Nužno je novo promišljanje tornjeva i turbina vjetroelektrana

Uz pomoć istraživanja, novi materijali i dizajn mogu ovaj vodeći izvor obnovljive energije učiniti još zelenijim i jeftinijim

Na prvi pogled toranj vjetroturbine koji se uzdiže iz zelenog krajolika u švedskom gradu Skara izgleda kao svaki drugi. Doseže visinu od 105 metara, a na vrhu podržava poznati trio velikih rotirajućih oštrica.

Ali za razliku od većine tornjeva vjetroturbina, koji su izrađeni od čelika, ovaj je drven. Predstavlja prvu komercijalnu instalaciju švedske inženjerske tvrtke Modvion – i mogla bi ukazati na budućnost energije vjetra.

Visoko drvo

Kada je riječ o obnovljivoj energiji, drvo može učiniti energiju vjetra još zelenijom služeći kao materijal za tornjeve.

Štoviše, drvo može pomoći vjetroturbinama da postanu jeftinije i snažnije, pružajući ekonomski poticaj uz ekološki, prema riječima glavnog izvršnog direktora Modviona Otta Lundmana.

“Drveni turbinski tornjevi su lakši, modularniji i mogu se graditi viši od čeličnih tornjeva“, rekao je Lundman.

Modvion je dobio sredstva EU-a kako bi unaprijedio cilj vjetroturbina na velikim visinama s drvenim tornjevima. Projekt je trajao od listopada 2020. do rujna 2023. godine.

Toranj turbine Skara proizašao je iz projekta i izrađen je od lameliranog drva iz Modvionove tvornice u Göteborgu koja se nalazi oko 130 kilometara jugozapadno.

Izgradnja je trajala oko godinu dana i puštena je u rad za švedsku elektroprivredu Varberg Energi u veljači 2024. Vestas sa sjedištem u Danskoj isporučio je turbinu.

‘Izgradnja i projektiranje ovakvih tornjeva zahtijeva velika ulaganja‘, rekao je Lundman. ‘Financiranje EU-a bilo je ključno za razvoj ove tehnologije.‘

Važno se kretati u smjeru rasta

Energija vjetra posljednjih je godina brzo rasla diljem Europe i 2022. zadovoljila je 16% potreba EU-a za električnom energijom. Vjetar je također činio 37% električne energije proizvedene iz obnovljivih izvora u EU 2021.

Rekordnih 17 gigavata energije vjetra izgrađeno je u Europi 2023. godine, prema industrijskom udruženju WindEurope.

Unatoč tome, energija vjetra mora se dodatno proširiti kako bi EU ispunila ciljeve smanjenja emisija stakleničkih plinova za 55% 2030. u usporedbi s razinama iz 1990. i povećanja tržišnog udjela obnovljivih izvora energije na 42,5% na kraju desetljeća sa sadašnjih oko 23%.

Kako bi se postigli ti ciljevi, potrebno je izgraditi 30 gigavata vjetroturbina svake godine od sada do 2030.

Razmišljanje u nekim industrijskim krugovima je da su potrebni novi dizajni koji mogu povećati profitabilnost, pokrećući znanstvene napore.

‘Sektor energije vjetra napravio je sjajan posao u postupnom smanjenju troškova energije u posljednjim desetljećima‘, rekao je dr. James Carroll, izvanredni profesor na Sveučilištu Strathclyde u Velikoj Britaniji. ‘No poboljšanja troškova tradicionalnih turbina usporavaju. Zato moramo tražiti radikalnija poboljšanja.‘

Prebrojiti dobre strane

Tu obećava Modvionov drveni toranj vjetroturbine – iz tri važna ekonomska razloga.

Jedan ima veze sa snagom. Lamelirano furnirsko drvo koje koristi Modvion je 55% jače po težini od čelika koji se tradicionalno koristi u tornjevima vjetroturbina, prema informacijama iz tvrtke.

Modvion svoje izrađeno drvo naziva “ugljičnim vlaknima prirode”.

Drugi razlog za optimizam je težina. Drveni toranj za trećinu je lakši od usporedivog čeličnog i, kao rezultat toga, lakši je za transport.

Zatim je tu visina. Uz snagu i transportne prednosti drva, Modvion želi graditi više tornjeve.

“Što više idete, to više vjetra možete dobiti“, rekao je Lundman.

Šire osnove

Da biste razumjeli tehnički izazov s tornjevima, uzmite u obzir da su izgrađeni poput naopako okrenutog stošca: širi su dolje i uži na vrhu. Što je toranj viši, baza mora biti šira.

Tradicionalno, to se postiže slaganjem čeličnih cilindara jedan na drugi. Ali iznad određene visine tornja postaje gotovo nemoguće transportirati bazne cilindre preko cesta zbog njihove veličine i težine.

Nasuprot tome, drvena konstrukcija koristi ploče u obliku slova C, koje su zalijepljene zajedno kako bi oblikovale cilindar. To čini konstrukciju modularnijom, a otpremu dijelova puno lakšom – pomalo poput IKEA-e za tornjeve vjetroturbina.

