再生可能エネルギーにおける銅

太陽光、風力、潮力、水力、バイオマス、地熱などの再生可能エネルギー源は、エネルギー市場の重要な分野となっている。^{[1] [2] 21世紀におけるこれらのエネルギー源の急速な成長は、}化石燃料のコスト上昇と環境への影響の問題により、その使用が大幅に減少したことによって引き起こされた。

銅は^これらの再生可能エネルギーシステムにおいて、主にケーブルやパイプに重要な役割を果たしています。再生可能エネルギーシステムにおける銅の使用量は、化石燃料や原子力発電所などの従来の発電よりも平均して最大5倍多くなります。^[ 8 ^]銅はエンジニアリング金属の中でも優れた熱伝導性と電気伝導性（銀に次ぐ）であるため、^[9]銅を使用する電気システムは、高効率で環境への影響を最小限に抑えながらエネルギーを生成および伝送します。

電気導体を選択する際、施設計画者やエンジニアは、材料の資本投資コストと、耐用年数にわたる電気エネルギー効率による運用コスト、およびメンテナンス コストを考慮します。銅は、これらの計算で優れた結果を示すことがよくあります。「銅の使用強度」と呼ばれる要素は、1 メガワットの新しい発電容量を設置するために必要な銅の量の尺度です。

新しい再生可能発電施設を計画する際、エンジニアや製品仕様者は、選択した材料の供給不足を回避しようとします。米国地質調査所によると、世界の銅精錬使用量が過去50年間で3倍以上に増加したにもかかわらず、地中の銅埋蔵量は1950年以降700％以上増加し、ほぼ1億トンから2017年には7億2000万トンになりました。^[10]銅資源は50億トンを超えると推定されています。^{[11] [12]}

銅の採掘による供給を支えているのは、2007年から2017年までに設置された銅の30％以上がリサイクル源から来ていることです。^[13] そのリサイクル率は他のどの金属よりも高くなっています。^[14]

世界中で銅の使用量の大部分は、発電機やモーターのコイルを含む電気配線に使用されています。

銅は、設置電力当たりの銅のトン数で見ると、従来の火力発電所よりも再生可能エネルギー発電において大きな役割を果たしている。 ^[15] 再生可能エネルギーシステムの銅使用量は、化石燃料発電所や原子力発電所の4～6倍である。そのため、たとえば、従来の電力では設置メガワット（MW）当たり約1トンの銅が必要であるのに対し、風力や太陽光などの再生可能技術では、設置MW当たり4～6倍の銅が必要である。これは、特に太陽光発電所や風力発電所では、銅がはるかに広い土地に広がっているためである。^[16] 電力ケーブルと接地ケーブルは、エネルギー貯蔵システムや主電力網など、広範囲に分散しているコンポーネントを接続するために、遠くまで敷設する必要がある。^{[17] [8]}

風力および太陽光発電システムは、再生可能エネルギー技術の中で最も銅の含有量が多い。1つの風力発電所には2000～7000トンの銅が含まれる。太陽光発電所には、発電量1メガワットあたり約5.5トンの銅が含まれる。^[18] 660kWのタービン1基には、約800ポンド（350kg）の銅が含まれると推定される。^[19]

2011 年に再生可能エネルギーおよび分散型発電で使用された銅の総量は 272 キロトン (kt) と推定されました。2011 年までの銅の累計使用量は 1,071 kt と推定されました。

銅導体は、タービン、発電機、変圧器、インバータ、電気ケーブル、パワーエレクトロニクス、情報ケーブルなどの主要な電気再生可能エネルギー部品に使用されています。銅の使用量は、タービン/発電機、変圧器/インバータ、ケーブルでほぼ同じです。パワーエレクトロニクスで使用される銅の量ははるかに少ないです。

太陽熱暖房および冷房エネルギー システムは、熱エネルギー効率の利点のために銅に依存しています。銅は、湿潤、湿気、塩分を含む腐食性環境における再生可能エネルギー システムの特殊な耐腐食性材料としても使用されます。

銅は100％リサイクル可能な持続可能な素材であり、他のどの金属よりもリサイクル率が高い。^[18] 機器の耐用年数が経過しても、銅はその有益な特性を失うことなくリサイクルすることができる。

