Energia eoliană offshore pe înțelesul tuturor: turbine, fundații

Nicio ramură a industriei eoliene nu a trecut mai repede de la nișă la scară industrială decât eolianul offshore. Primul parc offshore, Vindeby din Danemarca (1991), avea unsprezece turbine de 450 kW. Mașinile care se montează acum în Europa și China au 14–16 MW, rotoare cu diametrul de peste 230 m, iar un singur proiect trece de 1 GW. Ghidul acesta explică de ce dezvoltatorii acceptă costul mai mare al construcției pe mare, prin ce diferă echipamentele de cele de pe uscat, cum arată producția și costurile și unde sunt limitele reale.

De ce vântul e mai bun pe mare

Puterea vântului crește cu cubul vitezei, așa că un mic câștig de viteză aduce un câștig mare de energie. Apa deschisă e extrem de netedă: rugozitatea suprafeței e de circa 0,0002 m pentru o mare calmă, față de 0,03–0,1 m pe terenurile agricole și 0,5 m sau mai mult în pădure. Cu frecare mai mică, vântul e rapid încă de aproape de suprafață și se schimbă mai puțin cu înălțimea. Turbulențele sunt și ele mai mici, ceea ce reduce oboseala palelor și a transmisiei.

Densitatea de putere a vântului: P/A = ½ × ρ × v³ ρ ≈ 1.225 kg/m³ (nivelul mării, 15 °C) v = 7 m/s → ½ × 1.225 × 343 ≈ 210 W/m² v = 10 m/s → ½ × 1.225 × 1000 ≈ 613 W/m²

Un amplasament cu viteza medie de 10 m/s la înălțimea butucului are deci de circa trei ori mai multă putere pe metru pătrat de rotor decât unul cu 7 m/s. Amplasamentele bune din Marea Nordului au 9–11 m/s; multe amplasamente pe uscat din Europa au în medie 6–8 m/s. Calculatorul nostru pentru viteza vântului la înălțime arată cum se schimbă viteza medie cu înălțimea și terenul, iar resursele eoliene le poți explora pe harta energetică mondială sau dând clic pe un punct din Energy Explorer.

Câștigul se vede într-un factor de capacitate mult mai mare, adică partea din maximul teoretic pe care o turbină o livrează efectiv într-un an (vezi ce înseamnă factorul de capacitate).

Tehnologie	Factor de capacitate tipic	Observații
Eolian pe uscat, flota veche	20–30%	Rotoare mai mici, butuci mai jos
Eolian pe uscat, proiecte noi	30–45%	Rotoare mari în raport cu puterea generatorului
Eolian offshore, fundație fixă	40–55%	Proiectele din Marea Nordului depășesc adesea 45%
Offshore plutitor (primele parcuri)	45–55%	Hywind Scotland a avut în primii ani unii dintre cei mai mari factori din Regatul Unit

Intervalele sunt orientative și provin din Offshore Wind Outlook 2019 al IEA, din rapoartele de costuri IRENA și din Annual Technology Baseline al NREL. Vremea mută valorile unui an anume cu câteva puncte procentuale.

Echipamentele: turbine, fundații și cabluri

Turbinele

Turbinele offshore au același design cu trei pale, ax orizontal și rotor în fața vântului ca pe uscat, doar că sunt mai mari. Montajul și fundațiile înseamnă un cost fix mare pentru fiecare poziție, așa că mai puține turbine, dar mai mari, înseamnă mai puține fundații, mai puține trasee de cablu și mai puține drumuri cu navele. În 2020, NREL și IEA Wind Task 37 au publicat o turbină de referință publică de 15 MW, cu rotor de 240 m și butuc la 150 m, reprezentativă pentru mașinile intrate în funcțiune la mijlocul anilor 2020.

Prin ce diferă de turbinele de pe uscat:

Generatoarele cu acționare directă sau de viteză medie sunt frecvente, pentru că orice piesă de cutie de viteze care se poate strica se află departe de țărm.
Protecția anticorozivă: nacele și turnuri etanșe, cu aer dezumidificat, vopsele marine și protecție catodică pe fundații.
Fără limită de transport: palele de peste 100 m ar fi aproape imposibil de dus pe șosea, dar pot fi îmbarcate direct din fabricile de pe chei.

