Maailmanlaajuinen siirtyminen uusiutuvaan energiaan kiihtyy ja merituulivoimalla on keskeinen rooli hiilestä irtautumisessa sähköverkoissa. Vaikka perinteiset kiinteät ja pohjaturbiinit ovat osoittautuneet tehokkaiksi matalilla vesillä, laajat syvänmeren alueet.Näillä alueilla yli 80% maailman merituulivoimavaroista sijaitsee edelleen hyödyntämättä. Kelluvat tuuliturbiinit tarjoavat muuntuvan ratkaisun, joka mahdollistaa vahvempien, johdonmukaisempien tuulien talteenoton yli 60 metrin syvyydessä. Tämä teknologia kehittyy nopeasti kokeellisista prototyypeistä kaupallisiin hankkeisiin, jotka sijoittuvat tulevan energiayhdistelmän kulmakiveksi.

Mitä ovat kelluvat tuuliturbiinit?

Toisin kuin niiden kiinteä-pohjaiset vastineet, jotka ajetaan merenpohjaan, kelluvat tuuliturbiinit asennetaan kelluville alustoille, jotka on kiinnitetty merenpohjaan kiinnityslinjojen avulla. Nämä alustat on suunniteltu ylläpitämään vakautta samalla kun turbiinin toiminta on tehokasta syvällä vesillä.Tyypillisesti yli 60 metrin syvyydessä. Turbiini itsessään istuu kelluvaan rakenteeseen kiinnitettynä tornin päällä, joka voi olla useita satoja metrejä leveä. Lavat on valmistettu maissa, hinataan asennuskohteeseen ja liitetään esiasennettuihin kiinnitysjärjestelmiin ja vientikaapeleihin.

Kehitetään neljää päätyyppiä kelluva alusta:

Spar-Buoy-alustat

Spar alustoilla käytetään pitkää, raskasta pystysylinteriä, joka on täynnä painolastia, jotta se voisi laskea painopisteen ja vakauttaa. Ne ovat yksinkertaisia, kustannustehokkaita syvävesille, mutta vaativat syvään laituripaikkoja kokoonpanoon ja ovat suuria. Hywind Scotland -projekti, maailma. Ensimmäinen kelluva tuulipuisto, käyttää Equinorin kehittämää spar-poijuteknologiaa.

Puolialaalustat

Puoliksi upotettavat materiaalit koostuvat useista ponttoneiden yhdistämistä sarakkeista. Ne käyttävät hajautettua kelluvuutta ja veden painolastia vakauden saavuttamiseksi. Nämä alustat ovat matala luonnos, joka mahdollistaa kokoonpanon satamissa ja asennusta kohtalaisessa syvyydessä. WindFloat Atlantic -projekti hyödyntää tätä muotoilua, ja monet kehittäjät suosivat sitä monipuolisuuden ja alhaisempien asennuskustannusten vuoksi.

Jännitys- ja jalkaalustat (TLP)

TLP-laitteet on kiinnitetty pystysuoraan merenpohjaan jännittyneillä jänneillä. Ne takaavat korkean vakauden, jossa on minimaalinen liike ja joka soveltuu suurille turbiineille. Suunnittelu on kevyt mutta vaatii monimutkaista asennusta ja ankkurointia. Useita TLP-konsepteja, kuten GILP-konseptia, testataan parhaillaan.

Barge-tyyppiset alustat

Haavat ovat yksinkertaisia suorakulmaisia tai pontoon-muotoisia runkoja, jotka luottavat suureen vesitasoalueeseen vakauden saavuttamiseksi. Ne ovat matala luonnos ja helpompi valmistaa, mutta voivat kokea enemmän aaltojen aiheuttamaa liikettä. Fukushima kelluva tuulipuiston esittelyprojekti käytti proomutyyppistä alustaa.

Kelluvien tuuliturbiinien edut

Pääsy vahvempi, johdonmukaisemmat tuulet

Tuulivoimalaitokset ovat yleensä suurempia ja vähemmän myrskyisiä merellä. Kelluvia turbiinit voidaan sijoittaa syville vesille, joissa tuuli on johdonmukaisempi, parantaa kapasiteettitekijöitä. Tutkimukset osoittavat, että kelluvat tuulipuistot voivat saavuttaa kapasiteettitekijät yli 50%, kun taas monilla kiinteän pohjan alueilla noin 35-45%. Tämä tarkoittaa suoraan suurempaa energiantuotantoa turbiinia kohti.

Laajennetut käyttöönottovaihtoehdot

Kiinteäpohjaiset turbiinit ovat rajoitettuja 30.60 metrin syvyyksiin, lukuun ottamatta laajoja mannerjalustat ja syvärannikkovesiä. Kelluvat turbiinit avaavat alueita, kuten Yhdysvaltain länsirannikon, Japanin, Portugalin ja Välimeren, jossa veden syvyys putoaa jyrkästi lähelle rantaa. Kansainvälisen energiajärjestön [ mukaan kelluva tuuli voi avata yli 11 000 GW:n verran teknistä potentiaalia maailmanlaajuisesti.

