Větrné elektrárny VIII. – Mořské (offshore) větrné elektrárny

S výškou elektráren, délkou a hmotností jejich dílů rostou nejen problémy s dopravou komponentů, zvláště v členitém nebo horském terénu, ale také možnostmi dostat na místo stavby i potřebné jeřáby. Už v případě 4,5MW elektrárny Enercon E-112 u Egelnu, nedaleko Magdeburgu (SRN) bylo třeba jejich listy k místu stavby – i v rovinaté krajině této části Německa – dopravit nejprve lodí po vnitrozemském kanálu a pak bylo nutno vytvořit novou cestu v délce 300 metrů a její povrch zpevnit ocelovými pláty. Podobným způsobem bylo nutné řešit i příjezd na místo stavby 2MW větrné elektrárny u švédského Maglarpu před rokem 1990. Délka listů nyní běžně přesahuje 65 m. V této výkonové kategorii nejčastěji stavěná větrná elektrárna Enercon E-126 má však 63 m dlouhé listy dělené a montované dohromady k prvnímu dílu listu, již upevněnému k náboji rotoru na gondole.

Rotory a jejich otáčky je navíc nutno např. pro dodržení hlukových limitů a dalších ekologických hledisek pro umisťování větrných elektráren na pevnině při provozu výkonově omezovat a snaha o větší a vyšší stroje se tím stává částečně kontraproduktivní, není-li možné zcela využít větrného potenciálu lokality a technických hranic konkrétní techniky. Nelze pominout ani to, že potenciál nejvhodnějších lokalit pro větrné elektrárny na pevnině – zejména v evropské hustě osídlené krajině je v některých zemích skoro vyčerpán. Také proto se pozornost investorů obrátila na moře.

Průkopníkem „offshore“ elektráren opět Dánsko

První krůček větrných elektráren na moře: větrné elektrárny Nordtank (80 kW) na kamenném molu u Ebeltoftu (Dánsko). Foto B. Koč

Se stavbou větrných elektráren na mořských mělčinách (tzv. „offshore“ instalace) začalo Dánsko. Na souši totiž byly příznivé lokality již většinou obsazeny a dochází tam už jen k obměně techniky a k náhradě výkonnějšími elektrárnami na nejlepších, provozem ověřených stanovištích. Je zajímavé, že první pokusy s využitím „polomořských“ lokalit přišly v této zemi současně s produkcí prvních elektráren, jejichž výkony se blížily hranici 100 kW na přelomu 80. a 90. let minulého století. Na pobřeží Jutského poloostrova tak bylo na uměle vytvořeném kamenném molu, vybíhajícím několik stovek metrů do vod Baltu u Ebeltoftu (asi 20 km západně od Arhusu), umístěno 16 elektráren Nordtank s výkonem po 80 kW.

Podobným způsobem – na umělé kamenné hrázi – bylo postaveno v devadesátých letech 6 větrných elektráren Bonus 600 kW (průměr rotoru 76 m, výška osy rotoru 64 m) na cípu ostrova Amager u Kodaně. Pak již ale projektanti zamířili přímo na moře. První taková opravdu „offshore“ větrná farma 11 větrných elektráren Bonus 450 kW zahájila provoz roku 1991 necelé 2 km severně od obce Vindeby u dánského ostrova Loland na mořské mělčině s hloubkou 3,5 m.

Na moře tehdy také zamířily větrné elektrárny u břehů Nizozemska (1994, 2 MW a 1996 11 MW) a Švédska (1996, 3 MW 2001 70 MW).

Middelgrunden – 20 × 2 MW na dohled od Kodaně

Větrné elektrárny v průlivu Middelgrunden u Kodaně. Foto B. Koč

Návštěvník Dánska se pravděpodobně nejčastěji setká s větrnými elektrárnami Middelgrunden Vindmollepark, postavenými koncem roku 2000 v průlivu Oresund, asi 3 km od pobřeží a 8 km východně od centra Kodaně. Možná je uvidí už z letadla při přistávání na největším skandinávském letišti Kastrup u Kodaně. Middelgrunden je první „multimegawattová“ mořská větrná farma. Tvoří ji 20 větrných elektráren Bonus v úpravě pro mořské lokality s výkonem po 2 MW. Elektrárny jsou umístěny v severojižní mírně prohnuté linii a jejich vzájemné rozestupy jsou nečekaně malé, 182 metrů, celková délka linie 20 elektráren je 3,4 km. Průměrná rychlost větru na této lokalitě se ve výšce 48 m pohybuje v rozmezí 7,2–7,4 m/s.

