Szélenergia Dr. Dióssy László c. egyetemi docens

A legősibb rendszer A vízenergia mellett a legrégebben használt energiaátalakítási rendszer. (Szélenergia  mozgási energia)

A szél keletkezése A szél mozgási energiájának felhasználása A szélkerék telepítésének feltételei

Megújuló energiák részesedése a világ enegiaellátásából 2040-ig Mtoe-ban

Megújuló energiák felhasználásának változása

Szélerőművek kapacitásának növekedése a világban 2011:Világ:238351 MW, EU27:93957 MW Rest of World Actual Projected North America Europe Jan 2006 Cumulative MW = 56,813 Rest of World = 7,270 North America = 9,550 Europe = 39,993 MW Installed Sources: BTM Consult Aps, Sept 2005 Windpower Monthly, January 2006

SZÉLENERGIA EU-ban Mo. 2000-ben Várpalota 250kW 2005-ben 40 000 MW 2002-ben Kulcs 600kW 2005. 10 település, 16db erőmű, 17.475 MW 2010. 155 db torony, 37db erőmű, 295.3 MW

SZÉLENERGIA 2012. 176 szélerőmű, 329 MW Kisigmánd 19 torony 38 MW A szélerőművek hazai elterjedésének korlátai

SZÉLENERGIA Mo. Nemzeti Energiastratégiája: 2020-ig 750 MW szélkapacitás 2030-ig 1440 MW szélkapacitás

Egyes erőmű típusok életteljesítményre vetített önköltsége (€) Az elektromos áram (közvetlen) önköltségének alakulása életteljesítményre vetítve (25 év) Erőmű típus Élet teljesítmény kWh €/ MW 1 kWh önköltsége 306 Ft/€ árfolyammal Beruházás Élettartam alatt összesen Ráfordítás összesen Fűtőanyag Munkabér Karban tartás € Ft Olajtüzelésű erőmű 200 000 000 991 000 19 800 000 162 500 960 000 21 913 500 0,1096 33,28 Földgáz erőmű 1 316 000 15 327 030 167 500 840 000 17 650 530 0,0883 26,80 Szén erőmű 1 794 000 14 399 342 287 500 820 000 17 300 842 0,0865 26,27 Biomassza erőmű 180 000 000 1 912 000 7 918 552 742 500 1 200 000 11 773 052 0,0654 19,86 Szél erőmű 39 858 000 1 440 000 85 000 657 710 2 182 710 0,0548 16,63 Atomerőmű 219 000 000 3 205 000 547 500 380 000 1 051 200 5 183 700 0,0237 7,19 Fotovoltaikus erőmű 35 475 859 1 651 183 675 118 2 326 302 0,0656 19,91 Az egyes erőmű típusok adatai a „Planning of optimál 2009” kiadványból. A fotovoltaikus erőműnél egy megvalósítás előtt álló erőmű tervezési adatai. A keletkező hő hasznosításával itt nem számoltunk. Nem számoltunk az infláció hatásával sem.

SZÉLENERGIA Mo. kötelező átvételi rendszer (KÁT) 2010 óta 30 Ft/kWh átvételi ár KÁT-ot váltja a megújuló energiaforrásokból előállított hő- és villamosenergia-átvételi és támogatási rendszer (METÁR) Mo-on nincs beruházási támogatás

Átlagos szélsebesség 10 m magasságban Átlagos szélsebesség (m/s) hónap Jan Feb Marc Apr May Jun Jul Aug Sept Okt Nov Dec Éves átlag Budapest, Csillagvizsgáló 3,4 3,6 3,9 3,7 3,1 3,0 2,9 3,3 3,2 Budapest, Obszervatórium 4,1 4,2 3,5 Debrecen, Repülőtér 2,8 2,7 2,5 2,6 Kecskemét Kékestető 2,2 2,4 Keszthely 2,1

Magyarországi szélviszonyok 10 m magasságban (táblázat szerint) 75 m magasságban >5.5 m/s az ország területének kb. 20%-án Gyenge szél: 4 m/s Élénk szél: 9 m/s Igen erős szél: 15m/s 1m/s=3,6 km/h Vihar:22 m/s

Fajlagos szélteljesítmények éves átlagértékei Magyarország Alföld 70-100 W/m2 É-Ny Mo. 160-200 W/m2 Németo., Dánia, Hollandia 600-800 W/m2

Előnyök és hátrányok Az atomerőmű után a leginkább költségtakarékos áramtermelés Egy korszerű 1,5 MW-os szélturbina a szénerőművekkel összevetve évente átlagosan 5000 tonna CO₂ kibocsátástól védi meg a Föld légkörét és 1000 ember számára termel elegendő energiát. Hazánkban kiszabályozási problémák (740MW korlát) Zöldáram átvételi ára igen alacsony /METÁR / A további 440 MW meghirdetése áll

SZÉLTURBINA SZERKEZETE 1. Alap 2. Torony 3. Gondola és turb.

