Větrné elektrárny II. – Od průkopníků k výrobě větrných elektráren
Druhý díl seriálu o větrných elektrárnách popisuje počátky větrné energetiky v Dánsku a v Německu, tedy v zemích, které se staly technologickými i uživatelskými lídry v tomto odvětví. Zároveň je uvedeno několik paralelních příběhů větrných elektráren, které byly pro vývoj tohoto oboru podstatné – ať už jako vývojové stupně nebo jako „slepé uličky“.
Místo ropy vítr – dánská cesta k průmyslové výrobě větrných elektráren
Evropskou historii větrné energetiky nastartovalo Dánsko a to také jako první dotáhlo cyklus výzkum – vývoj až k opakovaným komerčním realizacím a vzniku samostatného průmyslového odvětví masové výroby větrných elektráren.
Až po sedmdesátá léta se však 20. století chovalo k možnostem větrné energetiky přezíravě. Byla to doba levných zdrojů energie a tím i stálého růstu spotřeby uhlí, ropy, plynu, éra budování velkých vodních elektráren a vstupu jaderné energie do energetického mixu. Idea – a ještě řidčeji realizace – větrných elektráren přežívala v podobě větrných elektráren (spíš elektrárniček) jako místních zdrojů na místech, kam ještě nedosáhla elektrifikace.
V polovině 70. let se svět otřásl ropnou krizí. Svět si náhle uvědomil zranitelnost ekonomiky závislé na jedné surovině z jedné, už tehdy neklidné části světa. Ropná krize iniciovala příběh firmy, která – bez nejmenší nadsázky – nastartovala dánský boom masové výroby větrných elektráren a vznik několika firem, které si vypracovaly podstatný podíl na světovém trhu.
Firma Nordtank vznikla roku 1962 v městečku Balle na východním pobřeží Jutského poloostrova. Vyráběla cisterny a zásobníky na přepravu a skladování ropy a jejích produktů. A měla k tomu potřebné vybavení i dodavatele ocelových plechů a plátů. Ropná krize však firmě vzala zájemce o cisterny, když v nich nebylo co přepravovat a skladovat. Řešení našli majitelé firmy ve využití technologií ve svých halách k výrobě ocelových tubusů pro větrné elektrárny. Stylem Magdaleny Dobromily Rettigové by se dal interpretovat asi takto:
„Vezmi několik rour, připravených pro výrobu cisteren, postav je na sebe, za teploty elektrického oblouku je pevným svárem spoj, jedním koncem pevně usaď na připravený sokl, a na druhý nasaď zařízení, které koupíš u elektrikáře. Doplň vrtulí, a k drátům, které z tvého výrobku vycházejí, můžeš připojit žárovku, motor, elektrická kamna, cokoliv. Počkej na vítr a budeš mít světlo, pohon, teplo…“
Větrné elektrárny Nordtank (55 kW) na kamenném molu u Ebeltoftu. Tyto elektrárny byly charakteristické stupňovitým tubusem podobným tělu rakety. (Foto B. Koč)
Větrná elektrárna Vestas z roku 1980 – veterán v areálu firmy Vestas v Ringkobingu (Dánsko). (Foto B. Koč)
Roku 1979 tak byla v halách firmy Nordtank sestrojena větrná elektrárna s výkonem 30 kW. O rok později už byla v Dánsku instalována první elektrárna Nordtank s výkonem 55 kW.
Roku 1979 byla i ve městečku Lem na západním pobřeží Jutského poloostrova vyrobena první větrná elektrárna. Svou novou historii tak začala psát firma Vestas, založená r. 1898, vyrábějící v té době malou zemědělskou mechanizaci, později malé hydraulické mobilní jeřáby a mezichladiče pro lodní turbodiesely. První pokus měl podobu větrné elektrárny s vertikální osou rotoru typu Darrieus. Následoval prototyp větrné elektrárny dnes už klasické koncepce s horizontální osou třílistého rotoru, převodovkou a generátorem umístěnými v otočně uložené gondole na ocelovém příhradovém stožáru nebo tubusu. Porovnání provozu a výkonů těchto elektráren rozhodlo pro třílistý rotor s horizontální osou. První elektrárny dosáhly výkonů 30 a 55 kW s průměry rotorů 10 a 15 m.
