Vindkraft - Teknik och projektering. Henrik Malmberg Gruppchef projektutveckling, E.ON Vind Sverige AB henrik.malmberg@eon.com

Transkript

1 Vindkraft - Teknik och projektering Henrik Malmberg Gruppchef projektutveckling, E.ON Vind Sverige AB henrik.malmberg@eon.com

2 Agenda 1. E.ON 2. E. ON Climate & Renewables Nordic 3. Vindkraftens tillväxt och utformning 4. Vindkraftsteknik 5. Projektering

3 E.ON i världen Privatägt börsnoterat energiföretag Fokus på el och gas på våra största marknader; Europa, USA och Ryssland Ca anställda 30 miljoner kunder Huvudkontor i Düsseldorf, Tyskland

4 E.ON i Norden Ett av Nordens största privata energiföretag El, gas och värme är kärnverksamhet Omsättning 2009: Ca. 36 miljarder kr Anställda 2009: Ca el- och gaskunder i Sverige, Danmark och Finland nätkunder

5 Fokusområden i Sverige Sollefteå Sundsvall Örebro Stockholm Norrköping Göteborg Oskarshamn Kalmar Malmö Page 5

6 Ledande aktör på den nordiska marknaden Elproduktion Värme Distribution Försäljning Services Elproduktion i Nordic (i huvudsak svensk) Kapacitet 6,8 GW Produktion 19 TWh (45% kärnkraft, 43% vattenkraft, 12% övrigt) Värmeproduktion i Sverige, Danmark, Finland och Polen Cirka 7 TWh El-, gas- och värmedistribution i Sverige kunder Elförsäljning i Sverige, Danmark och Finland samt gasförsäljning i Sverige och Danmark kunder Services och entreprenader Marknads position #4 #3 #3 #3 #3-4 Källa; Strategy and Key Fiigures MU Nordic 2009

7 Produktionsmix 86 procent av vår el- och värmeproduktion kommer från energikällor som inte bidrar till växthuseffekten producerade vi GWh el och värme: 45 procent förnybart (vatten, vind, biobränsle m.m) 41 procent kärnkraftverk 8 procent naturgas 6 procent övrigt fossilt Källa: E.ON Sverige-koncernen i Norden. Klimatbokslut 2009 Page 7

8 E.ONs verksamhet i Norden täcker hela värdekedjan för el, gas och värme E.ONs affärsverksamhet i Norden Upstream Kraftproduktion (incl systemtjänster) Biogasproduktion Värmeproduktion och distribution Downstream Distribution av el och gas Försäljning av el, biogas, gas och värme Page 8

9 E.ONs klimatmål: Halvera våra koldioxodutsläpp per kwh till 2030 genom satsning på förnybart och fasa ut fossila bränslen i ton/mwh % 0.49 ~ mål

10 Agenda 1. E.ON 2. E. ON Climate & Renewables Nordic 3. Vindkraftens tillväxt och utformning 4. Vindkraftsteknik 5. Projektering

11 E.ON deltar aktivt i utveckling av nya energikällor Kommersiell teknik Testanläggningar Demonstrationsanläggningar Vindkraft Landbaserad Havsbaserad Biogas Vindkraft Solkraft Solceller Koncentrerad solenergi, CSP Vågkraft Vindkraft till havs Solkraft CSP Vågkraft, Tidvattenkraft Vågkraft Tidvattenkraft Biogas / värme Vertikal vindkraft 11

12 Befintlig EC&R kapacitet: 3,142 MW* och en projektportfölj på över 20 GW ,720 Nordic North America 46 France 396 UK Poland 279 Italy 3,142 MW 93 MW Andra Förnyelsebara Global projekt portfölj har ökat signifikant (GW) Iberia Germany 3,049 MW Vind * E.ON Equity MW (avrundat), exkluderat storskalig vattenkraft

