VINDKRAFTEN TILLTAR Följande rapport grundar sig ... - Saunalahti
VINDKRAFTEN TILLTAR Följande rapport grundar sig ... - Saunalahti
VINDKRAFTEN TILLTAR Följande rapport grundar sig ... - Saunalahti
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
<strong>VINDKRAFTEN</strong> <strong>TILLTAR</strong><br />
<strong>Följande</strong> <strong>rapport</strong> <strong>grundar</strong> <strong>sig</strong> på ett besök på Jungsborg (Karleby) 3 juni (1995) där<br />
man höll på att vädra synpunkter på vindkraftens möjligheter i Finland. Vindkraftseminariet<br />
drogs av Vindkraftföreningen r.f. och representanter för danska vindkrafttillverkare<br />
Bonus, Wind World och Micon. På plats var också Sven Nystén som berättade<br />
om erfarenheterna från Korsnäs vindkraftpark med sina 4 st 200 kW:s danska Nordtank<br />
möllor som kopplades till nätet 10 november 1991.<br />
Etablerad industriprodukt<br />
Vindkraften har fascinerat mig alltsedan jag i skolåldern läste allt som gick att få tag på<br />
om "alternativa" energiformer. Men den tiden, under senare hälften av 70-talet, handlade<br />
det mestadels om grejer som man fixade i källaren och ställde upp på bakgården. Numera<br />
är möllorna etablerade industriprodukter som följer internationella ISO-standarder (exv<br />
ISO 9002) och försäkringsnormer och vilka kopplas till nätet. Den normala<br />
kraftverksstorleken är mellan 200 till 500 kW. Exempelvis Korsnäs 800 kW:s<br />
vindkraftparks genomsnittliga årsproduktion på omkr 1600 MWh räcker till ca 260<br />
hushålls årliga förbrukning av hushållsström (motsvarar 10 % av Korsnäs kommuns<br />
totala elförbrukning).<br />
Danmark har en överlägsen ställning, både vad gäller användning och produktion av<br />
möllor, tack var en förutseende regerings stimuleringspoilitik fram till 1989 under vilken<br />
restes 2500 möllor i Danmark. Mer än 2% av elenergin i Danmark är vindkraftgenererad<br />
(1991) och målet är ställt på 10 % fram till år 2005 vilket motsvarar en installerad<br />
kapacitet på omkr 1500 MW. År 1992 var man uppe i 3354 möllor med en sammanlagd<br />
installerad kapacitet på 438 MW. För att nå det uppställda målet 1500 MW siktar man in<br />
<strong>sig</strong> på allt större turbiner, från 500 kW uppåt. Vid sidan av Danmark är det främst<br />
Tyskland, Holland och Kalifornien som hakat på vindkraften. Också Sverige försöker<br />
hänga med där Gotland och Öland bildar en sorts förtrupp. En tiondedel av Gotlands<br />
befolkning lär höra till vindkraftandelsbolag och man har ett tiotal möllor upp till 500<br />
kW:s klassen och flera planeras.<br />
Finland ett u-land<br />
Finland är däremot tillsvidare ett u-land vad gäller vindkraften. Man räknar med att det<br />
finns endast omkr 20 möllor i landet trots att här är gott om vindpotential. En förklarning<br />
till läget har varit den ofördelaktiga energipolitiken. Samtidigt kräver vindkraften en helt<br />
ny etableringsform inom kraftverksammanhang. Eftersom energiverk kan köpa tämligen<br />
billigt energi från konventionella kraftverk (omkr 15 p/kWh) och sälja den dyrt till<br />
konsumenterna (säg 40 p/kWh) har de inga incitament till att bygga vindkraftverk som<br />
producerar för säg 20 - 30 p/kWh. Däremot kan vanliga konsumenter göra en betydlig<br />
förtjänst. Det är därför vindkraftens framstötar i Sverige och Finland baserar <strong>sig</strong> på<br />
andels- och aktiebolagsformer där konsumenten och medlemmen får ut vinsten i form av<br />
billigare energi (och mindre utsläpp vilket gagnar hela landet). Korsnäs Vindkraftpark har<br />
ca 350 aktieägare, däribland också bolag ss IVO och Vasa Elektriska.<br />
Situationen kommer av allt att döma ändras till det bättre. Den nya elmarknadslagen<br />
