Energia wiatrowa za grosze

Najnowsza turbina wiatrowa stojąca w Rocky Flats w Kolorado, poligonie doświadczalnym dla technologii wiatrowych Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych, wygląda bardzo podobnie do każdego innego urządzenia do pozyskiwania energii z wiatru: na szczycie stalowej wieży znajduje się pudełkowa turbina, z której wyrastają dwie łopaty śmigła rozciągające łącznie 40 metrów – prawie połowa długości boiska piłkarskiego. Wiatr pędzi, łopaty obracają się, a prąd płynie. Ale jest kluczowa różnica. Ten prototyp ma elastyczne, zawiasowe ostrza; przy silnym wietrze wyginają się lekko podczas wirowania. Zagięcie jest ledwo wyczuwalne dla przypadkowego obserwatora, ale jest to radykalne odejście od dotychczasowych turbin wiatrowych – i może tylko zmienić losy energetyki wiatrowej.

Rzeczywiście, sukces prototypu w Rocky Flats pojawia się w kluczowym momencie ewolucji energetyki wiatrowej. Generatory napędzane wiatrem są nadal technologią niszową wytwarzającą mniej niż jeden procent energii elektrycznej w USA. Jednak w zeszłym roku w Stanach Zjednoczonych zainstalowano nowe moce wiatrowe o mocy 1700 megawatów, co wystarczyłoby do zasilenia 500 000 domów, co prawie podwoiło krajową moc wiatrową. A więcej jest w drodze. Od 1980 roku producenci czterokrotnie obniżyli koszty ciężkich turbin wiatrowych, a te gigantyczne maszyny są teraz na tyle niezawodne i wydajne, że można je budować na morzu. Budowana u wybrzeży duńskich 80-turbinowa farma wiatrowa o wartości 245 milionów dolarów będzie największą na świecie, a deweloperzy zaczynają kolonizować również wody niemieckie, holenderskie i brytyjskie. W Ameryce Północnej spekulanci wyobrażają sobie ogromne morskie farmy wiatrowe w pobliżu Kolumbii Brytyjskiej i Nantucket w stanie Massachusetts.

Ta historia była częścią naszego wydania z lipca 2002 r.

• Zobacz resztę numeru
• Subskrybuj

Ale nad tym pozornie słonecznym scenariuszem wciąż unosi się czarna chmura. Turbiny wiatrowe pozostają drogie w budowie, często zaporowe. Budowa farmy wiatrowej kosztuje średnio około 1 miliona dolarów za megawat, w porównaniu z około 600 000 dolarów za megawat w przypadku konwencjonalnej elektrowni gazowej; w rachunku ekonomicznym firm energetycznych fakt, że wiatr jest wolny, nie zamyka tej luki. Krótko mówiąc, cena budowy elektrowni wiatrowych musi spaść, jeśli ma to być więcej niż technologia niszowa.

I tu właśnie wkracza prototyp w Rocky Flats. Elastyczność jego łopat sprawi, że turbina będzie o 40 procent lżejsza niż dzisiejsze standardy branżowe, ale równie zdolna do przetrwania niszczycielskich burz. A ta mniejsza waga może oznaczać maszyny, które są od 20 do 25 procent tańsze niż dzisiejsze duże turbiny.

Wcześniejsze wysiłki na rzecz lżejszych projektów były powszechnymi awariami - unieruchomionymi lub zniszczonymi, niektóre w ciągu kilku tygodni, przez sam wiatr. Biorąc pod uwagę te awarie, eksperci od wiatru są, co zrozumiałe, ostrożni, jeśli chodzi o najnowsze podejście do lekkiej konstrukcji. Ale większość zgadza się, że lekkie turbiny wiatrowe, jeśli zadziałają, zmienią równanie ekonomiczne. Pojawiłoby się pytanie: Jak zbudować zdolność przesyłową wystarczająco szybko, aby nadążyć za wzrostem”, mówi Ward Marshall, deweloper energii wiatrowej w Columbus, American Electric Power z siedzibą w stanie Ohio, który jest w zarządzie American Wind Stowarzyszenie Energetyczne, grupa handlowa. Miałbyś mnóstwo osób chętnych do rejestracji.

I, jak twierdzą eksperci, prototyp Rocky Flats, zaprojektowany przez Wind Turbine z Bellevue, WA, jest największą nadzieją od lat na lekką konstrukcję, która w końcu odniesie sukces. Mogę jednoznacznie powiedzieć, że jest to dramatyczny krok w technologii lekkich turbin wiatrowych, mówi Bob Thresher, dyrektor National Wind Technology Center w Rocky Flats. Nikt inny nie zbudował maszyny, która byłaby tak elastyczna i działała.

