WSTĘP
Czas pracy morskich siłowni wiatrowych ocenia się na minimum 25 lat. Co się z nimi dzieje po tym okresie? Możliwości jest kilka.
- Może dojść do tzw. repoweringu, czyli wymiany starych, wyeksploatowanych elementów siłowni na nowe, często o wyższej sprawności.
- Siłownia może być poddana gruntownemu audytowi i uzyskać pozwolenie na dalszą eksploatację z wyznaczeniem nowego horyzontu czasowego
- Wybrane elementy siłowni (np. fundament, wieża) mogą być wykorzystane do innego przeznaczenia
- Siłownia może zostać całkowicie rozebrana z odzyskaniem najcenniejszych części.
W artykule postaram się przybliżyć problem recyklingu farm offshore, chociaż jest to nadal mało dostrzegany aspekt tej technologii i wiele krajów nie ma jeszcze w nim doświadczenia. Wszelkie rozwiązania stosowane przez „sąsiadów” są więc traktowane jako potencjalnie użyteczne i rozpatrywane w kategoriach kosztów. Buduje sie w ten sposób nowa gałąź przemysłu energetycznego, która za dekady może być bardzo dochodowym zajęciem.
Skala problemu
Skupię się tylko na krajach UE, gdzie morskie siłownie wiatrowe są już od wielu lat i znaczna cześć tych konstrukcji niedługo zakończy swój żywot. Duże ambicje UE w odniesieniu do zielonej energii wymusiły na krajach członkowskich osiągnięcie konkretnych celów, zarówno dla energetyki wiatrowej lądowej jak i morskiej w kolejnych dekadach. Zgodnie z dyrektywą z grudnia 2024 r. cele te powodują gwałtowny wzrost mocy morskich siłowni wiatrowych. Poniżej w tabeli 1 pokazuję progres mocy w GW dla całej EU (27 krajów) oraz tylko dla Wielkiej Brytanii i Norwegii.
Tabela 1. Prognozy dotyczące mocy morskich farm wiatrowych (GW), Kolejne wiersze UE-27, Wielka Brytania, Norwegia.
* 2023 rok; ** Plan Komitetu do spraw zmian klimatu
Jak widać, w porównaniu do roku 2023, moc wszystkich zamontowanych w UE siłowni offshore ma wzrosnąć do roku 2030 prawie 5-cio krotnie i niemal 19-to krotnie do roku 2050. Tak szybki rozwój będzie jednocześnie wymuszał stopniowe wycofywanie z eksploatacji siłowni 25-cio letnich, przy czym także w tym wypadku przewidywany jest lawinowy wzrost. Tylko w Wielkiej Brytanii w latach 30-tych XXI w. wycofywanych będzie 900 MW turbin rocznie (źr. RenewableUK (2025, February), ‘Developing effective end-of-life policy frameworks for UK offshore wind’, p. 4). W całej UE szacuje się, że do roku 2040 wycofanych zostanie około 1000 turbin, a do roku 2050 ta liczba wzrośnie do 6000. (źr. ReNews.Biz (2025, April 10), ‘WindEurope 2025: Heerema launches decom initiative’, online: https://renews.
biz/100000/windeurope-2025-heerema-launchesdecommissioning-project/, viewed in June 2025).
Problem będzie więc narastał i skuteczne, bezpieczne dla środowiska, a przede wszystkim tanie metody recyklingu tej technologii będą z pewnością bardzo cenione.
Wydłużenie eksploatacji
Jest jednym z najtańszych rozwiązań pozwalających na ograniczenie nowych inwestycji w siłownie wiatrowe. Zwykle maksymalny okres wydłużenia pracy nie przekracza 10-15 lat, czasami jest też uwarunkowany przepisami krajowymi. Wydłużenie okresu eksploatacji siłowni morskiej ma z reguły pozytywny wpływ na środowisko. W obrębie siłowni tworzą się bowiem ekosystemy, które mogą dzięki temu przetrwać przez kolejne lata. Wadą tego typu rozwiązania może być większy hałas spowodowany częstszymi konserwacjami (ruch statków konserwacyjnych). Problemem może się też okazać mniejsza dostępność części zamiennych dla starszych rozwiązań siłowni.
