Vindkraft för Pennies

Den nyaste vindturbinen som står vid Rocky Flats i Colorado, USA:s energidepartements provningsplats för vindkraftsteknik, ser ut ungefär som vilken annan apparat som helst för att fånga energi från vind: en boxig turbin sitter ovanpå ett ståltorn som skjuter ut två propellerblad som sträcker en sammanlagt 40 meter - nästan halva längden på en fotbollsplan. Vinden rusar förbi, bladen roterar och elektriciteten flödar. Men det finns en viktig skillnad. Denna prototyp har flexibla, gångjärnsförsedda blad; vid hård vind böjer de sig något bakåt medan de snurrar. Böjningen är knappt märkbar för en tillfällig observatör, men det är en radikal avvikelse från hur befintliga vindkraftverk fungerar - och det kan bara förändra vindkraftens öde.

Framgången för prototypen på Rocky Flats kommer faktiskt vid ett avgörande ögonblick i utvecklingen av vindkraft. Vinddrivna generatorer är fortfarande en nischteknik som producerar mindre än en procent av USA:s el. Men förra året installerades 1 700 megawatts ny vindkapacitet i USA - tillräckligt för att driva 500 000 hus - nästan en fördubbling av landets vindkraftskapacitet. Och mer är på väg. Tillverkare har fyrdubblat kostnaderna för tunga vindturbiner sedan 1980, och dessa gigantiska maskiner är nu pålitliga och effektiva nog att byggas offshore. En 80-turbin, 245 miljoner dollar vindkraftpark under uppbyggnad utanför den danska kusten kommer att bli världens största, och utvecklare börjar också kolonisera tyska, holländska och brittiska vatten. I Nordamerika föreställer sig spekulanter massiva vindkraftsparker till havs nära British Columbia och Nantucket, MA.

Den här historien var en del av vårt julinummer 2002

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Men det är fortfarande ett svart moln som svävar över detta till synes soliga scenario. Vindkraftverk förblir dyra att bygga ofta oöverkomligt. I genomsnitt kostar det cirka 1 miljon dollar per megawatt att bygga en vindkraftspark, jämfört med cirka 600 000 dollar per megawatt för ett konventionellt gaseldat kraftverk; i kraftbolagens ekonomiska beräkningar stänger inte det faktum att vind är gratis detta gap. Kort sagt, priset för att bygga vindkraft måste ner om det någonsin ska bli mer än en nischteknik.

Och det är där prototypen på Rocky Flats kommer in. Flexibiliteten i dess blad kommer att göra det möjligt för turbinen att vara 40 procent lättare än dagens industristandard men lika kapabel att överleva destruktiva stormar. Och den lägre vikten kan innebära maskiner som är 20 till 25 procent billigare än dagens stora turbiner.

Tidigare försök med lättare konstruktioner var universella fel-inaktiverade eller förstörda, några inom några veckor, av vinden själv. Med tanke på dessa misslyckanden är vindexperter förståeligt nog försiktiga med det senaste skottet på en lättviktsdesign. Men de flesta är överens om att lätta vindkraftverk, om de fungerar, kommer att förändra den ekonomiska ekvationen. Frågan skulle bli, hur får man överföringskapaciteten byggd tillräckligt snabbt för att hålla jämna steg med tillväxten, säger Ward Marshall, en vindkraftsutvecklare på Columbus, OH-baserade American Electric Power som sitter i styrelsen för American Wind Energiföreningen, en branschgrupp. Du skulle ha många som är villiga att anmäla sig.

Och, säger experter, Rocky Flats-prototypen designad av Wind Turbine i Bellevue, WA, är det bästa hoppet på flera år för en lättviktsdesign som äntligen kommer att lyckas. Jag kan säga ganska otvetydigt att detta är ett dramatiskt steg i lättviktsteknik [vindkraftverk], säger Bob Thresher, chef för National Wind Technology Center på Rocky Flats. Ingen annan har byggt en maskin som är så flexibel och fått den att fungera.

Stadig när hon blåser

Vindkraftverk är som gigantiska fläktar som körs baklänges. Istället för motordrivna blad som trycker på luften använder de bärytor som fångar vinden och drar igång en generator som pumpar ut elektricitet. Många av dagens turbiner är mastodontmaskiner med trebladiga rotorer som spänner över 80 meter-20 meter längre än vingspannet på en Boeing 747. Och däri ligger den tekniska utmaningen. Den enorma storleken behövs om kommersiella vindkraftverk ska konkurrera ekonomiskt eftersom kraftproduktionen ökar exponentiellt med bladlängden. Men dessa enorma strukturer måste vara tillräckligt robusta för att uthärda stormar och extrem turbulens.

På 1970- och 80-talen gjorde amerikanska vindenergipionjärer de första seriösa ansträngningarna för att bekämpa dessa styrkor med lätta, flexibla maskiner. Flera startups installerade tusentals sådana vindkraftverk; de flesta var bokstavligen sönderrivna eller inaktiverade av vindbyar. Genom att ta lättviktsexperiment till det yttersta byggde General Electric och Boeing mycket större prototyper-behemoths med 80-, 90- och till och med 100 meter långa blad. Dessa visade sig också vara benägna att gå samman; i vissa fall böjde deras blad tillbaka och träffade faktiskt tornen.