13 EC&R Nordic Huvudkontor Antal anställda Omsättning Produktion Marknader Malmö ~60 ~800MSEK ~845 GWh On- & offshore vindkraft i Skandinavien

14 EC&R Nordic Organisation Mark Porter CEO Team Leader Functional manager Finance & Business Control Anna Bergenudd Technology Kristian Höy Thomsen Origination and Project Development Marcus Landelin Construction Magnus Axelsson O&M Karin Jönsson Controlling Gity Yahoo Caroline Olausson Johansson Procurement Göran Cederberg Internal Processes Marie Landin tf Paul Gaskell Brown New Technology Martin Lindholm Wind assessment Anton Andersson Francesco Sottini Techn mgmt SCADA Håkan Bernström Buiness dev. Johan Larsson Andreas Hammar Fredrik Andersson Matilda Carlsson Project dev. Henrik Malmberg Martin Norlund Camilla Rasmusson Stina Albing Lise Toll Offshore development Mårten Larsson Construction onshore Christofer Åslund Construction offshore Mats Egard Anders Boklund Staffan Sjölander O&M onshore Thomas Lindkvist Jennie Sönefors-Ljunggren O&M offshore (Rödsand) Bjarne Haxgart NN Offshore ops coord NN Maint techn ass NN Service tech NN Service tech NN Service tech NN Service tech IT Marie Landin tf Paul Gaskell Brown Project Rödsand 2 Anders Ljungman Strategy Sven Muller CEO Functions CEO Assistant Barbro Edholm HSSE Magnus Ohlsson Human Resources Management Roland Flaig

15 Rödsand 2 En av världens största vindkraftparker till havs 207 MW 90 Vindkraftverk Uppskattad årlig produktion 800 GWh 2% av den danska elförbrukningen Förnybar el till danska bostäder I drift 2010 Projektet styrt från Malmö

16 Agenda 1. E.ON Globalt 2. E. ON Climate & Renewables Nordic 3. Vindkraftens tillväxt och utformning 4. Vindkraftsteknik 5. Projektering

17 Vindkraft Branschen går från att vara nischad till en industriell verksamhet Growth: Market participants: Project size: Market size: Global vind kapacitet (GW) till2000 Blygsam, lokalt begränsad Liten bransch och nishade leverantörer KW skala < 10 Miljarder årligen Tillväxt GW Tillväxt GW Sedan % per år, världen över Internationella leverantörer och 2010 samarbeten GW skala ~160 miljarder (2008); ~400 miljarder (2020e) annually Förväntad tillväxt GW

18 Sedan1980 har storleken och kapaciteten på vindturbinerna signifikant ökat Industriell skala Boutique standard Kapacitet Rotor diameter Navhöjd Kostnad per kwh kw 15 m 30 m ,500-7,500 kw m m

19 Vindresursen i Europa och Sverige Kartan visar vindhastigheten på 50 meters höjd över en öppen slätt En vinddensitet på: ~400 W/m 2 = OK >700 W/ m 2 = Bra

20 MIUU-modellen En vindkartering framtagen av Hans Bergström vid Uppsala Universitet som beskriver vindtillgången över hela Sverige med en upplösning på 1 km Numerisk modell som använder följande indata: Horisontell luftgradient Solstrålning Ytråhet markfriktion (hav, slätt, skog, städer ) Topografi Molntäckning Mark- och vattentemperatur Fördelar: Hanterar komplex topografi Hanterar temperaturstabiliteten i luften

21 Hämtat från Energimyndigheten,

22 Vindens effekt Effekten i vinden beskrivs med: 2 3 mv ρav P = & = ρ 2 2 A = arean i vindröret v = vindhastigheten = densiteten m = massflödet Vindhastigheten på en plats är den absolut viktigaste faktorn när man projekterar för vindkraft. En fördubbling av vindhastigheten leder till 8 gånger mer energi eftersom vindhastigheten är i kubik.

