SG.hu
Egyre nagyobbak a szélturbinák
A nagyobb jobb, de a méretnövekedés már gazdaságossági és logisztikai határokat feszeget.
A fosszilis tüzelőanyagokról való leszokásért folytatott versenyben a napfény és a szél bizonyult a legjobb esélynek a tiszta energia biztosítására. (Egy vízerőműhöz megfelelő földrajzi adottság kell.) Az elmúlt években a szélturbináknál hatalmas javulást sikerült elérni, főként azáltal, hogy hatalmasak lettek. Megítélésüknél két kulcsfontosságú tényezőt kell szem előtt tartani: az első a szél sebessége, mert a teljesítményük a légáramlás sebességével hatványozottan nő, megduplázása nyolcszorosára növeli a teljesítményt. A második a turbinalapátok mérete, mert az átmérő megduplázása négyszeresére növeli a rendelkezésre álló teljesítményt.
A nagyobb turbinák építése mindkét körülményt kihasználja. Ha magasabbra megyünk, általában erősebben fúvó szélhez jutunk és több hely áll rendelkezésünkre a hatalmas lapátok megépítéséhez, amelyek kihasználják ezt a nagyobb szélerősséget. Számokban kifejezve egy 57 méter magas szélturbina körülbelül 1 MW-ot, míg egy 95 méter magas turbina 3 MW-ot tud termelni, azonban egy 120 m magas turbina már 17 MW-ot(!) nyújt. Ez az alapkoncepció vezérelte a szélturbina-iparág elmúlt három és fél évtizedét, mert minél nagyobb a turbina, annál nagyobb az energiahozam. Van azonban egy probléma: ahogy magasabbra megyünk, a dolgok bonyolulttá válnak.
A gazdaságosság ugyan évek óta a növekedés mellett szól, de a jelenlegi méret lassan eléri azt a pontot, amikor a nagyobb turbinák megépítéséhez szükséges infrastruktúra többe kerülhet, mint amennyit termelni képes. Egy 2022-es tanulmány szerint a 120 méter az optimális magasság a modern turbináknál, utána a növelésnek már nincs értelme. Szárazföldi telepítésnél továbbá hatalmas kihívás a szállítás, azaz az alkatrészek gyárból a helyszínre juttatása. Ezeket a lapátokat nem lehet szétszedni, és méretükből fakadóan nem lehet őket aluljárókon, hidakon és autópályákon szállítani.
A megoldás a moduláris építés és az alkatrészek helyszíni gyártása lehet, de ehhez még drága fejlesztések kellenek. A csőgyártásból kölcsönzött technológia például lehetővé teszi egy spirálhegesztett szélturbina-torony megalkotását, amelyet aztán a helyszínen alakítanak toronnyá. Ez megoldja a szállítási problémát (legalábbis a torony esetében) és lehetővé teszi a turbinák nagyobbra növelését. A lapátok kérdése bonyolultabb, de már vizsgálnak olyan rugalmas lapátokat, amelyek akár 13°-kal meghajolhatnak. Persze ez problémákat is okoz, mert nagyobb kihívást jelent a szabályozásuk és a terhelések mérséklése, hogy a várt teljesítményt adják le.
A turbinák növekedésével lépést tartani tudó, elég nagy darukból is kevés van, és messze nem nőnek olyan gyorsan, mint a tornyok. Aztán ott van még az engedélyezés kérdése, ami általában nagyon lassú, Franciaországban akár 7 évig is tart. Ez ebben az iparában két generációt jelent. Mire a projekt megkapja az engedélyt, a tervezett turbinák már nem feltétlenül léteznek. A vállalatok a magasabb és hatékonyabb turbinákhoz új engedélyt kell kérjenek, de ez azzal a kockázattal jár, hogy az engedélyezési szakasz még több időt vesz igénybe. A jó hír az, hogy az európai kormányok tisztában vannak azzal, hogy ez egy rendkívül hibás stratégia, és jelentősen rövidíteni akarják az engedélyezési határidőket - ez egy kis pozitív hozadéka az Oroszország ukrajnai inváziója által okozott energiaválságnak.
