Farma wiatrowa typu onshore i offshore: technologie, koszty i rozwój

Czym są farmy wiatrowe onshore i offshore

Wyobraź sobie rozległe pola uprawne lub pagórkowate tereny, na których stoją charakterystyczne, wysokie wiatraki. To właśnie klasyczny obraz lądowych farm wiatrowych (onshore). Są to elektrownie, które do wytwarzania energii wiatrowej wykorzystują wiatry wiejące nad powierzchnią lądu. Historia ich rozwoju jest dłuższa, technologia – bardziej dojrzała, a sama instalacja turbin wiatrowych jest relatywnie prostsza logistycznie. W Polsce, gdzie lądowa energetyka wiatrowa ma już kilkadziesiąt lat tradycji, takie farmy są rozproszone po różnych regionach kraju, choć ich rozwój w ostatnich latach był hamowany przez tzw. zasadę 10H. Ich głównym celem jest lądowa produkcja energii na potrzeby lokalnych odbiorców i krajowego systemu elektroenergetycznego.

Teraz przenieś się myślami kilkanaście, a nawet kilkadziesiąt kilometrów od brzegu, na pełne morze. Tam, gdzie horyzont zlewa się z wodą, wyrastają z fal prawdziwe technologiczne kolosy. To morskie elektrownie wiatrowe (offshore). Morska energetyka wiatrowa polega na stawianiu gigantycznych turbin bezpośrednio na morzu, gdzie warunki wiatrowe są nieporównywalnie lepsze – wiatr jest silniejszy, stabilniejszy i wieje przez więcej godzin w roku. Wizja ogromnych morskich systemów wiatrowych, jak brytyjski Hornsea Project One czy przygotowywany w Polsce projekt Baltic Power, pokazuje kierunek, w którym zmierza cała branża energetyki wiatrowej. To nie jest już niszowa technologia, a kluczowy filar transformacji energetycznej Europy.

Różnice między farmami lądowymi a morskimi

Porównanie energetyki wiatrowej lądowej i morskiej to zestawienie dwóch różnych światów pod niemal każdym względem. Zacznijmy od oczywistości: środowiska pracy. Lądowe farmy wiatrowe muszą mierzyć się z zmiennymi warunkami terenowymi, ograniczeniami związanymi z dostępnością gruntów, a także – co bardzo ważne – z oporem lokalnych społeczności, dla których turbiny bywają elementem ingerującym w krajobraz. Z kolei morskie instalacje wiatrowe są budowane z dala od ludzkich siedzib, co minimalizuje konflikty społeczne, ale wystawia je na działanie ekstremalnie trudnych warunków: słonej wody, sztormów i głębin. To wymusza użycie całkowicie innej, znacznie droższej i bardziej odpornej technologii energetyki wiatrowej.

Gdzie zatem leżą zalety morskich farm wiatrowych, skoro są tak trudne i kosztowne w budowie? Odpowiedzią jest czysta ekonomia i efektywność. Dzięki najlepszym warunkom wiatrowym na morzu, wydajność turbin wiatrowych (tzw. capacity factor) w projektach offshore może sięgać 50-60%, podczas gdy na lądzie często oscyluje wokół 25-35%. Oznacza to, że pojedyncza turbina offshore o mocy 10 MW wyprodukuje w ciągu roku znacznie większą ilość energii niż jej lądowy odpowiednik. To właśnie ta przewaga w generowaniu energii wiatrowej usprawiedliwia ogromne koszty budowy farm wiatrowych na morzu, które są kilkukrotnie wyższe niż na lądzie. Dodatkowo, morskie farmy mogą osiągać znacznie większe skale – pojedynczy projekt jak Hornsea Project Two może mieć moc odpowiadającą dziesiątkom średnich farm lądowych. W efekcie, mimo wysokiego CAPEX (Capital Expenditure), koszt energii elektrycznej z nowoczesnych morskich farm staje się coraz bardziej konkurencyjny.