太陽光発電システムでは、従来の化石燃料発電所に比べて、発電単位あたりの銅使用量が11～40倍多い。 ^[24]太陽光発電システムにおける銅の使用量は、平均して1MWあたり約4～5トン^{[25] [8]}で、個々のPVセルを接続する導電性リボンストリップを考慮するとさらに多くなります。^[22]

銅は次のような用途に使用されます。

• 太陽光発電モジュールを接続する細い配線
• 電極アースペグ、水平プレート、裸ケーブル、ワイヤのアースグリッド
• 太陽光発電モジュールをインバータに接続するDCケーブル
• インバータを計測システムや保護キャビネットに接続する低電圧ACケーブル
• 高電圧ACケーブル
• 通信ケーブル
• インバータ/パワーエレクトロニクス
• リボン
• 変圧器の巻線。

2011年に太陽光発電システムに使用された銅は150ktと推定され、2011年までの太陽光発電システムにおける銅の累計使用量は350ktと推定されました。^[22]

太陽光発電（PV）システムは、小規模な屋上システムから数百メガワットの容量を持つ大規模な太陽光発電所まで、非常に拡張性が高い。住宅用システムでは、銅の強度は発電システムの容量に比例して拡張可能であると思われる。^[26]住宅用およびコミュニティベースのシステムの容量は、一般的に10kWから1MWの範囲である。

PV セルはソーラー モジュールにまとめられます。これらのモジュールはパネルに接続され、PV アレイになります。グリッド接続型太陽光発電システムでは、アレイはサブフィールドを形成し、そこから電気が収集され、グリッド接続に送られます。

銅製のソーラー ケーブルは、モジュール (モジュール ケーブル)、アレイ (アレイ ケーブル)、サブフィールド (フィールド ケーブル) を接続します。システムがグリッドに接続されているかどうかに関係なく、PV セルから収集された電気は、DCからACに変換され、電圧が上げられる必要があります。これは、銅巻線を含むソーラー インバータと、銅を含むパワー エレクトロニクス によって行われます。

太陽光発電業界では、太陽電池の製造にいくつかの異なる半導体材料を使用しており、多くの場合、それらを第1世代と第2世代の技術に分類していますが、第3世代にはまだ研究開発段階にある多くの新興技術が含まれています。太陽電池は通常、入射する太陽光の20％を電気に変換し、パネル1平方メートルあたり年間100〜150kWhの発電を可能にします。^[27]

従来の第一世代結晶シリコン（c-Si）技術には、単結晶シリコンと多結晶シリコンが含まれます。このウェーハベースの技術のコストを削減するために、銅コンタクトシリコン太陽電池が、好ましい導体材料としての銀の重要な代替品として浮上しています。太陽電池のメタライゼーションの課題は、シリコンと銅の間に均質で高品質の層を作り、半導体への銅の拡散に対するバリアとして機能することにあります。シリコン太陽電池の銅ベースの前面メタライゼーションは、低コスト化に向けた大きな一歩です。^[28]

第 2 世代の技術には、薄膜太陽電池が含まれます。従来の PV 技術よりも変換効率がわずかに低いにもかかわらず、ワットあたりの全体的なコストは依然として低くなっています。商業的に重要な薄膜技術には、銅インジウムガリウムセレン化太陽電池(CIGS) とカドミウムテルル化物太陽光発電(CdTe) が含まれますが、アモルファス シリコン(a-Si) とマイクロモルファス シリコン(m-Si) タンデム セルは近年徐々に競争に負けつつあります。

CIGSは実際には銅（インジウムガリウム）二セレン化物、またはCu（InGa）Se ₂であり、ヘテロ接合 半導体であるという点でシリコンとは異なります。薄膜材料の中で最も高い太陽エネルギー変換効率（約20％）を備えています。 ^[29] CIGSは太陽光を強く吸収するため、他の半導体材料よりもはるかに薄い膜が必要です。

