VINDKRAFTEN TILLTAR Följande rapport grundar sig ... - Saunalahti

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. Vindkraftseminariet
drogs av Vindkraftföreningen r.f. och representanter för danska vindkrafttillverkare
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 lönsamhetsgränsen.
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)
r
P=
1 – (1r) 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; slutresultatet
motsvarar den nuvarande globala energiförbrukningen. Denna överslagsberäkning
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 vindenergiföreningen
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 överkonsumtion
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 tilläggskapaciteten
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)
Luftmassan
p0 1
2 ρV 2 = pa 1 2
ρW
2
p0 1
2 ρU 2 = pb 1 2
ρW
2
(2) ∆ m=ρ A 1Vt=ρ A 2Ut=ρ AW t
förlorar energin
(3) ∆ E= 1
2 ∆ m⋅V 2 1
2 ∆ m⋅U 2 = 1
2 ρ AW t(V 2 –U 2 )
under tiden t. Under samma tid överförs för en 100% effektiv propeller impulsmängden
(4)
∆ p=( p a –p b) At= 1
2 ρ AW t(V 2 –U 2 )
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-talet 1 )
(6) P= 8
27 ρV 3 A≈0.593 1
2 ρV 3 A
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 =zC L
1
2 Y 2 b∆ r⋅cos()
för bladelementen b ∆r där CL är lyftkraftskoefficienten och Y 2 = W 2 +(r ω) 2 anblåsningshastigheten
kvadrerad. (Friktionskraften erhålls genom att byta ut CL mot dragkoefficienten
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 =( p a –p b)∆ A= 4
9 ρV 2 2π r ∆ r
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 hållfasthetsberäkningar).
Man erhåller CL som en funktion av radien r (avståndet från naven);
eftersom CL för en given profil är en funktion av anfallsvinkeln α, 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 virvelalstringen
vid rotorspetsarna enligt
(9) η p=1 – 3
2 ελ
för snabblöpstal λ > 3. Glidtalssumman ε består 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