اما نظرها در مورد جانشینان این آسیابها، یعنی توربینهای باد، بهعنوان یک منبع نوظهور تولید برق تجدیدپذیر متفاوت است. اینها برای برخی مخرب چشمانداز و از نظر دیگران، ساختارهای زیبای بزرگی هستند که نشانهی حرکت بهسوی منابع انرژی جدید بهشمار میروند.
نخستین کشتزارهای باد در اوایل دههی 1980 در کالیفرنیا و به مدد ارائهی تخفیفهای مالیاتی سخاوتمندانه جوانه زدند. روی برخی از تپههای پرفراز و نشیب آلتمونتپاس، نزدیک خلیج سانفرانسیسکو، هنوز آثار برخی از این توربینهای نخستین قابل مشاهده است. این توربین ها همچنان فعال هستند و بخشی از انرژی جنبشی باد را به برق تولید میکنند. این ماشینها با ظرفیت تولید خالص دهها کیلووات و قطر روتوری حدود 15 متر، دستکم از نظر استانداردهای امروز غول پیکر نیستند. این نوع ماشینهای جدید 5/1 تا 5/2 مگاوات ظرفیت دارند و 30 تا 50 برابر توربینهای اولیهای هستند که در آلتمونتپاس نصب شده اند. قطر روتور توربینهای جدید حدود 100 متر است و پرههای آنها ناحیهای به وسعت یک زمین فوتبال را جارو میکند.
صنعت برق بادی از زمان نصب توربینهای اولیه در آلتمونتپاس تاکنون دچار تحولات زیادی شده است. اگرچه باد فقط حدود یک درصد از کل الکتریسیتهی جهان را تولید میکند، اما در چند کشور اروپایی سهم قابل توجهی از تولید را به خود اختصاص داده است؛ در دانمارک 20 درصد، اسپانیا 10 درصد و در آلمان حدود 7 درصد.
برق بادی در آمریکا نیز در حال رشد است. ظرفیت تولید آمریکا در سال 2007 با 45 درصد رشد به حدود 17 گیگاوات رسید. چین نیز مسیر تولید برق بادی را با شتاب بیشتری پیموده است. از پایان سال 2004 تاکنون ظرفیت تولید این کشور هر سال تقریباً دو برابر شده است. طبق اطلاعات شرکت دانمارکی بیتیام که در زمینهی تحقیقات بازار فعال است، انتظار میرود که در دیگر کشورهای جهان نیز تأسیسات برق بادی با سه برابر افزایش از 94 گیگاوات در پایان 2007 به حدود 290 گیگاوات در 2012 برسد. در صورت تحقق این پیشبینی، برق بادی 7/2 درصد از کل تولید برق را به خود اختصاص خواهد داد و سهم آن تا سال 2017 میتواند به 6 درصد برسد.
برق بادی به این دلیل جذاب است که یک منبع عظیم انرژی تجدیدپذیر را در اختیار می گذارد، نه آلودگی دارد و نه گازهای گلخانهای تولید میکند. توربینهای بادی نه به «سوخت» نیاز دارند و نه چیز دیگر؛ تنها نیازمند باد هستند. منابع جهانی باد بهقدری گسترده و عظیم هستند که میتوانند بهآسانی کل نیاز انرژی فعلی جهان را حداقل از نظر تئوری تأمین کنند. طبق مطالعهای که پژوهشگران دانشگاه استانفورد انجام دادهاند، توان بالقوهی انرژی باد در جهان در سال 2000 حدود 72 هزار گیگاوات بود که این میزان تقریباً 5 برابر کل تقاضای انرژی جهان را شامل میشد.
علاوه بر این، فناوری مورد نیاز جهت بهرهبرداری از این منبع انرژی هم در حال ارزانشدن است. اکنون هزینهی تولید برق از باد از 30 سنت [3/0 دلار آمریکا] به ازای هر کیلووات ساعت در اوایل دههی 1980، به حدود 10 سنت در سال 2007 کاهش یافته است. اعطای مشوقهای مختلف در قالب معافیتهای مالیاتی و برخی تخفیفهای مالی دیگر به این معنی است که برق بادی همینک در بسیاری از بازارها به لحاظ هزینه میتواند با برق تولیدی از منابع گاز طبیعی و حتی ذغالسنگ رقابت کند. به گفتهی ماریا سیسیلیا از آژانس بینالمللی انرژی (IAE)، با وضع مالیات 30 دلاری به ازای تولید هر تن دیاکسید کربن، برق تولیدشده از باد میتواند در بیشتر بازارها حتی بدون دریافت سوبسید با سوختهای فسیلی رقابت کند.
