Słońce zachodzi nad tymi turbinami, ale nie nad energią wiatrową, która w USA jest gotowa na gwałtowny wzrost popularności
Chyba jedną z największych ironii otaczających alternatywne źródła energii jest fakt, że wiele zastrzeżeń dotyczących energii wiatrowej skupia się na jej wpływie na środowisko naturalne. Jednak podczas gdy krytycy wyrażają swoje obawy na temat losu ptaków, widoków i hałasu, na horyzoncie ukazuje się o wiele większa przeszkoda – przeszkoda, której wielu ze zwolenników tego typu energii nie wzięło jeszcze pod uwagę. Wygląda na to, że energia wiatrowa staje się ofiarą swojego własnego sukcesu.
Światowy popyt na wyposażenie do korzystania z energii wiatrowej przekracza podaż – stwierdza John Dunlop, starszy inżynier ds. służb technicznych pracujący w Amerykańskim Zrzeszeniu Energetyki Wiatrowej (American Wind Energy Association – AWEA). Baza produkcyjna, która wytwarza olbrzymie podzespoły konstrukcyjne, łopaty wirników, generatory i skrzynie przekładniowe, składające się na dzisiejsze, zaawansowane technicznie turbiny wiatrowe, po prostu nie jest w stanie sprostać ilości planowanych i realizowanych instalacji. Dunlop podkreśla, że zakupione dziś turbiny wiatrowe zostaną prawdopodobnie dostarczone dopiero w roku 2011 lub 2012. Taki jest w tej chwili czas realizacji – dodaje.
Długość okresów realizacji zamówień potwierdzają także dostawcy kluczowych podzespołów. W większości przypadków prawdopodobny jest rok 2012 – nadmienia Parthiv Amin, prezes Winergy Drive Systems, firmy kontrolowanej przez Siemens Energy & Automation i producenta skrzyń przekładniowych oraz podzespołów do przenoszenia mocy wykorzystywanych w turbinach wiatrowych.
Znaczna część zamówień pochodzi z USA. Według AWEA, roczne tempo wzrostu wydajności energii wiatrowej wyniosło w USA 29 procent w 5-letnim okresie, kończącym się w roku 2007. Prognozy zrzeszenia podają, że moc zainstalowana wzrośnie z 17 000 MW pod koniec roku 2007 do 25 000 MW na początku bieżącego roku. Niemcy, aktualny światowy lider pod względem mocy zainstalowanej, pod koniec roku 2007 miały podłączone do sieci 22 000 MW. Już w bieżącym roku ponownie przejmiemy prowadzenie, które mieliśmy do roku 1997 – twierdzi Dunlop.
Obecny wzrost jest niewielki w porównaniu z tym, który mógłby mieć miejsce w nadchodzących dekadach. W tym roku, amerykański Departament Energii opublikował raport techniczny na temat przyszłości wykorzystywania wiatru jako źródła elektryczności w o wiele większym stopniu niż obecnie. Raport ten, zatytułowany „20% z energii wiatrowej do roku 2030: zwiększenie udziału energii wiatrowej w amerykańskiej produkcji prądu elektrycznego”, prognozuje, że, by osiągnąć wartość 20 procent, będziemy potrzebować 300 GW elektryczności generowanej z energii wiatrowej – dziś wskaźnik ten wynosi 1,5 procentu. Dunlop zaznacza, że branża energii wiatrowej już jest na dobrej drodze do osiągnięcia tego wzrostu wydajności, biorąc pod uwagę wskaźnik, jaki miał miejsce w roku 2007 i 2008.
W przypadku energii wiatrowej, faktycznie występują pewne bariery adopcyjne niezwiązane z łańcuchem dostaw podzespołów turbin. Na przykład, transport i instalacja turbin wiatrowych, które zazwyczaj osiągają dziś wysokość 100 m, a ich wirniki mają średnicę od 60 do 100 m, jest jedną z takich barier. Barierą jest także przesyłanie mocy za pośrednictwem istniejącej sieci energetycznej. Miejsca, w których wiatr wieje najsilniej, zazwyczaj nie znajdują się w pobliżu miejsc gęsto zamieszkanych – stwierdza Dunlop.
Analiza przeprowadzona niedawno przez Departament Energii przepowiada przyszłość, w której 20 procent wytwarzanej w USA energii elektrycznej będzie pochodzić z elektrowni wiatrowych.
Jednak bariery, które mogą okazać się najważniejsze dla inżynierów, można znaleźć na wydziałach projektowych i produkcyjnych. Dunlop wspomina szczególnie o braku „przyjaznych energii wiatrowej” skrzyń przekładniowych, generatorów i łożysk, który jest w chwili obecnej przeszkodą mogącą niekorzystnie wpłynąć na krótkoterminowy wzrost ilości energii wytwarzanej dzięki energii wiatrowej.
