Käre användare! Denna pdf-fil är nedladdad från Illustrerad Vetenskaps webbplats (www.illvet.com) och får ej lämnas vidare till tredjepart. Av hänsyn till copyright innehåller den inga foton. Med vänlig hälsning Redaktionen
Inblick Vindkraft stormar fram För 40 år sedan var vindkraftverken få och små. I dag har vindkraften vuxit till en global industri, och det är lika billigt att resa vindkraftverk som att bygga kraftverk. Produktionen kommer inom tio år att mångdubblas, och vind finns det nog av mer än tillräckligt för hela världens energiförbrukning. 18 Av Ib Salomon
En tysk ingenjör kontrollerar fogarna på ett nytt 5 MWhavskraftverk placerat utanför Emden i Nordvästtyskland. P. Langrock/laif/ina agency V inden är gratis och finns i rikliga mängder. Vindkraftverk är nu så effektiva att de också prismässigt kan konkurrera med traditionella elkraftverk, som eldas med olja eller gas. Därför befinner sig världen mitt i en boom för vindkraften produktionen fördubblas vart tredje år framöver, och bara i Europa reses 20 vindsnurror om dagen. Totalt finns det i dag 128 000 vindkraftverk globalt. Vinden kan vi tacka solen för. Den värmer upp jorden, men uppvärmningen är ojämn, och det skapar de tryckskillnader som gör att det blåser. I vissa av jordens bälten blåser det nästan alltid, och generellt är vinden kraftigare över hav än över land, där den bromsas av berg, kullar, skogar och bebyggelse. Uppbromsningen av vinden gör att energi omvandlas till värme såvida inte vi människor blandar oss i genom att skörda en del av blåstens rörelseenergi och använda den till att driva en generator. Vinden kan leverera upp till fem gånger det totala globala energibehovet, visar en analys utförd av amerikanska forskare vid Harvard University. Rapporten publicerades förra sommaren, och forskarna tog dessutom utgångspunkt i relativt små vindkraftverk. De förutsatte även att kraftverken utnyttjar bara en femtedel av sin maximala kapacitet. En av de stora fördelarna med vindkraftverk är att de är förhållandevis snabba att bygga, betydligt snabbare än konventionella kraftverk. Dessutom gynnar vindkraft klimatet, för det sker inga utsläpp av koldioxid när strömmen kommer från vindkraftverk. Den folkliga uppbackningen av vindkraft är också bred och betydligt större än av till exempel kärnkraft. Opinionsmätningar visar att omkring tre av fyra är positiva till vindkraft och gärna ser att den byggs ut. Nackdelen med vindkraft är att vindkraftverk naturligt nog alstrar el enbart när vinden blåser. Det betyder att det ibland finns ett överflöd av el, medan det andra gånger inte finns någon el alls. Det behövs backup, och som det ser ut i dag sker det ofta i form av insats av konventionella elkraftverk, som tar över när det inte blåser. Flera forskare arbetar dock på att utveckla metoder för att lagra energi, till exempel Vinden kan leverera upp till fem gånger det totala globala energibehovet.