حتی بدون وضع مالیات برای گازهای حاوی کربن، رشد برق آبی احتمالاً ادامه پیدا خواهد کرد. یکی از اهداف اتحادیهی اروپا برای مقابله با تغییرات آب و هوایی، تأمین 20 درصد انرژی مورد نیاز اروپا از منابع انرژی تجدیدپذیر تا سال 2020 اعلام شده است که بخش بزرگی از آن از برق بادی فراهم خواهد شد. گزارش اخیر وزارت انرژی آمریکا، از طرحی پرده برداشته که هدف آن رسیدن به تأمین 20 درصد انرژی از طریق برق بادی تا سال 2030 است. این بلندپروازیها ممکن است در آسیا بیشتر به چشم بیاید، زیرا این منطقه بزرگترین بازار را برای تأسیسات بادی جدید در 5 سال آینده خواهد داشت.
استقبال از توربینهای بادی باعث شده است که جدول سفارشهای سازندگان آنها برای یک یا دو سال آینده پر باشد، اما همچنان مشکلاتی در پیش روی این صنعت قرار دارد؛ باد همیشه نمیوزد و وقتی هم که میوزد، اغلب بسیار دور از شهرهایی است که نیاز به برق دارند. صنعت تولید برق بادی برای تداوم توسعهی قابل توجه، نیازمند ساخت خطوط انتقال جدید و بهبود وضع انتقال آن به داخل شبکه است. چون این صنعت همچنان به سوبسیدها وابسته است و در برابر احتمال قطع مشوقها (لااقل تا زمانی که یک قیمت مصوب برای انتشار گازهای حاوی کربن تعیین شود) آسیبپذیر خواهد بود. بهعلاوه، برخی افراد هنوز متقاعد نشدهاند که مزارع باد میتوانند همسایگان خوبی برای آنها باشند.
چطور باد میوزد
وقتی نور خورشید زمین را گرم میکند، اتمسفر را هم گرم میکند. همانطور که هوای گرم بالا میرود هوای سردتر و سنگینتر پایین میآید تا جای آن را پر کند و به این ترتیب باد پدید میآید. بیش از 2 هزار سال است که انسان برای راهاندازی آسیابهای بادی و همچنین انجام کارهای مفیدی مانند آردکردن غلات یا پمپکردن آب، از انرژی باد استفاده کرده است. تا اواخر قرن نوزدهم، آسیابهای بادی همچنان برای تولید برق و بهخصوص در نواحی روستایی به کار میرفتند.
با این حال، توربین های بادی جدید در مقایسه با آسیابهای بادی سنتی، بسیار کارآمدتر هستند. روتورهای آنها تحت کنترل کامپیوتر در مسیر باد قرار میگیرند و پرههای آنها از پدیدهی آیرودینامیکی موسوم به «خیز» (Lift) بهره میبرند که هواپیماها را در هوا نگه میدارد. پرههای توربین های کنونی را شبیه فویلهای هوایی شکل میدهند که یکطرفشان انحنادار و طرف دیگر تقریباً تخت است. این نوع شکلدهی باعث میشود که هوا بر فراز طرف انحنادار سریعتر از طرف تخت جریان یابد و ناحیهی کمفشاری را روی طرف انحنادار پره ایجاد کند. این موضوع باعث میشود پره حرکت کند و روتور را بگرداند. پرهها به مرکز روتور متصلند که آن نیز به نوبهی خود به یک میلهی راننده وصل است. اما چون این میله بهآرامی میچرخد، از یک جعبهدنده استفاده میکنند تا این میلهی اصلی، میلهی دومی را با سرعت بسیار بیشتری بگرداند. این میزان سرعت برای چرخاندن یک ژنراتور جهت تولید برق مناسب است. در یک کشتزار باد، برق از چندین توربین جمعآوری شده و به داخل شبکه انتقال مییابد.