Rozwój obu segmentów ma ogromne znaczenie farm wiatrowych dla systemu energetycznego. Lądowa energetyka wiatrowa to sprawdzony i szybszy w realizacji sposób na zwiększanie udziału OZE w miksie. Energetyka wiatrowa offshore to z kolei strategiczna inwestycja w wielkoskalowe, stabilne źródło czystej mocy, które może zasilać całe regiony. Ich połączenie tworzy komplementarny system, kluczowy dla przyszłości energii wiatrowej.

Technologia turbin wiatrowych

Technologia turbin wiatrowych to serce każdej farmy, a jej rozwój w ostatnich latach jest napędzany dążeniem do wyższej wydajności i opłacalności. Ogólna zasada działania jest wspólna dla wszystkich turbin: wiatr napędza łopaty wirnika, które obracają wał napędowy wewnątrz gondoli, a tam generator przekształca energię mechaniczną w elektryczną. Kluczowa różnica między turbinami onshore a turbinami offshore tkwi w skali, mocy i wytrzymałości. Na lądzie widzimy jednostki o średniej mocy około 3-4 MW, podczas gdy na morzu instalowane są technologiczne giganty. W Polsce średnia moc nowo stawianych lądowych turbin wiatrowych wynosi około 3,3 MW, ale w europejskich projektach offshore standardem stają się już modele o mocy przekraczającej 10, a nawet 15 MW. Ta dysproporcja wynika wprost z warunków wiatrowych – stabilne i silne wiatry nad otwartym morzem pozwalają na efektywną pracę znacznie większych konstrukcji. Ich projekt musi być też niezwykle odporny na korozję, wilgoć i ekstremalne obciążenia podczas sztormów. Dlatego technologia turbin wiatrowych dla morskich warunków to zaawansowana inżynieria materiałowa i systemy zdalnego monitorowania, które gwarantują niezawodność przez dziesięciolecia. To właśnie ciągły postęp w tej dziedzinie, w tym rozwój pływających turbin wiatrowych na głębsze wody, wyznacza kierunek przyszłości energii wiatrowej.

Infrastruktura farm offshore

Budowa morskiej farmy wiatrowej to logistyczny majstersztyk. Cała infrastruktura farm offshore opiera się na wyspecjalizowanych statkach instalacyjnych, które niczym pływające dźwigi montują gigantyczne elementy na pełnym morzu, oraz na portach przeładunkowych, które służą za lądowe bazy operacyjne.

Fundamenty turbin morskich i ich typy: Kluczem do stabilności są fundamenty farmy wiatrowej, których wybór zależy od głębokości morza i rodzaju dna. Główne typy to: monopile (wbijane w dno jak ogromny gwóźdź, idealne na średnie głębokości), fundamenty kratownicowe (jackety) (lekka, ale wytrzymała konstrukcja przypominająca wieżę Eiffla, stosowana na większych głębokościach) oraz fundamenty grawitacyjne (masywne betonowe lub stalowe puszki, które stoją na dnie dzięki własnemu ciężarowi).

Stacje transformatorowe offshore i przesył energii: Wyprodukowany przez turbiny prąd trafia kablami do transformatorowej stacji morskiej, która podnosi jego napięcie do poziomu setek tysięcy woltów. Tylko tak wysoki poziom napięcia pozwala na przesył energii na duże odległości do brzegu z akceptowalnymi stratami. Stamtąd, za pośrednictwem kabli podmorskich, energia płynie do transformatorowej stacji lądowej i dalej do krajowej sieci elektroenergetycznej.

Systemy kotwiące pływających turbin: Na głębokich wodach, gdzie budowa stałych fundamentów jest technicznie nieopłacalna, stosuje się pływające turbiny wiatrowe. Są one utrzymywane w pozycji przez zaawansowane systemy kotwiące, które zazwyczaj składają się z lin, łańcuchów i kotwic gruntowych. Te elastyczne, ale niezwykle wytrzymałe połączenia pozwalają konstrukcji na pewny ruch pod wpływem fal i wiatru, jednocześnie utrzymując ją w wyznaczonej lokalizacji.