Stały jak ona wieje

Turbiny wiatrowe są jak gigantyczne wentylatory pracujące w odwrotnej kolejności. Zamiast napędzanych silnikiem łopatek, które popychają powietrze, używają płatów, które łapią wiatr i uruchamiają generator, który wypompowuje energię elektryczną. Wiele dzisiejszych turbin to gigantyczne maszyny z trójłopatowymi wirnikami, które mają rozpiętość 80–20 metrów większą niż rozpiętość skrzydeł Boeinga 747. I na tym polega wyzwanie technologiczne. Ogromny rozmiar jest niezbędny, jeśli komercyjne turbiny wiatrowe mają konkurować ekonomicznie, ponieważ produkcja energii rośnie wykładniczo wraz z długością łopat. Ale te ogromne struktury muszą być wystarczająco wytrzymałe, aby wytrzymać wichury i ekstremalne turbulencje.

W latach 70. i 80. amerykańscy pionierzy energetyki wiatrowej podjęli pierwsze poważne wysiłki w walce z tymi siłami za pomocą lekkich, elastycznych maszyn. Kilka startupów zainstalowało tysiące takich turbin wiatrowych; większość została dosłownie rozerwana lub unieruchomiona przez podmuchy. Doprowadzając lekkie eksperymenty do skrajności, General Electric i Boeing zbudowali znacznie większe prototypy - behemoty z ostrzami o długości 80, 90, a nawet 100 metrów. Te również okazały się podatne na awarie; w niektórych przypadkach ich ostrza wyginały się i uderzały w wieże.

Podsumowując, amerykańskie firmy i Departament Energii wydały setki milionów dolarów na te nieudane eksperymenty w latach 80. i na początku lat 90. XX wieku. Amerykański model zawsze skłaniał się ku światłu, wyrafinowaniu i rzeczom, które nie działały, mówi James Manwell, inżynier mechanik, który kieruje laboratorium badawczym energii odnawialnej na Uniwersytecie Massachusetts w Amherst, MA.

W tę technologię pogrążyli się naukowcy z duńskiego Narodowego Laboratorium Ris i duńskich firm, takich jak Vestas Wind Systems. W ciągu ostatnich dwóch dekad udoskonalili wysokowydajną wersję turbiny wiatrowej — i stała się ona systemem Microsoft Windows dla branży energetyki wiatrowej. Dziś ten duński projekt odpowiada za praktycznie całą energię elektryczną wytwarzaną przez wiatr na całym świecie. Być może odzwierciedlając narodowe skłonności, te solidne duńskie projekty miały niewiele z aerodynamicznego błysku wcześniejszych amerykańskich turbin wiatrowych; były po prostu usztywnione do wiatru cięższą, grubszą stalą i materiałami kompozytowymi. Były twarde, wytrzymałe – i działały.

Co więcej, w ostatnich latach energoelektronika-cyfrowe przełączniki krzemowe masujące przepływ prądu z maszyny-dodatkowo udoskonalono podstawową konstrukcję. Wcześniej wirnik turbiny utrzymywany był ze stałą prędkością obrotową, aby jego prąd przemienny był zsynchronizowany z siecią energetyczną; nowe urządzenia utrzymują synchronizację, jednocześnie pozwalając wirnikowi na swobodne przyspieszanie i zwalnianie wraz z wiatrem. Jeśli dostaniesz podmuch, wirnik może przyspieszyć, zamiast po prostu siedzieć i otrzymywać brutalną siłę wiatru, mówi Manwell.

Opanowanie takich szczepów pozwoliło duńskiemu projektowi rosnąć coraz bardziej. Podczas gdy na początku lat 80. typowa maszyna komercyjna miała łopaty o rozpiętości 12,5 metra i mogła wyprodukować 50 kilowatów, co wystarczyłoby na około tuzin domów, dzisiejsze największe łopaty rozciągają się na 80 metrów i wytwarzają dwa megawaty; jedna maszyna może zasilać ponad 500 domów.

Najnowszym wyzwaniem stojącym przed duńskim projektem jest znalezienie sposobów na przetrwanie korozyjnego i wymagającego środowiska morskiego, w którym mogą minąć miesiące, zanim mechanik będzie mógł bezpiecznie wejść na pokład i naprawić turbinę. Vestas, na przykład, wyposaża swoje turbiny w czujniki na każdym z ich elementów, które wykrywają zużycie, oraz systemy zapasowe, które przejmują w przypadku, powiedzmy, awarii energoelektroniki.

