VINDKRAFTEN TILLTAR

VINDKRAFTEN TILLTAR

Följande rapport grundar sig på ett besök på Jungsborg (Karleby) 3 juni (1995) där man höll på att vädra synpunkter på vindkraftens möjligheter i Finland. Vindkraft- seminariet drogs av Vindkraftföreningen r.f. och representanter för danska vindkraft- tillverkare Bonus, Wind World och Micon. På plats var också Sven Nystén som berättade om erfarenheterna från Korsnäs vindkraftpark med sina 4 st 200 kW:s danska Nordtank möllor som kopplades till nätet 10 november 1991.

Etablerad industriprodukt

Vindkraften har fascinerat mig alltsedan jag i skolåldern läste allt som gick att få tag på om "alternativa" energiformer. Men den tiden, under senare hälften av 70-talet, handlade det mestadels om grejer som man fixade i källaren och ställde upp på bakgården. Numera är möllorna etablerade industriprodukter som följer internationella ISO-standarder (exv ISO 9002) och försäkringsnormer och vilka kopplas till nätet. Den normala kraftverksstorleken är mellan 200 till 500 kW. Exempelvis Korsnäs 800 kW:s vindkraftparks genomsnittliga årsproduktion på omkr 1600 MWh räcker till ca 260 hushålls årliga förbrukning av hushållsström (motsvarar 10 % av Korsnäs kommuns totala elförbrukning).

Danmark har en överlägsen ställning, både vad gäller användning och produktion av möllor, tack var en förutseende regerings stimuleringspoilitik fram till 1989 under vilken restes 2500 möllor i Danmark. Mer än 2% av elenergin i Danmark är vindkraftgenererad (1991) och målet är ställt på 10 % fram till år 2005 vilket motsvarar en installerad kapacitet på omkr 1500 MW. År 1992 var man uppe i 3354 möllor med en sammanlagd installerad kapacitet på 438 MW. För att nå det uppställda målet 1500 MW siktar man in sig på allt större turbiner, från 500 kW uppåt. Vid sidan av Danmark är det främst Tyskland, Holland och Kalifornien som hakat på vindkraften. Också Sverige försöker hänga med där Gotland och Öland bildar en sorts förtrupp. En tiondedel av Gotlands befolkning lär höra till vindkraftandelsbolag och man har ett tiotal möllor upp till 500 kW:s klassen och flera planeras.

Finland ett u-land

Finland är däremot tillsvidare ett u-land vad gäller vindkraften. Man räknar med att det finns endast omkr 20 möllor i landet trots att här är gott om vindpotential. En förklarning till läget har varit den ofördelaktiga energipolitiken. Samtidigt kräver vindkraften en helt ny etableringsform inom kraftverksammanhang. Eftersom energiverk kan köpa tämligen billigt energi från konventionella kraftverk (omkr 15 p/kWh) och sälja den dyrt till konsumenterna (säg 40 p/kWh) har de inga incitament till att bygga vindkraftverk som producerar för säg 20 - 30 p/kWh. Däremot kan vanliga konsumenter göra en betydlig förtjänst. Det är därför vindkraftens framstötar i Sverige och Finland baserar sig på andels- och aktiebolagsformer där konsumenten och medlemmen får ut vinsten i form av billigare energi (och mindre utsläpp vilket gagnar hela landet). Korsnäs Vindkraftpark har ca 350 aktieägare, däribland också bolag ss IVO och Vasa Elektriska.

Situationen kommer av allt att döma ändras till det bättre. Den nya elmarknadslagen har exv trätt i kraft. Dessutom har kostnaden för vindkraftsel en fallande tendens (kostnaden har halverats under ett decennium) och har redan underskridit lönsamhets- gränsen. Fossil- och kärnenergi blir däremot dyrare i.o.m. minskade reserver, samt

ökande utsläpps- och avfallsavgifter. Enligt uppskattningar borde priset på fossil energi vara dubbelt dyrare, ifall man räknar in de externa konstnaderna, vilket ytterligare understryker vindkraftens fördelaktighet. Som ett exempel ämnar Westwind Energi AB i år låta bygga ett vindkraftverk i Rosala, Dragsfjärds kommun, och erbjuder sina aktieägare elektricitet för 21.9 p/kWh (plus moms). Aktierna säljs för 2250 mk/st. På Åland är det också aktuellt med ett bygge av en 500 kW:s mölla i Eckerö för vilken man redan sålt över 1000 aktier. En 200 kW:s mölla i Sottunga har producerat el för omkr 20 p/kWh (1993).