p. langrock/laif/ina agency Efter sex månader har ett vindkraftverk producerat mer energi än det kostat. 20 Vingar på 34 meter är så stora att det krävs professionella klättrare när de skall kontrolleras. i elbilar, som kan visa sig vara ett starkt val i kombination med vindkraft. För det första resulterar det inte i någon förorening eller något koldioxidutsläpp från elbilar, som är tankade med vindkraftsström. För det andra har elbilar batterier, och de kan lagra stora mängder energi. De flesta bilar står stilla 23 av dygnets 24 timmar, och därför kan de mycket väl fungera som ett slags mellanlager för ström från vindkraftverk. När det finns vind och därmed ett överskott av ström fylls bilbatterierna. När vinden mojnar, levererar batterierna elektricitet tillbaka till nätet. Energikris satte fart på vindkraftverken Människor har byggt vinddrivna maskiner i mer än tusen år. I början användes de för att mala spannmål eller pumpa vatten. I 1400-talets Holland vimla de det av väderkvarnar, men jämfört med nutiden var de inte så effektiva, då en typisk sådan bara utnyttjade sex procent av vindenergin. Det är åtta eller nio gånger mindre än dagens vindkraftverk. Från 1891 började man bygga vindkraftverk som kunde producera elektricitet, och i början av 1900- talet uppfördes många sådana, i synnerhet på ensligt belägna gårdar. Priset på kol och olja sjönk dock, så efterhand fick även de mest avlägsna hushållen el, och då stod vindkraftverken och rostade. Det var en utbredd tendens ända fram till energikrisen 1973. Krisen skapade ett förnyat intresse för vindkraft, men de första åren betraktades kraftverken som ren kuriosa, en leksak för fingerfärdiga mekaniker och högtflygande idealister. Kraftverken var små och inte särskilt effektiva, och de var byggda av bitar som hittats hos skrothandlare. Från omkring 1980 tog utvecklingen fart. En rad fabriker började serietillverka vindkraftverk, men dessa var fortfarande små och mycket bullriga. De levererade ofta 20 30 kw, tillräckligt för att täcka cirka 30 40 hushålls förbrukning. Som jämförelse kan nämnas att ett modernt vindkraftverk kan leverera elektricitet till mer än tusen hushåll. Ett stort antal av de gamla vindkraftverken har ersatts av några få ganska stora kraftverk, som har betydligt större kapacitet. Ett vindkraftverk ger maximal kapacitet, om det kan bromsa vindens hastighet med en tredjedel. Blåser det till exempel 12 m/s, ger ett kraftverk som bromsar vinden till 8 m/s bästa kapacitet. De flesta vindkraftverk sätter i gång när det blåser 4 m/s och producerar maximal effekt när vinden är kraftigare än 12 m/s. Av hänsyn till säkerheten stoppas ett vindkraftverk dock när vinden når stormstyrka, det vill säga 25 m/s. Danmark låg i många år i täten för utvecklingen av nya, stora och effektiva vindkraftverk, och Danmark är fortfarande det land där vindkraften tar förhållandevis mest plats. Landets 5 200 vindkraftverk täcker redan 20 procent av elförbrukningen, och beräkningar visar att upp till hälften av landets elförbrukning om 15 år kan täckas av vinden. Andra länder ligger dock också långt framme. Det gäller bland annat USA, Storbritannien, Irland, Tyskland, Portugal och Spanien. Indien och Kina har också kommit väl i gång med att bygga ut vindkraften. Bara i Kina förväntas en sexdubbling av vindkraften inom tio år, och i Spanien upplevde man i november förra året att förbrukningen var så låg och vinden samtidigt så bra att hälften av behovet av elektricitet täcktes av ström från vindkraftverk. Det kostar givetvis energi att framställa, transportera och sätta upp ett vindkraftverk, men energin tjänas snabbt in igen, för redan efter sex månader har ett modernt kraftverk alstrat mer energi och därmed tjänat in mer pengar än det kostat. Då ett vindkraftverk ofta håller i 20 år, alstrar det alltså betydligt mer energi än det någonsin förbrukar. Vindkraftverk skall placeras där vinden är kraftig Illustrerad Vetenskap nr 7/2010
