Větrné turbíny v zimě: brání jim teplota a led v provozu?

Zima má být nejlepším obdobím pro větrnou energii – vítr je silnější, a protože hustota vzduchu s klesající teplotou roste, na lopatky tlačí větší síla. Zatímco rtuť na teploměru klesá, stoupá každou zimu rychlost, s jakou kolují dezinformace o výkonu větrných elektráren.

Faktem je, že častá silná námraza může snížit roční produkci energie větrné farmy o více než 20 %, což průmysl stojí stovky milionů dolarů, a ztráta výkonu není přitom jediným problémem s námrazou. Nerovnoměrný způsob tvorby ledu na lopatkách může způsobit nerovnováhu a způsobit rychlejší opotřebení částí turbíny. Může také vyvolat vibrace, které způsobí vypnutí turbín. V případě extrémní námrazy nemusí být opětovné spuštění turbín možné několik hodin, potenciálně dnů. Jak je to ale se zimním strašákem doopravdy, jaká jsou reálná fakta a provoz turbín?

Větrná energie v Evropě

Větrná energie se rychle stává páteří elektrických sítí v Evropě a pokrývá téměř pětinu energetických potřeb regionu. Toto číslo je výrazně vyšší v řadě severních zemí – například 55 % v Dánsku a 34 % v Irsku. V Severním moři mluvíme o zhruba 3 000 větrných turbín a dalších kusech, trochu překvapivě, v Antarktidě. To samo o sobě vypovídá, že větrné turbíny mohou jasně obstát i v chladném podnebí.

Stejně jako u jiných obnovitelných zdrojů, i zde však najdeme šiřitele poplašných, nepravdivých zpráv. Jeden takový se vyskytl koncem roku 2023. Příspěvek, který se poměrně rychle stal virálním, tvrdil, že chladné období ve Švédsku vedlo k „masivní ztrátě výroby elektřiny“ z větrných elektráren, což naznačuje, že by se jim dařilo lépe, „kdybychom měli nějaké to globální oteplování“.

Dává samozřejmě smysl, že celá řada technologií v zimě pracuje hůře, a pokud si navíc představíme lopatky turbín pokryté ledem, pak musí být jasné, že výkon nebude takový, jaký by byl za teplého slunného počasí. Nebo ne?

Nižší výkon: ano nebo ne?

Jednoduše – ne. Všechny tyto zprávy i s veškerými „ověřenými“ daty jsou pouze hoax. Větrné turbíny jsou navrženy tak, aby vydržely mrazivé teploty až kolem -30 stupňů Celsia. Za určitých podmínek se samozřejmě na lopatkách turbíny může tvořit led; a to nejen když padá sníh nebo mrznoucí déšť (například tedy v době silného chladu, větru nebo vysoké vlhkosti, když padá mlha). A je pravda, že tato námraza je znepokojivá, protože může ovlivnit aerodynamiku lopatek (v podstatě zdrsnit povrch), čímž se sníží jejich účinnost a potenciálně to způsobí i problémy s nevyvážeností.

Ale, a je to velké ale, turbíny lze zastavit jak kvůli odstranění takového ledu, ale i kvůli případnému nebezpečí, že by tento led turbíny při svém pohybu mohly nekontrolovatelně vrhat do okolí. Největší riziko padajícího ledu pak samozřejmě je, když je větrná turbína zaledněná a teplota pak stoupne nebo když vyjde slunce a zahřeje části větrné turbíny. A s tím vším se samozřejmě při provozu větrných elektráren počítá předem.

Testování turbín

Vybudování provozu větrné elektrárny, který může prosperovat v ledových podmínkách, vyžaduje důkladné porozumění základní fyzice, vč. toho jak se tvoří led, tak degradaci výkonu, která je důsledkem tvorby ledu na lopatkách turbíny. K prozkoumání těchto sil se používá aerodynamický tunel, který může demonstrovat, jak se tvoří led na vzorcích lopatek turbín.

