LOW←TECH MAGAZINE Polski

Ogrzej swój dom za pomocą wiatraka

Wed, 27 Feb 2019 00:00:00 +0000

Ilustracja: [Rona Binay](https://ronabinay.com/) dla Low-Tech Magazine.

Produkcja energii odnawialnej skupia się prawie wyłącznie na wytwarzaniu elektryczności. Jednak większość energii zużywamy nie w formie prądu, lecz ciepła, którego nie są w stanie bezpośrednio dostarczyć nam ani panele fotowoltaiczne ani turbiny wiatrowe. Jeśli chcemy zamienić prąd na ciepło to musimy liczyć się dużymi stratami energii.

Cieplny kolektor solarny pomija zamianą energii słonecznej na elektryczną i staje się źródłem odnawialnej energii cieplnej w sposób bardziej bezpośredni i wydajny niż fotowoltaika.

Mało znanym jest fakt, że w wietrznym klimacie mechaniczne wiatraki mogą bezpośrednio produkować ciepło. Dzięki zastosowaniu powiększonego układu hamulcowego, wiatrak jest w stanie genereować duże ilości energii cieplnej poprzez tarcie. Wiatrak można dodatkowo połączyć z mechaniczną pompą ciepła, co może być tańszym rozwiązaniem niż ogrzewanie domu kotłem gazowym czy elektryczną pompą ciepła zasilaną przez turbinę wiatrową. (W tekście mianem „wiatrak” będzie określane urządzenie zamieniające energię siły wiatru na energię mechaniczną lub cieplną, za to mianem „turbiny wiatrowej” będzie określane urządzenie wytwarzające prąd elektryczny, przyp. tłum).

Ciepło kontra elektryczność

W skali globalnej zapotrzebowanie na energię cieplną odpowiada jednej trzeciej energii pierwotnej wykorzystywanej przez ludzkość (elektryczność to jedna piąta energii pierwotnej).¹ W klimacie zimnym i umiarkowanym jej udział jest jeszcze większy, na przykład, w Wielkiej Brytanii ciepło stanowi prawie połowę zużywanej energii. ² W gospodarstwach domowych energia potrzebna do ogrzania przestrzeni i wody stanowi od 60 do 80% całkowitego zużycia energii. ³

Pomimo tego energia odnawialna odgrywa wyjątkowo niewielkę rolę w produkcji ciepła. Głównym wyjątkiem jest tradycyjne spalanie biomasy do gotowania i ogrzewania domów - lecz w krajach “rozwiniętych” nawet biomasa jest często spalana w elektrowniach do produkcji prądu. Bezpośrednie wykorzystanie ciepła słonecznego i ciepła geotermicznego zaspokaja odpowiednio mniej niż 1% i 0,2% światowego zużycia ciepła. ⁴⁵ Chociaż źródła odnawialne odpowiadają za ponad 20% światowej produkcji elektryczności (przede wszystkim z elektrowni wodnych), ich udział w światowej produkcji ciepła wynosi jedynie 10%. Głównym źródłem odnawialnej energii cieplnej jest biomasa. ⁵⁶

Bezpośrednia kontra pośrednia produkcja ciepła.

Ektryczność dostarczana ze źródeł odnawialnych może być pośrednio zamieniana w energię cieplną. Weźmy dla przykładu turbinę wiatrową. Turbina zamienia energię obrotową (energię kinetyczną ruchu obrotowego) w energię elektryczną za pomocą prądnicy. Następnie prąd zamieniany jest w ciepło przez użycie grzejnika elektrycznego, elektrycznego kotła lub pompy ciepła. W ten sposób energia wiatru generuje ciepło.

W szczególności pompy ciepła są promowana przez wiele rządów i organizacji jako zrównoważony, odnawialny sposób produkcji ciepła. Jednak moc słońca i wiatru można bezpośrednio wykorzystać do produkcji ciepła, bez potrzeby wcześniejszej konwersji elektryczności na ciepło (to samo tyczy się spalania biomasy). Bezpośrednia produkcja energii cieplnej jest tańsza, bardziej wydajna energetycznie i bardziej zrównoważona niż produkcja pośrednia.

Prototypy wiatraków generujących ciepło, skonstruowane przez Esra L. Sorensen'a w 1974 r. Fotografia Claus Nyobre. Źródło: [^13]

Bezpośrednią alternatywą dla fotowoltaiki jest termiczna energia słoneczna. Technologia ta pojawiła się w XIX wieku w wyniku poszukiwań sposobu obniżenia kosztów produkcji szkła i luster. Termiczną energię słoneczną można użyć do ogrzewania wody i pomieszczeń oraz wykorzystać ją w przemyśle. Jest 2 do 3 razy bardziej wydajna energetycznie niż konwersja elektryczności na ciepło.

Prawie nikt nie wie, że wiatrak może bezpośrednio wytwarzać ciepło.

Bezpośrednią i powszechnie znaną konkurencją dla turbin wiartowych jest staromodny wiatrak, który ma już z grubsza dwa tysiące lat. Wiatrak zamienia energię obrotową wirnika bezpośrednio proprzez wał na energię mechaniczą, wykorzystywaną na przykład do cięcia drewna czy mielenie zboża. Ta stara technologia ciągle pozostaje wartościowa, ponieważ jest bardziej wydajana energetycznie (w szczególności w połączeniu z nowszymi rozwiązaniami) niż zamiana energii obrotowej turbiny na energię elektryczną i spowrotem na energię mechananiczną.

Jednakże staromodny wiatrak może być również źródłem ciepła. Problem z tym, że praktycznie nikt o tym nie wie! Nawet Międzynarodowa Agencja Energetyczna (ang. IEA) nie wymienia w swoich opracowaniach na temat wszystkich możliwych opcji zrównoważonej produkcji ciepła, bezpośredniej produkcji energii termicznej przez wiatraki.¹

Wiatrak z hamulcem wodnym

Istnieją mechaniczne wiatraki, które bezpośrednio zamieniają energię obrotową na ciepło, przy użyciu “hamulca wodnego” lub tzw. “maszyny Joule’a”. Tak działający generator ciepła to tak naprawdę napędzany wiatrem mikser zainstalowany w zaizolowanym zbiorniku z woda. Dzięki tarciu pomiędzy cząsteczkami wody, energia mechaniczna jest zamianiana w energię termiczną. Podgrzaną wodę można następnia przepompować do budynków i użyć ją do ogrzewania czy do prania. Przemysł, który wymaga względnie niskich temperatur (przetwórstwo spożywcze, papiernictwo, browarnictwo, przemysł chemiczny itp., przyp. tłum.) może również skorzystać z ciepła dostarczanego przez wiatraki. ⁷⁸⁹.

Szkic systemu ogrzewania bazujacego na wiatraku z hamulcem wodnym. Źródło: [^8]

Maszyna Joule’a została opracowana jako urządzenie pomiarowe. James Prescot Joule skonstruował ją w latach 40-tych XIX w. na potrzeby swoich słynnych pomiarów mechaniczego równoważnika ciepła - jedna kaloria równa się ilości energi potrzebnej do ogrzania 1 centymetra sześciennego wody o 1 stopień Celsiusza. ¹⁰

Tak działający generator ciepła to tak naprawdę napędzany wiatrem mikser zamontowany w zaizolowanym zbiorniku z wodę.

Najbardziej fascynujęce w wiatrakach z hamulcem wodnym jest to, że hipotetycznie, mogły być budowane setki, jak nie tysiace lat temu. Do ich postawienie wystarczą łatwo dostępny materiały, takie jak drewno lub metal. Chcociaż nie możemy wykluczyć, że podobne urządzenie nie pojawiały się w czasach przedprzemysłowych, to pierwsze udokumentowane ich wykorzystanie przypada na lata 70-te XX wieku, kiedy to Duńczycy zaczeli stawiać je w następstwie pierwszego kryzysu paliwowego.

Szkic generatora ciepła w wiatraku. Źródło: [^8]

W tym czasie Dania, była prawie całkowicie uzależniona od importowanej ropy do ogrzewania domów, przez co wiele gospodarstw zostało pozostawionych bez ogrzewania kiedy dostawy paliwa uległy zakłóceniu. Ponieważ wsród duńskich rolników istniała silna kultura “zrób-to-sam” w stawianiu małych turbin wiatrowych, w obliczu widma braku ogrzewania zaczęto na farmach stawiać wiatraki. Jedni wybrali metody pośrednie produkcji energii elektrycznej i zamiany jej na ciepło, inni postawili na bezpośrednią produkcje ciepła.

Tańsze w budowie

Bezpośrednia produkcja ciepła jest znacząco tańsza i bardziej zrównoważona niż konwersja energii słonecznej i wiatrowej na elektryczność, a następnie zamiana prądu na energię cieplną. Są dwa powody dlaczego tak jest.

Po pierwsze i najważniejsze, wiatraki mechaniczne są mniej skomplikowane niż turbiny wiatrowe, co czyni je bardziej opłacalnymi i mniej wymagającymi w budowie pod względem materiałowym. Dzięki mniej złożonej i prostszej konstrukcji charakteryzuję się one wyższą niezawodnością i dłuższą żywotnością. W wiatrakach z hamulcem wodnym generator, przekładnia i transformator są zbędne, dzięki czemu wiatraki są lżejsze. Niższa masa pozwala oszczędzić środków na fundamenty i solidności konstrukcji. Maszyna Joule’a jest mniejsza, waży mniej i kosztuje mniej niż generator. ¹¹. Należy równiez wziąć pod uwagę, że koszt magazynowania ciepła jest 60-70% niższy w porównaniu z bateriami lub z utrzymaniem elektrociepłowni jako back-up’u. ²

Wiatrak z hamulcem wodnym zbudowane przez Institute for Agricultural Techniques w 1974. Autor zdjęcia Ricard Matzen. Źródło [^13].

