Pływające turbiny wiatrowe

Pływające turbiny wiatrowe

Paul D. Sclavounos, profesor technologii budowy maszyn i budowy okrętów na Massachusetts Institute of Technology (MIT), bada możliwość wykorzystania pływających platform jako podstaw pod ogromne turbiny wiatrowe. Instalacje byłyby na tyle wydajne, że energia przez nie wytworzona wystarczyłaby na zasilenie kilkunastu tysięcy domów. Oryginalność tej koncepcji polega na tym, że turbiny znajdowałyby się na pełnym morzu, a nie jak dotychczas, kilkanaście metrów od brzegu. Umieszczenie turbin na specjalnych platformach, dryfujących setki mil od brzegu, pozwoliłoby na czerpanie energii ze znacznie silniejszych i mniej zmiennych wiatrów, niż ma to miejsce w strefie przybrzeżnej.

We współczesnych konstrukcjach przybrzeżnych elektrowni wiatrowych, turbiny umieszcza się na wieżach zakotwionych głęboko w dnie morskim. Głębokość wody w miejscu, w którym postawiona jest wieża, może wynosić maksymalnie około 15 metrów. Zmusza to konstruktorów do umieszczania elektrowni stosunkowo blisko brzegu, co z kolei może wzbudzać niezadowolenie lokalnych społeczności.

Sclavounos od lat zajmuje się konstruowaniem i analizowaniem dużych konstrukcji pływających stosowanych przy głębinowych poszukiwaniach ropy i gazu. Mając na uwadze kontrowersje, jakie wzbudzają przybrzeżne elektrownie wiatrowe, postanowił znaleźć rozwiązanie, które pozwoliłoby na umieszczenie wiatraków daleko od brzegu, gdzie są lepsze warunki do produkcji energii z wiatru, a ingerencja w krajobraz naturalny traci swój charakter.

W 2004 roku Sclavounos wraz z współpracownikami z MIT i ekspertami od turbin wiatrowych z National Renewable Energy Laboratory (NREL) prowadzili badania mające na celu znalezienie stabilnej podstawy pływającej dla turbin. W wyniku konsultacji zdecydowano się na użycie systemu o nazwie tension leg platform – TLP (platforma o naprężonych podporach). Rozwiązanie to wykorzystuje długie stalowe liny do przymocowania naroży platformy do masywu betonowego, albo innego systemu cumującego znajdującego się na dnie morza. Taka konstrukcja jest dużo tańsza, ponieważ zamiast kosztownego procesu stawiania wież pod turbiny na dnie morza, korzysta się z darmowych praw fizyki, a konkretnie z zjawiska wyporu hydrostatycznego.

Z analiz przeprowadzonych przez zespół Sclavounosa wynika, że turbina umocowana na platformie mogłaby pracować na wodach o głębokości od 30 do 200 metrów. Umieszczona na północno-wschodnim wybrzeżu Stanów Zjednoczonych mogłaby pracować w odległości od 50 do 150 kilometrów od brzegu. Dodatkową korzyścią płynącą z nowego rozwiązania jest możliwość zastosowania znacznie większych turbin, niż w tradycyjnych elektrowniach wiatrowych. Większa turbina oznacza wytworzenie większej mocy. Prototypowa turbina, którą naukowcy chcą umieścić na platformie, ma mieć moc 5 MW. Dla porównania turbiny używane na lądzie mają 1,5 MW mocy, a stosowane w tradycyjnych przybrzeżnych elektrowniach wiatrowych 3,6 MW.

Sclavounos wraz z współpracownikami zaprojektowali konstrukcję tak, aby montaż turbiny na platformie był możliwy na lądzie. Rozmiary całej konstrukcji (wieża o wysokości 90 metrów i rotor o średnicy około 140 metrów) powodują, że montaż na pełnym morzu byłby nieopłacalny. Skompletowaną konstrukcję odholowywałby na miejsce przeznaczenia holownik. Dla zachowania stabilności całej jednostki, zbiorniki wewnątrz platformy obciążałoby się wypełniając je betonem i wodą. Po dotarciu na miejsce platforma byłaby przytwierdzana za pomocą haka do zamocowanych wcześniej lin stalowych. Następnie ze zbiorników wewnątrz platformy wypompowywana byłaby woda. Dzięki temu cała konstrukcja byłaby wypierana na powierzchnię wody, a przytrzymujące ją liny naprężyłyby się usztywniając całość konstrukcji.

Zastosowanie lin mocujących pozwala platformie na ruch poziomy, natomiast eliminuje ruch pionowy. Dzięki temu całość jest stabilna. Według symulacji komputerowej, podczas huraganu platforma o średnicy około 30 metrów przemieściłaby się o 1 do 2 metrów, a końce turbiny pozostałyby w bezpiecznej odległości od nawet największych fal. Pomimo tego konstruktorzy chcą jeszcze bardziej ograniczyć ruch boczny platformy. Mają temu służyć specjalne tłumiki drgań, podobne do tych używanych w wieżowcach w celu zminimalizowania kołysania budynku wywołanego silnymi podmuchami wiatru, albo trzęsieniem ziemi.

Sclavounos szacuje koszty zbudowania i zainstalowania systemu stabilizującego konstrukcję na jedną trzecią tego, ile trzeba zainwestować w wieżę o konstrukcji kratowej, jaką stosuje się obecnie w instalacjach głębinowych. Z kolei koszt zamocowania lin, instalacji systemu elektrycznego i podciągnięcia kabla do brzegu nie odbiega znacząco od bieżących standardów. Dzięki silnym wiatrom od lądu, turbina znajdująca się na pełnym morzu powinna rocznie produkować dwa razy tyle energii (na megawat mocy zainstalowanej), ile stosowane obecnie elektrownie przybrzeżne i lądowe. Na jej korzyść przemawia również fakt, że nie jest na stałe przymocowana do dna morskiego i może zostać przemieszczona w miejsca, w których akurat jest większe zapotrzebowanie na energię.

Zachęcony pozytywnym odbiorem swojej konstrukcji przez firmy energetyczne, Sclavounos planuje zainstalować na południe od Cape Cod prototyp o wymiarach dwa razy mniejszych od jednostki docelowej. Naukowiec ma nadzieję, że zachowanie prototypu potwierdzi wyniki symulacji i pomoże w dalszej ewolucji tego rozwiązania.

(au)