Fra luftstrøm til strøm

Flatet ut

Et blikk tilbake viser at prisen på vindgenerert strøm var mer enn 1 kr/kWh på starten av 80-tallet. Så falt den jevnt til omkring 30 for fire år siden og siden har den gått litt opp. Norske utbyggere sier nå at kostnaden for landbasert vindkraft ligger omkring 50 øre/kWh. Årsaken er at prisen på metaller og andre råvarer har økt, i tillegg til at et stort behov for vindturbiner har skapt et selgers marked.

Land eller vann

Vindkraft er en vel etablert industri, spesielt i Danmark og Tyskland. Men den er konsentrert om landfaste konstruksjoner. Ikke mange har fokusert på flytende vindkraftverk, og dette kan være en stor mulighet for industrien her i landet. Spesielt fordi vi har så mange verft langs kysten som kan dette med å bygge store konstruksjoner for skips- og offshoreindustrien.

Det er ikke grenser for hvor mange finurlige designkonsepter som har vært foreslått for å redusere kostnadene og få mer kraft ut av vinden. Jakten på den perfekte konstruksjon kommer nok til å fortsette, men den tradisjonelle konstruksjonen har vist seg veldig kostnadseffektiv; et høyt tårn med turbin og generator i toppen. Likevel har det skjedd en rask teknologisk utvikling.

Vindenergiindustrien er ung, men produktene den bygger har vokst kraftig i størrelse og blir stadig mer teknologisk avanserte.

Ikke for tett

Når vinden skal tappes for energi, må konstruktørene ta hensyn til mange fysiske og teknologiske begrensninger. For det første er det grenser for hvor tett turbinene kan stå. De må plasseres slik at det er rundt ti turbindiametre mellom dem i den dominerende vindretningen. Dessuten må de kunne dreies uten at det blir mindre enn fem i andre vindretninger.

Dette for å minimere effekten av «vindskyggen».

Ikke for store

Jo større turbinene kan bygges, desto mer kraft gir de. Men så lenge de bygges og monteres på land, er det grenser for hvor store de kan bygges, noe som skyldes transporten. Spesielt turbinbladene er et problem for de bør bygges i ett stykke. Blir de for lange, er de svært vanskelige å transportere på vei.

Når de bygges offshore, er det mye enklere fordi de kan transporteres på skip. Tårn og andre konstruksjoner kan dessuten fremstilles på skips- og offshoreverft.

Bremser vinden

Litt forenklet kan det sies at når vinden går gjennom turbinen, møter den bladene som roterer omtrent som de skulle danne en vegg. Jo flere blader, desto saktere trenger turbinen å rotere for å gi «veggeffekten». Av den vinden som passerer gjennom turbinarealet bidrar nesten hele bevegelsesenergien i luftstrømmen til å generere mekanisk energi. Men ikke all vinden går gjennom arealet når det er snakk om en frittstående turbin. Maksimalt går 59 prosent gjennom under gunstige forhold. Resten blir ledet til siden.

Det er mulig å øke dette tallet ved å bygge en trakt som leder vinden inn, men i praksis er ikke det lønnsomt. Det er billigere å bygge flere turbiner.

Av den vinden som går gjennom turbinen blir flere og nitti prosent til elektrisk energi levert til nettet. Tapet i det mekaniske giret er et par prosent, og generatoren er opptil 98 prosent effektiv. Når det benyttes kraftelektronikk, forsvinner også et par prosent i varme. Til sammen er altså tapene svært beskjedne.

Optimal hastighet

En vindturbin må bygges for å hente ut mest mulig av vindenergien på det aktuelle stedet. Den tilgjengelige energien øker med tredje potens av vindhastigheten. Det betyr at vindenergien ved 16 m/s 2 er åtte ganger så stor som ved 8 m/s 2. Likevel er det ikke lønnsomt å designe vindturbiner for de høyeste vindhastighetene fordi de forekommer så sjelden.

Dessuten kreves det en mye kraftigere konstruksjon for å håndtere de høye hastighetene, og det koster mye mer. Derfor ligger den optimale hastigheten ofte rundt 8 m/s 2. En slik turbin vil gi merkeeffekt ved rundt 12 til 15 m/s 2. Når vindhastigheten øker utover det, må effekten begrenses. Det gjøres ved å vri turbinbladene slik at de fanger vinden mindre effektivt (pitching).

Toppvekt

En av mulighetene for å gjøre vindkraft billigere er å senke vekten på toppen av tårnet. I tillegg til å huse opplagringen av selve turbinen, er girboksen og generatoren plassert her. Begge deler har betydelig vekt. En måte å unngå girboksen på er å bruke en spesiell generator med veldig mange poler og permanentmagneter. Da kan generatoren kobles direkte til turbinakselen og gå på 10 til 20 omdreininger i minuttet i stedet for rundt 1000.

I fremtiden er det mulig å tenke seg en generator som er bygget helt inn som en del av navet i turbinen. Dette vil kunne gi redusert vekt og en billigere konstruksjon.

En annen mulighet er å bruke hydraulikk. Trondheimsselskapet Chapdrive utvikler et system med en hydraulisk pumpe oppe i tårnet og med hydraulisk motor og generator på bakkenivå. Det gir mye lavere vekt i tårnet i tillegg til at motorhastigheten kan varieres slik at generatoren gir korrekt frekvens. Ulempen med systemet er noe lavere virkningsgrad enn ved toppmontert mekanisk gir.

I et system som lager strøm av vind med varierende hastighet må det bygges inn et system for at frekvensen skal bli riktig. I tillegg til bruk av hydraulikk kan det gjøres på flere måter. En måte, som ble brukt mye tidligere, er å sørge for å kjøre turbinen på konstant turtall. Det andre er å bruke kraftelektronikk til frekvensomforming.

Gratis

I motsetning til ved mange andre energiformer er selve drivstoffet gratis. Det er investering og driften som koster. Derfor er hele faget drevet av teknisk-økonomisk optimalisering med mange variable faktorer fra prisen på stål og kobber til kostnader på arbeid og transport og til ulike teknologivurderinger.

Selv om en moderne vindturbin kan gi 3 MW, eller mer, vil den ikke gi det hele tiden. På land regnes det ofte med 2000-3000 fullasttimer i året. I Finnmark hvor vindressursene er best kan tallet komme oppi 4000 timer i året. Til havs kan man nå opp i 4500 timer.

Kilde: Seniorforsker John Olav Tande ved Sintef Energi