Budućnost vetrogeneratora – (1): korišćenje slabog vetra, sve viši tornjevi i razvoj gigantskih rotora

Evropski istraživački projekat ‘UPWIND’ iz 2011. godine, predlaže gradnju vetrogeneratora instalisane snage 20 megavata, sa rotorima prečnika 250 metara

Ključni izvodi:

- Razvoj vetrogeneratora koji bi mogli da proizvode struju po ceni one iz velikih hidrocentrala i termocentrala, je usporen – što ukazuje na odsustvo inovacija koje bi unapredile njihovu efikasnost. Konstrukcioni sistem današnjih vetrenjača (koje imaju maksimalni kapacitet 7-8 MW) nije podoban za efikasnije mašine koje traže znatno veći kapacitet.

- Efikasnost vetrogeneratora u najvećoj meri zavisi od brzine vetra na visini centra rotora i njegove ukupne godišnje aktivnosti (ukupnog godišnjeg energetskog potencijala) – kao i od instalisanog kapaciteta vetrenjače, odnosno površine njegovog rotora. Današnje vetrenjače proizvode skuplju struju od one iz velikih termocentrala i hidrocentrala – čak i na lokacijamaa na moru, gde postoje vetrovi većih prosečnih brzina nego na kopnu, ali je tamo i gradnja ovih ‘offshore’ turbina dva do tri puta skuplja. 

- Sve manje raspoloživih lokacija sa brzim vetrom na kopnu, uslovila je gradnju vetrenjača na lokacijama sa slabim vetrovima prosečne brzine 6-7,5m/sec – u uslovima kada su oni aktivni tokom cele godine.  

Vetrogeneratori na slabi vetar imaju tornjeve veće visine i rotore nešto većeg prečnika, kao i elektro-generatore manje snage od standardnih mašina, i proizvode skoro duplo manje struje po jedinici površine rotora od vetrenjača na brzi vetar – mada na godišnjem nivou ukupno mogu da proizvedu više struje od standardnih vetrenjača na istoj lokaciji (zbog većeg ukupnog energetskog potencijala slabog vetra tokom godine) – (2-a, b, c)

- Budućnost vetrogeneratora koji bi proizvodili jeftiniju struju, predstavljaju mašine znatno većeg instalisanog kapaciteta od današnjih, sa rotorima većeg prečnika i znatno višim tornjevima  što zahteva primenu inovativnih tehničkih rešenja u konstrukciji vetrenjača kojima bi se smanjilo disproporcionalno povećanje troškova gradnje za veće mašine.

- Evropski istraživacki projekat ‘UPWIND’ iz 2011-te godine, na kome je radio veliki broj proizvodjača vetrenjača i istraživačkih instituta, predlaže gradnju vetrogeneratora kapaciteta 20 megavata, sa rotorima prečnika 250 metara (danas najveće mašine imaju kapacitet 7-8 MW, sa rotorima prečnika do 164 metra) – ali njihova budućnost zavisi od inovacija kojima bi se smanjio progresivni porast troškova za gradnju visokih tornjeva i gigantskih rotora. – (4)

- Prema izveštaju ‘VIZIJA ZA VETAR’, američkog Ministarstva energije, gradnjom vetrogeneratora sa tornjevima visine 140 metara – utrostručila bi se teritorija za efikasno korišćenje vetra u SAD. – (3-a), (3-b)

- Uspešnost u razvoju vetrogeneratora zavisi od inovacija kojima bi se povećala njihova efikassnost – ali na ovom planu danas postoji zastoj kao i u ostalim industrijskim sektorima. Prave inovacije su opstruisane raznim marketinškim ‘zamenama’ – kažu o razlozima usporavanja tehnoloskog razvoja u privredi SAD i zemljama Zapada neki američki ekonomisti. – (5-a), (5-b)

- Nažalost, ne samo marketinški trikovi, već su i velika korupcija i prikrivanje podataka o efiksnosti vetrenjača u praksi, kao i visoke državne subvencije za struju koju proizvode – postali kočnice u njihovom tehnološkom razvoju. – (6)