CIGS 半導体を印刷できる太陽電池製造プロセスが開発されました。この技術は、供給される太陽光ワットあたりの価格を下げる可能性があります。

単分散硫化銅ナノ結晶は、従来の単結晶や薄膜に代わる光起電デバイス用材料として研究されている。この技術はまだ初期段階にあるが、色素増感太陽電池、全無機太陽電池、ハイブリッドナノ結晶-ポリマー複合太陽電池への応用が期待されている。^[30]

太陽光発電システムは広大なエリアをカバーしています。モジュールとアレイ間の接続、サブフィールド内のアレイ間の接続、ネットワークへのリンクが多数あります。太陽光発電所の配線にはソーラーケーブルが使用されます。^[31]必要なケーブルの量は膨大になることがあります。使用される銅ケーブルの一般的なサイズは、モジュールケーブルの場合は4～6 mm ²、アレイケーブルの場合は6～10 mm ²、フィールドケーブルの場合は30～50 mm ²です。^[27]

エネルギー効率と再生可能エネルギーは、持続可能なエネルギーの未来の2本の柱です。しかし、これらの柱は相乗効果をもたらす可能性があるにもかかわらず、ほとんど結びついていません。エネルギーサービスがより効率的に提供されるほど、再生可能エネルギーはより早く一次エネルギーの効果的かつ重要な貢献者になることができます。再生可能エネルギー源から得られるエネルギーが増えるほど、同じエネルギー需要を満たすために必要な化石燃料エネルギーは少なくなります。^[32]再生可能エネルギーとエネルギー効率のこの結びつきは、銅の電気エネルギー効率の利点に部分的に依存しています。

銅ケーブルの直径を大きくすると、電気エネルギー効率が向上します ( 銅線とケーブルを参照)。ケーブルが太くなると抵抗 (I ² R) 損失が減り、PV システム投資の生涯収益性に影響します。太いケーブルに初期投資を多く費やすことが正当化されるかどうかを判断するには、材料の追加コスト、年間にソーラー モジュールに照射される太陽放射量 (日内変動と季節変動、補助金、関税、回収期間などを考慮) を考慮した複雑なコスト評価が必要です。

状況に応じて、PVシステムの一部の導体は銅またはアルミニウムで指定できます。他の導電システムと同様に、それぞれに利点があります（銅線とケーブルを参照）。銅は、ケーブルの高い導電特性と柔軟性が最も重要である場合に好ましい材料です。また、銅は、小さな屋根の設備、より小さなケーブルトレイ、および鋼管またはプラスチックパイプのダクトに適しています。^[22]

^{銅ケーブルが25mm2}未満の小規模な電力施設では、ケーブルダクトは必要ありません。ダクト工事がない場合、銅ケーブルの設置コストはアルミニウムケーブルよりも低くなります。^[22]

データ通信ネットワークは銅線、光ファイバー、無線リンクに依存しています。それぞれの素材には長所と短所があります。銅線は無線リンクよりも信頼性が高いです。銅線やケーブルによる信号減衰は信号増幅器で解決できます。^[22]

太陽熱発電（STE）としても知られる集光型太陽光発電（CSP）は、太陽光線を400℃から1000℃の温度に集中させる鏡^の配列^を使用する^。[27]集中した光が熱に変換され、発電機に接続された熱機関（通常は蒸気タービン）を駆動することで電力が生成される。

CSP システムは、1)太陽放射を反射してそれをレシーバーに届けるミラーを備えた集光器またはコレクター、2) 集中した太陽光を吸収して熱エネルギーを作動流体 (通常は鉱油、まれに溶融塩、金属、蒸気、または空気) に伝達するレシーバー、3) 流体をレシーバーから電力変換システムに渡す輸送および貯蔵システム、および 4)必要に応じて熱力を電気に変換する蒸気タービンで構成されます。

銅は、現場電力ケーブル、接地ネットワーク、流体の追跡とポンプ用のモーター、および主発電機と高電圧 変圧器に使用されます。通常、50MWの発電所には約200トンの銅が使用されています。^[21]

2011年の集光型太陽熱発電所における銅の使用量は2ktと推定されている。2011年までのこれらの発電所における銅の累計使用量は7ktと推定されている。^[21]

