◄ توربین های بادی؛ اندازه، توان و سطوح بهره‌ وری

بخش 23 از سلسله مقاله های مربوط به موضوع «انرژی های تجدید پذیر در حمل‌ و‌ نقل» هفته گذشته منتشر شد، بخش 24  آن در ادامه می آید.

توربین های بادی در شکل ها، اندازه ها، توان ها و سطوح بهره‌ وری مختلف وجود دارند. توان تولید توربین ها به شدت و دوام باد، اندازه تیغه ها و بهره وری اجزای آنها وابسته است. توربین های بادی به لحاظ عدم مصرف آب، نداشتن آلودگی و مصرف اندک زمین، بهترین نوع پیل انرژی پاک شناخته شده‌اند. انرژی بادی در مقایسه با سایر انرژی های تجدیدپذیر، زباله های بسیار کمتری ایجاد می کند و بخش اعظم مواد آن قابل بازیافت است. ضمن اینکه، کشورهای پیشرفته، به دنبال سپری شدن عمر تکنولوژیکی تجهیزات و پس از بازسازی، آنها را به سایر کشورهای در حال توسعه می فروشند.    

دو نوع اصلی توربین ها، بر حسب محور افقی و عمودی تعیین می شود. اکثر توربین های بادی کوچک از نوع عمودی هستند. از مشخصات عمومی آنها  نصب آسان، قابلیت برپایی بر فراز هر ساختمان یا تیر، متکی نبودن به جهت حرکت باد، بازدهی اندک نسبت به توربین های بزرگ با محور افقی و 1.5 برابر گرانتر به نسبت بازدهی، قابل استفاده برای مصارف کم (چون شارژی باتری های بزرگ، نیروی کمکی قایق ها، وَن های بزرگ متوقف در سیاحتگاه ها یا علائم راهنمایی) است . هر چه ارتفاع آن از سطح زمین بیشتر باشد، بهره وری آن افزونتر می گردد، ولی نباید از 50 درصد ارتفاع ساختمان فراتر رود. انواع بزرگتر آن به شبکه برق متصل می گردند. در شکل های زیر انواع تیغه های توربین های عمودی دیده می شوند.

بر خلاف توربین های عمودی، توربین های افقی (شکل زیر) در اندازه های بزرگ و با دکل های ویژه ساخته شده و به طور مستقل و با تعداد زیاد در دشت ها و آب های ساحلی بادخیز نصب می گردند. توربین های افقی به لحاظ ظاهر تقریبا با یک شکل ساخته می شوند ولی جنس، اجزا، اندازه‌ ها، توان ها و سطح بهره‌ وری آنها متفاوت‌اند.

برای توسعه بیشتر توربین های بادی افقی بزرگ، نیاز به هر چه ارزان تر شدن انرژی برق تولیدی آنهاست. طبق یک برآورد، تا سال 2030 قیمت تمام شده انرژی تولیدی توربین های بادی به طور میانگین سالانه 4 در صد تنزل می یابد. در حالی که مقدار افزایش ظرفیت تولید آنها سالانه 7 در صد برآورد می شود. بدین ترتیب بهای برق توربین های بادی در آلمان و تکزاس از 54 یورو در هر مگاوات ساعت به 33 یورو در سال 2030 می رسد. برای دستیابی به این هدف می بایست موانع فناورانه زیادی از سر راه  توربین های افقی بزرگ برداشته شود. در اینجا مختصراً به چند چالش مهم ابن نوع توربین ها اشاره می گردد:

• چالش پره ها (تیغه های) توربین: به منظور کاهش لرزش تیغه های توربین های بادی افقی بزرگ، جنس آنها معمولا از سه نوع مواد انتخاب می شود. ضمن اینکه جنسشان باید به گونه ای  باشد که اولاً گرد و غبار، بدن حشرات و برف و یخ به آنها کمتر بچسبند. ثانیا سبک و در عین حال بسیار محکم باشند تا بتوان برای توان خروجی بیشتر، ابعاد آنها را هر چه بزرگتر کرد. امروزه توربین های بزرگتر از 8 مگاواتی ساخته می شود و طراحان در حال بزرگتر کردن آن تا سطح  13 مگاوات می باشند. برای این توربین ها، باید پره هایی به طول 107 متری ساخته شوند. در تصاویر زیر اندازه های توربین های غول‌آسا و پیشرفته کنونی با بهره‌وری زیاد نشان داده شده است.

