Gigantyczna turbina wiatrowa General Electric, mogąca zasilić małe miasteczko w energię elektryczną, nakręca wyścig na polu energii odnawialnej.

Energetyka wiatrowa jest stosunkowo nową techniką produkcji energii elektrycznej, wyraźny trend wzrostowy trwa dopiero od początku XXI w. Między innymi dlatego ma jeszcze duży potencjał rozwoju, zarówno w zakresie samej technologii, jak również jej wdrażania i skalowania. W ciągu ostatnich 20 lat łączna globalna moc uzyskiwana z energetyki wiatrowej wzrosła niemal 30 000 razy. W 2001 na całym świecie energetyka wiatrowa dostarczała zaledwie 24 MW, by do 2019 roku osiągnąć już 650 000 MW.

Najsilniejszym impulsem do rozwoju energetyki wiatrowej była przyjęta przez wiele państw polityka przeciwdziałania zmianie klimatu. Początkowo marginalna, dzisiaj zaczyna odgrywać istotną rolę w Europie i na świecie. Branża zdaje się rozwijać w tempie dyktowanym przez rozmiary kolejnych generacji turbin. To właśnie na tym polu dokonuje się rewolucja w branży – w tej chwili za sprawą prototypu Heliade-X od General Electric, przedstawiciela nowej generacji turbin, branża zalicza kolejny ogromny skok.

Nad brzegiem morza w porcie w Rotterdamie wiruje turbina wiatrowa tak duża, że ​​aż trudno ją sfotografować. Średnica wirnika liczy 220 metrów – to więcej niż dwa standardowe boiska do piłki nożnej o długości 105 m. Kolejne modele będą wyższe niż jakikolwiek budynek w Europie Zachodniej.

Pierwsze turbiny wiatrowe instalowane na początku XXI w. produkowały zaledwie 0,3 MW. Helliade-X od General Electric ma produkować już 14 MW, co jest niemal 50-krotnym wzrostem wydajności pojedynczej turbiny. Taki wzrost efektywności był możliwy dzięki wzrostowi sprawności komponentów prądotwórczych, dokonaniach w dziedzinie inżynierii materiałowej, która pozwoliła na budowę lżejszych łopat, ale przede wszystkim – dzięki zwiększaniu rozmiarów samego wirnika. Ilość przechwyconej energii kinetycznej wiatru jest wprost proporcjonalna do powierzchni wirnika przez który przepływa powietrze. Przez dwie dekady rozwoju wirniki powiększyły swoje rozmiary wielokrotnie, od 27 metrów średnicy do ponad 200 w przypadku Helliade-X.

Rysunek 1. Postęp w parametrach turbin wiatrowych jest imponujący. Źródło

Wypełniona czujnikami zbierającymi dane na temat prędkości wiatru, produkcji energii elektrycznej i naprężeń w jej komponentach, gigantyczna turbina w Holandii jest modelem testowym dla nowej serii gigantycznych morskich turbin wiatrowych planowanych przez General Electric. Wiatraki tych rozmiarów połączone w sieć mają potencjał, aby zasilać całe miasta, zastępując wysokoemisyjne elektrownie węglowe lub gazowe, stanowiące szkielet wielu dotychczasowych systemów elektroenergetycznych.

General Electric nie zainstalował jednak jeszcze żadnej turbiny tego typu w swoim docelowym miejscu – na morzu. Jako stosunkowo nowy gracz w branży morskiej energetyki wiatrowej, firma staje przed pytaniami o to, jak szybko i skutecznie może zwiększyć produkcję, aby zbudować i zainstalować setki turbin.

Gigantyczne turbiny już zwróciły na siebie uwagę w branży. Jeden z dyrektorów wiodącego na świecie dewelopera farm wiatrowych określił je jako „przełomowe”. Analitycy przyznają, że rozmiar nowego modelu od GE, jak i wyniki przedsprzedaży „wstrząsnęły branżą”.

Nowa generacja turbin wiatrowych

Nowa morska turbina wiatrowa firmy General Electric, Haliade-X, jest największą, jaką kiedykolwiek zbudowano.

Prototyp Halliade-X jest pierwszą turbiną nowej generacji, będących o jedną trzecią mocniejsze od największych dotychczas stosowanych na rynku. Zmienia to dotychczasowe założenia odnośnie potencjału energetycznego i ekonomicznego tego sektora energetyki.

Maszyny GE będą miały moce wytwórcze, które jeszcze dziesięć lat temu były prawie niewyobrażalne. Pojedyncza turbina będzie, w zależności od modelu, wytwarzać 12-14 MW mocy. W wersji 14 MW, przy współczynniku wykorzystania mocy na poziomie 60-64%, pozwoli to wyprodukować rocznie ok. 75 GWh prądu (to 0,5‰ całości polskiego zużycia prądu).

