Větrná energie za haléře

Nejnovější větrná turbína stojící v Rocky Flats v Coloradu, zkušební půdě amerického ministerstva energetiky pro technologie větrných elektráren, vypadá podobně jako jakékoli jiné zařízení pro zachycování energie z větru: hranatá turbína stojí na ocelové věži, která vyčnívá ze dvou vrtulových listů natahujících se. dohromady 40 metrů – téměř polovina délky fotbalového hřiště. Vítr spěchá kolem, lopatky se točí a proudí elektřina. Ale je tu zásadní rozdíl. Tento prototyp má flexibilní, sklopné čepele; při silném větru se při točení mírně ohýbají dozadu. Ohýbání je pro běžného pozorovatele stěží postřehnutelné, ale je to radikální odchylka od toho, jak fungují stávající větrné turbíny – a právě to může změnit osud větrné energie.

Úspěch prototypu v Rocky Flats skutečně přichází v rozhodujícím okamžiku ve vývoji větrné energie. Větrné generátory jsou stále speciální technologií, která vyrábí méně než jedno procento elektřiny v USA. Ale loni byla ve Spojených státech instalována nová větrná kapacita v hodnotě 1 700 megawattů – dost na to, aby poháněla 500 000 domů – téměř zdvojnásobila národní kapacitu větrné energie. A další je na cestě. Výrobci od roku 1980 čtyřikrát snížili náklady na výkonné větrné turbíny a tyto gigantické stroje jsou nyní dostatečně spolehlivé a účinné, aby je bylo možné postavit na moři. Větrná farma s 80 turbínami a 245 miliony dolarů ve výstavbě u dánského pobřeží bude největší na světě a developeři začínají kolonizovat i německé, nizozemské a britské vody. V Severní Americe si spekulanti představují masivní pobřežní větrné farmy poblíž Britské Kolumbie a Nantucketu, MA.

Tento příběh byl součástí našeho vydání z července 2002

• Viz zbytek čísla
• předplatit

Nad tímto zdánlivě slunečným scénářem se ale stále vznáší černý mrak. Stavba větrných turbín zůstává nákladná, což je často neúnosné. V průměru stojí výstavba farmy s větrnými turbínami asi 1 milion dolarů za megawatt ve srovnání s asi 600 000 dolary za megawatt u konvenční plynové elektrárny; v ekonomických výpočtech energetických společností skutečnost, že vítr je zdarma, tuto mezeru nevyrovná. Stručně řečeno, cena výstavby větrné energie musí klesnout, pokud má být někdy něčím víc než jen specializovanou technologií.

A zde přichází na řadu prototyp v Rocky Flats. Flexibilita jejích lopatek umožní turbíně být o 40 procent lehčí, než je dnešní průmyslový standard, ale stejně tak schopná přežít ničivé bouře. A tato nižší hmotnost by mohla znamenat stroje, které jsou o 20 až 25 procent levnější než dnešní velké turbíny.

Dřívější snahy o lehčí konstrukce byly univerzálními poruchami - vyřazeny nebo zničeny, některé během týdnů, samotným větrem. Vzhledem k těmto selháním jsou odborníci na větrnou energii pochopitelně obezřetní, pokud jde o nejnovější pokus o odlehčenou konstrukci. Většina ale souhlasí s tím, že lehké větrné turbíny, pokud budou fungovat, změní ekonomickou rovnici. Otázka by zněla: Jak dosáhnete dostatečně rychlého vybudování přenosové kapacity, abyste udrželi krok s růstem,“ říká Ward Marshall, vývojář větrných elektráren ve společnosti Columbus, OH se sídlem v American Electric Power, který je členem představenstva společnosti American Wind. Energetická asociace, obchodní skupina. Měli byste spoustu lidí ochotných se přihlásit.