Podejście Vestas zostanie przetestowane tego lata, ponieważ duński dostawca energii zaczyna instalować 80 maszyn Vestas na płytkiej wodzie w odległości 14 do 20 kilometrów od duńskiego wybrzeża. Będzie to największa na świecie morska farma wiatrowa, zasilająca aż 150 000 duńskich gospodarstw domowych.

Cienie wiatru

Te ulepszenia sprawią, że duże, ciężkie turbiny będą bardziej niezawodne, ale nie przyczyniają się do fundamentalnej zmiany w ekonomice energetyki wiatrowej. Kraje takie jak Dania i Niemcy są gotowe płacić za energię wiatrową częściowo dlatego, że paliwa kopalne są znacznie droższe w Europie, gdzie wyższe podatki pokrywają koszty środowiskowe i zdrowotne związane ze spalaniem. (Około 20 procent energii w Danii pochodzi z wiatru). Ale aby energia wiatrowa była naprawdę konkurencyjna kosztowo w stosunku do paliw kopalnych w Stanach Zjednoczonych, technologia musi się zmienić.

To, co sprawia, że ​​​​projekt Rocky Flats firmy Wind Turbine jest takim odejściem, to nie tylko zawiasy na zawiasach, ale także ich orientacja pod wiatr. Duński projekt stawia łopaty pod wiatr i sprawia, że ​​łopaty są ciężkie, więc nie wyginają się i nie uderzają w wieżę. Konstrukcja turbiny wiatrowej nie jest w stanie zmierzyć się z wiatrem – zawiasowe łopaty uderzyłyby w wieżę – więc wirnik jest ustawiony z wiatrem. Wreszcie, używa dwóch ostrzy zamiast trzech w tradycyjnym projekcie, aby jeszcze bardziej zmniejszyć wagę.

Postępy w komputerowym modelowaniu tak niebezpiecznych sił, jak drgania, pomogły w opracowaniu projektu. Elastyczne ostrza nadają dodatkowy wymiar ruchowi maszyny; podobnie jak fakt, że cała maszyna może swobodnie obracać się z wiatrem. (Tradycyjne konstrukcje są kierowane do wiatru, a następnie blokowane.) Przewidywanie, wykrywanie i zapobieganie katastrofalnym, szybko zmieniającym się wiatrom, które poruszają wirnikiem pod wiatr i wysyłają jego elastyczne łopaty do wieży - to wyzwania związane ze sterowaniem nawet przy najlepszej konstrukcji. Jeśli tego nie zrobisz dobrze, maszyna może dosłownie zatłuc się na śmierć, mówi Ken Deering, wiceprezes ds. inżynierii turbin wiatrowych.

Dwa lata temu, kiedy prototyp turbiny wiatrowej został wzniesiony w Rocky Flats, obawiano się, że ta maszyna również zabije się na śmierć. Thresher mówi, że niektórzy z jego pracowników obawiali się, że maszyna, podobnie jak jej poprzednicy z lat 80., nie ucieknie długo na śmietniku. Dziś, pomimo drobnych niepowodzeń, wątpliwości te zanikają.

Ośmielona wczesnym sukcesem Wind Turbine zainstalowała w pobliżu Lancaster w Kalifornii drugi prototyp o większej, 48-metrowej rozpiętości łopat. Do końca tego roku firma spodziewa się zwiększyć długość ostrza w tej maszynie do 60 metrów pełnego rozmiaru komercyjnego. Co więcej, ten nowy prototyp ma cieńszą wieżę, której celem jest zmniejszenie głośnego uderzenia – znanego jako cień wiatru – który może wystąpić za każdym razem, gdy ostrze przebija się przez obszar turbulentnego powietrza za wieżą. A dzięki mniejszej wadze turbina może być montowana na wyższych wieżach, docierając nawet do szybszych wiatrów.