CSP技術には主に4つの種類があり、それぞれ含まれる銅の量が異なります。パラボラトラフプラント、タワープラント、線形フレネルプラントを含む分散線形吸収システム、およびディッシュスターリングプラントです。^[21]これらのプラントでの銅の使用については、ここで説明します。

パラボリック トラフプラントは最も一般的な CSP 技術で、スペインで設置されている電力の約 94% を占めています。これらのプラントは、直線状の集熱管を備えたパラボリック トラフ集光器で太陽エネルギーを集めます。熱伝達流体は通常、入口出口温度が 300 °C ～ 400 °C のチューブ内を循環する合成油です。50 MW 施設の標準的な貯蔵容量は、公称電力で 7 時間です。このサイズと貯蔵容量のプラントは、スペインのような地域で年間 160 GWh を発電できます。

パラボリックトラフ発電所では、銅はソーラーコレクター分野（電源ケーブル、信号、アース、電気モーター）、蒸気サイクル（水ポンプ、コンデンサーファン、消費ポイントへのケーブル、制御信号とセンサー、モーター）、電気発電機（オルタネーター、変圧器）、および貯蔵システム（循環ポンプ、消費ポイントへのケーブル）で指定されています。 7.5 時間の貯蔵を備えた 50 MW の発電所には約 196 トンの銅が含まれており、そのうち 131,500 kg はケーブルに、64,700 kg はさまざまな機器（発電機、変圧器、ミラー、モーター）に使用されています。 これは約 3.9 トン/MW、言い換えると 1.2 トン/GWh/年になります。 貯蔵のない同じサイズの発電所では、ソーラー分野で 20% 少ない銅、電子機器で 10% 少ない銅を使用できます。 100MWの発電所では、太陽光発電分野ではMWあたりの銅含有量が30%少なく、電子機器では10%少なくなります。^[21]

銅の量も設計によって異なります。7時間の蓄電容量を持つ典型的な50MW発電所の太陽光発電フィールドは、150のループと600のモーターで構成されていますが、蓄電のない同様の発電所では100のループと400のモーターを使用します。ループ内の質量流量制御用の電動バルブは、より多くの銅に依存しています。ミラーは、反射銀層にガルバニック腐食保護を提供するために少量の銅を使用します。発電所のサイズ、コレクターのサイズ、熱伝達流体の効率の変化も材料の量に影響します。^[21]

タワー発電所は、セントラルタワー発電所とも呼ばれ、将来的には CSP 技術の主流となる可能性があります。タワーの上部に取り付けられた中央受信機で、ヘリオスタットフィールドによって集光された太陽エネルギーを収集します。各ヘリオスタットは、2 つの軸 (方位角と仰角) に沿って太陽を追跡します。したがって、ユニットごとに 2 つのモーターが必要です。

銅は、ヘリオスタット分野 (電源ケーブル、信号、接地、モーター)、受信機 (トレース加熱、信号ケーブル)、ストレージ システム (循環ポンプ、消費ポイントへのケーブル配線)、発電 (オルタネーター、変圧器)、蒸気サイクル (水ポンプ、凝縮器ファン)、消費ポイントへのケーブル配線、制御信号とセンサー、およびモーターで必要です。

7.5時間の蓄電が可能な50MWのソーラータワー施設では、約219トンの銅が使用される。これは、1MWあたり4.4トンの銅、言い換えれば1.4トン/GWh/年に相当する。この量のうち、ケーブルは約154,720kgを占める。発電機、変圧器、モーターなどの電子機器は約64,620kgの銅を占める。100MWのプラントでは、太陽熱発電フィールドの効率がサイズとともに低下するため、1MWあたりの銅の量はわずかに多くなる。100MWのプラントでは、プロセス機器の1MWあたりの銅の量はやや少なくなる。^[21]

リニアフレネル発電所は、パラボリックトラフ発電所と同様に、リニア反射鏡を使用して太陽光線を吸収管に集中させます。パラボリックトラフ発電所よりも集中係数が低いため、熱伝達流体の温度は低くなります。このため、ほとんどの発電所では、ソーラーフィールドとタービンの両方で作動流体として飽和蒸気を使用しています。

