2.3 Vinddataanalys
2.3.10 Osäkerheter
Korrelationen talar om hur starkt sambandet (linjärt sett) är mellan två kvantitativa variabler.
Vid fullständig korrelation är r = 1. Standardavvikelsen är ett mått på spridningen av värden genom att kontrollera hur långt från medelvärdet de olika mätvärdena ligger spridda. (Moore 2003).
2.3.10 Osäkerheter
När man sammanställer mätdata och gör beräkningar uppstår osäkerheter på resultaten. De olika rapporterna hanterar osäkerheterna som är inblandade i processen på lite olika sätt.
Exempel 4:
Faktisk mätning: 1 GWh Vindindex 80% = 0,8
Ger en förväntad långtidsproduktion över samma period (man tar oftast per år eller ett antal månader) på 1,25 GWh
Kjeller har exempelvis bara en tabell, helt utan att redovisa sina sätt att beräkna osäkerheterna.
Osäkerheter smyger sig in på många ställen. Ibland får man extra osäkerheter på grund av att datatillgängligheten inte är 100 %, utöver osäkerheter i själva mätningen av vinden,
normalårskorrigeringen, extrapoleringen av vindgradient och beräkningen av energiproduktion. I appendixet finns en kort redovisning av hur några olika företag presenterar osäkerheterna i sina rapporter.
3 Resultat
Något som framträder tydligt när man läser konsultrapporterna som HS Kraft fått in är att olika konsultbolag inte presenterar sina resultat på ett helt identiskt sätt. Det har också visat sig att det är viktigt med en god kommunikation företagen emellan, och att ställa tydliga krav på vad det är man vill ha av konsulten.
Ofta vill man att konsulterna ska presentera vindberäkningar och energiproduktionsprognoser gjorda med flera olika metoder; vindindex, jämförelse med NCAR/NCEP återanalysdata, vindatlasdata och att de ska köra den mesoskaliga MIUU-modellen eller annan mesoskalig modell som referens, med så bra upplösning som är passande. Då får man ett spektrum av olika siffror beroende på metod. Det är viktigt att både använda numeriska modeller och verkliga mätningar, samt att försöka göra så mycket återkoppling som möjligt. Det är alltid bra att ha ett ”minimum-” och ett ”maximum-” beräknat värde, och att på något sätt försöka bestämma sannolikhetsfördelningen mellan de olika resultaten. Målet ska självklart vara att spridningen i resultat ska vara så liten som möjligt, men ju fler värden desto enklare att sortera ut utliggare som avviker från de andra resultaten.
När det gäller osäkerheter och förluster får beställaren utvärdera vad det är man vill ha, och hur det ska redovisas av konsulten i rapporten. Det är ofta så att osäkerheterna och förlusterna behandlas relativt kortfattat av konsulten, och det är därför viktigt att man i sin beställning noga understryker att man vill ha en detaljerad redovisning med en stark och utförlig
motivering av konsultens val av beräkningsmetod, samt att man redovisar hur man räknat i så stor utsträckning det är relevant. Exakt vilka detaljer som ska finnas med kan man diskutera, men det är viktigt att det står klart redan tidigt i processen vad det är man vill ha så att man slipper långa och onödiga diskussioner om ”hur fasen de har tänkt egentligen”. Ett klockrent exempel är att jämföra EMD:s två rapporter om samma plats, Skåne, där kommunikationen företagen emellan och tydligare önskemål från beställaren gett en bra mycket tydligare och utförligare andra rapport. Kanske hade detta kunnat undvikas om man redan från början rett ut de frågetecken som man av erfarenhet vet brukar uppstå.
Efterhand som man som projekterare arbetar igenom projekt växer det efterhand fram vad det är man vill ha av konsulterna. Rapporterna speglar detta på så sätt att man får det man ber om, i stort sett. Om erfarenheten säger att man vill ha mer detaljerade redovisningar i konsulternas val av metod och utförligare motiveringar varför man gjort på ett visst sätt, så kommer man troligen att få det.
