211service.com
Windenergie voor centen
De nieuwste windturbine die op Rocky Flats in Colorado staat, de proeftuin van het Amerikaanse ministerie van Energie voor windenergietechnologieën, lijkt veel op elk ander apparaat voor het opvangen van energie uit wind: een vierkante turbine bevindt zich bovenop een stalen toren met twee propellerbladen die zich uitstrekken over een gecombineerd 40 meter - bijna de helft van de lengte van een voetbalveld. Wind raast voorbij, wieken draaien en elektriciteit stroomt. Maar er is een belangrijk verschil. Dit prototype heeft flexibele, scharnierende bladen; bij harde wind buigen ze iets terug tijdens het draaien. De buiging is nauwelijks waarneembaar voor een toevallige waarnemer, maar het is een radicale afwijking van hoe bestaande windturbines werken - en het kan gewoon het lot van windenergie veranderen.
Het succes van het prototype bij Rocky Flats komt inderdaad op een cruciaal moment in de evolutie van windenergie. Windgedreven generatoren zijn nog steeds een nichetechnologie die minder dan één procent van de Amerikaanse elektriciteit produceert. Maar vorig jaar werd in de Verenigde Staten voor 1.700 megawatt aan nieuwe windcapaciteit geïnstalleerd - genoeg om 500.000 huizen van stroom te voorzien - bijna een verdubbeling van de windenergiecapaciteit van het land. En er is meer onderweg. Fabrikanten hebben de kosten van zware windturbines sinds 1980 verviervoudigd, en deze gigantische machines zijn nu betrouwbaar en efficiënt genoeg om offshore te worden gebouwd. Een windmolenpark met 80 turbines en een waarde van $ 245 miljoen in aanbouw voor de Deense kust zal 's werelds grootste zijn, en ontwikkelaars beginnen ook de Duitse, Nederlandse en Britse wateren te koloniseren. In Noord-Amerika zien speculanten enorme offshore windparken in de buurt van British Columbia en Nantucket, MA.
Dit verhaal maakte deel uit van ons nummer van juli 2002
- Zie de rest van het nummer
- Abonneren
Maar er hangt nog steeds een zwarte wolk boven dit schijnbaar zonnige scenario. Windturbines blijven duur om te bouwen, vaak onbetaalbaar. Gemiddeld kost het ongeveer $ 1 miljoen per megawatt om een windturbinepark te bouwen, vergeleken met ongeveer $ 600.000 per megawatt voor een conventionele gasgestookte elektriciteitscentrale; in de economische berekeningen van energiebedrijven dicht het feit dat wind gratis is deze kloof niet. Kortom, de prijs van het bouwen van windenergie moet omlaag, wil het ooit meer worden dan een nichetechnologie.
En dat is waar het prototype bij Rocky Flats om de hoek komt kijken. Dankzij de flexibiliteit van de bladen zal de turbine 40 procent lichter zijn dan de huidige industriestandaard, maar net zo goed in staat om vernietigende stormen te overleven. En dat lagere gewicht zou kunnen betekenen dat machines 20 tot 25 procent goedkoper zijn dan de huidige grote turbines.
Eerdere pogingen tot lichtere ontwerpen waren universele mislukkingen - uitgeschakeld of vernietigd, sommige binnen enkele weken, door de wind zelf. Gezien deze mislukkingen zijn windexperts begrijpelijkerwijs voorzichtig met de laatste kans op een lichtgewicht ontwerp. Maar de meesten zijn het erover eens dat lichtgewicht windturbines, als ze werken, de economische vergelijking zullen veranderen. De vraag zou worden: hoe krijg je de transmissiecapaciteit snel genoeg gebouwd om de groei bij te houden', zegt Ward Marshall, een ontwikkelaar van windenergie bij het in Columbus, Ohio gevestigde American Electric Power, die in de raad van bestuur van de American Wind Energy Association, een handelsgroep. Je zou genoeg mensen hebben die zich willen aanmelden.
En, zeggen experts, het prototype van de Rocky Flats, ontworpen door Wind Turbine uit Bellevue, WA, is de beste hoop in jaren op een lichtgewicht ontwerp dat eindelijk zal slagen. Ik kan vrij ondubbelzinnig zeggen dat dit een dramatische stap is in de technologie van lichtgewicht [windturbines], zegt Bob Thresher, directeur van het National Wind Technology Center in Rocky Flats. Niemand anders heeft een machine gebouwd die zo flexibel is en heeft laten werken.