50MWのリニアフレネル発電所には、約1,960台の追跡モーターが必要です。各モーターに必要な電力は、パラボリックトラフ発電所よりもはるかに低いです。貯蔵のない50MWのリニアフレネル発電所には、約127トンの銅が含まれます。これは、2.6トンの銅/MW、言い換えると1.3トンの銅/GWh/年になります。この量のうち、69,960kgの銅は、プロセスエリア、ソーラーフィールド、アース、雷保護、および制御からのケーブルに使用されています。さらに57,300kgの銅が機器（変圧器、発電機、モーター、ミラー、ポンプ、ファン）に使用されています。^[21]

これらの発電所は、分散型アプリケーション向けのソリューションとしての可能性を秘めた新興技術です。この技術では、変換サイクルで冷却用の水を必要としません。これらの発電所はディスパッチ不可能です。雲が頭上を通過するとエネルギー生産は停止します。高度な貯蔵およびハイブリッド化システムの研究が行われています。

スターリングの最大のディッシュ型太陽光発電設備の総出力は1.5MWです。太陽光発電設備では実際に電力が生成されるため、他のCSP技術よりも比較的多くの銅が必要になります。既存の1.5MWプラントに基づくと、銅含有量は4トン/MW、言い換えると2.2トン/GWh/年です。1.5MWの発電所では、ケーブル、誘導発電機、駆動装置、フィールドおよびグリッド変圧器、接地および避雷装置に約6,060kgの銅が使用されています。^[21]

太陽熱温水器は、家庭で温水を生成するための費用対効果の高い方法です。あらゆる気候で使用できます。使用する燃料である太陽光は無料です。^[33]

太陽熱温水器は、世界中で2億以上の世帯や多くの公共施設、商業施設で使用されています。^[32] 2010年の太陽熱暖房・冷房ユニットの総設置容量は185GW-熱でした。^[34]

太陽熱暖房能力は、2011年に推定27％増加し、約232GWthに達した（非ガラス製プール暖房を除く）。太陽熱のほとんどは給湯に使用されているが、太陽熱による空間暖房と冷房は、特にヨーロッパで普及しつつある。^[32]

太陽熱温水システムには、循環ポンプと制御装置を備えたアクティブシステムと、それらを備えていないパッシブシステムの2種類があります。パッシブソーラー技術では、電気や機械の作動要素は必要ありません。パッシブソーラー技術には、好ましい熱特性を持つ材料の選択、空気が自然に循環する空間の設計、太陽に対する建物の位置の参照が含まれます。^[27]

銅は、その高い熱伝導率、大気および水に対する耐性、はんだ付けによる密封および接合、ならびに機械的強度のため、太陽熱暖房および冷房システムの重要な構成要素である。銅は、受熱器と一次回路（水タンクのパイプおよび熱交換器）の両方で使用されている。^[34]吸収プレートには、より安価なアルミニウムが使用されることがあるが、銅配管と組み合わせると、吸収プレートが適切に配管に熱を伝達できるようにするという点で問題が生じる可能性がある。現在使用されている代替材料はPEX-AL-PEXであるが^[35]、吸収プレートとパイプ間の熱伝達に関しても同様の問題がある可能性がある。これを回避する1つの方法は、配管と吸収プレートの両方に同じ材料を使用することである。この材料は、もちろん銅でもかまわないが、アルミニウムまたはPEX-AL-PEXでもよい。

住宅用途には、平板型集熱器、集熱一体型蓄熱器、および太陽熱集熱器の3種類の太陽熱集熱器が使用されています。真空管集熱器は直接循環（水を加熱して直接家庭に運ぶ）または間接循環（ポンプで熱交換器を通して移送流体を加熱し、家庭に流入する水を加熱する）システムです。^[33]