Po drugie, zamiana energii słońca i wiatru w energię cieplną lub mechaniczną może być bardziej wydajna energetycznie, w przypadku kiedy w cały w ten proces nie jest włączona produkcja eletryczności. Oznacza to mniejszą liczbę konwerterów energii do zapewnienie wymaganej ilości ciepła, co przekłada się na mniejszą ilość zajętej przestrzeni i zużytych surowców. W skrócie: wiatrak wytwarzający ciepło rozwiązuje główne problemy energii wiatrowej: niską gęstość energii i niską powtarzalność.

Komentarz tłumacza - energia wiatrowa ma niską gęstość energetyczną w porównaniu z gęstościa energetyczną paliw kopalnych. Problemem powtarzalności wynika z tego, że wiatrak moze pracować jedynie wtedy kiedy wieje wiatr z odpowiednią prędkością, a taka sytuacja nie zawsze ma miejsce. Wyższa wydajność energetyczna wiatraków mechanicznych wynika z pominięcie jednego istotnego kroku konwersji energii. Nie zmienia to jednak faktu, że energia wiatru ma niską gęstość ani że wiatr nie zawsze wieje, jednak mniej energii jest marnowana na konwersje przez co wiatrak może być bardziej wydajny w produkcji ciepła niż turbina wiatrowa.

Wiatraki mechaniczne są mniej skomplikowane, co wydłuża ich żywotność i czyni je bardziej opłacalnymi i mniej wymagającymi w budowie pod względem materiałowym.

Co więcej, bezpośrednia produkcja ciepła wyraźnie zwiększa ekonomiczność użycia małych wiatraków. Testy dowiodły, że małe turbiny wiatrowe mają wyjatkowo niską wydajność i rzadko kiedy wytworzą tyle energii ile zostalo zużyte do ich produkcji. ¹². Użycie małych wiatraków do produkcji ciepła może obniżyć koszty, zmniejszyć “emboddied energy” oraz zwiększyć żywotność i wydajność produkcji energii.

Ile ciepła może wyprodukować wiatrak?

Duński wiatrak z hamulcem wodnym z lat siedemdziesiatych XX w., był względnie niewielkim urządzeniem z wirnikiem o średnicy około 6 metrów i wysokości około 12 metrów. Większe wiatraki generujące ciepło budowano w latach osiemdziesiątych XX w. W większości z nich montowano proste drewniane skrzydła. Udokumentowano powstanie przynajmniej dwunastu wiatraków, zarówno samoróbek jak i modeli komercyjnych. ⁷ W wielu z nich wykorzystano używane części samochodowe i inne odrzucone materiały. ¹³.

Jeden ze wczesnych małych Duńskich wiatraków przeszedł oficjalne testy. “Calorius Typ 37” - z wirnikiem o średnicy 5 metrów i wysokości 9 metrów - był w stanie wytworzyć 3,5 kW mocy przy prędkości wiatru 11 m/s (silny wiatr, 6 w skali Beauforta). Są to osiągi porównywalane z mocą najmniejszego pokojowego grzejnika elektrycznego. Pomiędzy rokiem 1993 a 2000, Duńska firma Westrup zbudowała 34 wiatraki z hamulcem wodnym oparte na projekcie „Caloriusa”, a do 2012 roku w użyciu pozostało 17 z nich. ⁷

Wiatrak Calorius produkuje do 4 kW ciepła. Zdjęcie udostępnione przez [Nordic Folkecenter](http://folkecenter.eu) w Danii.

Znacznie większy wiatrak z hamulcem wodnym (wirnik średnicy 7.5 metra, wysokość wieży 17 metrów) został zbudowany przez braci Svaneborg w 1982 roku, i ogrzewał dom jednego z nich (drugi brat postawił na turbiną wiatrową i ogrzewania elekrtryczne). Wiatrak, wyposażony w trzy skrzydła z włókna szklanego, produkował według nieoficjalnych źródeł do 8 kW ciepła - porównywalnie z kotłem elektrycznym ogrzewającym skromny dom. ⁷

W późnych latach osiemdziesiątych XX w. Knud Berthou zbudował jak do tej pory najnowocześniejszy wiatrak wytwarzający ciepło - model LO-FA. W innych modelach produkcja ciepła odbywa się u podstawy wieży - od wirnika do podstawy wieży biegnie wał napędowy obracający hamulec wodny. W modelu LO-FA wszystkie części mechaniczne potrzebne do konwersji energii powędrowały na szczyt dwudziestometrowej wieży. 10 dolnych metrów jest wypełnionych 15 tonami wody i termicznie zaizolowanych. Można dosłownie odkręcić kurek i lać gorącą wodę prosto z wiatraka. ⁷

Wieża modelu LO-FA jest wypałniona 15 tonami wody i zaizolowana termicznie. Można dosłownie lać gorącą wodę prosto z wiatraka.

Lo-Fa był największym wiatrakiem wytwarzającym ciepło, z wirnkiem o średnicy 12 metrów. Moc cieplna szacowano na 90 kW przy prędkości wiatru 14 m/s (7 w skali Beuforta). Taka wartość zdaje się być przesadnie wysoka w porównaniu z innym wiatrakami, jednakże należy pamiętać, że moc wyjściowa wiatraka zwiększa się ponadproporcjonalnie z wielkością wirnika i z predkością wiatru. Dodatkowo w LO-FA zastosowano olej hydrauliczny zamiast wody, który może nagzrzewać się do znacznie wyższych temperatur. Gorący olej oddawał ciepło wodzie u podstawy wieży. ⁷

Zainteresowanie powraca

Chociaż od kilku lat można obserwować ponowne zainteresowanie wiatrakami wytwarzającymi ciepło, jednak niewiele ukazuje się opracowań naukowych na ich temat na ich temat. W pracy z 2011 roku Niemieccy i angielscy naukowcy piszą, że “małe i postawione na uboczy (off-grid) gospodarstwa domowe pónocnych regionów, potrzebują raczej ciepła niż elektryczności, więc turbiny wiatrowe w takich miejscach powinno być stawiane w celu produkcji energi cieplnej”. ⁸

Badacze pokazują mechanizm działania wiatraka z mechanicznym hamulcem wodnym i obliczają optymalne parametry pracy dla tej technologii. Dowodzą, że w celu uzyskania najlepszej wydajności średnica wirnika wiatraka powinna być precyzyjnie dobrana do średnicy wirnika hamulca wodnego. Dla bardzo małego wiatraka Savonius, który to naukowcy użyli do testów i modelowania, o średnicy wirnika 0,5 m i wysokości wieży 2,0 m, powinnien zostać dobrany wirnik hamulca o średnicy 0.388 m.

W celu obliczenia mocy wyjściowej wiatraka, naukowcy przeprowadzili symulacje trwające 50 godzin. Okazało się, że Savonius, który jest wolnoobrotowym wiatrakiem nienadającym się do produkcji elektryczności, ma świetne wyniki jeśli chodzi o produkcje ciepła. Witrak wytwarzał do 1 kW mocy cieplnej przy prędkości wiatru 15 m/s. ⁸ W opracowaniu z 2013 roku uzyskano podobne rezultaty w testach prototypu wiatraka. Obliczono, że wydajność tej metody produkcji ciepła sięga 91%. ⁹. Jest to wynik porównywalny z wydajnością turbiny wiatrowej ogrzewającej wodę prądem elektrycznym.

W opracowaniu z 2013 roku, używając prototypu wiatraka, obliczono wydajność systemu na 91%

Oczywiście nie zawsze wieje porywisty wiatr, co oznacza że dla generowanie ciepła z wiatru ważna jest przedewszystkim średnia prędkość wiatru na danym terenie. W pracy z 2015 roku zbadano możliwość wytwarzania ciepła dzieki energii wiatru na Litwie, w pństwie bałtyckim o zimnym klimacie, zdanym na import drogich paliw koplanych. ¹⁴. Badacze obliczyli, że przy średniej krajowej prędkości wiatru (4 m/s, 3 w skali Beuforta) wygenerowanie 1 kW ciepła wymaga użycia wiatraka o średnicy wirnika 8.2 m.

Wiatrak wytwarzający ciepło z hamulcem wodnym umieszczonym w środku podstawy wieży. Wiatrak zbudowany przez Jorgena Andersena w 1975 w miejscowości Serritslev. Autor zdjęcia: Claus Nybroe. Źródło: [^13].

Badacze porównali uzyskany wyniki z zapotrzebowaniem cieplnym 120 metrowego, nowego, dobrze ocieplonego budynku ogrzewanego do temperatury współczesnych standardów komfortu (21’C) i wywnioskowali, że wiatrak byłby w stanie pokryć 40-75% rocznego zapotrzebowania na ciepło (w zależności od klasy termoizolacji budynku). ¹⁴.