Stabiel als ze blaast
Windturbines zijn als gigantische ventilatoren die achteruit draaien. In plaats van motoraangedreven bladen die de lucht voortstuwen, gebruiken ze vleugelprofielen die de wind opvangen en een generator aanzwengelen die elektriciteit pompt. Veel van de huidige turbines zijn mammoetmachines met driebladige rotoren die 80 tot 20 meter langer zijn dan de spanwijdte van een Boeing 747. En daarin ligt de technologische uitdaging. De enorme omvang is nodig als commerciële windturbines economisch willen concurreren, omdat de stroomproductie exponentieel toeneemt met de bladlengte. Maar deze enorme constructies moeten robuust genoeg zijn om stormen en extreme turbulentie te doorstaan.
In de jaren 70 en 80 deden Amerikaanse pioniers op het gebied van windenergie de eerste serieuze pogingen om deze krachten te bestrijden met lichtgewicht, flexibele machines. Verschillende startups hebben duizenden van dergelijke windturbines geïnstalleerd; de meeste werden letterlijk verscheurd of uitgeschakeld door windstoten. General Electric en Boeing gingen tot het uiterste om lichtgewicht te experimenteren en bouwden veel grotere prototypes - kolossen met bladen van 80, 90 en zelfs 100 meter lang. Deze bleken ook vatbaar voor defecten; in sommige gevallen bogen hun bladen zich naar achteren en troffen ze zelfs de torens.
Alles bij elkaar hebben Amerikaanse bedrijven en het ministerie van Energie in de jaren tachtig en het begin van de jaren negentig honderden miljoenen dollars uitgegeven aan deze mislukte experimenten. Het Amerikaanse model is altijd aangetrokken geweest tot het licht en het geraffineerde en dingen die niet werkten, zegt James Manwell, een werktuigbouwkundig ingenieur die leiding geeft aan het onderzoekslaboratorium voor hernieuwbare energie van de Universiteit van Massachusetts in Amherst, MA.
Onderzoekers van het Deense Ris National Laboratory en Deense bedrijven zoals Vestas Wind Systems zeilden door dit technologische slop. In de afgelopen twee decennia hebben ze een heavy-duty versie van de windturbine geperfectioneerd - en het is de Microsoft Windows van de windenergie-industrie geworden. Tegenwoordig is dit Deense ontwerp verantwoordelijk voor vrijwel alle elektriciteit die wereldwijd door wind wordt opgewekt. Misschien als gevolg van nationale neigingen, hadden deze stevige Deense ontwerpen weinig van de aerodynamische flits van de eerdere Amerikaanse windturbines; ze waren gewoon tegen de wind geschoord met zwaarder, dikker staal en composietmaterialen. Ze waren taai, robuust - en ze werkten.
Wat meer is, in de afgelopen jaren hebben vermogenselektronica - digitale siliciumschakelaars die de stroom van elektriciteit uit de machine masseren - het basisontwerp verder verbeterd. Voorheen werd de rotor van de turbine op een constante rotatiesnelheid gehouden, zodat de wisselstroomoutput synchroon zou lopen met het elektriciteitsnet; de nieuwe apparaten handhaven de synchronisatie terwijl de rotor vrij kan versnellen en vertragen met de wind. Als je een windvlaag krijgt, kan de rotor versnellen in plaats van daar gewoon te blijven zitten en de brute kracht van de wind te ontvangen, zegt Manwell.
Door dergelijke soorten te beheersen, kon het Deense ontwerp groter en groter worden. Terwijl in het begin van de jaren tachtig een typische commerciële machine een bladspanwijdte van 12,5 meter had en 50 kilowatt kon produceren - genoeg voor ongeveer een dozijn huizen - strekken de grootste bladen van vandaag 80 meter uit en leveren ze twee megawatt op; een enkele machine kan meer dan 500 huishoudens van stroom voorzien.