به منظور کاهش هزینه های نگهداری، می بایست پره ها بتوانند  طی 20 تا 25 سال، زیر بار قریب100 میلیون چرخش مستمر دوام بیاورند. مهمترین مسئله، لزوم کنترل زاویه تیغه‌ هاست تا در مقابل تغییرات سرعت باد، به وسیله سه شیر واکنش سریع انجام پذیرد. علائم شدت و جهت وزش باد از سیستم کنترل اصلی دریافت می شود. بر اساس میزان سرعت باد، زاویه پره ها تعیین می گردد. تیغه های معمولی برای حداکثر سرعت بادی به مقدار 90 کیلومتر در ساعت طراحی می شوند. در آمریکا بادهای گردبادی حتی تا سه برابر این مقدار وجود دارند که در صورت برخورد به توربین ها، به اجزای آن آسیب وارد می آورند.

• چالش وزن توربین: وزن پره ها به ابعاد و جنس آنها وابسته است. هر چه تیغه ها بزرگتر باشند، توان خروجی بیشتری حاصل می شود. میزان سختی پره ها برای مقاومت در برابر فشار باد بسیار مهم است. در حال حاضر برای کاهش نسبت وزن به سختی، از کمپوزیت شیشه/ اپوکسی استفاده می شود. بر اثر بهره‌ گیری از فیبرکربن، خصوصیات مقاومتی تیغه ها 20 تا 30 در صد بهبود یافته، در مقابل هزینه ساخت آنها تا 1.5 برابر زیادتر شده است. اخیرا با بهره‌ گیری از سازه های هیبریدی شیشه/ کربن که در آن از لوله های نانویی کربن استفاده شده، بین 30 تا 80 درصد بر سختی آن در برابر ترک برداشتن و همچنین عمر آن تا 1.5 برابر افزوده شده است. 

ستون های فولادی و مخروطی با ارتفاع 80 متر به بالا ساخته می شوند. برای ساخت برج های بلند تا 160 متر که در مقابل وزش باد مقاوم باشند، از نوع دکل های انتقال برق فشار قوی استفاده می شود. به منظور کاهش وزن دکل، روتور، جعبه دنده، پایه سازه و برج، در ساخت آنها به تدریج به جای انواع فولاد از مواد آلومینیومی بهره‌گیری می شود. در شکلهای زیر جنس اجزای یک توربین نمونه جدید و میانگین تقریبی درصد استفاده از هر یک آنها، نشان داده شده است.

• چالش قیمت:  در سال 2019 قیمت یک توربین بادی به ازای تولید هر مگاوات برق، حدود یک میلیون دلار بوده است. متغیرهایی چون کاهش هزینه های کارگری، افزایش بهره‌ وری اجزای توربین، بهبود شکل و اندازه پره ها، ارتقای عمر و کاهش هزینه های نگهداری از جمله عوامل کاهنده در قیمت های رقابتی با سایر انرژی های تجدیدپذیر و فسیلی بوده‌اند. در نمودار زیر تفکیک هزینه های مربوط به توربین بادی که توسط آژانس بین المللی انرژیهای تجدیدپذیر تهیه گردیده، نشان داده شده است.

