Ce este energia eoliană?

Energia eoliană este electricitatea obținută din mișcarea naturală a aerului din atmosfera Pământului. Fiind o resursă regenerabilă care nu se epuizează prin utilizare, impactul său asupra mediului și asupra crizei climatice este semnificativ mai mic decât arderea combustibililor fosili.

Putem crea energie eoliană ridicând ceva la fel de simplu ca un set de vele de 2.44 metri poziționate pentru a capta vânturile predominante care rotesc o piatră și macină cereale (o moară). Sau, o structură de energie eoliană poate fi la fel de complexă ca o pală de 45.72 metri care rotește un generator ce produce electricitate ce poate fi stocată într-o baterie sau distribuită printr-un sistem de distribuție a energiei. Există chiar și turbine eoliene fără pale.

În 2021, peste 67.000 de turbine eoliene funcționau în Statele Unite, în 44 de state, Guam și Puerto Rico. Mecanismele de energie eoliană au generat aproximativ 8,4% din electricitatea din S.U.A. în 2020. La nivel mondial, vântul asigură aproximativ 6% din necesarul de electricitate al lumii. Energia eoliană crește anual cu aproximativ 10% și este o parte cheie a majorității planurilor de reducere a schimbărilor climatice și de creștere durabilă în mai multe țări, inclusiv China, India, Germania și Statele Unite.

Definiția energiei eoliene

Oamenii folosesc energia eoliană în multe feluri, de la cele simple (încă este folosită pentru a pompa apă pentru animale în locații mai îndepărtate) la cele din ce în ce mai complexe—gândiți-vă la miile de turbine care domină dealurile de pe autostrada 580 din California (fotografiate mai sus).

Componentele de bază ale oricărui sistem de energie eoliană sunt destul de similare. Există pale de o anumită dimensiune și formă conectate la un arbore de transmisie și o pompă sau un generator care folosește sau colectează energia eoliană. Dacă energia eoliană este folosită direct ca forță mecanică, cum ar fi măcinarea cerealelor sau pomparea apei, se numește moară de vânt; dacă transformă energia eoliană în electricitate, este cunoscută sub numele de turbină eoliană. Un sistem de turbină necesită componente suplimentare, cum ar fi o baterie pentru stocarea electricității, sau este conectat la un sistem de distribuție a energiei, cum ar fi liniile electrice.

Nimeni nu știe când a valorificat omul pentru prima dată vântul, dar energia eoliană a mișcat bărci pe râul Nil din Egipt în jurul anului 5.000 î.Hr. Prin anul 200 î.Hr., oamenii din China foloseau vântul pentru a alimenta pompe simple de apă, iar locuitorii din Orientul Mijlociu foloseau mori de vânt cu pale țesute manual pentru a macina cereale. De-a lungul timpului, pompele și morile de vânt au ajutat la producerea multor tipuri de alimente acolo, iar conceptul s-a răspândit în Europa, unde olandezii au construit mori de vânt mari pentru a drena zonele umede—de acolo ideea a călătorit în Americi.

Noțiuni de bază despre energia eoliană

Vântul apare natural atunci când soarele încălzește atmosfera, prin variații ale suprafeței Pământului și din rotația planetei. Vântul poate apoi crește sau scădea datorită influenței corpurilor de apă, pădurilor, pajiștilor și a altor vegetații, precum și a schimbărilor de altitudine. Modelele și vitezele vântului variază semnificativ în funcție de teren și de anotimp, dar unele dintre aceste modele sunt suficient de previzibile pentru a putea planifica în jurul lor.

Selectarea amplasamentului

Vârfurile dealurilor rotunjite, câmpiile deschise (sau apa deschisă pentru vântul offshore) și trecătorile montane (unde vântul este canalizat natural, producând viteze regulate mari ale vântului) sunt cele mai bune locații pentru a amplasa o turbină eoliană. În general, cu cât altitudinea este mai mare, cu atât mai bine, deoarece altitudinile mai mari au de obicei mai mult vânt.

Prognoza energiei eoliene este un instrument important pentru amplasarea unei turbine eoliene. Mai multe hărți ale vitezei vântului și date de la Administrația Națională Oceanică și Atmosferică (NOAA) sau de la Laboratorul Național pentru Energie Regenerabilă (NREL) din S.U.A. oferă aceste detalii.

Se recomandă efectuarea unui studiu specific amplasamentului pentru a evalua condițiile locale ale vântului și a determina cea mai bună direcție de amplasare a turbinelor eoliene pentru eficiență maximă. Oricine intenționează să construiască o turbină eoliană ar trebui să monitorizeze viteza vântului, turbulențele, direcția, temperaturile aerului și umiditatea în locația dorită, pentru cel puțin un an. După evaluarea acestor informații, este mai ușor să construiești turbine care vor oferi rezultate previzibile.

Vântul nu este singurul factor pentru amplasarea turbinelor. Dezvoltatorii unui parc eolian trebuie să ia în considerare cât de aproape este parcul de liniile de transmisie (și de orașele care pot utiliza energia); posibila interferență cu aeroporturile locale și traficul aerian; structura geologică subiacentă și falii; rutele de zbor ale păsărilor și liliecilor; și impactul asupra comunității locale (zgomot și alte posibile efecte).

Majoritatea proiectelor eoliene mari sunt concepute să dureze cel puțin 20 de ani, dacă nu mai mult, prin urmare, acești factori trebuie considerați pe termen lung.