Wyścig w budowie coraz większych turbin postępuje nawet szybciej, niż przewidywało wiele osób z branży. GE Haliade-X generuje prawie 30 razy więcej energii elektrycznej niż pierwsze maszyny morskie zainstalowane u wybrzeży Danii w 1991 roku.

Według planów GE turbiny Heliade-X, będące w stanie wytworzyć moc odpowiadającą czterem silnikom odrzutowym Boeinga 747, będą instalowane na morzu, gdzie można budować większe i liczniejsze turbiny niż na lądzie, oraz wykorzystywać mocniejszy i bardziej regularny wiatr. Moc Helliade-X pomoże zwizualizować następujące porównanie – jeden obrót wirnika wyprodukuje tyle energii ile zużywa przeciętne gospodarstwo domowe w Wielkiej Brytanii przez 2 dni. Zaskakujący może się wydawać fakt że obecnie głównym czynnikiem hamującym dalszy wzrost wielkości turbin jest ich transport na miejsce docelowe. Łopat wirnika nie można składać na miejscu, muszą w jednym kawałku trafić z fabryki. W przypadku Helliade-X są to już elementy o długości przekraczającej 100 metrów. Dlatego też fabryki łopat wirnika prawdopodobnie będą ulokowane nad brzegiem morza, co pozwoli składać je niemalże na miejscu i wyeliminuje to konieczność ich przewożenia za pomocą transportu kołowego. Gotowe komponenty będą załadowywane bezpośrednio na statki instalujące je na morzu.

Instalacja turbin na morzu niesie ze sobą szereg nowych komplikacji, ale z drugiej strony pozwala uniknąć wielu ograniczeń, które dotyczą turbin wiatrowych na lądzie. Istotnym czynnikiem jest hałas wytwarzany przez łopaty wirnika. Na lądzie w celu redukcji hałasu stosuje się konstrukcję, która ogranicza maksymalną prędkość obrotową, powyżej której generowany hałas przekroczyłby dopuszczalne normy. Turbiny instalowane na morzu nie będą podlegały tym ograniczeniom, dzięki czemu będą mogły wirować szybciej, co przełoży się na kolejne wzrosty mocy generowane przez pojedyncze turbiny.

„W nadchodzących latach klienci prawdopodobnie zgłoszą zapotrzebowanie na jeszcze większe turbiny” - mówią przedstawiciele branży. Z drugiej strony przewidują, że podobnie jak samoloty komercyjne osiągnęły szczyt w przypadku Airbusa A380 , turbiny osiągną punkt, w którym dalsze zwiększanie rozmiaru nie będzie już mieć sensu ekonomicznego.

„Osiągniemy plateau; choć nie wiemy jeszcze kiedy i na jakim poziomie”- powiedział Morten Pilgaard Rasmussen, dyrektor ds. morskiej technologii wiatrowej firmy Siemens Gamesa Renewable Energy, wiodącego producenta turbin morskich.

Chociaż turbiny morskie stanowią obecnie tylko około 5 procent zdolności wytwórczych całej branży wiatrowej, to oczekuje się, że w nadchodzących latach ich rola znacząco wzrośnie.

Technologia offshore przyjęła się w Europie Północnej w ciągu ostatnich trzech dekad, a obecnie rozprzestrzenia się na wschodnie wybrzeże Stanów Zjednoczonych, a także w Azji, w tym w Chinach, Republice Korei i na Tajwanie. Wielkie projekty kosztujące miliardy dolarów, które są możliwe na morzu, przyciągają dużych inwestorów, w tym firmy naftowe, takie jak BP i Royal Dutch Shell, które w obliczu coraz wyraźniejszej transformacji od paliw kopalnych w kierunku zielonej energii odnawialnej chcą szybko rozwinąć swoją ofertę w tym zakresie. Według Międzynarodowej Agencji Energetycznej inwestycje kapitałowe w morską energię wiatrową w ciągu ostatniej dekady wzrosły ponad trzykrotnie i osiągnęły poziom 26 miliardów dolarów rocznie.

GE zaczęło wkraczać w energetykę wiatrową w 2002 r., kiedy na aukcji upadłościowej kupiło dział turbin lądowych Enron. GE dostrzegło nowy rosnący rynek, wtedy z zaledwie kilkoma poważnymi konkurentami.

Od 2015 roku GE podwoiło rozmiary największej turbiny, jaką mieli w swojej ofercie. Wcześniej była to turbina, która trafiła do GE po przejęciu Alstomu w 2015 roku. Celem było zdobycie przewagi nad głównymi konkurentami – Siemens Gamesa oraz Vestas Wind (producent turbin z siedzibą w Danii).

Większa turbina wytwarza więcej energii elektrycznej, a tym samym zapewnia większe dochody niż jej mniejszy odpowiednik. Rozmiar pomaga również obniżyć koszty budowy i utrzymania farmy wiatrowej, ponieważ do wytworzenia określonej ilości energii potrzeba mniej turbin.