Ingen hasardinvestering

Vindkraftföretaget Wind World har också ett projekt i Pyhätunturi där man utprövar tekniken för arktiska förhållanden (vid temperaturer som -30 grader måste turbinen uppvärmas, exv via värmeslingor, för att kunna fungera utan onödig slitage). Företaget ger garantier om en viss årsproduktion (säg minst 1000 MWh per år för en 500 kW:s mölla på bra plats). Om målet underskrides p.g.a. ett sämre vindår betalar företaget mellanskillnaden via en försäkring (vindkraften är en utvecklad försäkringsbranch i Danmark).

Vindkraftanläggning är alltså inte längre någon hasardinvestering.

Anläggningsplatserna väljs noggrant. Utifrån topografiska kartor och meteorologernas vindobservationer, kombinerade med t ex WASP-dataprogrammet utvecklat vid den danska forskningsstationen i Risø, kan man uppskatta vindresurserna vid en given plats och beräkna den årliga produktionen. (Förstås kan man klara sig med HP2-datorn också;

d.v.s. huvud, penna och papper, eller greja eget datorprogram. Av speciellt intresse vore att modellera vindtillgångarna för bestämda regioner.) Metoden går ut på att man tänker sig en kompassros med centrum vid turbinen. Kompassen indelas 12 st 30 graders sektorer. Inom varje sektor undersöker man det närliggande landskapets topografi som indelats i fem klasser; från klass 0 (öppet hav), klass 1 (öppna åkrar, fält), klass 2 (spridd bebyggelse, häckar), klass 3 (urbana områden, skog), till klass 4 (storstad). Om vindenergin för klass 0 förhållanden betecknas som 100 % så minskar den till 71, 51, 30 och under 30 % för resp klass 1 till 4 på grund av vindens uppbromsning. På det här sättet bedömmer man vindenergipotentialen för olika vindriktningar. (Tillkommer ännu effekter beroende på huruvida platsen är exv belägen på en klippa eller slätt - vinden accelererar över kala bergsknallar).

Andra viktiga synpunkter på vindkraftplacering är att undvika estetiskt känsliga landskap, fåglesträcksområden, o dyl. När det gäller kusttrakter kunde grund ned till 5 meters djup kanske vara att föredra som anläggningsplatser. Och varför inte ett pärlband av vindkraft-verk uppe på land längs riksåttan ? Lägre kapitalkostnader skulle kompensera en mindre årsproduktion.

Priset på den genererade elektriciteten kan beräknas så att de årliga inkomsterna från försäljningen, insatta på bank, motsvarar den summa som investeringskapitalet skulle uppgå vid avskrivningstidens slut (vanligen 20 år) ifall den satts på bank (härtill kommer förstås endel omkostnader för skötsel, markhyra, etc). Detta leder till prisformeln (pris i mk per kWh)

P= r

1 –(1
r)
ⁿ K E
O

K är kapitalkostnaderna; E är producerad energi per år; O är driftskonstnader etc per producerad energienhet; r är räntan; n är antal avskrivningsår. Priset är räknat utan inflationsjusteringar varvid realräntan i kraftverksammanhang brukar antas ligga mellan 5% - 8%. För att höja lönsamheten bör man minimera lånebehovet (för att undvika räntor). En utväg, förutom aktier, är att medlemmar ger lån till bolaget under marknadsräntan. I Finland kan dessutom HIM komma emot med statsbidrag motsvarande nästan hälften av investeringskapitalet. Överlag uppskattas "vinsten" för aktierna i ett vindkraftbolag (som tas ut i energi) bli omkr 4 % - 5 % vilken uppgavs motsvara en skattebelagd ränteavkastning kring 7 % på bank.

Tekniken

Såsom tillverkarnas företrädare betonade vid seminariet, är den största utmaningen för tillverkaren den, att få fram tekniska lösningar vilka gör att vindkraftverket kan fungera i minst 20 år utan avbrott i storm, regn, kyla och sol. Bland annat måste propellern regleras vid hård vind (över 25 m/s). De danska tillverkarna använder sig härvid av en enkel passiv metod (utan bladvinkelreglering) som baserar sig på den s.k. stallningseffekten.

Vid höga vindhastigheter och konstant rotationshastighet ökar anfallsvinkeln varvid separationspunkten på ovansidan av propellervingen flyttas mot framkanten. Ett backflöde uppkommer på ovansidan som minskar propellervingens lyftkraft. (Det finns också "normala" aerodynamiska virvlar som är nödvändiga för att propellern överhuvudtaget skall drivas runt). Vid propellerspetsarna har man ytterligare hydrauliskt vridbara blad vilka bromsar in propellern. En mikroprocessor styr regulatorerna.

Bladvinkelregulatorer har den fördelen att de ger ett högre startmoment för propellern varför vindkraftverket kan utnyttja svagare vindar än det stallningsreglerade vindkraftverket.