برق بادی در روزگار معاصر پس از نخستین بحران نفتی در سال 1973 گام بهعرصهی وجود گذاشت. در آن زمان، کشورها در جستوجوی راههایی برای تولید انرژی از منابعی غیر از سوختهای فسیلی بودند. بهویژه دانمارک که تقریباً برای تأمین برق مورد نیازش بهطور کامل به نفت وارداتی وابسته بود، آسیب بسیار سختی دید. اما این کشور یک منبع انرژی سرشار بالقوه داشت؛ باد. پس در میانهی دههی 1970، دانمارک پروژهی تحقیقاتی بلندپروازانهای را برای توسعهی این فناوری آغاز کرد. آمریکا نیز تحقیق روی توربینهای بادی را شروع کرد. با حمایت مالی دولت آمریکا، سازمانهای بزرگی مانند بویینگ (غول هواپیماسازی) و ناسا (آژانس فضایی آمریکا) شروع به طراحی ماشینهای بزرگ چند مگاواتی کردند.
از آنجا که ماشینهای بزرگتر با روتورهای بزرگتر ناحیهی بزرگتری را جارو میکنند، میتوانند انرژی بیشتری را از باد گردآوری کنند. اما هزینهی تجهیز و نگهداری این توربینهای بزرگ بسیار هنگفت بود. از سویی پیمانکارها و شرکتهای جدید نیز به تکاپو افتادند تا این که طرحهای آنها در اواخر دههی 1970 و اوایل دههی 1980 راهی بازار آمریکا شد. این بار این ماشینها کوچکتر و متنوعتر شده بودند و مدلهای گوناگونی داشتند؛ مدلهایی با روتورهای دو پرهای که حول یک محور افقی میچرخیدند و نیز ماشینهایی که محورهای عمودی داشتند. دانمارکیها نیز طرحهای مختلفی را میآزمودند تا اینکه در اوایل دههی 1980 سازهی استانداردی را ارائه کردند؛ ماشینی سه پرهای که محور گردش آن افقی بود.
بسیاری از این توربینهای اولیه با موانع و مشکلاتی مواجه بودند. به گفتهی سندی باترفیلد که سرمهندس مرکز ملی فناوری باد در کلرادو است: «ماشینهایی با محور عمودی از لحاظ آیرودینامیکی به اندازهی ماشینهایی با محور افقی کارآمد نبودند، بنابراین باید ناحیهی بیشتری را جارو میکردند تا همان مقدار توان و انرژی را به چنگ بیاورند.» (طرحهای دارای محور عمودی از عهدهی تغییرات جهت باد بهتر برمیآیند، اما پرههای آنها گاهی در برابر باد حرکت نمیکنند.) روتورهای دوپرهای نیز معایبی داشتند. روتورهای دوپرهای به لحاظ دینامیکی به اندازهی روتورهای سهپرهای متوازن نیستند و طراحیشان نیز دشوارتر است. همچنین باید سریعتر بچرخند تا مقدار مشابهی انرژی را در مقایسه با طرحهای سهپرهای تولید کنند، به همین دلیل صدای بیشتری ایجاد میکنند. جالب اینکه خیلی از مردم منظرهی روتورهای سهپرهای را ترجیح میدهند.
تفاوت اصلی بین طرحهای آمریکایی و دانمارکی این بود که ماشینهای آمریکایی ساختار نرمتری داشتند. طبق گفتهی رابرت پوره که عضو مؤسسهی مشاورهای گلوبال انرژی کانسپتس در سیاتل است: «طرحهای آمریکایی نوعاً با هدف انعطافپذیری در برابر باد ارائه میشدند.» این در حالی بود که ماشینهای دانمارکی حدود دو برابر سختتر و سنگینتر بودند. در سالهای نخستین، مهندسان چیز زیادی دربارهی تأثیر نوسانات باد بر ساختار توربینها نمیدانستند و از سویی طرحهای انعطافپذیرتر آمریکایی در برابر بادهای سنگین اصلاً قابل اطمینان نبود.