har exv trätt i kraft. Dessutom har kostnaden för vindkraftsel en fallande tendens<br />
(kostnaden har halverats under ett decennium) och har redan underskridit lönsamhetsgränsen.<br />
Fossil- och kärnenergi blir däremot dyrare i.o.m. minskade reserver, samt
ökande utsläpps- och avfallsavgifter. Enligt uppskattningar borde priset på fossil energi<br />
vara dubbelt dyrare, ifall man räknar in de externa konstnaderna, vilket ytterligare<br />
understryker vindkraftens fördelaktighet. Som ett exempel ämnar Westwind Energi AB i<br />
år låta bygga ett vindkraftverk i Rosala, Dragsfjärds kommun, och erbjuder sina<br />
aktieägare elektricitet för 21.9 p/kWh (plus moms). Aktierna säljs för 2250 mk/st. På<br />
Åland är det också aktuellt med ett bygge av en 500 kW:s mölla i Eckerö för vilken man<br />
redan sålt över 1000 aktier. En 200 kW:s mölla i Sottunga har producerat el för omkr 20<br />
p/kWh (1993).<br />
Ingen hasardinvestering<br />
Vindkraftföretaget Wind World har också ett projekt i Pyhätunturi där man utprövar<br />
tekniken för arktiska förhållanden (vid temperaturer som -30 grader måste turbinen<br />
uppvärmas, exv via värmeslingor, för att kunna fungera utan onödig slitage). Företaget<br />
ger garantier om en viss årsproduktion (säg minst 1000 MWh per år för en 500 kW:s<br />
mölla på bra plats). Om målet underskrides p.g.a. ett sämre vindår betalar företaget<br />
mellanskillnaden via en försäkring (vindkraften är en utvecklad försäkringsbranch i<br />
Danmark).<br />
Vindkraftanläggning är alltså inte längre någon hasardinvestering.<br />
Anläggningsplatserna väljs noggrant. Utifrån topografiska kartor och meteorologernas<br />
vindobservationer, kombinerade med t ex WASP-dataprogrammet utvecklat vid den<br />
danska forskningsstationen i Risø, kan man uppskatta vindresurserna vid en given plats<br />
och beräkna den årliga produktionen. (Förstås kan man klara <strong>sig</strong> med HP2-datorn också;<br />
d.v.s. huvud, penna och papper, eller greja eget datorprogram. Av speciellt intresse vore<br />
att modellera vindtillgångarna för bestämda regioner.) Metoden går ut på att man tänker<br />
<strong>sig</strong> en kompassros med centrum vid turbinen. Kompassen indelas 12 st 30 graders<br />
sektorer. Inom varje sektor undersöker man det närliggande landskapets topografi som<br />
indelats i fem klasser; från klass 0 (öppet hav), klass 1 (öppna åkrar, fält), klass 2 (spridd<br />
bebyggelse, häckar), klass 3 (urbana områden, skog), till klass 4 (storstad). Om<br />
vindenergin för klass 0 förhållanden betecknas som 100 % så minskar den till 71, 51, 30<br />
och under 30 % för resp klass 1 till 4 på grund av vindens uppbromsning. På det här sättet<br />
bedömmer man vindenergipotentialen för olika vindriktningar. (Tillkommer ännu effekter<br />
beroende på huruvida platsen är exv belägen på en klippa eller slätt - vinden accelererar<br />
över kala bergsknallar).<br />
Andra viktiga synpunkter på vindkraftplacering är att undvika estetiskt känsliga<br />
landskap, fåglesträcksområden, o dyl. När det gäller kusttrakter kunde grund ned till 5<br />
meters djup kanske vara att föredra som anläggningsplatser. Och varför inte ett pärlband<br />
av vindkraft-verk uppe på land längs riksåttan ? Lägre kapitalkostnader skulle<br />
kompensera en mindre årsproduktion.<br />
Priset på den genererade elektriciteten kan beräknas så att de årliga inkomsterna från<br />
försäljningen, insatta på bank, motsvarar den summa som investeringskapitalet skulle<br />
uppgå vid avskrivningstidens slut (vanligen 20 år) ifall den satts på bank (härtill kommer<br />
förstås endel omkostnader för skötsel, markhyra, etc). Detta leder till prisformeln (pris i<br />
mk per kWh)<br />
r<br />
P=<br />
1 – (1r) n<br />
