Vindkraft for øre

Den nyeste vindmølle, der står ved Rocky Flats i Colorado, det amerikanske energiministeriums prøveområde for vindkraftteknologier, ligner meget ethvert andet apparat til at opfange energi fra vind: en kasseformet turbine sidder på toppen af ​​et ståltårn, der spirer to propelblade, der strækker en tilsammen 40 meter - næsten halvdelen af ​​en fodboldbanes længde. Vinden suser forbi, vingerne roterer, og elektriciteten flyder. Men der er en væsentlig forskel. Denne prototype har fleksible, hængslede klinger; i hård vind bøjer de lidt tilbage, mens de snurrer. Bøjningen er knapt mærkbar for en tilfældig observatør, men det er en radikal afvigelse fra, hvordan eksisterende vindmøller fungerer - og det kan bare ændre vindkraftens skæbne.

Faktisk kommer succesen med prototypen på Rocky Flats på et afgørende tidspunkt i udviklingen af ​​vindkraft. Vinddrevne generatorer er stadig en nicheteknologi, der producerer mindre end én procent af amerikansk elektricitet. Men sidste år blev der installeret 1.700 megawatts ny vindkapacitet i USA - nok til at drive 500.000 huse - næsten en fordobling af landets vindkraftkapacitet. Og mere er på vej. Producenterne har reduceret prisen på kraftige vindmøller firedoblet siden 1980, og disse gigantiske maskiner er nu pålidelige og effektive nok til at blive bygget offshore. En 80-mølle, 245 millioner dollars vindmøllepark under opførelse ud for den danske kyst vil være verdens største, og udviklere begynder også at kolonisere tysk, hollandsk og britisk farvand. I Nordamerika forestiller spekulanter sig massive havvindmølleparker nær British Columbia og Nantucket, MA.

Denne historie var en del af vores juli-udgave 2002

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

Men der er stadig en sort sky, der svæver over dette tilsyneladende solrige scenarie. Vindmøller forbliver dyre at bygge ofte uoverkommeligt. I gennemsnit koster det omkring $1 million per megawatt at bygge en vindmøllepark, sammenlignet med omkring $600.000 per megawatt for et konventionelt gasfyret kraftværk; i elselskabers økonomiske beregninger lukker det faktum, at vind er gratis, ikke dette hul. Kort sagt skal prisen for at bygge vindkraft ned, hvis det nogensinde skal være mere end en nicheteknologi.

Og det er her, prototypen hos Rocky Flats kommer ind. Fleksibiliteten i dens vinger vil gøre det muligt for turbinen at være 40 procent lettere end nutidens industristandard, men lige så i stand til at overleve ødelæggende storme. Og den lettere vægt kan betyde maskiner, der er 20 til 25 procent billigere end nutidens store møller.

Tidligere bestræbelser på lettere design var universelle fejl-deaktiveret eller ødelagt, nogle inden for uger, af vinden selv. I betragtning af disse fejl er vindeksperter forståeligt nok forsigtige med det seneste skud på et letvægtsdesign. Men de fleste er enige om, at letvægtsvindmøller, hvis de virker, vil ændre den økonomiske ligning. Spørgsmålet ville blive, hvordan får man bygget transmissionskapaciteten hurtigt nok til at følge med væksten, siger Ward Marshall, en vindkraftudvikler hos Columbus, OH-baserede American Electric Power, som er i bestyrelsen for American Wind. Energiforeningen, en branchegruppe. Du vil have masser af folk, der er villige til at tilmelde dig.

Og, siger eksperter, er Rocky Flats-prototypen designet af Wind Turbine of Bellevue, WA, det bedste håb i årevis for et letvægtsdesign, der endelig vil lykkes. Jeg kan sige ret utvetydigt, at dette er et dramatisk skridt inden for letvægts-[vindmølle-]teknologi, siger Bob Thresher, direktør for National Wind Technology Center i Rocky Flats. Ingen andre har bygget en maskine så fleksibel og fået den til at fungere.

Stabil, mens hun blæser

Vindmøller er som kæmpe blæsere, der kører i bakgear. I stedet for motordrevne blade, der skubber luften, bruger de bæreflader, der fanger vinden og starter en generator, der pumper elektricitet ud. Mange af nutidens møller er mammutmaskiner med trebladede rotorer, der spænder 80 meter-20 meter længere end vingefanget på en Boeing 747. Og deri ligger den teknologiske udfordring. Den enorme størrelse er nødvendig, hvis kommercielle vindmøller skal konkurrere økonomisk, fordi elproduktionen stiger eksponentielt med vinglængden. Men disse enorme strukturer skal være robuste nok til at modstå kuling og ekstrem turbulens.

I 1970'erne og 80'erne gjorde amerikanske vindenergipionerer den første seriøse indsats for at bekæmpe disse styrker med lette, fleksible maskiner. Flere startups installerede tusindvis af sådanne vindmøller; de fleste blev bogstaveligt talt revet fra hinanden eller deaktiveret af vindstød. For at tage letvægtseksperimenter til det ekstreme byggede General Electric og Boeing meget større prototyper-behemoths med 80-, 90- og endda 100 meter lange vinger. Disse viste sig også tilbøjelige til sammenbrud; i nogle tilfælde bøjede deres klinger tilbage og ramte faktisk tårnene.