Mapa se zákresem polohy jednotlivých větrných elektráren v průlivu Middelgrunden východně od Kodaně. Repro archiv

Polovinu z deseti turbín postavila dánská elektrárenská společnost DONG, druhá polovina je společným vlastnictvím obyvatel Kodaně, kteří založili r. 1997 družstvo Middelgrunden Wind Turbine Cooperative. Družstvo financovalo 10 větrných elektráren vlastními soukromými prostředky prostřednictvím nákupu akcií (celkem 40 500 kusů po 4250 DKK) s garantovaným výnosem 7,3 % během prvních 10 let. Samotný projekt byl na dané lokalitě v mnoha ohledech složitý. Umístění elektráren bylo třeba citlivě volit s ohledem na blízkost města, velkého letiště ve vzdálenosti 5–8 km, provoz lodí ve frekventovaném průlivu Oresund i limity dopadů na životní prostředí. Vše proběhlo při vzájemné komunikaci města a investorů. Stavba na moři byla zahájena 16. října 2000 a elektrárny byly připojeny k síti 21. 12. téhož roku. Ve statistikách je provoz těchto elektráren uváděn od roku 2001.

Ukládání fundamentů se zabudovaným prvním dílem věže do průlivu speciálním plavidlem. Foto archiv

Pozoruhodností této stavby je způsob uložení větrných elektráren na dně průlivu v hloubce 2 až 6 metrů. Elektrárny jsou usazeny na urovnané dno a „kotveny“ jsou pouze gravitačně, tzn. hmotností vlastního železobetonového fundamentu, vážícího 1660 tun. Tyto železobetonové díly byly stavěny v suchém bazénu na okraji Kodaně. Průměr jejich základny je 16,7–17,6 m. Z ní vyrůstá krátký železobetonový dřík a cibulovitou nástavbou, v níž je uchycen první díl ocelového tubusu věže větrné elektrárny. Výška každého fundamentu od 8 do 11,3 m byla přizpůsobena hloubce, v níž měl být uložen, aby jeho části nad hladinou byly ve stejné úrovni. „Cibulový“ tvar je volen jako prevence proti tlakům ledu při případném (a historicky vzácném) zamrznutí průlivu. Led by se pak o tento tvar zvedal a lámal a nepůsobil tak tlakem na konstrukci fundamentu. Po kompletaci fundamentů byl bazén zaplaven a speciální prám je pak odvážel na určenou pozici v průlivu. Na tomto prvním dílu byly po usazení upevněny další díly tubusu, gondola a rotor elektrárny. Elektrárny jsou vzájemně propojeny podmořským kabelem a od jedné z prostředních elektráren vede kabelové připojení k síti na pevninu.

Základy pro gravitační uložení větrných elektráren na dno průlivu Middelgrunden v suchém bazénu, kde byly vyráběny. Na detailním záběru je možné porovnání jejich velikosti s postavou (v bílém rámečku). Foto B. Koč

Roční průměrná produkce této větrné farmy po 15 letech provozu činí 89 mil. kWh, průměrné využití instalované kapacity je 24 %, i když lokalita nemá charakter plnohodnotné offshore lokality na zcela otevřeném moři a elektrárny mají technologii přelomu tisíciletí. Také jejich malé rozestupy ovlivňují výkon elektráren zejména při proudění větru ze severních směrů.

Část větrné farmy Horns Rev I ve vzdálenosti 14 km – pohled z mysu Blavands Huk při západu slunce. Foto B. Koč

Zkušenosti s prvními mořskými instalacemi byly zhodnoceny a využity při projektech dalších offshore větrných parků. V současnosti je na mělčinách okolo Dánska postaveno 13 větrných parků s celkovým instalovaným výkonem přes 1 400 MW. Největší parky jsou u západního pobřeží Jutského poloostrova na lokalitách Horns Rev I (2002, 160 MW poprvé zde byly elektrárny založeny na hloubce 10 metrů) a Horns Rev II (2009, 209 MW) s mořskými verzemi větrných elektráren Vestas ve vlnách Severního moře, asi 35 km západně od Esbjergu, nebo 20 km od nejzápadnějšího cípu dánské pevniny a mysu Blavands Huk s majákem, v němž je i expozice o této mořské větrné farmě.