• چالش بهره وری: برای افزایش بهره‌ وری، نوآوری هایی چون بکارگیری روتورهایی که جهت باد در کارآیی آنها تأثیر اندکی دارد، تغییر فناوری ژنراتور از مغناطیس دائمی به مغناطیس برقی تغییر یابنده، اتصال مستقیم محور توربین به ژنراتور بدون واسطه دنده، از آن جمله‌اند. ولی مهمترین چالش بهره‌ وری، هر چه بزرگتر کردن اندازه توربین و در عین حال مقاوم بودن در برابر تندبادها می باشد. ضمن اینکه با افزایش مقدار دور روتور توربین فراتر از یک حد بهینه، از بهره وری آن به نسبت کاسته می شود (نمودار زیر).

• چالش توربین های بادی در آب های ساحلی: هر چه شدت و دوام باد در روزهای مختلف سال بیشتر باشد، بهره‌ وری توربین ها افزونتر می گردد. بیشترین شدت و بادوامترین بادها در آب های ساحلی می وزند. اروپا در صنعت انرژی بادی در آب های ساحلی، بزرگترین بازار جهان و تقریبا 80 درصد از ظرفیت کل را به خود اختصاص داده است و در این زمینه، سالانه رقم اعجاب انگیز 30 درصد رشد را تجربه می کند. کشور آمریکا در زمینه فناوری صنعت انرژی بادی پیشگام است، ولی نسبت تولید توربین های بادی از کل انرژی های مصرفی آن 7 درصد، میانگین اتحادیه اروپا 12 درصد و کشور دانمارک 47 درصد است. در کشور دانمارک، توربین های بادی با ظرفیت 63.2 گیگاوات ساعت در حال کار می باشند.

اخیرا کشور هلند اعلام کرده است که در نظر دارد با سرمایه‌ گذاری های دو شرکت رویال‌داچ‌ شل و Eneco  (با مالکیت میتسوبیشی مستقر در هلند)  به مبلغ  34 میلیارد دلار، برای ساخت یک جزیره انرژی مصنوعی به مساحت 12 هکتار (که در ادامه به 36 هکتار گسترش می یابد) در فاصله 18.5 کیلومتری از ساحل و نصب 200 توربین بادی عظیم بر روی آن اقدام کند. این مزرعه تا سال 2030 به بهره‌ برداری کامل می رسد. مرحله اول تولید آن 795 مگاوات در سال 2023 است. در این نیروگاه بزرگ 69 توربین زیمنس گامسا، هر یک با ظرفیت 11 مگاوات و قطر روتور 200 متر به کار می رود. 

شرکت آمازون قراردادی را برای خرید 380 مگاوات انرژی با مجموعه مزبور به امضا رسانده است. از طرف دیگر اخیرا شرکت آمازون ضمن خریداری انرژی از یک مزرعه بادی در ایرلند، سفارش خرید 1000 وسیله نقلیه گازی برای توزیع کالاهای خود را داده است. طبق برنامه آمازون، قرار است تا سال 2040 میزان آلایندگی کربنی شرکت به صفر برسد. این شرکت مدعی است  بر اثر سرمایه‌گذاری هایش در پروژه های تولید انرژی تجدیدپذیر در کشورهای مختلف، هم اینک در  عرضه 6.9 گیگاوات و معادل 20 میلیون مگاوات ساعت انرژی شریک است و به بزرگترین خریدار و مصرف کننده انرژی تجدیدپذیر جهان نیز تبدیل شده است.

تاکنون حوزه استفاده از انرژی بادی، بیشتر در آبهای ساحلی کم عمق بوده است که فناوری آن کاملا پیشرفته می باشد. در آب های بسیار کم عمق از تیرهای معمولی آلومینیومی و در آب های کمی عمیق‌ تر از دکل های بزرگ و با فوندانسیون ثابت و محکم در بستر دریا استفاده می شود.  اما با افزوده شدن عمق آبها، از توربین های بادی شناور و کابل هایی به صورت لنگرهایی آویزان بهره‌ گیری می گردد. برای این کار از فناوری های مختلف شناورسازی توربین ها و قرارگیری کابل های سنگین در بستر دریا استفاده می شود (شکل زیر).

