تصویر: Equinor's Hywind Scotland اولین نیروگاه بادی شناور جهان در سال 2017 شد. ؟ yvind Grav؟ s/Woldcam via Equinor

شمال کالیفرنیا دارای قوی ترین بادهای فرا ساحلی در ایالات متحده است که پتانسیل عظیمی برای تولید انرژی پاک دارد. اما مشکلی دارد. فلات قاره ای آن دارد به سرعت از بین می رود و ساخت توربین های بادی سنتی مستقیماً بر بستر دریا را، اگر غیرممکن نباشد، هزینه بر می سازد.

هنگامی که آب بیش از 200 فوت عمق پیدا می کند – تقریباً به ارتفاع یک ساختمان 18 طبقه – امکان وجود این سازه های "یکپارچه" تقریباً دور از ذهن هستند.

راه حلی پیدا شده است که در چندین مکان در سراسر جهان آزمایش می شود: ساخت توربین های بادی که شناور هستند. در واقع، در کالیفرنیا، جایی که خشک سالی منابع برق آبی را تحت فشار قرار می دهد و آتش سوزی واردات برق از شمال غربی اقیانوس آرام را تهدید کرده است، این ایالت در حال برنامه ریزی برای توسعه اولین مزارع بادی دریایی شناور کشور است.
در اروپا، جایی که بسیاری از دولت ها ریسک مقررات را کاهش داده اند، هزینه انرژی باد دریایی به سرعت، بسیار سریع تر از انتظار کارشناسان، به 50 دلار در هر مگاوات ساعت کاهش یافته است. پس آنها چطوری کار می کنند؟

سه روش اصلی شناور سازی توربین

یک توربین بادی شناور درست مانند دیگر توربین های بادی کار می کند - باد بر روی پره ها فشار می آورد و باعث چرخش روتور می شود که ژنراتوری را می راند که برق تولید می کند. اما به جای این که برج آن مستقیماً در زمین یا کف دریا تعبیه شود، یک توربین بادی شناور بر روی سکویی با خطوط پهلو گیری ای مثل زنجیر یا طناب که به لنگرهای پایین دریا متصل می شوند قرار می گیرد.

این خطوط پهلو گیری، توربین را در مقابل باد نگه می دارد و آن را به کابلی متصل می کند که برق آن را به ساحل باز می گرداند.

بیشتر ثبات توسط خود سکوی شناور تأمین می شود. ترفند، طراحی پلت فرم یا سکو است تا توربین در وزش باد شدید یا طوفان زیاد یک ور نشود.

تصویر: عکسی از هر یک از سه نوع سکو در یک اقیانوس، نشان می دهد که چگونه خطوط پهلو گیری به کف دریا متصل می شود. سه نوع متداول سکوی توربین بادی شناور. جاش باوئر/NREL
صنعت پر رونق باد همچنین به درگاه هایی برای انبار و استقرار پره های بلند توربین نیاز دارد، به علاوه ی نیروی کار آموزش دیده برای ساخت و نگهداری توربین.سه نوع اصلی سکو وجود دارد:

* یک سکوی دکل شناور یک استوانه توخالی بلند است که از برج توربین به سمت پایین امتداد می یابد. به طور عمودی در آب های عمیق شناور می شود و با بالاست در پایین استوانه سنگین می شود تا مرکز ثقل آن پایین بیاید. سپس در جای خود لنگر انداخته می شود، اما با خطوط شلی که اجازه می دهد دکل با آب حرکت کند تا از آسیب دیدنش جلو گیری شود. دکل های شناور سال هاست که توسط صنعت نفت و گاز برای عملیات دریایی مورد استفاده قرار می گیرند.

* سکوهای نیمه شناور دارای بدنه های شناور بزرگ هستند که از برج گسترش یافته اند، و همچنین برای جلوگیری از رانش، لنگر انداخته می شوند. طراحان در حال آزمایش توربین های چندگانه بر روی برخی از این بدنه های شناور بوده اند.

