Spadająca cena energii słonecznej jest bardziej widoczna, ale w technologii wiatrowej również dzieją się wielkie rzeczy. I mam na myśli duże.

Matematyka turbin wiatrowych jest całkiem prosta: Większe jest lepsze. Konkretnie, istnieją dwa sposoby na wyprodukowanie większej mocy z wiatru na danym obszarze.

Pierwszym z nich jest zastosowanie większych wirników i łopat, aby pokryć większy obszar. To zwiększa wydajność turbiny, tj. jej całkowitą potencjalną produkcję.

Drugi polega na wzniesieniu łopat wyżej w atmosferę, gdzie wiatr wieje bardziej stabilnie. To zwiększa „współczynnik mocy” turbiny, czyli ilość energii, którą faktycznie wytwarza w stosunku do jej całkowitego potencjału (lub bardziej kolokwialnie: jak często pracuje).

Historia rozwoju energetyki wiatrowej jest historią inżynierii coraz wyższych turbin z coraz większymi łopatami. Jest to skomplikowane i delikatne zadanie. Wysokie, chude rzeczy, umieszczone przy silniejszych wiatrach, mają tendencję do wyginania się i zginania. Kiedy długie łopaty turbin wyginają się, mogą rozbić się o wieżę lub piastę, tak jak to miało miejsce w przypadku tego duńskiego systemu w 2008 roku, po tym jak jego „hamulec” zawiódł i elektrownia wymknęła się spod kontroli:

Trzecim wyzwaniem inżynieryjnym jest więc znalezienie projektów i materiałów, które mogą wytrzymać naprężenia związane z wysokością i silniejszymi wiatrami. Te naprężenia są dość intensywne – zobacz film, na którym inżynierowie testują ogromną łopatkę turbiny, ciągnąc ją w tę i z powrotem z „ciężarem około 16 słoni afrykańskich.”

W każdym razie, tworzenie coraz większych turbin jest nazwą gry. Jeśli chodzi o turbiny lądowe (onshore), proces ten zaczyna napotykać na różne ograniczenia pozatechniczne – punkty przecięcia transportu i infrastruktury, obawy związane z użytkowaniem gruntów, obawy o widoki, duże ptaki, cienie, itp.

Ale szczególnie w Europie, energia wiatrowa coraz częściej przenosi się na morze. A na oceanie, z lądem ledwo widocznym, jedynym ograniczeniem wielkości jest inżynieria. W związku z tym turbiny morskie są dziś sklepane jeszcze szybciej niż turbiny lądowe w ciągu ostatniej dekady.

Żywy przykład tego trendu wyskoczył w marcu 2018 roku (kiedy po raz pierwszy opublikowałem tę historię). GE Renewable Energy ogłosiło, że zainwestuje 400 milionów dolarów w opracowanie nowej turbiny potwora: Haliade-X, która będzie (przynajmniej do następnego dużego ogłoszenia) największym, najwyższym i najpotężniejszym na świecie.

Jest to imponujące jako wyczyn inżynieryjny, ale znaczenie rosnących rozmiarów turbin wykracza daleko poza to. Większe turbiny zbierają więcej energii, bardziej stabilnie; im są większe, tym mniej zmienne i bardziej niezawodne, a także łatwiejsze do zintegrowania z siecią. Wiatr już teraz stanowi konkurencję dla innych źródeł na hurtowych rynkach energii. Po kilku kolejnych generacjach wzrostu, nie będzie to już nawet konkurs.

Co osiągają turbiny wiatrowe

Aby zorientować się, jak duża jest ta nowa turbina GE, zacznijmy od kilku porównań.

Zadzwoniłem do Bena Hoena, naukowca z Lawrence Berkeley National Laboratory, aby uzyskać najnowsze liczby dotyczące rozmiarów turbin wiatrowych. (Podkreśla on, że są to dane wstępne – LBNL ma raport na ten temat, który ukaże się za kilka miesięcy, ale nie spodziewa się, że te liczby zmienią się znacznie, jeśli w ogóle.)

