Větrná energie je v USA na vzestupu; za posledních devět let se kapacita obnovitelných zdrojů energie v zemi více než ztrojnásobila a velkou měrou se na tom podílí větrná a solární energie. Nyní chtějí podniky využívat ještě více větrné energie za nižší cenu – a jedním z nejlepších způsobů, jak snížit náklady, je stavba větších turbín. Proto aliance šesti institucí pod vedením výzkumníků z Virginské univerzity navrhuje největší větrnou turbínu na světě vysokou 500 metrů – téměř třetinu míle a asi o 57 metrů vyšší než Empire State Building.

Turbíny jsou již dnes o poznání větší než před 15 nebo 20 lety. Velikost se liší, ale dnešní typické věže větrných farem jsou vysoké kolem 70 metrů a jejich lopatky jsou dlouhé asi 50 metrů. Jejich výkon závisí na velikosti a výšce, ale obvykle se pohybuje mezi jedním a pěti megawatty – na horní hranici to stačí na napájení asi 1 100 domácností. „Existuje motivace přejít na větší větrné turbíny a důvodem je v podstatě ekonomická stránka věci,“ vysvětluje John Hall, odborný asistent strojního a leteckého inženýrství na univerzitě v Buffalu, S.U.N.Y. Jedním z důvodů, proč jsou obří turbíny cenově výhodnější, je to, že vítr ve větších výškách fouká silněji a stabilněji. Proto „zachytíte více energie“ s vyšší konstrukcí, říká Eric Loth, vedoucí projektu masivní turbíny, který je financován Agenturou pro pokročilé výzkumné projekty v energetice (ARPA-E) amerického ministerstva energetiky.

Další důvod, proč odborníci na větrnou energii tvrdí, že větší je lepší: delší lopatky turbíny také účinněji zachycují vítr a vyšší věže umožňují delší lopatky. Výkon turbíny přímo souvisí s její „obtékanou plochou“ – kruhovou plochou pokrytou rotací lopatek – vysvětluje Christopher Niezrecki, profesor strojního inženýrství a ředitel Centra pro větrnou energii na Massachusettské univerzitě v Lowellu. Tento vztah není lineární – pokud se délka lopatek zdvojnásobí, může systém vyrobit čtyřikrát více energie, vysvětluje Niezrecki. Poznamenává, že větší turbíny mají také nižší „cut-in“ rychlost, tedy rychlost větru, při které mohou začít vyrábět energii.

Lothův tým chce navrhnout 50megawattový systém s lopatkami dlouhými 200 metrů, tedy mnohem většími než dnešní větrné turbíny. Pokud se to výzkumníkům podaří, bude podle nich turbína desetkrát výkonnější než stávající zařízení. Vědci však nemají v úmyslu pouze zvětšit běžné konstrukce; zásadně mění konstrukci turbíny. Ultralehký stroj bude mít dvě lopatky místo obvyklých tří, což sníží hmotnost konstrukce a sníží náklady. Loth říká, že snížení počtu lopatek by za normálních okolností snížilo účinnost turbíny, ale jeho tým používá pokročilou aerodynamickou konstrukci, která podle něj tyto ztráty do značné míry kompenzuje.

Tým také předpokládá, že tyto gigantické konstrukce budou stát nejméně 80 kilometrů od pobřeží, kde bývají silnější větry a kde je lidé na pevnině nevidí ani neslyší, tvrdí Loth. Taková místa však zasahují silné bouře, například na východním pobřeží USA v Atlantském oceánu, takže Lothův tým stál před problémem, jak vytvořit něco masivního, co je zároveň relativně lehké a přitom odolné vůči hurikánům. Při řešení tohoto problému se výzkumníci obrátili na jedno z přírodních konstrukčních řešení: palmy. „Palmy jsou opravdu vysoké, ale konstrukčně velmi lehké, a pokud fouká silný vítr, kmen se může ohnout,“ říká Loth. „Snažíme se využít stejný koncept – navrhnout větrné turbíny tak, aby byly do jisté míry flexibilní, aby se ohýbaly a přizpůsobovaly proudění.“

V návrhu týmu jsou dvě lopatky umístěny po větru od věže turbíny, nikoli proti větru, jak je tomu u tradičních turbín. Lopatky také mění tvar podle směru větru, podobně jako palma. „Když se lopatky ohýbají zpět pod úhlem po větru, nemusíte je stavět tak těžké a silné, takže můžete použít méně materiálu,“ vysvětluje Loth. Tato konstrukce také snižuje možnost, že by silný vítr ohnul rotující lopatku směrem k její věži, což by mohlo celou konstrukci shodit . „Lopatky se přizpůsobí vysokým rychlostem a začnou se sklápět, takže na ně působí menší dynamické síly,“ říká Loth. „Chtěli bychom, aby naše turbíny byly schopné zvládnout vyšší vítr než 253 kilometrů za hodinu“ v neprovozních podmínkách. Nad rychlostí větru 80 až 95 kilometrů za hodinu by se systém vypnul a lopatky by se ohnuly směrem od větru, takže by vydržely i prudké poryvy, dodává Loth.

Pětisetmetrová turbína stále čelí výzvám – existují dobré důvody, proč ještě nikdo nepostavil turbínu blízkou této velikosti: „Jak vyrobit 200metrové lopatky? Jak je poskládáte dohromady? Jak postavíte tak vysokou věž? Jeřáby se dostanou jen tak vysoko. A s větrnými elektrárnami na moři přicházejí další komplikace,“ říká Niezrecki. Návrh týmu zahrnuje segmentovou lopatku, kterou by bylo možné sestavit z dílů přímo na místě, ale Niezrecki poznamenává, že větrný průmysl zatím nepřišel na to, jak lopatky segmentovat. „Je tu spousta výzkumných otázek, které je třeba vyřešit,“ říká. „Je to rozhodně vysoké riziko, ale je zde také potenciál pro vysokou odměnu. Nemyslím si, že tyto problémy jsou nepřekonatelné.“ Hall si také klade otázku, zda je tak obrovská turbína optimální velikosti. „Zjišťujeme, že větší je lepší. Otázkou je, o kolik větší? Musíme najít ten správný bod,“ říká. „Na tomto projektu se hodně naučíme.“

Loth a jeho tým ještě musí otestovat prototyp; v současné době navrhují konstrukci turbíny a její řídicí systém a letos v létě postaví model mnohem menší než skutečný – o průměru asi dva metry. Příští léto plánují postavit větší verzi se dvěma dvacetimetrovými lopatkami, která bude vyrábět necelý megawatt výkonu a bude testována v Coloradu. Sám Loth si není stoprocentně jistý, že se mamutí turbína jeho týmu stane skutečností, ale je si jistý, že stojí za pokus. „Je to velmi nový koncept, takže rozhodně nemáme žádné záruky, že to bude fungovat,“ říká. „Ale pokud ano, bude to znamenat revoluci v oblasti větrné energie na moři.“