Alt i alt brugte amerikanske virksomheder og Department of Energy hundredvis af millioner af dollars på disse mislykkede eksperimenter i 1980'erne og begyndelsen af ​​1990'erne. Den amerikanske model har altid graviteret mod lyset og det sofistikerede og ting, der ikke virkede, siger James Manwell, en maskiningeniør, der leder University of Massachusettss forskningslaboratorium for vedvarende energi i Amherst, MA.

Ind i disse teknologiske dvale sejlede forskere fra Danmarks Ris National Laboratory og danske virksomheder som Vestas Wind Systems. I løbet af de sidste to årtier har de perfektioneret en kraftig version af vindmøllen - og den er blevet til Microsoft Windows i vindkraftindustrien. I dag tegner dette danske design sig for stort set al den el, der genereres af vind på verdensplan. Måske afspejler de nationale tilbøjeligheder, disse robuste danske designs havde kun lidt af det aerodynamiske glimt fra de tidligere amerikanske vindmøller; de var simpelthen afstivet mod vinden med tungere, tykkere stål og kompositmaterialer. De var hårde, robuste - og de arbejdede.

Hvad mere er, i de senere år har kraftelektronik-digitale siliciumkontakter, der masserer strømmen af ​​elektricitet fra maskinen, forbedret det grundlæggende design yderligere. Tidligere blev turbinens rotor holdt på en konstant rotationshastighed, så dens vekselstrømsoutput ville være synkroniseret med elnettet; de nye enheder bevarer synkroniseringen, samtidig med at rotoren frit kan accelerere og bremse med vinden. Hvis du får et vindstød, kan rotoren accelerere i stedet for bare at sidde der og modtage vindens brutale kraft, siger Manwell.

At mestre sådanne stammer gjorde det muligt for det danske design at vokse sig større og større. Mens en typisk kommerciel maskine i begyndelsen af ​​1980'erne havde et vingespænd på 12,5 meter og kunne producere 50 kilowatt - nok til omkring et dusin hjem - nutidens største vinger strækker sig 80 meter og trækker to megawatt ud; en enkelt maskine kan drive mere end 500 hjem.

Den nyeste udfordring for det danske design er at finde måder, hvorpå det kan klare det ætsende og straffende offshoremiljø, hvor der kan gå måneder, før en mekaniker sikkert kan gå ombord og reparere en turbine. Vestas for eksempel udstyrer sine turbiner med sensorer på hver af deres komponenter for at detektere slid, og backup-systemer til at tage over i tilfælde af f.eks. en fejl i kraftelektronikken.

Vestas’ tilgang går på prøve denne sommer, da Danmarks strømleverandør begynder at installere 80 Vestas-maskiner på lavt vand 14 til 20 kilometer fra den danske kystlinje. Det bliver verdens største havvindmøllepark med strøm til hele 150.000 danske husstande.

Vindskygger

Disse opgraderinger vil gøre store, tunge møller mere pålidelige, men de tilføjer ikke et grundlæggende skift i økonomien for vindkraft. Nationer som Danmark og Tyskland er parate til at betale for vindkraft, blandt andet fordi fossile brændstoffer er så meget dyrere i Europa, hvor højere afgifter dækker miljø- og sundhedsomkostninger forbundet med afbrænding af dem. (Omkring 20 procent af Danmarks strøm kommer fra vind.) Men for at vindkraft virkelig skal være konkurrencedygtigt med fossile brændstoffer i USA, skal teknologien ændres.

Det, der gør Wind Turbines Rocky Flats-design til en sådan afvigelse, er ikke kun dens hængslede vinger, men også deres retning mod vinden. Det danske design vender knivene mod vinden og gør knivene tunge, så de ikke bøjer sig tilbage og smækker i tårnet. Vindmølledesignet kan ikke vende mod vinden - de hængslede vinger ville ramme tårnet - så rotoren er placeret i modvind. Endelig bruger den to klinger i stedet for de tre i det traditionelle design, for yderligere at reducere vægten.

Fremskridt inden for computermodellering af så farlige kræfter som vibrationer hjalp designets udvikling. Fleksible klinger tilføjer en ekstra dimension til maskinens bevægelse; det samme gør, at hele maskinen frit kan dreje med vinden. (Traditionelle designs drives mod vinden og låses derefter på plads.) At forudsige, detektere og forhindre katastrofer-lignende hurtigt skiftende vinde, der svinger en rotor op ad vinden og sender dens fleksible vinger ind i tårnet - er kontroludfordringer selv med det bedste design. Hvis du ikke får det rigtigt, kan maskinen bogstaveligt talt slå sig selv ihjel, siger Ken Deering, Wind Turbines vicedirektør for teknik.