Långsiktig klimatutveckling är något man pratar tunt om i rapporterna. De flesta nämner det inte alls, och det är ju absolut en relevant fråga att ställa sig. Klimatsituationen ändras i allt snabbare takt och eftersom man ska ha ett tidsperspektiv i storleksordningen 25 år så kan det ju faktiskt hinna hända ganska mycket. Inget av konsultbolagen gör någon fallstudie av förändrad produktion på grund av klimatförändringar, eller ens en diskussion om hur de förväntar sig att det lokala klimatet ska förändras över vindkraftverkets livstid. Som framgått i den här rapporten är medelvindhastigheten av mycket stor betydelse för produktionen, så även en relativt liten förändring på grund av ändrat klimat är intressant att veta mer om. Visserligen görs långtidskorrektioner baserat på tidigare års medelvind, men med en accelererande
klimatförändring är det frågan om det är tillräckligt för att få en säker bild av utvecklingen.
Klimatförändringar kan ju påverka mer än bara medelvinden, en ökad turbulens på grund av att skiktningen oftare är instabil eller en frekvensökning av tillfälliga mesoskaliga fenomen som sjöbris och low level jet som ökar lasten på vindkraftverken borde man i rapporterna
kanske också diskutera. Det är intressant att notera att medelvinden tycks variera ganska mycket på så lång sikt som tjugo år, och att variationen är ganska så regelbunden, med toppar var 20-25:e år. Dansk statistik visar att det relativa energiinnehållet i vinden där minskat kraftigt sen 1980-talet, en minskning med 20 procentenheter. I Sverige har minskningen varit något mindre. För hela 1900-talet ser man ingen trend, men variationer på 10 % upp eller ner är normala i medeltal. Mellan individuella år kan skillnaden vara så mycket som 30 %. Detta visar forskning från Uppsala universitet som presenteras i en rapport från Elforsk
(Johansson/Bergström 2004). Denna variation nämns inte i konsultrapporterna som HS Kraft fått, men borde verkligen tas i beaktande. Det är alltså klokt att bygga kraftverken i början av en period med högt energiinnehåll i medelvinden för att maximera medelvinden under kraftverkets livslängd.
4 Slutsatser
Det står helt klart att det är många vetenskaper som möts i en vindkraftpark, teknologi, samhällsvetenskap, marknadsföring, ekonomi, klimatologi, biologi och inte minst av allt meteorologi. Meteorologin talar om för oss hur vinden blåser, och utan vind, ingen vindkraft.
Klimatet, både lokalt och globalt spelar in i branschen. Vindkraft är en växande sektor som har framtiden för sig, inte minst i Sverige, med statens ambitiösa mål om 30 TWh vindenergi år 2020 och den begränsade exploatering av vindpotentialen vi har i landet i dagsläget.
Vindkraft är också en del av den absolut nödvändiga övergången till långskiktigt hållbar energiförsörjning i hela världen. Meteorologin spelar inte bara en viktig roll i förståelsen av klimatförändringarna, den är också en essentiell del av att göra vind-el till en framstående del i energimixen. Redan idag är Danmark ett föregångsland med cirka 20 % vind-el.