Informační panel o větrných farmách Horns Rev a řez podmořským kabelem v expozici u majáku na mysu Blavads Huk. Foto B. Koč

Několikaletý provoz potvrzuje předpoklady vyššího potenciálu větrné energie nad mořskou hladinou i využití instalované kapacity této větrné farmy, které se pohybuje kolem 46 %.

Průřez listem větrné elektrárny v expozici o mořském parku Horns Rev a pohled do expozice v bývalém obydlí strážce majáku. Foto B. Koč

Další dánské offshore parky jsou u ostrova Anholt v průlivu Kattegat (2014, 400 MW), na dvou lokalitách Nysted (2003, 165 MW) a Rodsand (2010, 207 MW) jižně od ostrovů Lolland a Falster a dokončován je největší park Kriegers Flak, uprostřed mezi německým Sassnitz a švédským Trelleborgem (600 MW). Tento větrný park je unikátní tím, že má propojení podmořskými kabely do Švédska i do 30 km vzdáleného německého mořského větrného parku Baltic 2 (288 MW). To umožňuje i transfer elektrické energie nejen do zmíněných zemí, ale i mezi těmito zeměmi a stává se tak i součástí transevropských sítí.

Nejen Dánsko

Roku 2003 vstoupilo mezi provozovatele mořských větrných parků Spojené království offshore větrnou farmou s instalovaným výkonem 60 MW, k nimž pak každoročně přibývaly desítky a stovky MW nových instalací. Lídrem se stalo UK na přelomu let 2007–8, když dosáhlo hranice 400 MW instalovaného výkonu. Je zajímavé, že start a vývoj mořských instalací v Německu nastal až po roce 2010. Postupně se také přidávaly další přímořské země.

Koncem roku 2015 bylo na evropských mořských lokalitách instalováno již 3 230 větrných elektráren s celkovou kapacitou přes 11 tis. MW na 80 offshore mořských parcích. Do této statistiky zasáhlo 11 přímořských zemí, nejvíce instalací mají ve svých vodách Spojené království, Německo a Dánsko. Během roku 2015 bylo instalováno více než 3 tis. MW výkonu na 758 elektrárnách. Současný stav a historický vývoj offshore instalací ukazují tabulky.

Asi nepřekvapí, že se mezi čtyři země s nejvyšším instalovaným výkonem na mořských větrných elektrárnách zařadila Čína; první offshore instalaci zprovoznila r. 2007, největší z 10 instalací má výkon 100 MW. Japonsko má zatím jen samostatné elektrárny, největší park sestává z 8 strojů s celkovým výkonem 16 MW. Pozoruhodná je ale i dynamika růstu tohoto oboru. Statistiky GWEC (Global Wind Energy Council) uvádějí přírůstky instalovaného výkonu v roce 2015: Německo + 2 282 MW, Spojené království + 572 MW, Čína + 360 MW. Je pravděpodobné, že nové instalace roku 2016 přinesou v tabulce nejeden přesun pořadí.

Větrné energetice na mořských lokalitách dominují větrné elektrárny Siemens, které se na instalacích roku 2015 podílejí 1 816 MW – tj. 60 %. Vestas umístil 12,9 % (391 MW) nových elektráren. Firma Senvion (jejíž kořeny a know-how jsou u firmy RePower) má s 270 MW 8,9% podíl a značka Adwen (společný podnik firem AREVA + Gamesa pro mořské instalace) 18,2 % s 550 MW instalovaného výkonu.

Specifika a stavba větrných elektráren na moři

Stavba i provoz větrných elektráren na mořských mělčinách mají svá specifika, výhody, ale i nové problémy. Už to tak bývá, že jisté přednosti musí být vykoupeny řešením nových problémů. K přednostem a výhodám mořských instalací patří využití lepších větrných podmínek (vyšší a stálejší rychlost větru, na mořských lokalitách je dosahováno 1,5 až 2násobku využití instalované kapacity v porovnání s lokalitami na pevnině) a možnost stavby větších zařízení s menšími omezeními z hlediska hluku nebo začlenění do krajiny.