V Dánsku v následujících letech (1981–2) na vývoji a výrobě větrných elektráren nebo jejich dílů pracovaly dvě desítky malých podniků, které postupně zanikaly, spojovaly se nebo byly odkoupeny úspěšnější konkurencí.
Pohled pod kapotu větrné elektrárny Bonus 30 kW z r. 1980. (Foto B. Koč)
Firma Nordtank (později NEG – Nordtank Energy Group) se roku 1997 spojila s firmou Micon a společenství NEG Micon pak roku 2004 splynulo s Vestasem. Druhou vývojovou linii představovalo spojení firem Bonus a Danregn Vindkraft a roku 2004 jejich vstup do koncernu Siemens Wind Power. Siemens tak má od té doby dvě hlavní základny – v dánském městě Brande a v německém Hamburku. Na výrobu listů pro větrné elektrárny se od počátku specializovala firma LM Glasfiber. V současnosti je výroba větrných elektráren v Dánsku soustředěna do tří firem: Vestas, Siemens a LM Glasfiber.
Větrné elektrárny dánských výrobců našly své zákazníky i v Kalifornii. V letech 1982–1986 tam bylo exportováno přes 7 tisíc elektráren s celkovým instalovaným výkonem 550 MW. Stálý odbyt dal výrobcům ekonomickou stabilitu a umožnil další vývoj. Výkony vyráběných elektráren rostly řadou aritmetickou od desítek přes stovky kW a megawattové hranici se Vestas začal přibližovat svými elektrárnami s výkony 660 a 750 kW v letech 1995–1996. Hranici jednotkového výkonu 1000 kW (1 MW) překonal Vestas již roku 1996 prototypem elektrárny s rotorem průměru 66 m, věží vysokou 65 m a výkonem 1650 kW.
Tvinde – dánský lidový rekord
Popsaná kontinuita logického vývoje technického produktu od jednoduššího ke složitějšímu a výkonnějšímu však byla o 17 let předstižena stavbou větrné elektrárny nedaleko Ulfborgu, na západním pobřeží Jutského poloostrova. Stěží lze nalézt v historii techniky obdobu toho, co pro větrnou energetiku znamenal rok 1978 a větrná elektrárna postavená v areálu školy u osady Tvinde, která exponenciálně (32×) překonala výkon tehdy projektovaných a pak až od roku 1980 vyráběných a stavěných větrných elektráren.
Elektrárnu přitom stavěla skupina nadšenců a studenti školy s poněkud zvláštním a na praktických projektech postaveným systémem výuky. Tuto elektrárnu jsem poprvé navštívil nedlouho po jejím spuštění v roce 1978 a od té doby jsem se k ní několikrát vrátil, abych o ní získal nové informace. Letos elektrárna oslavila 40. výročí prvního výkopu pro základy, do provozu byla uvedena 26. března 1978 a je v provozu dodnes. Poslední údaje o jejím provozu do konce roku 2014 uvádějí, že má za sebou 150 540 hodin provozu, během nichž její rotor udělal 116 milionů otáček, což při průměru 54 metry znamená na koncích křídel dráhu skoro 170 metrů při jedné otáčce a za celou dobu pak více než 28 milionů kilometrů. Elektrárna dosud vyprodukovala 20 mil. kWh elektrické energie.