間接循環システムを備えた真空管式太陽熱温水器では、真空管にガラス製の外管とフィンに取り付けられた金属製の吸収管が含まれています。太陽熱エネルギーは真空管内で吸収され、使用可能な集中熱に変換されます。銅製ヒートパイプは、太陽熱管内の熱エネルギーを銅製ヘッダーに伝達します。熱伝達流体 (水またはグリコール混合物) が銅製ヘッダーに送り込まれます。溶液が銅製ヘッダーを循環すると、温度が上昇します。真空ガラス管は二重層になっています。外層は完全に透明で、太陽エネルギーが妨げられることなく通過できます。内層は、反射せずにエネルギーを吸収する選択的光学コーティングで処理されています。内層と外層は最後に融合され、内層と外層の間には空きスペースが残ります。2 つの層の間のスペースからすべての空気が排出され (真空プロセス)、それによって魔法瓶効果が生じ、そうでなければ大気中に逃げる可能性のある伝導および対流による熱伝達が停止します。使用されているガラスの低放射率により、熱損失はさらに低減されます。ガラス管の中には銅製のヒートパイプがあります。これは密閉された中空の銅管で、少量の独自の液体が含まれており、低圧下では非常に低い温度で沸騰します。その他のコンポーネントには、太陽熱交換タンクと、ポンプとコントローラーを備えた太陽熱ポンプステーションがあります。^{[36] [37] [38] [39] [40]}

風力タービンでは、風の運動エネルギーが機械エネルギーに変換され、発電機を駆動して電気を生成します。風力発電システムの基本コンポーネントは、発電機と変電所に送電するために電圧を上げる変圧器を備えた回転ブレードを備えたタワーで構成されています。ケーブルと電子機器も重要なコンポーネントです。^{[27] [41]}

洋上風力発電所の環境は厳しいため、個々のコンポーネントは陸上のコンポーネントよりも頑丈で腐食防止が求められます。現在、海底 MV ケーブルと HV ケーブルによる陸上への接続がますます長くなっています。腐食防止の必要性から、タワーの合金としては 銅ニッケルクラッドが好まれます。

銅は風力発電において重要な導体です。^{[42] [43]}風力発電所には、配線、ケーブル、配管、発電機、昇圧変圧器などに、数十万フィートの銅^[44]、重量400万～1500万ポンドの銅が使用されています。^{[25] [45]}

風力発電所のタービンは広い範囲に分散しているため、銅の使用量は多い。^[46]陸上の風力発電所では、昇圧変圧器の導体が銅かアルミニウムかによって、銅の使用量は1MWあたり5,600～14,900ポンドの範囲となる。洋上環境では、銅の使用量ははるかに高く、陸上までの海底ケーブルを含めて1MWあたり約21,000ポンドとなる。^[47]陸上と洋上の両方の環境で、風力発電所を主電力網に接続するために追加の銅ケーブルが使用される。^[45]

2011年に風力エネルギーシステムに使用された銅の量は120ktと推定されています。2011年までに設置された銅の累計量は714ktと推定されています。^[23] 2018年現在^{[アップデート]}、世界の風力タービンの生産には年間45万トンの銅が使用されています。^[48]

3段ギアボックスを備えた3MW誘導発電機を備えた風力発電所の場合、標準的な風力タービンでは1MWあたり約2.7tが必要です。ナセルにLV/MV変圧器を備えた風力タービンの場合は、1MWあたり1.85tが必要です。^[49]

銅は主に、発電機のステーターとローター部分のコイル巻線（機械エネルギーを電気エネルギーに変換する）、ナセルと風力タービンのベースを接続する垂直電気ケーブルを含む高電圧および低電圧ケーブル導体、変圧器のコイル（低電圧交流を電力網と互換性のある高電圧交流に昇圧する）、ギアボックス（ローターブレードの低速回転数を高速回転数に変換する）、および風力発電所の電気接地システムに使用されています。^[46]銅は、ナセル（すべての主要部品を含むタワーに搭載された風力タービンのハウジング）、補助モーター（ナセルを回転させ、ローターブレードの角度を制御するために使用されるモーター）、冷却回路（ドライブトレイン全体の冷却構成）、およびパワーエレクトロニクス（風力タービンシステムを発電所のように機能させる）にも使用されることがあります。^[50]