A odborníci říkají, že prototyp Rocky Flats navržený společností Wind Turbine of Bellevue, WA, je tou nejlepší nadějí za poslední roky na lehký design, který konečně uspěje. Mohu zcela jednoznačně říci, že jde o dramatický krok v technologii lehkých [větrných turbín], říká Bob Thresher, ředitel National Wind Technology Center v Rocky Flats. Nikdo jiný nepostavil stroj, který by byl flexibilní a fungoval.

Stabilní, jak fouká

Větrné turbíny jsou jako obří ventilátory běžící obráceně. Místo motorem poháněných lopatek, které tlačí vzduch, používají profily, které zachycují vítr a roztáčí generátor, který pumpuje elektřinu. Mnohé z dnešních turbín jsou mamutí stroje s třílistými rotory, které mají rozpětí o 80 až 20 metrů delší než rozpětí křídel Boeingu 747. A v tom spočívá technologická výzva. Mají-li komerční větrné turbíny ekonomicky konkurovat, je zapotřebí enormní velikosti, protože výroba energie roste exponenciálně s délkou lopatky. Ale tyto obrovské stavby musí být dostatečně robustní, aby vydržely vichřice a extrémní turbulence.

V 70. a 80. letech minulého století vyvinuli američtí průkopníci větrné energie první seriózní úsilí v boji proti těmto silám pomocí lehkých a flexibilních strojů. Několik startupů nainstalovalo tisíce takových větrných turbín; většina byla doslova roztrhána nebo znefunkčněna poryvy. Společnosti General Electric a Boeing dovedly experimentování s lehkostí do extrému a postavily mnohem větší prototypy – obry s 80, 90 a dokonce 100 metrů dlouhými lopatkami. Ty se také ukázaly jako náchylné k rozpadu; v některých případech se jejich čepele ohnuly a skutečně zasáhly věže.

Celkově vzato, americké společnosti a ministerstvo energetiky utratily stovky milionů dolarů na tyto neúspěšné experimenty v 80. a na počátku 90. let. Americký model vždy tíhnul ke světlu, sofistikovanosti a věcem, které nefungovaly, říká James Manwell, strojní inženýr, který vede výzkumnou laboratoř obnovitelné energie na Massachusettské univerzitě v Amherstu, MA.

Do těchto technologických stagnací vpluli výzkumníci z dánské Ris National Laboratory a dánských společností jako Vestas Wind Systems. Během posledních dvou desetiletí zdokonalili odolnou verzi větrné turbíny a stala se z ní Microsoft Windows odvětví větrné energetiky. Dnes tento dánský design odpovídá za prakticky veškerou elektřinu generovanou větrem po celém světě. Možná odrážející národní sklony měly tyto robustní dánské návrhy jen málo aerodynamického záblesku dřívějších amerických větrných turbín; byly jednoduše vyztuženy proti větru pomocí těžší, silnější oceli a kompozitních materiálů. Byli houževnatí, drsní – a fungovali.

A co víc, v posledních letech výkonová elektronika – digitální křemíkové spínače, které masírují tok elektřiny ze stroje – dále vylepšily základní konstrukci. Dříve byl rotor turbíny udržován konstantní rychlostí otáčení, takže jeho výstup střídavého proudu byl synchronizován s elektrickou sítí; nová zařízení udržují synchronizaci a zároveň umožňují rotoru volně zrychlovat a zpomalovat s větrem. Pokud dostanete poryv, rotor může zrychlit, místo aby tam jen seděl a přijímal hrubou sílu větru, říká Manwell.

Zvládnutí takových kmenů umožnilo dánskému designu růst a zvětšovat se. Zatímco na začátku 80. let měl typický komerční stroj rozpětí lopatek 12,5 metru a mohl produkovat 50 kilowattů – dost pro asi tucet domácností – dnešní největší lopatky dosahují 80 metrů a vydávají dva megawatty; jeden stroj může napájet více než 500 domácností.