Magazynowanie ciepła

Ponieważ nie ma gwarancji, że wiatr będzie wiał nawet ze średnią predkością, wiatrak wytwarzający ciepło potrzebuje systemu jego magazynowania. W przeciwnym razie będzie dostarczał ciepło jedynie wtedy kiedy wieje wiatr. Jeden metr sześcienny ogrzanej wody (1 tona lub 1 000 litrów) może zawierać do 90KWh ciepła, co mniej więcej odpowiada dwudniowemu zapotrzebowaniu na ciepło czteroosobowego gospodarstwa domowego.

Ten sam wiatrak co na poprzednim zdjęciu widziany od dołu. Źródło [^7].

Do zmagazynowanie odpowiedniej ilości ciepła wymaganego do przetrwania siedmiu bezwietrznych dni, potrzeba aż do 7 ton wody (co odpowiada 7 metrom szześciennym, nie licząc termoizolacji). Należy jednakże liczyć się ze stratami ciepła. Z tego powodu duńskie wiatraki wytwarzające ciepło mają zwykle zbiorniki wody o pojemności od 10 do 20 tysięcy litrów. ¹³

Wiatrak wytwarzający ciepło może być połączony z kotłem solarnym, dzięki czemu zarówno wiatr jak i słońce mogą bezpośrednio dostarczać energie termalną z użyciem małego zbiornika z wodą.

Wiatrak wytwarzający ciepło można połączyć z kotłem solarnym, dzięki czemu zarówno wiatr i słońce mogą bezpośrednio dostarczać energie termalną z użyciem wspólnego zbiornika wody. W takim układzie, możliwe staje się zbudowanie całkiem wydajnego systemu ogrzewania z mniejszym zbiornikiem wody, ponieważ połączenie dwóch (często komplementarnych) źródeł energii zwiększa szanse na ciągłe wytwarzanie ciepła. W szczególnie w mniej słonecznych regionach wiatraki wytwarzające cieplo mogą być świetnym dodatkiem do systemów ogrzewania solarnego, ponieważ te drugie produkują mniej ciepła podczas zimy kiedy to zapotrzebowanie na nie jest większe.

Zwalniacze i mechaniczne pompy ciepła

Najbardziej aktualne i wyczerpujące badania nad wiatrakami wytwarzającymi ciepło pochodzą z lat 2016 i 2018, w których porównywano różne typy wiatraków z technikami niebezpośredniego wytwarzania ciepła. ¹¹⁵ Oprócz wiatraka wyposażonego w hamulec wodny przetestowano również konstrukcje wykorzystujące mechaniczną pompę ciepła i zwalniacz hydrodynamiczny (ang. hydrodynamic retarder).

Mechanicza pompa ciepła to po prostu pompa nie zasilana prądem elektrycznym. Wirnik połączony jest mechanicznie z kompresorem/kompresorami pompy ciepła. Jeden etap konwersji energii zostaje pominięty dzięki czemu taka pompa jest przynajmniej 10% bardziej wydajna energetycznie niż elektryczna pompa ciepła zasilana turbiną wiatrową.

Zwalniacz hydrodynamiczny jest dobrze znany jako system hamulcowy w ciężkich pojazdach. Tak jak maszyna Joule’a, zamienia energię obrotową w ciepło bez udziału energii elektrycznej. Zwalniacze i mechaniczne pompy ciepła mają te same zalety co maszyny Joule’a - są znacznie mniejsze, lżejsze i tańsze od generatorów. Jednakże, aby uzyskać maksymalną wydajność należy zastosować w układzie skrzynię biegów.

Porównanie różnych typów bezpośredniej i pośredniej produkcji ciepła. Żródła [^15].

W badaniu porównywane są wiatraki generujące ciepło wyposażone w zwalniacze i mechaniczne pompy ciepła z pośrednimi metodami produkcji ciepła opartymi na kotach elektrycznych i elektrycznych pompach ciepła. Działanie tych czterech technolgii testowane jest w trzech układach: małego wiatraka mającego ogrzać pojedyńczy dom, dużego wiatraka mającego zapewnić ciepło wiosce, oraz farmy wiatrowej produkującej ciepło dla 20 tysięcy mieszkańców. Podstawą oceny są roczne nakłady inwestycyjne i operacyjne, przyjmując czas pracy na 20 lat. ¹ ¹⁵

Bezpośrednie sprzężenie mechaniczego wiatraka z mechaniczną pompą ciepła jest tańsze niż użycie kotła gazowego czy kombinacja turbiny wiatrowej z elektryczną pompą ciepła.

Dla pojedyńczego domostwa bezpośrednie sprzężenie mechanicznego wiatraka z mechanicza pompą ciepła jest najtańszym rozwiazaniem. Połączenie turbiny wiatrowej z kotłem elektrycznym jest trzykrotnie droższe. Wszystkie pozostałe technologie plasują się gdzieś pomiędzy. Biorąc pod uwagą koszty inwestycyjne, operacyjne i wydajność małych wiatraków (rocznie wytwarzają one od około 12 do 22% maksymalnej mocy wyjściowej), połączenie małego wiatraka z mechaniczną pompą ciepła jest tańsze lub równie drogie jak użycie kotła gazowego.

Zdjęcie: Wiatrak z hamulcem wodnym opracowany przez O. Halgesona (po lewej), hamulec wodny z systemem zmiennego obciążenia (po prawej). Zdjęcie pochodzi z \"Testów pracy wiatraka z hamulcem wodnym przy bardzo dużej prędkości wiatru\", O. Helgason i A.S. Sigurdson. Instytut Nauki, Uniwersytet Islandzki. Źródło: [^7].

Z drugiej strony połączenie małej turbiny wiatrowej z elektryczną pompą ciepła wymaga użycia turbiny o współczynniku wykorzystanie mocy (jest to maksymalna moc turbiny podzielona przez średnią uzyskiwaną moc, przyp. tłum), przynajmniej na poziomie 30%, aby móc konkurować kosztami z ogrzewaniem gazowym. Niestety tak wysokie osiągi turbin są rzadkością. Wyniki testów większych systemów (wiatraki dostarczające ciepło farmie lub wiosce) są takie jak w przypadku małych - połączenie mechanicznego wiatraka z mechaniczną pompą ciepła wymaga trzykrotnie mniejszego kapitału dzięki korzyści skali (koszt jednostkowy produkcji obniża się wraz ze zwiększajacą się skalą przedsięwzięcia). Większe wiatraki mają wyższy współczynnik wykorzystanie mocy (16-40%) co daje jeszcze większe oszczędności.

Z powodu dużych strat energii podczas transportu ciepła, wiatrak wytwarzający ciepło sprawdza się najlepiej jako zdecentralizowane źródło energii, zapewniające ciepło dla domu wyłączonego z sieci (ang. off-grid) - lub w najlepszym wypadku - dla małego miasteczka.

Jednakże, w większych systemach napotykamy problem związany z ich rozmiarami. Magazynowanie ciepła może być wydajniejsze niz elektryczności, ale w przypadku jego przesyłu systuacja ma się zupełnie inaczej - straty energetyczne w transporcie ciepła są znacznie większe niż straty w przesyle elekrtyczności. Naukowcy obliczyli, że maksymalna odległość przesyłu ciepła, która jest opłacalna przy optymalnej prędkości wiatru to 50 km. ¹⁵.

Zaślepieni elektrycznością

Wiatraki generujace ciepło testowane są rówenież pod kątem produkcji odnawialnej energii elektrycznej, ponieważ oferują lepsze rozwiązania magazynowania energii w porównaniu do baterii czy innych popularnych technologii. ¹⁶. W takich systemach, wyprodukowane ciepło jest zamieniane na prąd elektryczyczny za pomocą turbin parowych. System magazynowania energii jest zbliżony do tych używanych elektrowniach skoncentrowanej energii słonecznej (ang. concentrated solar power plant, skrót CSP), tylko że wiatraki zastępują kolektory słoneczne.

[Ilustration nr 10]. \"Grzejnik wiroprądowy\". Źródło: [^9]

Ponieważ turbina parowa potrzebuje wysokiej temperatury do wytworzenia prądu, nie jest możliwe użycie ani maszyny Joule’a, ani zwalniaczy hydrodynamicznych. Należy zastosować inny typ zwalniacza nazywany “grzejnikiem wiroprądowym” (lub “grzejnikiem indukcyjnym). Magnes umieszczony na wale obraca się wewnątrz cewki wypełnionej wodą. Indukowany przez magnes prąd elektryczny ogrzewa wodę w cewce, nawet do temperatury 600’C. Zastosowanie takiego rozwiązania może zapewnić ciepło o wysokiej temperturze, czyniąc wiatraki w nie wyposażone użytecznymi dla przemysłu.

Jednak wykorzystanie wytworzonego i zmagazynowanego przez wiatraki ciepła do produkcji energii elektrycznej jest bardziej kosztowne i mniej zrównoważone niż bezpośrednie jego zużycie. Konwersja ciepła na prąd elektryczny jest wydajne w co najwyżej 30%, co oznacza że dwie trzecie energii wiatru jest marnowana w podczasz konwersji energii. To samo tyczy się ciepła wytworzonego dzięki energii słonecznej. ¹⁵

Bezpośrednia produkcja ciepła oferuje możliwość zaoszczędzenia trzykrotnie większej ilości emisji gazów cieplarnianych i paliw kopalnych, wykorzystując tę samą liczbę wiatraków. Wiatraki mechancznicze są dodatkowo tańsze i bardziej zrównoważone w budowie niż turbiny wiatrowe. Na szczęście bezpośrednia produckja ciepła otrzyma uwagą na jakie zasługuje. Chociaż klimat się ociepla to zapotrzebowania na energie cieplną jest wysokie jak nigdy dotąd.