Egy másik kormányzati korlátozás a csúcsmagasságra vonatkozik, azaz a turbina teljes csúcsmagasságára, beleértve a lapátokat is. Ezt Írország alkalmazza a helyi közösségek védelme érdekében. 2019 végén az ország a 2006-os zajvédelmi előírásait kibővítve úgy rendelkezett, hogy a szélturbinákat a településektől távolabb kell elhelyezni. A szélerőmű és a legközelebbi lakóház közötti kötelező legkisebb távolság 500 méter, de a csúcsmagasság legalább négyszerese. Ez azt jelenti, hogy egy 180 méteres szélturbinának legalább 720 méterre kell lennie a legközelebbi lakástól.
A turbinákat az utaktól és vasútvonalaktól is távol kell tartani, mégpedig a csúcsmagasság plusz 10 százalékos távolsággal. Ezek és más csúcsmagassági korlátozások azt jelentik, hogy a turbináknak korlátozott helyük van, vagy kompromisszumot kell kötniük a magasság tekintetében. Írországban így nem lehet a legújabb generációs technológiákat alkalmazni, és ennek következtében a költségcsökkentési lehetőségek is korlátozottak. Persze ez még mindig jobb, mint amivel Magyarország évtizede blokkolja a teljes ágazatot: nálunk a települések 12 kilométeres körzetében nem építhető szélerőmű, ami gyakorlatilag a betiltást jelenti. Ezt az EU nyomására vizsgálják most felül, egyike azon feltételeknek, amelyek alapján a kormány hozzájuthat az EU pénzekhez.
Visszatérve az építéshez, a nyílt tengeren kívül kicsit könnyebb a helyzet. Senki sem lakik a közelben, és nem kell egy felüljáró alatt átpréselni a turbinát, ami lehetővé tette a tengeri szélturbinák gyors növekedését. Ebben a szegmensben a 15 MW teljesítménynél tartanak, ami majdnem duplája a 2020-ban telepített tengeri turbináknál átlagos 8 MW-nak. Azonban - akárcsak a szárazföldi daruk esetében - a tengeri építésben is vannak kritikus szűk keresztmetszetek, amelyek meghiúsíthatják a gyors kapacitásnövelést. A szélerőművek telepítését végző hajók a tengerfenékhez rögzítik magukat, de ilyen hajóból nincs sok a világon. Európában jelenleg 16 szélturbina-szerelő hajó működik, és csak kettő képes 15 MW-os turbinák telepítésére.
Amennyiben az ilyen ellátási láncproblémák megoldódnak, a nagy szélben más problémák is felmerülhetnek. A probléma az, hogy nem tudjuk pontosan, melyek ezek, mert a tengeri szél-erőforrás nincs pontosan felmérve. A cégek nem tudják pontosan mibe helyezik ki a turbinákat mert nincsenek pontos szél-előrejelzések száz méteres magasságban. Ismeretlen aerodinamikai jelenségekről van szó, amikre csak most dolgozzák ki a megfelelő számítógépes modelleket. Még ezen előrelépések és összehangolt erőfeszítések ellenére is lehetséges, hogy a szélturbinák magasságnövekedése mind a tengeren, mind a szárazföldön lassulni fog.
De ez nem feltétlenül rossz dolog. Az elmúlt három és fél évtizedben az elsődleges fejlődés a méret növelése volt, és mivel ez már nem jelent megbízható, könnyű győzelmet, más területeken innovációs hullámot kell lássunk. Ilyen például a multirotoros technológia, vagy olyan gépeket is vizsgálnak, amelyeknél a rotor a torony szélárnyékos oldalán helyezkedik el.
Európában fontos kérdés, hogy mit lehet kezdeni ezzel a sok, a tengerparttól kilométerekre termelt villamos energiával amikor alacsony a kereslet. Ahelyett, hogy a potenciálisan veszteséges és drága kábeleken keresztül továbbítanák az energiát a szárazföldre, a vállalatok azt vizsgálják, hogy még a helyszínen felhasználják. A Siemens a hidrogénelektrolízis beépítését teszteli a tengeri szélturbinákba, ami kritikusnak bizonyulhat a zöld hidrogén kifejlesztésében.
