Klesající cena solární energie se dostává více do tisku, ale i ve větrné technologii se dějí velké věci. A myslím tím velké.

Matematika větrných turbín je docela jednoduchá: Větší je lepší. Konkrétně existují dva způsoby, jak vyrobit více energie z větru na dané ploše.

Prvním je použití větších rotorů a lopatek, které pokryjí větší plochu. Tím se zvýší kapacita turbíny, tj. její celkový výrobní potenciál.

Druhým způsobem je dostat lopatky výše do atmosféry, kde vítr fouká stabilněji. Tím se zvyšuje „kapacitní faktor“ turbíny, tj. množství energie, kterou skutečně vyrábí v poměru ke svému celkovému potenciálu (nebo hovorověji: jak často běží).

Historie vývoje větrné energie byla historií konstrukce stále vyšších a vyšších turbín s většími a většími lopatkami. Je to ošemetná a delikátní záležitost. Vysoké, hubené věci, umístěné při silnějším větru, mají tendenci se ohýbat a prohýbat. Když se dlouhé lopatky turbíny ohnou, mohou narazit do věže nebo do náboje, jako se to stalo tomuto dánskému systému v roce 2008 poté, co selhala jeho „brzda“ a vymkl se kontrole:

Třetí inženýrskou výzvou je tedy najít konstrukce a materiály, které vydrží namáhání, jež přichází spolu s výškou a silnějším větrem. Tato namáhání jsou docela intenzivní – podívejte se na video, na kterém inženýři testují obrovskou lopatku turbíny tak, že ji táhnou nahoru a dolů „vahou přibližně 16 afrických slonů“.

V každém případě, vyrábět stále větší a větší turbíny je název hry. Pokud jde o turbíny na pevnině (na souši), začíná tento proces narážet na různá netechnická omezení – dopravní a infrastrukturní překážky, obavy z využití půdy, obavy z výhledů, velkých ptáků, stínů atd.

Ale zejména v Evropě se větrná energie stále více přesouvá na moře. A v oceánu, kde je pevnina sotva na dohled, je jediným omezením velikosti technika. V důsledku toho se dnes turbíny na moři klenou ještě rychleji než turbíny na pevnině v posledním desetiletí.

Jasný příklad tohoto trendu se objevil v březnu 2018 (kdy jsem poprvé publikoval tento článek). Společnost GE Renewable Energy oznámila, že investuje 400 milionů dolarů do vývoje nové monstrózní turbíny: Haliade-X, která bude (alespoň do dalšího velkého oznámení) největší, nejvyšší a nejvýkonnější na světě.

Je to působivé jako technický výkon, ale význam rostoucí velikosti turbíny jde mnohem dál. Větší turbíny získávají více energie, a to stabilněji; čím jsou větší, tím jsou méně proměnlivé a spolehlivější a tím snadněji se integrují do sítě. Na velkoobchodních trzích s energií již vítr konkuruje ostatním zdrojům. Po několika dalších generacích růstu už ani nepůjde o soutěž.“

Kam až se větrné turbíny dostávají

Abychom si udělali představu o tom, jak velká je nová turbína GE, začněme s několika porovnáními.

Zavolal jsem Benu Hoenovi, vědci z Lawrence Berkeley National Laboratory, abych získal nejnovější čísla o velikosti větrných turbín. (Zdůrazňuje, že jde o předběžné údaje – LBNL o tom za několik měsíců vydá zprávu, ale neočekává, že by se tyto údaje příliš změnily, pokud vůbec.)

Podle Hoena byla v roce 2017 průměrná celková výška (od základny po špičku) pobřežní turbíny v USA 142 metrů (466 stop). Medián turbín se blížil 152 metrům (499 stopám). Ve skutečnosti se podle Hoena medián blíží maximu. Jinými slovy, v průběhu času se zdá, že se americké pobřežní turbíny přibližují zhruba této výšce. Proč? Protože pokud postavíte vyšší turbínu než 499 stop, Federální úřad pro letectví vyžaduje ve svém schvalovacím procesu některé další kroky a většině developerů to zřejmě nestojí za tu námahu.

Nejvyšší pobřežní turbíny v USA jsou v projektu Hancock Wind v okrese Hancock ve státě Maine. Ty – Vestas V117-3.3, pokud to musíte vědět – jsou vysoké asi 574 stop.

Tak to je na pevnině. A co offshore? No, zatím mají Spojené státy jedno jediné fungující větrné zařízení na moři, a to větrnou farmu Block Island u Rhode Islandu. Její turbíny se tyčí do výšky zhruba 590 stop.

Jak si s tím vším Haliade-X poradí? Podle společnosti GE bude dosahovat výšky 853 stop.

To by byla, pokud vím, nejvyšší větrná turbína na světě. Pokud vím z googlování (jak jsem řekl, tyhle věci se rychle mění), předchozím rekordmanem je 809 stop vysoká pevninská turbína v Německu.

Větší turbíny znamenají větší výkon, častěji

Na výšce však nezáleží jen na ní. Haliade-X se může pochlubit i několika dalšími superlativy.

Průměr motoru je míra plného záběru lopatek turbíny (průměr kruhu, který vymezují). Za stejných podmínek větší průměr rotoru znamená, že turbína dokáže sklízet více větru.

V roce 2017, řekl mi Hoen, měly americké větrné turbíny průměrný průměr rotoru 367 stop. Haliade-X bude mít průměr rotoru 722 stop, což je zhruba dvojnásobek průměru. Lopatky budou obrovské, každá dlouhá 351 stop, delší než fotbalové hřiště a podle GE delší než jakákoli jiná dosavadní lopatka na moři.