För att bli en framgång så är det viktigt att vindkraften drivs av framgångsrika företag med goda kunskaper. Det finns många sådana företag i Sverige, men det finns alltid mycket att lära av våra grannländer. Kanske kan vi också lära dem något. Det här examensarbetet har ju främst handlat om två saker: en orientering i vindkraft och en studie av konsultrapporter mellan företag i samma bransch. Den kanske viktigaste slutsatsen man kan dra av ett sådant här arbete är att erfarenhet är oerhört viktigt. Att ta hjälp av personer som har lång erfarenhet av meteorologi och meteorologiska beräkningar är mycket givande – det går knappast att ha för mycket fackkunskaper. Många av de siffror och procentsatser man använder för att beräkna exempelvis energiproduktionen är uppskattningar. Men det är inte siffror som är tagna ur luften. Ofta är det tjugo – trettio års erfarenhet av vindkraftverksdrift som ligger bakom siffrorna. Samtidigt måste man komma ihåg att utvecklingen går framåt – det vi idag gör en uppskattning av med hyfsad noggrannhet kanske går att göra bättre med en beräkning om tio år. Ibland är marginalerna små, och då kan det vara avgörande att man hängt med i den senaste forskningen. Målet med det här arbetet har varit att förbättra kunskap, kommunikation och kravspecifikationer, och slutsatserna är inte helt självklara. Valet av samarbetspartner kan spela stor roll, vetenskapligt underlag i all ära, men förstår man inte vad siffrorna som
presenteras i till exempel en rapport betyder är de till ingen nytta. Det är därför av största vikt att samarbeten mellan företag i branschen blir långsiktiga, så att man kan lära av varandra.
Beställaren måste bli duktigare på att leverera korrekta och fullständiga underlag, och
leverantören måste lyssna in vad det är beställaren vill ha för att kunna utföra sitt uppdrag på bästa sätt. Beställaren måste fråga leverantören om exakt vad de behöver, och leverantören kan inte undvika att fråga efter allt som behövs för att resultatet ska bli det önskade. Det är i båda företagens intresse att det blir på det viset. Detaljerad information är alltid bra, men det är samtidigt viktigt att den relevanta informationen som är underlag för beslut finns samlat på ett ställe. Bakgrundsfakta och detaljerade redogörelser behövs också för förståelsen av det presenterade materialet. Det är alltid viktigt att komma ihåg att det kan finnas olika åsikter om saker och ting, alla forskare har kanske inte alltid det ”svart på vitt” man skulle kunna önska sig. Det är då alltid bättre att presentera flera olika förslag på lösningar av ett visst problem och samtidigt lägga fram argumenten för det ena eller andra synsättet.
Referenser
Litteratur:
An Introduction to Boundary Layer Meteorology; Stull, R.B., Kluwer Academic Publishers, Dordrecht 1988
Kompendium i atmosfärens gränsskikt del 1- Turbulensteori och skikten närmast marken;
Högström, Ulf; Smedman, Ann-Sofi, Uppsala 1989
The Basic Practice of Statistics 3rd ed; Moore, David S., W.H. Freeman and Company, New York 2003
Developing Wind Power Projects - Theory & Practice; Wizelius, Tore, Earthscan 2007 (engelska)
Vindkraft i teori och praktik; Wizelius, Tore, Studentlitteratur 2007 (svenska)
Analys av vindklimatet över komplex terräng samt jämförelse med MIUU-modellen;
Malmberg, Ylva, Uppsala 2009 Rapporter:
Variabilitet i vindens energiinnehåll över Skandinavien mellan 1900 – 2000; Johansson, Cecilia, Bergström, Hans, Elforsk rapport 04:36 2004
Beräkning av vindklimatet … – Analys av vindmätningar 15 februari – 12 september 2007;
Bergström, Hans, Uppsala 2007
Wind Resource Mapping of Sweden using the MIUU-model; Bergström, Hans, för Energimyndigheten, Uppsala 2008