- Prema studiji ‘Atlas vetrova u AP Vojvodini’ koja je urađena za potrebe gradnje vetrogeneratora kod nas, Srbija samo u području oko Vršca raspolaže vetrovima prosečne brzine preko 5,5m/sec na visini 100m iznad tla, koji imaju energetski potencijal nešto preko 250W/m2 – što je jedva dovoljno za vetrenjače na slabi vetar, koje traže vetar prosečne brzine 6-7,5m/sec, odnosno tornjeve visine 100-140 metara i rotore većeg prečnika od standardnih za isti nominalni kapacitet. – (B)

Ni na ovoj lokaciji, kao ni u ostaku Srbije, gradnja standardnih vetrogeneratora nije ekonomski isplativa.

Zato treba naglasiti da se strane investicije u iznosu preko pola milijarde dolara u gradnju vetrenjača u Srbiji, zasnivaju na visokim državnim subvencijama za struju iz vetra, koje prema podacima iz 2009. godine treba da iznose 9,5 evrocenti za kWh struje isporučene EPS-u.

U Srbiji je zasad najavljena gradnja vetroparkova na tri lokacije - Plandište, Kovin i Kula - gde su nosioci investicija Kontinental vind, MK Fintelvind i NIS - Energovind, u kojima se kao suvlasnici pojavljuju i bivši i sadašnji članovi vlade: foto, septembar 2013. najava gradnje vetropraka kod Plandišta, gde su prisustvovali Kiril Kravčenko, direktor NIS, Aleksandar Vučić, prvi potpredsednik i Zorana Mihajlović, ministarka energetike u tadašnjoj Vladi Srbije

I - Uvod – prikrivani problemi

Nagli pad cena fosilnih goriva na svetskom tržištu, nafte pre svega, doveo je do pada investicija u gradnju pogona za obnovljivu energiju – naročito u oblasti korišćenja vetra. Kako su fosilna goriva ipak ograničen prirodni resurs, a njihovo korišćenje dovodi do ispuštanja gasova sa efektom staklene bašte koji utiču na promene klime na zemlji – dalji razvoj čistih tehnologija za obnovljivu energiju je imperativ održivog razvoja.

Današnja kriza u oblasti obnovljive energije, posebno u sektoru vetrogeneratora, otkrila je i vešto prikrivane probleme ovih tehnologija: istinu o njihovoj neefikasnosti u proizvodnji energije u poređenju sa klasičnim ‘prljavim’ tehnologijama, kao i o njihovom usporenom tehnoloskom razvoju, što je zapravo posledica visokih državnih subvencija za energiju koju proizvode.

Sve ovo ukazuje na neophodnost ubrzanog tehnološkog razvoja u oblasti obnovljive energije uopšte, kao i neophodnost tehnoloških inovacija u vetrogeneracijskom sektoru: gradnju mašina znatno većeg kapaciteta, sa višim tornjevima radi dostizanja vetrova veće brzine, kao i razvoj vetrenjača prilagođenih za korišćenje slabih vetrova produžene godišnje aktivnosti.

Stanje tehnologije danas i osnovni principi rada vetrogeneratora

Iako je vetar jedan od najznačajnijih izvora čiste, obnovljive energije, cena struje koja se iz njega dobija je u većini slučajeva viša od cene njene proizvodnje u velikim hidrocentralama i termocentralama na ugalj (termocentrale na biomasu proizvode skuplju struju!).

- Efikasnost vetrogeneratora u najvećoj meri zavisi od brzine vetra na lokaciji i njegove ukupne godišnje aktivnosti – kao i od kapaciteta (instalisane snage) vetrenjače, odnosno površine njenog rotora. Veći vetrogeneratori su generalno efikasniji – ali samo do određenog kapaciteta, preko kojeg dolazi do dis-ekonomije u porastu kapaciteta vetrenjače.

- Vetrogeneratori u Evropi, na kopnu i na vodi, danas se uglavnom grade u nominalnom kapacitetu od 3,5-7MW (instalisane snage), a prototip prve vetrenjače od 8 megavata (V164-8MW – MHI-Vestas offshore turbine) je postavljen u moru 2014. godine. - (1) 

I pored velikog porasta u broju izgrađenih vetrenjača u svetu, njihov razvoj u pogledu rasta kapaciteta (instalisane snage) i efikasnossti rada odvijao se do sada prilično sporo:

- Vetrogeneratori kapaciteta 5MW, sa rotorom prečnika 126 metara, prvi put su instalisani u Evropi još 2005. godine; od kraja 2014. godine prototip najveće instalisane vetrenjače ima nominalni kapacitet od 8MW sa prečnikom rotora od 164 metra.