K<br />
E O
K är kapitalkostnaderna; E är producerad energi per år; O är driftskonstnader etc per<br />
producerad energienhet; r är räntan; n är antal avskrivningsår. Priset är räknat utan<br />
inflationsjusteringar varvid realräntan i kraftverksammanhang brukar antas ligga mellan<br />
5% - 8%. För att höja lönsamheten bör man minimera lånebehovet (för att undvika<br />
räntor). En utväg, förutom aktier, är att medlemmar ger lån till bolaget under<br />
marknadsräntan. I Finland kan dessutom HIM komma emot med statsbidrag motsvarande<br />
nästan hälften av investeringskapitalet. Överlag uppskattas "vinsten" för aktierna i ett<br />
vindkraftbolag (som tas ut i energi) bli omkr 4 % - 5 % vilken uppgavs motsvara en<br />
skattebelagd ränteavkastning kring 7 % på bank.<br />
Tekniken<br />
Såsom tillverkarnas företrädare betonade vid seminariet, är den största utmaningen för<br />
tillverkaren den, att få fram tekniska lösningar vilka gör att vindkraftverket kan fungera i<br />
minst 20 år utan avbrott i storm, regn, kyla och sol. Bland annat måste propellern regleras<br />
vid hård vind (över 25 m/s). De danska tillverkarna använder <strong>sig</strong> härvid av en enkel<br />
passiv metod (utan bladvinkelreglering) som baserar <strong>sig</strong> på den s.k. stallningseffekten.<br />
Vid höga vindhastigheter och konstant rotationshastighet ökar anfallsvinkeln varvid<br />
separationspunkten på ovansidan av propellervingen flyttas mot framkanten. Ett<br />
backflöde uppkommer på ovansidan som minskar propellervingens lyftkraft. (Det finns<br />
också "normala" aerodynamiska virvlar som är nödvändiga för att propellern<br />
överhuvudtaget skall drivas runt). Vid propellerspetsarna har man ytterligare hydrauliskt<br />
vridbara blad vilka bromsar in propellern. En mikroprocessor styr regulatorerna.<br />
Bladvinkelregulatorer har den fördelen att de ger ett högre startmoment för propellern<br />
varför vindkraftverket kan utnyttja svagare vindar än det stallningsreglerade<br />
vindkraftverket.<br />
Som ett exempel följer ytterligare några tekniska data för Bonus 300 kW:s<br />
vindkraftverk: 3-bladspropellerns diametern är 31 m och gör 31 varv per minut;<br />
startvinden är 5m/s medan den nominella effekten uppnås vid 15 m/s; 50 Hz växelström<br />
med 400 Volts spänning alstras via en asynkrongenerator; slutligen står hela turbinen på<br />
ett 30 meter högt torn.<br />
Enligt undersökningar kan man uppskatta ett standardvindkraftverks årliga<br />
energiproduktion i kWh per kvm av propellerns sveparea genom att multiplicera kubiken<br />
av vindens medelhastighet med 2.5:<br />
E = 2.5 V 3<br />
För europeiska vindkraftverk uppgick treårsmedelvärdet 1989 till 536 kWh per år och<br />
kvm sveparea. (1 ton tung brännolja motsvarar 11 MWh). För ett välplacerat<br />
vindkraftverk kan man enkelt uppskatta årsproduktionen i MWh genom att fördubbla den<br />
nominella effekten uttryckt kW; således borde en 500 kW:s mölla producera omkr 1000<br />
MWh i året. Den genomsnittliga kapacitetsfaktorn är omkr 20 - 25 % (genomsnittlig<br />
producerad effekt jämförd med den nominella effekten). Vindkraftverken uppges av<br />
tillverkarna ge tillbaka energin som gått till deras tillverkning på ett år.<br />
En viktig utmaning för vindkrafttillverkarna vore att konstruera olika vindkrafttyper<br />
som lämpar <strong>sig</strong> för platser med olika sorts vindförhållande och användning (från pumpar<br />
till elkraftverk). Givet ett visst sorts vindförhållande på en plats så borde det finnas
vindturbiner att tillgå optimerade just för de förhållandena.<br />
Potential<br />
Solinstrålningen motsvara omkr 10 000 ggr den globala energikonsumtionen (som är<br />
ca 2300 W per person). Antag att 1 % av denna omvandlas till vindenergi. Eftersom vi<br />