2030 Kapacitet: 10 MW Vinglängd: 100 m 170 m och stabil. Det verkar uppenbart, men inte desto mindre placerades många av de första vindkraftverken fel, för att man kände till för lite om vinden. Ingen viss te hur mycket det i genomsnitt blåser på en viss plats, och man kunde för lite om hur lokala förhållanden och terrängens ojämnhet påverkar vinden. Dator beräknar den bästa placeringen I dag kontrollerar man en vindatlas och får en dator att räkna ut den förväntade produktionen i en del fall med en osäkerhet på bara plus/minus fem procent. Med hjälp av särskild mjukvara bygger man upp en tredimensionell modell av landskapet och pekar ut de absolut bästa placeringarna. Det kan verkligen löna sig att undersöka vindens detaljer så grundligt, för även inom ett begränsat område kan det finnas placeringar som ger tre-fyra gånger större produktion än andra. Är ett vindkraftverk på land rätt placerat, alstrar det el 7 000 timmar om året, det vill säga 80 procent av tiden. Det går dock med maximal effekt enbart i cirka 2 500 timmar om året eller 28 procent av tiden. Vindkraftverket står i perioder helt stilla, då vinden är för svag under 1 500 2 500 av årets 8 760 timmar. Kraftverk på havet ger ofta en maximal effekt under 3 500 av årets timmar. Även i framtiden kommer många vindkraftverk att placeras på land, men generellt blir det svårare att hitta lämpliga ställen där vinden är bra nog och där människor inte protesterar mot att bli grannar med en vindkraftspark. Därför förväntas en stor del av vindkraften flyttas ut till havs, där det blåser betydligt mer och där vinden dessutom är stabilare. Som huvudregel gäller att ett vindkraftverk på havet producerar 50 procent mer än ett motsvarande på land. Den första vindkraftverksparken på havet restes 1991, och i Nordsjön skall det under de kommande fem åren ställas upp så många vindkraft 2010 Kapacitet: 6 MW Vinglängd: 60 m 160 m 150 m 140 m 130 m 120 m 110 m 100 m 90 m Kraftverken blir hela tiden större År 1891 reste den danske fysikern Poul la Cour ett av världens första elproducerande vindkraftverk i Vejen i Danmark. Sedan dess har kraftverken utvecklats de blir högre och vingarna längre. Tekniken förbättras hela tiden, så att vindkraftverken fångar upp ännu mer rörelseenergi från vinden och omsätter den till ström. allan højen 2000 Kapacitet: 2 MW Vinglängd: 40 m 1995 Kapacitet: 600 kw Vinglängd: 22 m 80 m 70 m 60 m 50 m 1990 Kapacitet: 300 kw Vinglängd: 15,5 m 40 m 30 m 1891 Kapacitet: 3,7 kw Vinglängd: 9,5 m 1985 Kapacitet: 22 kw Vinglängd: 5 m 20 m 10 m
Magneter får verket att glida Inom kort ersätts växeln och alla dess mekaniska delar av kraftiga magneter, som inducerar ström genom att glida förbi varandra. Yttersta lagret består av en speciell färgtyp för att undgå solens reflexion i de roterande vingarna. Vindmätare Generator Fastmonterad magnet Magnet i vingmodul Så mycket väsnas verket 100 db 50 db 110 db Rockkonsert 80 db Trafikbuller 60 db Vanligt tal 44 db Vindkraftverk Ett vindkraftverk producerar ström i 7 000 timmar av årets 8 760 timmar. 0 db 0 db Hörseltröskel Vridmotor Torn Vingnav Pitchmotor (styr vingarnas vinkel) En vindmätare ger besked till styr systemet, när vinden är kraftig nog att starta. Rotorn består av tre vingar på 60 meter. Vikten är 100 ton. Vindkraftverkets topp vrids så att vinden utnyttjas bäst, eftersom den träffar rakt framifrån. Vingspetsarna rör sig med 270 km/h 2030 Svept yta: 31 000 m 2 (vingar 100 m) 2010 Svept yta: 11 000 m 2 (vingar 60 m) Vindkraftverk till havs alstrar 50 % mer ström än kraftverk på land. Ett vindkraftverk betalar sig på 6 månader 1990 Svept yta: 730 m 2 (vingar 15,5 m) En av två bromsar är kopplade till vingarna. Den andra bromsen sitter vid den axel som förbinder växeln med generatorn. Alla världens vindkraftverk ger tillsammans mer än 121 000 MW Det motsvarar nästan 21 miljoner hushålls förbrukning. 1980 Breda vingar tog upp 15 % av den svepta ytan (den cirkel som vingarna täcker). Antalet varv var fast. 2010 Smala och bullersvaga vingar tar upp 5 % av den svepta ytan. Antalet varv är variabelt. j. true/afp/scanpix Vindhastighet 4 m/s 12 m/s 25 m/s kraftverket Sätter igång Presterar optimalt Stannar 2030 Vingarna blir 100 meter långa, men ingen vet ännu hur de kommer att vara utformade. 59 procent av vinden kan bli till el Ett vindkraftverk består av 10 000 komponenter, som omsätter rörelseenergin från vind till ström. År 1919 kom den tyske fysikern Albert Betz fram till att man maximalt kan omvandla 59 procent av rörelseenergin till elektricitet, och det är fortfarande den gällande övre gränsen. En kubikmeter luft väger cirka 1,2 kilo, och om luften rör sig med tio meter i sekunden, kommer det varje sekund att passera omkring 100 ton luft genom den svepta ytan den yta som vingarna rör sig över. Allan højen Tornet är byggt av stål och kan vara 100 meter högt. Hela vindkraftverket väger 250 ton. Danska vindkraftverk täcker 20 % av landets elförbrukning världens högsta högsta andel.
