توربین‌های بادی نسل جدید آسمان‌خراش‌ها

اختصاصی شبکه علمی ثریا- توربین های بادی در حال حاضر به اندازه یک آسمان خراش هستند. آیا محدودیتی برای افزایش حجم آنها وجود دارد؟ در سال ۲۰۲۳ در حدود ۱۰۰ مایلی سواحل شمال شرقی انگلستان، بزرگترین توربین های بادی جهان شروع به تولید برق خواهند کرد. در اولین مرحله توسعه مزرعه بادی دور از ساحل از هالیاد ایکس جنرال الکتریک استفاده می‌شود توربینی که بیش از یک چهارم کیلومتر از سطح دریا تا بالاترین نقطه یعنی نوک تیغه ارتفاع دارد. اگر یکی را در لندن قرار دهید، سومین سازه بلند شهر خواهد بود. هر یک از سه تیغه آن بلندتر از ارتفاع برج ساعت بیگ بن خواهند بود و (Dogger Bank) در نهایت نزدیک به ۳۰۰ عدد از این غول ها را در اختیار خواهد داشت. تنها دو دهه از ساخت اولین مزرعه بادی دریایی مناسب در بریتانیا در سواحل شمال ولز می گذرد. توربین‌های آن هر کدام می‌توانستند ۲ مگاوات (MW) برق در شرایط ایده‌آل تولید کنند که در آن زمان بسیار زیاد به حساب می‌آمد. در مقابل (Haliade X) فقط قادر به تولید ۱۳ مگاوات برق هستند و با توربین‌های ۱۵ مگاواتی تنها یک یا دو سال دیگر فاصله دارند. پس چرا اندازه توربین ها با چنین سرعتی افزایش می یابد و آیا محدودیتی برای بزرگ شدن آنها وجود ندارد؟ به طور خلاصه باید محدودیتی وجود داشته باشد اما هنوز هیچ کس اندازه ای برای آن قرار نداده است.

توربین های بزرگ، برق ارزان:

 پنج سال پیش، صنعت بادی فراساحلی امیدوار بود تا سال ۲۰۲۰ قیمت انرژی خود را به کمتر از ۱۰۰ پوند در هر مگاوات ساعت در پروژه‌های جدید در آب‌های بریتانیا کاهش دهد. حتی در آن سطح پروژه‌ها در مقایسه با سایر انواع تولید برق همچنان به یارانه‌های دولتی برای مقرون‌به‌صرفه‌سازی اقتصادی متکی بودند. اما در واقع هزینه‌ها به سرعت کاهش یافت تا جایی که توسعه‌دهندگان مزرعه بادی فراساحلی به زودی متعهد شدند برق خود را با قیمت‌های بسیار پایین‌تر بفروشند. امروزه، توسعه‌دهندگان در حال ساخت مزارع بادی مانند (Dogger Bank) هستند که در آن متعهد به قیمت‌های زیر ۵۰ پوند در هر مگاوات ساعت هستند. این امر باعث رقابت توربین های بادی فراساحلی با دیگر اشکال تولید برق می شود و به طور موثر نیاز به یارانه را از بین می برد. عامل اصلی در کاهش این هزینه‌ها اندازه توربین بود. توربین‌های بزرگ‌تر سریع‌تر از آنچه که همه در این بخش انتظار داشتند وارد بازار شدند.

تیغه ها نمی توانند خیلی سریع بچرخند

در تئوری، توربین ها می توانند بزرگتر شوند. به هر حال یک تیغه بزرگتر در حین چرخش انرژی را از باد در ناحیه وسیع تری استخراج می کند که الکتریسیته بیشتری تولید می کند. اما برخی از محدودیت های مهندسی وجود دارد. یکی مربوط به فرسایش تیغه ها در اثر برخورد آنها با قطرات باران و آب دریا است. برای طراحی های فعلی، سرعت نوک تیغه ها باید به ۹۰ متر در ثانیه محدود شود (که با سرعت کمتر از ۲۰۰ مایل در ساعت کار می کند) تا از فرسایش جلوگیری شود. بنابراین، با بزرگ‌تر شدن توربین‌ها و بلندتر شدن پره‌ها، روتورهای آن‌ها باید آهسته‌تر بچرخند. نتیجه کاهش سرعت روتور این است که برای تولید همان مقدار نیرو، پره ها باید باد را تا حد بیشتری منحرف کنند. این منجر به افزایش شدید نیرو در کل توربین می شود. ما می توانیم این نیروهای بالا را تنها با افزایش وزن وهزینه توربین برطرف کنیم  و این بدان معناست که نقطه‌ای که در آن توربین بی‌سود می‌شود و در آن هزینه اضافی دیگر برای ارزش برق اضافی تولید شده وجود ندارد خیلی زودتر از زمانی که فکر می کنیم فرا می‌رسند. همچنین با بلندتر شدن تیغه ها انعطاف پذیرتر می شوند. این امر کنترل کامل آیرودینامیک جریان باد در اطراف آنها را دشوارتر می کند و اطمینان از برخورد پره ها به برج توربین در شرایط باد شدید دشوارتر می شود.

محدودیت های لجستیکی:

با این حال، چالش‌های مهندسی مانند این را می‌توان در بلندمدت حل کرد. این بدان معناست که توربین‌های بادی به‌جای هرگونه محدودیت فیزیکی در طراحی توربین، احتمالاً از نظر اندازه توسط تولید، نصب و مسائل عملیاتی محدود می‌شوند. فقط حمل پره ها و برج ها از کارخانه به محل دیگر و مونتاژ توربین وقتی به آنجا می رسید چالش های بزرگی را به همراه دارد. هر یک از آن تیغه های با اندازه بزرگ باید به صورت یک تکه ارسال شود. این به بنادر عظیم، کشتی‌های غول‌پیکر و جرثقیل‌هایی نیاز دارد که بتوانند با خیال راحت و قابل اطمینان در دوردست‌ها و دور از ساحل کار کنند. این جایی است که به احتمال زیاد محدودیت از آنجا حاصل می شود.

شما می توانید این محدودیت ها را در عمل در بریتانیا مشاهده کنید، که توسط دریاهای بادخیز و کم عمق احاطه شده است که برای تولید انرژی عالی هستند. با وجود این بریتانیا احتمالاً هدف بلندپروازانه خود را برای بیش از سه برابر کردن ظرفیت بادی فراساحلی خود تا سال ۲۰۳۰ از دست خواهد داد. این به دلیل فناوری یا کمبود سایت های خارج از کشور نیست. صنعت قادر به تولید سریع توربین نخواهد بود و زیرساخت بندر و تعداد کشتی ها و جرثقیل های مناسب و کارگران با مهارت های لازم بعید است کافی باشد.

بنابراین، اگر بریتانیا می‌خواهد از آنچه تاکنون یک موفقیت فوق‌العاده برای اقتصادش بوده به حداکثر برسد، تمرکزشان اکنون باید از کاهش هزینه‌های خالص به توسعه مهارت‌های کارگران و زنجیره تامین در خارج از ساحل تغییر یابد. ما مطمئن هستیم که توربین‌ها بزرگ‌تر خواهند شد، اما گمان می‌کنیم دارای سرعت کمتری نسبت به آنچه در سال‌های اخیر دیده‌ایم داشته باشند.  اگر توربین ها در فاصله ۱۰۰ مایلی دور از ساحل مستقر شوند آیا کسی اهمیت می دهد؟ به هر حال، عموم مردم برای دیدن آنها حضور نخواهند داشت.