Korištenje sličnih, modularnih čeličnih konstrukcija bilo bi neučinkovito jer bi se morale spajati vijcima, što bi znatno povećalo troškove, prema Lundmanu.

Klimatski reljef

Osim ekonomskih prednosti drva postoje i ekološke prednosti.

Drvo je bolje za klimu od čelika. Proizvodnja čelika je energetski intenzivna i uključuje izgaranje fosilnih goriva koja emitiraju stakleničke plinove.

‘Prelaskom s čeličnog na drveni toranj, smanjujete emisije iz proizvodnje tornja za 90 %‘, rekao je Lundman.

Budući da su šume važni skladišti ugljika, Modvion svoje drvo nabavlja iz onih kojima se održivo upravlja u Skandinaviji. Tornjevi tvrtke također se mogu reciklirati nakon stavljanja izvan pogona, nudeći još jedan zeleni dobitak.

Nakon financiranja EU-a, prioritet Modviona je povećanje proizvodnje.

‘Proizvodnja ovakvih drvenih tornjeva dosad se nije radila u industrijskim razmjerima‘, rekao je Lundman. ‘Mi smo, primjerice, morali sami napraviti strojeve za plastificiranje. Oni jednostavno nisu postojali za našu svrhu u ovim veličinama.‘

Rekao je da Modvion ima za cilj postaviti i pokrenuti tvornicu većeg volumena do 2027. Cilj je opskrbiti 10% globalnog tržišta energije vjetra unutar jednog desetljeća.

Ispitivanje turbine

Rad na sljedećoj generaciji opreme za energiju vjetra uključuje ne samo tornjeve, već i turbine.

Još jedan projekt koji financira EU ponovno je zamislio kako bi vjetroturbina mogla izgledati i kako bi radila.

Nazvan XROTOR, projekt je ispitivao izvedivost turbine s vertikalnom osi u kombinaciji sa sekundarnim rotorima s vodoravnom osi umjesto samo s konvencionalnom vodoravnom osi. Turbina s okomitom osi rotira oko svog tornja.

‘Ideja je stara više od 10 godina‘, rekao je William Leithead, profesor sustava i kontrole na Sveučilištu Strathclyde. “Vidio sam da vjetroturbine s okomitom osi bez sekundarnih rotora jednostavno ne mogu raditi na ekonomski učinkovit način i počeo sam razmišljati o rješenju.“

Leithead i Carroll vode projekt XROTOR, koji bi trebao završiti u travnju 2024. nakon tri godine i četiri mjeseca.

Iako se turbine s okomitom osi mogu postaviti bliže jedna drugoj, one imaju veliki nedostatak: njihove se lopatice okreću sporije. To povećava pogon turbine, veličinu vlaka i trošak za danu proizvedenu energiju, slabeći ekonomsku opravdanost takvog dizajna.

‘U osnovi, oni su preskupi za energiju koju proizvode‘, rekao je Leithead.

Rotor u obliku slova X

Kao odgovor, istraživači XROTOR-a prilagodili su koncept. Dizajnirali su turbinu s okomitom osi s primarnim rotorom u obliku slova X koji ima manje turbine s vodoravnom osi na vrhovima.

Sekundarni rotori vrte se vrlo brzo i stvaraju energiju turbine. Ovaj bi dizajn mogao kombinirati prednosti turbina s okomitom i vodoravnom osi.

“Ove turbine možete postaviti bliže jedna drugoj na pučini“, rekao je Leithead. ‘Konvencionalne turbine proizvode vjetar, što znači da ih ne možete postaviti preblizu ili će to utjecati na njihovu izvedbu.’

Trenutačno se vjetroelektrane guraju dalje u more kako bi se pronašle nepopunjena područja. To povećava troškove jer turbine moraju biti otpornije na ekstremne vremenske uvjete i potrebno je polagati više kabela.

Kad bi se turbine mogle postaviti bliže jedna drugoj, moglo bi se proizvesti više električne energije bliže obali.

‘Utjecaj ovoga mogao bi biti ogroman‘, rekao je Leithead. ‘Ovdje gledamo na uštedu troškova od 20% u usporedbi s turbinama slične veličine s vodoravnom osi.‘

Iako je prošao kroz simulacije, novi koncept tek treba biti izgrađen i testiran u stvarnom okruženju, tako da potencijalne prednosti tek treba dokazati.

Leithead i njegovi kolege pripremaju se podijeliti rezultate XROTOR-a i tražiti daljnje financiranje od privatnih i javnih investitora.

‘Trebat će najmanje četiri godine, a vjerojatno i više prije nego što vidimo ovaj koncept u stvarnom svijetu‘, rekao je Leithead. ‘To je radikalna nova ideja, ali to je ono što istraživanje čini tako zabavnim.‘

Ovaj je članak izvorno objavljen u Horizontu, časopisu za istraživanje i inovacije EU. Skraćen je i uređen radi stila i jasnoće.