A fosszilis tüzelőanyagokról való leszokásért folytatott versenyben a napfény és a szél bizonyult a legjobb esélynek a tiszta energia biztosítására. (Egy vízerőműhöz megfelelő földrajzi adottság kell.) Az elmúlt években a szélturbináknál hatalmas javulást sikerült elérni, főként azáltal, hogy hatalmasak lettek. Megítélésüknél két kulcsfontosságú tényezőt kell szem előtt tartani: az első a szél sebessége, mert a teljesítményük a légáramlás sebességével hatványozottan nő, megduplázása nyolcszorosára növeli a teljesítményt. A második a turbinalapátok mérete, mert az átmérő megduplázása négyszeresére növeli a rendelkezésre álló teljesítményt.
A nagyobb turbinák építése mindkét körülményt kihasználja. Ha magasabbra megyünk, általában erősebben fúvó szélhez jutunk és több hely áll rendelkezésünkre a hatalmas lapátok megépítéséhez, amelyek kihasználják ezt a nagyobb szélerősséget. Számokban kifejezve egy 57 méter magas szélturbina körülbelül 1 MW-ot, míg egy 95 méter magas turbina 3 MW-ot tud termelni, azonban egy 120 m magas turbina már 17 MW-ot(!) nyújt. Ez az alapkoncepció vezérelte a szélturbina-iparág elmúlt három és fél évtizedét, mert minél nagyobb a turbina, annál nagyobb az energiahozam. Van azonban egy probléma: ahogy magasabbra megyünk, a dolgok bonyolulttá válnak.
A gazdaságosság ugyan évek óta a növekedés mellett szól, de a jelenlegi méret lassan eléri azt a pontot, amikor a nagyobb turbinák megépítéséhez szükséges infrastruktúra többe kerülhet, mint amennyit termelni képes. Egy 2022-es tanulmány szerint a 120 méter az optimális magasság a modern turbináknál, utána a növelésnek már nincs értelme. Szárazföldi telepítésnél továbbá hatalmas kihívás a szállítás, azaz az alkatrészek gyárból a helyszínre juttatása. Ezeket a lapátokat nem lehet szétszedni, és méretükből fakadóan nem lehet őket aluljárókon, hidakon és autópályákon szállítani.
A megoldás a moduláris építés és az alkatrészek helyszíni gyártása lehet, de ehhez még drága fejlesztések kellenek. A csőgyártásból kölcsönzött technológia például lehetővé teszi egy spirálhegesztett szélturbina-torony megalkotását, amelyet aztán a helyszínen alakítanak toronnyá. Ez megoldja a szállítási problémát (legalábbis a torony esetében) és lehetővé teszi a turbinák nagyobbra növelését. A lapátok kérdése bonyolultabb, de már vizsgálnak olyan rugalmas lapátokat, amelyek akár 13°-kal meghajolhatnak. Persze ez problémákat is okoz, mert nagyobb kihívást jelent a szabályozásuk és a terhelések mérséklése, hogy a várt teljesítményt adják le.
A turbinák növekedésével lépést tartani tudó, elég nagy darukból is kevés van, és messze nem nőnek olyan gyorsan, mint a tornyok. Aztán ott van még az engedélyezés kérdése, ami általában nagyon lassú, Franciaországban akár 7 évig is tart. Ez ebben az iparában két generációt jelent. Mire a projekt megkapja az engedélyt, a tervezett turbinák már nem feltétlenül léteznek. A vállalatok a magasabb és hatékonyabb turbinákhoz új engedélyt kell kérjenek, de ez azzal a kockázattal jár, hogy az engedélyezési szakasz még több időt vesz igénybe. A jó hír az, hogy az európai kormányok tisztában vannak azzal, hogy ez egy rendkívül hibás stratégia, és jelentősen rövidíteni akarják az engedélyezési határidőket - ez egy kis pozitív hozadéka az Oroszország ukrajnai inváziója által okozott energiaválságnak.