S tím souvisí i vyšší investiční náklady i náklady na pravidelný provozní servis. Zatímco náklady na samotnou větrnou elektránu (příp. instalovaný výkon 1 MW) jsou v průměru o polovinu vyšší než u stroje pro pevninu, jsou náklady na dopravu, montáž základů i samotnou stavbu nad hladinou i několikanásobné. Vyžadují speciální plavidla pro dopravu a montáž dílů pod hladinou i nad ní, početnější a více specializované (a tím i dražší) týmy montérů. Mořské větrné elektrárny jsou s pevninou propojeny někdy i několik desítek km dlouhými kabely (a s postupem na vzdálenější lokality bude jejich délka a tím i cena růst), pokládanými dalšími specializovanými plavidly s obřími cívkami pro kilometry kabelů.

Celá investice má tedy mnoho proměnných součástí a není snadné data nejen získat, ale také je rozklíčovat. Výsledný efekt je možné posuzovat návratností investice prodejem elektrické energie do sítě. U mořských větrných parků je v posledních letech pro prodej elektrické energie používán systém aukcí, kde již bylo dosaženo ceny pouhých 49,90 € / 1 MWh.

GWEC (Global Wind Energy Council) ve své zprávě Offshore wind vydané v únoru 2016 uvádí, že plánované investice pro instalaci 3 GW nového výkonu offshore větrných elektráren v Evropě činí 11 mld. €. V přepočtu na 1 MW instalovaného výkonu to znamená cenu 99 mil. Kč.

Z dostupných údajů o jednotlivých offshore větrných parcích uvádíme dva příklady:

• Větrný park Merkur (SZ od nizozemského ostrova Borkum, asi 40 km od pobřeží Nizozemska) s instalovaným výkonem 396 MW počítá s investicí 1,6 mld. €. Náklad na 1 MW instalovaného výkonu asi 4 mil. €. Zdroj: Offshore wind industry, 2016/3
• Větrný park Meerwind Süd/Ost (SSZ od ostrova Helgoland) s instalovaným výkonem 288 MW (90 větrných elektráren po 3,2 MW na polířích typu monopiles na hloubce 15–25 m) představuje investici 1,6 mld. €. Náklad na 1 MW instalovaného výkonu 4,5 mil. €. Zdroj: stánek Foundation Offshore Wind Industry na veletrhu WindEnergy Hamburg 2016, září 2016.

Z dostupných základních dat o uvedených instalacích lze orientačně odvodit další zajímavé údaje o návratnosti investic.

Ač jsou používány koncepty a technologie, které již na pevninských instalacích prokázaly především spolehlivost a odolnost proti vyšším rychlostem a nárazům větru, musí být některá řešení pro mořské lokality naopak znásobena nebo zcela nově pojata. Větrné elektrárny musí být především důsledně chráněny proti korozi slanými aerosoly v mořském prostředí. Vedle zvýšené protikorozní ochrany ocelových dílů se to zvlášť týká veškeré jejich elektrické instalace: kabelových spojů, transformátorů, rozvoden, servomotorů, generátoru a také schránek s elektronikou pro řízení provozu. Všechna tato zařízení musí být zcela hermetizována.

Schéma základních typů fundamentů pro offshore větrné elektrárny. Repro EWEA

Schéma základů větrných elektráren na lokalitě Ronland u západního pobřeží Jutského poloostrova s mikropiloty. Foto B. Koč

Offshore instalace mají však i své technologické a provozní přednosti. Umožňují použití delších listů rotoru, což s sebou nese vyšší jmenovitý výkon elektráren, který již dosáhl 8 MW při průměru rotoru 164 m a pomalu se blíží hranici 10 MW. Na pevninských instalacích je často hranicí pro délku listu možnost listy s délkou přes 70 m na lokalitu dopravit. Omezením pro provoz mořských elektráren není vydávaný hluk (pro pevninu platí hlukové limity pro denní a ještě přísnější pro noční provoz). Mořský prostor umožňuje projektování větrných parků se stovkami elektráren, což snižuje náklady na jednotku výkonu. I pro offshorové elektrárny ale platí přibližně stejná horní hranice rychlosti větru, při níž je třeba stroj natočením listů a následně brzdami na hlavní ose zastavit a zajistit, aby nedošlo k mechanickému poškození nebo destrukci rotoru. Mohlo by pak vlivem nadlimitní rychlosti větru (zpravidla přes 22 až 25 m/s) dojít k takovému ohybu listů, že by hrozil jejich střet s věží elektrárny.

