Vindkraft. Sammanfattning

Transkript

1 Av: Petter Dyverfeldt och Tomas Westin Vindkraft Sammanfattning Människan har under alla tider utnyttjat vinden som kraft. Från 1271 f.kr. finns en beskrivning från främre Orienten av ett vindkraftverk utfört av forskaren Disnastyi som troligtvis är den äldsta konstruktionen som finns dokumenterad. Det finns två olika typer av vindturbiner. De delas in i vertikalaxlade och horisontalaxlade system. Vanligast är den horisontalaxlade propellervindurbinen och det är den som man främst förknippar med vindkraften. Till de vertikalaxlade hör i huvudsak Savoniusturbinen och Darrieusturbinen Den absolut största fördelen med vindkraften är dess miljövänlighet. Den beskrivs ibland som en absolut ren energikälla på grund av att den har en energiråvara som är ren och inte kräver några energislukande eller miljöpåverkande transporter över huvudtaget. Det finns dock några faktorer som diskuteras och som kan anses som nackdelar för vindkraften. Exempel på sådana faktorer är ljud, visuella förändringar och påverkan på djurlivet. Vindkraften täcker i dagsläget mindre än en procent av det svenska elbehovet. I augusti i år fanns det 381 aggragat i Sverige med en sammanlagd installerad effekt på 149 MW. Den totala produktionen av vindkraftel, i Sverige, kommer i år bli uppemot 0,3 TWh Under 80-talet utvecklades vindkraften kraftfullt i USA. Nu går utvecklingen snabbast i Europa, särskilt i de länder som har högt elpris. Inom EU stöder man utvecklingen och har satt målet att Europa ska producera 20 TWh vindkraftel år Det är fem gånger så mycket som idag. Vindkraften uppfyller som sagt stränga miljökrav och passar därmed bra när man ska bygga det ekologiskt hållbara samhället. Utvecklingen av vindkraften i världen går snabbt. Många länder bygger ut vindkraften och industrin som är engagerad i vindkraften visar en rekordartad tillväxt. I Sverige skulle vindkraften kunna byggas ut i samma takt som i Danmark och Tyskland för att minska miljöbelastningen och underlätta avvecklingen av kärnkraften. Under senare delen av 70-talet undersökte Stal möjligheterna att slå sig in i vindkraftbranchen. Tillsammans med Saab Scania tillverkades ett vindkraftverk som skulle säljas till staten. Tyvärr blev affären inte av och Stals intresse för vindkraft dog ut. 1 (11)

2 Innehåll: 1. Historia 2. Funktion 2.1 Vindkraftverkets delar 2.2 Drift 2.3 Udda vindkraftverk Savonius Darrieus 3. Miljöpåverkan 3.1 Ljud 3.2 Visuella förändringar 3.3 Påverkan på djurlivet 3.4 Produktion 4. Vindkraft i Sverige 4.1 Tillgångar 4.2 Nuläge 4.3 Svensk tillverkning 5. Vindkraft i världen 5.1 Sverige, en liten nation 5.2 Danmark 5.3 Tyskland 5.4 Australien 5.5 Holland 6. Framtid 6.1 Forskning 6.2 Positiv framtid 7. ABB Stal -Vindkraftprojekt -Nysatsning? 2 (11)

3 1. Historia Under alla tider har människan utnyttjat vinden som kraft, för att segla, mala sin säd och pumpa upp vatten. Från år 1271 f.kr finns en beskrivning från främre Orienten av ett vindkraftverk utfört av forskaren Disnastyi som troligtvis är den äldsta konstruktionen som finns dokumenterad. I det gamla Grekland var små vindkraftverk mycket vanliga och den som har varit på t.ex. Rhodos kan se att många av dessa står kvar. Även väderkvarnar har använts sedan länge. En av de tidigaste kända väderkvanarna i nordeuropa är från år 806 och fanns i Croylandi, England. I Sverige började väderkvarnen användas på 1300-talet. Före ångmaskinens tid svarade vindkraft och vattenkraft för ungefär hälften av den maskinella energiframställningen i världen. När elektriciteten kom förlorade vindkraften sin tidigare jämnbördiga roll med vattenkraften som kraftkälla. 3 (11)