با وجود اینکه این فناوری در نیمهی دههی 1980 در مراحل اولیهاش بود، در کالیفرنیا دستگاههایی با تولید 2/1 گیگاوات برق بادی نصب کرده بودند که در آن زمان تقریباً 90 درصد از ظرفیت جهانی را شامل میشد. از این مقطع بهعنوان دورهی «هجوم بزرگ برای استفاده از انرژی باد» یاد میکنند. این هجوم به واسطهی ترکیبی از معافیتهای مالیاتی فدرال و مشوقهای ایالتی جالب توجه برای برق بادی بهوجود آمد. پیشتر، توربینهای بادی بهعنوان ماشینهای منفرد یا در قالب گروههای کوچک نصب شده بودند، اما در دوره ی یادشده، گرایش به نصب توربینهای بادی در رشتههای بزرگ یا «کشتزار باد» بیشتر شد.
با این حال، وقتی در میانهی دههی 1980 معافیتهای مالیاتی منتفی شد، صنعت برق بادی آمریکا با یک مانع خردکننده برخورد کرد. بسیاری از شرکتها ورشکست شدند و حتی برخی از کشتزارهای باد دانمارکی نظیر «وستاس» روزگار سختی را تجربه کردند، چون حضور آنها در بازار با تکیه بر صادرات به کالیفرنیا تداوم یافته بود. اما طرح سهپرهای دانمارکیها بهعنوان استاندارد این صنعت سر برآورده بود؛ هرچند بهینهسازی این طرح همچنان نیاز به کار بیشتری داشت.
در روزهای آغازین، توربینهای باد فقط با سرعتهای ثابت کار میکردند. اگر باد شدیدتر میشد، مکانیسمی ساده از گردش سریعتر پرهها و روتور جلوگیری میکرد. محدودیت این طرح این بود که روتور بدون تنظیم سرعت باید از عهدهی نوسانات باد برمیآمد و بدین ترتیب تنشهای فوقالعادهای بر پرهها و مجموعهی عوامل محرکهی توربین وارد میآمد. در ابتدا دانش بشر دربارهی تأثیر تندبادها روی توربینها محدود بود. مهندسان دانمارکی برای غلبه بر این بلاتکلیفی، توربینها را محافظهکارانه طراحی میکردند و همین امر باعث میشد که توربینها نسبت به اندازهشان بسیار سنگینتر باشند.
کدام روش بهتر است
طی چند سال دانشمندان لابراتوار ملی ریزو در دانمارک و دیگر مؤسسات تحقیقاتی، آزمایشهایی را انجام دادند که به آنها در حل مدلهای ریاضی کمک فراوانی کرد. آنها در این آزمایشها توانستند پیشبینی کنند که اجزای یک توربین چگونه تحت تأثیر امتداد خطی، خمشدن و لرزش قرار میگیرند. این آزمایشها به مهندسان کمک کرد که علاوه بر کاهش وزن، عملکرد این ماشینها را ارتقا دهند. تا اواخر دههی 1980 تلاشهایی آغاز شد تا اجزای این دستگاهها تا حد امکان سبکتر ساخته شود و شرکتها بتوانند از این مزیت برای افزایش ظرفیت تولید توربینهاشان و نیز حفظ حداقل وزن بهره ببرند.
در همان دوران، محققان برای مدیریت و کاهش تأثیر تندبادها راههایی یافتند. آنها توربینهای مجهز به شیب متغیر تولید کردند که زاویهی پرههاشان را تنظیم و فشار نیروی باد به روتور و اجزای محرکه را محدود میکرد. بدین ترتیب آنها توانستند میزان ساییدگی را کاهش دهند. این سیستم بههنگام تلفیق با توربینهای سرعت متغیر در اوایل دههی 1990 عملکرد بهتری از خود نشان دادند. این قبیل ماشینها در سرعتهای بالاتر، راندمان بالایی دارند و بخش بزرگتری از انرژی جنبشی باد را به برق تبدیل کرده و به روتور امکان میدهند تا سرعتش را با سرعت باد تنظیم کند. بدین ترتیب تأثیر تندبادها روی ساختار توربین بیشتر کاهش یافت.