 امروزه کشورهای پیشرفته در پی دستیابی به انرژی بادی در آب های عمیق‌تر هستند، زیرا در آنجا بادهای قوی‌ تر و پایدارتری می وزند. در آب های کم عمق اروپا مثل سواحل اقیانوس اطلس و دریای شمال به ژرفای100 تا 200 متر، کابل های در بستر دریا تثبیت می شوند.

اما در آب های عمیق مثل مدیترانه و سواحل غربی آمریکا (با ژرفای بیش از200 متر) نیاز به فناوری های پیشرفته‌‌ تر توربین ها در حدود 5 تا 10 برابر سواحل کم عمق است، زیرا برای تثبیت موقعیت توربین های شناور عظیم می بایست آنها را به وسیله لنگرهای مهاری (Mooring Lines) به کف دریا متصل نمود (شکل زیر).

این نوع توربین ها به سیستم های کابل زیردریایی با ظرفیت بالا نیازمندند تا بتوانند نیرو را اخذ و به ساحل منتقل کنند. موج ها و جریان های آبی، بر کابل های بسیار ضخیم برقِ زیر توربین های تا 10 مگاواتی، فشارهای دینامیکی فوق العاده زیادی وارد می کنند. بنابراین کابل ها باید علاوه بر اعمال فشارهای مزبور، وزن سنگین خود را هم تحمل کنند. لذا با استفاده از تجهیزات ویژه، بخشی از آنها را در آب شناور می سازند. در این حالت به دلیل کوتاه شدن طول و وزن کابل های پرظرفیت سنگین، فشار بسیار کمتری بر محل اتصال با توربین وارد می آید (شکل های زیر).

 برای عدم نفوذ آب در عایق کابل های معمولی دریایی، آنها را با پیچاندن ورق های نازک سربی به دورشان، محافظت می کنند. ولی برای کابل های شناور، این موضوع به دلیل انعطاف‌پذیری اندک و ترک خوردن بر اثر فرسایش ناشی از حرکات دینامیکی ممکن نیست.

راهکار جدید اینست که برای کابلی با کیلومترها طول، لازم است که عایقی تعبیه شود تا ضمن کلفت بودن (برای حفاظت بهتر)، آنچنان انعطاف پذیر باشد که بتوان آن را تکان داد. علاوه بر آن باید همه محدودیت های مقرراتی مربوط به مقاومت، انعطاف‌پذیری، شناوری و دما هم رعایت گردد. در عین حال زیاد هم گران نباشد. ضمنا به منظور برقراری ارتباطات، در کنار عایق های همین کابل های برق، کابلهای فیبر نوری نیز تعبیه می گردد تا مزیت اقتصادی آن دو چندان شود. کابل ها در سه نوع جریان مستقیم، جریان متناوب و دوگانه ساخته می شوند.

اولین توربین 2.3 مگاواتی شناور در سال 2009 در کشور نروژ و دومین مورد عملیاتی در سال 2017 در اسکاتلند نصب و راه اندازی شده‌اند. قرار است در آب های ساحلی شرقی انگلستان توسط شرکت زیمنس سه نیروگاه بادی به قدرت 3.1 گیگاوات و به مبلغ 9 میلیارد دلار نصب و راه اندازی شود.  شروع پروژه در سال 2023 و خاتمه آن در سال 2026 خواهد بود. کشور انگلستان در نظر دارد تا سال 2030 میزان نیروگاه های بادی خود را به 40 گیگاوات برساند. این در حالی است که توان کنونی نیروگاه های بادی انگلستان 10.4 گیگاوات است. کشور آمریکا نیز به سوی انرژی بادی حرکت می کند. در سال 2020، آمریکا با داشتن  122 گیگاوات کل انرژی بادی و نصب 14.2 گیگاوات برق در یک سال، رکورد قبلی خود را شکست. برآورد می شود که میانگین میزان مصرف برق حاصل از نیروگاه های بادی در سال 2020 حدود 9 درصد بوده است. با این وجود آمریکا در این زمینه از بسیاری کشورهای پیشرفته عقب‌تر است. به گونه ای  که اولین نیروگاه بادی 30 مگاواتی در آب های ساحلی در سال 2016 نصب و راه اندازی شده است. کشور چین طی سال های 2006-2011 با جهشی حیرت انگیز در هر سه زمینه نیروگاههای منصوب، میزان تولید برق و فناوری توربین های بادی از قعر جدول به صدر صعود کرده است. در نمودار زیر آخرین آمار سال 2020 مربوط به میزان ظرفیت نیروگاه های بادی کشورهای پیشرو این صنعت و ظرفیت های ایجاد شده آنها نشان داده شده است. 