Nejnovější výzvou, před kterou dánský design stojí, je najít způsoby, jak překonat korozivní a trestuhodné prostředí na moři, kde mohou uplynout měsíce, než mechanik bezpečně nastoupí a opraví turbínu. Vestas například vybavuje své turbíny senzory na každé z jejich součástí, které detekují opotřebení, a záložními systémy, které převezmou řízení v případě, řekněme, poruchy výkonové elektroniky.

Přístup společnosti Vestas se letos v létě otestuje, když dánský dodavatel elektřiny začne instalovat 80 strojů Vestas v mělké vodě 14 až 20 kilometrů od dánského pobřeží. Bude to největší pobřežní větrná farma na světě, která bude zásobovat až 150 000 dánských domácností.

Větrné stíny

Tyto modernizace učiní velké, těžké turbíny spolehlivějšími, ale nepřinesou zásadní posun v ekonomice větrné energie. Státy jako Dánsko a Německo jsou připraveny platit za větrnou energii částečně proto, že fosilní paliva jsou mnohem dražší v Evropě, kde vyšší daně pokrývají ekologické a zdravotní náklady spojené s jejich spalováním. (Asi 20 procent dánské energie pochází z větru.) Ale aby byla větrná energie skutečně nákladově konkurenceschopná s fosilními palivy ve Spojených státech, musí se změnit technologie.

To, co dělá design Rocky Flats Wind Turbine takovým odklonem, jsou nejen její sklopné lopatky, ale také jejich orientace po větru. Dánský design směřuje lopatky do větru a dělá lopatky těžkými, takže se neohnou a nenarazí do věže. Konstrukce větrné turbíny nemůže čelit větru - sklopné lopatky by zasáhly věž - takže rotor je umístěn po větru. Nakonec používá dvě čepele namísto tří v tradičním designu, aby se dále snížila hmotnost.

Pokroky v počítačovém modelování tak nebezpečných sil, jako jsou vibrace, pomohly vývoji designu. Flexibilní nože dodávají pohybu stroje další rozměr; stejně tak i skutečnost, že celý stroj se může volně otáčet s větrem. (Tradiční konstrukce jsou poháněny tak, aby čelily větru, a pak se zablokovaly na místě.) Předvídání, detekce a předcházení katastrofám, jako je rychle se měnící vítr, který roztočí rotor proti větru a posílá jeho pružné lopatky do věže, jsou problémy s ovládáním i při nejlepší konstrukci. Pokud to nepochopíte správně, stroj se může doslova ubít k smrti, říká Ken Deering, viceprezident pro inženýrství Wind Turbine.

Před dvěma lety, když byl prototyp Wind Turbine postaven v Rocky Flats, existovaly obavy, že i tento stroj se utluče k smrti. Thresher říká, že někteří z jeho zaměstnanců se obávali, že stroj, stejně jako jeho předchůdci z 80. let, dlouho neunikne z šrotu. Dnes, přes některé drobné neúspěchy, tyto pochybnosti mizí.

Povzbuzena svým raným úspěchem, Wind Turbine nainstalovala poblíž Lancasteru v Kalifornii druhý prototyp s větším rozpětím lopatek 48 metrů. Společnost očekává, že do konce letošního roku zvýší délku čepele tohoto stroje na 60 metrů – plnou komerční velikost. A co víc, tento nový prototyp má tenčí věž, jejímž cílem je omezit hlučné bouchání známé jako větrný stín, které se může objevit pokaždé, když lopatka proletí oblastí turbulentního vzduchu za věží. A díky své nižší hmotnosti mohla být turbína namontována na vyšších věžích a dosahovala až k rychlejšímu větru.