تمام این پیشرفتها به سازندگان اجازه داد تا ماشینهایی بزرگتر و توربینهایی با پرههای بلندتر را برای تأمین خروجی معین بسازند. اکنون این امر با مزایای متعددی همراه است. پرههای بلندتر ناحیهی بزرگتری را جارو میکنند و انرژی بیشتری را از باد به چنگ میآورند. توربین میتواند توان معینی را در سرعتهای پایینتر تولید کند و بنابراین استهلاک آن کاهش یابد. از سویی چون اندازهی اجزای محرکهی توربین نباید از حد معینی بزرگتر شود، توربین انرژی بیشتری را به ازای هزینهای معین تولید میکند.
ماشینهای امروزی حدود 50 درصد انرژی جنبشی موجود در باد را استحصال میکنند که نزدیک به حد تئوریک 59 درصد است. با این حال، همانطور که فلمینگ راسموسن میگوید (رئیس طراحی آیروالاستیک در دپارتمان انرژی باد ریزو)، بزرگ شدن اندازهی ماشینها و اجزای آنها باعث بروز مسائلی شده است. بهویژه جعبهدندهها در معرض بسیاری از لرزهها و جابهجاییها در داخل توربینها هستند. البته راهحلهایی نیز برای این مشکل ارائه شده است. مثلاً شرکت آلمانی انرکون (Enercon) سیستمی را ابداع کرده که به «رانش مستقیم» موسوم است. این سیستم مجهز به یک ژنراتور بدون جعبهدنده است و میتواند در سرعتهای پایین کار کند. مشکل این راهکار هم این است که چنین ژنراتورهایی بسیار سنگین هستند و هزینهی گزافی دارند. به گفتهی کارشناسان، قضاوت دربارهی این که این راهکار بهتر است یا نه، هنوز ممکن نیست.
اندازهی توربین یعنی همه چیز
با وجود برخی دشواریها در حملونقل و نصب و نگهداری توربینهای بزرگ، کارشناسان این صنعت هنوز معتقدند که دستگاههای بزرگتر بهتر هستند. در حال حاضر ماشینهای درون ساحلی (توربینهایی که در خشکی نصب میشوند) با ظرفیتی حدود 3 مگاوات ساخته میشوند و برخی ماشینهای فراساحلی (توربینهایی که در دریا نصب میشوند) روی میز نقشهکشی تا بیش از دو برابر این ظرفیت دارند. مثلاً شرکت «کلیپر ویندپاور» (Clipper Windpower) در حال ساخت یک نمونهی 5/7 مگاواتی است که در صورت تولید تجاری، میتواند به یک ماشین 10 مگاواتی تبدیل شود. به گفتهی آقای باترفیلد، با یک فونداسیون بسیار گرانقیمت در بستر دریا ، بخش بزرگتری از تجهیزات در بالای سطح آب قرار میگیرند که این موضوع تا حد زیادی کار را آسان میکند.
تأسیسات فراساحلی حدود 40 درصد بیشتر از تأسیسات درون ساحلی هزینه دارند و یکی از دلایل اینکه هماکنون حدود 1 درصد برق بادی از این راه تولید میشود نیز همین است. اما رابرت ترشر، عضو تحقیقات باد در آزمایشگاه ملی انرژی تجدیدپذیر آمریکا، معتقد است که باد فراساحلی دارای پتانسیل بسیاری است و انتظار میرود که ظرفیت آن از 1/1 گیگاوات در سال 2007 به 2/8 گیگاوات در سال 2012 افزایش یابد.
در صورت یک انتخاب دقیق، سایتهای فرا ساحلی تولید برق بادی میتوانند سرعت باد بیشتر و نوسان کمتری داشته باشند. کشتزارهای فرا ساحلی را میتوان نزدیک نواحی پرجمعیت ایجاد کرد که به برق نیاز دارند. این کشتزارها را میتوان در مکانهایی مستقر کرد که از خشکی قابل رؤیت نباشند و صدایشان هم شنیده نشود. این موضوع میتواند شرایط را برای بازگشت سازههای دوپرهای با صدای بیشتر فراهم کند. طبق مطالعات لابراتوار ملی ریزو، طرحهای دوپرهای حدود 15 درصد ارزانتر از توربینهای سهپرهای هستند.