Näkö- ja ympäristöhäiriöiden väheneminen

Koska ne voidaan sijoittaa monta kilometriä rannikolta, kelluvat tuuliturbiinit ovat usein näkymättömiä rannikolta, mikä vähentää esteettisiä esteitä, jotka voivat pysähtyä maissa ja lähellä rannikkoa projekteja. Lisäksi perustukset eivät vaadi kasa ajo- tai merenpohjan valmistelua, merkittävästi vähentää melua ja elinympäristön häiriöitä asennuksen aikana.

Skaalattavuus ja tehokas asennus

Lautat voidaan koota ja tilata satamassa, sitten hinataan työmaalle .Kaksinkertaisten raskaiden nostoalusten ja offshore-rakentamisen tarve poistetaan. Tämä modulaarinen lähestymistapa nopeuttaa asennusta ja mahdollistaa vakioitujen komponenttien sarjatuotannon, mikä tasoittaa tietä kustannusten vähennyksille mittakaavaetujen avulla.

Tekniset ja taloudelliset haasteet

Korkeat pääomakustannukset

Tällä hetkellä kelluvat tuuliturbiinit ovat 2...3 kertaa kalliimpia megawattia kohti kuin kiinteäpohjaiset turbiinit. Kustannukset ajavat erikoisterästä, monimutkaisia kiinnitysjärjestelmiä ja dynaamisia vientikaapeleita, joiden on oltava aaltoliikettä. LCOE-arvon (Legised Cost of Energy) arvioidaan olevan 150...200 dollaria/MWh, kun taas 60...90 dollaria kiinteälle avomerituulille. Teollisuuden etenemissuunnitelma on kuitenkin LCOE-hanke, jonka tavoitteena on laskea alle 100 dollaria/MWh vuoteen 2030 mennessä suunnittelun optimoinnin, teollisen skaalauksen ja toimitusketjun kypsymisen kautta.

Tekninen monimutkaisuus ja luotettavuus

Suunnittelemalla kelluvia rakenteita, jotka kestävät äärimmäisiä aaltoja, virtauksia ja tuulikuormaa yli 25 vuoden ajan, tarvitaan pitkälle kehitettyä suunnittelua. Alustaliike voi aiheuttaa lisäkuormitusta turbiinin komponenteille, mikä vähentää luotettavuutta. Dynaamiset kaapelit.Joiden on kestettävä syklistä taivutusta ja jännitystä. Jatkuva T&K-toiminta keskittyy aktiivisiin liitäntäjärjestelmiin, kevyisiin materiaaleihin ja vahvoihin liitosratkaisuihin.

Asennus ja huolto

Vaikka sataman kokoonpano yksinkertaistaa alkuasennuksen, jatkuva kunnossapito on vaikeaa. Tuuliturbiinien käyttö edellyttää erikoisaluksia ja sitä voidaan rajoittaa sääikkunoiden avulla. Kehittäjät tutkivat autonomisia tarkastuslennokkeja, kauko-ohjattavia kuntoseurantaa ja nopeavaihtoisia komponenttimalleja, joilla vähennetään seisokki- ja käyttökustannuksia. Kansallinen uusiutuvan energian laboratorio arvioi, että O&M-kustannukset voivat olla 25.30% kaikista elinkaaren kustannuksista varhaisissa hankkeissa.

Verkkoyhteys

Kaukaisten kelluvien turbiinien voimansiirto vaatii dynaamisia kaapeleita, jotka pystyvät käsittelemään syvyyttä ja aaltoliikettä. Nämä kaapelit ovat kalliimpia ja vähemmän tehokkaita kuin staattiset. Kaukojännitteisiin voidaan tarvita suurjännitevirtajärjestelmiä, jotka lisäävät infrastruktuurikustannuksia. Yhteistyöaloitteita kehitetään standardoituja dynaamisia kaapelimalleja ja kelluvia sähköasemia näihin haasteisiin vastaamiseksi.

Ympäristö- ja merivaikutukset

Kelluvilla tuuliturbiineilla on matalampi ympäristöjalanjälki kuin kiinteällä pohjalla, koska merenpohjaan ei juurikaan puututa. Ankkurijärjestelmät ja kiinnityslinjat voivat luoda keinotekoisia riuttavaikutuksia, jotka voivat hyödyttää paikallista merielämää. Huolellinen sijainti on kuitenkin välttämätöntä herkkien elinympäristöjen, muuttolintujen ja kalastusalueiden välttämiseksi. Rakennusmelu rajoittuu suurelta osin satamakokouksiin ja kaapelien asentamiseen. Toimintaan vaikuttavat muun muassa kaapeleista tulevat sähkömagneettiset kentät (jotka voivat vaikuttaa elasmohaarautumiin) ja merilintujen ja lepakoiden törmäysriski. Ympäristön seuranta on integroitu kaikkiin suuriin hankkeisiin, ja merienergiaviranomaiset kehittävät parhaita käytäntöjä koskevia ohjeita.