n. gylling mortensen/dtu/risø/digitalglobe/google/igp/dgrf/noaa/cnes Mest vind Minst vind Att hitta den optimala placeringen för ett vindkraftverk är en vetenskap i sig. Här är data för vindstabilitet vid staden Santa Luzia i norra Portugal. verk att de kan förse 35 miljoner europeiska hushåll med ström. Beräkningar visar att åtta stora parker med vindkraftverk på 100 gånger 100 kilometer kan täcka hela det europeiska behovet av ström. Det är dock något mer komplicerat att bygga vindkraftsparker till havs än på land. I gengäld kan man använda sig av årtionden av erfarenheter från oljeindustrin, där man har stor kunskap när det gäller att bygga till havs, så att konstruktionerna kan stå emot allt från saltvatten till monstervågor. Kraftverk till havs står stadigt i fundament på bottnen, men det betyder att vattnet inte får vara för djupt. Fyrtio meter är gränsen. En positiv bieffekt är att fundamenten fungerar som konstgjorda rev, som ökar biomassan och drar till sig fiskar. I gengäld är det betydligt besvärligare att underhålla och reparera vindkraftverk till havs. Det kan till exempel finnas dagar då vågorna gör det omöjligt för teknikerna att ta sig i land på ett fundament, och därför har några av de nyaste vindkraftsparker na plattformar, så att en tekniker kan landsättas av en helikopter medan den svävar i luften. En annan nackdel med vindkraft är att kraftverken kan kosta fågelliv. Rovfåglar är av naturen inte rädda för något alls, inte ens för vindkraftverk, och på några få ställen har vindkraftsparker placerats så olyckligt att det har gått hårt ut över fågelbestånden. I USA är vindkraftsparkerna försedda med en särskild radar, som varnar för fågelflockar. Norge testar flytande vindkraftverk Kanske kommer framtidens vindkraftverk på havet inte alls att stå på fundament. Ett försök vid Norges västkust kan leda till flytande vindkraftverk som förankras vid bottnen med starka kablar. Försöket med ett 5 300 ton tungt flytande vindkraftverk inleddes i september förra året och skall pågå under två år. Lyckas det, betyder det att man kan placera vindkraftverk i områden där djupet är ned till 700 meter. Nya vindkraftverk på havet kommer kanske också att ha vingar som inte ger radarsignaler. Militären motsätter sig ofta vindkraftverk till havs just för att de roterande vingarna stör radar, så att de kan förväxlas med flygplan. Forskare i bland annat Storbritannien har dock kommit på ett nytt material till vingarna, så att de inte ger vilseledande signaler. Utöver de mer teknologiska landvinningarna blir de nya havskraftverken också högre. Teoretiskt finns det ingen övre gräns, och många vindkraftverk är redan i dag mer än 100 meter höga med 60 meter långa vingar. Det betyder att vingarna sveper över täcker en yta stor som en fotbollsplan när de snurrar. Kommer det an på det amerikanska företaget Clipper Windpower, dyker det inte desto mindre snart upp ännu större vindkraftverk. De skall vara 175 meter höga och ha 70 meter långa vingar. När de snurrar kommer de att svepa över en yta på 15 000 kvadratmeter motsvarande två fotbollsplaner. Teoretiskt sett kan man bygga ännu högre vindkraftverk med längre vingar, men delarna till kraftverken skall också transporteras från fabriken och ut till den plats där kraftverket skall sättas upp. Det sätter än så länge gränser för hur stora de kan bli. Redan nu är det ofta en synnerligen krävande uppgift att transportera kraftverksvingar med en längd på kanske 40 meter längs vägar och genom städer. Trots det har EU inlett världens mest ambitiösa forskningsprojekt på vindkraftverksområdet, där höjden kanske når 250 meter. Projektet heter UpWind, och hoppet är att det skall resultera i EU har inlett ett projekt med vindkraftverk som är 250 meter höga.
