Energia wiatrowa wyróżnia się jako jeden z najszybszych sposobów wytwarzania zielonej energii. Przedsiębiorstwa energetyczne wykorzystują dwa główne podejścia: instalacje lądowe (onshore) i morskie (offshore).
Lądowa energia wiatrowa (onshore)
Wytwarzanie energii elektrycznej za pomocą turbin zlokalizowanych na lądzie definiuje lądową energetykę wiatrową. Turbiny te pracują zazwyczaj na obszarach wiejskich, gdzie prędkości wiatru są wyższe, a przeszkód jest niewiele. Technologia ta przeszła imponującą ewolucję od 1887 roku. Mała turbina profesora Jamesa Blytha wytwarzała energię elektryczną w Szkocji, ale komercyjna energetyka wiatrowa faktycznie rozpoczęła się w 1991 roku. Tylko w Wielkiej Brytanii działa obecnie ponad 2 600 lądowych projektów wiatrowych. Ich łączna moc przekracza 15 GW. W nowoczesnych instalacjach turbiny mają przeciętnie 98 metrów wysokości, a długość łopat sięga 50 metrów. Dzisiejsze turbiny lądowe osiągają moc od 2,5 do 3 MW.
Morska energia wiatrowa (offshore)
Wiatry wiejące nad oceanami i morzami napędzają morskie instalacje wiatrowe. Tego typu systemy korzystają z silniejszych i bardziej stabilnych prędkości wiatru, bez przeszkód terenowych, które mogłyby zakłócać jego przepływ. Jak wysokie są te turbiny? Turbiny offshore górują nad swoimi lądowymi odpowiednikami, osiągając około 190 metrów wysokości. Koszty budowy i utrzymania morskich farm wiatrowych są wysokie, ale mimo to przekształcają one oblicze sektora odnawialnych źródeł energii. Brytyjska farma Hornsea 2 jest obecnie największą morską farmą wiatrową na świecie. Jej 165 turbin generuje 1 320 MW – wystarczającą ilość energii, by zasilić 1,4 miliona gospodarstw domowych.
Oba typy instalacji odgrywają kluczową rolę w globalnej transformacji energetycznej, choć różnią się skalą, efektywnością i ekonomią. Ostatnia dekada pokazuje imponujący obraz: globalna moc zainstalowana morskich turbin wiatrowych wzrosła o 97% w latach 2010–2021. Średnice wirników tych turbin stale przewyższają wartości osiągane w instalacjach lądowych.
Porównanie energetyki wiatrowej z innymi odnawialnymi źródłami energii pokazuje, że innowacje i postęp w tej dziedzinie rozwijają się w niezwykle szybkim tempie.
Czym jest lądowa energia wiatrowa (onshore)?
Turbiny wiatrowe na lądzie wychwytują energię kinetyczną przemieszczającego się powietrza i przekształcają ją w energię elektryczną. To odnawialne źródło energii działa w oparciu o prosty mechanizm – wiatr wprawia w ruch duże łopaty turbiny, które obracają generator wytwarzający energię elektryczną.
Lądowe turbiny wiatrowe występują w dwóch głównych typach:
-
- Trójłopatowe turbiny o poziomej osi obrotu, ustawione przodem do kierunku wiatru
- Różne rodzaje turbin o pionowej osi obrotu, w tym konstrukcje typu „eggbeater”, które pracują niezależnie od kierunku wiatru
Turbiny te wymagają prędkości wiatru w zakresie od 11 km/h do 90 km/h, aby działać efektywnie. Najwyższą sprawność osiągają przy prędkości 30 km/h, a maksymalną moc generują przy 44 km/h. Wytworzona energia elektryczna trafia do transformatora, który podnosi napięcie przed podłączeniem do sieci elektroenergetycznej.
Typowa farma wiatrowa rozmieszcza wiele turbin na dużym obszarze. Każda turbina ma specjalnie zaprojektowane łopaty, które mogą obracać się już przy prędkościach wiatru od 11 km/h. Łopaty połączone są z piastą poprzez wały, a przekładnia zwiększa prędkość obrotową przed jej przekazaniem do generatora.
Energetyka wiatrowa na lądzie rozwija się szybciej niż większość innych technologii odnawialnych. Lądowe projekty wiatrowe są łatwiejsze w realizacji i tańsze w utrzymaniu niż instalacje offshore. Takie farmy dobrze współpracują z innymi OZE, na przykład z panelami fotowoltaicznymi. Zintegrowane elektrownie wiatrowo-słoneczne zwiększyły moc wiatrową o 2,6 GW w 2022 roku.
Czym jest morska energia wiatrowa (offshore)?