Nitto, Dipl-Ing Alejandro Nicolás, Carsten Agert, and Yvonne Scholz. “WIND POWERED THERMAL ENERGY SYSTEMS (WTES)”. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Integration of Thermal Energy Storage into Energy Network, Sharyar Ahmed, 2017 ↩︎ ↩︎
The bright future of solar thermal powered factories, Kris De Decker, Low-tech Magazine, 2011 ↩︎
Solar Heat Worldwide, edition 2018, International Energy Agency (IEA). ↩︎
Renewables 2018, Heat, International Energy Agency (IEA). ↩︎ ↩︎
World Bank: Renewable electricity output. ↩︎
The Rise of Modern Wind Energy: Wind Power for the World. Pan Stanford Publishing, 2013. See chapter 13 (“Water brake windmills”, Jørgen Krogsgaard) and chapter 16 (“Consigned to Oblivion”, Preben Maegaard). These seem to be the only English language documents on Danish water brake windmills. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Chakirov, Roustiam, and Yuriy Vagapov. “Direct conversion of wind energy into heat using joule machine.” Fourth International Conference on Environmental and Computer Science (ICECS 2011), Singapore, Sept. 2011. ↩︎ ↩︎ ↩︎
SMALL WIND ENERGY SYSTEM WITH PERMANENT MAGNET EDDY CURRENT HEATER, BY ION SOBOR, VASILE RACHIER, ANDREI CHICIUC and RODION CIUPERCĂ. BULETINUL INSTITUTULUI POLITEHNIC DIN IAŞI. Publicat de Universitatea Tehnică „Gheorghe Asachi” din Iaşi Tomul LIX (LXIII), Fasc. 4, 2013 ↩︎ ↩︎
Joule’s experiment: An historico-critical approach, Marcos Pou Gallo Advisor. ↩︎
Okazaki, Toru, Yasuyuki Shirai, and Taketsune Nakamura. “Concept study of wind power utilizing direct thermal energy conversion and thermal energy storage.” Renewable energy 83 (2015): 332-338. ↩︎
Real-world tests of small wind turbines in Netherlands and the UK, Kris De Decker, The Oil Drum, 2010. ↩︎
Selfbuilders, Winds of Change website, Erik Grove-Nielsen. ↩︎ ↩︎
Černeckienė, Jurgita, and Tadas Ždankus. “Usage of the Wind Energy for Heating of the Energy-Efficient Buildings: Analysis of Possibilities.” Journal of Sustainable Architecture and Civil Engineering 10.1 (2015): 58-65. ↩︎ ↩︎
Cao, Karl-Kiên, et al. “Expanding the horizons of power-to-heat: Cost assessment for new space heating concepts with Wind Powered Thermal Energy Systems.” Energy 164 (2018): 925-936. ↩︎ ↩︎ ↩︎ ↩︎
Okazaki, Toru, Yasuyuki Shirai, and Taketsune Nakamura. “Concept study of wind power utilizing direct thermal energy conversion and thermal energy storage.” Renewable energy 83 (2015): 332-338. ↩︎

Fabryki napędzane wiatrem: Historia (i przyszłość) przemysłowych wiatraków

Thu, 08 Oct 2009 00:00:00 +0000

Zdjęcie: Holenderski tartak. Wikimedia Commons.

W latach 30. i 40. XX wieku, na długo po tym jak silniki parowe wyrugowały energię wiatru, holenderscy inżynierowie niestrudzenie dopracowywali — już i tak dosyć zaawansowaną technologię — tradycyjne wiatraki. Rezultat był spektakularny. Wierzę, że dzisiejsze pokolenie ekogeeków mogłyby jeszcze bardziej ulepszyć tą technologię. Ale czy wskrzeszenie przemysłowego wiatraka to dobry pomysł? Czy jest sens ponownie zamieniać energię kinetyczną wiatru bezpośrednio na energię mechaniczną?

W 1850 roku w Holandii stało pięć razy więcej wiatraków, niż dzisiaj turbin wiatrowych.

Ponad 900 lat temu, średniowieczna Europa stała się pierwszą dużą cywilizacją, która oparła swoją potęgę na czymś więcej, niż tylko na sile ludzkich i zwierzęcych mięśni. Tysiące wiatraków i kół wodnych, wspomaganych pracą zwierząt, radykalnie odmieniło życie i przemysł ówczesnej Europy.

Była to prawdziwa rewolucja przemysłowa, całkowicie oparta na energii odnawialnej – coś, o czym my dzisiaj możemy tylko pomarzyć. Młyny napędzane wiatrem i wodą były, w pełni tego słowa znaczeniu, pierwszymi fabrykami w dziejach ludzkości. Wszystko co trzeba, było na miejscu – budynki, źródło zasilania, maszyneria, pracownicy i produkty.

W tamtych czasach, wiatraki i koła wodne nie były czymś nowym. Obydwie technologie pojawiły się już w starożytności i nie zmieniły się wiele pod względem technicznym, aż do czasów wczesnego średniowiecza. Jednak ani starożytni Grecy, ani Rzymianie, nie wykorzystali w pełni drzemiącego w nich potencjału – możliwe, że powodem były przyczyny religijne albo wystarczająca ilość niewolników.

Wiatr kontra woda

Koła wodne miały większe znaczenie od wiatraków i były popularniejsze. Jest to logiczne, ponieważ technologia ta jest bardziej przewidywalna: przepływ wody w rzece może się sezonowo zmieniać, ale z reguły, zawsze trochę wody w niej płynie. Co więcej, dzięki budowie kanałów i przepustów, przepływ można było precyzyjnie regulować, tak aby zapewnić odpowiednie obciążenie i obroty koła wodnego wymagane przez przekładnie młyna.

Ilustracja: Rysunek techniczny przemysłowego młyna tartacznego. Z „Molenbouw: Het staande werk van der bovenkruiers”, Anton Sipman, 1975.

Z wiatrem jest inaczej. Czasem wcale go nie ma, a jeśli już wieje, to jego prędkość i kierunek mogą zmienić się w każdym momencie. Wczesne wiatraki nie miały żadnej wydajnej możliwości kontroli nad siłą wiatru – przynajmniej w średniowieczu. Młyny wodne zaczęły szeroko rozprzestrzeniać się po Europie w XI wieku i dwieście lat później, praktycznie cała dostępna energia rzek i strumieni została zagospodarowana.

Nie wszędzie jednak były dobre warunki do budowania kół wodnych. Powodów mogło być wiele: niewystarczające zasoby wodne (Hiszpania), zbyt płaski teren i slaby nurt w rzekach (Holandia i nizinna Anglia), albo zamarzanie rzek zimą (Skandynawia, Rosja i części Niemiec). W tych krajach, młyny wodne pojawiły się dopiero w XIII wieku. Przyszedł moment, że w regionach o dużym potencjale energii rzecznej, na każdym potoku i strumyku stały młyny wodne. Na kolejne nie było już miejsca, więc zaczęto stawiać wiatraki.

Ile było tych wiatraków?

Ile tak naprawdę wiatraków pracowało w średniowieczu? Nie wiadomo, ponieważ dysponujemy tylko kilkoma rejestrami, ale żaden z nich nie rozróżnia młynów wietrznych od wodnych. Na przykład, źródła podają, że w Zjednoczonym Królestwie w XIV wieku stało od 10 do 12 tysięcy młynów, ale nie wiemy które z nich to były wiatraki (pewnie tylko garstka).

Jedyne co mamy, to informacje o pojedynczych młynach wietrznych, które zaczęły pojawiać się pod koniec XIII wieku. Dopiero dokładniejsze rejestry, spisywane w XVII i XVIII wieku, pokazują, że wiatraki dobrze przyjęły się w Europie.

W 1750 roku, w Niderlandach stało od 6 do 8 tysięcy wiatraków, a w roku 1850 było ich już 9 tysięcy. Dla porównania, jest to prawie 3,5 raza więcej niż dzisiaj turbin wiatrowych w współczesnej Holandii (2,525 w roku 2015). W Wielkiej Brytanii w 1820 roku stało od 5 do 10 tysięcy wiatraków, a we Francji 8.7 tysięcy (i 37 tysięcy kół wodnych) w 1847 roku.

Szacuje się, że w okresie szczytowym liczba młynów wietrznych w Europie sięgnęła 200 tysięcy.

W Niemczech stało ponad 18 tysięcy wiatraków w roku 1895 (w porównaniu do około 30 tysięcy turbin wiatrowych w 2017 roku), a w Finlandii 20 tysięcy w 1900 roku. Portugalia, Hiszpania, szereg krajów śródziemnomorskich, i wiele krajów skandynawskich i wschodnioeuropejskich, też mogły się pochwalić sporą liczbą wiatraków.

Szacuje się, że w okresie szczytowym liczba młynów wietrznych w Europie sięgnęła 200 tysięcy, w porównaniu do 500 tysięcy kół wodnych. Wiatraki budowano na wsiach i w miastach. Żeby złapać więcej wiatru stawiano je nawet na murach zamków i twierdz. Początkowo służyły one jedynie do mielenia zboża (i w mniejszym stopniu) do pompowania wody i osuszania nisko położonych terenów (te były połączone z kołem wodnym o podsiębiernym albo śrubą Archimedesa).