* سکوهای پای تنشی دارای سکوهای کوچک تری هستند با خطوط کشیده محکمی که مستقیماً به کف در زیر می روند. این ها سبک تر هستند اما در برابر زلزله یا سونامی آسیب پذیرترند زیرا برای ثبات بیشتر به خطوط پهلو گیری و لنگر تکیه می کنند.

هر سکو باید وزن توربین را تحمل کند و در حین کار توربین ثابت بماند. سکو تا حدی می تواند این کار را انجام دهد زیرا سکوی توخالی که اغلب از سازه های بزرگ فولادی یا بتنی ساخته شده است، شناوری را برای پشتیبانی از توربین فراهم می کند. از آن جا که برخی از آنها را می توان به طور کامل در بندر مونتاژ و برای نصب بکسل کرد، ممکن است بسیار ارزان تر از سازه های با پایه ثابت باشند، که برای نصب در محل نیاز به قایق های تخصصی دارند.

تصویر: مردم در کنار توربین بادی کوچکی که توسط جرثقیل نگه داشته شده است، ایستاده اند. فقط پایه سه برابر بزرگ تر از یک انسان است. دانشگاه مین در حال آزمایش یک توربین بادی کوچک شناور، در مقیاس یک هشتم، بر روی یک سکوی نیمه شناور است. این برنامه قصد دارد نسخه ای در مقیاس کامل را با شرکای شرکت در سال 2023 راه اندازی کند. AP Photo/Robert F. Bukaty

سکوهای شناور می توانند از توربین های بادی که توان تولید 10 مگاوات یا بیشتر را دارند، پشتیبانی کنند - که از نظر اندازه شبیه به دیگر توربین های بادی دریایی هستند و چندین برابر بیشتر از ظرفیت یک توربین بادی خشکی معمولی که ممکن است در یک مزرعه مشاهده کنید را دارند.
تفکر دقیق در مورد آینده دور، تأخیر در اولین مزرعه بادی در مقیاس کاربردی را توجیه نمی کند.

چرا به توربین های شناور نیاز داریم؟

برخی از قوی ترین منابع باد، دور از ساحل، در مکان هایی با صدها فوت آب در زیر، قرار دارند، مانند سواحل غربی ایالات متحده، دریاچه های بزرگ، دریای مدیترانه و سواحل ژاپن.

در ماه مه 2021، دب هالند، وزیر کشور و گاوین نیوسوم، فرماندار کالیفرنیا، برنامه هایی را برای افتتاح بخش هایی از ساحل غربی، در خلیج مورو در مرکز کالیفرنیا و نزدیک خط ایالت اورگان، برای نیروی باد دریایی اعلام کردند. آب در آن جا به سرعت عمیق می شود، بنابراین هر نیروگاه بادی که حتی چند مایل از ساحل فاصله داشته باشد به توربین های شناور نیاز دارد. نیوزوم گفت که این منطقه در ابتدا می تواند 4.6 گیگاوات انرژی پاک تأمین کند که برای تامین انرژی 1.6 میلیون خانه کافی است. این بیش از 100 برابر کل نیروی بادی دریایی ایالات متحده امروز است.

تصویر: نقشه پتانسیل باد دریایی را نشان می دهد. برخی از قوی ترین پتانسیل های بادی دریایی در کشور در مناطقی است که آب برای توربین های ثابت بسیار عمیق است، از جمله در ساحل غربی و دریای مین. NREL

در سطح جهانی، چندین پروژه نمایشی در مقیاس کامل در حال حاضر در اروپا و آسیا در حال انجام است. پروژه هایویند اسکاتلند در سال 2017 با 5 توربین 6 مگاواتی پشتیبانی شده توسط تیر دکل های شناور که توسط شرکت انرژی نروژی Equinor طراحی شده بود، اولین مزرعه بادی شناور دریایی در مقیاس تجاری شد.