23 En vindturbin bromsar upp vinden när den tar ut rörelseenergi, så vindhastigheten är långsammare bakom turbinen än framför. Vindrörets area kommer därför att utvidgas eftersom det fortfarande är samma mängd luft som passerar (massflödet är konstant) Bild från Stefan Ivanell, Högskolan på Gotland

24 Betz lag Hur mycket ska då vindhastigheten bromsas upp för att man ska utvinna vindens effekt så effektivt som möjligt? Bild från Stefan Ivanell, Högskolan på Gotland

25 Den ideala uppbromsningen enligt Betz lag är Vid rotorn VR = 2 V 3 1 Vinden bromsas till 2/3 vid rotorn och till 1/3 efter rotorn Efter rotorn 1 V = V V 3 V VR = V 2 = V V = V1 1 3 Bild från Stefan Ivanell, Högskolan på Gotland

26 Teoretiskt maximala effektuttaget i rotorn enligt Betz C p P = turbin P vind 16 = = 27 59,3% Cp är vindkraftverkets effektkoefficient. I själva verket är denna mindre än 59% p.g.a. aerodynamiska och mekaniska förluster i turbinen. Hur effektiv en turbin är beror mycket på hur bladen är utformade.

27 Frekvensfördelningen Man kan inte använda medelvinden över året rakt av i produktionsberäkningarna. Istället behövs en fördelning som beskriver hur stor del av tiden det blåser en viss vindhastighet. Vindens hastighetsfördelning över året stämmer i de flesta fall väl överens med en Raileigh eller Weibullfördelning. I praktiken får man ut ca 45% av den tillgängliga vindenergin.

28 Agenda 1. E.ON 2. E. ON Climate & Renewables Nordic 3. Vindkraftens tillväxt och utformning 4. Vindkraftsteknik 5. Projektering

29 Utformning av blad och rotor Aerodynamik När en luftström passerar bladets framkant går en del av luften ovanför och en del under bladet. Beroende på anblåsningsvinkeln skapas en lyftkraft som får rotorn att börja rotera.

30 Bladprofilen Bladen ser inte lika ut över hela ytan. De är tjockare vid basen och vrider sig sedan runt sin egen axel ut mot spetsen - de är torderade. Förr användes blad som var lika över hela ytan, men utvecklingen har gått framåt och nu kan en större del av effekten i vinden tillvaratas p.g.a. av denna utveckling.

31 Effektreglering används för att ta bort en del av energin i vinden (vid märkvind) så att inte vindkraftverket skadas när det blåser mycket. Detta kan göras på olika sätt: Stall Stallreglering har främst använts på äldre verk. Bladets geometri är då fast utformat så att det bildas mer och mer turbulens ju högre vindhastigheten blir - > Lyftkraften minskar och motståndet ökar Pitch På ett pitchreglerat verk ändras bladvinkeln (alfa) så att man släpper förbi en del av vinden när vindhastigheten ökar. För att kunna göra detta krävs ett aktivt kontrollsystem som reglerar bladvinkeln i förhållande till vindhastigheten

32 Variabelt varvtal Tidigare användes ett fast varvtal på vindkraftverken. Detta har att göra med hur generatorn är utformad. Ett fast varvtal garanterar att man får rätt frekvens på elektriciteten som går ut på elnätet. För variabelt varvtal krävs kraftelektronik som omformar AC till DC och sen tillbaks igen, så man får rätt frekvens. Fördelen med variabelt varvtal är att effekten i vinden tas tillvara på ett bättre sätt. När det blåser mer vill man att rotorn ska kunna rotera fortare. Detta har att göra med den optimala spetshastigheten

33 Spetshastighet och löptal Man vill hålla ett visst förhållande mellan spetshastigheten och den ostörda vindhastigheten för att rotorn ska vara så effektiv som möjligt. Detta förhållande kallas Löptal: λ = v v spets vind Det optimala löptalet varierar beroende på antalet blad. För turbiner med tre blad ligger det runt 7. När det blåser mer behöver alltså rotorn rotera snabbare för att hålla kvoten konstant. Bild från boken Vindkraft i teori och praktik, Tore Wizelius

34 Hur många blad är då mest effektivt? Teoretiskt sett är oändligt många och oändligt smala blad mest effektivt. I praktiken är det en fråga om kostnad. Tre blad ger 3% mer energi än två blad, men två blad ger mindre vikt och mindre materialåtgång, och är därmed billigare att tillverka. Idag är tre blad absolut vanligast.