Větrná elektrárna Tvindkraft v areálu školy nedaleko Ulfborgu (Dánsko). (Foto B. Koč, 1978)
V expozici o větrné elektrárně je i fotografie dokumentující, jak nadšenci transportovali listy elektrárny z výrobního stanu pod elektrárnu před jejich montáží – stylem domorodci nesou úlovek… (Foto B. Koč)
Pop-artový design větrné elektrárny podle návrhu Jana Utzona. (Foto B. Koč)
Při podrobnějším hodnocení těchto údajů je třeba vzít v úvahu, že jde o zařízení zcela prototypové, poloamatérské, s regulací na úrovni roku 1978, že „štítkový“ výkon použitého generátoru 1,75 MW (!) byl po celou dobu omezován na maximum 960 kW podle možností připojení k síti a že mnoho času i výkonu bylo obětováno řadě měření na elektrárně. Výkon elektrárny je zčásti (450 kW) přes frekvenční měnič dodáván do sítě, 510 kW jde bez transformace do odporových těles pro ohřev vody pro potřebu areálu a pavilonů školy ve Tvinde. Celkový dosažený výkon odpovídá energetické spotřebě asi 45 domácností v rodinných domcích.
Soustrojí větrné elektrárny Tvindkraft: 1 – válec hydrauliky ovládající natáčení listů, 2 – ložisko natáčení listů, 3 – hydraulika, 4 – hlavní hřídel, 5, 8, 10 – ložiska uložení hřídele, 6 – pryžová spojka mezi hlavní osou a převodovkou, 7 – převodovka, 9 – generátor, 11 – budicí generátor, 12, 13 – měřiče směru a rychlosti větru, 14 – ložisko natáčení gondoly, 15 – osobní výtah.
Věž této elektrárny je betonová, 53 m vysoká a je také „poctivou ruční prací“ studentů školy. I strojní a elektrická část elektrárny vyvolávají údiv. Gondola je svařena (rovněž na místě, v polních podmínkách) z ocelových plátů, je 15 m dlouhá a její průměr je 4,8 metru. Listy rotoru, vyráběné jako sklolaminát rovněž na místě, jsou 27 metrů dlouhé, jejich šířka je max. 2,1 metru a váha 3 × 3,5 tuny. Váha kompletní gondoly (včetně rotoru) je 110 tun.
Další hlavní díly elektrárny mají nejrůznější původ – a žádný z nich pro toto použití nebyl původně určen. Byly získány jako „second hand“ z nejrůznějších míst Evropy. Generátor výrobce ASEA 1 725 kW z roku 1954 (bylo by zajímavé vědět, zda druhý tak starý generátor pracuje ještě někde jinde). Převodovka (původem z jednoho švédského dolu na měděnou rudu) pochází rovněž od ASEA, má poměr 1:19,47 a je to také veterán s datem výroby 1958. Hlavní osa byla získána v loděnicích v Rotterdamu a původně šlo o hlavní hřídel k lodnímu šroubu námořní lodě. A osobní výtah, vedoucí středem betonové věže do strojovny, získali majitelé elektrárny za 100 dánských korun od firmy, která jej zapůjčila pro stavbu betonové věže elektrárny. V podzemní „rotundě“ kolem základů elektrárny je umístěna expozice o její stavbě a historii.
V roce 1993 – po 53 milionech otáček – byla vyměněna ložiska rotoru a elektrárna dostala nové listy. Uvážíme-li, že ty původní byly vyráběny ze skelné tkaniny a pryskyřice ručně ve dlouhém stanu hned vedle elektrárny, je to vynikající vysvědčení pro tehdejší nadšence.
Větrná elektrárna, známá také jako Tvindkraft, přinesla neocenitelnou zkušenost pro diskuse o hranicích možností větrných elektráren a o jejich životnosti a pomalu se stala se kultovním objektem a poutním místem zájemců o tento druh alternativních energetických zdrojů.
A tak lze přimhouřit oči nad poněkud extravagantním kabátem, který tato elektrárna dostala před 16 roky. Snahou stavitelů větrných elektráren většinou je dát jim pokud možno střízlivou a v krajině nerušící a nenápadnou podobu. Výtvarník Jan Utzon (syn architekta Utzona, autora projektu opery v Sydney) se na elektrárně u Ulfborgu podepsal návrhem a realizací pomalování stožáru i křídel velkými pop-artovými geometrickými červenými a bílými plochami. Částečně ho může omluvit fakt, že jde o dánské národní barvy.