4 2. Funktion 2.1 Vidkraftverkets delar De flesta vindkraftverk är uppbyggda av samma beståndsdelar. Det finns ett torn som är infäst i ett fundament. Höjden på tornet varierar p.g.a. olika omständigheter. Gemensamt för alla vindkraftverk är att tornhöjden är ungefär lika stor som rotorns diameter. Rotorn har två eller tre blad gjorda av kompositmaterial, innehållande glasfiber och kolfiber. I maskinhuset kan man växla rotorns låga varvtal på varv per minut upp till ett varvtal anpassat till generatorn, det vill säga mellan varv per minut. I maskinhuset finns det även bromssystem och girsystem som styr rotorn efter vindriktningen. Det finns oftast två bromsar, en som fungerar på så sätt att bladen vrids när vinden blir för stark och en skivbroms. Skivbromsen används som nödbroms. På taket finns vindriktningsgivare, vindhastighetsgivare samt, om det behövs, åskledare och flygvarningsljus. 2.2 Drift Driften av ett modernt vindkraftverk är helt automatiserad och sköts av en dator. Datorn sätter igång vindkraftverken när vinden är tillräckligt stark och den stänger av det då vinden blir för kraftig. Teoretiskt kan man utvinna ca 59% av vindens energi. Men p.g.a. olika förluster som orsakas av friktion mellan propellern och luften, ändligt antal propellerblad, verkningsgrader för lager, växel, generator osv blir den verkliga effekten ca 65% av den teoretiska. I tabellen nedan visas de praktiskt möjliga värdena. Om bladantalet på snurran är två eller tre spelar ganska liten roll för energiproduktionens storlek, med tre blad ökar produktionen ca 3% jämfört med två blad. Fördelen med tre blad är bland annat jämnare kraftpåverkan och därmed mindre påfrestningar i kullagren. Skälet till att man oftast inte har mer än tre blad är att motståndet då blir för stort och gör att luften istället går "runt" snurran. De flesta vindkraftverken är i drift då det blåser mellan 4-25 m/s. I Sverige innebär det att produktion kan ske under ca 6000 av årets 8760 timmar. Alltså ca 70%. Erhållen effekt per m 2 svept propelleryta: v m/s P W/m (11)

5 2.3 Olika typer av vindkraftverk Det finns två olika typer av vindturbiner. De delas in i vertikalaxlade och horisontalaxlade system. Vanligast är den horisontalaxlade propellervindurbinen och det är den som man främst förknippar med vindkraften. Till de vertikalaxlade hör i huvudsak, Savoniusturbinen och Darrieusturbinen Savonius vindturbinen har fått sitt namn efter en finsk ingenjör på 1920-talet. Rotorn snurrar oberoende av vindriktningen och behöver därför inte någon vindriktningsanordning. Savonius-rotorns förmåga att utvinna vindenergi ur den svepta ytan är ca hälften av propellerturbinens. Propellerturbinens blad täcker 10 % eller mindre av den svepta ytan. Savonius-rotorn kräver därför mycket mer material och i storm blir den utsatt för mycket stora krafter p.g.a. de stora ytorna. Därför är Savonius rotorprincip ekonomiskt omöjligt för stora vindturbiner. Men den är väl lämpad när man inte behöver mer effekt än några hundra watt. Elektroniken i en avlägset belägsen relästation kan t.ex strömförsörjas av en sådan vindturbin. Dess enkla, robusta rotor, oberoendet av vindriktningen och lågt startmoment är egenskaper, som då kommer till sin rätt. Denna turbintyp har blivit populär därför att den är så lätt att bygga. Man kan t ex använda itusågade oljefat. För att få högsta verkningsgrad skall man ha en luftspalt på ca 1/3 av diametern mellan halvorna. Verkningsgraden är dock i jämförelse med andra turbintyper dålig Darrieusturbinen uppfanns av framsmannen George Darrieus, Konstruktionen, som är oberoende av vindriktningen, består av två jämnbreda, mycket slanka blad. Vid rotation formar sig bladen efter de krafter som verkar på dem, vilket medför att bladen huvudsakligen utsätts för dragpåkänningar vid infästningen. Momentpåkänningarna blir närmast försumbara. Turbinen är av högvarvig typ. Den har ett ganska högt startmoment och kan inte starta själv utan måste få hjälp av en startmotor. Darrieusturbinen har en hög verkningsgrad. Den lämpar sig bäst på blåsiga platser utan mycket markvegitation. 5 (11)