35 Olika typer av vindturbiner Vertikalaxlad turbin Darreius turbin Behöver starthjälp Svårt att skydda från extremvindar som kan skada turbinen Teoretiskt sett lika effektiv som vanliga turbiner vid konstant vindhastighet

36 Horisontalaxlad turbin Huvudaxeln går horisontellt och sitter uppe i ett maskinhus vid navhöjd Rotorn sitter nästan alltid framför maskinhuset, mot vinden Olika tekniska lösningar - med växellåda - med kraftelektronik - direktdriven generator - hybrider

37 Med växellåda Asynkron generator med fast varvtal Trestegs växellåda Robust konstruktion Rotorn är hårt kopplad till generatorn som i sin tur är kopplad till elnätet, vilket gör att frekvensens 50 Hz måste hållas och rotorn kan bara gå med en bestämd hastighet Stallreglering Tillverkas nästan inte längre idag a) En asynkron generator MÅSTE vara ansluten till elnätet för att fungera Gear box Gen

38 Med växellåda och kraftomformare b) Ger en mjukare koppling mellan rotorn och generatorn, som tillåter variabelt varvtal Ger effektivare användning av vindens effekt Ger även mindre belastning på de mekaniska delarna eftersom hastiga vindbyar tas upp av rotorn Pitchreglering d) Gear box Gear box Gen Gen Exempel på tillverkare: Vestas

39 Direktdriven generator, utan växellåda Mångpolig synkrongenerator med lågt varvtal Rotorn driver generatorn direkt Kan gå med variabelt varvtal om kraftomformare används Mer robust p.g.a. färre mekaniska delar eftersom växellådan har kunnat utelämnas Pitchreglering Exempel på tillverkare: Enercon c) Gen

40 Hybrider Flerpolig generator Enstegs växellåda => Blandning av de båda tidigare koncepten Exempel på tillverkare: WinWind

41 Effektkurvan Ett vindkraftverks effektkurva beskriver vilken effekt som levereras vid vilken vindhastighet. Ett vindkraftverk börjar leverera el vid vindhastigheter på 3-4 m/s Vid ca 10 m/s ger vindkraftverket maximal effekt, (märkeffekt rated power) Även om det sen blåser mer levereras inte mer uteffekt. Effektregleringen går in och håller effekten konstant.

42 Vindkraftverk - Teknikutveckling MW Rotor (m)

43 Vindkraftverk - modeller Siemens 1.3 MW Vestas V52 Enercon E-48 Effekt (kw) Rotor diameter (m) Svepyta (m 2 ) Navhöjd Totalhöjd 62/2+68=99 52/2+86=112 48/2+76=110 Effektreglering stall pitch pitch Varvtal Startvind Märkvind Stoppvind

44 Det svenska elnätet I Sverige tillverkas ca 140 TWh el varje år Kärnkraft ca 65 TWh Vattenkraft ca 61 TWh Värmekraft ca 13 TWh Vindkraft ca 1 TWh Kraftnätet är dimensionerat för en centraliserad kraftproduktion Stamnät Regionnät Lokalnät 400 kv 130 kv 50, 20, 10 kv

45 Vindkraften i kraftsystemet ställer andra krav. Det byggs ofta på platser där elnätet inte är utbyggt = svaga nät och dålig kapacitet att ta emot kraften som produceras Numera går det allt mer mot stora anläggningar, och därmed kommer inkopplingen på nätet att ske på regionnivå. Problemet kringgås. Det måste även finnas balanskraft som kan användas de dagar vindkraften inte producerar. Vattenkraften är idealt för detta ändamål.