Zajímavý je i pohled „pod hladinu“ – tedy na to, jak jsou větrné elektrárny v mořském dně založeny. Pro zakládání větrných elektráren je používáno několik způsobů, znázorněných na obrázku. Většinou je používán systém „monopiles“ – založení ocelového a betonem zalitého tubusu přímo do dna (80 % instalací), ale 9 % offshore elektráren není do dna nijak kotveno, jsou uloženy gravitačně, tzn. na volně uloženém dostatečně hmotném železobetonovém fundamentu, případně na systému „mikropilotů“. Další způsoby zakotvení větrných elektráren tvoří ocelové konstrukce ze svařovaných rour. Na systému „jacket“ (prostorová hrázděná čtyrnožka zakotvená ve dně) je v současnosti vztyčeno 5,4 % instalací, konstrukce „tripod“ (trojnožka) pak ve 3,6 % a „tripiles“ (tři spojené pilíře) v 1,7 % případů. Částečně jsou tyto obří svařence po uložení a zakotvení na dně vyplňovány betonem. Průměrná hloubka, na které byly r. 2015 nové elektrárny vztyčeny, se posunula na 27,1 m a průměrná vzdálenost od pobřeží činí již 43,3 km. Nejstarší gravitační uložení větrných elektráren je použito na již zmíněném větrném parku Middelgrunden v průlivu Oresund u Kodaně.

Samotná stavba větrných elektráren na moři si vynutila i konstrukci a stavbu nových typů plavidel pro dopravu dílů, kabelů i pro montáž jednotlivých elektráren. Je přitom využíváno některých řešení z oboru mořských vrtných plošin. Stavba elektráren je většinou prováděna loděmi, které mají zakomponovány svislé pilíře, na nichž se celé plavidlo může zvednout nad úroveň hladiny a stabilizovat tak svou polohu. To je podmínkou pro bezpečnou práci jeřábů, které musí některé díly s hmotností až 100 tun zvedat do výšky i přes 100 metrů. V Baltu a Severním moři už operují desítky flotil a celkem až stovky speciálních plavidel.

Transport dílů pro offshore větrné elektrárny vyrobených v Kielu kanálem z Baltu do Severního moře (na fotografii směrem doleva). O velikosti transportovaných dílů svědčí porovnání s budovami na břehu kanálu. Říční prám s „nadměrným nákladem“ je pomocným zadním vlečeným remorkérem směrově natáčen pro bezpečný průjezd kanálem, zejména při míjení s dalšími plavidly. Foto B. Koč

Speciální plavidlo pro stavbu větrných elektráren na moři. Patrné jsou „nohy“, které na lokalitě zajistí usazení plavidla na dně a jeho vyzdvižení nad hladinu. Foto archiv

Katalog speciálních plavidel pro montáž a servis na mořských větrných elektrárnách, prezentovaný na letošním veletrhu větrné energetiky v Hamburku, obsahuje desítky flotil a stovky položek. Foto B. Koč

V posledních letech se objevují i projekty plovoucích větrných elektráren. První takovou instalací byla roku 2009 elektrárna Siemens (2,3 MW, průměr rotoru 82 m, výška osy rotoru nad hladinou 65 m) u norského Stavangeru. Dala by se přirovnat k obřímu rybářskému splávku, který je kotven v hloubce 100 m třemi „rozkročenými“ lany ukotvenými na dně. Uprostřed každého lana je zátěž s několikatunovou hmotností, což umožňuje jistou volnost a současně tlumení svislého pohybu elektrárny při vlnobití. Během roku 2010 dodala tato elektrárna do sítě 20,15 GWh elektrické energie, což znamená 36% využití instalované kapacity.

