Projektowanie posadowienia farm wiatrowych

Zgodnie z pakietem energetyczno-klimatycznym, nałożonym przez Komisję Europejską na państwa członkowskie, do 2020 roku Polska będzie zobowiązana do produkowania 15% energii w krajowym bilansie energetycznym ze źródeł odnawialnych (z czego od 30% do 50% będzie wytwarzana przez farmy wiatrowe). To oznacza, że Polska do 2020 r. musi czterokrotnie zwiększyć moc zainstalowanej energii wiatrowej. Kolejnym założeniem pakietu energetyczno-klimatycznego jest znacząca redukcja emisji gazów cieplarnianych do 40% w 2030 r, czyli poniżej emisji z roku 1990. Aby nie płacić kar za przekroczoną emisję CO2, Polska będzie musiała odchodzić od energii pozyskiwanej z paliw kopalnych. Jedyną alternatywą są odnawialne źródła energii, ponieważ z dużym prawdopodobieństwem można stwierdzić, że do tego czasu nie powstanie w Polsce elektrownia atomowa. Obecne prognozy szacują start pierwszego bloku energetycznego na 2027 r. Chciałbym podkreślić, że pierwsze plany zakładały uruchomienie elektrowni atomowej w Żarnowcu w 1990 r. Postawienie na rozwój energetyki z odnawialnych źródeł energii jest zatem jedyną szansą spełnienia kryteriów zapisanych w pakiecie energetyczno-klimatycznym przedstawionym niedawno przez Komisję Europejską.

Argumenty za rozwojem farm wiatrowych są następujące:

• krótki czas realizacji inwestycji, w porównaniu do energii pozyskiwanej z elektrowni wodnych,
• wydajne instalacje, moc turbin dochodzi do 7,0 MW,
• dobrze rozwinięta technologia, sprawności dochodzące do 40%,
• stosunkowo niewielkie oddziaływanie na środowisko w porównaniu do budowli wodnych lub energetyki z biomasy lub biogazu.

Do wad energetyki wiatrowej można zaliczyć:

• emisję uciążliwych oddziaływań akustycznych,
• produkcję energii tylko przy określonej prędkości wiatru,
• krótki czas eksploatacji turbiny (ok. 20 lat).

Farma wiatrowa zbudowana jest z wieży i gondoli, która składa się z wirnika i układu pomiarowego (schemat turbiny przedstawia rysunek 4). Wirnik składa się z łopat połączonych piastą. Łopaty poruszane są przez wiatr i przekazują moc do piasty, która jest połączona z wałem napędowym, zwiększającym prędkość osi.
Wieże dla turbin dużych mocy wykonane są w postaci stalowej lub żelbetowej rury (rzadziej kratownicy). Rozwiązanie w postaci masztu, utrzymywanego w poziomie za pomocą lin, jest stosowane tylko w małych
turbinach (służących na przykład do ładowania baterii akumulatorów). Wieże farm wiatrowych o dużych mocach (1,0-3,6 MW) są wykonane w większości przypadków z rur stalowych, o średnicy 4,0-11,0 m,
które są dostarczane w częściach na miejsce budowy. Wieże mają stożkowy kształt, ze średnicą rosnącą ku podstawie. Taki kształt zapewnia dużą wytrzymałość oraz oszczędność materiału.

Zgodnie z rozporządzeniami [3] (§4 ust. 1 pkt 3b i 3c) oraz [4] turbiny wiatrowe można opisać, jako „nietypowe obiekty budowlane niezależnie od stopnia skomplikowania warunków gruntowych, których wykonanie lub użytkowanie może stwarzać poważne zagrożenie dla użytkowników” lub „których projekty budowlane zawierają nieznajdujące podstaw w przepisach nowe niesprawdzone w krajowej praktyce rozwiązania techniczne”.
Obiekty tak scharakteryzowane zaliczane są do trzeciej kategorii geotechnicznej, co narzuca wykonanie szczegółowych badań geotechnicznych oraz projektu geotechnicznego zgodnego z [3]. Zważywszy na koszt pojedynczej turbiny szacowany na ok 2,5 mln euro, oszczędności od kilkuset do kilku tysięcy złotych na badaniach geotechnicznych są niewspółmierne do kosztów, jakie można ponieść w przypadku katastrofy budowlanej. W wytycznych [5] został przedstawiony szczegółowy zakres badań, jakie należy wykonywać podczas projektowania posadowień turbin wiatrowych. Badania polowe należy wykonywać do głębokości ok 1,5 średnicy fundamentu. Przykładowe badania do wykonania są następujące:
• 1-2 odwierty,
• 1-3 sondowania pozwalające określić parametry gruntu na miejscu np.:
–– sondowania CPTu,
–– sondowania DMT,
–– badania z wykorzystaniem presjometru np. Menard,
–– sondowania sondą dynamiczną (dla gruntów niespoistych,
–– sondowania sondą krzyżakową do określenia niedrenowanej wytrzymałości
na ścinanie w warunkach in-situ.
• badania in-situ do określenia parametrów gruntów w zakresie małych odkształceń, badania geofizyczne prędkości rozchodzenia się fali akustycznej w gruncie np.:
–– sondowania SCPTu,
–– sondowania SDMT,
• pobór próbek NNS do badań laboratoryjnych.
Na podstawie badań polowych oraz laboratoryjnych powinny zostać wyznaczone następujące parametry, potrzebne do poprawnego zaprojektowania posadowienia konstrukcji:
• określenie rodzaju gruntu z podziałem na warstwy litologiczne
• maksymalny poziom zwierciadła wód gruntowych,
• parametry wiodące uzyskane z sondowań np. qc,
• efektywne parametry wytrzymałościowe gruntu,
• parametry wytrzymałościowe gruntu w warunkach bez drenażu