PL EN DE

Morskie turbiny wiatrowe – technologia, trendy i wyzwania w 2023 roku

Pod koniec ubiegłego roku firma Vestas uruchomiła największą morską turbinę wiatrową o mocy 15 MW i rozpoczęła testy w Østerild w Danii. Zaledwie dwa tygodnie później światowe media obiegła informacja, że chińska firma CSSC Haizhuang wprowadza na rynek model o mocy 18 MW. Wyścig między producentami turbin w 2023 r. zapowiada się na bardzo emocjonujący

Postęp technologiczny w morskiej energetyce wiatrowej zaczyna przypominać rynek smartfonów. I nie są to analogie wyłącznie symboliczne, jak niezmienność idei — dla telefonów jest to od lat duży dotykowy ekran, a dla morskich turbin klasyczny pionowy układ wirnika z trzema łopatami. Choć iPhone’a 2G z 2007 roku na pierwszy rzut oka trudno odróżnić od współczesnych modeli, to są to przecież zupełnie inne urządzenia. Oczywiście poza rozmiarami (i jest to kolejne podobieństwo do offshorowych wiatraków) kolejne generacje telefonów różnią się oprogramowaniem, wydajnością procesorów, pojemnością akumulatorów, czy usługami sieciowymi.

Z kolei morskie turbiny wiatrowe, które wchodzą na rynek, mają wielokrotnie większą moc w porównaniu do modeli sprzed dekady. Wyższe wieże, dłuższe łopaty, mocniejsze generatory – rozwój technologii dotyczy jednak także nowych metod palowania, ochrony systemów kablowych, czy integracji z systemami do produkcji zielonego wodoru. Warto też zauważyć ekologiczne trendy tym sektorze.

Odpowiadając na potrzeby związane z ochroną środowiska, producenci wprowadzają łopaty, które w pełni poddają się recyklingowi i można tu zauważyć analogię, chociażby do programu Eco Rating, czyli systemu ekologicznego znakowania smartfonów. 

Standaryzacja – podobnie jak w smartfonach potrzebna, ale mało realna

Zanim przejdziemy do przeglądu największych turbin, które w 2023 mają być dostępne na rynku, warto zauważyć, że mimo wezwań do standaryzacji producenci niechętnie dzielą się technologiami, a wręcz skutecznie starają się blokować unifikację rozwiązań. W listopadzie ubiegłego roku  amerykański sąd federalny w Bostonie zabronił General Electric (GE) „wytwarzania, używania, oferowania na sprzedaż, sprzedawania, importowania lub instalowania w Stanach Zjednoczonych” morskiej turbiny wiatrowej Haliade-X po tym, jak biegli sądowi doszli do wniosku, że ​​model ten narusza patent należący do Siemens Gamesa Renewable Energy. Spór dotyczył rozwiązania układu podpór konstrukcyjnych dla turbiny, umożliwiającego przenoszenie zwiększonych obciążeń.

Co ciekawe  kilka miesięcy wcześniej firma GE złożyło pozew, twierdząc z kolei, że rozwiązania w urządzeniach Siemens Gamesa naruszają opatentowane przez GE technologie związane z obsługą sieci niskich napięć. Standaryzacja wydaje się koniecznością, szczególnie w sytuacji wyznaczania kolejnych obszarów morskich dla tej technologii, nadchodzących aukcji, zwiększonych celów krajowych i nowych strategii energetycznych. Nowe rynki morskiej energii wiatrowej będą wymagały bezprecedensowej liczby morskich turbin wiatrowych, które zostaną zainstalowane w stosunkowo krótkim czasie.

Pytanie, kto będzie ich dostawcą?

Twarda i bezpardonowa walka między czołowymi europejskimi producentami i niechęć do standaryzacji otwiera szansę dla chińskich turbin. W takim wypadku oświadczenie firmy CSSC Haizhuang opublikowane na początku stycznia podczas prezentacji 18 megawatowej turbiny brzmi wręcz złowieszczo. CSSC Haizhuang zauważa, że nowy model został opracowany z „niezależnymi prawami własności intelektualnej, które poprawiły wskaźnik nacjonalizacji turbiny, a 80% komponentów projektu, w tym łopaty, przekładnia, generator zostało dostarczonych przez rodzime firmy. 