Zmiana przeznaczenia
Zmiana przeznaczenia oznacza przekształcenie konstrukcji lub jej części do zupełnie innego użytkowania lub innej działalności gospodarczej, bez zmiany miejsca jej położenia. Monopale mogą być tutaj wykorzystane np. do:
- akwakultury i biernego rybołówstwa (np. sznury haczykowe, kosze),
- jako baza badawcza do monitorowania morza i klimatu (np. czujniki, testy)
- jako poligon doświadczalny dla nowych odnawialnych technologii offshore, takich jak
pływające panele słoneczne, wytwarzanie wodoru.
Monopal może też posłużyć do wykonania tarasu widokowego dla turystów, mola dla nurków, itp. Choć możliwości jest tutaj wiele, to doświadczenie pokazuje, że mało firm decyduje się na takie rozwiązania.
Repowering
Dzieli się na pełny i częściowy. Pełny wiążę się z dodatkową wymiana fundamentów siłowni wiatrowych. Ze starej instalacji wykorzystana jest w tym wypadku tylko działka na morzu. W repoweringu częściowym wieża i fundament są zachowane i polegają co najwyżej ochronie przed korozją i erozją. Wymieniana jest natomiast turbina wiatrowa, przy czym nowa może być o wyższej lub o niższej wydajności. Zastosowanie turbiny o mniejszej mocy obniża wielkość produkcji energii, ale pozwala na ograniczenie masy elementów i wydłużenie trwałości wieży wiatrowej, jak też obniża koszt jej konserwacji.
Wymiana turbin na nowe o wyższej wydajności zwiększa nominalną moc nominalną farmy wiatrowej, pozwala też na osiągnięcie krajowych zobowiązań w zakresie produkcji energii ze źródeł odnawialnych bez potrzeby wykonywania nowych inwestycji, czy pozyskiwania pod nie terenów. Czas pracy takiej nowej instalacji jest jednak ograniczony.
Całkowite usunięcie
Montaż morskiej turbiny wiatrowej rozpoczyna się zawsze od zamocowania jej fundamentu, następnie wykonania tzw. elementu przejściowego na którym osadzana jest wieża, a na niej już gondola i płaty wirnika. Demontaż takiej konstrukcji odbywa się dokładnie w odwrotnej kolejności.
Fot. Demontaż morskiej siłowni wiatrowej (źr. www.offshorewind.biz)
Płaty
W zależności od mocy siłowni wiatrowej długość płatów może się wahać od 100 do nawet 150m. Ich demontaż będzie więc zależał od ich masy i długości, tym samym możliwości statku barki. Zwykle odkręcany jest tyko jeden płat, dwa pozostałe demontowane są razem z piastą i gondola (zdjęcie). Przy długich płatach rozwiązanie takie może okazać się nieskuteczne i odkręcane będą najpierw wszystkie płaty, a dopiero potem demontowana gondola. Prace takie przebiegają zwykle przy spokojnym stanie morza, z wykorzystaniem statków samopodnośnych.
Gondola
Usuwana jest w całości poprzez odkręcenie od wieży. Jeśli w gondoli w skrzyni przekładniowej znajduje się olej, usuwa się go dla bezpieczeństwa, aby nie doszło do skażenia morza.
Wieża
W odróżnieniu do wież farm wiatrowych lądowych maszt na którym zamocowana jest gondola skręcany jest na brzegu z kilku sekcji i w takiej formie przewożony na statku na miejsce montażu. Przy demontażu każda sekcja odkręcana jest osobno i układana na statku. Wcześniej usuwa się z wieży okablowanie. Jeśli stan śrub nie pozwala na ich skuteczne odkręcenie ucina się je specjalistycznymi narzędziami jak szlifierki lub przecinarki plazmowe.
Kable
Kable podmorskie są bezpośrednio podłączone do turbin. Zazwyczaj zarówno kable między siłowniami, a morskim hubem, jak i kable eksportowe z huba na ląd, są zakopane na głębokości ponad jednego metra pod dnem morskim. Opcje usuwania kabli obejmują częściowe lub całkowite wydobycie. Ze względu na znaczną długość kabli, ich całkowite usunięcie uważa się za bardzo szkodliwe dla środowiska, ponieważ powoduje znaczne uszkodzenia dna morskiego. Jest też pracochłonne i drogie, dlatego preferowane jest częściowe usunięcie lub nawet pozostawienie kabli pod dnem morskim. Jeśli przeprowadzane jest częściowe wydobycie, wymagany jest ciągły monitoring i ewentualna interwencja w przypadku odsłonięcia kabli.