Według Hoena, średnia całkowita wysokość (od podstawy do czubka) lądowej turbiny w USA w 2017 roku wynosiła 142 metry (466 stóp). Mediana turbiny była bliższa 152 metrów (499 stóp). W rzeczywistości, powiedział Hoen, mediana zbliża się do maksimum. Innymi słowy, z biegiem czasu amerykańskie turbiny lądowe wydają się zbiegać mniej więcej na tej wysokości. Dlaczego? Ponieważ jeśli budujesz wyżej niż 499 stóp, Federalna Administracja Lotnictwa wymaga pewnych dodatkowych kroków w procesie zatwierdzania, a najwyraźniej większość deweloperów nie znalazła tego wartego kłopotu.

Najwyższe lądowe turbiny USA są w projekcie Hancock Wind w Hancock County, Maine. Te – Vestas V117-3.3s, jeśli musisz wiedzieć – mają około 574 stóp wysokości.

Więc to jest lądowe. A co z morzem? Cóż, jak dotąd w USA istnieje tylko jedna działająca morska instalacja wiatrowa, Block Island Wind Farm u wybrzeży Rhode Island. Jej turbiny wznoszą się na wysokość około 590 stóp.

Jak Haliade-X wypada w porównaniu z tym wszystkim? Według GE, osiągnie wysokość 853 stóp.

To byłaby, o ile mi wiadomo, najwyższa turbina wiatrowa na świecie. Z tego co wiem z googli (jak już mówiłem, te rzeczy szybko się zmieniają), poprzednim rekordzistą jest 809-stopowa turbina lądowa w Niemczech.

Większe turbiny oznaczają więcej mocy, częściej

Wysokość to nie wszystko, co się liczy. Haliade-X może pochwalić się również kilkoma innymi superlatywami.

Średnica wirnika jest miarą pełnego obrotu łopat turbiny (średnica okręgu, który one zakreślają). W 2017 roku, jak powiedział mi Hoen, amerykańskie turbiny wiatrowe miały średnią średnicę wirnika wynoszącą 367 stóp. Haliade-X będzie miał średnicę wirnika 722 stóp, czyli mniej więcej dwa razy więcej niż średnia. Łopaty będą gargantuiczne, każda o długości 351 stóp, dłuższe niż boisko piłkarskie i dłuższe, jak twierdzi GE, niż jakiekolwiek inne łopaty morskie do tej pory.

Ta ogromna średnica wirnika, plus stały wiatr morski, plus turbina o mocy 12 MW (na lądzie średnio około 3 MW; na morzu około 6 MW), oznacza, że Haliade-X będzie miała niezwykle wysoki współczynnik wydajności.

Ten cytat z raportu Department of Energy’s 2016 Wind Technologies Market Report pokazuje, jak współczynniki mocy elektrowni wiatrowych zmieniały się w czasie: „Średni współczynnik mocy 2016 wśród projektów zbudowanych w 2014 i 2015 roku wyniósł 42,5%, w porównaniu do średniej 32,1% wśród projektów zbudowanych w latach 2004-2011 i zaledwie 25,4% wśród projektów zbudowanych w latach 1998-2001.”

Dla porównania, w 2016 roku amerykańska flota jądrowa miała średni współczynnik mocy na poziomie około 92 procent. (Biorąc pod uwagę obecne rynki, energia jądrowa jest ekonomiczna tylko wtedy, gdy działa w sposób ciągły, jako obciążenie podstawowe). Węgiel i gaz ziemny miały odpowiednio 55 i 56 procent. (Gaz ziemny ma tak niski współczynnik, ponieważ często zwiększa i zmniejsza moc w zależności od wahań popytu. Coal used to be up close to 80, but it is less and less economic to run coal plants at all.)

So modern US wind is up to 42.5 percent and natural gas is at 56 percent. Haliade-X, według GE, będzie miała współczynnik mocy 63 procent. Jest to bardzo dobry wynik, choć nie najwyższy na świecie – pływające turbiny morskie w ramach projektu Hywind Scotland osiągnęły niedawno 65 procent.