در حالی که مزارع بادی دریایی شناور به یک فناوری تجاری تبدیل می شوند، هنوز چالش های فنی وجود دارد که باید حل شوند. حرکت سکو ممکن است باعث ایجاد نیروهای بیشتر وارد شده بر روی تیغه ها و برج و آیرودینامیک های پیچیده و ناپایدار شود. همچنین، با بیشتر شدن عمق آب، هزینه خطوط پهلو گیری، لنگرها و کابل کشی برق ممکن است بسیار زیاد شود، و بنابراین به فناوری های ارزان تر اما قابل اعتماد نیاز است.
مزارع بادی دریایی حدود 10 درصد از نیروی برق بریتانیا را تولید می کند.انتظار می رود در آینده نزدیک شاهد توربین های فرا ساحلی بیشتری با سازه های شناور باشید.

اهداف بلند پروازانه نیروی بادی دریایی

تصویر: ایجاد یک صنعت بادی دریایی به چیزی بیشتر از مجوزهای رد یابی سریع نیاز دارد. کریستوفر فرلانگ/گتی ایماژ

صنعت باد دریایی کشور بسیار کوچک است و تنها هفت توربین بادی در رودآیلند و ویرجینیا کار می کنند. تلاش های اندک برای ایجاد مزارع بادی در مقیاس بزرگ مانند اروپا با تاخیرهای طولانی مدت مواجه شده است، اما ممکن است این امر تغییر کند.

دولت در 29 مارس 2021 اعلام کرد که روند بررسی فدرال برای پروژه های بادی دریایی را تسریع کرده و بودجه بیشتری را تأمین می کند. این همچنین یک هدف را تعیین کرد: توسعه 30 هزار مگاوات ظرفیت بادی دریایی در این دهه – که برای تامین انرژی 10 میلیون خانه با انرژی پاک کافی است. اگر بخواهیم این موضوع را در چشم انداز قرار دهیم، باید بدانیم ایالات متحده امروز فقط 42 مگاوات قدرت دارد.
انتظار می رود در آینده نزدیک شاهد توربین های فرا ساحلی بیشتری با سازه های شناور باشید.چندین توسعه دهنده مزرعه بادی در حال حاضر اجاره نامه هایی را در مکان های اصلی خارج از ساحل شرقی تنظیم کرده اند که نشان می دهد علاقه زیادی در این زمینه وجود دارد. بنابراین، آیا اهداف جدید دولت و وعده تأمین بودجه اضافی برای راه اندازی یک صنعت بادی فرا ساحلی کافی خواهد بود؟

جدول: کدام کشورها بیشترین نیروی بادی دریایی را دارند؟ بریتانیا در سال 2020 در زمینه نصب قدرت بادی دریایی جهان رهبری جهان را بر عهده داشت. مزارع بادی دریایی حدود 10 درصد از نیروی برق بریتانیا را تولید می کند که برای 4.5 میلیون خانه در آنجا کافی است. انگلستان 10206 مگاوات. چین 9996 مگاوات. آلمان 7728 مگاوات. هلند 2611 مگاوات. بلژیک 2262 مگاوات. دانمارک 1703 مگاوات. دیگران در آسیا 418 مگاوات. دیگران در اروپا 327 مگاوات. ایالات متحده 42 مگاوات. ظرفیت نصب شده بر حسب مگاوات. نمودار: مکالمه/CC-BY-ND منبع: شورای جهانی انرژی باد دریافت داده ها

ما به عنوان استادان مهندسی که رهبری طرح انتقال انرژی و مرکز انرژی باد را در دانشگاه ماساچوست آمهرست بر عهده داریم، از نزدیک شاهد چالش ها و پیشرفت های این صنعت هستیم. این پروسه می تواند به سرعت پیش برود و مجوزها در راه باشد، اما هنوز موانعی وجود دارد.

چرا برنامه های باد دریایی در زمان دولت قبل متوقف شد

Vineyard Wind ، که به احتمال زیاد به اولین مزرعه بادی دریایی در مقیاس تجاری کشور تبدیل می شود، برنامه ریزی کرده بود که ساخت و ساز را در سال 2019 در فاصله 15 مایلی تاکستان Martha's Vineyard آغاز کند. حکم اداره فدرال مدیریت انرژی اقیانوس در دولت ترامپ آن را متوقف کرد و همچنین بر دیگر برنامه های مزرعه بادی سایه افکند.