Montáž plovoucí větrné elektrárny projektu HYWIND Siemens 2,6 MW u Stavangeru a schéma jejího ukotvení. Kotvící lana jsou v polovině hloubky prověšena zátěží – betonovými bloky. Foto B. Koč

Větrná elektrárna pro offshore instalaci s plošinou pro výsadek z vrtulníku. Foto B. Koč

Plovoucí způsob umístění větrné elektrárny umožňuje atak této technologie do větších hloubek. Novější projekty používají hladinových na dně lany kotvených pontonů, nesoucích jednotlivé elektrárny. Tzv. plovoucí elektrárny umožňují využití lokalit s většími hloubkami, kde by už stavba na pevných pilířích byla neefektivní i technicky nerealizovatelná.

Práce při stavbě provádějí vysoce specializované týmy montérů. Opatření, týkající se bezpečnosti jejich práce a výcviku případných havarijních situací jsou porovnatelná snad jen s výcvikem záchranářů nebo i astronautů. Totéž platí pro trénink specialistů pro montáž, servis, údržbu a případné opravy na provozovaných elektrárnách, vzdálených často až desítky kilometrů od pobřeží. Větrné elektrárny pro mořské instalace jsou na gondole vybaveny plošinou s ohrádkou pro výsadek montérů z vrtulníku. I tyto operace jsou na cvičných základnách na pevnině mnohokrát simulovány a zkoušeny na opravdových elektrárnách.

Cvičná základna pro tyto účely OffTEC Base je umístěna u obce Enge-Sande ve Šlesvicku-Holštýnsku, asi 20 km od pobřeží Severního moře a také 20 km jižně od hranice s Dánskem. Má k dispozici tři cvičné větrné elektrárny (2 × Nordex, 1 × Siemens) s úpravou pro mořské lokality. Slouží především k „suchému“ nácviku výsadku na větrnou elektrárnu z vrtulníku, k transportu materiálu i k případné simulaci evakuace zraněného na nosítkách lanovkou, tvořenou lanem uchyceným ke gondole i k vrtulníku. Před výsadkem je větrná elektrárna zastavena, rotor je zabrzděn v poloze „Y“, aby listy rotoru byly co nejníže. Jsou používány nejmodernější „pracovní“ vrtulníky, schopné stabilizace polohy ve vzduchu prostřednictvím tří gyroskopů, které byly vyvinuty pro práce na mořských vrtných plošinách. Na základně je také bazén, v němž procházejí montéři i nácvikem evakuace z makety kabiny vrtulníku potopené do bazénu. Montéři proto mají i základní potápěčský výcvik a vybavení a pro svou práci potřebují několik certifikátů, které je třeba v pravidelných intervalech obnovovat. A je zajímavé, že mezi těmito specialisty má i Česko své zastoupení.

Přílet a „zakotvení“ vrtulníku nad plošinou větrné elektrárny a výsadek montéra. Foto B. Koč

Bývalé loděnice v Malmö v současnosti slouží pro výrobu tubusů pro větrné elektrárny. Foto B. Koč

Offshore instalace větrných elektráren se v posledních letech staly autonomním oborem větrné energetiky, s vlastními veletrhy a oborovými kongresy. Někteří výrobci se na offshore zařízení specializují, vznikají nové firmy pro stavbu, dopravu a instalaci fundamentů, logistiku a stavbu elektráren s flotilami specializovaných plavidel nebo s vrtulníky pro dopravu montérů na místo stavby a při servisu. V nedávných letech se obor stal i stabilizátorem ekonomiky tím, že výrobci dílů pro větrných elektráren zakoupili objekty loděnic v Německu, Dánsku, Švédsku i ve Spojeném království, které se potýkaly s nedostatkem zakázek, a využily je pro výrobu tubusů, fundamentů a listů větrných elektráren. Kromě vhodně vybavených hal získali i jejich přístavy, které umožňují bezprostřední expedici dílů na místa stavby mořských větrných elektráren. Vznikají však také zcela nové a velkoryse pojaté komplexní základny pro obor offshore větrných elektráren, například u dánského Thyboronu na západním pobřeží Jutského poloostrova (viz GPS 56.6942428N, 8.2212508E).