De nieuwste uitdaging voor het Deense ontwerp is om manieren te vinden om de corrosieve en slopende offshore-omgeving te doorstaan, waar maanden kunnen verstrijken voordat een monteur veilig aan boord kan gaan en een turbine kan repareren. Vestas, bijvoorbeeld, rust zijn turbines uit met sensoren op elk van hun componenten om slijtage te detecteren, en back-upsystemen om het over te nemen in het geval van bijvoorbeeld een storing in de vermogenselektronica.
De aanpak van Vestas wordt deze zomer op de proef gesteld, aangezien de stroomleverancier van Denemarken 80 Vestas-machines begint te installeren in ondiep water, 14 tot 20 kilometer uit de Deense kust. Het wordt 's werelds grootste offshore windpark, dat maar liefst 150.000 Deense huishoudens van stroom zal voorzien.
Windschaduwen
Deze upgrades zullen grote, zware turbines betrouwbaarder maken, maar ze dragen niet bij aan een fundamentele verschuiving in de economie van windenergie. Landen als Denemarken en Duitsland zijn bereid om voor windenergie te betalen, deels omdat fossiele brandstoffen zoveel duurder zijn in Europa, waar hogere belastingen de milieu- en gezondheidskosten dekken die gepaard gaan met het verbranden ervan. (Ongeveer 20 procent van de stroom van Denemarken komt van wind.) Maar wil windenergie echt kostenconcurrerend zijn met fossiele brandstoffen in de Verenigde Staten, dan moet de technologie veranderen.
Wat het Rocky Flats-ontwerp van Wind Turbine zo'n vertrek maakt, zijn niet alleen de scharnierende bladen, maar ook hun windrichting. Het Deense ontwerp richt de bladen in de wind en maakt de bladen zwaar zodat ze niet achterover buigen en tegen de toren slaan. Het ontwerp van de windturbine kan de wind niet aan - de scharnierende bladen zouden de toren raken - dus de rotor wordt met de wind mee gepositioneerd. Ten slotte gebruikt het twee bladen, in plaats van de drie in het traditionele ontwerp, om het gewicht verder te verminderen.
Vooruitgang in de computermodellering van gevaarlijke krachten zoals trillingen hielp de ontwikkeling van het ontwerp. Flexibele messen voegen een extra dimensie toe aan de beweging van de machine; dat geldt ook voor het feit dat de hele machine vrij kan draaien met de wind. (Traditionele ontwerpen worden aangedreven om tegen de wind in te gaan en worden vervolgens op hun plaats vergrendeld.) Het voorspellen, detecteren en voorkomen van rampen - zoals snel veranderende winden die een rotor tegen de wind in slingeren en zijn flexibele bladen de toren in sturen - zijn zelfs met het beste ontwerp een uitdaging voor de controle. Als je dat niet goed doet, kan de machine zichzelf letterlijk doodslaan, zegt Ken Deering, Vice President of Engineering van Wind Turbine.
Twee jaar geleden, toen het prototype van Wind Turbine op Rocky Flats werd gebouwd, waren er zorgen dat ook deze machine zichzelf dood zou slaan. Thresher zegt dat sommige van zijn medewerkers bang waren dat de machine, net als zijn voorgangers uit de jaren 80, niet lang van de schroothoop zou ontsnappen. Vandaag zijn die twijfels, ondanks enkele kleine tegenslagen, aan het verdwijnen.
Aangemoedigd door zijn vroege succes, heeft Wind Turbine, nabij Lancaster, CA, een tweede prototype geïnstalleerd met een grotere spanwijdte van 48 meter. Tegen het einde van dit jaar verwacht het bedrijf de bladlengte op deze machine op te voeren tot 60 meter volledige commerciële grootte. Bovendien heeft dit nieuwe prototype een dunnere toren, gericht op het verminderen van de luidruchtige dreun, ook wel windschaduw genoemd, die kan optreden telkens wanneer een blad door het gebied met turbulente lucht achter de toren raast. En met zijn lichtere gewicht kon de turbine bovenop hogere torens worden gemonteerd, waardoor hij snellere winden aankan.