Morska energia wiatrowa wykorzystuje wiatry wiejące nad zbiornikami wodnymi – przede wszystkim morzami i oceanami – do wytwarzania energii elektrycznej. Instalacje na morzu korzystają z wyższych i bardziej stabilnych prędkości wiatru, ponieważ brak jest fizycznych barier, co pozwala na bardziej efektywną produkcję energii.
Chiny (49%), Wielka Brytania (22%) i Niemcy (13%) dominują na globalnym rynku morskiej energetyki wiatrowej, odpowiadając łącznie za ponad 75% wszystkich instalacji na świecie. Łączna globalna moc zainstalowana osiągnęła 64,3 GW do 2022 roku. Brytyjski projekt Hornsea Project Two, generujący 1,4 GW, jest obecnie największą morską farmą wiatrową na świecie.
Morskie instalacje wiatrowe występują w dwóch głównych formach:
-
- Turbiny na stałych fundamentach, zakotwiczonych w dnie morskim na stosunkowo płytkich wodach (do 60 m głębokości)
- Pływające turbiny wiatrowe przeznaczone do głębszych wód, wciąż znajdujące się na wcześniejszych etapach rozwoju
Proces wytwarzania energii elektrycznej rozpoczyna się, gdy wiatr wprawia w ruch łopaty turbiny. Ruch ten przenoszony jest przez wał napędowy do magnesów wewnątrz cewek przewodzących i w ten sposób powstaje prąd elektryczny. Energia jest następnie przesyłana podmorskimi kablami do morskich stacji transformatorowych, gdzie napięcie jest podwyższane, aby umożliwić efektywną transmisję do sieci na lądzie.
Zalety morskich farm wiatrowych w porównaniu z lądowymi to:
-
- Dwukrotnie większy potencjał energetyczny dzięki silniejszym i bardziej stabilnym wiatrom morskim
- Minimalny wpływ wizualny i akustyczny na obszary zamieszkane
- Możliwość stosowania większych turbin i budowy rozleglejszych farm wiatrowych
Technologia ta stała się konkurencyjna cenowo względem konwencjonalnych źródeł energii już w 2017 roku, pomimo wyższych kosztów początkowych. Rozwój ten sprawia, że morska energetyka wiatrowa staje się coraz ważniejszym elementem globalnej transformacji w kierunku czystej energii.
Energia wiatrowa onshore vs offshore: kluczowe różnice
Energia wiatrowa onshore i offshore różnią się pod wieloma względami, nie tylko lokalizacją instalacji.
Najbardziej widoczna jest różnica w rozmiarach. Turbiny offshore osiągają wysokość 260 metrów, a długość ich łopat dochodzi do 150 metrów. Te gigantyczne konstrukcje są około 3,5 raza większe od swoich lądowych odpowiedników. Ile energii produkują takie turbiny? Oznacza to, że pojedyncza turbina offshore generuje 8–12 MW, podczas gdy modele lądowe wytwarzają 2,5–3 MW.
Surowe warunki środowiska morskiego wpływają także na dobór materiałów. Turbiny offshore wymagają specjalnych, odpornych na korozję gatunków stali. W przypadku turbin lądowych wystarczają standardowe stale w połączeniu z żywicą z włókna szklanego, żelazem, miedzią i aluminium.
Równie interesujące są kwestie finansowe. Lądowe farmy wiatrowe są tańsze w budowie, a małe turbiny wiatrowe – jeszcze bardziej dostępne kosztowo. Projekty offshore wymagają złożonej infrastruktury, co znacząco podnosi nakłady inwestycyjne, choć nowe technologie stopniowo zmniejszają tę różnicę.
Dane pokazują, że farmy wiatrowe offshore osiągają lepsze wyniki eksploatacyjne. Pracują ze współczynnikiem wykorzystania mocy na poziomie 38%, w porównaniu z 24% w przypadku instalacji lądowych. Wynika to z faktu, że wiatry nad oceanem wieją silniej i bardziej równomiernie, bez przeszkód terenowych.
Z punktu widzenia bezpieczeństwa przewaga leży po stronie instalacji lądowych, ponieważ podmorskie kable przesyłowe mogą stać się celem sabotażu. Dodatkowo projekty lądowe, w tym oparte na małych turbinach wiatrowych, częściej angażują lokalne społeczności, podczas gdy przedsięwzięcia offshore wymagają zwykle dużego kapitału korporacyjnego.
Oba typy turbin rozwijają się obecnie w bardzo szybkim tempie. Eksperci przewidują, że do 2050 roku zainstalowana moc lądowej energetyki wiatrowej osiągnie 5 044 GW, podczas gdy moc instalacji offshore powinna zbliżyć się do 1 000 GW.
Zalety i wady
Systemy energii wiatrowej dzielą się na dwa główne typy – lądowe i morskie. Każdy z nich oferuje unikalne korzyści i mierzy się z innymi wyzwaniami, które wpływają na jego efektywność.
