サンディア国立研究所の研究者が主導した研究によると、新しい炭素繊維素材が商業的に開発されれば、風力発電産業にコストと性能のメリットをもたらす可能性がある。 炭素繊維を含む風力ブレードの重量は、従来のグラスファイバー製のものより25%軽い。つまり、カーボンファイバー製のブレードはグラスファイバー製よりも長くなり、風の弱い場所ではより多くのエネルギーを回収できることになる。サンディア研究所の風力エネルギー研究者であり、このプロジェクトの主任研究者であるブランドン・アニス氏は、炭素繊維は疲労耐性が高いため、炭素繊維に切り替えることでブレードの寿命を延ばすこともできると述べた。 このプロジェクトは、DOEのエネルギー効率・再生可能エネルギー局風力エネルギー技術室から資金援助を受けている。このプロジェクトのパートナーには、オークリッジ国立研究所とモンタナ州立大学が含まれる。 風力タービンを製造している企業の中で、ブレード設計に炭素繊維材料を多用しているのは1社だけである。風力タービンのブレードは、単一ピースの複合構造物としては世界最大のものであり、ガラス繊維強化複合材料とコスト・バリューで競合する材料が市販されれば、風力産業は炭素繊維材料の重量ベースでは最大の市場になる可能性がある、とEnnis氏は言う。 風力発電産業では、部品設計の際にコストが最も考慮されるが、タービンメーカーは、ブレードが回転する際に受ける圧縮荷重や疲労荷重に最長30年間耐えられるブレードを製造する必要もある。 エニスたちは、オークリッジ国立研究所で開発された新しい低コストの炭素繊維が、風力産業にコストメリットをもたらすと同時に、性能のニーズを満たせるのではないかと考えた。この素材は、アクリル繊維の太い束を含む、繊維産業から広く入手可能な前駆体から始まる。繊維を加熱して炭素に変換する製造工程に続いて、炭素繊維を板状に引き抜く中間工程が行われる。この引き抜き工程により、ブレード製造に必要な高い性能と信頼性を備えた炭素繊維が製造され、高い生産能力が可能になる。 研究チームがこの低コストの炭素繊維を研究したところ、風力産業が最も関心を寄せるコスト別の特性において、現在の市販材料よりも優れた性能を発揮することがわかった。 ORNLは、炭素繊維技術施設から炭素繊維の開発サンプルを提供し、この材料で作られた複合材と、市販の炭素繊維で作られた同様の複合材を比較した。 モンタナ州立大学の同僚は、市販の炭素繊維や標準的なガラス繊維複合材料と比較して、新規炭素繊維の機械的特性を測定した。そしてアニスは、これらの測定結果をORNLで得られたコストモデリングの結果と組み合わせた。彼はこれらのデータをブレード設計分析に使用し、風力ブレードの主要構造支持体として、標準的な炭素繊維やガラス繊維の代わりに新規炭素繊維を使用した場合のシステムへの影響を評価した。この研究は、米国エネルギー省風力エネルギー技術局から資金提供を受けた。 Ennis氏らは、この新しい炭素繊維材料が、業界の基準である市販の炭素繊維よりも1ドルあたり56%高い圧縮強度を持つことを発見した。通常、メーカーは圧縮強度が低くても、より多くの材料を使って部品を製造することで対応するが、そうするとコストが高くなる。アニスの計算では、風力タービンブレードの主要構造部品であるスパーキャップの材料費は、市販の炭素繊維に比べて40%節約できる。