Gekalmeerd
Wat de technologische vooruitgang ook moge zijn, de windenergie-industrie staat nog steeds voor grote hindernissen, te beginnen met onzekere politieke steun in de Verenigde Staten. In Europa is windenergie al relatief makkelijk te verkopen. Maar in de Verenigde Staten vertrouwen windontwikkelaars op federale belastingkredieten om winst te maken. Deze essentiële kredieten worden geconfronteerd met chronische tegenstand van machtige olie- en kolenlobby's en komen vaak te vervallen. De windenergie-industrie haastte zich om haar turbines aan te sluiten voordat deze kredieten eind vorig jaar afliepen, en viel toen in slaap gedurende de drie maanden die het Amerikaanse Congres nodig had om ze te vernieuwen. Het congres breidde de kredieten uit tot eind volgend jaar, wat waarschijnlijk de zoveelste start-en-stop ontwikkelingscyclus initieerde.
Een tweede obstakel voor brede acceptatie is de wind zelf. Het is misschien gratis en algemeen toegankelijk, maar het is ook frustrerend inconsistent. Vraag het maar aan een willekeurige zeeman. En deze wispelturigheid vertaalt zich in intermitterende stroomproductie. Hoe meer turbines er worden gebouwd, des te meer hun intermitterend vermogen de planning en het beheer van grote stroomstromen over regionale en nationale elektriciteitsnetwerken zal bemoeilijken. In West-Texas is er inderdaad een recente boom in de bouw van windturbines die de transmissielijnen van de regio onder druk zet - en ook stroom produceert die niet synchroon loopt met de lokale behoeften: wind waait tijdens koele nachten en stagneert op warme dagen wanneer mensen elektriciteit het meest nodig hebben.
Hulpprogramma's in Texas patchen het probleem door transmissielijnen uit te breiden. Maar om de waarde van windenergie echt op grote schaal te kunnen benutten, zijn nieuwe benaderingen nodig om windenergie op te slaan wanneer het wordt geproduceerd en vrij te geven wanneer dat nodig is. Het Electric Power Research Institute, een door nutsbedrijven gefinancierd R&D-consortium in Palo Alto, CA, doet onderzoek naar betere voorspellingen van een dag vooruit wind. Belangrijker is dat het manieren zoekt om energie op te slaan als het waait. We moeten nadenken over het bedienen van een elektrisch systeem in plaats van ons alleen te concentreren op de windturbines, zegt Chuck McGowin, manager windenergietechnologie bij het instituut. Opslagfaciliteiten zouden ons in staat stellen om wat we hebben efficiënter te gebruiken en de waarde ervan te verbeteren.
In het noordwesten van de Verenigde Staten wordt een opslagoptie ontwikkeld door de Bonneville Power Administration uit Portland, OR, die windenergie in evenwicht brengt met waterkracht. Het idee is simpel: als de wind waait, laat het water dan niet door de hydro-elektrische turbines stromen; op rustige dagen, open de poorten. En de Tennessee Valley Authority experimenteert zelfs met het opslaan van energie in gigantische brandstofcellen; in Mississippi wordt een proeffabriek gebouwd.
Windenergie staat voor tal van obstakels, maar er is meer dan ooit reden om aan te nemen dat deze obstakels zullen worden overwonnen. Zorgen over de milieueffecten van het verbranden van fossiele brandstoffen en politieke zorgen over een te grote afhankelijkheid van aardolie zorgen voor een enorme groei in de bouw van windturbines. Maar het is de vooruitgang in de technologie zelf, gecreëerd door aanhoudende sterke onderzoeksinspanningen, die de meest kritische impuls zou kunnen geven voor een groter gebruik van windenergie.
Bij Rocky Flats delen vier rijen onderzoeksturbines - in totaal een dozijn machines, variërend van 400 watt batterijladers tot netklare 600 kilowatt-machines - een met keien bezaaide vlakte van 115 hectare. Met de Rocky Mountains op de achtergrond zwiepen hun bladen tegen de wind die vanuit El Dorado Canyon naar het westen waait. Tenminste, ze doen veel van de tijd. We hebben veel rustige dagen, vooral in de zomer, en voor een testlocatie is het goed om een mix te hebben, zegt Thresher.
Rustige dagen zijn misschien goed voor onderzoek naar windturbines, maar ze behoren nog steeds tot de grootste zorgen die de commercialisering van windturbines bezighouden. Hoewel geen enkele technologie de wind kan laten waaien, lijken goedkopere, betrouwbare technologieën klaar om zijn wispelturigheid aan te pakken. En dat zou kunnen betekenen dat er binnenkort een windturbine op een winderige heuvel bij u in de buurt zal ontspruiten.