- Ova 5MW-126 metara prečnika vetrenjača iz 2005. godine je sa istim prečnikom rotora oglasena kasnije kao vetrenjaca nominalnog kapaciteta 6MW, a sa neznatno većim rotorom njen nominalni kapacitet je povećan čak na 7MW.

- Na tržištu se danas mogu naći i vetrenjače kapaciteta 2,7MW sa prečnikom rotora od 122 metra!

Ova zbunjujuća situacija oko različitog nominalnog kapaciteta vetrenjača sa istim prečnikom rotora zapravo je posledica korišćenja lokacija sa različitim brzinama i karakteristikama vetra, pa bi trebalo navesti par podataka o radu standardnih vetrenjača:

- Krila rotora kod standardnih vetrenjača obično počinju da se okreću pri brzinama vetra između 3 i 4 metra u sekundi (cut-in wind speed = 3-4m/sec, odnosno oko 12km/h); svoj puni radni kapacitet, odnosno projektovani (nominalni) kapacitet vetrenjače dostižu pri brzinama vetra od 12-17m/sec ili 40-60km/h (rated output wind speed); i prekidaju sa radom zbog bezbednosti kod brzine vetra od 25m/sec , odnosno oko 90km/h (cut-out wind speed). – (A)

- U radu vetrenjača na vetru brzine od 12m/sec, pa sve do 25m/sec, proizvodnja ostaje konstantna zato što se krila rotora vetrenjače zakošavaju prema vetru (‘pitching’ blades – smanjuje se njihova površina izložena vetru) da se nebi slomila.   

- Energija vetra zavisi od njegove brzine podignute na treći stepen – pa su i razlike u energetskim dobicima pri različitim brzinama vetra veoma velike. Tako, na primer, vetar brzine 12m/sec daje 8 puta više nergije po metru kvadratnom površine rotora od vetra brzine samo 6m/sec; vetar brzine 6m/sec daje za 30% više energije od vetra brzine 5,5m/sec, ali daje dva puta manje energije od vetra brzine 7,5m/sec.  

- Prilikom pretvaranja energije vetra u kružno kretanje rotora (kojim se dalje pokreću elektrogeneratori) – gubi se deo energije. Teoretski, od ukupne energije vetra može se dobiti samo 59% energije u kružnom okretanju rotora (Betz limit) – ali se u praksi dobija samo između 35% i 45%, zavisno od efikasnosti vetrogeneratora.

- Dužina aktivnosti vetra je isto tako značajan faktor u godišnjoj proizvodnji struje iz vetrenjača. Često je ukupna godišnja energija slabog vetra na nekoj lokaciji veća od ukupne godišnje energije brzog vetra na istoj lokaciji (jak vetar obično kraće traje) – pa se onda koriste vetrenjače prilagođene na slabiji vetar (koje imaju elektrogeneratore manje snage).   

- Za razliku od standardnih mašina, vetrenjače na slabi vetar imaju svoj nominalni kapacitet pri brzinama vetra od 6-7,6m/sec.

Lopatica dužine 60 metara bila je pre dve godine rekordno velika: foto, prikazivanje u Berlinu, juna 2013. lopatice od 60 metara na putu ka Nirnbergu gde je planirano da se ugradi u dotad najveći vetrogenerator u Nemačkoj

II – Pravci razvoja vetrogeneratora

Razvoj ekonomičnijih vetrogeneratora, koji bi proizvodili jeftiniju struju i bolje koristili lokacije sa različitim potencijalom vetra, odvija se danas u nekoliko pravaca:

II - A - Razvoj vetrogeneratora na slabi vetar (low wind speed turbine, large diameter turbines with low generator ratings):