風力発電機のコイルでは、電流は電流を運ぶ電線の抵抗に比例した損失を被ります。この抵抗は銅損と呼ばれ、電線を加熱することでエネルギーが失われます。風力発電システムでは、必要に応じて銅線を太くしたり、発電機の冷却システムを導入したりすることでこの抵抗を減らすことができます。^[51]

発電機ケーブルには銅またはアルミニウムの導体を指定できます。^[52]銅は電気伝導率が高く、したがって電気エネルギー効率が高くなります。安全性と信頼性のためにも選択されます。アルミニウムを指定する主な考慮事項は、資本コストが低いことです。時間の経過とともに、この利点は、長年の送電によるエネルギー損失の増加によって相殺されます。どの導体を使用するかは、プロジェクトの計画段階で、ユーティリティチームがタービンおよびケーブルメーカーとこれらの問題を話し合うときに決定されます。

銅に関しては、発電機内の重量は発電機の種類、定格電力、構成によって異なります。銅の重量は定格電力とほぼ直線関係にあります。

ダイレクトドライブ風力タービンの発電機には、ギアボックスがないため発電機自体が大きくなるため、通常はより多くの銅が含まれます。^[53]

直接駆動構成の発電機は、発電機の種類に応じて、ギア構成の発電機よりも3.5倍から6倍重くなる可能性があります。^[53]

風力発電では、次の 5 種類の発電機技術が使用されています。

1. 二重給電非同期発電機 (DFAG)
2. 従来の非同期発電機(CAG)
3. 従来型同期発電機（CSG）
4. 永久磁石同期発電機（PMSG）
5. 高温超伝導発電機（HTSG）

各発電機タイプに含まれる銅の量を以下にまとめます。

同期型機械のダイレクトドライブ構成には通常、銅が最も多く含まれていますが、アルミニウムを使用するものもあります。^[48]従来の同期発電機（CSG）ダイレクトドライブ機械は、1台あたりの銅含有量が最も高くなっています。CSGのシェアは、特にダイレクトドライブ機械で、2009年から2020年にかけて増加します。DFAGは2009年に最も多くの販売台数を占めました。^[53]

CSG発電機の銅含有量の変動は、単段式（重い）ギアボックスと連結されているか、三段式（軽い）ギアボックスと連結されているかによって異なります。同様に、PMSG発電機の銅含有量の違いは、タービンが中速（重い）か高速（軽い）かによって異なります。^[53]

同期機とダイレクトドライブ構成の需要が高まっています。CSGダイレクトおよびギア付きDFAGが銅の需要を牽引します。需要の最も高い成長が見込まれるのはダイレクトPMSGで、2015年には風力発電システムにおける銅の総需要の7.7％を占めると予測されています。ただし、希土類元素のネオジムを含む永久磁石は世界的に拡大できない可能性があるため、ダイレクトドライブ同期磁石（DDSM）設計の方が有望かもしれません。^[49] 3MW DDSM発電機に必要な銅の量は12.6tです。^[54]

高速乱流が発生する場所では、フルスケールの電力変換器を備えた可変速風力タービン発電機の方が、そのような状況でより高い信頼性と可用性を提供するため、より適しています。可変速風力タービンの選択肢の中で、そのような場所では、DFAGよりもPMSGが好まれる可能性があります。風速が低く乱流が発生する状況では、DFAGがPMSGよりも好まれる可能性があります。^[23]

一般的に、PMSGはグリッド関連の障害にうまく対処し、最終的にはギア付き発電機よりも高い効率、信頼性、可用性を提供できます。これは、設計上の機械部品の数を減らすことで実現できます。ただし、現在、ギア付き風力タービン発電機はより徹底的にフィールドテストされており、生産量が多いため安価です。^[23]

現在のトレンドは、単段または二段ギアボックスを備えたPMSGハイブリッド設備です。Vestasの最新の風力タービン発電機はギアドライブです。Siemensの最新の風力タービン発電機はハイブリッドです。中期的には、パワーエレクトロニクスのコストが引き続き低下する場合、直接駆動PMSGがより魅力的になると予想されます。^[23] 高温超伝導体（HTSG）技術は現在開発中です。これらの機械は、他の風力タービン発電機よりも多くの電力を得ることができると予想されます。オフショア市場が大型ユニット機械のトレンドに追随する場合、オフショアはHTSGに最適なニッチになる可能性があります。^[23]

