Budoucnost větrné energetiky: Létající draci, bezlopatkové stožárky a plovoucí větrníky

Létající draci vyrábějící elektřinu

Klasické větrné elektrárny využívají k výrobě elektřiny prakticky jen své lopatky. Zbytek ocelové věže a stovky tun betonu v základech slouží výhradně jako pasivní nosná konstrukce. Létající větrná energetika (známá pod zkratkou AWE – Airborne Wind Energy) tento materiál nahrazuje pomocí softwaru fyziky.

Technologie spoléhá na automaticky řízené draky nebo bezpilotní křídla přivázaná k pozemní stanici pevným syntetickým lanem. Zařízení létá ve výškách až 500 metrů nad zemí, kde větrné proudění dosahuje násobné rychlosti a je nesrovnatelně stálější než u země.

Fyzika „příčného letu“ a dva principy výroby elektřiny

Klíčem k obrovskému výkonu je aerodynamický princip takzvaného příčného letu (crosswind flight). Drak nevisí na obloze pasivně, ale autonomní počítačový systém ho nutí létat po trajektorii ve tvaru osmiček nebo spirál. Tímto pohybem křídlo zdánlivě „předbíhá“ samotný vítr a vytváří extrémní aerodynamický vztlak.

V praxi se využívají dva hlavní technologické přístupy: •

Pozemní generace (Ground-Gen / Pumping mode): Drak při letu po osmičkách obrovskou silou tahá za lano a odvíjí ho z navijáku na zemi, čímž roztáčí pozemní generátor. Jakmile dosáhne maximální výšky lana, naklopí křídlo do úhlu s minimálním odporem vzduchu a pozemní motor ho za pouhý zlomek vyrobené energie navine zpět. Tento cyklus se neustále opakuje. •

Palubní generace (Fly-Gen / Drag mode): Na samotném pevném křídle jsou namontovány malé, vysokorychlostní větrné turbínky s vlastními generátory. Vytvořená elektřina je pak do pozemní sítě posílána přímo skrz speciální vodivé lano.

Celé zařízení spotřebuje o 80 až 90 % méně materiálu než klasická turbína a veškerou řídicí elektroniku i generátor lze umístit do jediného mobilního lodního kontejneru. Technologie se právě dostává ze fáze testování do prvního komerčního prodeje. Zatím se nesnaží konkurovat obřím větrným parkům v síti, ale prosazuje se v ostrovních systémech, odlehlých oblastech, vojenských základnách nebo mikrosítích, kde nahrazuje drahý diesel. V roce 2021 spustil německý výrobce na ostrově Mauricius první komerční létající větrnou elektrárnu na světě. Létající drak (200 kW) operuje ve výškách kolem 300 metrů a dodává elektřinu přímo do místní sítě, kde nahrazuje dováženou naftu. Nizozemská firma tuto technologii úspěšně otestovala při cvičení s nizozemskou armádou, pro kterou draci představují mobilní zdroj energie bez nutnosti vozit cisterny s palivem.

Potenciál a překážky pro Českou republiku

Pro českou krajinu představují létající draci ideální koncept. Česká republika je vnitrozemský stát s poměrně slabým větrným potenciálem blízko povrchu, avšak ve výškách je větrné proudění v ČR vynikající téměř kdekoliv.

Létající draci řeší i další zásadní problém české energetiky, takzvaný syndrom NIMBY („Ne na mém dvorku“). Místo až dvěstěpadesátimetrových betonských monster v krajině stojí na zemi jen kontejner. Zařízení nevytváří stálý hluk, stín ani nehyzdí horizont. Pokud vyprší nájemní smlouva na pozemek, stanici lze během jednoho dne kompletně sbalit a převézt jinam.

Hlavní bariérou pro masový rozvoj v ČR zůstává letecká legislativa. Pustit pevné lano do výšky 500 metrů vyžaduje koordinaci s Úřadem pro civilní letectví a vytvoření vyhrazených koridorů. Výzvou jsou také extrémní výkyvy počasí, silné bouřky či zimní námraza na laně, kvůli kterým se drak musí umět zcela automaticky sbalit do ochranného krytu.

Plovoucí mořské větrníky

Vítr nad otevřeným mořem má obrovskou výhodu: na rozdíl od pevniny mu v cestě nestojí žádné hory, lesy ani zástavba. Fouká bez přerušení a dosahuje vysokých rychlostí. Tradiční mořské větrníky (Fixed-bottom offshore) se však montují na masivní ocelové pilíře zatloukané přímo do mořského dna. To je finančně i technicky realizovatelné pouze na mělkých šelfech do hloubky přibližně 50 až 60 metrů.