Tato data ukazují, že zatímco led se může tvořit po celém rozpětí čepele, mnohem více ledu se nachází v blízkosti špiček. Po jedné 30hodinové námraze se mohlo jednat o led tlustý až stopu. Navzdory silnému větru se pak turbíny s těžkým ledem otáčely mnohem pomaleji a dokonce se vypínaly. Turbíny produkovaly v tomto období pouze 20 % svého normálního výkonu.

Řešení převzaté z letadel

Existuje několik důvodů, proč strategie, které účinně řeší problematiku ledu na křídlech letadel, nejsou tak účinné pro lopatky větrných turbín. Jedním z nich jsou materiály, ze kterých jsou vyrobeny. Zatímco křídla letadel jsou obvykle vyrobena z kovů, jako je hliníková slitina, větrné turbíny v užitkovém měřítku jsou vyrobeny z kompozitů na bázi polymerů.

Kov vede teplo efektivněji, takže tepelné systémy, které cirkulují teplo, jsou účinnější v křídlech letadla. Lopatky turbíny na bázi polymeru jsou také pravděpodobněji pokryty prachem a zbytky hmyzu, což může změnit hladkost povrchu lopatek a zpomalit stékání vody z lopatky, což podporuje tvorbu ledu.

Větrné turbíny jsou také náchylnější k setkání s mrznoucím deštěm a jiným prostředím v nízkých nadmořských výškách s vysokým obsahem vody, jako je oceánská mlha pro pobřežní větrné turbíny.

Turbíny a teplota

Led tedy technicky vzato může provozovatelům působit potíže, výrobci turbín však na většinu těchto problémů již mají celou řadu řešení. Moderní turbíny jsou vybaveny odmrazovacími technologiemi ovládanými z velínů větrných elektráren – patří mezi ně zejména topné systémy uvnitř lopatek, jako je cirkulace horkého vzduchu, mechanická odmrazovací zařízení nebo kapaliny a vibrační systémy lopatek.

Další strategií v oblastech s chladným počasím je použití povrchových nátěrů, které odpuzují vodu nebo zabraňují ulpívání ledu. Bohužel však zatím žádný z povlaků nebyl schopen zcela eliminovat led, zejména v kritických oblastech poblíž náběžných hran lopatek.

Jedna švédská společnost dále zavedla způsob, jak potáhnout čepele tenkou vrstvou uhlíkových vláken, která se zahřívá, když hrozí led. Němci naopak nabízí „chladné klimatické balíčky“, o kterých tvrdí, že mohou snížit energetické ztráty až o 80 % v podmínkách námrazy.

Kde se hoax vzal?

V únoru 2021 utrpěl americký stát Texas rekordní chladné počasí, které vedlo k výpadkům elektřiny. Některé turbíny zamrzly při teplotách na vrcholu mrazu, což podle hlavního dodavatele energie státu ERCOT vedlo ke ztrátě 16 GW kapacity ve větrných a dalších dodávkách obnovitelné energie.

Ačkoli kritici zelené energie rychle obvinili větrné farmy ze zoufalé situace, čísla ERCOT ukázala mnohem větší nedostatek (30 GW) kvůli selhání fosilních zdrojů plynu, uhlí a jaderných zdrojů. A problémy větrných turbín byly z velké části způsobeny tím, že nebyly navrženy pro tak chladné podmínky – na základě historických záznamů o počasí se neočekávalo tak extrémně chladné počasí, a proto ho, pochopitelně, vývojáři větrné turbíny nezohlednili.

Mezinárodní konstrukční normy ve skutečnosti vyžadují, aby větrné turbíny mohly pracovat při teplotách až, jak bylo zmíněno, -20 °C. Turbíny navržené pro chladné podnebí, tedy využívající technologie jako chladuodolná ocel a ohřívače k zahřátí lopatek, mohou pracovat při teplotách až -30 °C. Led tak je, defakto, problém pouze pro turbíny, které nejsou připraveny na provoz v ledových podmínkách – a to je chyba přípravy, nikoli samotné větrné energie.

Zdroj: Euronews, TheConversation, climate.mit.edu