2 MW タービン システムの場合、発電機以外のコンポーネントの銅の量は次のように推定されました。

ケーブルは、発電機に次いで2番目に銅を多く含む部品です。発電機の隣に変圧器がある風力タワーシステムでは、中電圧（MV）電力ケーブルがタワーの上部から下部まで走り、そこから複数の風力タワーの集電点、そして系統変電所、または直接変電所まで伸びています。タワーアセンブリにはワイヤーハーネスと制御/信号ケーブルが組み込まれ、システム全体の動作部分に電力を供給するために低電圧（LV）電力ケーブルが必要です。^[27]

2MWの風力タービンの場合、垂直ケーブルの銅の重量は種類によって1,000～1,500kgになる。銅は地下ケーブルの主な材料である。^[53]

銅は風力タービン発電所の電気接地システムに不可欠です。接地システムは、全銅（単線または撚線銅線と銅バスバー）で、通常はアメリカのゲージ定格4/0ですが、最大25万ミルの円形になることもあります^[56]。または、より低コストの代替品である銅被覆鋼です。^[57]

タービンマストは落雷を誘引するため、避雷システムが必要です。タービンブレードに落雷すると、電流はブレードに沿って流れ、ナセル（ギアボックス/発電機の筐体）内のブレードハブを通り、マストを通って接地システムまで流れます。ブレードには、全長にわたって大きな断面積の銅導体が組み込まれており、有害な加熱効果なしに電流がブレードに沿って流れるようになっています。ナセルは避雷導体（多くの場合銅）によって保護されています。マストの基部にある接地システムは、基部に結合された、または基部から 1 メートル以内に配置された厚い銅リング導体で構成されています。リングは、マスト基部の 2 つの正反対のポイントに接続されています。銅リード線はリングから外側に伸び、銅接地電極に接続されています。風力発電所のタービンの接地リングは相互接続されており、総抵抗が極めて小さいネットワークシステムを提供します。^[43]

銅線は優れた電気伝導性があるため、従来は接地や避雷設備に使用されてきました。しかし、メーカーはより安価なバイメタル銅被覆またはアルミニウム接地線やケーブルに移行しています。^[58]銅メッキ線が研究されています。銅メッキ線の現在の欠点は、導電性の低さ、サイズ、重量、柔軟性、電流容量などです。

発電機とケーブルの次に、残りの機器にも微量の銅が使用されています。ヨーおよびピッチ補助モーターでは、ヨー駆動に誘導モーターと多段遊星ギアボックスの組み合わせが使用され、銅が微量使用されています。パワーエレクトロニクスには、他の機器に比べて銅の使用量が非常に少ないです。タービンの容量が増加すると、コンバータの定格も低電圧 (<1 kV) から中電圧 (1～5 kV) に増加します。ほとんどの風力タービンには、発電機と同じ定格電力を持つフルパワーコンバータがありますが、DFAG には発電機の定格電力の 30% のコンバータがあります。最後に、ギアボックスまたは発電機の空冷/油冷および水冷回路に微量の銅が使用されています。^[53]

クラス5の銅電力ケーブルは、発電機からループ、タワーの内壁まで独占的に使用されています。これは、20年間の耐用年数にわたって15,000回のねじれサイクルによるストレスに耐える能力があるためです。^[59]

超伝導材料は風力タービンの内外でテストされています。超伝導材料は、より高い電気効率、より高い電流を流す能力、そしてより軽量な特性を備えています。しかし、これらの材料は現時点では銅よりもはるかに高価です。^[53]

洋上風力発電所の銅の量は海岸からの距離が離れるにつれて増加します。洋上風力タービンでの銅の使用量は1MWあたり約10.5トンです。^[60]ボルクム2洋上風力発電所は、400MW、200キロメートルの外部グリッドへの接続に5,800トンを使用しており、1MWあたり約14.5トンの銅を使用しています。ホーンズレブ洋上風力発電所は、 160MWを21キロメートルのグリッドに送電するために1MWあたり8.75トンの銅を使用しています。^[61]