- Kako na svetu danas ima sve manje dostupnih lokacije sa jakim i dugotrajnim vetrovima, raste interes za efektivnim korišćenjem lokacija sa slabim vetrom – kada se njegova aktivnost odvija u produženom periodu tokom godine i kada je njegova prosečna brzina na lokaciji 6-7,5m/sec. – (2-a, 2-b, 2-c) 

- “Developeri imaju tri opcije da ostvare ekonomičnu proizvodnju struje na lokacijama sa slabim i umerenim vetrom: da povećaju površinu rotora za postojeće uslove (for a given power rating); da postave rotor na više tornjeve; ili da kombinuju prethodna dva uslova, što u većini slučajeva nudi najbolje rešenje u smislu proizvodnje energije, izdržljivosti opreme i samog izgleda.” – (2-a)

- Tipičan dizajn vetrenjača na slabi vetar je u opsegu od 300W/m2 ili nešto manje, a za brzi vetar oko 600W/m2. – (2-b)

- Vetrenjače na slabi vetar imaju produžen period proizvodnje struje. – (2-b)

- IEC III klasa vetrogeneratora radi na vetar prosečne godišnje brzine od 6m/sec do maksimum 7,5m/sec na visini centra rotora. – (2-c)

Vetrenjace prve generacije, sa početka ovog veka, kapaciteta oko 2MW, obično su imale rotore prečnika 70-80 metara i postavljane su na lokacije sa jačim vetrom, snage (power rating) od oko 400-500 W/m2 (vati po metru kvadratnom). One su koristile jak vetar (high wind speed) ali i umereni (medium) i slabiji vetar (low) vetar – sa većim varijacijama u proizvodnji struje (što ima uticaja na stabilnost mreže).

- Vestas je bio prvi proizvođač koji je 2009. godine napravio vetrenjaču od 2MW (koja standardno ima rotor prečnika 80-90m) sa rotorom prečnika 100 metara – za smanjenu snagu vetra (specific power rating) od 223W/m2. 

- Američka firma GE je 2010-te godine napravila vetrenjaču nominalnog kapaciteta 1.6MW sa rotorom prečnika 100 metara – za slabi vetar snage (specific power rating) od samo 204W/m2.  

- General Electric (GE) je nedavno uveo u proizvodnju novi tip vetrenjače na slabi vetar, GE 1,7-100 (1,7MW kapaciteta sa rotorom prečnika 100 metara) ali za vetar snage 217W/m2 – koji proizvodi 6% više energije u poređenju sa prethodnim modelom GE 1,6-100, mereno pri prosečnoj brzini vetra od 7,5m/sec.

- Evropski proizvođač vetrenjača Nordex, proizvodi danas model za slabi vetar N117/2400 (prečnik rotora 117 metara za instalisanu snagu od 2,4MW) – za lokacije sa vetrom snage samo 223W/m2. 

- Evropska kompanija Alstom, uvela je u proizvodnju vetrenjače kapaciteta 2,7MW za slabi vetar, sa rotorom prečnika 122 metra – za lokacije sa vetrom snage od 231W/m2. – (2-a)

Ovo podešavanje za rad pri određenoj brzini vetra podrazumeva i određen odnos kapaciteta elektrogeneratora prema veličini rotora vetrenjače:

- Vetrenjače na slabi vetar, koji duva u dužem periodu tokom godine, imaju rotore većih prečnika, odnosno elektrogeneratore manjeg kapaciteta u odnosu na standardne vetrenjače na brzi vetar – ali kumulativno mogu da proizvedu više struje od njih pod određenim uslovima.

Problem: Glavni problem u korišćenju vetrenjača na slabi vetar je manja proizvodnja struje po jedinici površine rotora što onda traži veće rotore za istu količinu uhvaćene energije. Veći rotori imaju duža krila pa tako raste njihova masa (težina) i cena za istu količinu uhvaćene energije. Jednostavnije rečeno – rotori su skuplji za istu količinu proizvedene struje kao što su skuplji i sami tornjevi (zbog povećanja njihove visine).

Ovo zahteva prethodnu analizu povećanih troškova u odnosu na dobitke u energiji.

II - b - razvoj vetrogeneratora sa višim tornjevima – koji podižu rotore na veće visine (sa 80-90 m na 140 m) gde je brzina vetra veća, pa time i količina proizvedene struje.