Johtavat hankkeet ja teollisuuden kilometrit

Hywind Scotland

Vuodesta 2017 lähtien toiminnassa oleva Equinor. 30 MW Hywind Scotland on edelleen pisin kaupallinen kelluva tuulipuisto. Sparpoijuihin asennetut viisi 6 MW Siemens Gamesa -turbiinia saavuttavat keskimääräiset kapasiteettikertoimet yli 50 prosenttia, mikä osoittaa teknologian elinkelpoisuuden Pohjanmeren vaikeissa olosuhteissa. Hywind-puistosta saadut kokemukset kertovat suuremmista hankkeista, kuten Hywind Tampenista (88 MW Norjassa) ja ehdottivat 200 MW+ -tiloja Etelä-Koreassa.

Tuulivoima Atlantti

Portugalin rannikon edustalla sijaitsevassa 25 MW WindFloat Atlantic -hankkeessa käytetään kolmea puoliksi upotettavaa alusta MHI Vestas 8,4 MW -turbiineilla. Vuonna 2020 se on osoittanut suorituskykynsä ja sietokykynsä, 20 metrin aallot myrskyjen aikana. Hankkeen onnistuminen on vauhdittanut 30 MW Kincardine Offshore -tuulipuiston kehittämistä Skotlannissa, ja se on myös käyttänyt WindFloat-teknologiaa Periaatteen Power[.

Muut avainaloitteet

Ranska etenee useiden pilottihankkeiden, kuten Provence Grand Largen (3 turbiinia, 25 MW) ja EolMedin (3 turbiinia, 30 MW) kanssa. Japanissa Fukushima Forward -hankkeessa testattiin 7 MW:n puoliuimapintainen yksikkö. Yhdysvaltain Ocean Energy Management -toimisto on tunnistanut Kalifornian lähistöllä mahdollisia vuokra-alueita, joissa kelluva tuuli on ainoa kannattava vaihtoehto syvänmeren vuoksi.

Tulevaisuuden näkymät ja mittakaavan parantaminen

Lämmitystuulivoimamarkkinoiden ennustetaan kasvavan alle 200 MW:sta yli 20 GW:iin vuoteen 2035 mennessä.Euroopan, Aasian ja Tyynenmeren alueen sekä Yhdysvaltain länsirannikon odotetaan olevan suurimmat välittömät markkinat. Politiikan tuki on suunnattu innovaatiorahoitukselle, uusiutuvan energian huutokauppa- ja huutokaupoille, joissa on kelluva-out-järjestelmä, ja virtaviivaistettu lupa on ratkaisevan tärkeä riskittömän alkuvaiheen investointien kannalta. Valmistajat kehittävät erityisesti kelluville alustoille optimoituja turbiinia, jonka kapasiteetti on 15 MW ja sen jälkeen.

Kustannusten vähennysreittejä ovat mm. rungon valmistusteollisuuden teollistuminen, kevyempien materiaalien käyttö (betonaalinen teräksen sijaan liitäntälaite), kehittynyt kiinnitystekniikka ja standardoidut dynaamiset kaapelit. Jaettu verkkoinfrastruktuuri ja kelluvat sähköasemat voivat alentaa siirtokustannuksia. Jos nämä suuntaukset toteutuvat, kelluva tuuli voi saavuttaa verkkopariteetin muiden uusiutuvien energialähteiden kanssa vuosikymmenen kuluessa, jolloin saadaan käyttöön valtava, puhdas energiaresurssi, joka on elintärkeä netto-nolla-tavoitteiden saavuttamiseksi.

Päätelmä

Kelluvat tuuliturbiinit eivät ole vain kasvualustan parannus, vaan ne ovat paradigman muutos merituulivoiman käyttöönotossa. Poistamalla syvyysrajoitukset ne avaavat syvimmät ja tuulisimmat valtamerialueet suurille uusiutuville tuotannolle. Vaikka nykyiset kustannukset ja tekniset esteet ovat edelleen merkittäviä, nopea tekninen kehitys, sijoittajien luottamuksen lisääminen ja vahva poliittinen tuki tukevat teollisuutta eteenpäin. Lähtevän tuulen onnistunut kehitys on välttämätöntä kaikille kattaville ja kestäville energiastrategioille, joilla pyritään vähentämään hiilidioksidipäästöjä maailmanlaajuisessa sähköntuotannossa ja minimoimaan maankäyttökiistoja. Tuulivoimalat ovat jo kellumassa ja muutosaalto on nousemassa.