Egy másik kormányzati korlátozás a csúcsmagasságra vonatkozik, azaz a turbina teljes csúcsmagasságára, beleértve a lapátokat is. Ezt Írország alkalmazza a helyi közösségek védelme érdekében. 2019 végén az ország a 2006-os zajvédelmi előírásait kibővítve úgy rendelkezett, hogy a szélturbinákat a településektől távolabb kell elhelyezni. A szélerőmű és a legközelebbi lakóház közötti kötelező legkisebb távolság 500 méter, de a csúcsmagasság legalább négyszerese. Ez azt jelenti, hogy egy 180 méteres szélturbinának legalább 720 méterre kell lennie a legközelebbi lakástól.
A turbinákat az utaktól és vasútvonalaktól is távol kell tartani, mégpedig a csúcsmagasság plusz 10 százalékos távolsággal. Ezek és más csúcsmagassági korlátozások azt jelentik, hogy a turbináknak korlátozott helyük van, vagy kompromisszumot kell kötniük a magasság tekintetében. Írországban így nem lehet a legújabb generációs technológiákat alkalmazni, és ennek következtében a költségcsökkentési lehetőségek is korlátozottak. Persze ez még mindig jobb, mint amivel Magyarország évtizede blokkolja a teljes ágazatot: nálunk a települések 12 kilométeres körzetében nem építhető szélerőmű, ami gyakorlatilag a betiltást jelenti. Ezt az EU nyomására vizsgálják most felül, egyike azon feltételeknek, amelyek alapján a kormány hozzájuthat az EU pénzekhez.
Visszatérve az építéshez, a nyílt tengeren kívül kicsit könnyebb a helyzet. Senki sem lakik a közelben, és nem kell egy felüljáró alatt átpréselni a turbinát, ami lehetővé tette a tengeri szélturbinák gyors növekedését. Ebben a szegmensben a 15 MW teljesítménynél tartanak, ami majdnem duplája a 2020-ban telepített tengeri turbináknál átlagos 8 MW-nak. Azonban - akárcsak a szárazföldi daruk esetében - a tengeri építésben is vannak kritikus szűk keresztmetszetek, amelyek meghiúsíthatják a gyors kapacitásnövelést. A szélerőművek telepítését végző hajók a tengerfenékhez rögzítik magukat, de ilyen hajóból nincs sok a világon. Európában jelenleg 16 szélturbina-szerelő hajó működik, és csak kettő képes 15 MW-os turbinák telepítésére.
Amennyiben az ilyen ellátási láncproblémák megoldódnak, a nagy szélben más problémák is felmerülhetnek. A probléma az, hogy nem tudjuk pontosan, melyek ezek, mert a tengeri szél-erőforrás nincs pontosan felmérve. A cégek nem tudják pontosan mibe helyezik ki a turbinákat mert nincsenek pontos szél-előrejelzések száz méteres magasságban. Ismeretlen aerodinamikai jelenségekről van szó, amikre csak most dolgozzák ki a megfelelő számítógépes modelleket. Még ezen előrelépések és összehangolt erőfeszítések ellenére is lehetséges, hogy a szélturbinák magasságnövekedése mind a tengeren, mind a szárazföldön lassulni fog.
De ez nem feltétlenül rossz dolog. Az elmúlt három és fél évtizedben az elsődleges fejlődés a méret növelése volt, és mivel ez már nem jelent megbízható, könnyű győzelmet, más területeken innovációs hullámot kell lássunk. Ilyen például a multirotoros technológia, vagy olyan gépeket is vizsgálnak, amelyeknél a rotor a torony szélárnyékos oldalán helyezkedik el.
Európában fontos kérdés, hogy mit lehet kezdeni ezzel a sok, a tengerparttól kilométerekre termelt villamos energiával amikor alacsony a kereslet. Ahelyett, hogy a potenciálisan veszteséges és drága kábeleken keresztül továbbítanák az energiát a szárazföldre, a vállalatok azt vizsgálják, hogy még a helyszínen felhasználják. A Siemens a hidrogénelektrolízis beépítését teszteli a tengeri szélturbinákba, ami kritikusnak bizonyulhat a zöld hidrogén kifejlesztésében.