Fundament i element przejściowy
Po pomyślnym demontażu turbin, można usunąć już elementy przejściowe. W zależności od rodzaju połączenia z monopalem, czy to skręcanego, czy iniekcyjnego, proces demontażu jest inny. W przypadku połączenia skręcanego, element przejściowy można odkręcić i podnieść z fundamentu. W przypadku połączenia iniekcyjnego, element przejściowy zazwyczaj musi zostać odcięty od fundamentu, co komplikuje operację. Inną opcją jest nieusuwanie elementu przejściowego oddzielnie i podniesienie go razem z monopalem. Powoduje to to mniejszą liczbę podniesień, ale przenoszenie większego ciężaru, dlatego należy to ocenić pod wytrzymałości dźwigu i bezpieczeństwa. Niezależnie od tego, czy element przejściowy jest nadal przymocowany na górze, czy nie, monopal musi zostać usunięty. Zasadniczo istnieją dwie opcje: Całkowite usunięcie monopala, lub jego częściowe wycięcie z dna morskiego. W obu przypadkach firmy bazują tutaj na doświadczeniach nabytych w przemyśle naftowym i gazowym, gdzie wieże wiertnicze i platformy również korzystają z monopali i po zakończeniu eksploatacji muszą być one usuwane z dna morskiego.
Usunięcie częściowe
Proces ten przeprowadza się zwykle poprzez ucięcie pala kilka metrów poniżej dna morskiego i następnie wyciągnięcie za pomocą wyciągarki. Cięcie prowadzi się od wewnątrz monopala po wcześniejszym usunięciu z niego piasku.
Cięcie monopala odbywa się zwykle za pomocą bardzo silnego strumienia wody w technologii ASWJ Cutter (High-Pressure Water-Abrasive Cutting).
Rys. Schemat noża ciśnieniowego (water jet cutter) 1-wlot wody pod wysokim ciśnieniem, 2-głowica wykonana z bardzo twardego materiału (zwykle rubin lub diament), 3- dopływ materiału ciernego, 4-rura mieszająca, 5-osłona, 6-strumień wody tnącej, 7-cięty materiał.
W technologii ASWJ strumień wody pod wysokim ciśnieniem mieszany jest ze ścierniwem (rys. obok) i w takiej formie podawany na cięty materiał. Cięcie może się odbywać w każdych warunkach, także pod wodą, dlatego okazało się idealnym rozwiązaniem dla monopali. Metodę tę wykorzystano między innymi do demontażu masztu meteorologicznego związanego z farmą wiatrową Amrumbank West. Monopal na którym osadzony był maszt miał średnicę 3,5m i grubość ścianki 78mm. Operację cięcia wykonano w styczniu 2016 roku przy fali o wysokości 1,5m, używając statku typu Jack-up. Czas operacji wyniósł łącznie 10 dni, chociaż samo cięcie i wyciąganie monopala trwało 30 godzin. Monopal w czasie przecinania był częściowo napięty przez wyciągarkę. Po przecięciu około 98% ścianki doszło do jego częściowego przerwania. Cięcie nie było więc całkowicie czyste i postawiło pytania dla tej technologii.
Jak ta technologia sprawdza się w odniesieniu do farm wiatrowych? Poniżej w tabeli przedstawiam starsze konstrukcje farm wiatrowych wykonanych w Europie, które usunięto w latach 2015-2022.
W przypadku farmy Yttre Stengrund monopale zostały wycięte ponad dnem morskim, w przypadku farmy Lely zostały całkowicie wyciągnięte. Z kolei na farmie Utgrunden I zostały wycięte poniżej dna morskiego. Podobnie było w przypadku farm Irene Vorrink i Blyth. We wszystkich przypadkach moce siłowni były stosunkowo małe i nie przekraczały 2MW, a ich monopale miały do 3,5m średnicy. Na razie brak odniesienia tej metody dla większych mocy i średnic monopali.