6 3. Vindkraftverk och miljö Den absolut största fördelen med vindkraften är dess miljövänlighet. Den beskrivs ibland som en absolut ren energikälla på grund av att den har en enenergiråvara som är ren och inte kräver några energislukande eller miljöpåverkande transporter över huvudtaget. Det finns dock några faktorer som diskuteras och kan anses som nackdelar för vindkraften. 3.1 Ljud Då ett vindkraftverk är i drift uppstår ett swischande ljud från bladspetsarna. Även växellådan och generatorn ger ifrån sig ett visst ljud. I dag använder man ett avstånd på meter till närmaste bebyggelse från ett vindkraftverk på ca 600 kw. 3.2 Visuella förändringar Eftersom vindkraftverken syns på långt håll anser många att de förfular lanskapsbilden. Tekniskt är det svårt att lösa problemet eftersom vindkraftverken knappast går att göra osynliga. Utformningen får då riktas in på att de ska bli så diskreta som möjligt. Men man ska också tänka på att det även finns människor som tycker att vindkraftverken är vackra och smäckra med sin dynamisk framtoning. 3.3 Påverkan på fågellivet Det har visat sig att det är ytterst sällan som fåglar flyger in i rotorbladen. Mycket tyder på att fåglar har lättare att undvika föremål som är i rörelse än stillastående föremål. Det har dock hänt att fåglar har flyttat när det har kommit vindkraftverk. Men det är inget som säger att de flyttar för vindkraftverken i sig. Det är nästan troligare att det är människorna och bilarna som skrämmer fåglarna. 3.4 Produktion av vindkraftverket Ett vindkraftverk samlar in energin som gått åt för tillverkning på omkring tre till sex månader. Totalt producerar vindkraftverket 40 till 120 gånger så mycket energi under sin livstid som gick åt vid tillverkningen. 6 (11)

7 4. Vindkraft i Sverige 4.1 Tillgångar I Sverige finns en mycket stor vindenergiresurs på åtminstone 100 TWh per år, varav TWh på land i södra Sverige, TWh till havs och några tiotal TWh i de svenska fjällområdena. Svensk Vindkraftförening, SVIF, Vindturbintillverkarnas samarbetsgrupp, och Vindkraftkonsortiet har ställt upp målet 5 TWh år Därutöver har Svenska Vindraftföreningen satt målet 10 % av energiförbrukningen år För att detta ska kunna uppnås krävs sannerligen styr och hjälpmedel som t.ex: ekonomiskt stöd till investeringen miljöbonus vindkraftavtal med kraftbolag klara regler på elmarknaden ett forskningsinstitut för vindkraft. 4.2 Nuläge Vindkraften täcker i dagsläget mindre än en procent av det svenska elbehovet. I augusti 1998 fanns det 381 aggragat i Sverige med en sammanlagd installerad effekt på 149 MW kommer den totala produktionen av vindkraftel bli uppemot 0,3 TWh Vindkraftverken har hittills byggts ut stötvis i takt med att nya bidrag ges. Den som bygger ett vidkraftverk får bidrag på upp till 15 procent av investeringen. Stödet gäller fram till 1 juli år Dessutom får el producerad i vindkraftverk en miljöbonus på 15,2 öre/kwh. 4.3 Svensk tillverkning Endast ett fåtal företag i Sverige tillverkar vindkraftverk. Zephyr i Falkenberg tillverkar ett verk med tvåbladig rotor med så kallad passiv pitch, där yttre halvan av vingen vrids av vinden när den når en viss styrka för att minska effekten. Nordic Windpower satsar på ett koncept med en tvåbladig rotor med gungbrädesnav som minskar belastningen och därmed också vikten. Inget av företagen har dock ännu lyckats etablera sig på marknaden. 7 (11)