Oszołomiony

Niezależnie od postępu technologicznego, energetyka wiatrowa nadal napotyka poważne przeszkody, poczynając od niepewnego wsparcia politycznego w Stanach Zjednoczonych. W Europie energetyka wiatrowa jest już stosunkowo łatwa do sprzedania. Ale w Stanach Zjednoczonych deweloperzy wiatru polegają na federalnych ulgach podatkowych, aby osiągnąć zysk. Te ważne kredyty napotykają na ciągły sprzeciw potężnych lobby naftowych i węglowych i często tracą na wartości. Branża energetyki wiatrowej ścigała się, aby podłączyć swoje turbiny, zanim kredyty te wygasną pod koniec zeszłego roku, a następnie uśpiono na trzy miesiące, które zajęło Kongresowi USA odnowienie ich. Kongres przedłużył kredyty do końca przyszłego roku, rozpoczynając prawdopodobnie kolejny cykl rozwoju.

Drugą przeszkodą w szerokiej adopcji jest sam wiatr. Może być darmowy i szeroko dostępny, ale jest też frustrująco niespójny. Zapytaj dowolnego marynarza. A ta zmienność przekłada się na przerywaną produkcję energii. Im więcej turbin zostanie zbudowanych, tym bardziej ich nieciągłość skomplikuje planowanie i zarządzanie dużymi przepływami energii w regionalnych i krajowych sieciach energetycznych. Rzeczywiście, w zachodnim Teksasie niedawny boom w budowie turbin wiatrowych obciąża linie przesyłowe w regionie, a także produkuje energię niezsynchronizowaną z lokalnymi potrzebami: wiatr wieje w chłodne noce i stragany w upalne dni, kiedy ludzie najbardziej potrzebują energii elektrycznej.

Firmy energetyczne w Teksasie rozwiązują problem, rozbudowując linie przesyłowe. Jednak aby naprawdę uchwycić wartość energii wiatrowej na dużą skalę, potrzebne są nowe podejścia do przechowywania energii wiatrowej, gdy jest ona produkowana i uwalniania jej w razie potrzeby. Electric Power Research Institute, finansowane przez przedsiębiorstwa konsorcjum badawczo-rozwojowe w Palo Alto w Kalifornii, prowadzi badania nad lepszymi prognozami wiatru z jednodniowym wyprzedzeniem. Co ważniejsze, jest to poszukiwanie sposobów przechowywania energii, gdy wieje wiatr. Musimy myśleć o obsłudze systemu elektrycznego, a nie skupiać się tylko na turbinach wiatrowych, mówi Chuck McGowin, kierownik ds. technologii energetyki wiatrowej w instytucie. Zaplecze magazynowe pozwoliłoby nam efektywniej wykorzystać to, co posiadamy, podnieść to wartość.

W północno-zachodnich Stanach Zjednoczonych jedna z opcji magazynowania opracowywana przez Bonneville Power Administration z siedzibą w Portland w stanie Oregon równoważy energię wiatru z energią hydroelektryczną. Pomysł jest prosty: kiedy wieje wiatr, nie przepuszczaj wody przez turbiny hydroelektryczne; w spokojne dni otwórzcie bramy. A Tennessee Valley Authority eksperymentuje nawet z przechowywaniem energii w gigantycznych ogniwach paliwowych; w Mississippi trwa budowa pilotażowego zakładu.

Energetyka wiatrowa napotyka wiele przeszkód, ale jest więcej powodów niż kiedykolwiek, by sądzić, że te przeszkody zostaną pokonane. Obawy o skutki środowiskowe spalania paliw kopalnych i obawy polityczne dotyczące nadmiernego uzależnienia od ropy naftowej powodują boom w budowie turbin wiatrowych. Ale to postępy w samej technologii, stworzone dzięki ciągłym intensywnym wysiłkom badawczym, mogą zapewnić najbardziej krytyczny impuls do zwiększonego wykorzystania energii wiatrowej.

W Rocky Flats cztery rzędy turbin badawczych – w sumie tuzin maszyn, od 400-watowych ładowarek do gotowych do sieci 600-kilowatowych maszyn – dzielą porozrzucaną głazami 115-hektarową równinę. Na tle Gór Skalistych ich ostrza uderzają w wiatr wiejący z kanionu El Dorado na zachodzie. Przynajmniej przez większość czasu. Mamy dużo spokojnych dni, szczególnie latem, a na stronie testowej dobrze jest mieć mieszankę, mówi Thresher.

Spokojne dni mogą być dobre dla badań nad turbinami wiatrowymi, ale nadal stanowią jeden z największych problemów związanych z komercjalizacją turbin wiatrowych. Chociaż żadna technologia nie jest w stanie zmusić wiatru, tańsze, niezawodne technologie wydają się gotowe na przyjęcie jego zmienności. A to może oznaczać, że turbina wiatrowa wkrótce wyrośnie na przewiewnym wzgórzu w pobliżu.

ukryć