Sammantaget spenderade amerikanska företag och energidepartementet hundratals miljoner dollar på dessa misslyckade experiment på 1980-talet och början av 1990-talet. Den amerikanska modellen har alltid graviterat mot ljuset och det sofistikerade och saker som inte fungerade, säger James Manwell, en maskiningenjör som leder University of Massachusettss forskningslaboratorium för förnybar energi i Amherst, MA.

In i dessa tekniksval seglade forskare från Danmarks Ris National Laboratory och danska företag som Vestas Wind Systems. Under de senaste två decennierna har de fulländat en kraftig version av vindturbinen – och det har blivit vindkraftsindustrins Microsoft Windows. Idag står denna danska design för praktiskt taget all el som genereras av vind i världen. Kanske återspeglar de nationella böjelserna, dessa robusta danska konstruktioner hade lite av den aerodynamiska blixten från de tidigare amerikanska vindturbinerna; de var helt enkelt stödda mot vinden med tyngre, tjockare stål och kompositmaterial. De var tuffa, robusta - och de fungerade.

Vad mer är, på senare år har kraftelektronik-digitala kiselomkopplare som masserar strömmen av elektricitet från maskinen förbättrat den grundläggande designen ytterligare. Tidigare hölls turbinens rotor till en konstant rotationshastighet så att dess växelströmsutgång skulle vara synkroniserad med elnätet; de nya enheterna bibehåller synkroniseringen samtidigt som rotorn fritt kan snabba upp och sakta ner med vinden. Får du en vindby kan rotorn accelerera istället för att bara sitta där och ta emot vindens råa kraft, säger Manwell.

Att bemästra sådana stammar gjorde det möjligt för den danska designen att växa sig större och större. I början av 1980-talet hade en typisk kommersiell maskin en bladvidd på 12,5 meter och kunde producera 50 kilowatt – tillräckligt för ett dussin hem – dagens största blad sträcker sig 80 meter och drar ut två megawatt; en enda maskin kan driva mer än 500 hem.

Den nyaste utmaningen för den danska designen är att hitta sätt för den att klara den frätande och straffande offshoremiljön, där månader kan gå innan en mekaniker säkert kan gå ombord och fixa en turbin. Vestas, för en, utrustar sina turbiner med sensorer på var och en av deras komponenter för att upptäcka slitage, och reservsystem för att ta över i fallet med, till exempel, ett fel i kraftelektroniken.

Vestas tillvägagångssätt går på prov i sommar, då Danmarks kraftleverantör börjar installera 80 Vestas-maskiner på grunt vatten 14 till 20 kilometer utanför den danska kusten. Det kommer att bli världens största vindkraftspark till havs och driva så många som 150 000 danska hushåll.

Vindskuggor

Dessa uppgraderingar kommer att göra stora, tunga turbiner mer tillförlitliga, men de bidrar inte till en grundläggande förändring av ekonomin för vindkraft. Nationer som Danmark och Tyskland är beredda att betala för vindkraft delvis för att fossila bränslen är så mycket dyrare i Europa, där högre skatter täcker miljö- och hälsokostnader förknippade med att elda dem. (Omkring 20 procent av Danmarks energi kommer från vind.) Men för att vindkraften verkligen ska vara kostnadskonkurrens med fossila bränslen i USA måste tekniken förändras.

Det som gör Wind Turbines Rocky Flats-design till en sådan avvikelse är inte bara dess gångjärnsförsedda blad, utan också deras orientering mot vinden. Den danska designen vänder bladen mot vinden och gör bladen tunga så att de inte böjer sig tillbaka och smäller in i tornet. Vindturbinens design kan inte vara vänd mot vinden - de gångjärnsförsedda bladen skulle träffa tornet - så rotorn är placerad i motvind. Slutligen använder den två blad, snarare än de tre i den traditionella designen, för att ytterligare minska vikten.

Framsteg i datormodelleringen av sådana farliga krafter som vibrationer hjälpte designens utveckling. Flexibla blad ger en extra dimension till maskinens rörelse; så gör det faktum att hela maskinen fritt kan svänga med vinden. (Traditionella konstruktioner drivs mot vinden och låses sedan på plats.) Att förutsäga, upptäcka och förebygga katastrofliknande snabbt växlande vindar som svänger en rotor uppåt och skickar dess flexibla blad in i tornet - är kontrollutmaningar även med den bästa designen. Om du inte får det rätt kan maskinen bokstavligen slå ihjäl sig själv, säger Ken Deering, Wind Turbines vice vd för ingenjörsteknik.

