ignored, 2018, http://jasonendfield.weebly.com/home/whale-deaths-and-wind-farms-the-facts-that-cannot-be-ignored). Marynarka brytyjska (Royal Navy) zaprzecza, aby to ich sonary stały za tym zjawiskiem. Przypuszcza się, że „samobójstwa” tych zwierząt, jakie obserwowane są od lat 80 -tych ub. wieku, mogą mieć związek z zaburzeniem przez farmy wiatrowe ich systemu porozumiewania się. Bardziej jednak prawdopodobna wydaje się hipoteza odnosząca się do częstotliwości rezonansowych narządów ssaków morskich. W przypadku ludzi częstotliwości rezonansowe dla różnych organów znajdują się w zakresach od kilku do kilkudziesięciu Hz i obejmują infradźwięki (poniżej 20 Hz) i najbliższe częstotliwości akustyczne do około 200 Hz. Wibracje w zakresach częstotliwości rezonansowych poszczególnych organów człowieka wywołują nie tylko dyskomfort, ale mogą nawet doprowadzić do śmierci. Niestety, walenie nie powiedzą człowiekowi, dlaczego decydowały się na ucieczkę z wody na ląd, co okazywało się dla nich śmiertelne. 

– Wzrost temperatury w pobliżu farm wiatrowych, wynikający z ich sprawności oraz efektu fenu sięga łącznie okolo 2°C. Globalne ocieplenie o niespełna 1°C wcale nie musi być tak szkodliwe, jak straszył Al. Gore (intencje, jakie jemu, Rajendrze Pachauri i kilku innym, możnym a interesownym tego świata przyświecały, zostały częściowo przedstawione w innych rozdziałach). Wiek temu Arrhenius, przedstawiając swoją hipotezę naukową opartą o wynalezienie nieco wcześniej spektroskopu o możliwym wpływie CO2 na klimat, oczekiwał korzystnego dla klimatu podwyższenia temperatury szczególnie w takich krajach jak Szwecja i Norwegia. Globalne ocieplenie nastąpiło faktycznie. Korzyści z pewnością odniosły dodatkowo Alaska, Rosja, Grenlandia, Finlandia. Korzyść odniosła nawet Polska przez wydłużenie okresu wegetacyjnego o 3 dni w roku. Tyle, że przyczyny tego ocieplenia nie są spowodowane przez CO2, o czym mowa w innych rozdziałach.

– Ponieważ wiatr raz wieje, raz – nie, energetyka wiatrowa wymaga dublowania przez równolegle pracujące inne elektrownie. Okazuje się, że fotowoltaika nie jest do końca kompatybilna z wiatrakami, bo maksimum wydajności nie uzupełnia się czasowo, czego chcieliby fani OZE, a wykazał to w swoim „Raporcie o energetyce” Marek Zadrożny w 2021 roku. Dublowanie pracy przez energetykę węglową/gazową, nawet na biegu jałowym związane jest z emisjami CO2, które podobno (jak twierdzą spekulanci od świadectw emisyjnych CO2 (ETS)) miałyby być przyczyną globalnego ocieplenia. Z kolei, utrzymywanie elektrowni atomowej, jako źródła energii rezerwowej wobec OZE jest skrajnie niebezpieczne w związku z możliwością awarii w razie nieciągłej ich pracy. 

WNIOSKI:

1. Wiatraki mają wpływ na globalne ocieplenie poprzez swoją sprawność i jest to wpływ zbliżony do elektrowni węglowych, ale wyraźnie łagodniejszy od paneli fotowoltaicznych. 
2. Energetyka wiatrowa z pewnością jeszcze będzie się rozwijać w krajach, gdzie są najdogodniejsze warunki wietrzności. Polska nie należy do krajów o szczególnej wietrzności, jakkolwiek energia wiatru jest możliwa do wykorzystania.3. Największe niebezpieczeństwo, do jakiego może doprowadzić masowe instalowanie wiatraków, wiąże się z zaburzeniem cyrkulacji atmosfery. Granice rozwoju wynikają z hamowania poziomych ruchów powietrza, podobnie, jak dzieje się to wskutek budowy wieżowców o podobnej wysokości. Konsekwencją zmniejszenia intensywności cyrkulacji atmosfery może się stać stopniowy wzrost temperatury przyziemnej jej warstwy i tym razem niepohamowane już globalne ocieplenie.PODATKI. Jedynym uczciwym ekologicznie rozwiązaniem podatkowym jest równy podatek od każdej formy przetwarzanej energii, a nie wybiorczo od takiej czy innej, gdyż wszystkie, bez wyjątku powodują ocieplenie klimatu.