8 5. Vindkraft i världen Under 80-talet utvecklades vindkraften kraftfullt i USA. Nu går utvecklingen snabbast i Europa, särskilt i de länder som har högt elpris. Inom EU stöder man utvecklingen och har satt målet att Europa ska producera 20 TWh vindkraftel år Det är fem gånger så mycket som idag. 5.1 Sverige _ en liten nation Många länder i Europa bygger ut vindkraften betydligt snabbare än Sverige. Danmark byggde exempelvis 147 MW under 1996, vilket kan jämföras med Sveriges 30 MW under samma period. I dagsläget finns det en sammanlagd kapacitet i Sverige på ca 150 MW. Detta kan jämföras med Danmark som har en total kapacitet på ungefär 1200 MW och Tyskland med en kapacitet på 1900 MW, som båda har liknande vindförhållanden som vi har i Sverige. 5.2 Danmark Om man ser till vindkraftens andel av ett lands totala elbehov är Danmark världsledande. Om Danmark fortsätter att bygga ut vindkraften i samma takt som hittills, kommer målet på MW vindkraft, eller 10 % av landets elförbrukning att uppnås år Ambitionen är att bygga ut till 50 % år I början av 1998 fanns över vindkraftverk med en installerad effekt på sammanlagt 1100 MW. De beräknas under detta år ha producerat c:a 5 % av landets elförbrukning. Den danska vindkraftindustrin går också framåt uppgick exporten till verk med en sammanlagd effekt på 479 MW och en omsättning på 3,5 miljarder danska kronor. 5.3 Australien I Australien finns många mindre samhällen som ligger långt ifrån elnätet. Samhällena drar inte särskilt mycket el och att dra långa elledningarna från elnätet är väldigt oekonomiskt. Det är just i sådana fall som vindkraftverk är en bra lösning. Eftersom Australien har en tre tusen kilometer lång kust mot Södra Oceanen blåser det ofta kraftiga vindar, uppåt 6-8 m/s endast 10 meter över marken. Det blåser också kraftigast under eftermiddagen när elbehovet är som störst. Förutom lokala vindkraftverk vid mindre samhällen och farmer finns det även ett par vindkraftsparker på upp till 2 MW 5.4 Tyskland: Tyskland har som mål att reducera koldioxidemissionerna med 25 % till år Därför försöker man minska utsläppen från kraftproduktionen genom att bygga ut vindkraften. Målet är 4000 MW från vindkraft I dag bygger man ut vindkraften med 300 MW per år. Vid årskiftet 96/97 hade Tyskland installerat 4326 vindkraftverk med en total effekt på 1546 MW. Dessa verk beräknas kunna producera 3 TWh/år vilket motsvarar 0.65 % av Tysklands totala elförbrukning. 8 (11)

9 Tyskland är idag det ledande vindenergilandet. Under 1995 installerades vindkraftverk med effekten 505 MW, varav mer än en tredjedel av totala effekten installerades i inlandet. I Schleswig-Holstein har vindkraften byggts ut till effekten 449 MW och beräknas kunna producera 885 GWh per år, vilket motsvarar 7,4 % av den totala elförbrukningen i förbundsstaten, som var 11,9 TWh Holland I slutet av 1995 hade Holland en installerad vindkrafteffekt på 250 MW. Man har som mål att bygga ut vindkraften med 100 MW per år till år Man planerar att år 2020 ha en effekt på 3000 MW och 8000 MW år I Holland anser man att kostnaden för vindkraft måste reduceras med 50 % för att den verkligen skall kunna konkurera med elenergi som producerats med fossila bränslen. Under de senaste 5 åren har priset reducerats med 30 %, men det räcker alltså inte. Man har även funderat över att sätta upp vindfarmer till havs. Innan dessa kan sättas upp krävs dock fortsatt forskning inom området. 9 (11)