Te cechy stanowią silną zachętę dla deweloperów do wybierania największej dostępnej maszyny, aby pomóc im w wygrywaniu aukcji na umowy dotyczące dostaw energii morskiej, przyjęte w wielu krajach. Aukcje te różnią się między sobą, ale firmy konkurują o dostarczanie energii głównie na polu najniższej ceny wytwarzania energii.

„Szukają turbiny, która pozwoli im wygrywać te aukcje” – powiedział Vincent Schellings, kierujący projektowaniem i produkcją turbiny GE. „Rozmiar turbiny odgrywa tutaj bardzo ważną rolę”.

Jednym z pierwszych klientów GE jest Orsted, duńska firma będąca największym na świecie deweloperem morskich farm wiatrowych. Ma przedwstępną umowę na zakup około 90 maszyn Haliade-X do projektu Ocean Wind off Atlantic City, NJ.

„Myślę, że zaskoczyli wszystkich, kiedy ogłosili plany budowy tak dużych turbin” - powiedział David Hardy, dyrektor naczelny firmy Orsted na Amerykę Północną.

Zdaniem analityków turbina GE sprzedaje się lepiej niż oczekiwali konkurenci.

W grudniu 2020 r. GE zawarło kolejną wstępną umowę na dostawę turbin dla Vineyard Wind, dużej farmy wiatrowej w Massachusetts, i ma umowę na dostawę 276 turbin do prawdopodobnie największej na świecie farmy wiatrowej w Dogger Bank w Wielkiej Brytanii.

Transakcje te, wraz z towarzyszącymi im kontraktami konserwacyjnymi, mogą łącznie osiągnąć wartość 13 miliardów dolarów, szacuje Shashi Barla, główny analityk wiatrowy w zajmującej się badaniami rynku firmie Wood Mackenzie.

Trzęsienie ziemi na rynku turbin wiatrowych wywołane przez Haliade-X zmobilizowało konkurencję. Siemens Gamesa ogłosił serii konkurujących turbin. Vestas zaś, do niedawna producent największej maszyny w branży, wkrótce zaprezentuje nowy model.

„Nie podjęliśmy tego kroku jako pierwsi, ale oczywiście musimy dołączyć do wyścigu” – powiedział Henrik Andersen, dyrektor naczelny Vestas o nowej generacji turbin.

Aby dokonać rewolucji, GE musiało zacząć „prawie od zera”, powiedział Schellings. GE Renewable Energy wydaje 400 milionów dolarów na działania w obszarze badań i rozwoju oraz na dostosowanie swoich fabryk w St. Nazaire i Cherbourg we Francji do produkcji większych turbin. Aby stworzyć łopatę wirnika o tak niezwykłej długości, która nie wygina się pod własnym ciężarem, GE współpracował z projektantami z LM Wind Power, producentem łopat wirnikowych w Danii, który firma kupiła w 2016 roku za 1,7 mld dolarów. Wśród ich innowacji jest materiał łączący włókno węglowe i włókno szklane, który jest lekki, a jednocześnie mocny i elastyczny.

GE nadal musi wypracować sposób wydajnej produkcji dużej liczby maszyn, początkowo w fabrykach we Francji, a być może później w Wielkiej Brytanii i Stanach Zjednoczonych. Mając umiarkowane doświadczenie w morskich farmach wiatrowych, GE musi również wykazać, że może niezawodnie instalować i konserwować duże maszyny na morzu, korzystając ze specjalistycznych statków i radząc sobie z trudną pogodą.

„GE musi wiele udowodnić właścicielom aktywów, aby decydowali się zakupić turbiny GE” - powiedział Barla.

Wprowadzenie na rynek większych turbin było łatwiejsze i tańsze dla Siemens Gamesa, kluczowego rywala GE, który już buduje prototyp nowej i mocniejszej maszyny w swoim kompleksie morskim w Brande na duńskim półwyspie Jutlandzkim. Coraz większe modele firmy bazują na sprawdzonych wzorcach. „Podstawy maszyny i sposób jej działania pozostają takie same” - powiedział Rasmussen, dyrektor ds. technologii.

John Lavelle, dyrektor generalny działu offshore GE, zauważa, że prognozy dla rynku „z każdym rokiem rosną”.

Duże pole do poprawy efektywności energetyki wiatrowej upatruje się również w zastąpieniu włókna szklanego włóknami węglowymi, które lżejsze i mocniejsze.

Prognozuje się że w przeciągu kilku lat, przy zachowaniu obecnych trendów – energia wiatrowa stanie się tańsza niż energia węglowa, co wywoła naturalny impuls ekonomiczny do wypierania energetyki konwencjonalnej bazującej na paliwach kopalnych.

Wygląda na to, że jest dużo miejsca na konkurencję i związany z nim dalszy szybki postęp w rozwoju technologii.

Więcej na temat wielkich turbin wiatrowych obejrzysz np. tutaj

Bartosz Samołyk na podst. A Monster Wind Turbine Is Upending an Industry, Haliade-X offshore wind turbine