Chleb i owsianka były podstawą średniowiecznej diety (mięso, ryby i warzywa były dostępne tylko dla bogatych), a ziarno na nie trzeba było zmielić lub zgnieść. W tamtych czasach, żeby wyżywić przeciętną rodzinę, jeden z domowników musiał każdego dnia mielić zboże na mąkę przez dwie godziny.

Chociaż, na początku XVII wieku wiatraki zaczęto wykorzystywać do różnych celów, to nie mniej jednak mielenie zboża pozostało ich najważniejszym zadaniem. Aż do początku XX wieku, cały plon ze żniw Północnej Europy był mielony na żarnach niemieckich, duńskich i holenderskich młynów wietrznych. Gorzelnie produkujące sławny holenderski dżin (i inne alkohole) również skorzystały z wiatraków.

Nowe zastosowania

Dzięki wiatrakom obłuskiwano jęczmień i ryż, śrutowano ziarna na słód, tłoczono oliwę z oliwek, olej lniany, wyciskano konopie i rzepak na olej do gotowania i do oświetlania. Istniały również młyny do kakao, do gorczycy i młyny pieprzowe (mieliły też inne przyprawy), a także młyny tytoniowe i tabakowe.

Zdjęcie: Holenderski wiatrak tartaczny „De Eenhoorn” (pol. „Jednorożec”). Źródło: Penterbak

Oprócz produkcji żywności, wiatraków używano w dwóch ważnych gałęziach przemysłu – w produkcji papieru i w tartakach. Zużyte liny i płótno żaglowe były surowcem, który przerabiano na papier. Ten proces wymagał dużej mocy - której dostarczały wiatraki. Znalazły również zastosowanie w kruszeniu kredy na cement, osuszaniu kopalń, wentylowaniu chodników górniczych (a nawet więzień), polerowaniu szkła i mieleniu prochu strzelniczego.

Na początku XVII wieku, wiatraki znalazły wiele nowych zastosowań: w tartakach, w papiernictwie, w mieleniu przypraw,tytoniu i wiele, wiele innych.

Przemysł tekstylny też korzystał z siły wiatru: wiatraki międliły len (na materiał) i konopie (na liny i płótno żaglowe), foluszowały wełnę (na miękkie dzianiny), wytwarzały barwniki i garbowały skóry.

Dystrykt Zaan

Jeden z najbardziej imponujących przykładów wykorzystania przemysłowego potencjału siły wiatru znajdziemy w dystrykcie Zaan, regionie położonym na północ od Amsterdamu. Zaan jest zewsząd otoczony wodą, jednak teren jest tak płaski, że słaby nurt rzek nie pozwolił skorzystać efektywnie z kół wodnych. Mocnych wiatrów za to nie brakuje. Wiele ze wspomnianych wcześniej zastosowań wiatraków (a niektóre wyłącznie) pochodzi właśnie z regionu Zaan.

Grafika: Mapa dystryktu Zaan na północ od Amsterdamu.

Mówi się, że Zaan był pierwszym na świecie okręgiem przemysłowym. Od początku XVII do połowy XVIII wieku, Niderlandy były ważnym ośrodkiem przemysłowym, w którym pracowało tysiące wiatraków. Holendrzy byli z nich tak dumni, że nadawali im imiona – jak statkom morskim.

Przemysł tartaczny był kluczowy dla Zaan. Drewno było potrzebne do budowy domów, śluz, statków, no i oczywiście na wiatraki. Ręczne cięcie i obrabianie drewna było wyjątkowo żmudną pracą, dlatego mieszkańcy regionu postawili na wiatr, dzięki któremu ogromnie przyśpieszyli pracę tartaków. Obrobienie sześćdziesięciu pni lub kłód za pomocą ręcznych narzędzi zajęłoby 120 dni roboczych – dzięki sile wiatru, czas ten skrócił się do 4 czy 5 dni (patrz na zdjęcie poniżej, więcej na ten temat tutaj).

Pierwszy wiatrak tartaczny (ochrzczony „Het juffertje”, czyli po polsku „Panienka”) zbudował w 1596 roku Cornelis Corneliszoon w mieście Zaandam. W roku 1630, na północ od Amsterdamu stały już 83 wiatraki tartaczne, z czego 53 w Zaan. W szczytowym okresie w Niderlandach pracowało 450 takich zakładów - 256 w samym Zaan. Konstruktorzy byli na tyle pomysłowi, że w końcu nawet żurawie wiatraków wyposażyli w napęd wiatrowy.

Zdjęcie: Wnętrze wiatraka tartacznego. Źródło: Penterbak..

Zdjęcie: Wnętrze wiatraka papierniczego. Źródło: Penterbak.

Prasa drukarska przeżywała swoją złotą erę i wiatraki z okręgu przemysłowego Zaan zasilały liczne papiernie. Pierwszy wiatrak papierniczy („De Gans”, czyli po polsku „Gęś”) stanął w 1605 roku, a w 1740 roku było już ich 40. W połowie XVII wieku Holendrzy znacznie ulepszyli proces produkcji papieru, dzięki czemu, można było wytwarzać go szybciej, a sam papier był bielszy.

Ostatni taki wiatrak, który przetrwał do dziś to „De Schoolmeester” (pol. „Nauczyciel”), zbudowany w 1692 roku (patrz na zdjęcie na początku tekstu i zdjęcie jego wnętrza powyżej). Zakłady papiernicze zasilane wiatrem były rzadkością w innych krajach, podczas gdy napędzane kołami wodnymi manufaktury papieru pojawiły się w Europie już w XI wieku i zyskały na popularności. W roku 1800 w Anglii pracowało 417 takich papierni.

W tartakach nawet dźwig do przenoszenia kłód napędzany był śmigami.

Innymi wartymi wspomnienia przemysłowymi wiatrakami dystryktu Zaan były wiatraki produkujące tabakę i tytoń (38 sztuk w 1795 r.), tłoczące olej (140 w 1731 r.), obłuszczające jęczmień (65 w 1731 r.), barwiące tkaniny (21 w 1731 r.), i przerabiające konopie na włókna (20 w 1731 r.). Holendrzy postawili setki wiatraków w swoich koloniach w Indochinach do miażdżenia trzciny cukrowej. Niewiele z nich przetrwało do dzisiaj – z nadejściem ery silnika parowego i elektryczności odeszły w niebyt - jednak wiatraki osuszające ziemie i młyny wietrzne pozostały opłacalne znacznie dłużej.

Moc zapasowa: Zwierzęta

Niestety, nie wszystkie procesy wytwórcze można zasilić śmigami wiatraków. Zmienna natura wiatru sprawia, że wiatraki nie sprawdzają się w procesach, które wymagają nieprzerwanego i równego zasilania, takich jak wytop metali, przędzenie, ostrzenie narzędzi czy górnictwo. W tych dziedzinach lepiej sprawdzały się bardziej przewidywalne koła wodne.

W krajach gdzie nie było wystarczających zasobów mocy wodnej, niektóre z tych procesów były zasilane pracą zwierząt - przede wszystkim koni. Z pracy koni korzystano również jako zapasowego źródła mocy podczas długich okresów ciszy wiatrowej. Na przykład, w Niderlandach w 1850 roku pracowało 1800 wiatraków mielących zboże, ale również 1300 kieratów mielących grykę, której obróbka wymaga równiejszej pracy.

Koźlaki i Holendry

Wczesnośredniowieczne wiatraki były prostymi urządzeniami wyrosłymi z kół wodnych, jednak na przestrzeni wieków stały się one wysoce zaawansowanymi maszynami. Wiatrak jest znacznie bardziej skomplikowany od koła wodnego, ponieważ musi być przystosowany do źródła zasilania o wysoce zmiennej naturze. Wczesne wiatraki w Iranie i Afganistanie miały pionową oś obrotu, dzięki czemu nie musiały dostosowywać się do zmian kierunku wiatru. Jednak maszyny tego typu są znacznie mniej wydajne i nigdy nie przyjęły się w Europie.

Grafika: Szkic młyna typu „Koźlak”.

Jak średniowieczni budowniczowie wiatraków radzili sobie ze zmieniającym się kierunkiem wiatru? Początkowo budowali wiatraki, które można było w całości ręcznie obracać dookoła słupa zwanego „kozłem” (stąd nazwa „koźlaki”). W ten prosty sposób, cały wiatrak nakierowywano na wiatr. Na początku XV wieku pojawił się nowy typ wiatraka, w którym tylko kopuła ze śmigami obracała się na rolkach, a reszta była nieruchoma. Nową konstrukcję nazwano „wiatrakiem wieżowym” (w Polsce nazywane „Holendrami”, przyp. tłum.), a Holendrzy dopracowali ją z czasem do perfekcji.

Wiatraki wieżowe były najpopularniejszym typem wiatraka w basenie Morza Śródziemnego, jednak tamtejsze konstrukcje nie były tak wydajne, jak holenderskie, i miały inne śmigi. Ponieważ korpus był nieruchomy, można było postawić go z kamienia i cegieł, zapewniając mu tym samym solidność i stabilność. Zarówno koźlaki jak i „Holendry”, były używane aż do końca złotej ery wiatraków. Na przestrzeni XVII i XIX wieku, wiele koźlaków zastąpiono nowocześniejszymi wiatrakami wieżowymi.