در آمریکا همینک بسیاری از پروژههای فراساحلی با مقاومتهایی از جانب مردم محلی مواجهاند. آنها نمیخواهند توربینها بهصورت فلهای سطح افق را بپوشاند، اما در اروپا حدود 20 مزرعهی فراساحلی هماکنون مشغول فعالیت هستند و تعداد بسیار بیشتری نیز در مرحلهی طرح قرار دارند.
صنعت برق بادی اگرچه تا حد قابل توجهی گسترش یافته است، اما با مشکلات فزایندهی جدیدی مواجه است. به گفتهی دکتر ترشر: « پیش از این فقط در یک جبهه میجنگیدیم و باید این فناوری را بهبود میبخشیدیم،» اما حالا که توربینها به ماشینهای پیشرفتهای با سیستمهای کنترل بسیار دقیق تبدیل شدهاند، مسائل جدیدی نیز علاوه بر بهبود کارآیی آنها رخ نموده است. نیاز به جلب اقبال عمومی برای این فناوری از جملهی این مشکلات است. علاوه بر گلایههایی در خصوص این که توربینهای باد مناظر اطراف را خراب میکنند یا صدای بسیار زیادی تولید میکنند، مخالفان توربینهای باد نگران خطری هستند که این توربینها برای پرندگان دارند.
بزرگترین مانع بر سر راه توسعهی برق بادی، نیاز به ایجاد تغییرات در شبکهی برق برای مطابقت با این برق جدید است. انتقال برق بادی از نواحی روستایی که دارای بادهای شدیدتری هستند، به نواحی پرجمعیت نیازمند خطوط انتقال جدید گرانقیمتی است. به علاوه، سیستم شبکهی برق باید انعطافپذیرتر شود؛ هرچند که برخی پیشرفتها نیز هماکنون حاصل شده است. به گفتهی رئیس شرکت مشاورهای «گاراد حسن» که در بریستول انگلیس مستقر است: «اگرچه باد متغیر است، اما بسیار قابل پیشبینی است.» دسترسی به باد را هماکنون میتوان در تمام 24 ساعت با کمی دقت پیشبینی کرد.
با این حال، برخلاف برق حاصل از منابع متداول، برق بادی همیشه در هنگام لزوم در دسترس نیست. بنابراین، گردانندگان شبکه باید مطمئن شوند که در مواقع نبود باد، به منابع ذخیره دسترسی خواهند داشت. اما همانطور که رئیس گروه مشورتی دپارتمان باد در وزارت انرژی آمریکا میگوید، چون تولید برق بادی و تقاضای برق هر دو متغیرند، ذخایر برق اضافی مورد نیاز برای یک سهم 20 درصدی از باد، در عمل بسیار کوچک است و برابر درصد کوچکی از ظرفیت باد نصب شده خواهد بود. انتظار میرود که تحقق سهم 20 درصدی برق بادی باعث شود تا هزینهها برای صنعت برق آمریکا تا 2 درصد، یا ماهانه50 سنت به ازای هر خانوار، تا سال 2030 افزایش یابد.
چه این هدف 20 درصدی در آمریکا محقق شود یا نه، برق بادی توانسته است جایگاه خود را به عنوان یک منبع قابل توجه برای کاستن از میزان انتشار گازهای گلخانهای تثبیت کند. در آمریکا حدود 35 درصد از ظرفیت تولید برق جدید در سال 2007 از برق بادی به دست آمد. آژانس بینالمللی انرژی پیشبینی میکند که تا سال 2030 برق بادی 14 درصد کل تولید برق در اتحادیهی اروپا را به خود اختصاص خواهد داد که 60 درصد رشد تولید را در این منطقه شامل میشود. هرچند که اتخاذ برخی سیاستهای جدید میتواند این سهم را حتی افزایش دهد. از منظر هزینهی سوخت و مصرف گازهای آلاینده، نایبرئیس بخش انرژی شرکت جنرالالکتریک میگوید: «برق بادی هم اینک مقرون به صرفهترین و مطلوبترین فناوری در دسترس بشر است.» |