آژانس تصمیم گرفت که توسعه دهندگان باید به آن چه "اثرات تجمعی" می گویند بپردازند – آن چه که سواحل شرقی وقتی نه یک یا دو، بلکه 20 یا 40 مزرعه بادی در مقیاس بزرگ داشته باشد به نظر خواهد رسید. این بخش از سواحل ایالات متحده به دلیل داشتن فلات قاره وسیع و کم عمق و نزدیکی شهرهایی که به دنبال برق تجدید پذیر برای کاهش تأثیرات اقلیمی خود هستند، برای نیروی باد ایده آل است.
چندین پروژه نمایشی در مقیاس کامل در حال حاضر در اروپا و آسیا در حال انجام است.

تصویر: نقشه، مناطق اجاره ای در ساحل اقیانوس اطلس ایالات متحده، از ویرجینیا تا ماساچوست را نشان می دهد. توسعه دهندگان در حال حاضر اجاره انرژی باد را برای چندین منطقه در ساحل شرقی در اختیار دارند. BOEM
سکوهای شناور می توانند از توربین های بادی که توان تولید 10 مگاوات یا بیشتر را دارند، پشتیبانی کنند - که از نظر اندازه شبیه به دیگر توربین های بادی دریایی هستند و چندین برابر بیشتر از ظرفیت یک توربین بادی خشکی معمولی که ممکن است در یک مزرعه مشاهده کنید را دارند.بسیاری از محققانِ در حال مطالعه باد دریایی، از جمله برخی از همکاران ما، از برنامه ریزان می خواهند این دیدگاه را داشته باشند. اما، تفکر دقیق در مورد آینده دور، تأخیر در اولین مزرعه بادی در مقیاس کاربردی را توجیه نمی کند.

اولین مزرعه بادی بزرگ باید فرصتی برای یادگیری باشد، از جمله در مورد نحوه تعامل توربین های بادی با اکوسیستم های دریایی. در حال حاضر، تقریبا هیچ اطلاعاتی در مورد تأثیر گسترش نیروی برق حاصل از بادهای دریایی دور از ساحل بر روی حیات وحش دریایی - پرندگان، خفاش ها، نهنگ ها، ماهی ها - به ویژه در مورد حیات وحش بومی نیو انگلند وجود ندارد. دانش به دست آمده در پیشبرد مسئولیت پذیر این صنعت بسیار ارزشمند خواهد بود.

آیا تأییدیه های فدرال با رد یابی سریع کافی است؟

تسریع در تأییدیه های فدرال برای مزارع بادی دریایی اولین گام مهم است، اما این تنها مانع توسعه دهندگان مزرعه بادی دریایی نیست.
از آن جا که برخی از آنها را می توان به طور کامل در بندر مونتاژ و برای نصب بکسل کرد، ممکن است بسیار ارزان تر از سازه های با پایه ثابت باشند، که برای نصب در محل نیاز به قایق های تخصصی دارند.تعداد زیادی از آژانس های زیست محیطی و ساحلی ایالتی هنوز باید موافقت کنند، و جوامع در جاهایی که کابل ها به ساحل می آیند نیز حق رأی خواهند داشت. بسیاری از ایالت های شمال شرقی اهداف انرژی بادی دریایی خود را دارند، و بنابراین احتمالاً از مزارع بادی حمایت می کنند، اما برخی از جوامع ثروتمند و صنعت ماهی گیری در گذشته از نیروی باد عقب کشیده اند.

فرآیند تصویب فدرال، حتی با سرعت بالا، زمان بر است. دولت بازبینی هایی را انجام می دهد و این، برنامه های ارزیابی سایت، شامل بررسی های زمین شناسی، زیست محیطی و خطرات را می طلبد. از برنامه ریزی تا ساخت و ساز، کل فرایند می تواند پنج تا شش سال یا بیشتر طول بکشد.

آیا کشور آماده ساخت توربین های دریایی است؟

برخی سؤالات بزرگ دیگر حول ساخت و ساز می چرخد.
دکل های شناور سال هاست که توسط صنعت نفت و گاز برای عملیات دریایی مورد استفاده قرار می گیرند.بر اساس قانون 1920 معروف به قانون جونز، تنها کشتی های ثبت شده در ایالات متحده که توسط شهروندان آمریکایی یا مقیم دائمی اداره می شوند می توانند بار را بین بنادر ایالات متحده جا به جا کنند. در دسامبر 2020، کنگره تصریح کرد که این قانون در مورد ساخت توربین های بادی نیز اعمال می شود.