Začátky větrné energie v Německu: Sen třetí říše a realita rodáka z Plzně
Patentová listina vícerotorové větrné elektrárny H. Honnefa z r. 1934
První náznak, že i v Německu se již po roce 1920 s větrnými elektrárnami nejen experimentovalo, ale i podnikalo, dokumentuje v prvním dílu seriálu popisovaná větrná elektrárna na Sněžce, kterou tam postavila „specializovaná firma z Drážďan“. V retro pohledu na další vývoj oboru v této zemi nelze pominout pravděpodobně největší, ale současně nejnerealizovatelnější projekt – gigantickou větrnou elektrárnu, která měla stát v samém centru Třetí říše, Berlíně. Ostatně – v době, kdy byl projekt zveřejněn, byla gigantománie pro Berlín typická.
Projekt – spíš tedy bujnou vizi – zcela se vymykající technickým možnostem nejen doby svého vzniku, ale i možnostem současným – navrhl v Německu Hermann Honnef (1878–1961). Vycházel ze svého již dříve patentovaného systému dvou a více rotorů na jednom příhradovém věžovém stožáru (patent US1963912 A, podán 15. 4. 1931, schválen 19. 6. 1934). Ve své vizi to však „poněkud“ přehnal. Podoba tohoto monstra (Reichswindkraftturm – Říšská větrnoelektrárenská věž) se rozletěla do světa na pohlednicích a dokonce i s technickými údaji.
Pohlednice s vizualizací třírotorové verze Honnefovy větrné elektrárny (1936)
Hermann Honnef u modelu pětirotorové verze (měřítko modelu asi 1:200). Repro archiv
Gigantická větrná elektrárna měla být instalována na příhradové ocelové konstrukci vysoké asi 550 m, což je skoro dvojnásobek výšky Eiffelovy věže, s průměrem základny asi 160 m. Na 150 m vysokém horním dílu konstrukce měly být namontovány tři rotory větrných elektráren, každý s průměrem 160 metrů. Informace na rubu pohlednice uvádí výkon zařízení 75 MW; pokud by to byl celkový výkon tří rotorů, je tento údaj vzhledem k jejich průměru a větrným poměrům ve výšce 500 m nad zemí asi tím nejreálnějším předpokladem. (Současné největší větrné elektrárny dosahují s průměrem rotoru 126 m výkonu 7,5 MW při rychlosti větru nad 12 m/s, takže 10 takových současných elektráren by mohlo nahradit Honnefovo monstrum. To by snad mohlo mít výhodu v lepších větrných poměrech, ale stěží by mohlo využívat větru nad 25 m/s, protože by to nebylo technicky zvládnutelné.)
Podle vizualizace na pohlednici měl mít každý generátor dva protiběžné šestilisté rotory, z nichž jeden poháněl rotor a druhý stator generátoru, což mělo bez převodovky zvýšit jejich relativní vzájemnou rychlost. Každá ze tří instalovaných jednotek by musela mít hmotnost minimálně 100 tun, čímž by, s nadsázkou, vznikl i náročný úkol pro statiky. Z pohlednice je také patrné, že celá špice se třemi elektrárnami měla být sklopná do vodorovné polohy. V „přízemí“ celého monstra měl být 7 až 15patrový objekt. A protože projekt situoval celé zařízení do Berlína, mělo nejspíš jít o říšské ministerstvo energetiky. Třetí říše proslula mnoha šílenými vidinami, tahle je však asi jedna z nejpozoruhodnějších. Existoval přitom i model totožné konstrukce dokonce s pěti rotory.