Dalej czytamy: „To ostatecznie poprawi poziom produkcji chińskiego przemysłu sprzętu wiatrowego, prowadząc do modernizacji przemysłowej, przynosząc znaczące korzyści społeczne i ekonomiczne oraz obejmując szeroką perspektywę uprzemysłowienia (kraju)”. 

Pytanie, czy producenci europejscy zmienią swoje podejście do standaryzacji, jest analogiczne do pytania, czy wszyscy producenci smartfonów (w tym oczywiście Apple) wprowadzą jednolity system ładowania za pomocą łącza USB-C. Dla sektora offshore i europejskich producentów turbin standaryzacja wydaje się wręcz koniecznością, bo morskie farmy wiatrowe po 2030 r. mają mieć jeszcze większą skalę i będą powiązane z takimi projektami, jak wyspy energetyczne i duże zakłady produkcji zielonego wodoru.

Duży może więcej

Aby osiągnąć cele morskiej energii wiatrowej na lata 2030 i 2050 na całym świecie, a tym samym pomóc w osiągnięciu ostatecznego globalnego zeroemisyjnego celu na 2050 r., branża musi znaleźć kompromis między odpowiednią ilością znormalizowanej technologii morskiej energii wiatrowej w celu zwiększenia wolumenu a stopniową modernizacją sektora. Podstawowym wyzwaniem jest zwiększenie wydajności oraz wprowadzenie innowacji, które umożliwią szybsze przejście do technologii nowej generacji. W 2022 r. deweloperzy morskiej energetyki wiatrowej przedłożyli plany projektów rządom na całym świecie, od przybrzeżnych państw członkowskich UE po USA i nowe rynki, takie jak Brazylia. Większość planów opiera się na turbinach o mocy 15 MW i większych. Obecnie większość modeli o takich mocach jest na etapie prototypu, ale procesy wdrożeniowe zostały mocno przyspieszone – szczególnie że część modeli jest już zakontraktowana do instalacji w najbliższych latach. Na rynku pojawiają się także interesujące nowatorskie rozwiązania technologiczne w zakresie pływających farm wiatrowych i nowe odkrycia dotyczące turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu.

Vestas V236-15.0 MW

Pod koniec grudnia 2022 r. prototypowa siłownia V236-15,0 MW firmy Vestas została zainstalowana w centrum testowym Østerild dla dużych turbin wiatrowych w zachodniej Jutlandii w Danii i wyprodukowała pierwszą energię elektryczną. Prototyp ma całkowitą wysokość 280 metrów, a jego produkcja wynosi 80 GWh/rok. Dzięki 236-metrowemu wirnikowi i 115,5-metrowym łopatom model ma powierzchnię omiatania przekraczającą 43 000 metrów kwadratowych. Jedna jednostka V236-15.0 MW jest w stanie wyprodukować wystarczającą ilość energii, aby zasilić ponad 20 000 gospodarstw domowych. Po fazie testów w Østerild nowe turbiny Vestasa mają być wykorzystanie komercyjnie na farmie wiatrowej Frederikshavn u wybrzeży Danii. W lipcu ubiegłego roku EnBW wstępnie wybrał Vestas do dostarczenia nowych morskich turbin o mocy 15 MW dla projektu He Dreiht o mocy 900 MW na niemieckim Morzu Północnym, a kilka miesięcy później Equinor i BP uznali firmę za preferowanego dostawcę turbin dla swoich projektów Empire Wind 1 i Empire Wind 2 o mocy 2,1 GW w Nowym Jorku. Nowy model będzie również wykorzystany w projekcie Atlantic Shores u wybrzeży New Jersey w USA, farmie wiatrowej Inch Cape u wybrzeży Szkocji oraz na farmie wiatrowej Baltic Power w Polskiej Wyłącznej Strefie Ekonomicznej.