Przebieg cięcia
Ponieważ serwis instsani kieruje swoje treści do osób, które chcą wiedzieć więcej, przedstawiam poniżej szczegółową analizę całej operacji. Proces cięcia odbywa się w sześciu krokach. Najpierw element przejściowy, który został wcześniej oddzielony od fundamentu, jest podnoszony za pomocą dźwigu (1), aby odsłonić wnętrze monopala. Większe gruzy i przedmioty są wyciągane z monopala za pomocą chwytaka (2), a następnie usuwany jest mniejszy urobek i osad za pomocą pompy pogłębiarskiej (3). Te środki odsłaniają wnętrze monopala do kilku metrów poniżej planowanej linii cięcia, aby zapewnić miejsce dla narzędzia tnącego. Opcjonalnie, powierzchnia może zostać dodatkowo oczyszczona przed fazą cięcia (4), za pomocą rotującego strumienia wody pod ciśnieniem. Narzędzie tnące jest następnie opuszczane do monopala (5) i mocowane w fundamencie za pomocą ramion hydraulicznych. Na koniec odcięta część monopala jest podnoszona na statek wraz z narzędziem tnącym (6).
Rys. Przebieg procesu cięcia. Opis w tekście powyżej
Cięcie monopali metodą ASWJ jest ekologiczne, ale dość wolne. Przy ściance o grubości >50mm prędkość cięcia wynosi średnio 10mm/min. Przecięcie walca o średnicy 3,5m trwa więc min. 18godz. Przy większych średnicach wydłuża się do kilku dni, co znacznie zawyża koszty. Cięcie wymaga bowiem pracy pompy dla podniesienia ciśnienia do około 1000 bar. W celu przyspieszenia cięcia stosuje się więc więcej niż jedną dyszę tnącą. Poniżej przedstawiam rysunek urządzenia ASWJ z trzema dyszami tnącymi.
Opłacalność recyklingu
Podczas demontażu morskiej siłowni wiatrowej odzyskuje się wiele cennych materiałów, jak: stal, żeliwo, miedź. Największym składnikiem odzysku jest stal, która stanowi nawet 88% wszystkich materiałów. Żeliwo występuje głównie w piaście podtrzymującej płaty siłowni i stanowi około 11% wszystkich materiałów. Miedź pojawia się w dużej ilości w kablach, ale tylko niewielka jej część jest odzyskiwana, z uwagi na ich najczęstsze pozostawianie pod dnem morskim. Ogólnie samą stal w monopalach ocenia się na 8000 GBP/MW mocy turbiny, przy czym im większa turbina tym koszt stali staje się coraz większy w przeliczeniu na MW. Problematyczne w ponownym zagospodarowaniu są zawsze płaty siłowni wykonane z kompozytów, ale to temat na osobny artykuł.
Co na to wszystko mówią przepisy?
W 1989 roku Międzynarodowa Organizacja Morska (IMO) opublikowała „Wytyczne i normy dotyczące usuwania instalacji i konstrukcji morskich na szelfie kontynentalnym i w wyłącznej strefie ekonomicznej” [International Martime Organization (IMO). “Guidelines and standards for the removal of offshore installations and structures on the continental shelf and in the exclusive economic zone”. In: Pub. L. No. IMO Resolution A. 672.16 (1989), pp. 1–9.].
Według IMO, wycofane z eksploatacji instalacje morskie muszą zostać usunięte z morza jak najszybciej. Domyślnie preferowane jest usunięcie całkowite, ale istnieją pewne wyjątki, w których dozwolone jest usunięcie częściowe. Państwo nadbrzeżne odpowiedzialne za daną konstrukcję powinno indywidualnie decydować, czy usunięcie częściowe jest możliwe. IMO zidentyfikowała następujące aspekty, na których powinna opierać się ta ocena:
• Możliwy wpływ na bezpieczeństwo żeglugi nawodnej lub podwodnej.
• Możliwy wpływ na środowisko morskie.
• Degradacja materiałów i wynikający z niej przyszły wpływ na środowisko morskie.
• Ryzyko przesunięcia instalacji z jej pierwotnego położenia.
• Koszty, wykonalność techniczna i potencjalne szkody dla personelu.
• Ustanowienie nowego celu.
Państwo nadbrzeżne ma zawsze możliwość wydania bardziej rygorystycznych wymogów dotyczących usunięcia. Jeśli podjęta zostanie decyzja o częściowym usunięciu, a części pozostaną in situ, dalsze środki obejmują monitorowanie i ewentualne oznakowanie miejsca.