هنگامی که امروزه شرکت ها توربین های بادی دریایی می سازند، از کشتی های مخصوص برای نصب رایج ترین طرح های توربین های دریایی استفاده می کنند. ایالات متحده هنوز هیچ یک از این شناورها را ندارد و قانون جونز اتکا به کشتی های اروپایی را برای انجام این کار دشوار می کند. به هر حال اما وعده وجود دارد: اولین نسخه این کشتی در کشور در حال حاضر در تگزاس ساخته می شود. این یکی است - کشور برای رسیدن به هدف جدید به چندین مورد نیاز دارد.

تصویر: نقشه جهان برجسته برای مناطق ساحلی با سرعت باد. سواحل کشور برجسته است. مناطقی با بیشترین متوسط سرعت باد در دریا، لزوماً بهترین مکان های مزرعه بادی نیستند. عمق آب و مجاورت با شهرها نیز مهم است. بانک جهانی/ESMAP ، CC BY
ترفند، طراحی پلت فرم یا سکو است تا توربین در وزش باد شدید یا طوفان زیاد یک ور نشود.صنعت پر رونق باد همچنین به درگاه هایی برای انبار و استقرار پره های بلند توربین نیاز دارد، به علاوه ی نیروی کار آموزش دیده برای ساخت و نگهداری توربین.

چند ایالت ساحلی در این زمینه شروع به کار کرده اند. ماساچوست مراحل اولیه را آغاز کرد و در حال حاضر یک پایانه بندری در نیو بدفورد دارد که از ساخت و استقرار پروژه های بادی دریایی آینده پشتیبانی می کند. نیوجرسی به تازگی برنامه ای برای ایجاد یک بندر بادی دریایی جدید اعلام کرده است که ساخت آن در سال 2022 آغاز می شود.

دولت ها همچنین در زمینه آموزش سرمایه گذاری می کنند. ایالت نیویورک در ژانویه 2021 یک مؤسسه آموزش بادی دریایی 20 میلیون دلاری با هدف آموزش 2500 کارگر برای این صنعت و نگهداری آن اعلام کرد. دولت پیش بینی می کند که 44000 نفر تا سال 2030 در بادهای فرا ساحلی و تعداد بیشتری در جمعیت های مرتبط با فعالیت های نیروی دریایی بادی مشغول به کار شوند.
راه حلی پیدا شده است که در چندین مکان در سراسر جهان آزمایش می شود: ساخت توربین های بادی که شناور هستند.

آیا باد دریایی بازدهی دارد؟

در اروپا، جایی که بسیاری از دولت ها ریسک مقررات را کاهش داده اند، هزینه انرژی باد دریایی به سرعت، بسیار سریع تر از انتظار کارشناسان، به 50 دلار در هر مگاوات ساعت کاهش یافته است. اگر رویکرد جدید دولت به مزارع بادی کشور این امکان را بدهد که هزینه هایی از این دست را به دست آورند، بادهای دریایی با توجه به مجاورت با مراکز شهری بزرگ در ساحل شرقی، رقابتی خواهد بود.

همچنین تشخیص سایر مزایا نیز مهم است. هر سال تأخیر برای مزرعه بادی در مقیاس بزرگ صدها میلیون دلار برای کشور هزینه از دست دادن منافع آب و هوایی به همراه دارد. دولت محاسبه می کند که هدف جدید نیروی بادیش از انتشار 78 میلیون تن دی اکسید کربن جلوگیری می کند که تقریباً معادل انتشار از 17 میلیون خودرو در یک سال تردد جاده ای است.
خطوط پهلو گیری، توربین را در مقابل باد نگه می دارد و آن را به کابلی متصل می کند که برق آن را به ساحل باز می گرداند.
منبع: متیو لاکنر، ارین بیکر، University of Massachusetts Amherst