Obracanie śmigów do wiatru

Dzisiejsze turbiny wiatrowe nakierowują się na wiatr dzięki elektronice. Kiedy wiatr wieje za mocno i istnieje ryzyko połamania łopat, system sterujący obraca kopułą wirnika od wiatru. Średniowieczni młynarze nie mieli do pomocy układów scalonych, więc musieli radzić sobie w inny sposób.

Zdjęcie: Dyszel z tyłu wiatraka.

Przez wieki, wiatraki obracano do wiatru ręcznie. Młynarz mógł liczyć tylko na siłę swoich mięśni (albo kogoś do pomocy), i za pomocą dyszla (dyszli) umocowanego z tyłu wiatraka typu koźlak, obracał korpus w wybranym kierunku. Żeby wiatrak nie zmienił pozycji, mocowano korpus do jednej z dwunastu kotew wbitych w okręg okalający budynek.

Nie było to łatwe zadanie, ponieważ trzeba było obrócić cały korpus wiatraka razem z maszynerią znajdującą się w środku. Niektóre wiatraki były wyposażone w wyciąg na końcu dyszla, jeżdżący po kołowej bieżni, co trochę ułatwiało zadanie.

Podobnie obracano kopułę wiatraków wieżowych, tyle że za pomocą dłuższych dyszli, sięgających gruntu lub tarasu u podstawy kopuły ze śmigami. W korpusie wiatraka wiercono otwory wentylacyjne – kiedy wiatr zmieniał kierunek, powietrze wiejące z danego otworu informowało młynarza w którym kierunku obrócić wiatrak.

Regulacja śmigów: Nie lada wyzywanie

Zmieniająca się siła wiatru sprawiała większe trudności. Maszyneria wiatraka wymagała precyzyjnie dobranej prędkości wirnika, aby przenieść na wał odpowiednie obciążenie. Na przykład, młyny zbożowe pracowały najlepiej przy 50-60 obrotach wiatraka na minutę. Jeśli prędkość przekroczyłaby 80 obrotów, wtedy ziarna, w wyniku zbyt dużego tarcia, paliły się. Kolejnym zagrożeniem było ryzyko zniszczenia wiatraka, jeśli wirnik przekroczyłby bezpieczną prędkość obrotową.

Przez wieki, tak samo jak ustawienie osi wirnika, młynarze musieli regulować prędkość obrotową ręcznie. Niewielkie wahania w prędkość wiatru mogły być niwelowane wewnątrz wiatraka przez zmniejszanie lub zwiększanie obciążenia. Kiedy wiatr wiał mocniej, żarna można było rozsunąć i rzucić na nie więcej ziarna – w ten sposób obciążenie rosło, a wirnik nie zwiększał obrotów, pomimo silniejszego wiatru.

Zdjęcie: Młynarz wspina się po śmigu. Źródło: Dagboek van enn molenaar.

Tradycyjne wiatraki nie miały łopat, ale śmigi – przeważnie w formie płótna żaglowego rozpiętego na drewnianej kratownicy (w zimniejszych regionach płótno zastępowano drewnianymi listwami, które sprawiały mniej kłopotu w mroźnych warunkach). Jeśli zmiany prędkości wiatru były większe, to młynarz nie miał wyboru, jak tylko wyjść na zewnątrz i wyregulować żagle śmigów.

Refowanie dwóch, a nawet czterech żagli (albo zmniejszanie ich powierzchni), było efektywnym sposobem na radzenie sobie ze wzmagającym na sile żywiołem. Jednak, kiedy lekki wietrzyk zmieniał się w porywisty wicher, obsługa żagli była nie lada wyzwaniem.

Przynajmniej dwa śmigi musiały zostać ustawione w pozycji wertykalnej i zablokowane hamulcem, tak aby młynarz mógł się po nich spiąć i wyregulować żagle. Jeśli hamulec puścił, a młynarz był na śmigu, to czekała go niezła przejażdżka. Zwijanie i refowanie wszystkich czterech śmigów było rutyną na początku i pod koniec każdego dnia pracy.

W drugiej połowie XVIII wieku opracowano wiele skomplikowanych, ale zarazem skutecznych, metod pozwalających na pozostawienie wirnika bez nadzoru młynarza - przynajmniej jeśli chodzi o kierunek i prędkość wiatru.

W drugiej połowie XVIII wieku opracowano wiele skomplikowanych, ale zarazem skutecznych, metod pozwalających na pozostawienie wirnika bez nadzoru młynarza - przynajmniej jeśli chodzi o kierunek i prędkość wiatru. W 1745 roku, angielski kowal Edmund Lee wynalazł „samo regulującą się maszynę wiatrową” - czyli urządzenie, które automatycznie dostosowywało się do kierunku wiatru i ustawiało wiatrak podług niego. Składało się z wirnika ogonowego (lub dwóch w większych wirników) i przekładni (zdjęcie u dołu).

Wirnik ogonowy można opisać jako mniejszy, pomocniczy wiatrak zamontowany za głównym wirnikiem, prostopadle do jego osi. Jeśli kierunek wiatru się zmienia to powietrze napierające na wirnik obraca, za pomocą przekładni, całą kopułę wiatraka.

Zdjęcie: Wirnik ogonowy. Źródło: Wikipedia Commons.

Wirnik ogonowy przenosi obciążanie na bieżnię zamocowaną dookoła wieży (w młynie wieżowym) lub na bieżnię postawioną na ziemi wokół wiatraka (w wiatraku typu koźlak). Podobne konstrukcje zaadaptowano później w USA do napędzanych wiatrem pomp wodnych. Wielolistewkowy wirnik zastępował czterośmigowy wiatrak i sam bezbłędnie nakierowywał swoją oś na wiatr. Dzięki znacznie mniejszym rozmiarom nie było potrzeby stosowania przekładni.

Rozwiązanie to nie tylko znacznie ułatwiło pracę młynarza, ale również zwiększyło moc wyjściową wiatraków. Chociaż znaczna część mocy może zostać stracona przez niewielkie zmiany kierunku wiatru, młynarz nie zawsze miał czas (albo chęć) obracać wiatrak w reakcji na każdą zmianę.

Automatyczna regulacja: Żagle patentowe i sprężynowe

Mniej więcej w tym samym czasie, kiedy wynaleziono wirnika ogonowe, zaczęły się pojawiać mechanizmy, dzięki którym śmigi wiatraka automatycznie dostosowywały się do prędkości wiatru. Jednym z takich wynalazków były tzw. żagle sprężynowe. W 1772 roku, szkocki konstruktor młynów wietrznych Andrew Meikle zastąpił płótno żaglowe dziesiątkami lamelek na wzór weneckiej żaluzji. Każda z lamelek była kontrolowana przez sprężynę.

Kiedy napór wiatru rósł, siła jaką wywierał na śmigi przekraczała opór sprężyny i lamelki wychylały się, przepuszczając część wiatru przez kratownicę, tym samym nie dopuszczając do wzrostu prędkości obrotowej wirnika. Im silniej wiał wiatr, tym więcej otwierało się lamelek. Kiedy prędkość wiatru spadała, sprężyny zamykały lamelki, odtwarzając ciągłą powierzchnię śmigu. Dzięki temu, pomimo zmian w prędkości wiatru, prędkość obrotowa wirnika pozostawała na mniej więcej tym samym poziomie.

Ilustracja: Żagiel patentowy.

Ilustracja: Żagiel sprężynowy.

Ilustracja: Żagiel zwijany na rollerze.

Problemem żagli sprężynowych było to, że napięcie sprężyn (wszystkie były ze sobą połączone jedną długą belką) należało ustawić przed uruchomieniem wiatraka – przewidując zawczasu z jaką prędkością będzie wiał wiatr i jakiej potrzeba prędkości obrotowej wirnika.

Ten problem został rozwiązany w 1789 roku przez Stephena Hoopera, który zastąpił lamelki kurtynami z płótna żaglowego, dzięki którym można było bez zatrzymywania wirnika z poziomu gruntu ręcznie regulować powierzchnię żagli (tzw. „żagle zwijane na rollerze”). Niestety, system okazał się zbyt skomplikowany i nie zyskał na popularności. Ostatnim ulepszeniem, jakie wprowadzono do systemów zwijania żagli, były żagle samo-zwijające się, opracowane przez Williama Cubita w 1807 roku. Jego system polegał na zastosowaniu obciążników, które przeciwważyły napięcie sprężyn sterujących. Dzięki temu, śmigi wiatraka dostosowywały się automatycznie do prędkości wiatru, bez potrzeby instalowania skomplikowanego rollera – tą konstrukcję nazwano „żaglami patentowymi”.

Żagle Bertona

Ostatnim problemem do rozwiązania była niższa sprawność żagli patentowych w porównaniu ze standardowymi. Częstą praktyką było montowanie w wiatrakach dwóch śmigów z żaglami patentowymi i dwóch ze standardowymi – pozwalało to podnieść wydajność pracy, jednocześnie zachowując możliwość częściowej regulacji.

W 1848 roku, Francuz Berton zastąpił małe lamelki śmigu (znane z konstrukcji Andrew Meikle) kilkoma długimi listewkami, działającymi na tej samej zasadzie. To rozwiązanie polepszyło aerodynamikę i solidność konstrukcji śmigu. Przyjęły się one jako „żagle Bertona” (patrz zdjęcie poniżej).