Measurement evaluation including long term and correction and turbulence evaluation: …, Sweden; Sørensen, Thomas et al, EMD Ålborg, Danmark 2008
Site-related Wind Potential Analysis and Energy Yield Assessment at the Site …; Claveri, Lorenzo et al, DEWI GmbH Wilhelmshaven Tyskland 2009
Wind Conditions and Energy Production at ...; Kravik, Reiar, Risberg, Tove, Kjeller Vindteknikk A/S, Kjeller Norge 2009
Wind Mapping of Sweden – Summary of Results and Methods Used; Bergström Hans, Söderberg, Stefan, Elforsk rapport 09:04 2008
Internet:
UCAR 1999
http://www.ucar.edu/communications/quarterly/spring99/reanalysis.html hämtad 2009-07-16 Vindmølleindustrien 2003
http://www.windpower.org/da/stat/unitsw.htm hämtad 2009-07-17 WAsP 2007
http://www.wasp.dk/Support/FAQ/RIX.html hämtad 2009-07-17
http://www.wasp.dk/Support/FAQ/WindShearExponents.html 2009-07-22 Vindforsk 2008
http://www.vindenergi.org/teknikrapporter/TR8_08_Syntesrapport_Meteorologi.pdf hämtad 2009-06-12
Energimyndigheten 2008
http://www.energimyndigheten.se/sv/Om-oss/Var-verksamhet/Framjande-av-vindkraft1/Statistik/ hämtad 2009-07-08
http://www.energimyndigheten.se/Global/Filer%20-%20Om%20oss/Vindkraft/6.jpg hämtad 2009-07-08
http://www.energimyndigheten.se/sv/Om-oss/Var-verksamhet/Framjande-av-vindkraft1/Bygga-vindkraftverk-/Vindkartering/ hämtad 2009-07-08
Vindforsk 2009
http://www.vindenergi.org/forskningsrprojekt.htm#114 hämtad 2009-07-17 Ångströmlaboratoriet 2009
http://www.el.angstrom.uu.se/forskningsprojekt/vind.html hämtad 2009-07-01 Danmarks Vindmølleforening 2009
http://www.dkvind.dk/materiale/statistik/statistik.htm hämtad 2009-07-22 Vindstat 2009
http://www.vindstat.nu/ hämtad 2009-07-30 Övriga källor
Hedenblad 2009
E-postkorrespondens med Rikard Hedenblad, projekteringschef på HS Kraft AB, Malmö, 2009-07-15
Bergström 2009
E-postkorrespondens med Hans Bergström, forskare på Institutionen för geovetenskaper, Uppsala Universitet 2009-07-23
APPENDIX
Sammanfattning av de studerade konsultrapporterna
Tabell 2. Studerade rapporter
Konsultbolag Titel Lokalisering
DEWI Site-related Wind Potential Analysis and Energy Yield Assessment at the Site *1
Småland EMD Measurement evaluation incl. Long term
correction and turbulence evaluation
Skåne
EMD Extended long term wind study for **2 Skåne
Garrad Hassan Comments on production calculations for
** Skåne
Kjeller Vindteknikk Wind conditions and energy production at
*
Småland WindTech (Hans
Bergström)
Beräkning av vindklimatet på ** Skåne WindTech (Hans
Bergström)
Beräkning av vindklimatet vid ** Skåne
Syftet med alla studerade konsultrapporter är att analysera vindklimatet vid två olika tilltänkta vindkraftparker i södra Sverige. Garrad Hassans rapport är endast en sammanställning av andras resultat. Kärnan i rapporterna innehåller analys av olika mätserier, både nya och gamla (använda som referensdata), vinddata utifrån mesoskaliga modeller, normalårskorrigeringar, energiproduktionsberäkning, beräkning av förluster, uppskattning av osäkerheter samt en del modell- och kalkylbeskrivningar. Lite mer detaljer presenteras nedan, speciellt rörande hur osäkerheterna har behandlats eftersom det var efterfrågat av HS Kraft.
Behandling av osäkerheter i konsultrapporterna
DEWI – Småland
Först och främst hänvisar man till två källor som talar om hur beräkningarna gjorts: ”Analysis of uncertainties in Energy Yield Calculation of Wind Farm Projects” ( M. Strack, W. Winkler 2003) och Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (International
Organization for Standardization 1995). Man anger “standardosäkerheter” och flaggar för att större avvikelser är möjliga.
Vindosäkerheter
Här presenterar man uppskattad osäkerhet i själva vindmätningen, normalårskorrigeringen, och extrapolation av vindhastigheten i horisontell och vertikal led i en tabell utan detaljer om beräkningen.