Globální potenciál mořského větru leží v hlubokých oceánských příkopech (např. u pobřeží Tichého oceánu, Japonska nebo evropského Atlantiku). Zde nastupují plovoucí větrné elektrárny (Floating Offshore Wind)

Jak udržet stožár na mořských vlnách?

Samotná turbína dosahuje výkonu 15 až 20 MW (jediná otočka obřích lopatek dokáže napájet běžnou domácnost po dobu několika dní) a stojí na masivní plovoucí platformě. Aby se věž vysoká přes 200 metrů ve vichřici a mnohametrových vlnách nepřevrátila, využívá inženýři tři hlavní typy plovoucích základen:

• Spar-buoy (Štíhlý hluboký plovák): Dlouhý ocelový válec naplněný těžkým štěrkovým balastem, který sahá 80 až 100 metrů pod hladinu. Těžiště je posunuto tak hluboko pod vodu, že platformu fyzikálně nelze překlopit.

• Semi-submersibilní (Poloponorná platforma): Trojúhelníková konstrukce ze tří nebo čtyř tlustých propojených sloupů. Systém využívá aktivní přečerpávání vodního balastu mezi sloupy, čímž vyrovnává nápor větru do turbíny.

• Tension Leg Platform (TLP): Podhladinová konstrukce držená pod obrovským tahem svislých kotevních lan napnutých k mořskému dnu, což téměř zcela eliminuje vertikální pohyb platformy na vlnách.

Plovoucí platformy drží na místě vysoce pevná kotevní lana a řetězy připojené k sacím nebo vrtaným kotvám v mořském dně. Vyrobená elektřina se svádí speciálními ohebnými dynamickými kabely, které visí ve vodním sloupci v plynulých křivkách, aby vydržely neustálý pohyb oceánských proudů a vlnění.

Díky umístění desítky kilometrů od pobřeží z pevniny vůbec nejsou vidět a dosahují koeficientu využití výkonu přes 50 až 60 %, což z nich dělá nejobnovitelnější zdroj, který se provozně přibližuje stálým jaderným či uhelným elektrárnám. Aktuálně větrné parky psotavené na této technologii běží například v Portugalsku, Norsku enbo Skotsku.

Jaký význam mají mořské obry pro vnitrozemské Česko?

Česká republika je vnitrozemský stát bez vlastního pobřeží, přesto jsou pro nás mořské větrníky obrovskou příležitostí.

Zásadní roli hraje zapojení českého průmyslu do globálního dodavatelského řetězce. Plovoucí giganty vyžadují špičkové strojírenství. České firmy se již dnes podílejí na vývoji a výrobě klíčových komponentů pro evropské mořské parky v Severním a Baltickém moři.

Druhým zásadním rozměrem jsou kapitálové a energetické investice. Pro velké české energetické hráče (v čele se skupinou ČEZ či soukromými investičními fondy) představuje nákup podílů v mořských větrných parcích v Německu, Polsku či Skandinávii ideální způsob, jak diverzifikovat své portfolio. Místo složitého schvalování staveb na domácí půdě tak český kapitál spolufinancuje obří mořské projekty, ze kterých generuje stabilní dlouhodobý zisk a zároveň plní přísné evropské dekarbonizační cíle.

Třetím rozměrem je energetická bezpečnost a dovoz zelené elektřiny. Díky propojování celoevropské přenosové soustavy proudy ze stálých mořských parků v Baltu či Severním moři pomáhají stabilizovat celou evropskou síť. Zelená elektřina tak může přes Německo a Polsko téct přímo k českému spotřebiteli a kompenzovat tuzemské sezónní výpadky.

Kmitající tyče bez rotujících lopatek

Klasické větrné turbíny jsou vizuálními ikonami obnovitelné energie, ale zároveň čelí dlouhodobé kritice. Protože způsobují hluk, představují riziko pro ptáky a netopýry a vyžadují masivní převodovky plné oleje a díky obřím rozměrům dominují krajině. Španělský koncept Vortex Bladeless přichází s myšlenkou odstranit z větrné elektrárny všechny rotující prvky a vyrobit elektřinu pouhým kmitáním.

Zařízení na první pohled vůbec nepřipomíná větrnou elektrárnu. Jedná se o štíhlý, pružný stožár vyrobený ze skelných a uhlíkových vláken, který je vertikálně zapuštěný do země. Nemá žádné lopatky, vrtule ani převodové skříně a elektřinu vyrábí tak, že se ve větru rytmicky vlní ze strany na stranu.

