Rosnące zapotrzebowanie na OZE skutkuje powiększeniem turbin wiatrowych, które niekiedy osiągają powyżej 200 m wysokości. Zastosowanie nadprzewodników może pomóc w zatrzymaniu tego błędnego koła. W listopadzie europejskie konsorcjum Ecoswing z sukcesem zakończyło pierwsze testy turbiny opartej o tę technologię.

Świat dąży do przestawienia się na energię odnawialną, za czym idą inwestycje w energetykę wiatrową, zarówno morską, jak i lądową. Wraz z nimi rośnie zapotrzebowanie na moc i presja na generowanie coraz wyższej liczby megawatów z jednej turbiny wiatrowej. To zaś wiąże się z poważnymi problemami – ich rozmiary stają się monstrualne. Największa z obecnie stosowanych, o mocy 8 – 10 MW, ma ponad 200 metrów wysokości oraz średnicę łopat ponad 160 metrów!

W jednym z badań na potrzeby Unii Europejskiej obliczono, że gdyby turbina wiatrowa o mocy 20 MW miała zostać zbudowana przy użyciu dzisiejszej technologii, sama gondola ważyłaby prawie 1100 ton metrycznych (tj. tyle, co 11 płetwali błękitnych, największych zwierząt na ziemi). Same 3 łopaty turbiny ważyłyby prawie 40 ton każda i miałyby średnicę ponad 250 metrów, czyli 3-4 razy więcej niż długość Boeinga 777!

Przełomowa nowa – stara technologia

Dlatego duże nadzieje są pokładane w montowanych w turbinach wiatrowych generatorach prądu opartych o nadprzewodniki, czyli materiały zdolne przewodzić prąd praktycznie bez oporu. W jednym z eksperymentów utrzymywano bezstratny przepływ stałej wartości prądu w pętli przez okres około 2 lat. Chociaż nadprzewodniki takie są znane od ponad 100 lat, to ich dotychczasowe zastosowanie było ograniczone, ze względu na fakt, że wymagają one znacznego schłodzenia – do osiągnięcia stanu bezstratnego przewodzenia prądu. Projekt Ecoswing miał na celu ich komercjalizację.

W zaprojektowanym przez konsorcjum Ecoswing generatorze zastosowano taśmę, której zasadniczym elementem była warstwa złożona z gadolinu, baru oraz tlenku miedzi. Po schłodzeniu do -243 stopni gęstość prądu elektrycznego (jego natężenie podzielone przez powierzchnię przewodnika) jest w nim 100 razy większa, niż w tradycyjnym, opartym o miedź. To wpłynęło na obniżenie masy generatora, ale również i ceny.

Oszczędność masy sięgnęła ponad 40% w porównaniu z konwencjonalnymi generatorami z napędem bezpośrednim. Rozmiar generatora zmniejszył się o prawie 30% – z 5,4 metrów do 4 metrów. W przypadku całej gondoli redukcja wagi sięga 25%. Powszechnie stosowany w magnesach turbin wiatrowych neodym (ok. 45 USD/kg) został zastąpiony przez gadolin (poniżej 20USD/kg). Ponadto zdecydowanie mniejsza jest używana jego ilość – zwykle potrzeba 1 tonę neodymu na 1 MW mocy, podczas gdy w turbinie Ecoswing to zapotrzebowanie wynosi 1 kg gadolinu. Szczególnie pożądanym efektem ubocznym jest to, że technologia EcoSwing wykorzystuje w minimalnym stopniu metale ziem rzadkich, tj. dobra o ograniczonej podaży i wahaniach cen. Ograniczanie dostępu do tych metali bywa nawet traktowane jako zagrożenie dla bezpieczeństwa narodowego.

Udany test

W opublikowanym po testach generatora artykule naukowcy twierdzą, że ich celem było wykazanie, że ich turbina wiatrową, która jest nim zasilana, jest na poziomie gotowości technologicznej 6-7 (w 7-stopniowej skali stosowanej przez NASA). Poziom 6 to udany test w zbliżonych do realnych warunkach, a 7 oznacza możliwość codziennego zastosowania technologii.

Generator został zamontowany w turbinie o mocy 3,6 MW. Po zamontowaniu system schładzania funkcjonował stabilnie i niezawodnie przez ponad 7 miesięcy, a cewki zbudowane z nadprzewodników wykazały oczekiwaną wydajność. Turbina osiągnęła moc powyżej 3 MW i przez 650 godzin dostarczała prąd do sieci elektroenergetycznej. W związku z tym test można uznać za udany.

Kto to zrobił

W skład konsorcjum Ecoswing wchodziły podmioty reprezentujące pełny łańcuch wartości – począwszy od ośrodków badawczych, firm zapewniających materiały konstrukcyjne i komponenty, aż po producenta turbin jako użytkownika końcowego. Projekt oficjalnie trwał ok. 4 lata – od początku marca 2015 do lutego 2019. Budżet wyniósł prawie 14 mln euro, z czego ponad 10,5 mln zapewniła Unia Europejska w ramach programu Horizon 2020.

To nie jedyna tego typu inicjatywa europejska. Podobnym projektem, który również miał na celu komercjalizację nadprzewodników, tym razem w oparciu o diborek magnezu, był InnWind.