Vindenergi är skyhöga i USA; landets kapacitet för förnybar energi har mer än tredubblats under de senaste nio åren, och vind- och solkraft är till stor del ansvarig. Nu vill företagen utnyttja ännu mer vindkraft, till ett billigare pris – och ett av de bästa sätten att sänka kostnaderna är att bygga större turbiner. Därför håller en allians av sex institutioner under ledning av forskare vid University of Virginia på att utforma världens största vindkraftverk på 500 meter – nästan en tredjedels mil högt och cirka 57 meter högre än Empire State Building.

Turbiner är redan märkbart större än de var för 15 eller 20 år sedan. Storleken varierar, men dagens typiska vindkraftverkstorn är cirka 70 meter höga, med blad som är cirka 50 meter långa. Deras effekt beror på storlek och höjd, men den ligger i allmänhet mellan en och fem megawatt – i den övre delen räcker det för att driva cirka 1 100 hushåll. ”Det finns en motivation för att gå över till större vindkraftverk, och anledningen är i stort sett ekonomisk”, förklarar John Hall, biträdande professor i maskinteknik och flygteknik vid University at Buffalo, S.U.N.Y. En av anledningarna till att jätteturbiner är mer kostnadseffektiva är att vinden blåser kraftigare och jämnare på större höjder. Därför ”fångar man mer energi” med en högre konstruktion, säger Eric Loth, projektledare för det massiva turbinprojektet, som finansieras av det amerikanska energidepartementets Advanced Research Projects Agency-Energy (ARPA-E).

En annan anledning till att vindkraftsexperter säger att större är bättre: längre turbinblad fångar också vinden effektivare, och högre torn möjliggör längre blad. Ett turbins effekt är direkt relaterad till dess ”svepyta” – den cirkulära yta som täcks av bladens rotation – förklarar Christopher Niezrecki, professor i maskinteknik och föreståndare för Center for Wind Energy vid University of Massachusetts Lowell. Och detta förhållande är inte linjärt – om bladlängden fördubblas kan ett system producera fyra gånger så mycket energi, förklarar Niezrecki. Han påpekar att större turbiner också har en lägre ”cut-in”-hastighet, den vindhastighet vid vilken de kan börja generera energi.

Loths team vill konstruera ett 50-megawattsystem med blad som är 200 meter långa, vilket är mycket större än dagens vindkraftverk. Om forskarna lyckas tror de att turbinen skulle vara 10 gånger kraftfullare än befintlig utrustning. Men forskarna har inte för avsikt att bara göra konventionella konstruktioner större, utan de ändrar turbinstrukturen i grunden. Den ultralika maskinen kommer att ha två blad i stället för de vanliga tre, vilket minskar strukturens vikt och sänker kostnaderna. Loth säger att en minskning av antalet blad normalt sett skulle göra en turbin mindre effektiv, men hans team använder en avancerad aerodynamisk konstruktion som enligt honom till stor del kompenserar för dessa förluster.

Teamet tänker sig också att dessa gigantiska strukturer ska stå minst 80 kilometer utanför kusten, där vindarna tenderar att vara starkare och där människor på land inte kan se eller höra dem, enligt Loth. Men kraftiga stormar drabbar sådana platser, till exempel vid USA:s östkust i Atlanten, så Loths team stod inför dilemmat att skapa något massivt som också är relativt lätt och fortfarande motståndskraftigt mot orkaner. För att lösa problemet vände sig forskarna till en av naturens egna designlösningar: palmer. ”Palmer är riktigt höga men mycket lätta strukturellt sett, och om vinden blåser hårt kan stammen böja sig”, säger Loth. ”Vi försöker använda samma koncept – att utforma våra vindkraftverk så att de är flexibla, kan böja sig och anpassa sig till flödet.”

I gruppens konstruktion är de två bladen placerade i vindriktningen av turbintornet, i stället för i vindriktningen som de är på traditionella turbiner. Bladen ändrar också form med vindens riktning, likt en palm. ”När bladen böjer sig tillbaka i en vinkel mot vinden behöver man inte bygga dem lika tunga eller starka, så man kan använda mindre material”, förklarar Loth. Denna konstruktion minskar också risken för att starka vindar böjer ett snurrande blad mot tornet, vilket kan leda till att hela konstruktionen faller. ”Bladen anpassar sig till höga hastigheter och börjar vika in sig, så de dynamiska krafterna på dem blir mindre”, säger Loth. ”Vi vill att våra turbiner ska kunna hantera högre vindar än 253 kilometer i timmen” när de inte är i drift. Över en vindhastighet på 80-95 kilometer i timmen skulle systemet stängas av och bladen skulle böja sig bort från vinden, så att de skulle kunna stå emot våldsamma vindbyar, tillägger Loth.

Turbinen på 500 meter står fortfarande inför utmaningar – det finns goda skäl till att ingen ännu har byggt en turbin i närheten av den här storleken: ”Hur gör man 200 meter långa blad? Hur sätter man ihop dem? Hur bygger man ett så högt torn? Kranar kan bara gå så högt. Och med havsbaserad vindkraft tillkommer ytterligare komplikationer”, säger Niezrecki. Lagets konstruktion omfattar ett segmenterat blad som kan monteras från delar på plats, men Niezrecki påpekar att vindkraftsindustrin ännu inte riktigt har kommit på hur man ska segmentera bladen. ”Det finns många forskningsfrågor som måste lösas”, säger han. ”Det är definitivt en hög risk, men det finns också potential för hög belöning. Jag tror inte att dessa problem är oöverstigliga.” Hall ifrågasätter också om en så massiv turbin är den optimala storleken. ”Vi håller på att komma fram till att större är bättre. Frågan är hur mycket större? Vi måste hitta det bästa alternativet”, säger han. ”Vi kommer att lära oss mycket av det här projektet.”

Loth och hans team har ännu inte testat en prototyp; de håller för närvarande på att utforma turbinens struktur och styrsystem, och i sommar ska de bygga en modell som är mycket mindre än den riktiga – ungefär två meter i diameter. Nästa sommar planerar de att bygga en större version med två 20 meter långa blad, som kommer att producera mindre än en megawatt effekt och som kommer att testas i Colorado. Loth själv är inte 100 procent säker på att hans teams mammutturbin kommer att bli verklighet, men han är säker på att det är värt att försöka. ”Det här är ett mycket nytt koncept, så det finns definitivt inga garantier för att det kommer att fungera”, säger han. ”Men om det gör det kommer det att revolutionera havsbaserad vindkraft.”