- Godišnja proizvodnja energije vetra raste za približno 0,75-1% za svaki dodatni metar visine iznad tla – ali na to utiču specifični uslovi na lokaciji. – (2-a)

- U formuli za izračunavanje dobijene energije, brzina vetra učestvuje podignuta na treći stepen.

“Buduća generacija vetro-turbina sa uvećanim kapacitetom zahvatanja vetra i visinom centra rotora do 140 metara, mogla bi da omogući dodatne resurse vetro-potencijala… i skoro da utrostruči teritoriju pogodnu za korišćenje vetra – u poređenju sa tehnologijom vetrenjača iz 2008. godine…” – piše u američkom programu za korišćenje vetro-potencijala zemlje. – (3-a)

Problem: Sa porastom visine tornja njegova masa (težina) raste progresivno (ne linearno!) pa tako raste i trošak njegove gradnje: korišćenje viših tornjeva zahteva prethodnu kost-benefit analizu. Za povećanje visine tornjeva vetrenjača danas se posebno zalaže američka asocijacija za energiju vetra (AWEA). – (3-a). (3-b)

II - C - razvoj vetrogeneratora sa uvećanim rotorima:

Iako vetrenjače većeg kapaciteta proizvode jeftiniju struju, ovo pravilo važi samo do izvesne granice kapaciteta današnjih vetrenjača. Dalji porast njihovog kapaciteta suočava se sa problemom skale dis-ekonomije, jer težina (i cena) ključnih delova (krila rotora i tornjeva – koji su inače konzolni tip nosača) raste progresivno sa porastom njihove dužine.

Do sada najveća studija o tehničkim mogućnostima rasta kapaciteta vetrenjača, “UPWIND – ograničenja dizajna i rešenja za velike vetrogeneratore”, iz 2011. godine, nalazi da je moguća gradnja vetrenjača kapaciteta 20MW, sa rotorima prečnika 250 metara – ali je ostalo otvoreno pitanje njene ekonomičnosti. – (4)

Autori ove studije smatraju da razvoj ovako velikih vetrenjača zahteva prethodne ‘breakthrough innovations’ – odnosno radikalno-inovativan tehnološki prodor.

Problem: Iako su vetrogeneratori većeg kapaciteta ekonomičniji od manjih, u toj ekonomiji rasta njihovog kapaciteta postoji ‘zakon kvadrata i kuba’ (‘square-cube law’) koji postavlja ograničenja za njihov rast i ukazuje na problem dis-ekonomije u porastu kapaciteta vetrenjača.

Ovaj zakon kaže da količina sakupljene energije vetra kod vetrenjača zavisi, osim brzine vetra, od površine njegovog rotora tj. dužine poluprečnika rotora podignutog na kvadrat (pi er na kvadrat), gde je poluprečnik rotora zapravo dužina krila rotora vetrenjače – dok težina (i cena) ovog krila rotora vetrenjače raste sa približno trećim stepenom njegove dužine.

Primer:

- Moderna vetrenjača od 6 megavata obično ia prečnik rotora od 126 metara, gde krilo rotora ima dužinu od 61,5 metara (3 metra je prečnik hub-a tj. glave rotora) i težinu od oko 18 tona; vetrenjača od 8 megavata ima prečnik rotora od 164 metra i dužinu krila rotora od 80,5 metara – ali je njegova težina preko 30 tona!

- Za vetrenjaču od 20MW potreban je rotor od 250 metara, sa krilima rotora dužine od 125 metara i težine preko 90 tona!   

Krila rotora se inače prave od skupe plastične mase (obično poliestera) dok bi za vrlo velike rotore bilo neophodno korišćenje i karbonskih vlakana (tj. kombinovanje sa njima), koji su još skuplji. Već danas cena rotora iznosi od jedne petine do jedne četvrtine ukupne cene vetrenjače, dok bi za 20MW turbine cena rotora otišla na jednu trećinu njegove ukupne cene – što vodi ka dis-ekonomiji porasta kapaciteta vetrenjača.

Ni sa tornjevima nije bolja situacija.