Som ett exempel följer ytterligare några tekniska data för Bonus 300 kW:s vindkraftverk: 3-bladspropellerns diametern är 31 m och gör 31 varv per minut;

startvinden är 5m/s medan den nominella effekten uppnås vid 15 m/s; 50 Hz växelström med 400 Volts spänning alstras via en asynkrongenerator; slutligen står hela turbinen på ett 30 meter högt torn.

Enligt undersökningar kan man uppskatta ett standardvindkraftverks årliga energiproduktion i kWh per kvm av propellerns sveparea genom att multiplicera kubiken av vindens medelhastighet med 2.5:

E = 2.5 V ³

För europeiska vindkraftverk uppgick treårsmedelvärdet 1989 till 536 kWh per år och kvm sveparea. (1 ton tung brännolja motsvarar 11 MWh). För ett välplacerat vindkraftverk kan man enkelt uppskatta årsproduktionen i MWh genom att fördubbla den nominella effekten uttryckt kW; således borde en 500 kW:s mölla producera omkr 1000 MWh i året. Den genomsnittliga kapacitetsfaktorn är omkr 20 - 25 % (genomsnittlig producerad effekt jämförd med den nominella effekten). Vindkraftverken uppges av tillverkarna ge tillbaka energin som gått till deras tillverkning på ett år.

En viktig utmaning för vindkrafttillverkarna vore att konstruera olika vindkrafttyper som lämpar sig för platser med olika sorts vindförhållande och användning (från pumpar till elkraftverk). Givet ett visst sorts vindförhållande på en plats så borde det finnas

vindturbiner att tillgå optimerade just för de förhållandena.

Potential

Solinstrålningen motsvara omkr 10 000 ggr den globala energikonsumtionen (som är ca 2300 W per person). Antag att 1 % av denna omvandlas till vindenergi. Eftersom vi kan utnyttja endast ett litet skikt i atmosfären, samt begränsade land- och havsområden, blir den teoretiska tillgängliga delen kanske omkr 1 procent av råpotentialen; slut- resultatet motsvarar den nuvarande globala energiförbrukningen. Denna överslags- beräkning ger en uppfattning om storleksordningen på vindenergins potential.

För Finlands del har man räknat ut att vindkraften kunde ersätta 20 % av den nuvarande nominella elproduktionskapaciteten. Enligt den europeiska vindenergi- föreningen EWEA kunde vindkraften byggas ut i Europa till 100 000 MW fram till år 2030 (motsvarande 10% av 1990 års elförbrukning). En viktig uppgift för det europeiska vindkraftprogrammet vore att se till att det sker en effektiv teknologiöverföring till länder såsom Kina, Indien och Egypten. Desto tidigare exv Kina får igång sitt vindkraftprogram på allvar dess bättre. Det blir ju miljökatastrof ifall Kina istället bränner upp allt sitt kol i kraftverk för att alstra elektricitet.

Beträffande dylika energidiskussioner så bör man alltid minnas satsen, att den billigaste energin är sparad energi. För att ta till en metafor: det är inget vett i att bygga ett vindkraftverk som pumpar upp vatten i ett badkar med utdragen propp. För i-ländernas del gäller det fortfarande att de främsta insatserna måste göras för att få ner vår över- konsumtion av energi och råvaror. Annars blir också vindkraften bara en fis i stormen.

För länder såsom Indien gäller det också, att en stor del av de projekterade tilläggs- kapaciteten kunde undvaras ifall alla ineffektiva maskiner, pumpar och dylikt byttes mot effektivare sådana. Kanske det också i dessa fall vore bäst ifall insatserna skulle ske inom ramarna för andelslag, eftersom det oftast är de lokala invånarna som drar mest nytta (och vet vad de bäst behöver) medan stora bolag oftast är intresserade att göra ensidiga vinster på befolkningens bekostnad. Alltså, ett viktig uppgiftsområde för biståndsprogram och påtryckningsgrupper (exv gentemot Världsbanken).

LITTERATUR m.m.

vindkraftorganisation: Vindkraftföreningen r.f., PB 106, 00101 Helsingfors;

Suomen Tuulivoimayhidstys ry. c/o VTT/Sähkö ja automaatiotekniikan laboratorio, Otakari 7 B, 02150 Esbo (fax: 90-4566538).

Vindkraftägare: Korsnäs Vindkraftpark AB, Sven Nystén, 66200 Korsnäs;

Ålands Teknologicentrum, Robert Mansén, PB 80, 22101 Mariehamn.

Vindatlas: Bengt Tammelin, Suomen Tuuliatlas, Ilmatieteen laitos 1991. (Också på diskett). - De vindrikaste områdena är kusttrakterna; innåt land minskar vindenergin till mindre än 1/3:del av värdet vid havet.