Zdjęcie: Żagle Bertona..

Żagle Bertona dawały młynarzowi dodatkową korzyść, ponieważ cały system mógł być obsługiwany z wnętrza wieży. W 1860 roku, Catchpole wprowadził hamulce powietrzne, które w bardzo efektywny sposób automatycznie zwalniały obrotu wirnika podczas wichur. Na dodatek, nie trzeba było już ręcznie ustawiać odległości pomiędzy żarnami, ponieważ konstruktorzy wprowadzili do maszynerii wiatraków automatyczny regulator odśrodkowy.

Oczywiście, samo-zwijające się żagle i pozostała automatyka nie rozwiązały problemu bezwietrznych dni. Młynarz, tak samo jak jego poprzednicy wieki wcześniej, musiał podporządkować się panowaniu kapryśnej pogody i kiedy wiał odpowiedni wiatr, czekała go praca dniem i nocą (także w niedziele).

Wszystkie wspomniane wcześniej ulepszenia, nie tylko znacznie ułatwiły młynarzowi pracę, ale co więcej, umożliwiły wzrost mocy wiatraków. Im wyżej gruntu, tym wiatr wieje silniej, a ponieważ młynarz nie musiał już z ziemi za pomocą drąga ciągle poprawiać żagli, można było podnieść wysokość wiatraków i łapać w śmigi silniejsze podmuchy (Holendrzy wcześniej zmierzyli się z tym zagadnieniem budując wyższe młyny wieżowe z tarasem, z którego można było obsługiwać śmigi).

Moc wyjściowa wiatraków

Kolejnym ważnym udoskonaleniem było wprowadzenie żeliwa jako materiału do budowy przekładni. Miało to miejsce w roku 1755, dziesięć lat po wynalezieniu wirnika ogonowego przez Johna Smeatona. Wcześniej wszystkie mechanizmy wiatraka wytwarzano z drewna, co skutkowało znacznymi stratami energii.

Pomiary wykonane przez Holendrów w latach 30. XX wieku, na wiatraku służącym do osuszania lądu z 1648 roku, pokazały, że chociaż generował on moc około 40 koni mechanicznych na wale, to jedynie 15.6 konia mechanicznego pozostawało do dyspozycji po przełożeniu momentu wału przez przekładnię. Można wyliczyć, że sprawność wiatraka w tym przypadku wynosiła 39%, a to oznacza, że prawie dwie trzecie energii było tracone na przekładni. Ówczesne koła wodne miały większą sprawność, sięgającą 50% (nowoczesne koła wodne dochodzą do sprawności rzędu 80%, przyp. tłum.).

Wiatraki z drewnianą przekładnią osiągały sprawność na poziomie 39%.

Drewno ograniczało średnicę śmigów do około 30 metrów (która stała się standardem już XVII wieku), ponieważ nie były dostępne drewniane belki większej długości. Dopiero w drugiej połowie XIX wieku, w konstrukcji śmigów i wału zaczęto stosować żeliwne belki. Zastąpienie drewna metalem (po żeliwie przyszła kolej na żelazo) nie tylko podniosło sprawność maszynerii wiatraka, ale pozwoliło także na budowę większych konstrukcji.

Zdjęcie: Drewniana przekładnia wiatraka.

Ulepszenia przyszły za późno

Pod koniec XVIII wieku, kiedy wspomniane wcześniej wynalazki zaczęły się pojawiać, pierwsze młyny zbożowe zaczęły przechodzić z napędu wiatrowego na parowy – i zawisły nad nimi czarne chmury dymu.

Około 1850 roku, młyny parowe były już popularniejsze od młynów wietrznych i liczba tych drugich zaczęła spadać. Śmigła ogonowe, samo-zwijające się żagle i żelazne wzmocnienia wolno się upowszechniały (w niektórych regionach nigdy nie zostały użyte), a to tylko przypieczętowało los wiatraków.

Zdjęcie: Młyn Murphy w San Francisco

Żagle Bertona nigdy nie wyszły poza Francję, a żagle patentowe stosowano głównie w Anglii. Chociaż żelazo pozwalało na budowę wiatraków z większymi śmigami, to niestety nigdy ich nie postawiono. Najwyższy wiatrak wieżowy, jaki kiedykolwiek zbudowano, był wykonany w całości z drewna. Stanął on w Holandii w roku 1899 „De Hoop” (pol. „Nadzieja”) w Prinsenhagen – dzisiejszym mieście Breda. Miał wysokość 38 metrów i śmigi średnicy 27 metrów. Wieżę i śmigi zdemontowano w 1929 roku, ale korpus wiatraka wciąż stoi na swoim miejscu.

Największy wiatrak jaki kiedykolwiek zbudowano

W Parku Golden Gate w San Francisco stoją dwa holendry z najdłuższymi śmigami na świecie. Stawiano je w latach 1903 – 1905. Większy, nazwany „Wiatrakiem Murphy’ego”, ma 29 metrów wysokości i śmigi o średnicy 35 metrów. Belki wyciosano z jednej dłużnicy – w USA mieli wyższe drzewa. Cała maszyneria jest wykonana z żeliwa. Wiatrak pompował 150 tysięcy litrów wody dziennie do podlewania parkowej zieleni. Niestety, w kilka lat po uruchomieniu został zastąpiony przez elektryczne pompy i teraz pełni tylko rolę ozdobną.

Zbliżał się koniec ery młynów wietrznych. Na szczęście, w niektórych częściach świata nie porzucono ich tak szybko. W Holandii utrzymały się długo – Holendrzy woleli wiatraki z zapasowym wspomaganiem silnikiem parowym, od w pełni parowych młynów. W Stanach Zjednoczonych, w latach 1850-1930, postawiono ponad sześć milionów pomp wodnych zasilanych wirnikami, jednak po drugiej wojnie światowej nie wiele pojawiło się nowych. Na popularności zyskiwała turbina wiatrowa wytwarzająca prąd elektryczny - i tak pozostało do dzisiaj.

Imponujące ulepszenia lat 20. i 30. XX wieku

W latach 20. i 30. XX wieku, kiedy w całej Europie wiatraki odchodziły do lamusa, Holendrzy rozpoczęli program badawczy, który doprowadził do zmodernizowania klasycznego wiatraka. W 1923 roku założono „Holenderskie Towarzystwo Wiatraków”, którego celem było podniesienie sprawności wiatraków generujących energię mechaniczną. Członkami towarzystwa zostali sławni budowniczowie wiatraków - bracia Dekker. Osiągnięcia inicjatywy były imponujące.

Pod koniec lat 20. XX wieku, maksymalne moc wyjściowa wiatraka wzrosła dwukrotnie - z 50 do 100 koni mechanicznych.

Bracia Dekker wprowadzili do wiatraków rozwiązania znane z lotnictwa i użyli arkuszy blachy (metalowych łopatek przypominających te z silników turbinowych) do wykonania śmigów.

Zdjęcie: Śmig „Dekkerów”.

W następnej dekadzie, ponad siedemdziesiąt wiatraków wyposażono w nowe „zdekkeryzowane” śmigi. Ulepszono również przekładnie, co pozwoliło obniżyć straty energii i pozwoliło wiatrakom generować wyższe moce przy niższych obrotach. Efektem tych zabiegów było podwojenie maksymalnej mocy wyjściowej wiatraka z 50 do 100 koni mechanicznych, pod koniec lat 20. XX wieku.

Podwojenie mocy wyjściowej

Testy przeprowadzone przez holenderską Komisję Młynów Książęcych pokazały, że ulepszony wiatrak zaczynał się obracać już przy prędkości 3.5-4.0 m/s, czyli przy zauważalnie niższej, niż starsze konstrukcje (5-6 m/s). Przy prędkości wiatru 5.5 m/s osiągał taką samą moc, jak starszy wiatrak przy prędkości 8 m/s.

To usprawnienie było bardzo ważne, ponieważ oznaczało, że nowy wiatrak może pracować przez więcej godzin w roku. Tradycyjny wiatrak pracował średnio 2,671 godzin rocznie, a nowy, dzięki niższej prędkości rozruchowej, mógł pracować 4,442 godziny w roku – niemal dwukrotnie zwiększając roczną produkcję energii.

Osiągnięcia Holenderskiego Towarzystwa Wiatraków przyniosły wiatrakom dwie ważne korzyści: większą moc przy danej prędkości wiatru i dłuższe godziny pracy przy słabszym wietrze. Największa różnica była przy słabszych wiatrach, ponieważ zmodernizowane, wydajniejsze śmigi musiały być szybciej zwijane przy silniejszych wiatrach..

Zdjęcie: Ulepszony wiatrak.

Kolejne usprawnienia wprowadzili Chris Van Bussel, Kurt Bilau, G. J. Ten Have, Van Riet, P. L. Fauël, Sabinin oraz Yurieff w latach 30. Skorzystano z nich wszystkich w wiatraku zbudowanym w 1940 roku, którego moc wyjściowa była dwuipółkrotnie wyższa od tradycyjnej konstrukcji - osiągając 125 koni mechanicznych. Wiatrak zburzono w 1960 roku.

Druga wojna światowa przerwała badania nad wiatrakami mechanicznymi i Holandia, tak jak reszta świata, przeniosła swoją uwagę na produkcję elektryczności.