10 6. Forskning och framtid 6.1 Forskning Forskningen kring vindkraften har pågått i stor skala sedan 70-talet, då oljekrisen fick folk att titta mot alternativa energikällor. Sverige satsade på att forska kring utvecklingen av stora kraftverk, med effekter på över 1 MW (1000 kw). De flesta andra, däribland Danmark, satsade på små och medelstora kraftverk ( kw). Dessa har visat sig vara billigare att utveckla och är dessutom mer driftsäkra. Genom detta har de länder som satsat på mindre vindkraftverk kommit längre i utvecklingen av vindbaserad elproduktion. Man kan kanske tycka att Sverige gjorde en felsatsning när man valde att titta på stora kraftverk, men det är inte riktigt sant. De flesta forskare är överens om att skall man i framtiden kunna skapa en kommersiellt lönsam vindkraft så är det stora kraftverk man satsa på, så det svenska arbetet är inte bortkastad tid. De stora kraftverken är bättre därför att de kommer upp högre i luften, där det blåser mer och med en jämnare vind. Ett större kraftverk producerar också mer el i förhållande till markyta än ett mindre kraftverk. 6.2 Positiv framtid Vindkraften uppfyller som sagt stränga miljökrav och passar därmed bra när man ska bygga det ekologiskt hållbara samhället. Vindkraften är en av de förnyelsebara energikällorna som har hunnit långt i sin utveckling. Kostnaden per producerad kwh har minskat för varje ny generation av vindkraftverk som utvecklats och den kommer att fortsätta att minska tack vare större och effektivare vindkraftverk. Elenergi från ett vindkraftverk kostar idag inte mer än el från andra nybyggda kraftverk. Utvecklingen av vindkraften i världen går snabbt. Många länder bygger ut vindkraften och industrin som är engagerad i vindkraften visar en rekordartad tillväxt. Vindkraften blir hela tiden större och effektivare. Priset på vindproducerad el väntas sjunka och havsbaserad vindkraft är på väg mot ett kommersiellt genombrott. I Sverige skulle vindkraften kunna byggas ut lika snabbt som i Danmark och Tyskland för att minska miljöbelastningen och underlätta avvecklingen av kärnkraften. 10 (11)

11 7. Vindkraft på Stal Efter att ha snappat upp ett rykte om ett vindkraftprojekt på Stal bestämde vi oss för att undersöka saken lite närmare. Vi fick upp ett spår som ledde oss till Göran Kjellander. Efter ett samtal med honom fick vi reda på detta: I mitten på 1970-talet gick "Nämnden för energiproduktionforskning" ut och sa att man tänkte bygga tre vindkraftverk, på ca 2 MW styck, i statlig regi. Dåvarande ASEA Stal bestämde sig i samband med det att försöka slå sig in på vindmarknaden och sälja ett vindkraftverk till staten startades därför ett vindkraftsprojekt på Stal. Först försökte Stal på egen hand och tog fram ett förslag som bl.a. innefattade en trebladig rotor av rostfritt stål istället för den då traditionella glasfibern men den konstruktionen ratades av vindkraftkunniga människor. Ett samarbete inleddes då med Saab Scania som med hjälp av sina kontakter inom helikopterbranchen hade tillgång till stora kunskaper inom sådana områden som kunde komma väl till pass när man skulle konstruera propellern. När vindkraftverket väl var framtaget ville inte staten köpa det. De ansåg att priset, som låg på ca 60 miljoner, var för högt och tyckte att ASEA, som var en så stor koncern, kunde bidra med pengar så att priset kunde reduceras. Efterarbetet blev utdraget och segt och projektet lades ner vid -79. Ett av skälet till att Stal inte har satsat på vindkraftverk är alltså det nesliga nederlaget i samband med detta projekt. Andra anladningar som anges är att den väntade rushen på vindkraftverk uteblev och att danskarna kom emellan. Varför inte försöka igen? Inom ABB finns säkerligen de kunskaper som krävs för att kunna konstruera vindkraftverk. Om man satsar tillräckligt är det mycket troligt att vindkraften, på sikt, kan ge ABB en bra lönsamhet. En framtida bild på Curt Nicolin Gymnasiet? 11 (11)