Broschyrer: On Aika Toimia -Tuulienergia Euroopassa (1992); Toimintasuunnitelma - Tuulienergia Euroopassa (1992); Tuulivoima- Ostajan Opas (1992); dessa fås från Suomen Tuulivoimayhidstys.

Produktinformation: Welcome to Our World - The World of Power (Wind World A/S, Buttervej 60, DK-9990 Skagen, fax: +45 98 44 57 56); SV Produktinfo (Bonus Energy A/S, Fabriksvej 4, DK7330 Brande, fax: 97 18 30 86).

Appendix: ELEMENTÄR VINDKRAFTTEORI

Vi föreställer oss en cylindrisk luftström med arean A1, trycket p0 och hastigheten V, som pressas genom prepellerfältet A med hastigheten W, och utmynnar som en cylindrisk luftström med hastigheten U, arean A2 och atmosfärestrycket p0. Beteckna trycken just före och efter propellerfältet med pa resp pb. Då har vi enligt Bernoullis relation

(1)

p₀
1

2ρV²= pa
1 2ρW² p₀
1

2ρU²= pb
1 2ρW²

Luftmassan

(2) ∆ m=ρ A1V t=ρ A2U t=ρ AW t förlorar energin

(3) ∆ E=1

2∆ m⋅V²1

2∆ m⋅U²=1

2ρ AW t

(

)

under tiden t. Under samma tid överförs för en 100% effektiv propeller impulsmängden

(4) ∆ p=

(

)

(

)

från luftmassan till propellern. Å andra sidan kan vi också uppskatta ∆p genom (5) ∆ p=∆ m(^{V – U})=ρ AW t(^{V – U})

Jämför vi dessa uttryck erhåller vi relationen W = ½(U + V) som kan införas i uttrycket för energin. Efter detta kan vi maximera effekten P =∆E/t genom att variera U. Effekten når maximivärdet (ekvationen är känd sedan 1920-talet¹)

(6) P= 8

27ρV³A≈0.5931

2ρV³A

1 Ovanstående "impuls-teori" utarbetades av Albert Betz (1885 – 1968) under 1920-talet.

för värden U = V/3 och W = 2V/3; dvs, maximalt omkr 59 % av luftens kinetiska energi kan utvinnas. En elementär aerodynamisk teori för propellern kan utvecklas på följande sätt: Antag att bladantalen är z och att bladbredden är b vid radien r. Då blir axialkraften på grund av bladens lyftkraft (vid liten stigvinkel kan man sätta cos(ϕ) ≈ 1)

(7) ∆T =z CL

1

2Y²b∆ r⋅cos()

för bladelementen b ∆r där CL är lyftkraftskoefficienten och Y² = W² + (rω)² anblåsni- ngshastigheten kvadrerad. (Friktionskraften erhålls genom att byta ut CL mot drag- koefficienten CD. Till detta kommer ytterligare ett s.k. inducerat motstånd vid bladspetsarna vilka dissiperar energi genom virvelbildning.) Ett optimalt impulsutbyte mellan propellern och luftflödet, enligt ansatsen ovan, leder å andra sidan till uttrycket

(8) ∆T =

(

)

Genom att kombinera dessa likheter kan man med hjälp av tabellerade vingprofiler designa propellerformen givet både bladantalet z och snabblöpstalet λ = R ω/V, samt bredden som en funktion av radien (därtill hamnar man att också beakta håll- fasthetsberäkningar). Man erhåller CLsom en funktion av radien r (avståndet från naven);

eftersom CLför en given profil är en funktion av anfallsvinkelnα, erhåller man slutligen en relation mellan radien och bladvinkeln β = ϕ − α (stigningsvinkeln ϕ erhålls från cot(ϕ) = r ω/Y). Välkonstruerade propellrar kan komma upp till ηp =70 % av den teoretiska maxeffekten. Effektiviteten påverkas av aerodynamiskt drag och virvel- alstringen vid rotorspetsarna enligt

(9) ηp=1 –3 2ελ

för snabblöpstal λ > 3. Glidtalssumman εbestår av dragkomponenten och komponenten för det inducerade motståndet i bladspetsarna och ligger optimalt kring ε = 0.025.

Den senare upplagan [A2] beskriver H. Glauerts mer detaljerade aerodynamiska teori som också beaktar rotationen i luftflödet.

Referenser:

[A1] Paul A. Wuori: Virtausmekaniikan Perusteet. Otatieto 1990.

[A2] Bengt Södergård: Vindkraftboken. Ingenjörsförlaget 1978;

fjärde omarb. upplaga 1980.

Frank Borg Borgsvägen 22 67100 Karleby