Lądowe farmy wiatrowe wyróżniają się korzystniejszą ekonomią. Koszty inwestycyjne są zdecydowanie niższe niż w przypadku instalacji morskich. Takie systemy można zrealizować w ciągu zaledwie kilku miesięcy, a ich podłączenie do istniejącej sieci elektroenergetycznej jest stosunkowo proste. Ślad węglowy pozostaje niski i wynosi około 9 gCO2/KWh, co jest znacznie lepszym wynikiem niż w przypadku elektrowni gazowych (450 gCO2/KWh) i węglowych (1 050 gCO2/KWh).
Morskie farmy wiatrowe wykorzystują natomiast lepsze warunki wiatrowe. Prędkość wiatru ma ogromne znaczenie dla ilości produkowanej energii. Turbina może wytworzyć dwukrotnie więcej energii przy wietrze o prędkości 15 mil na godzinę niż przy 12 milach na godzinę. Instalacje na morzu, wyposażone w większe turbiny i pracujące w strefach silniejszych, bardziej stabilnych wiatrów, często generują dwukrotnie więcej energii niż ich lądowe odpowiedniki.
Każdy typ napotyka też specyficzne wyzwania. W przypadku dużych lądowych projektów wiatrowych częste są obawy społeczności lokalnych dotyczące wpływu na krajobraz oraz konieczność utrzymania rezerwowych mocy z paliw kopalnych, gdy prędkości wiatru są niskie. Projekty morskie wymagają skomplikowanych prac budowlanych, szczególnie na głębokościach przekraczających 200 stóp, a także wiążą się z istotnie wyższymi kosztami budowy i eksploatacji.
Wpływ środowiskowy obu typów instalacji również jest zróżnicowany. Farmy wiatrowe w różny sposób oddziałują na lokalne ekosystemy i dziką przyrodę. Badania pokazują, że niektóre gatunki mają trudności z adaptacją, podczas gdy inne korzystają z nowych sztucznych raf, które tworzą się wokół konstrukcji.
Tabela porównawcza: onshore vs offshore
Między tymi dwoma typami energetyki wiatrowej istnieje wyraźna różnica, co dobrze ilustrują globalne dane dotyczące mocy zainstalowanej. Moc lądowej energetyki wiatrowej osiągnęła 1 053 GW, podczas gdy moc instalacji offshore wynosi 79,4 GW (stan na 2024 rok). Poniższe zestawienie pokazuje zasadnicze różnice między tymi podejściami do wytwarzania energii odnawialnej:
| Cecha | Energia wiatrowa onshore | Energia wiatrowa offshore |
| Wysokość turbiny | ~98 metrów | ~190 metrów (do 260 metrów) |
| Długość łopaty | ~50 metrów | Do 150 metrów |
| Moc turbiny | 2,5–3 MW | 8–12 MW |
| Współczynnik wykorzystania mocy | 24% | 38% |
| Czas realizacji inwestycji | 3 lata i 8 miesięcy | 7–11 lat |
| Koszt na 1 MW | 3,13 mln USD | 4,49 mln USD |
| LCOE (2023) | 0,033 USD/kWh | 0,075 USD/kWh |
| Wymagane materiały | Standardowa stal, żywica z włókna szklanego | Wysokowytrzymała stal odporna na korozję |
| Wymagane prędkości wiatru | 7–56 mph (optymalnie przy 18 mph) | Wyższe i bardziej stabilne prędkości wiatru |
| Kluczowe zalety | – Niższe koszty kapitałowe
– Szybsza realizacja inwestycji – Mniejsze potrzeby serwisowe – Łwiejsze przyłączenie do sieci |
– Stabilniejsze i silniejsze wiatry
– Dwukrotnie wyższa produkcja energii – Mniejszy wpływ wizualny i hałasowy na obszary zamieszkane – Wyższa moc jednostkowa turbin |
| Kluczowe wyzwania | – Obawy społeczności dotyczące wpływu na krajobraz
– Zmienna generacja mocy – Ograniczona dostępność terenów pod inwestycje |
– Złożone wymagania budowlane
– Wysokie koszty utrzymania – Zaawansowane wymagania infrastrukturalne – Wrażliwość podmorskich kabli na uszkodzenia |
Morskie instalacje zapewniają bardziej stabilną produkcję energii przy wyższej sprawności, ale wymagają większych nakładów kapitałowych. Dania jest liderem w Europie, osiągając najniższy LCOE dla morskiej energetyki wiatrowej na poziomie 0,053 USD/kWh. Obie technologie odegrają kluczową rolę w przyszłości, ponieważ przewiduje się, że do 2050 roku energia wiatrowa będzie odpowiadać za 35% globalnej produkcji energii elektrycznej.