Nie jest to zresztą żadna niespodzianka. Podzespoły turbin wiatrowych mają o wiele więcej wspólnego z podzespołami wykorzystywanymi w branży lotniczej i kosmonautycznej, niż z podzespołami przemysłowymi. Weźmy na przykład skrzynie przekładniowe. Amin twierdzi, że turbina wiatrowa o mocy 1,5 MW byłaby wyposażona w skrzynię przekładniową o wadze 16 ton, posiadającą zarówno układ planetarny, jak i ślimakowy. W turbinie wiatrowej skrzynie przekładniowe zwiększają prędkość zamiast ją zmniejszać. Amin dodaje, że zazwyczaj przekształcają 70 lub 80 obrotów wirnika na minutę w około 1400 obrotów na minutę potrzebnych do napędzania generatora. Krótko mówiąc, skrzynie te muszą być duże i solidne.
Jednak muszą one być także możliwie najlżejsze, biorąc pod uwagę naprężenia, na działanie których są wystawione – a także wykonane z dokładnością większą, niż wiele zwykłych przemysłowych skrzyń przekładniowych. W branży przemysłowej dąży się do tego, by skrzynia przekładniowa była możliwie solidna. Stosuje się margines bezpieczeństwa rzędu 1,5 do 2,5 – nadmienia Amin. Jednak w przypadku turbiny wiatrowej, tak wysoki margines bezpieczeństwa spowodowałby niedopuszczalny wzrost wagi, który mógłby wpłynąć na projekt turbiny, dając cięższe sekcje masztu, fundamenty i łożyska. Z powodu ciężaru musimy projektować z marginesem cienkim jak ostrze brzytwy.
Zmniejszony margines bezpieczeństwa oczywiście zwiększa wymagania dotyczące analizy i budowy skrzyni przekładniowej – zwiększa je także fakt, że skrzynia spoczywa w gondoli, która może znajdować się nawet 100 m nad ziemią, pracuje w warunkach zmiennego obciążenia i możliwości jej konserwacji są ograniczone. Natura nie daje nam codziennie wiatru o takiej samej sile, zaś umiejscowienie wysoko na maszcie może zaowocować wszystkimi rodzajami efektów dynamicznych – stwierdza Amin. Wiąże się z tym ogrom wiedzy projektowej, która nie jest tak istotna na poziomie gruntu.
Przekładnie te są także trudniejsze w produkcji niż wiele małych modeli przemysłowych. Winenergy mierzy tolerancje dla niektórych powierzchni współpracujących, lokalizacji otworów oraz powierzchni czołowych zębów w tysięcznych milimetra i używa kół zębatych wykonanych w klasie AGMA 14 lub 15. Nasze podzespoły są wykonywane bardzo precyzyjnie, tak precyzyjnie jak podzespoły wykorzywykorzystywane w przemyśle lotniczym i kosmonautycznym, tyle że nasze są o wiele większe – twierdzi Amin.
Wiele z tych wyzwań natury projektowej i produkcyjnej dotyczy także łożysk i generatorów, które również muszą funkcjonować w takim samym środowisku, wysoko nad ziemią.
Więc co te problemy, związane z łańcuchem dostaw, oznaczają dla inżynierów i producentów? Dunlop uważa, że te same kwestie, które dziś stanowią wąskie gardło, w końcu stworzą nowe możliwości. Zauważa, że biorąc pod uwagę kody NAICS – w USA istnieje dziś 16 000 firm produkcyjnych, które mogłyby wytwarzać jeden lub więcej z ponad 8000 podzespołów, wchodzących w skład turbiny wiatrowej.
Gondola turbiny wiatrowej znajduje się 100 m nad ziemią, więc podzespoły systemu przenoszenia mocy muszą być solidne, ale jednocześnie lekkie.
Nie wszystkie z tych firm odniosą sukces w branży energii wiatrowej. Nie każdy może wytwarzać podzespoły do turbin wiatrowych – stwierdza Amin. W rzeczywistości może okazać się, że jest to zadanie tylko dla firm posiadających najsprawniejsze systemy produkcyjne. Wszystko to może ulec zmianie, gdy branża energii wiatrowej otrzyma zastrzyk finansowy. Amin twierdzi, że zaczyna dostrzegać „ogromne inwestycje” w ten rodzaj zaawansowanych możliwości produkcyjnych, jakie potrzebne są do rozładowania wąskiego gardła łańcucha dostaw związanego z energią wiatrową. Jego zdaniem, może to nastąpić już w 2011 roku.
Nawet gdy problemy natury produkcyjnej zostaną rozwiązane, energia wiatrowa stworzy prawdopodobnie pewną liczbę miejsc pracy dla inżynierów-projektantów. Dunlop szacuje, że scenariusz „20 procent elektryczności z energii wiatrowej” spowodowałby powstanie około 500 000 miejsc pracy związanych bezpośrednio bądź pośrednio z tą branżą, a – większość z nich stanowiłyby stanowiska techniczne. Dla inżynierów posiadających odpowiednie umiejętności, w tym umiejętność analizy precyzyjnych systemów przenoszenia mocy i napędu, energia wiatrowa obiecuje coś więcej, niż tylko powiew świeżego powietrza.