46 Agenda 1. E.ON 2. E. ON Climate & Renewables Nordic 3. Vindkraftens tillväxt och utformning 4. Vindkraftsteknik 5. Projektering

47 E.ON Vinds arbetsprocess för projektering Förprojektering Utvärdera område Teckna nyttjanderättsavtal Projektering Mäta vind, behandla vindstatistik, markundersökningar, design av nätanslutning, utvärdering av logistikmöjligheter Miljötillstånd och bygglov Samråda med: kommunen, myndigheter, närboende, intresseorg. Lämna in erforderliga ansökningshandlingar, behandling och ev. korrigeringar. Alla tillstånd erhållna. Upphandling: -Vindkraftverk -Fundament -Vägar och markarbeten -Elanslutning BYGGNATION 2-3 mån 2 5 år

48 Projektering Vad är en lämplig plats för vindkraft? Det ska blåsa! Tillräckligt stor yta Tillräckligt avstånd till närboende för att klara ljud- och skuggkrav Kust- eller slättlandskap, men även skogslandskap är intressant med dagens navhöjder Det ska helst finnas befintlig infrastruktur (väg, elnät ) Inga motstående intressen, naturskyddsområden eller liknande

49 Projekteringsgången 1. Hitta en lämplig plats enligt tidigare nämnda kriterier 2. Undersök förutsättningarna: mark, väg, elnät 3. Produktionsberäkning WindPro beräkningsprogram för att ta fram produktionsberäkningar, samt ljud- och skuggberäkningar. Kräver en vindstatistik med vindhastighet, vindriktning och frekvensfördelning. 4. Ta fram ekonomisk kalkyl => Är det lönsamt? 5. Vindmätning I mast eller med SODAR

50 6. Söka tillstånd och bygglov 7. Samråd med närboende, kommun och andra myndigheter 8. Fortsatt teknisk utvärdering av platsen 9. När tillstånd erhållits och vindmätningen avslutats kontrolleras kalkylen igen => Lönsamt? 10. Upphandling köp in vindkraftverken och allt som behövs 11. Byggnation 12. Driftsättning

51 MÄTMAST

52 SODAR

53

54 WindPRO

55 ArcMap

56 Ljud Teoretisk ljudutbredning, enligt värsta fall - principen. Medvind åt alla håll m m Modellen utgår från en vindhastighet på 8 m/s på 10 m höjd, vilket visat sig ge starkast inverkan utan att ljudet maskeras av vindsus så som vid högre hastigheter Beräkningarna är gjorda med en Nordex N90LS med en uppmätt källjudnivå på 103,3 db(a) Maximalt ljudnivå blir runt 39 db för husen vid kyrkan

57 Skuggor Skuggkastning från 145 meter höga verk räknat med statistiska soltimmar och driftsdata Gränsvärdet är 8 h per år för ett verkligt fall och 30 h/år för ett teoretiskt maxfall (alltid sol mm) Maximal skuggtid blir 8:22 h för Dimmestorp. - Skuggtillfällena inträffar från maj till mitten av augusti, vid halv sextiden på morgonen, i snitt ungefär 20 minuter åt gången vid soliga morgnar

58 Naturmiljöintressen Riksintresse natur längst ner t v Riksintresse för älgjakt längt upp t h Riksintresse för yrkesfiske och Riksintresse för yrkesfiske och Natura 2000 längst ner t h

59 Fotomontage Nynäs

60 Fotomontage Aspa herrgård vid jaktstugan

61 Fotomontage Från vägen mellan Kvistviken o Norrviken

62 Fotomontage Dimmestorp

63 Frågor eller funderingar? Henrik Malmberg Gruppchef projektutveckling, E.ON Vind Sverige AB