Jev, který stál u zkázy slavného mostu Tacoma Narrows

Technologie využívá aerodynamický jev zvaný Kármánova vírová stezka. Když plynule proudící vzduch narazí na válcovou překážku, nedokáže ji obéct rovnoměrně. Místo toho se za ní začnou střídavě po levé a pravé straně vytvářet vzdušné víry. Tyto víry vytvářejí podtlakové zóny, které objekt tvořený pružným materiálem rozkmitají.

V běžném stavebnictví je tento jev noční můrou inženýrů (stál u zkázy slavného mostu Tacoma Narrows v roce 1940), avšak bezvrtulová turbína ho vědomě využívá ve svůj prospěch:

Aerodynamická rezonance: Stožár je navržen tak, aby se jeho přirozená frekvence kmitání shodovala s frekvencí odtrhávání větrných vírů. Jakmile zafouká vířivý proud, tyč vstoupí do rezonance a začne se výrazně rozkmitávat. Uvnitř konstrukce jsou navíc umístěny nastavitelné magnety, které upravují tuhost stožáru podle aktuální síly větru, aby kmitání probíhalo v co nejširším spektru rychlostí.

Lineární generátor bez tření: Ve spodní části tyče se nenachází žádná klasická rotační turbína ani olejová převodovka. Pohyb kmitajícího stožáru pohybuje integrovaným systémem magnetů a cívek (lineární / elektrostatický alternátor), který mechanickou energii kmitu přímo přeměňuje na elektrický proud.

Přestože má komerční drak (cca 150–200 kW) o něco nižší maximální štítkový výkon než 250 kW klasický větrník, díky stálému větru ve výšce vyrobí za celý rok prakticky stejné množství elektřiny. K tomu však potřebuje o 90 % méně materiálu a nevyžaduje stavbu obří betono-ocelové věže.

Ticho, bezpečnost pro přírodu a vysoká hustota instalací

Koncept kmitajících tyčí nabízí hned několik zásadních průlomů oproti klasickým vrtulím: • Absolutně tichý chod: Protože se v konstrukci netřou žádná ozubená kola a špičky lopatek neproříznou vzduch nadzvukovou rychlostí, zařízení je pro lidské ucho prakticky neslyšitelné. • Ochrana ptactva a fauny: Absencí jakýchkoliv rotujících částí mizí riziko nárazu ptáků či netopýrů. • Minimální nároky na údržbu: Zařízení nemá žádná ložiska, která by se mohla zadřít, ani spotřební olejové náplně. Výrobní i provozní náklady jsou díky tomu nesrovnatelně nižší. • Vysoká hustota instalace: Klasické větrníky za sebou vytvářejí masivní turbulence, takže mezi nimi musí být kilometrové rozstupy. Kmitající tyče naopak víry samy generují a vzájemně se ovlivňují jen minimálně – lze je tak sázet blízko k sobě do hustých „větrných lesů“.

Řešení pro decentralizovanou energetiku

Pro podmínky České republiky mají bezvrtulové tyče obrovský potenciál především v oblastech, kde je stavba klasických větrníků nemožná. Mohou fungovat jako skvělý doplněk k domácí fotovoltaice v zimních měsících, kdy slunce svítí minimálně, ale častěji vane vítr.

Limitem technologie v tuto chvíli zůstává nižší absolutní výkon jednoho kusu ve srovnání s obřími klasickými turbínami. Jedná se o zdroj vhodný pro lokální výrobu a mikrosítě.

Španělský startup Vortex Bladeless postavil desítky malých testovacích stožárů (tzv. Vortex Nano o výšce cca 85 cm a výkonu jednotek až desítek wattů). Spolupracuje s energetickými giganty na testování odolnosti materiálů a chování tyčí v reálném městském větrném proudění.

Malé kmitající tyče se aktuálně zkoušejí pro napájení městských senzorů (IoT), meteostanic a osvětlení. Dnes se uvažuje především o jejich kombinaci se střešní fotovoltaikou – kmitající tyčka dodává malý proud na střeše domu v noci a v zimě, kdy panely nevyrábějí.

Možné využití v ČR představují i Chráněné krajinné oblasti (CHKO) a národní parky (např. Šumava, Krkonoše či Jeseníky). V těchto oblastech bývá stálý a silný vítr, avšak obří větrné turbíny jsou zde přísně zakázány kvůli ochraně přírody a krajinnému rázu. Nízké, tiché a nenápadné kmitající tyče splývají s prostředím a nepředstavují nebezpečí pro chráněné živočichy.

Zdroje:
Vortex Bladeless
SkySails Power
Kitepower
Hywind Tampen