Siemens Gamesa SG 14-236 DD

W ostatnich dniach grudnia 2022 r. 115-metrowe łopaty morskiej turbiny wiatrowej SG 14-236 DD opuściły fabrykę w Aalborgu i zostały zainstalowane na prototypowej turbinie w Østerild. Oparta na istniejącym modelu SG 14-222 DD, zmodyfikowana nowa turbina z 236-metrowym wirnikiem będzie miała powierzchnię omiatania 43 500 metrów kwadratowych i moc 15 MW. Prototyp ma zostać ukończony w pierwszej połowie 2023 r., a model będzie dostępny komercyjnie w 2024 roku. Do tej pory turbina wiatrowa SG 14-236 DD została wybrana jako preferowana opcja dla farm wiatrowych Norfolk Vanguard i Boreas u wybrzeży Wielkiej Brytanii, a także dla farm wiatrowych MFW Bałtyk II i MFW Bałtyk III. Siłownia ma być oferowana z nowym typem łopaty RecyclableBlade wykonanej w technologii IntegralBlade, która pozwala na odzyskanie i ponowne wykorzystanie większości użytych materiałów.


Morska turbina Siemens Gamesa SG 14-236 DD - wizualizacja. Źródło: Siemens Gamesa

GE Haliade-X 14.7 MW-220

GE Renewable Energy ogłosiło na początku grudnia 2022 r., że model GE Haliade-X 14.7 MW-220 otrzymał świadectwo kwalifikacyjne DNV do pracy z mocą 14,7 MW, co daje jej tytuł największej turbiny wiatrowej z pełną certyfikacją. Proces certyfikacji tego modelu obejmował serię testów prototypu, który od 2019 roku jest zainstalowany w porcie w Rotterdamie w Holandii. Jedna morska turbina wiatrowa GE Haliade-X może wygenerować do 76 GWh rocznej produkcji energii brutto, zapewniając wystarczającą ilość czystej energii, aby zasilić równowartość 20 000 gospodarstw domowych. Sam proces certyfikat dotyczył 87 turbin o mocy 14 MW, które będą wykorzystywane w Dogger Bank C, trzeciej fazie farmy wiatrowej Dogger Bank o łącznej mocy 3,6 GW. Warto przypomnieć, że dla dwóch pierwszych faz tego projektu dostawcą jest także GE. 

Turbina podczas testów w porcie w Rotterdamie w Holandii. Źródło: materiały prasowe GE


W listopadzie 2022 r. China Three Gorges Corporation (CTG) i Goldwind Technology zaprezentowały pierwszą gondolę do morskiej turbiny wiatrowej o mocy 16 MW.

Według CTG model ma największe rozmiary zewnętrzne, największą średnicę wirnika i najlżejszą masę na w przeliczeniu na megawat na świecie. Model dysponuje wirnikiem o średnicy 252 metrów i powierzchnią omiatania około 50 000 metrów kwadratowych. Producent podaje, że turbina jest zdolna do generowania 34,2 kWh energii elektrycznej na jeden obrót, a rocznie jednostka będzie w stanie wyprodukować ponad 66 GWh energii. Co ciekawe, obie firmy pracują jednocześnie również nad mniejszą turbiną o mocy 13,6 MW, która będzie miała średnicę wirnika 252 metry.



Informacja o budowie siłowni o mocy 16 MW była dosyć zaskakująca, ponieważ ogłoszono ją krótko po tym, jak ci sami partnerzy zaprezentowali turbinę o mocy 13,6 MW. Źródło: Goldwind.

Mingyang Smart Energy MySE 16-260

W połowie 2021 r. chiński producent Mingyang Smart Energy poinformował, że pracuje nad turbiną MySE 16.0-242 o mocy 16 MW. W grudniu 2022 roku Mingyang ogłosił, że zakończył produkcję pierwszej łopaty dla tej siłowni, nie precyzując jednak jej długości, a jedynie informując, że jest to największa łopata turbiny wiatrowej na świecie zdolna wytrzymać tajfun. Na stronie internetowej producenta możemy znaleźć informacje, że pojedyncza turbina MySE 16.0-242 może generować 80 000 MWh energii elektrycznej rocznie. Dla porównania ten model będzie w stanie wytworzyć o 45% więcej energii niż poprzednia turbina MingYanga, MySE 11.0-203. Siłownia została też niedawno certyfikowana przez DNV i China General Certification Center (CGC) w zakresie projektowania. Instalacja prototypu zaplanowana jest w pierwszej połowie 2023 r. a produkcja komercyjna w pierwszej połowie 2024 r. 



