除了芬兰海岸附近的一个小型试点项目外,近海风力涡轮机尚未被放置在冬季结冰的水域中。移动的冰块就像一个冲击锤,受到风暴和不可预测的水流的推动,撞击支撑旋转叶片的桅杆。在克利夫兰附近的伊利湖,一项重大测试可能即将到来。如果冰破风力发电项目中的六个涡轮机建成,它们可能会在淡水湖泊(而非咸水沿海海域)迎来海上电力的新时代,这在以前从未实现过。
俄亥俄州电力选址委员会已初步批准由非营利组织伊利湖能源开发公司 (LEEDCo) 建造的冰破项目。俄亥俄州环境保护署已裁定该装置符合有关水污染的联邦标准。最终批准可能在今年秋季到来,涡轮机可能在三年内投入运行——如果相关团体的反对意见得到满足。
冰破项目将成为美国第二个海上风电场。 Block Island 风电场——位于罗德岛海岸 13 英里外——于 2016 年 12 月开始发电。伊利湖的这个耗资 1.26 亿美元的项目最终将归挪威的 Fred.Olsen Renewables 所有,该公司在四个欧洲国家拥有 23 个已运营和计划中的风电场(陆上和海上)。伊利湖的涡轮机将产生约 21.7 兆瓦的电力,足以供约 7,500 个家庭使用。 200 英尺长的叶片在其最高点将从水面上升 479 英尺。
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热衷者表示,五大湖风能比大西洋沿岸地区具有一些优势:海底深度较浅、波浪较小、没有飓风、电网靠近海岸、对商业捕鱼的影响较小以及具有竞争力的风速。如果冰破项目成功,他们认为可能会有数百个伊利湖涡轮机随之而来。
成功的关键将是冰破项目如何处理俄亥俄州人所说的“冰推”。冬季的风和水流推动厚厚的冰层四处移动,有时会将它们堆积到靠近岸边的 30 到 50 英尺高。这些冰层以破坏滨水基础设施而闻名。风力涡轮机能存活下来吗?
起步缓慢
由于担心转动的叶片会杀死太多鸟类,冰破项目已被搁置了好几年。在俄亥俄州监管机构最终确定对野生动物的“环境影响最小”之后,该计划于 7 月获得初步批准。他们确实添加了 30 多个环境警告 (pdf) 冰破项目需要解决,其中大多数与鸟类安全有关。
持久存在的问题一直是涡轮机是否会对密西西比鸟道东缘的候鸟产生不利影响。作为批准协议的一部分,LEEDCo 必须在施工开始前在湖中开发和安装精密的雷达监测设备,以确定风力涡轮机可能对鸟类和蝙蝠产生何种影响。该公司已经进行了候鸟研究,发现影响将是最小的。美国地质调查局的一位鸟类学家估计,每年所有涡轮机将杀死 21 到 42 只鸟和 21 到 83 只蝙蝠。美国鱼类和野生动物管理局 在三月份写道,冰破项目“对候鸟和蝙蝠的直接风险有限”。
环境组织在这个问题上存在分歧。塞拉俱乐部、大自然保护协会、俄亥俄州环境委员会和环境保卫基金支持伊利湖海上风电,认为它比俄亥俄州运营的 20 多个燃煤和天然气发电厂对野生动物来说是更好的替代方案。然而,美国鸟类保护协会和总部位于俄亥俄州的黑沼泽鸟类观测站反对该计划,因为他们认为 (pdf) 风电场将导致更高的鸟类和蝙蝠死亡率。
美国国家奥杜邦学会 支持增加候鸟监测,以“为整个五大湖地区(如果有的话)的风能开发设定标准”。奥杜邦学会认为,需要监测和保护的一个物种是红胸秋沙鸭,这是一种可以在深秋在伊利湖上找到的潜水鸭。
冰测试
高耸的涡轮机桅杆是否能在冰层中幸存下来,归结为两项主要创新:伊利湖是五大湖中最浅的湖泊,平均每年冬季冰盖覆盖率约为 78%,是五个湖泊中最高的。然而,冰的挑战将不同于波罗的海所面临的挑战。冰冻的盐水比冰冻的淡水更容易悬浮在水线以下,而淡水则漂浮在水面上。冰破项目将在水位的塔架上安装一个倒锥形装置。其想法是通过从桅杆上较高的宽喇叭口向下逐渐变细到水线的窄底座,锥体可以偏转流向桅杆的冰,将其向下和向外推开。芬兰 Tahkoluoto 试点装置的工程师为他们的地表冰安装了类似的锥体。工程师们去年冬天一直在观察 桅杆的表现,但天气温和,冰推很少。
冰破项目将尝试的第二项创新涉及桅杆如何连接到湖底。 “单桶基础”是一种吸盘式圆形钢桶,直径 56 英尺,将构成地基。从驳船面朝下沉入底部后,空气和水将被抽出空腔内部,使桶杯牢固地拉入湖床几米深处。然后,自然压力将其固定到位。这个过程需要几天时间,而不是安装传统海上涡轮机基础所需的几个月时间。这种方法已在较深的欧洲沿海水域使用过五六次,但专家认为伊利湖的浅水(涡轮机地点为 60 英尺)和较小的波浪作用更适合,因为地基上的压力会更小。未解答的问题是单桶基础是否 能够承受 每年大约四个月可能被冰摇晃的桅杆的锚固作用。
如果这种桶式基础能够应对伊利湖的环境,那么它可能会被寻求用于美国东海岸拟议的风电场。特拉华大学海洋科学与政策学院的教授威利特·肯普顿表示,这是因为那里大西洋大陆架的深度通常介于伊利湖和北海的深度之间。
价格将占上风
建造海上风电场仍然比在陆地上建造更昂贵,而且由于这个原因,海上发电的电价一直较高。 Block Island 一直以每千瓦时 (kWh) 24.4 美分的价格向大陆电网出售电力,这总体而言价格很高——但未来的马里兰州项目保证价格为 13.2 美分。一些欧洲公司以低于 10 美分的价格出售来自北海的风力发电。美国的平均电价约为每千瓦时 13 美分,但各州之间的成本差异很大。 LEEDCo 表示其价格将“远低于” Block Island 的价格,但补充说它目前无法更具体说明。
冰破项目是否能在经济上取得成功可能更多是一个区域性问题。中西部地区拥有丰富的天然气资源和燃煤发电厂,陆上风力涡轮机正从西部涌入。这些因素使得中西部地区的电价通常比东北部地区便宜。五大湖地区的涡轮机也可能难以竞争。 “在伊利湖项目之后,我没有看到海上风电有太大的未来发展,”密歇根州大峡谷州立大学的工程学教授查尔斯·斯坦德里奇说,他研究了密歇根湖海上风电的可行性。斯坦德里奇说,陆地涡轮机的开放空间、电池存储的改进以及太阳能的增加,使得中西部地区的能源生产目前非常有竞争力。他说,除非五大湖海上风电生产商能够“迅速”降低成本,“否则它可能会被搁置一段时间。”
不过,冰破项目的组织者迫切希望看到事态发展。运营副总裁大卫·卡尔平斯基说:“我们真的相信,这个小项目将让人们对淡水湖泊中的可能性大开眼界。” “成本将会下降……克利夫兰的企业将看到这在当地经济中作为游戏规则改变者的价值。各地的人们都想要更清洁、更可靠、更便宜的能源,而这个项目将展示在五大湖地区这样做的好处。”