Fundațiile

Fundație	Adâncime tipică a apei	Cum funcționează
Monopilon	până la ~40–60 m	Un singur tub de oțel, cu diametrul de 8–11 m la cele mai mari turbine, bătut sau forat în fundul mării
Jacket	~30–60 m	Structură cu zăbrele din oțel, cu trei sau patru picioare fixate cu piloni
Fundație gravitațională	mică, fund ferm	Bază grea din beton, ținută pe loc de propria greutate
Spar plutitor	peste 100 m	Cilindru adânc, lestat, foarte stabil, dar cere apă adâncă și la cheiul de asamblare
Semisubmersibilă	~50 m+	Trei sau patru coloane, asamblate în port și remorcate în larg
Platformă cu picioare tensionate	~50 m+	Corp flotant tras în jos de cabluri întinse, ocupă puțin spațiu pe fund

Fundațiile și montajul reprezintă adesea un sfert sau mai mult din investiția unui proiect. Monopilonii domină azi puterea instalată, pentru că sunt simplu de fabricat în serie.

Sistemul electric

Fiecare turbină alimentează un cablu de rețea interioară (de obicei 66 kV la proiectele noi, față de 33 kV înainte), care leagă turbinele de o stație de transformare offshore. Acolo tensiunea crește la 132–275 kV pentru cablul de export spre țărm. Peste circa 80–100 km, curentul continuu de înaltă tensiune (HVDC) iese mai ieftin decât cel alternativ, pentru că în cablurile de curent alternativ apar curenți capacitivi mari, care consumă din capacitatea de transport. HVDC cere însă platforme de conversie mari și scumpe pe mare, așa că alegerea între AC și DC e una dintre deciziile majore de proiectare la orice parc.

Cablurile provoacă o parte disproporționat de mare din producția pierdută. O defecțiune pe cablul de export poate scoate tot parcul din funcțiune săptămâni întregi, până se mobilizează o navă de reparații, așa că proiectele noi montează tot mai des două cabluri de export sau leagă stațiile între ele.

Exemplu de calcul: producția anuală a unui parc offshore de 1 GW

Să luăm un proiect ipotetic în Marea Nordului: 67 de turbine de câte 15 MW (1.005 MW) și o viteză medie multianuală a vântului de 10 m/s la înălțimea butucului.

Producția brută: combinând distribuția Weibull a vântului cu curba de putere a turbinei, o mașină de 15 MW pe un amplasament cu 10 m/s poate ajunge la un factor de capacitate brut de circa 55–60%.
Pierderile de siaj: turbinele din aval stau în aer mai lent și mai turbulent. Parcurile mari pierd de obicei 8–15% prin siaj, iar parcurile vecine adaugă și siaj „extern”.
Disponibilitatea: înălțimea valurilor limitează momentele în care echipele pot ajunge la turbine, așa că offshore o disponibilitate de 93–97% e obișnuită, față de 97–99% pe uscat.
Pierderile electrice: cablurile interioare și de export, plus transformatoarele, pierd 2–4%.

CF net ≈ 0.58 (brut) × (1 − 0.11 siaj) × 0.95 disponibilitate × (1 − 0.03 pierderi electrice) CF net ≈ 0.58 × 0.89 × 0.95 × 0.97 ≈ 0.476 Producția anuală ≈ 1,005 MW × 8,760 h × 0.476 ≈ 4.19 TWh

Ca termen de comparație, circa 4,2 TWh pe an înseamnă aproape consumul anual de electricitate al Ciprului sau cam jumătate din al Estoniei (compară în profilurile de țară). Înlocuind producția pe gaz, de circa 350–400 g CO₂/kWh, parcul evită în jur de 1,5–1,7 milioane de tone de CO₂ pe an. Poți reface calculul pentru orice rețea cu calculatorul de CO₂ pentru electricitate. Pentru o singură turbină, pe amplasamentul tău, calculatorul pentru turbine eoliene folosește aceeași metodă, cu distribuția Weibull și curba de putere.

Cât costă eolianul offshore

Cea mai corectă comparație e costul nivelat al energiei (LCOE): costul pe toată durata de viață împărțit la producția pe toată durata de viață (vezi LCOE pe înțelesul tuturor). La eolianul offshore, capitalul domină:

Element de cost	Pondere aprox. din costul pe durata de viață	Factori
Turbine	30–40%	Prețul oțelului și al pământurilor rare, marjele producătorilor de turbine
Fundații și montaj	20–30%	Adâncimea apei, solul, tarifele zilnice ale navelor
Partea electrică (rețea interioară, stație, export)	10–20%	Distanța până la țărm, AC sau HVDC; uneori plătită de operatorul rețelei
Exploatare și întreținere	20–30%	Distanța, ferestrele meteo, navele de transfer al echipajelor sau navele de service
Dezvoltare, finanțare, dezafectare	restul	Dobânzile, durata autorizării

Ponderile diferă mult de la un proiect și de la o țară la alta. Acestea sunt intervale orientative din defalcările de costuri publicate (NREL ATB, IRENA).