För två år sedan, när Wind Turbines prototyp restes på Rocky Flats, fanns det oro för att även denna maskin skulle slå ihjäl sig själv. Thresher säger att en del av hans personal fruktade att maskinen, liksom dess föregångare från 1980-talet, inte länge skulle undkomma skrothögen. Idag, trots några mindre bakslag, bleknar dessa tvivel.

Uppmuntrad av sin tidiga framgång har Wind Turbine installerat, nära Lancaster, Kalifornien, en andra prototyp, med en större 48-meters bladspann. I slutet av detta år räknar företaget med att öka bladlängden på denna maskin till 60 meter full kommersiell storlek. Dessutom har den här nya prototypen ett tunnare torn, som syftar till att minska den bullriga dunsen, känd som en vindskugga, som kan uppstå varje gång ett blad piskar genom området med turbulent luft bakom tornet. Och med sin lägre vikt kunde turbinen monteras ovanpå högre torn och nå upp till snabbare vindar.

Becalmed

Oavsett tekniska framsteg står dock vindkraftsindustrin fortfarande inför betydande hinder, med början med osäkert politiskt stöd i USA. I Europa är vindkraft redan relativt lätt att sälja. Men i USA förlitar sig vindkraftsutvecklare på federala skattelättnader för att göra vinst. Dessa viktiga krediter möter kroniskt motstånd från kraftfulla olje- och kollobbyer och förfaller ofta. Vindkraftsindustrin tävlade om att koppla in sina turbiner innan dessa krediter löpte ut i slutet av förra året, och blev sedan vilande under de tre månader som det tog den amerikanska kongressen att förnya dem. Kongressen förlängde krediterna till slutet av nästa år och initierade vad som troligen kommer att bli ännu en start-och-stopp-utvecklingscykel.

Ett andra hinder för en bred adoption är vinden i sig. Det kan vara gratis och allmänt tillgängligt, men det är också frustrerande inkonsekvent. Fråga bara vilken sjöman som helst. Och denna ombytlighet leder till intermittent kraftproduktion. Ju fler turbiner som byggs, desto mer kommer deras intermittens att komplicera planeringen och hanteringen av stora kraftflöden över regionala och nationella elnät. Faktum är att i västra Texas anstränger en nyligen genomförd högkonjunktur inom vindkraftsbyggandet regionens överföringsledningar – och producerar också kraft ur synkronisering med lokala behov: vinden blåser under svala nätter och stall under varma dagar när människor som mest behöver elektricitet.

Texas verktyg åtgärdar problemet genom att bygga ut transmissionsledningar. Men för att verkligen fånga värdet av vindkraft i stor skala behövs nya tillvägagångssätt för att lagra vindkraft när den produceras och frigöra den när den behövs. Electric Power Research Institute, ett allmännyttigt finansierat FoU-konsortium i Palo Alto, Kalifornien, bedriver forskning om hur man kan göra bättre vindförutsägelser en dag framåt. Ännu viktigare är det att utforska sätt att lagra energi när vinden blåser. Vi måste tänka på att driva ett elsystem snarare än att bara fokusera på vindkraftverken, säger Chuck McGowin, chef för vindkraftsteknik vid institutet. Lagringsutrymmen skulle göra det möjligt för oss att använda det vi har mer effektivt, förbättra värdet på det.

I nordvästra USA, ett lagringsalternativ som utvecklas av Portland, balanserar OR-baserade Bonneville Power Administration vindkraft med vattenkraft. Tanken är enkel: när vinden blåser, låt inte vattnet passera genom vattenkraftturbinerna; under lugna dagar, öppna upp portarna. Och Tennessee Valley Authority experimenterar till och med med att lagra energi i gigantiska bränsleceller; en pilotanläggning är under uppbyggnad i Mississippi.

Vindkraft står inför många hinder, men det finns mer anledning än någonsin att tro att dessa hinder kommer att övervinnas. Oro över miljöeffekterna av förbränning av fossila bränslen och politisk oro över ett överberoende av petroleum driver upp en boom i byggandet av vindkraftverk. Men det är framsteg inom själva tekniken, skapade av fortsatt starka forskningsinsatser, som kan ge den mest avgörande drivkraften för ökad användning av vindkraft.

På Rocky Flats delar fyra rader av forskningsturbiner - totalt ett dussin maskiner som sträcker sig från 400-watts batteriladdare till nätförberedda 600-kilowattmaskiner - en stenbeströdd 115 hektar stor slätt. Med Klippiga bergen som bakgrund susar deras blad mot vindarna som blåser in från El Dorado Canyon i väster. Åtminstone gör de det mycket av tiden. Vi har många lugna dagar, särskilt på sommaren, och för en testplats är det bra att ha en blandning, säger Thresher.

Lugna dagar kan vara bra för vindkraftsforskning, men de är fortfarande bland de största problemen som förföljer kommersialiseringen av vindkraftverk. Även om ingen teknik kan få vinden att blåsa, verkar billigare, pålitliga tekniker redo att ta sig an dess ombytlighet. Och det kan betyda att ett vindkraftverk snart kommer att växa på toppen av en blåsig kulle nära dig.

Dölj