Sa porastom kapaciteta vetrenjače (tj porastom prečnika rotora) raste i visina tornja, pa time progresivno rastu njegova težina i cena – što dodatno utiče na dis-ekonomiju rasta kapaciteta vetrenjača. Kućište sa rotorom na vrhu tornja vetrenjače teži više stotina tona, što nameće posebne zahteve u gradnji tornja.

Tornjevi današnjih vetrenjača se obično grade od prefabrikovanih cilindričnih segmenata dužine 30-40 metara, sa zidovima od čeličnih limova debljine 5-7,5 santimetara, a za velike tornjeve u kombinaciji beton-čelik (donji deo od betona).

Tornjevi vetrenjača su inače vitki, zbog ograničenja za prečnik njihovih cilindričnih segmenata u drumskom transportu – što za posledicu ima porast debljine njegovih zidova, odnosno povećanje njihove težine i cene.  

U slučaju korišćenja betona, koriste se prefabrikovani lučni segmenti dužine 30-40m od kojih se na lokaciji sastavljaju betonski cilindri većeg precnika, sa kojima se dalje gradi donji deo tornja. Iako je beton jeftiniji od čelika, njegovo korišćenje traži više rada na lokaciji i duže korišćenje kranova, što se odražava na cenu gradnje tornja.

Planirani porast kapaciteta vetrenjača i značajni porast prečnika njihovih rotora zahtevaju više tornjeve, visine preko 140 metara (za kapacitet od 20 MW biće potreban toranj visine preko 170 metara) – što će očigledno tražiti i drugačiju konstrukciju tornjeva.

Sledeći nastavak priloga:

BUDUĆNOST VETROGENERATORA – (2): INOVACIJE I PROBLEMI RAZVOJA       

Reference:

A./ - www.wind-power-program.com/turbine-characteristics.htm

B./ - Vetrogeneratori donose skuplju struju – (2/2): Analize

- www.balkanmagazin.net/nauka/cid144-112412/vetrogeneratori-donose-skuplju-struju-22-analize

1./ - V164-8.0 MW breaks world record for wind energy production –

- www.mhivestasoffshore.com/v164-8-mw-breaks-world-record-for-wind-energy-production/

- “MHI Vestas Offshore Wind’s v164-8.0 MW prototype set a new benchmark for power production recently when the turbine produced 192,000 kWh in a 24 hour period, enough to power approximately 13,500 Danish households, demonstrating the full capability of the world’s most powerful wind turbine.” (in October 2014)

2-a./ - Finding the optimum low-wind design combination –

- www.windpowermonthly.com/article/1187461/finding-optimum-low-wind-design-combination

2-b./ - Rated Power of Wind Turbines: What is Best? –  www.dewi.de/dewi_res/fileadmin/pdf/publications/Magazin_38/07.pdf

2-c./ - Silent wind power revolution: Turbines in low-wind areas -

- www.renewablesinternational.net/turbines-in-low-wind-areas/150/505/62498/

3-a./ - “Wind rush” underway across much of America –  www.awea.org/MediaCenter/pressrelease.aspx?itemNumber=7374

3-b./ - Wind Vision: A New Era for Wind Power in the United States –

www.awea.org/windvision

www.energy.gov/sites/prod/files/wv_executive_summary_overview_and_key_chapter_finding_final.pdf

4./ - UPWIND – design limits and solutions for very large wind turbines -

- www.ewea.org/publications/reports/upwind/

5./ - The Golden Quarter – by Michael Hanlon, December 2014

http://aeon.co/magazine/science/why-has-human-progress-groubd-to-a-halt/

5-a./ - The Great Stagnation – essay by the US economist Tyler Cowen, 2011

http://en.wikipedia.org/wiki/The_Great_Stagnation

6./ - Manipulacija i pad investicija u sektoru obnovljive energije –

- www.balkanmagazin.net/nauka/cid144-119592/manipulacije-i-pad-investicija-u-sektoru-obnovlive-energije

- Posle deset godina rada, efikasnost proizvodnje struje u prosečnoj vetrofarmi u Britaniji opada za trećinu…

- Službe za borbu protiv korupcije u Španiji sumnjaju da su zvaničnici regionalne administracije primili mito u iznosu oko 110 miliona evra od developera vetrogeneratora..