Návrat k technické realitě přinesly v Německu až práce Ulricha Hüttera. Rodák z Plzně (1910–1991), syn architekta Eduarda Hüttera, se věnoval bezmotorovému létání a r. 1934 získal v Rakousku licenci pilota větroně s číslem 11. Sám zkonstruoval lehký kluzák H-17. Po roce 1945 se kluzáky tohoto typu dostaly i na naše civilní letiště pro základní výcvik budoucích pilotů. Zde je původ jeho vztahu k aerodynamice. Stal se průkopníkem větrné energetiky (s přezdívkou „krotitel větru“) a pak také profesorem Univerzity ve Stuttgartu. (Tyto jistě překvapivé údaje pocházejí z publikace „A vision becomes reality“, vydané v Německu r. 2012 ke 125. výročí vzniku první větrné elektrárny na světě (elektrárna Charlese Brushe, r. 1887) v USA. Autorem knihy je Heiner Dörner, pro změnu rodák z Brna (nar. 1940), žák U. Hüttera.)
Hütter je otcem teoreticky zdůvodněných aerodynamicky tvarovaných listů (křídel) větrných elektráren. Ty se staly milníkem v konstrukci rotorů a jednoznačně překonaly možnosti rotorů využívajících pouze tlakového principu vzniku otáčivého pohybu rotorů větrných mlýnů a větrných elektráren „nulté generace“.
Větrná elektrárna Growian (3 MW, 1983–1987) u obce Marne. (Foto archiv)
Pro výrobu listů používal jako první kompozitní (tehdy sklolaminátové) materiály. Hütter se postupnými kroky dopracoval až ke svému největšímu projektu GROWIAN (GRosse WInd ANlagen), v té době největší větrné elektrárně na světě, s prvním rotorem o průměru 100 m a projektovaným výkonem 3000 kW (3 MW). Tato větrná elektrárna byla spuštěna 6. července 1983 na pobřeží Severního moře ve Šlesvicku-Holštýnsku u obce Marne. Projevily se u ní však četné technické problémy, a tak byl ambiciózní projekt v srpnu 1987 ukončen a větrná elektrárna, která „odpracovala“ pouhých 200 hodin, byla r. 1988 demontována. Hütter se pak věnoval řádově menším projektům.
I když Hütterovy projekty nedospěly bezprostředně ke komerční průmyslové realizaci, přinesly teoretický základ a příznivou atmosféru pro start nového průmyslového i energetického odvětví, které – i když v porovnání s Dánskem mělo pozdější start – velmi rychle přivedly Německo na pozici druhého světového lídra tohoto oboru jak ve výrobě větrných elektráren, tak v jejich instalacích na vlastním území i v exportu a expanzi výrobců do jiných zemí.
Počet firem, které se výrobou velkých větrných elektráren začaly zabývat, byl nižší než v Dánsku a i v SRN probíhaly jejich fúze. Zároveň už v devadesátých letech 20. století měl v Německu nemalý podíl i továrny dánský Vestas jako výrobce i dodavatel technologií pro německé větrné parky. Koncem osmdesátých let byly instalovány elektrárny s výkonem 100 až 200 kW, v polovině devadesátých let to už bylo přes 500 kW. Pestrá paleta výrobců se postupně zužovala, případně zůstala jen u výroby menších větrných elektráren (v řádu desítek kW instalovaného výkonu). Zmizely tak firmy Fuhrländer, Windtec, Tacke, Nordwind, Wind World, Seewind, Südwind. Roku 2000 zůstávaly mezi výrobci větrných elektráren s výkony od 1000 kW firmy: Bonus (r. 2004 splynula s koncernem Siemens Wind Power), DeWind, (po r. 2000 prodán korejskému majiteli), NEG Mícon (r. 2004 koupen Vestasem), Nordex, Windtec, pochopitelně také německá divize Vestasu a pozdější lídr mezi německými výrobci Enercon. Výkonovou špičkou při přelomu tisíciletí bylo 1650 kW. Roku 2004 vstoupil mezi elitu i Siemens Wind Power zakotvený v Dánsku i v Německu.