Două lucruri contează când citești prețurile din titluri:

Prețurile din licitații nu sunt LCOE. Prețurile de exercitare din contractele pentru diferență (CfD) includ indexarea cu inflația, aranjamentele de racordare și prime de risc care diferă de la țară la țară. Regatul Unit și Germania tratează diferit activele de transport, așa că același parc poate părea pe hârtie mai ieftin sau mai scump.
Costurile au crescut după 2021. IRENA a urmărit o scădere îndelungată a LCOE offshore în anii 2010. Apoi dobânzile mai mari, prețul oțelului și blocajele din lanțul de aprovizionare din 2022–2024 au împins costurile din nou în sus, iar mai mulți dezvoltatori au anulat sau renegociat contracte în SUA și Regatul Unit. Eolianul offshore cere atât de mult capital încât câteva puncte procentuale în costul capitalului mișcă mult LCOE-ul. Încearcă în calculatorul LCOE: la un proiect intensiv în capital, creșterea ratei de actualizare de la 5% la 8% ridică de obicei LCOE-ul cu aproximativ un sfert.

Eolianul plutitor costă încă mult mai mult decât cel cu fundație fixă, pentru că volumele sunt mici. ATB-ul NREL proiectează scăderi mari pe măsură ce parcurile ajung la sute de MW, dar acestea sunt proiecții, nu prețuri observate.

Puncte tari și limite

Puncte tari

Factori de capacitate mari și producție mai constantă decât la eolianul pe uscat sau la solar.
În nordul Europei, producția atinge vârful iarna, odată cu cererea și cu consumul pentru încălzire, ceea ce îl face un partener bun pentru solar.
Amplasamente mari, aproape de centrele de consum de pe coastă, fără prea multă concurență pentru teren.
Beneficii mari pentru industrie și pentru economia porturilor. Raportul IEA din 2019 estima potențialul tehnic al eolianului offshore din apropierea țărmului la de multe ori cererea mondială de electricitate.

Limite

Variabilitatea tot contează. Perioadele de calm de mai multe zile pe toată Marea Nordului chiar există, așa că eolianul offshore are nevoie de capacitate de rezervă, interconexiuni, stocare sau consum flexibil, ca orice sursă variabilă. Ghidul nostru despre rețeaua electrică explică cum o echilibrează operatorii.
Racordarea la rețea. Aducerea a gigawați întregi pe țărm cere adesea linii noi de transport pe uscat, care pot avea nevoie de mai mult timp pentru autorizare decât parcul însuși.
Lanțul de aprovizionare. Doar câteva nave pot monta cele mai mari turbine, iar spațiul din porturi pentru asamblare e puțin.
Ceilalți utilizatori ai mării. Rutele de navigație, zonele de pescuit, zonele militare și radarele limitează toate locurile unde pot fi construite parcuri.
Sensibilitatea la costul capitalului, descrisă mai sus.

Unde se construiește eolian offshore

Până la începutul anilor 2020, puterea offshore instalată s-a concentrat în China, Regatul Unit, Germania, Țările de Jos și Danemarca, iar Global Offshore Wind Report al GWEC arată că în mai mulți ani recenți China a avut cea mai mare parte din capacitățile noi. Taiwan, Coreea de Sud, Japonia, Vietnam, coasta de est a SUA, Polonia și statele baltice își construiesc primele proiecte mari. Geografia decide mult: câștigă platourile continentale puțin adânci și vântoase. Marea Nordului are suprafețe mari cu adâncimi sub 50 m și vânturi medii de aproape 10 m/s, aproape ideale pentru fundațiile fixe. Coasta de vest a SUA și coasta pacifică a Japoniei coboară repede în ape adânci și depind de tehnologia plutitoare.

Compară cât din electricitatea fiecărei țări vine din vânt în paginile de clasamente sau deschide un profil de țară ca să vezi cum a evoluat mixul de producție.

Ce să reții

Eolianul offshore plătește costuri mai mari de investiție și întreținere pentru un vânt mai puternic și mai constant: factori de capacitate neți de 40–55%, față de 25–45% pe uscat.
Proiectele noi cu fundație fixă folosesc mai ales turbine de 14–16 MW pe monopiloni sau structuri jacket. Platformele plutitoare deschid coastele cu ape adânci, dar rămân scumpe.
Pierderile de siaj, disponibilitatea și fiabilitatea cablurilor decid cât din resursa eoliană brută ajunge în rețea.
Aproape tot costul se plătește la început, așa că dobânzile contează pentru prețul energiei offshore la fel de mult ca tehnologia turbinelor.

