Forskning utfordrer visjonen for Nordsjøen

Hva skjer når vi bygger vindparker tusenvis av kvadratkilometer store?

De som interesserer seg for vindkraft, kjenner allerede til vakeeffekten– turbulensen som svekker vinden bak hver turbin.

Men ifølge Ole Anders Nøst, som er utdannet oseanograf ved Universitetet i Bergen og forskningssjef i software-selskapet Oceanbox, er det en langt mer grunnleggende begrensning vi har oversett: Atmosfæren klarer rett og slett ikke å fylle på med nok energi når parkene blir store nok.

– Uansett hvor avansert vindturbinen er, eller hvor høy den er, er det lite å hente hvis atmosfæren rundt ikke leverer mer energi, skriver Nøst i et innlegg på Linkedin, basert på en forskningartikkel han nylig har fått publisert.

Det betyr at selve fortellingen om havvindprosjektet i Nordsjøen kan ha fått en alvorlig sprekk. I stedet for mer kraft jo større vi bygger, viser Nøsts beregninger at produksjonen per kvadratkilometer faktisk synker – og nærmer seg et fysisk tak.

Begrenser stor-skala havvind

Jo større vindparken blir, jo mindre energi får hver del av den. Dette er ikke bare et teknisk problem – det er en fysisk grense i atmosfæren, ifølge Nøsts nye modell.

• 10 km²: 6 W per kvadratmeter
• 1000 km²: 1 W per kvadratmeter

I teorien vil effekten flate ut mot et asymptotisk tak på cirka 0,8 W/m² for enda større arealer.

Denne dynamikken kan føre til en vesentlig lavere kapasitetstetthetenn de 3.5 – 7.5 MW/km² som Meventus/Multiconsult tok utgangspunkt i da fagrapportene til den strategiske konsekvensutredningen ble laget.

Med en kapasitetsfaktor på 50 prosent tilsvarer dette 1,75–3,75 MW/km², som fortsatt ligger godt over nivået modellen antyder for svært store parker.

Konklusjonen er at energiproduksjonen i store vindparker er

begrenset av atmosfærens energitilførsel og ikke kan økes ut over dette nivået selv med bedre turbinteknologi.

Dermed kan dagens beregninger av havvindens kraftpotensial og arealbehov være for optimistisk.

Nordsjøens vindressurser kan brukes opp

DNV anslår at Nordsjøen da vil huse cirka 214 GW, noe som vil kreve over 60.000 kvadratkilometer havareal – rundt 9 prosent av hele Nordsjøen, et område større enn Danmark.

Det er enormt, men dersom Nøsts teori stemmer, kan det faktiske arealbehovet for å realisere disse energimengdene bli enda høyere .

Et konkret eksempel er Utsira Nord, et av Norges første planlagte havvindfelt. Nøst påpeker at dersom utbyggingen der skaleres opp fra 500 MW til 1500 MW, må man sikte mot en betydelig lavere kapasitetstetthet – altså færre MW installert per kvadratkilometer – for å unngå uforholdsmessig produksjonstap.

I praksis betyr det å spre turbinene over et større areal enn man først antok, nettopp for ikke å overstige atmosfærens lokale «energitak».

NVEs beregninger av vindvaker og arealbehov

NVE er godt kjent med at vindturbiner skaper vindvaker - altså turbulens og redusert vindhastigheten bak hver turbin.

For å redusere slike produksjonstap anbefaler de en kapasitetstetthet på 3,5–7,5 MW/km². Rundt 5 MW/km² anses som et godt kompromiss mellom arealeffektivitet, prosjektøkonomi og energiproduksjon.

Lavere tetthet gir høyere produksjon per turbin, men krever mer areal og kabling. Høyere tetthet sparer plass, men gir mer turbulens og mindre tilgjengelig energi for produksjon.

NVE viser til at kapasitetstettheter mellom 3,5 og 7,5 MW/km² er en avveining mellom produksjon og kostnader og vanlig å se i europeiske havvindparker, og de har derfor brukt dette spennet som grunnlag i sine arealberegninger.

Basert på disse forutsetningene anslår NVE at det trengs 6000–8600 km² for å bygge ut 30 GW havvind innen 2040.

De legger til grunn at 8570 km² – tilsvarende rundt 0,4 prosent av norsk kontinentalsokkel – vil være tilstrekkelig, forutsatt en kapasitetstetthet på 3,5 MW/km². Dette gir anslagsvis 120 TWh årlig produksjon, basert på en kapasitetsfaktor mellom 40 og 50 prosent.

Avventer til senere faser av utbyggingen

Det overordnede fysiske taket for energitilførsel som fremheves i Nøsts arbeid, er altså ikke eksplisitt vurdert i NVEs analyser.

NVE estimerer interne vaketap innen enkeltparker, og vurderer at Norges store tilgjengelige havarealer gjør eksterne vaketap mindre relevante i den nærmeste planhorisonten – i motsetning til tett utbygde områder som Belgia og Tyskland, der parkene nå begynner å påvirke hverandre.

I den strategiske konsekvensutredningen er hvert område vurdert separat, og eksterne vaketap fra parker utenfor utredningsområdet er derfor ikke inkludert i analysene.

Samtidig anerkjennes dette som et relevant tema: Dersom flere områder bygges ut samtidig og i nærheten av hverandre, kan det oppstå samlede virkninger som ikke fanges opp i separate vurderinger.

På grunn av usikkerhet om hvilke områder som faktisk bygges ut, og i hvilken rekkefølge, er vurderingene utsatt til senere faser – når mer konkrete planer foreligger.

Hvor oppstår uenigheten?

NVE er altså åpne for å vurdere poengene i Nøsts artikkel, men ser det ikke som relevant helt ennå. Det er fortsatt fundamentale forskjeller i tilnærmingen til arealplanleggingen.

For Nøst handler ikke debatten bare om detaljer i parkdesign eller teknologivalg, men om selve forutsetningene for hva vi tror er mulig.

– I diskusjonen om havvind har vi snakket mye om areal, økonomi og kabler. Men vi har glemt noe helt grunnleggende: Vi har ikke tatt høyde for at atmosfæren har et energibudsjett, skriver han.

Han mener det ikke er nok å redusere vakeeffekter mellom turbiner – man må også ta hensyn til hvor mye energi som faktisk tilføres vindparken fra omgivelsene.

– Uansett hvor avansert vindturbinen er, eller hvor høy den er, er det lite å hente hvis atmosfæren rundt ikke leverer mer energi.

Nøst understreker at han ikke er motstander av havvind, men at dagens planverk bygger på forutsetninger som kan være for optimistiske. Han ønsker å bidra til en realitetsorientering før utbyggingen for alvor tar av.

– Havvindplanene må bygge på fysikk, ikke bare ambisjoner.