Energiproduktionsberäkning
DEWI antar stokastiska (slumpmässig inom ett visst definitionsområde av möjliga utfall) och oberoende osäkerheter, och beräknar dessa för varje enskild turbin. Inga detaljer presenteras, endast summan av osäkerheterna. Summeringen består av osäkerheter i beräkningen av vindklimat, effektkurvor och parkeffektivitet (i relation till vakeffekter). Detta är i princip allt
1 * = Exakt lokalisering i Småland utelämnad av sekretesskäl
som står om osäkerheter här. Följande avsnitt i rapporten är dock kopplat till osäkerheterna, nämligen sannolikheter för att man ska överskrida ett visst värde i produktionen, presenterat som graf och tabell. I turbulensberäkningen som följer får man en procentsats för
turbulensnivån, inget intervall med osäkerheter.
EMD – Skåne 1 Vindosäkerheter
Även EMD konstaterar i sin första rapport att det finns en ”standardosäkerhet” i mätningarna.
Man tar också upp det faktum att man inte besökt platsen för mätningarna som en källa till osäkerhet. Det saknas alltså en ”dubbelkoll” av platsen; EMD tvingas lita på de mätdata som HS Kraft har skickat. EMD har inte begärt, och således inte heller fått in
kalibreringsdokumentation för dataloggern, vilket skulle kunna öka osäkerheten. Även här får man ”lita på” tillförlitligheten i HS Krafts data. EMD presenterar inte hur osäkerheten ökar på grund av dessa saknade dokument, inte heller hur man skulle kunna räkna ut en sådan ökning (om det ens är möjligt att sätta siffror på det).
Man presenterar att standardavvikelsen i vinden är 3 % . Detta är kanske allt man behöver veta, men kan ju fråga sig om det inte vore intressant att kunden får lära sig hur uträkningen görs, istället för att förutsätta att man vet det på förhand.
Osäkerheter i beräkningsmodellen
EMD tar upp nollplansförskjutningsnivåberäkningen som en källa till osäkerhet. Det betonas att nollplansnivån har en signifikant effekt på vindmodellen, ändå redovisar man inte närmare hur man beräknat nollplansförskjutningen. EMD anger att nollplansförskjutningen ”kapar” 12 meter av masten, med en osäkerhet på 4 meter, det vill säga en tredjedel. Med en sådan stor felmarginal på en så pass viktig sak som nollplansförskjutningen kan man tycka att de borde redovisa beräkningen lite närmare.
Vertikal extrapolering av vindgradient
EMD anger råhetsberäkningen, topografisk modell, WAsP:s tolkning av landskapets påverkan och extrapolationsavståndet som osäkerhetskällor. Man nämner inte något om extrapolation i horisontell led, man får anta att det innebär att de antar att vindhastigheterna är horisontellt homogena på det begränsade området i den tilltänkta vindkraftparken. Totalt anger man WAsP-modelleringen som en källa till 2 % osäkerhet gällande vindhastigheten, utan närmare summering av delkomponenterna.
MCP-osäkerhet
Osäkerheten beroende på normalårskorrektion kommer sig av metod och korrelation i beräkningen av korrektionen. EMD är också osäkra på om referensperioden är
långtidsrepresentativ. Osäkerheterna anges till 1,2 % och 2,5 %, respektive. Totalt ger MCP-osäkerheter en osäkerhet på 2,8 %. Det redovisas inga detaljer om hur detta har räknats ut.
Totalt sett anger EMD en osäkerhet på 4,6 %, beräknat som en kvadratisk summa av de individuella osäkerheterna. EMD redovisar inte beräkningen i detalj eller varför man har valt att summera på detta sätt. EMD har också appendix där man presenterar en utskrift från WindPRO-projektet där man presenterar mer detaljerade mätsiffror och beräknade tal, men fortfarande utan att redovisa exakt hur beräkningarna gjorts.