Tipuri de energie eoliană

Energie eoliană la scară utilitară

Acestea sunt proiecte eoliene la scară largă concepute pentru a fi utilizate ca sursă de energie pentru o companie de utilități. Ele sunt similare ca amploare cu o centrală electrică pe cărbune sau pe gaz natural, pe care uneori o înlocuiesc sau o completează. Turbinele depășesc 100 de kilowați putere și sunt de obicei instalate în grupuri pentru a furniza o putere semnificativă—în prezent, aceste tipuri de sisteme asigură aproximativ 8,4% din toată energia din Statele Unite.

Energie eoliană offshore

Acestea sunt, în general, proiecte de energie eoliană la scară utilitară care sunt planificate în apele din largul zonelor de coastă. Ele pot genera o putere enormă în apropierea orașelor mai mari (care tind să se aglomereze mai aproape de coastă în mare parte din Statele Unite). Vântul suflă mai constant și mai puternic în zonele offshore decât pe uscat, conform Departamentului Energiei din S.U.A. Pe baza datelor și calculelor organizației, potențialul de energie eoliană offshore în S.U.A. este de peste 2.000 de gigawați putere, ceea ce reprezintă de două ori capacitatea de generare a tuturor centralelor electrice din S.U.A. La nivel mondial, energia eoliană ar putea furniza de peste 18 ori mai mult decât consumul actual al lumii, conform Agenției Internaționale pentru Energie.

Energie eoliană la scară mică sau distribuită

Acest tip de energie eoliană este opusul exemplelor de mai sus. Acestea sunt turbine eoliene care sunt mai mici ca dimensiune fizică și sunt utilizate pentru a satisface cerințele energetice ale unui anumit sit sau ale unei zone locale. Uneori, aceste turbine sunt conectate la rețeaua mai largă de distribuție a energiei, iar alteori sunt în afara rețelei. Veți vedea aceste instalații mai mici (de 5 kilowați) în mediul rezidențial, unde ar putea asigura o parte sau cea mai mare parte a nevoilor unei locuințe, în funcție de vreme, și versiuni de dimensiuni medii (de aproximativ 20 de kilowați) în situri industriale sau comunitare, unde ar putea face parte dintr-un sistem de energie regenerabilă care include și energie solară, geotermală sau alte surse de energie.

Cum funcționează energia eoliană?

Funcția unei turbine eoliene este de a folosi pale de o anumită formă (care poate varia) pentru a capta energia cinetică a vântului. Pe măsură ce vântul curge peste pale, le ridică, la fel cum ridică o velă pentru a împinge o barcă. Această împingere de la vânt face palele să se rotească, mișcând arborele de transmisie la care sunt conectate. Acest arbore rotește apoi o pompă de un anumit tip—fie mișcând direct o bucată de piatră peste cereale (moară de vânt), fie împingând acea energie într-un generator care creează electricitate ce poate fi folosită imediat sau stocată într-o baterie.

Procesul pentru un sistem generator de electricitate (turbină eoliană) include următorii pași:

Vântul împinge palele

Ideal, o moară de vânt sau o turbină eoliană este amplasată într-un loc cu vânturi regulate și constante. Această mișcare a aerului împinge pale special concepute care permit vântului să le împingă cât mai ușor posibil. Palele pot fi proiectate astfel încât să fie împinse în direcția vântului (upwind) sau în aval de locația lor (downwind).

Energia cinetică este transformată

Energia cinetică este energia liberă care provine de la vânt. Pentru ca noi să putem folosi sau stoca acea energie, ea trebuie transformată într-o formă utilizabilă de putere. Energia cinetică este transformată în energie mecanică atunci când vântul întâlnește palele morii de vânt și le împinge. Mișcarea palelor rotește apoi un arbore de transmisie.

Electricitatea este generată

Într-o turbină eoliană, un arbore de transmisie rotativ este conectat la o cutie de viteze care crește viteza de rotație cu un factor de 100—ceea ce, la rândul său, rotește un generator. Prin urmare, roțile dințate se rotesc mult mai repede decât palele împinse de vânt. Odată ce aceste roți dințate ating o viteză suficient de mare, ele pot alimenta un generator care produce electricitate.

Cutia de viteze este cea mai scumpă și mai grea parte a turbinei, iar inginerii lucrează la generatoare cu transmisie directă care pot funcționa la viteze mai mici (astfel încât nu au nevoie de o cutie de viteze).

Transformatorul convertește electricitatea

Electricitatea produsă de generator este electricitate AC (curent alternativ) de 60 Hz. Un transformator poate fi necesar pentru a o converti într-un alt tip de electricitate, în funcție de nevoile locale.

Electricitatea este utilizată sau stocată

Electricitatea produsă de o turbină eoliană poate fi utilizată la fața locului (mai probabil în proiectele eoliene mici sau medii), poate fi livrată liniilor de transmisie pentru utilizare imediată sau poate fi stocată într-o baterie.

Stocarea mai eficientă în baterii este esențială pentru progresele viitoare în energia eoliană. O capacitate de stocare crescută înseamnă că în zilele în care vântul bate mai puțin, electricitatea stocată din zilele cu vânt mai puternic ar putea suplimenta necesarul. Variabilitatea vântului ar deveni astfel un obstacol mai mic pentru electricitatea fiabilă obținută din vânt.

Ce este un parc eolian?

Un parc eolian este o colecție de turbine eoliene care formează un tip de centrală electrică, producând electricitate din vânt. Nu există o cerință oficială de număr pentru ca o instalație să fie considerată un parc eolian, deci ar putea include câteva sau sute de turbine eoliene care lucrează în aceeași zonă, fie pe uscat, fie offshore.

Avantaje și dezavantaje ale energiei eoliene