Německá rodinná firma Enercon začala s vlastním vývojem v letech 1984-88 větrnými elektrárnami s výkonem 15-300 kW. Roku 1993 přišla s novým konceptem první větrné elektrárny s přímým pohonem prstencového generátoru bez použití převodovky s výkonem 500-600 kW. Na této technologii postavil Enercon další vývoj a produkci svých větrných elektráren, který v současnosti dospěl až k typu E-126 (Enercon značí své typy průměrem rotoru, v tomto případě 126 m) s výkonem 7,5 MW. Vyrobil jich už skoro 200.
Pro větrné elektrárny Enercon je charakteristický vejčitý tvar gondoly, jejíž největší průměr je dán průměrem prstencového generátoru. Těmito elektrárnami jsou osazovány velké větrné parky na lokalitách s excelentními větrnými poměry, převážně v přímořských oblastech. Enercon se přitom specializuje na pevninské elektrárny, mořské, tzv. offshore instalace, neprovádí.
V polovině roku 1998 bylo v Německu instalováno 5631 větrných elektráren s celkovým výkonem 2390 MW a o dynamice svědčí údaj k 31. 12. 1999 – 3444 MW, za 18 měsíců přibylo 1054 MW „větrného“ výkonu.
Větrná elektrárna NASA (USA) s instalovaným výkonem 3 MW, postavená u obce Maglarp na jihu Švédska r. 1988.
Vývoj v USA pod křídly NASA, stavba elektráren z Evropy
Od roku 1975 probíhal vývoj větrných elektráren i v USA pod vedením NASA, která pracovala s dvoulistými rotory. V letech 1975–82 byla testována větrná elektrárna s výkonem 100 kW (průměr rotoru 38 m), 1977–84 200 kW (rotor 38 m), oba typy na příhradových stožárech. Po roce 1979 byly testovány větrné elektrárny s výkony 2000 kW (61 m), 2500 kW (91 m), 3000 a 4000 kW (79,2 m). Třímegawattová verze tohoto typu s dvoulistým rotorem byla postavena r. 1988 u obce Maglarp na jihu Švédska, po několika letech však byla demontována. Větrné elektrárny byly od výkonu 2000 kW stavěny s ocelovými tubusovými stožáry. Je však zajímavé, že američtí investoři se již od roku 1982 spoléhali na větrné elektrárny vyráběné v Evropě, především v Dánsku. Později umístily evropské firmy do USA své filiálky, což bylo vzhledem ke stavbě obřích větrných parků logické rozhodnutí. V některých případech šlo o "mobilní" továrny v lehkých halách, stavěné přímo u lokalit pro obří větrné parky se stovkami jednotlivých elektráren, především na západě USA. Výrobní kapacity v Evropě nestačily a vysoké byly také přepravní náklady.
Do třetího tisíciletí
Do třetího tisíciletí vstoupila evropská větrná energetika s bilancí 7713 MW instalovaného výkonu. Bezkonkurenčně největší podíl patřil Německu (3444 MW), následovaly Dánsko (1580 MW), Španělsko (1180 MW), Nizozemsko (386 MW), Velká Británie (351 MW), Itálie (223 MW), Švédsko (195 MW), Irsko (73 MW), Řecko (67 MW), Portugalsko (60 MW), Rakousko (42 MW), Finsko (26 MW), Francie 19 MW, Norsko (13 MW). Větrná energetika našla uplatnění ve 25 evropských zemích, Česká republika se v tomto žebříčku se 7 MW instalovaného výkonu usadila na 17. příčce. O vývoji v Československu do roku 2000 bude samostatný další díl seriálu.
Second part of wind power series describes the beginning of wind power in Denmark and in Germany. Both countries began world leaders in wind power development and installation at the turn of the century. In addition the article tells several parallel stories of wind turbines that were significant for the wind branch as development stages or as the dead ends.