Powrót do tradycyjnego wiatraka?

Na dzień dzisiejszy, wiatraki i koła wodne, które zamieniają bezpośrednio energię kinetyczną na mechaniczną, są uważane za przestarzałe i niepotrzebne. Kilka takich konstrukcji przetrwało do XXI wieku, jednak nie pełnią one w społeczeństwach „rozwiniętych” żadnej komercyjnej funkcji. Turbiny wiatrowe zdominowały krajobraz Europy – generują prąd elektryczny, który można później zamienić na energię mechaniczną.

To jasne, że telewizora i laptopa nie da się zasilić za pomocą energii mechanicznej - ale wiele rzeczy można. Zboże wciąż trzeba mielić, drewno ciąć, olej tłoczyć, wodę pompować, itd. Te procesy wymagają energii mechanicznej. Pochodzi ona, przede wszystkim z konwersji z energii elektrycznej, a tę można można generować dzięki nowoczesnym turbinom wiatrowym, lub innym źródłom odnawialnym. Właśnie tak, wszyscy teraz wyobrażają sobie przyszłość.

Energia wcielona

Są jednak ważne powody do tego, żeby rozważyć zupełnie inne, odwrotne podejście, i powrócić do staroświeckiego, bezpośredniego przetwarzania energii kinetycznej na mechaniczną. Po pierwsze, jest to bardziej wydajne, ponieważ pomija się jeden krok konwersji energii, z którym to zawsze wiążą się straty energii. Oznacza to, że można postawić mniejszą ilość elektrowni odnawialnych do wykonania tej samej pracy.* Stawianie milionów turbin wiatrowych, przykrywanie całych pustyń panelami fotowoltaicznymi i budowa gigantycznych „inteligentnych” sieci przesyłowych może brzmi nieźle, jednak najważniejszym pytaniem jest to - czy mamy na to wystarczającą ilość surowców, energii i pieniędzy?

*Komentarz tłumacza: Największa współczesna (rok 2020) morska turbina wiatrowa - General Electric Haliade-X, mierząca 260 metrów - ma moc maksymalną 13 MW, jest to tyle, co 170 wiatraków o mocy 100 koni mechanicznych. Wynika z tego, że potrzeba więcej wiatraków niż turbin wiatrowych, by dostarczyć tyle samo energii. Jednakże, Haliade-X waży 825 ton (nie licząc sieci przesyłowych i transformatorów) i narażona jest na ogromne przeciążenie i niesprzyjające warunki atmosferyczne, przez co jej żywotność jest względnie niska (turbina morska wytrzymuje średnio 15 lat), w porównaniu z tradycyjnym wiatrakiem. Tak więc, w dłuższym czasie, przez swoją niską żywotność oraz ogromne zapotrzebowanie na materiały i zaawansowane technologie, dostarczenie potrzebnej energii za pomocą turbin wiatrowych może wymagać większej ilości zasobów i środków, niż postawienie liczniejszych, ale za to prostszych mechanicznych wiatraków.

Dzisiejsza wiedza i materiały mogą znacznie usprawnić tradycyjny wiatrak.

Dostępne dane na temat zasobów pierwiastków ziem rzadkich, niezbędnych do produkcji zaawansowanych ekotechnologii, wyglądają ponuro (światowe rezerwy miedzi również budzą obawy, a energia wiatrowa zużywa 4-6 razy więcej miedzi na 1MW mocy, niż energetyka konwencjonalna, przyp. tłum.). Słyszy się od niedawna, że Chiny, dysponujące większość złóż tych surowców, planują ograniczyć eksport tych surowców*. Tradycyjne wiatraki, które bezpośrednio zamieniają energię kinetyczną na mechaniczną nie potrzebują żadnych rzadkich surowców, i można je zbudować z materiałów dostępnych prawie wszędzie.

*Przypis tłumacza: Chiny dysponują prawie 90% zasobów pierwiastków ziem rzadkich. W 2011 roku, Państwo Środka ograniczyło import tych surowców, w efekcie czego ceny poszybowały w gorę - [rosnąc na jakiś czas o 600%](Widmer, James & Martin, Richard & Kimiabeigi, Mohammad. 2015. Electric vehicle traction motors without rare earth magnets. Sustainable Materials and Technologies. 29. 10.1016/j.susmat.2015.02.001).

Wiatraki hi-tech

Przestańmy narzekać i powróćmy do wiatraków. Dzięki dzisiejszej wiedzy technicznej i nowoczesnym materiałom możemy znacznie usprawnić tradycyjny wiatrak. Przekładnie i śmigi można wykonać ze stali lub aluminium, co nie tylko znacznie podniesie sprawność, ale również zabezpieczy konstrukcje przed pożarem. Niejeden wiatrak spłonął doszczętnie, ponieważ był w całości zrobiony z drewna. Wewnętrzne mechanizmy można wykonać dzisiaj znacznie precyzyjniej, dodatkowo poprawiając sprawność, niezawodność i kulturę pracy.

Zdjęcie: Noletmolen, zbudowany w 2005 roku.

Wiatraki mogą być znacznie większe i potężniejsze. Holendrzy, żeby dać temu przykład, postawili w 2005 roku wiatrak w tradycyjnym stylu, przeznaczony jednak do produkcji elektryczności – „Noletmolen” w mieście Schiedam. Konstrukcja sięga 42 metrów, a wirnik ma 30 metrów średnicy – trochę mniej niż Młyn Murphyego z San Francisco.

Zbudowała go miejscowa gorzelnia w celach promocyjnych (w mieście stoi jeszcze pięć innych historycznych wiatraków zbudowanych na potrzeby produkcji Holenderskiego dżinu). Jednak ten wiatrak, to nie jest młyn. Oparto go na tradycyjnym projekcie, wykorzystując zarazem nowoczesne materiały i śmigi (zdjęcie powyżej). Rezultat? 200 koni mechanicznych na wale. Co ty, na to, Energy Ball?

Podejście ekotechniczne

Bez dwóch zdań, pokolenie współczesnych ekogeeków mogłoby odkurzyć zapomniane, dwudziestowieczne projekty Holenderskiego Towarzystwa Wiatraków, i tchnąć nowe życie w staroświecki młyn wietrzny. Może straciłby romantyczny urok, poczciwego wiatraka, jednak na pewno zyskałby na sprawności. Pola do popisu jest sporo, żeby tylko wspomnieć o tym, że kiedy nie wieje wiatr można by włączać wspomaganie elektryczne (zamiast zaprzęgać w kierat konie), albo zamiast przestawiać cały wiatrak za pomocą drąga, dlaczego nie zainstalować systemu hydraulicznego? Nawet odrobina elektroniki nie zaszkodzi.

Ten tekst nie jest krucjatą przeciwko turbinom wiatrowym i nowoczesnej infrastrukturze energetycznej. Ma on na celu przypomnieć, że wiele z tego, co dzisiaj próbujemy zrobić za pomocą technologii rodem z laboratoriów kosmicznych, można by prościej, taniej i sprawniej zrobić za pomocą starych, sprawdzonych metod bezpośredniej konwersji energii kinetycznej na mechaniczną.

Będziemy o tym pisać więcej, w kolejnych artykułach o historii energii odnawialnej.

Materiał źródłowy (zaczynając od najważniejszych pozycji)

“Power from Wind: A History of Windmill Technology”, Richard L. Hills, 1994.
“Molens”, Frederick Stokhuyzen, 1962 (English summary here).
“Research inspired by the Dutch windmills: An account of an extensive programme of research and development”, The Prinsenmolen Committee, 1966
“Histoire générale des techniques”, Maurice Dumas, 1964
“Molendatabase” – pictures and descriptions (in Dutch) of windmills in the Netherlands.
“Natural sources of power”, Robert Steele Ball (1908)
“Geschiedenis van de techniek in Nederland, de wording van een moderne samenleving 1800-1890”, H.W. Lintsen, 1992
“Gevlucht”, Wikipedia Dutch
“History of technology”, “Energy conversion” and “Windmills”, Encyclopedia Britannica.
“An Encyclopedia of the History of Technology (Routledge Companion Encyclopaedias)”, Ian McNeil, 1990
“Wind, Water, Work: Ancient And Medieval Milling Technology (Technology and Change in History)”, Adam Lucas, 2005
“Handbook of Fluid Dynamics”, Richard W. Johnson, 1998
“The windmill as prime mover”, Alfred R. Wolff, 1885
“An experimental enquiry concerning the natural powers of water and wind to turn mills”, John Smeaton, 1760
“Groot Volkomen Moolenboek”, 1734
“Penterbak” - pictures
“Industriemolens” - pictures of industrial windmills in the Netherlands
“Windmills in Sussex”, Peter Hemming, 1936
“Windmills in Holland”, K. Boonenburg, 1951 (pdf)
“Windmill sail”, Wikipedia English
“Origen y expansion de los molinos de viento en Espana”, José Ignacio Rojas Sola y Juan Manual Amezcua Ogayar, Interciencia, Vol.30, 2005
“The windmill: a medieval steam engine?”, John Langdon (pdf)
- “The Evolution of Technology (Cambridge Studies in the History of Science”, George Basalla, 1989
“Windkraftanlagen: grundlagen, technik, einsatz, wirtschaftlichkeit”, Eric Hau, 2003
“European Route of Industrial Heritages”