Vindenergi er stærkt stigende i USA; nationens kapacitet til vedvarende energi er mere end tredoblet i de seneste ni år, og vind- og solenergi er i høj grad ansvarlig. Nu ønsker virksomhederne at udnytte endnu mere vindenergi til en billigere pris – og en af de bedste måder at sænke omkostningerne på er ved at bygge større møller. Derfor er en alliance af seks institutioner under ledelse af forskere fra University of Virginia ved at designe verdens største vindmølle på 500 meter – næsten en tredjedel af en mil høj og ca. 57 meter højere end Empire State Building.

Turbinerne er allerede nu betydeligt større, end de var for 15 eller 20 år siden. Størrelsen varierer, men de typiske vindmølletårne i dag er omkring 70 meter høje og har ca. 50 meter lange vinger. Deres effekt afhænger af størrelse og højde, men den ligger generelt mellem en og fem megawatt – i den øvre ende er det nok til at forsyne ca. 1 100 hjem med strøm. “Der er denne motivation for at gå over til større vindmøller, og grunden er temmelig meget økonomisk”, forklarer John Hall, der er assisterende professor i mekanik og luft- og rumfartsteknik ved University at Buffalo, S.U.N.Y. En af grundene til, at kæmpemøller er mere omkostningseffektive, er, at vinden blæser stærkere og mere stabilt i større højder. Derfor “fanger man mere energi” med en højere konstruktion, siger Eric Loth, projektleder for det massive mølleprojekt, som finansieres af det amerikanske energiministeriums Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E).

En anden grund til, at vindeksperter siger, at større er bedre: Længere møllevinger fanger også vinden mere effektivt, og højere tårne giver mulighed for længere vinger. En mølles effekt er direkte relateret til dens “fejet areal” – det cirkulære område, der dækkes af vibenes rotation – forklarer Christopher Niezrecki, professor i maskinteknik og direktør for Center for Wind Energy ved University of Massachusetts Lowell. Og denne sammenhæng er ikke lineær – hvis bladlængden fordobles, kan et system producere fire gange så meget energi, forklarer Niezrecki. Han bemærker, at større møller også har en lavere “cut-in”-hastighed, dvs. den vindhastighed, ved hvilken de kan begynde at generere energi.

Loths hold ønsker at designe et 50-megawatt-system med 200 meter lange vinger, hvilket er meget større end de nuværende vindmøller. Hvis det lykkes for forskerne, mener de, at møllen vil være 10 gange kraftigere end det eksisterende udstyr. Men forskerne har ikke blot til hensigt at gøre konventionelle konstruktioner større; de ændrer møllestrukturen fundamentalt. Den ultralette maskine vil have to vinger i stedet for de sædvanlige tre, hvilket vil reducere strukturens vægt og nedbringe omkostningerne. Loth siger, at en reduktion af antallet af vinger normalt ville gøre en turbine mindre effektiv, men hans hold anvender et avanceret aerodynamisk design, som han siger i vid udstrækning kompenserer for disse tab.

Teamet forestiller sig også, at disse gigantiske strukturer skal stå mindst 80 kilometer fra kysten, hvor vindene har tendens til at være stærkere, og hvor folk på land ikke kan se eller høre dem, ifølge Loth. Men kraftige storme rammer sådanne steder – f.eks. ved USA’s østkyst i Atlanterhavet – så Loths hold stod over for det dilemma at skabe noget massivt, der også er relativt let og stadig er modstandsdygtigt over for orkaner. For at løse problemet kiggede forskerne på en af naturens egne designløsninger: palmetræer. “Palmer er virkelig høje, men strukturelt set meget lette, og hvis vinden blæser hårdt, kan stammen bøje sig”, siger Loth. “Vi forsøger at bruge det samme koncept – at designe vores vindmøller, så de har en vis fleksibilitet, så de kan bøje sig og tilpasse sig strømmen.”

I holdets design er de to vinger placeret med vinden nedad i forhold til møllens tårn i stedet for med vinden opad, som de er på traditionelle møller. Bladene ændrer også form i takt med vindens retning, svarende til en palme. “Når bladene bøjer tilbage i en vindretningsvinkel, behøver man ikke at bygge dem så tunge eller stærke, så man kan bruge mindre materiale”, forklarer Loth. Dette design mindsker også muligheden for, at stærk vind vil bøje et snurrende blad mod tårnet og potentielt vælte hele konstruktionen. “Bladene vil tilpasse sig til høje hastigheder og begynde at folde sig indad, så der er færre dynamiske kræfter på dem”, siger Loth. “Vi vil gerne have, at vores møller skal kunne klare mere end 253 kilometer i timen i vindstyrke” under ikke-driftsbetingelser. Over en vindhastighed på 80 til 95 kilometer i timen ville systemet lukke ned, og vingerne ville bøje sig væk fra vinden, så de kunne modstå voldsomme vindstød, tilføjer Loth.

Møllen på 500 meter står stadig over for udfordringer – der er gode grunde til, at ingen endnu har bygget en mølle i nærheden af denne størrelse: “Hvordan laver man 200-meter-blade? Hvordan sætter man dem sammen? Hvordan opfører man et så højt tårn? Kraner kan kun gå så højt op. Og med havvind er der yderligere komplikationer”, siger Niezrecki. Holdets design omfatter et segmenteret blad, der kan samles i stykker på stedet, men Niezrecki bemærker, at vindindustrien endnu ikke helt har fundet ud af, hvordan man kan segmentere bladene. “Der er masser af forskningsspørgsmål, der skal løses”, siger han. “Det er helt klart en høj risiko, men der er også potentiale for en høj gevinst. Jeg tror ikke, at disse problemer er uoverstigelige.” Hall sætter også spørgsmålstegn ved, om en så massiv turbine er den optimale størrelse. “Vi er ved at finde ud af, at større er bedre. Spørgsmålet er, hvor meget større? Vi er nødt til at finde det søde punkt”, siger han. “Vi kommer til at lære meget af dette projekt.”

Loth og hans team har endnu ikke testet en prototype; de er i øjeblikket ved at designe turbinens struktur og styresystem, og til sommer bygger de en model, der er meget mindre end den rigtige – ca. to meter i diameter. Næste sommer planlægger de at konstruere en større version med to 20 meter lange vinger, som vil producere mindre end en megawatt strøm og vil blive testet i Colorado. Loth selv er ikke 100 procent sikker på, at hans teams mammutturbine bliver en realitet, men han er sikker på, at den er et forsøg værd. “Det er et meget nyt koncept, så der er bestemt ingen garantier for, at det vil fungere”, siger han. “Men hvis den gør, vil den revolutionere offshore vindenergi.”