Podsumowując to wszystko, w „typowej lokalizacji na niemieckim Morzu Północnym”, jak twierdzi GE, każda turbina Haliade-X będzie produkować około 67 GWh rocznie, „wystarczającą ilość czystej energii dla 16 000 gospodarstw domowych na turbinę i do 1 miliona europejskich gospodarstw domowych w konfiguracji farmy wiatrowej o mocy 750 MW”. (Wystarczy powiedzieć, że liczba ta byłaby mniejsza w przypadku rozrzutnych energetycznie amerykańskich gospodarstw domowych). To „45 procent więcej energii niż jakakolwiek inna morska turbina wiatrowa dostępna obecnie”, według firmy.

Pierwszy Haliade-X jest obecnie w budowie w Rotterdamie, w Holandii. GE powiedziało w kwietniu, że rozpocznie ona produkcję energii elektrycznej jeszcze w tym roku.

Większe turbiny, które pracują częściej, zmiażdżą wszystkich konkurentów

Zastanówmy się, co te rosnące współczynniki wydajności oznaczają dla wiatru.

Często wracam do tego postu z 2015 roku autorstwa analityka energetycznego Rameza Naama na temat ostatecznego potencjału energii wiatrowej. „Wiatr przy 60% współczynniku mocy”, napisał, „nawet przy tej samej cenie za kwh co dziś, byłby ogromnie bardziej wartościowy niż teraz, z mniejszą liczbą ograniczeń co do tego, ile moglibyśmy z niego korzystać.

Dlaczego tak jest? Z kilku powodów.

• Im bardziej zmienne jest źródło, tym bardziej potrzebne jest wsparcie, aby je wzmocnić i uczynić niezawodnym. (Obecnie kopie zapasowe są najczęściej dostarczane przez elektrownie na gaz ziemny, choć coraz częściej stosuje się akumulatory). Dzięki temu, że wiatr jest mniej zmienny i bardziej niezawodny, wyższe współczynniki mocy zmniejszają koszty wsparcia.
• Zmienna energia odnawialna (słońce i wiatr) ma tendencję do „zjadania własnego obiadu”. Ponieważ wszystkie one produkują energię w tym samym czasie (gdy świeci słońce lub wieje wiatr), kolejny przyrost dodanej mocy skutkuje obniżeniem ceny rozliczeniowej dla wszystkich pozostałych przyrostów. Im więcej energii pojawia się w sieci jednocześnie, tym niższa jest cena. Dzięki rozłożeniu energii na dłuższy okres – mniej więcej dwa razy większy niż 32 procent w turbinach z 2011 roku – turbina o 60-procentowym współczynniku mocy stępia i spowalnia ten efekt tłumienia cen.
• Dzięki wydłużeniu godzin pracy turbiny o wysokim współczynniku mocy jest bardziej prawdopodobne, że będzie ona produkować energię podczas szczytów zapotrzebowania, kiedy energia jest najbardziej wartościowa.

Współczynnik mocy 60+ procent nie jest całkiem „obciążeniem podstawowym”, ale na pewno wygląda na dużo mniej zmienny. Turbiny takie jak Haliade-X byłyby więc bardziej wartościowe, nawet gdyby cena energii wiatrowej pozostała taka sama.

Ale oczywiście nie pozostanie taka sama; od 2009 roku spadła o 65%. Niedawny raport NREL przewiduje, że innowacje w technologii energetyki wiatrowej (z których większe turbiny są jednym z wielu) mogą spowodować jej spadek o kolejne 50 procent do 2030 roku. (Naukowcy z Uniwersytetu Wirginii pracują nad projektem morskiej turbiny, która będzie wznosić się, bez kłamstwa, na wysokość 1 640 stóp, czyli wyżej niż Empire State Building.)

Powiedzmy, że nowe turbiny wiatrowe w USA osiągną średnią wysokość piasty 460 stóp do 2025 roku, co jest mniej więcej zgodne z obecnymi prognozami. Według danych NREL, takie turbiny mogłyby osiągnąć współczynniki mocy 60+ procent na ponad 750 000 mil kwadratowych terytorium USA i 50+ procent na 1,16 mln mil kwadratowych.

Tak dużo wiatru, przy takim współczynniku mocy, z przewidywalnym postępem w technologii wiatrowej, będzie produkować wystarczająco tanią energię, aby absolutnie zmiażdżyć wszystkich konkurentów. A rok 2025 nie jest wcale tak daleko.