Obrovský průměr rotoru plus stálý vítr na moři plus 12MW turbína (na pevnině je průměrný výkon kolem 3MW, na moři kolem 6MW) znamená, že Haliade-X bude mít neobvykle vysoký kapacitní faktor.

Tato citace ze zprávy ministerstva energetiky o trhu s větrnými technologiemi z roku 2016 ukazuje, jak se v průběhu času vyvíjely kapacitní faktory větrných elektráren: „Průměrný kapacitní faktor v roce 2016 mezi projekty postavenými v letech 2014 a 2015 činil 42,5 % ve srovnání s průměrem 32,1 % mezi projekty postavenými v letech 2004-2011 a pouhými 25,4 % mezi projekty postavenými v letech 1998-2001.“

Pro srovnání: v roce 2016 měla americká jaderná flotila průměrný kapacitní faktor kolem 92 %. (Vzhledem k současným trhům je jaderná energetika ekonomická pouze při nepřetržitém provozu jako základní zatížení). Uhlí a zemní plyn měly 55, resp. 56 procent. (Zemní plyn je tak nízký, protože se často zvyšuje a snižuje podle výkyvů v poptávce. Uhlí se dříve blížilo 80 procentům, ale provozovat uhelné elektrárny vůbec je stále méně ekonomické)

Takže moderní americký vítr je na 42,5 procentech a zemní plyn na 56 procentech. Haliade-X bude mít podle GE kapacitní faktor 63 procent. To je wackadoodle, i když by to nebyla nejvyšší hodnota na světě – plovoucí turbíny na moři v projektu Hywind Scotland nedávno dosáhly 65 procent.

Když to všechno sečteme, v „typické německé lokalitě v Severním moři“ podle GE každá Haliade-X vyrobí asi 67 GWh ročně, což je „dostatek čisté energie až pro 16 000 domácností na turbínu a až pro 1 milion evropských domácností v konfiguraci větrného parku o výkonu 750 MW“. (Stačí říci, že pro energeticky chudé americké domácnosti by toto číslo bylo menší.) To je podle společnosti „o 45 % více energie než jakákoli jiná dnes dostupná větrná turbína na moři“.

První Haliade-X se v současné době staví v nizozemském Rotterdamu. Společnost GE v dubnu uvedla, že začne vyrábět elektřinu ještě letos.

Větší turbíny, které pracují častěji, rozdrtí všechny konkurenty

Přemýšlejme, co tyto rostoucí kapacitní faktory znamenají pro větrnou energii.

Často se vracím k tomuto příspěvku energetického analytika Ramez Naama z roku 2015 o konečném potenciálu větrné energie. „Vítr při 60% kapacitním faktoru,“ napsal, „by byl i při stejné ceně za kwh jako dnes nesmírně cennější než nyní, s menšími omezeními, kolik bychom ho mohli využít.

Proč tomu tak je? Několik důvodů.

• Čím je zdroj proměnlivější, tím více záloh je potřeba k jeho upevnění a spolehlivosti. (Dnes zálohování nejčastěji zajišťují elektrárny na zemní plyn, ačkoli se stále více prosazují baterie). Tím, že je vítr méně proměnlivý a spolehlivější, vyšší kapacitní faktory snižují náklady na zálohování.
• Proměnlivá obnovitelná energie (slunce a vítr) má tendenci „sníst svůj vlastní oběd“. Protože všechny vyrábějí energii ve stejnou dobu (když svítí slunce nebo fouká vítr), má další přírůstek přidané kapacity za následek snížení zúčtovací ceny pro všechny ostatní přírůstky. Čím více energie je uvedeno do provozu najednou, tím nižší je cena. Tím, že turbína s 60procentním kapacitním faktorem rozkládá svou energii na delší období – zhruba dvakrát více než 32 procent turbín z roku 2011 – otupuje a zpomaluje tento cenotvorný efekt.
• Díky prodloužení doby provozu je pravděpodobnější, že turbína s vysokým kapacitním faktorem bude vyrábět v době odběrových špiček, kdy je energie nejcennější.

Kapacitní faktor 60+ procent není úplně „základní zatížení“, ale rozhodně vypadá mnohem méně variabilně. Takže turbíny jako Haliade-X by byly cennější, i kdyby cena větrné elektřiny zůstala stejná.

Ale samozřejmě nezůstane stejná; od roku 2009 klesla o 65 procent. Nedávná zpráva NREL předpokládá, že inovace v technologii větrné energie (z nichž větší turbíny jsou jednou z mnoha) by ji mohly do roku 2030 snížit o dalších 50 procent. (Výzkumníci z Virginské univerzity pracují na návrhu pobřežní turbíny, která se bude tyčit, neklame, do výšky 1640 stop, tedy výš než Empire State Building.)

Řekněme, že nové větrné turbíny v USA dosáhnou do roku 2025 průměrné výšky náboje 460 stop, což zhruba odpovídá současným prognózám. Podle údajů NREL by takové turbíny mohly dosáhnout kapacitního faktoru 60+ procent na více než 750 000 čtverečních mílích území USA a 50+ procent na 1,16 milionu čtverečních mílí.

Tak velké množství větru s takovým kapacitním faktorem a s předvídatelným pokrokem ve větrných technologiích bude vyrábět dostatečně levnou energii, aby naprosto rozdrtila všechny konkurenty. A rok 2025 není tak daleko.