 قرار است که شرکت زیمنس انرژی مبلغ 120 میلیون دلار در ساخت توربین های بادی در آبهای ساحلی سرمایه‌گذاری کند که در کنار نیروگاه، دستگاههای الکترولیز هم تعبیه شده باشد. اینکار موجب صرفه جویی بسیار در هزینه ها می گردد (شکل زیر).   

در انگلیس، شرکت نپتون انرژی نیز در نظر دارد با استفاده از فن ساخت توربین های بادی و تاسیسات الکترولیز در یک مجموعه سکوی نفتی، هیدروژن تولیدی را از همان خط لوله ای  که سابقا گاز طبیعی به هلند صادر می شده است، ارسال کند. اخیراً میزان تولید نیروگاه های بادی ترکیه به 179 مگاوات ساعت در روز رسیده که تقریبا 22.6 درصد از 791 مگاوات ساعت تولید روزانه برق این کشور است. مجموع ظرفیت نیروگاه های بادی ترکیه اکنون به 1585 مگاوات در روز رسیده که پس از نیروگاه های آبی، دومین منبع تجدیدپذیر این کشور است.

در ایران ظرفیت تولید از زیست گاز 3 مگاوات، انرژی خورشیدی 200 مگاوات، انرژی بادی 242 مگاوات، CHP 7 مگاوات، و زمین گرمایی 50 مگاوات (جمعاً 502 مگاوات)، هسته ای  بوشهر 1000 مگا وات است. از طرف دیگر ظرفیت کل تولید برق کشور حدود 83 گیگاوات، ظرفیت بدون استفاده از سوخت فسیلی (یعنی برق آبی، هسته ای  و تجدیدپذیر) بین 25 تا 38 درصد است.

بدین ترتیب ظرفیت تولید برق از منابع تجدیدپذیر (بدون لحاظ هسته ای  و برق آبی) 0.6 درصد است که در مقایسه باکشورها پیشرفته، عقب ماندگی ایران به وضوح نشان داده می شود. میزان سرمایه‌گذاری برای تولید هرچه بیشتر از انرژی های تجدیدپذیر در کشورهای پیشرفته، فاصله ایران با آنها را به طور روز افزونی زیادتر می کند. این در حالی است که میانگین ساعات آفتاب (سوزان) در بسیاری از نقاط ایران بالاتر از 1800 ساعت در سال است. مناطق بزرگی از ایران در مسیر جریانهای قوی بادهای مستمر قرار دارد.

سالهاست که صدها میلیارد دلار برای سرمایه‌ گذاری در امور بسیار کم بازده و یا تأمین کالاهای مصرفی هزینه می شود که اگر فقط بخش ناچیزی از آن صرف سرمایه‌ گذاری برای تولید انرژی های تجدیدپذیر می گردید، امروزه ایران منافع بزرگی را استحصال می کرد و با کمبود نیروی برق یا اجبار به سوزاندن مازوت برای نیروگاه ها مواجه نمی گردید. حال تصور شود که دهها سال است کشورهای مختلف با تبدیل گاز طبیعی و زغال سنگ به هیدروژن، به سادگی درآمدهای سرشاری را کسب می کنند. ولی ایران در استفاده از فناوری های نوین کاملاً بی بهره است.     

(این نوشتار ادامه دارد)

* مشاور انجمن صنفی شرکت‌های حمل و نقل ریلی و خدمات وابسته