For to år siden, da Wind Turbines prototype blev rejst ved Rocky Flats, var der bekymringer for, at denne maskine også ville slå sig selv ihjel. Thresher siger, at nogle af hans medarbejdere frygtede, at maskinen, ligesom dens forgængere fra 1980'erne, ikke længe ville undslippe skrotbunken. I dag, på trods af nogle mindre tilbageslag, svinder denne tvivl.

Opmuntret af sin tidlige succes har Wind Turbine installeret, nær Lancaster, Californien, en anden prototype med et større vingespænd på 48 meter. Ved udgangen af ​​dette år forventer virksomheden at øge bladlængden på denne maskine til 60 meter fuld kommerciel størrelse. Desuden har denne nye prototype et tyndere tårn, der har til formål at reducere det støjende dunk, kendt som en vindskygge, der kan opstå, hver gang en vinge pisker gennem området med turbulent luft bag tårnet. Og med sin lettere vægt kunne turbinen monteres oven på højere tårne ​​og nå op til hurtigere vind.

Becalmed

Uanset teknologiske fremskridt står vindkraftindustrien stadig over for betydelige forhindringer, startende med usikker politisk støtte i USA. I Europa er vindkraft allerede et relativt let salg. Men i USA er vindudviklere afhængige af føderale skattefradrag for at opnå fortjeneste. Disse vitale kreditter møder kronisk modstand fra magtfulde olie- og kullobbyer og bortfalder ofte. Vindkraftindustrien løb for at tilslutte sine turbiner, før disse kreditter udløb i slutningen af ​​sidste år, og gik derefter i dvale i de tre måneder, det tog den amerikanske kongres at forny dem. Kongressen forlængede kreditterne til slutningen af ​​næste år og satte i gang, hvad der sandsynligvis vil blive endnu en start-og-stop udviklingscyklus.

En anden hindring for bred adoption er vinden selv. Det kan være gratis og bredt tilgængeligt, men det er også frustrerende inkonsekvent. Bare spørg enhver sømand. Og denne omskiftelighed udmønter sig i intermitterende kraftproduktion. Jo flere møller der bliver bygget, jo mere vil deres intermittens komplicere planlægningen og styringen af ​​store strømme af strøm på tværs af regionale og nationale elnet. Faktisk i det vestlige Texas belaster et nyligt boom i vindmøllekonstruktion regionens transmissionsledninger - og producerer også strøm ude af sync med lokale behov: Vinden blæser under kølige nætter og bås på varme dage, hvor folk har mest brug for elektricitet.

Texas forsyningsselskaber retter problemet ved at udvide transmissionslinjer. Men for virkelig at fange værdien af ​​vindkraft i stor skala, er der behov for nye tilgange til at lagre vindkraft, når den produceres, og frigive den, når det er nødvendigt. Electric Power Research Institute, et forsyningsfinansieret R&D-konsortium i Palo Alto, CA, forsker i, hvordan man laver bedre vindforudsigelser en dag frem. Endnu vigtigere er det at udforske måder at lagre energi på, når vinden blæser. Vi skal tænke på at drive et elektrisk system frem for kun at fokusere på vindmøllerne, siger Chuck McGowin, leder for vindkraftteknologi på instituttet. Lagerfaciliteter ville give os mulighed for at bruge det, vi har mere effektivt, og forbedre værdien af ​​det.

I det nordvestlige USA, en lagringsmulighed, der udvikles af Portland, balancerer OR-baserede Bonneville Power Administration vindkraft med vandkraft. Ideen er enkel: Når vinden blæser, lad ikke vandet passere gennem de vandkraftværker; på rolige dage skal du åbne portene. Og Tennessee Valley Authority eksperimenterer endda med at lagre energi i gigantiske brændselsceller; et pilotanlæg er under opførelse i Mississippi.

Vindkraft står over for masser af forhindringer, men der er mere grund end nogensinde til at tro, at disse forhindringer vil blive overvundet. Bekymringer over de miljømæssige virkninger af afbrænding af fossile brændstoffer og politiske bekymringer om en overafhængighed af olie ansporer et boom i vindmøllebyggeriet. Men det er fremskridt i selve teknologien, skabt af en fortsat stærk forskningsindsats, der kan give den mest kritiske impuls til øget brug af vindkraft.

På Rocky Flats deler fire rækker af forskningsturbiner - i alt et dusin maskiner lige fra 400-watt batteriopladere til net-klare 600-kilowatt-maskiner - en kampestens-strøet slette på 115 hektar. Med Rocky Mountains som kulisse dupper deres klinger mod vinden, der blæser ind fra El Dorado Canyon mod vest. Det gør de i hvert fald meget af tiden. Vi har mange rolige dage, især om sommeren, og for et teststed er det godt at have en blanding, siger Thresher.

Rolige dage kan være gode til vindmølleforskning, men de er stadig blandt de største bekymringer, der hjemsøger vindmøllekommercialisering. Selvom ingen teknologi kan få vinden til at blæse, ser billigere, pålidelige teknologier ud til at være klar til at tage dens omskiftelighed på. Og det kan betyde, at en vindmølle snart vil spire på toppen af ​​en blæsende bakke nær dig.

skjule