Nordsee One

Osuszacz powietrza do bezpiecznej eksploatacji morskich
elektrowni wiatrowych

Wprowadzenie
W ubiegłych latach wytwarzanie prądu odnawialnego z morskich elektrowni wiatrowych stało się ważnym filarem ekologicznej mieszanki energii i wiąże się z nim duże nadzieje w kwestii zmian energetycznych. Aby kilka tysięcy wiatraków eksploatowanych na Morzu Północnym i Bałtyckim trwale funkcjonowało bezpiecznie, w ich pomieszczeniach roboczych nie może być przekraczana maksymalna wilgotność powietrza.

Dlatego powietrze musi być cały czas osuszane. Awarie i naprawy elektrowni wiatrowych daleko na morzu wymagają bardzo dużych nakładów i mogą spowodować utratę dochodów. W tym artykule omówiono problemy oraz ich rozwiązanie na przykładzie uruchomionej w 2017 roku elektrowni wiatrowej Nordsee One. Obejmuje ona 54 turbiny wiatrowe i ma łączną moc ponad 330 MW.

Występujące na pełnym morzu silne i najczęściej również ciągle wiejące wiatry powodują, że morska energia wiatrowa jest opłacalna. Ze względu na dobre warunki w przypadku morskich turbin wiatrowych coroczne godziny pełnego obciążenia są dwa razy dłuższe niż w podobnych urządzeniach na lądzie. W elektrowniach wiatrowych na Morzu Północnym, Bałtyckim i Irlandzkim zainstalowano obecnie moc elektryczną około 20 000 MW. Trwa budowa lub plany dla kolejnych 35 000 MW. Przy mniej więcej 3500 godzin pełnej eksploatacji rocznie kilka tysięcy turbin wiatrowych generuje obecnie rocznie pracę elektryczną o mocy 70 miliardów kWh, w roku 2025 według planów ma to być łącznie znacznie ponad 220 miliardów kWh. Użytkownicy zielonego prądu to głównie Wielka Brytania, Niemcy, Holandia, Belgia i Dania.






Również Niemcy stawiają na energię wiatrową
W Niemczech trwa intensywna rozbudowa morskiej energii wiatrowej. Na koniec 2017 roku na niemieckich wybrzeżach było prawie 1200 turbin wiatrowych w 20 morskich elektrowniach wiatrowych o mocy łącznie 5400 MW w sieci. Według informacji Federalnego Stowarzyszenia Energii Wiatrowej w roku 2017 energia wiatrowa wygenerowała około 105 miliardów kWh, co stanowi około 18% prądu wytwarzanego w Niemczech (600 miliardów kWh). W ten sposób praca elektryczna z energii wiatrowej jest mniej więcej tak samo duża jak fotowoltaika, biomasa i energia wodna razem.
Z prądu z elektrowni wiatrowych pochodziło w 2017 roku około 20 miliardów kWh z morskich elektrowni wiatrowych, czyli 50% więcej niż w 2016 roku. Również rząd federalny znacząco stawia w kolejnych latach na prąd z wiatru: do 2030 roku zainstalowana zostanie energia wiatrowa o mocy 15 000 MW (po mniej więcej 50% na lądzie i na morzu), która później będzie generować pracę prądu co najmniej 200 miliardów kWh. Odpowiada to mniej więcej jednej trzeciej obecnego łącznego zużycia prądu w Niemczech. Na podstawie ustawy o energiach odnawialnych (EEG) obecnie opłata początkowa dla turbin wiatrowych na morzu wynosi 15,4 centa/kWh w pierwszych dwunastu latach, a następnie będzie to 3,9 centa/kWh.






Z Morza Bałtyckiego pochodzi 1200 milionów kWh prądu rocznie
Elektrownia wiatrowa Nordsee One znajduje się około 35 km na północ wyspy Juist na południowym obszarze Morza Północnego. Powierzchnia całkowita wynosi 41 km2, a głębokość wody 26–29 m (patrz ilustracja 2). Średnia prędkość wiatru to 10 m/s. Prawie dziesięć lat po zezwoleniu na budową elektrowni wiatrowej przez Federalny Urząd Żeglugi i Hydrografii pod koniec 2015 roku rozpoczęła się budowa Nordsee One. W kwietniu 2016 roku położono fundamenty dla 54 turbin wiatrowych, latem wybudowano podstację, a na koniec września 2017 roku zamontowano wszystkie 54 turbiny wiatrowe.