EMD – Skåne 2
EMD:s andra rapport är en rapport för samma plats som ovanstående, men med en längre mätserie. EMD utgår i stora delar från den tidigare rapporten och kommenterar endast ny utveckling. Man gör delvis nya tidsjämförelser, t ex använder man NCEP/NCAR
återanalysdata som referens, men endast de tio senaste åren till skillnad mot 30 år i den föregående studien. Detta för att man anser att de senaste tio åren är mer representativa för dagens situation. EMD inför nu också en bättre jämförelse med det danska vindindexet, både Sjællandsregionen och Danmark som helhet (se avsnitt 2.3.8 om vindindex för en diskussion kring dansk vindindex’ relevans för sydsvenska förhållanden). Även 4 års mätningar av produktionen i en befintlig vindpark (Västraby) i närheten anges som referensdata. EMD har i denna rapport avsevärt breddat spektrumet av jämförelser med olika referenser, vilket bidrar till att man får en klarare bild av vindklimatet på platsen. EMD går i denna rapport
noggrannare igenom beräkningar av korrelation mellan mätdata på platsen och de olika referenskällorna, inklusive standardavvikelsen. Intressant att notera är att EMD nu accepterar dansk vindindex som en god referens, tack vare en god standardavvikelse och indexets goda resultat historiskt sett. EMD lägger dock in en brasklapp och säger att osäkerheten ökar eftersom de olika referenserna har så spridd konsistens. Beroende på nya data från HS Kraft beräknar man att osäkerheten ökat något jämfört med den första studien. En av orsakerna till detta anges också vara spridningen i resultat från de olika referenserna, vilket får sägas vara en rimlig slutsats. Rapport 2 redovisar också noggrannare siffror på de individuella
osäkerheterna. Slutsatsen blir att EMD har förbättrat sitt sätt att redovisa sina resultat i och med rapport 2.
Frågeställningar
I början av projektet och under projektets gång har ett antal frågeställningar som HS Kraft önskar ha svar på dykt upp angående rapporterna. Ett antal personliga funderingar har också uppstått längs vägen. Målet med projektet har varit att samla så mycket kunskap som möjligt för att besvara frågorna. Resultatet redovisas nedan i ett ”Fråga och svar-kapitel”.
Frågeställningar från HS Kraft
Fråga: Vad betyder det när olika rapporter har olika sätt att hantera normalårskorrektionen?
Svar: Att olika rapporter presenterar olika sätt att hantera normalårskorrektionen (beskrivs i kapitel 2.3.1) behöver inte nödvändigtvis vara negativt. Det finns flera sätt att
normalårskorrigera på, vilket som är bäst är individuellt beroende på varje enskilt fall. Det är inte alltid möjligt att veta vilken metod som passar bäst i förväg. Erfarenhet från tidigare projekt kommer då väl till pass. Det bästa vore att få en bild av flera olika sätt att
normalårskorrigera i samma rapport, med en jämförande studie, och kanske sannolikheter för vilken som skulle kunna stämma bäst i det aktuella fallet. Man kan sedan utvärdera de olika metoderna för att se vilken som fungerade bäst när man har en tillräckligt lång produktionsstatistik att gå på.
Fråga: Vad betyder det när olika rapporter återspeglar olika syn på hur man ska extrapolera vindgradienten?
Svar: Extrapoleringen av vindgradienten på samma plats kan bli något olika på grund av ett antal orsaker:
-olika indata (uppskattning av skrovlighet, hinder etc) -olika metoder (beräkningsprogram, modell, upplösning)
Tillsammans kan de ge en något varierande koefficient för den logaritmiska vindlagen, se kapitel 2.1.6.
Fråga: Vad betyder det när en rapport (EMD) underkänner SMHI:s data på grund av låg korrelation medan en annan (DEWI) visar på hög korrelation?
Fråga: Vad betyder det när en rapport (EMD) underkänner SMHI:s data på grund av låg korrelation medan en annan (DEWI) visar på hög korrelation?