p. langrock/laif/ina agency Ett 98 meter högt verk vid Rostock i Tyskland. Vingarna blir 34 meter och kapaciteten 2,3 MW. vindkraftverk som kan producera 20 MW. Det är nästan fyra gånger mer än dagens största vindkraftverk. De praktiska problemen kring transporten förväntas lösas genom att vindkraftverket levereras i byggsats. Av samma skäl kommer vindkraftverksfabrikerna sannolikt att placeras i hamnstäder. Dels för att det är lättare att frakta kraftverken med båt än att köra dem på lastbilar, och dels för att det skall ske en utbyggnad på havet i stället för på land. Det kan också framöver vara frestande att gå ännu hög re efter vinden, för vindens styrka tilltar ju längre upp man kommer. Blåser det 8 m/s nära marken, blåser det ofta 10 m/s på 120 meters höjd. Skillnaden kan låta blygsam, men det har stor betydelse när det handlar om att skörda vindenergi. En luftströms energiinnehåll växer med vindhastigheten i tredje potens. Fördubblas hastigheten, kan det med andra ord hämtas upp till åtta gånger mer energi. Holländska forskare arbetar på att utnyttja energin högre upp med hjälp av en särskild typ av drakar, medan man på andra håll i världen har ännu mer högtflygande planer: varför inte utnyttja energin i de jetströmmar som på tio kilometers höjd omger jorden som stora floder av hastigt strömmande luft? Däruppe når vindens hastighet upp i över 100 meter i sekunden. Som jämförelse kan nämnas att en orkan har en hastighet av mer än 33 m/s. Flera forskare och företag försöker utveckla metoder för att utnyttja jetströmmarna, till exempel genom att sända upp flygande konstruktioner i dem konstruktioner som är försedda med vindkraftverk och en kabel för att sända strömmen ned till jorden. Man experimenterar också med nya former av vind Vind och vatten ger stabil ström Norska forskare och ingenjörer arbetar på att hitta en metod så att den instabila strömmen från vindkraftverk kan kombineras med den energi som utvinns ur strömmande vatten. En av de mest lovande möjligheterna är att använda överskottsenergin från vinden till att pumpa upp vatten i höglänta sjöar och låta det rinna ned genom vattenkraftverk under perioder med brist på elektricitet. Det krävs ett helt nytt ledningsnät för att kunna transportera denna stabila ström till konsumenterna, men de erfarenheter man hittills har visar att det är möjligt. Utifrån prognoser för vinden går det också i hög grad att förut- spå hur stor produktionen från vindkraftverken kommer att bli. På det hela taget är denna kombination av vind- och vattenkraft så gott som perfekt, då man med kort varsel kan sätta igång ett vattenkraftverk när vinden är för svag. Omvänt kan man spara på vattnet i magasinen när det blåser. Forskare arbetar på metoder att kombinera vattenkraft, som här i Norge, med vindenergi. k. schnack/scanpix Kablar förbinder nordeuropa Arbetet med att etablera ett helt nytt ledningsnät i Europa har inletts. Norge, Danmark, Sverige, Tyskland och Holland är de första länder som knyts samman. allan højen
kraftverk, till exempel sådana med lodrät axel i stället för den traditionella vågräta. Ett engelskt företag hoppas kunna ha ett stort V-format vindkraftverk redo 2013. Planen är att det skall stå på havet. Även i de traditionella vindkraftverken sker det löpande förbättringar. Man forskar i stort sett om allt upptänkligt: nya material, aerodynamik, bättre fundament och bättre konstruktion av vingar na, så att de får ännu större kapacitet. En av lösningarna kan bli vingspetsar vars form fortlöpande justeras, så att kraftverket konstant har optimal