Alap 10-15 m átmérőjű, 1.5-2.5 m mély csonka kúp alakú vasbeton szerkezet. Karimás kötéssel csatlakozik hozzá a torony Tartótorony (600 kW-osnál) 50-70 m magas, 100 t, 15-25mm falvastagságú kúpos cső, földszinten áramátalakító és irányító ber. Gondola és turbina 4-5 m átmérőjű, 8-12m hosszú

SZÉLTURBINA SZERKEZETE 1. Lapát 2. Forgórész 3. Lapátállítás 4. Fék 5. Lassú tengely 6. Sebességváltó 7. Generátor 8. Szabályozó 9. Anemometer 10. Szélirány jelző 11. Gondola 12. Gyors tengely 13. Gondola mozgatás 14. Mozgató motor 15. Torony

SZÉLTURBINA ELVI MŰKÖDÉSI VÁZLATA (sziget üzemmódban)

Fizika alapok v1 [m/s] — Szélsebesség a járókerék előtt v2 [m/s] — Szélsebesség a járókerék után v [m/s] — Windspeed, trough the blade F [m2] — Lapátok által súrolt felület  [kg/m3] — Levegő sűrűsége N [W] — Szélerőmű teljesítménye

SZÉLTURBINA TELJESÍTMÉNYÉNEK KORLÁTJA

Kulcsi szélerőmű technikai adatai 1. Type: ENERCON E-40 2. Teljesítmény: 600 kW 3. Tengelymagasság: 65 m 4. Lapáthossz: 44 m 5. Lapátok száma: 3 piece 6. Fordulatszám/RPM/: 18-341/min 7. Min. szélsebesség: 2,5 m/s (9 km/h) 8. Max. szélsebesség: 25 m/s (90 m/s) 9. Feszültség: 440 V 10. Hálózati feszültség: 20000 V 11. Termelt energia: 1200 MWh/év 12. Első évben termelt energia : 1230 MWh

Szélerőmű üzemmódjai Sziget üzemmód A megtermelt energiát a termelés helyén használják fel. Hálózati üzemmód A megtermelt energiát betáplálják az országos elektromos energia elosztó hálózatba.

Szélerőmű üzemmódjai Hálózati üzemmód

Szélerőmű teljesítménye Szélkerék teljesítménye =P= 0,593(½ρ)Av3 ƞ A – Lapátok által súrolt felület mérete m² ρ = Levegő sűrűsége 1,29 kg/m³ V = A szél sebessége m/s Ƞ= A szélkerék hatásfoka Wind Turbine Power Curve

How does the WIND TURBINE work? a Angle of attack Middle line Velocity Cord http://www.pagendarm.de/trapp/programming/java/profiles/NACA4.html

How does the WIND TURBINE work? c Lift FL Drag FD

Pressure distribution around an airfoil How does the WIND TURBINE work? Pressure distribution around an airfoil - Pressure along the upper surface DH + Pressure along the lower surface

How does the WIND TURBINE work? Wind velocity = C Relative velocity = V V w Peripheral velocity = U C U

How does the WIND TURBINE work? V Torque Thrust C FL FD

How does the WIND TURBINE work? V C Torque Thrust U V Torque C Thrust

How does the WIND TURBINE work? C Fthrust Torque Thrust M’torque w F’thrust M’thrust

Schematic of Wind Plant At it’s simplest, the wind turns the turbine’s blades, which spin a shaft connected to a generator that makes electricity. Large turbines are grouped together to form a wind power plant, which feeds electricity to the grid.

Offshore GE Wind Energy 3.6 MW Prototype Boeing 747-400

Deep Water Wind Turbine Development Current Technology

Graphic Credit: Bruce Bailey AWS Truewind Graphic Credit: GE Energy Offshore Wind – U.S. Rationale Why Go Offshore? Windy onshore sites are not close to coastal load centers The electric utility grid cannot be easily set up for interstate electric transmission Load centers are close to the offshore wind sites Graphic Credit: Bruce Bailey AWS Truewind US Population Concentration Graphic Credit: GE Energy % area class 3 or above US Wind Resource Developing new market; Not abandoning onshore market.

U.S. Offshore Wind Energy Resource U.S. Offshore Wind Energy Opportunity U.S. Offshore Wind Energy Resource Total land based deployment is 9.6 GW at the end of 2005 Resource Not Yet Assessed U.S. Department of Energy National Renewable Energy Laboratory

Typical Offshore Wind Farm Layout Cable Laying Ship Typical support and infrastructure required for offshore deployment; Usually configured in an array with a common termination point. High voltage cable interconnect to land based substation. AC vs DC interconnection is a function of the distance to substation Typical connections; Turbines run at 690V; distribution around 30kV; substation interconnect 120 KV

Offshore Installations Worldwide Location of Existing Offshore Installations Worldwide Source: Wind Directions, September 2004 804-MW Installed Dec 2005

Horns Rev Wind Farm - Denmark Country: Denmark Location: West Coast Total Capacity: 160 MW Number of Turbines: 80 Distance to Shore: 14-20 km Depth: 6-12 m Capital Costs: 270 million Euro Manufacturer: Vestas Total Capacity: 2 MW Turbine-type: V80 - 80m diameter Hub-height: 70-m Mean Windspeed: 9.7 m/s Annual Energy output: 600 GWh

Wind Turbine Size

Arklow Banks Windfarm The Irish Sea Photo: R. Thresher

Fixed Bottom Substructure Technology Proven Designs Future Monopile Foundation Gravity Foundation Tripod/Truss Foundation Most Common Type Minimal Footprint Depth Limit 25-m Low stiffness Larger Footprint Depth Limit? Stiffer but heavy No wind experience Oil and gas to 450-m Larger footprint Graphics source: http://www.offshorewindenergy.org/

Commercialization is long term Future Concepts Commercialization is long term

Offshore Wind Turbine Access Credit: GE Energy Photo: Elsam

RePower 5-MW - Worlds Largest Turbine 5-MW Rating 61.5-m blade length (LM Glasfibres) Offshore Demonstration project by Talisman Energy in Beatrice Fields 45-m Water Depths Two machines Prototype shown in the picture Two machines will be installed in August off of Aberdeen Scotland First deep water installation; 45 meters using a lattice Quadra pod structure. Repower is a German Company