CSSC Haizhuang H260-18MW 

Turbina o mocy 18 MW została zaprezentowana na targach w Dongying City w północno-wschodniej prowincji Shandong. Nowy model ma imponującą średnicę wirnika 260 metrów i jest wydajniejszy niż największe wielkogabarytowe turbiny chińskich firm, a także niż obecne modele europejskich producentów. Łopaty nowej turbiny mają powierzchnię omiatania 53 000 m2, co odpowiada siedmiu boiskom piłkarskich. Firma CSSC Haizhuang w komunikacie informuje, że układ napędowy posiada elastyczny system sterowania generatora i kąta natarcia łopat oraz zmienny moment obrotowy. Same łopaty zostały wyposażone w system redukujący zjawisko „trzepotania” końcówek łopatek. Producent twierdzi, że uzyskał zmniejszenie amplitudy drgań o 10 procent w porównaniu do poprzedniej generacji łopat. To rozwiązanie pozwoli zminimalizować wibracje w wieży turbiny i fundamentach nawet o 50 procent.



Futurologia czy perspektywa?

Prognozy rozwoju sektora na najbliższe lata zakładają zwiększenie mocy pojedynczej turbiny do 20 MW. Choć długoterminowe plany i scenariusze dla sektora offshore szacują skalę produkcji energii, to przewidywanie samej wielkości siłowni w latach 2030, czy kolejnych dekadach obarczone jest typowymi błędami predykcji ilościowej (dotyczącej samego wzrostu mocy pojedynczej turbiny). W tym wypadku mamy do czynienia także z predykcją jakościową, która zawiązana jest z prawdopodobnym pojawieniem się na rynku niedostępnych dziś rozwiązań technologicznych. Interesującą prognozę przedstawiła w ubiegłym roku Duńska Agencja Energetyczna (DEA), która zakłada, że podczas budowy wyspy energetycznej kraju na Morzu Północnym dostępne będą urządzenia o czterokrotnie większej mocy. Dokumenty opublikowane przez agencję w sierpniu ubiegłego roku w ramach procesu konsultacji społecznych wskazują, że projekt do 2040 roku może zwiększyć się z obecnie planowanych 10 GW do 40 GW. Zgodnie z dokumentem ramowym dla projektu planu strategicznej oceny oddziaływania na środowisko mogą być to nawet 500-metrowe turbiny wiatrowe o średnicy wirnika 480 metrów i mocy do 62 MW.

Oprócz wzrostu mocy siłowni, „pływającego wiatru”, technologii wodorowych, czy wysp energetycznych pojawiają się próby zwiększenia gęstości mocy za pomocą turbin wiatrowych o pionowej osi obrotu umieszczonych blisko siebie. Przyczyną dla której poszukuje się nowych rozwiązań, jest nie tylko samo zwiększenie wydajności technologii offshorowych, ale także jej ograniczenia. Głębokość morza, ukształtowanie dna, odległość od brzegu – to dla wielu państw leżących nad Morzem Północnym, czy Morzem Śródziemnym poważne wyzwania, w tym wzrost kosztów potencjalnych inwestycji. Na tym tle warunki południowego Bałtyku, w tym Polskiej Wyłącznej Strefy Ekonomicznej wydają się wręcz idealne. Możemy skorzystać z dostępnej i dojrzałej technologii już dziś, a jej postęp w przyszłych latach będzie dodatkowo napędzał polską gospodarkę, zgodnie z ideą zrównoważonego rozwoju.



Analiza dla CIRE.pl - dr inż. Piotr Biniek