kapacitet, även om vinden är orolig och kommer i byar. Elnätet byggs ut i Europa Sammantaget har forskningen lett fram till vindkraftverk med en kapacitet som nu ligger mycket nära det teoretiska maximum för hur mycket energi man kan skörda ur vinden. Trots det finns det fortfarande plats för nytänkande. Många av framtidens vindkraftverk väntas till exempel komma att baseras på en ny teknik, som kallas direct drive. Traditionellt har vindkraftverk en stor och tung växellåda, som kan omvandla vindkraftverkets cirka 15 varv i minuten till 1000 15000 varv per minut i kraftverkets generator, där strömmen produceras. Växellådans många kugghjul och rullager vållar ofta problem, så i framtiden kommer fler kraftverk att vara helt utan växel. I stället producerar de ström med hjälp av kraftiga magneter som snurrar förbi varandra. Fördelen med direct drive är dubbel. För det första finns det i generatorn inga rörliga delar som kan gå sönder, och för det andra undviker man den förlust av energi som sker i en växellåda. Det är inte bara vindkraftverken som skall förbättras efterhand som vindkraften får större betydelse lika viktigt är att integrera strömmen från vindkraftverken i elnätet och fördela den till användarna. Det kräver nya intelligenta sätt att bygga upp elnätet på, för det är mycket stor skillnad på ett elnät som skall fördela ström från tre fyra konventionella kraftverk och ett nät som skall ta emot och fördela elektricitet från kanske 3 000 vindkraftverk. Vindkraftverkens produktion varierar, och det kommer att uppstå perioder med för mycket ström. För att denna inte skall gå till spillo, arbetar man på att förbinda Europa med kablar för utväxling av el kors och tvärs. När de är utlagda, betyder det inte så mycket att vinden lägger sig i ett område, om det blåser i ett annat. En av fördelarna med el är att den kan transporteras över långa sträckor med små förluster. Etableringen av ett sådant europeiskt nätverk är redan väl i gång. För närvarande läggs det ut kab lar mellan Norge, Danmark, Sverige, Tyskland och Holland. Med åtgärder som dessa kommer vindkraften under de kommande årtiondena att bli en både stor och stabil källa till ren energi. Läs mer om ämnet på www.illvet.se grimshaw architechts, Getty images & Allan Højen Nya vindkraftverk utnyttjar jetströmmar Forskare vid bland annat California State University i USA har beräknat att om vi kan finna metoder att skörda energin från jordens stora bälten med vind, så kallade jetströmmar, kommer vi att få tillgång till 100 gånger mer energi än vi har behov av. Företaget Sky WindPower föreställer sig till exempel en konstruktion med fyra uppsättningar vingar, som själva håller sig uppe med hjälp av den kraftiga vinden. Denna drakliknande konstruktion är förankrad vid marken med en lång lina och sänder elektricitet till användarna via starka kablar. Vingar på lodrät axel kan bli framtiden Ett vindkraftverk med lodrät axel ger forskarna möjlighet att placera generatorn nederst och därmed sänka kraftverkets tyngdpunkt. Den låga tyngdpunkten gör konstruktionen stabilare och tillgången till generatorn förenklas. Det är en fördel när något skall repareras. Växellådan ersätts av två kraftiga magneter, som inducerar ström när de nästan ljudlöst glider förbi varandra. På 10 kilometers höjd blåser det med över 100 meter/sekund. claus lunau Detta verk med lodrät axel är ljudlöst. England ligger långt framme med utvecklingen av detta 120 meter höga havskraftverk. En prototyp förväntas stå färdig omkring 2013. helix wind Illustrerad Vetenskap nr 7/2010