Calculatoare pentru acest subiect

Producția și amortizarea unei turbine eoliene Alege un amplasament și o turbină. Descărcăm un an întreg de date NASA orare despre vântul la 50 m, le extrapolăm la înălțimea butucului, corectăm pentru densitatea aerului și pierderi, apoi calculăm kWh, factorul de capacitate, veniturile și amortizarea. Viteza vântului la înălțime Transpune o viteză a vântului măsurată la orice înălțime între 0 și 200 m, atât cu legea puterii (Hellmann), cât și cu profilul logaritmic, și vezi cât câștigi în putere disponibilă urcând mai sus. Calculator LCOE Capex, O&M fix și variabil, combustibil și consum specific de căldură, factor de capacitate, durată de viață, WACC, durata construcției, degradare și prețul carbonului → costul nivelat pe MWh, defalcat pe componente și comparat cu 11 tehnologii. Electricitate kWh → CO₂ Transformă orice cantitate de electricitate în CO₂ pe baza celei mai recente intensități medii a emisiilor rețelei din peste 210 țări și îți arată cât ar emite aceiași kWh în rețele mai curate sau mai poluante.

Întrebări frecvente

De ce se construiesc parcuri eoliene pe mare, când terenul e mai ieftin?

Deasupra apei deschise vântul e mai puternic și mai constant. Suprafața mării e netedă și nu există dealuri, copaci sau clădiri care să încetinească aerul. Factorul de capacitate urcă de la circa 25–40% pe uscat la 40–55% offshore, iar pe mare poți monta turbine mult mai mari decât permit drumurile și regulile de urbanism pe uscat. Parcurile offshore pot sta și aproape de orașele de pe coastă, care au puțin loc pentru eoliene pe uscat.

Câtă electricitate produce o turbină eoliană offshore?

O turbină offshore modernă de 15 MW, cu un factor de capacitate de 45–50%, produce circa 59.000–66.000 MWh pe an (15 MW × 8.760 h × 0,45–0,50). La un consum tipic de 3.500–4.000 kWh pe gospodărie europeană, asta acoperă necesarul anual a circa 15.000–18.000 de locuințe.

Care e diferența dintre eolianul offshore cu fundație fixă și cel plutitor?

Turbinele cu fundație fixă stau pe monopiloni, structuri cu zăbrele (jacket) sau fundații gravitaționale ancorate în fundul mării și sunt rentabile în ape de până la circa 50–60 m adâncime. Turbinele plutitoare stau pe platforme flotante (spar, semisubmersibile sau cu picioare tensionate), ținute de lanțuri și ancore. Așa devin accesibile coastele cu ape adânci, ca Norvegia, Japonia, California și Mediterana, dar deocamdată proiectele plutitoare costă mult mai mult decât cele cu fundație fixă.

Cât durează o turbină eoliană offshore?

Durata de viață de proiect e de obicei 25–30 de ani, iar multe proiecte noi sunt autorizate pentru 30–35 de ani. Fundațiile și cablurile de export pot trăi mai mult decât turbinele, așa că dezvoltatorii se uită tot mai des la modernizarea amplasamentelor existente cu nacele și pale noi (repowering).

E eolianul offshore mai scump decât cel pe uscat?

Pe MWh, de obicei da. Rapoartele de costuri IRENA arată că LCOE (costul nivelat al energiei) pentru eolianul offshore a scăzut abrupt în anii 2010, dar pe majoritatea piețelor rămâne peste eolianul pe uscat. Factorul de capacitate mai mare și potrivirea mai bună cu cererea de iarnă din Europa compensează parțial costurile mai mari de investiție și întreținere.

Dăunează eolianul offshore vieții marine?

Principalele efecte sunt zgomotul subacvatic la baterea piloților (limitat cu perdele de bule, porniri treptate și restricții sezoniere), riscul de coliziune pentru unele păsări marine și schimbarea habitatului. Fundațiile devin în schimb recifuri artificiale, iar interdicțiile de pescuit din unele parcuri creează de facto zone protejate. Efectele depind de amplasament și sunt evaluate în studiile de impact asupra mediului înainte de autorizare.

Surse și referințe

Cifrele din acest ghid sunt intervale tipice, preluate din sursele de mai sus; valorile tale depind de locație, prețuri și echipamente. Pentru estimări adaptate locului tău, folosește calculatoarele recomandate.