W grudniu 2017 roku uruchomiono Nordsee One, która od tamtego czasu dostarcza zielony prąd. Wykorzystywane są 54 turbiny wiatrowe o średnicy wirnika 126 m, z których każda ma moc znamionową 6,15 MW. Elektrownia wiatrowa uruchamia się przy wietrze o prędkości powyżej 3,5 m/s i osiąga moc maksymalną przy mniej więcej 12 m/s. Wirniki mają powierzchnię całkowitą 12 500 m² – co odpowiada wielkości półtora boiska piłkarskiego!

Moc całkowita wszystkich 54 turbin wynosi 332 MW. Operatorzy elektrowni liczą przy mniej więcej 3600 pełnych godzinach moc na pracę elektryczną wynoszącą ok. 1200 milionów kWh rocznie. Ten prąd odpowiada rocznemu zużyciu około 400 000 gospodarstw domowych i oszczędza milion ton CO2 rocznie, jakie byłyby potrzebne w elektrowniach do wytworzenia prądu. Przewidywany okres eksploatacji elektrowni wiatrowej wynosi co najmniej 25 lat.

Prąd z Morza Północnego na ląd
54 turbiny wiatrowe są połączone kablem średniego napięcia z podstacją, która przekształca prąd na wysokie napięcie 155 kV. Stamtąd prąd przez dwa kable morskie jest prowadzony do oddalonej o siedem km i służącej jako stacja zbiorcza morskiej platformy przekształcającej (32 m × 16 m × 18 m), gdzie jest przetwarzany na prąd stały. Dwa kable 320 kV przesyłają następnie prąd do puntu zasilania na lądzie, czyli stacji elektroenergetycznej Dörpen West (patrz ilustracja 3).

Bezpieczeństwo eksploatacji jako nadrzędna zasada
Turbiny wiatrowe, które często są oddalone od lądu o wiele kilometrów, muszą zapewniać maksymalne bezpieczeństwo eksploatacji. W przypadku awarii turbiny operator ponosi duże straty finansowe ze względu na wysoką wydajność turbin MW. Niezbędne naprawy mogą się również często opóźnić o kilka dni ze względu na pogodę. W przypadku trudnych warunków na morzu zespoły serwisowe są narażone na duże obciążenia z powodu wielogodzinnych dojazdów i trudnych przejść ze statku do turbiny wiatrowej. Przeloty helikopterem są wprawdzie szybsze, ale droższe i często nie można ich wykonać we mgle i przy silnym wietrze. Elektroniczny zdalny nadzór nad turbinami oraz systemy redundantne są więc standardem w turbinach wiatrowych, podobnie jak wykonywane przez specjalistyczne firmy regularne przeglądy i konserwacje fundamentów, łopatek wirnika oraz całej elektroniki.

Firma Condair GmbH, Garching dostarczyła dla projektu Nordsee One łącznie 54 osuszacze powietrza typu DC 75 (patrz ilustracja 4). W celu ich ochrony przed zbyt dużą wilgocią i korozją powietrze musi być stale osuszane do poziomu wilgotności względnej około 50–60%. Powstające przy tym skropliny są stale odprowadzane automatycznie. W projekcie Nordsee One każdy ze stosowanych osuszaczy jest rozmieszczony w przestrzeni około 135 m³ (średnica 5,5 m, wysokość 5,7 m), w obszarze powierzchni wody (patrz ilustracja 5). Kompaktowe osuszacze powietrza typu DC 75 (wymiary 800 mm × 820 mm × 400 mm) pracują w obiegu chłodzenia (czynnik chłodniczy R410A) na bazie osuszania kondensacyjnego (poniżej punktu rosy powietrza).

W przypadku wydajności powietrza 800 m³/h maksymalna wydajność osuszania wynosi 73 l dziennie. Cechą szczególną urządzeń dostarczonych dla Nordsee One jest specjalne wykonanie morskie o bardzo wysokiej jakości z maksymalną ochroną przed agresywnym zasolonym powietrzem morskim. Jest to na przykład obudowa ze stali szlachetnej, wytrzymały specjalny wymiennik ciepła z miedzi oraz specjalna powłoka dla wentylatorów EC i izolowane przewody czynnika chłodniczego. Elektronika urządzenia w wersji IP66/67 (z zarządzaniem usterkami) znajduje się w oddzielnej skrzynce elektronicznej. Regulowane według potrzeb odszranianie gorącymi gazami zapewnia ekonomiczne użytkowanie również przy niskich temperaturach.