Uklidněný

Bez ohledu na pokroky v technologii však odvětví větrné energetiky stále čelí značným překážkám, počínaje nejistou politickou podporou ve Spojených státech. V Evropě je větrná energie již poměrně snadno prodejná. Ale ve Spojených státech se vývojáři větru spoléhají na federální daňové úlevy, aby dosáhli zisku. Tyto životně důležité kredity čelí chronické opozici mocných ropných a uhelných lobby a často zanikají. Odvětví větrných elektráren se předhánělo v zapojení svých turbín před vypršením platnosti těchto kreditů na konci loňského roku, a pak na tři měsíce, které trvalo Kongresu USA, aby je obnovil, usnulo. Kongres prodloužil kredity do konce příštího roku, čímž zahájil pravděpodobně další vývojový cyklus start-and-stop.

Druhou překážkou širokého přijetí je vítr samotný. Může být zdarma a široce přístupný, ale je také frustrujícím způsobem nekonzistentní. Stačí se zeptat jakéhokoli námořníka. A tato nestálost se promítá do přerušované výroby energie. Čím více turbín bude postaveno, tím více bude jejich přerušovanost komplikovat plánování a řízení velkých toků energie přes regionální a národní energetické sítě. V západním Texasu totiž nedávný boom výstavby větrných turbín zatěžuje regionální přenosová vedení – a také vyrábí elektřinu nesynchronizovanou s místními potřebami: vítr fouká během chladných nocí a zastavuje se v horkých dnech, kdy lidé nejvíce potřebují elektřinu.

Texaské utility opravují problém rozšiřováním přenosových linek. Ale aby bylo možné skutečně zachytit hodnotu větrné energie ve velkém měřítku, jsou zapotřebí nové přístupy k ukládání větrné energie, když je vyrobena, a jejímu uvolňování v případě potřeby. Electric Power Research Institute, konsorcium výzkumu a vývoje financované z veřejných služeb v Palo Alto, CA, provádí výzkum, jak lépe předpovídat vítr na jeden den dopředu. Důležitější je prozkoumat způsoby, jak ukládat energii, když fouká vítr. Musíme myslet na provoz elektrického systému spíše než se soustředit pouze na větrné turbíny, říká Chuck McGowin, manažer pro technologii větrné energie v ústavu. Skladovací prostory by nám umožnily využít to, co máme, efektivněji, zvýšit jeho hodnotu.

Na severozápadě Spojených států amerických, jedna z možností úložiště, kterou vyvíjí Portland, OR se sídlem v Bonneville Power Administration, vyvažuje větrnou energii s vodní energií. Myšlenka je jednoduchá: když fouká vítr, nenechte vodu procházet vodními turbínami; v klidných dnech otevřete brány. A úřad Tennessee Valley dokonce experimentuje s ukládáním energie v obřích palivových článcích; pilotní závod je ve výstavbě v Mississippi.

Větrná energie čelí spoustě překážek, ale existuje více důvodů než kdy jindy věřit, že tyto překážky budou překonány. Obavy z dopadů spalování fosilních paliv na životní prostředí a politické obavy z přílišné závislosti na ropě podněcují boom výstavby větrných turbín. Ale právě pokroky v technologii samotné, vytvořené neustálým intenzivním výzkumným úsilím, by mohly poskytnout nejkritičtější impuls pro zvýšené využívání větrné energie.

V Rocky Flats sdílejí čtyři řady výzkumných turbín – celkem tucet strojů od 400wattových nabíječek baterií až po 600kilowattové stroje připravené na síť – balvany posetou pláň o rozloze 115 hektarů. S Rocky Mountains jako kulisou, jejich čepele šlehají do vánků vanoucích z kaňonu El Dorado na západ. Přinejmenším dělají většinu času. Máme spoustu klidných dnů, zvláště v létě, a pro testovací web je dobré mít mix, říká Thresher.

Klidné dny mohou být dobré pro výzkum větrných turbín, ale stále patří k největším problémům, které pronásledují komercializaci větrných turbín. I když žádná technologie nedokáže rozfoukat vítr, zdá se, že levnější a spolehlivé technologie jsou připraveny převzít jeho nestálost. A to by mohlo znamenat, že na větrném kopci poblíž vás brzy vyraší větrná turbína.

skrýt