kan utnyttja endast ett litet skikt i atmosfären, samt begränsade land- och havsområden,<br />
blir den teoretiska tillgängliga delen kanske omkr 1 procent av råpotentialen; slutresultatet<br />
motsvarar den nuvarande globala energiförbrukningen. Denna överslagsberäkning<br />
ger en uppfattning om storleksordningen på vindenergins potential.<br />
För Finlands del har man räknat ut att vindkraften kunde ersätta 20 % av den<br />
nuvarande nominella elproduktionskapaciteten. Enligt den europeiska vindenergiföreningen<br />
EWEA kunde vindkraften byggas ut i Europa till 100 000 MW fram till år<br />
2030 (motsvarande 10% av 1990 års elförbrukning). En viktig uppgift för det europeiska<br />
vindkraftprogrammet vore att se till att det sker en effektiv teknologiöverföring till länder<br />
såsom Kina, Indien och Egypten. Desto tidigare exv Kina får igång sitt vindkraftprogram<br />
på allvar dess bättre. Det blir ju miljökatastrof ifall Kina istället bränner upp allt sitt kol i<br />
kraftverk för att alstra elektricitet.<br />
Beträffande dylika energidiskussioner så bör man alltid minnas satsen, att den<br />
billigaste energin är sparad energi. För att ta till en metafor: det är inget vett i att bygga ett<br />
vindkraftverk som pumpar upp vatten i ett badkar med utdragen propp. För i-ländernas<br />
del gäller det fortfarande att de främsta insatserna måste göras för att få ner vår överkonsumtion<br />
av energi och råvaror. Annars blir också vindkraften bara en fis i stormen.<br />
För länder såsom Indien gäller det också, att en stor del av de projekterade tilläggskapaciteten<br />
kunde undvaras ifall alla ineffektiva maskiner, pumpar och dylikt byttes mot<br />
effektivare sådana. Kanske det också i dessa fall vore bäst ifall insatserna skulle ske inom<br />
ramarna för andelslag, eftersom det oftast är de lokala invånarna som drar mest nytta (och<br />
vet vad de bäst behöver) medan stora bolag oftast är intresserade att göra ensidiga vinster<br />
på befolkningens bekostnad. Alltså, ett viktig uppgiftsområde för biståndsprogram och<br />
påtryckningsgrupper (exv gentemot Världsbanken).<br />
LITTERATUR m.m.<br />
vindkraftorganisation: Vindkraftföreningen r.f., PB 106, 00101 Helsingfors;<br />
Suomen Tuulivoimayhidstys ry. c/o VTT/Sähkö ja automaatiotekniikan laboratorio,<br />
Otakari 7 B, 02150 Esbo (fax: 90-4566538).<br />
Vindkraftägare: Korsnäs Vindkraftpark AB, Sven Nystén, 66200 Korsnäs;<br />
Ålands Teknologicentrum, Robert Mansén, PB 80, 22101 Mariehamn.<br />
Vindatlas: Bengt Tammelin, Suomen Tuuliatlas, Ilmatieteen laitos 1991. (Också på<br />
diskett). - De vindrikaste områdena är kusttrakterna; innåt land minskar vindenergin till<br />
mindre än 1/3:del av värdet vid havet.<br />
Broschyrer: On Aika Toimia -Tuulienergia Euroopassa (1992); Toimintasuunnitelma -<br />
Tuulienergia Euroopassa (1992); Tuulivoima- Ostajan Opas (1992); dessa fås från<br />
Suomen Tuulivoimayhidstys.
Produktinformation: Welcome to Our World - The World of Power (Wind World A/S,<br />
Buttervej 60, DK-9990 Skagen, fax: +45 98 44 57 56); SV Produktinfo (Bonus Energy<br />
A/S, Fabriksvej 4, DK7330 Brande, fax: 97 18 30 86).<br />
Appendix: ELEMENTÄR VINDKRAFTTEORI<br />
Vi föreställer oss en cylindrisk luftström med arean A1, trycket p0 och hastigheten V,<br />
som pressas genom prepellerfältet A med hastigheten W, och utmynnar som en cylindrisk<br />
luftström med hastigheten U, arean A2 och atmosfärestrycket p0. Beteckna trycken just<br />
före och efter propellerfältet med pa resp pb. Då har vi enligt Bernoullis relation<br />
(1)<br />
Luftmassan<br />
p0 1<br />
2 ρV 2 = pa 1 2<br />
ρW<br />
2<br />
p0 1<br />
2 ρU 2 = pb 1 2<br />
ρW<br />
2<br />
(2) ∆ m=ρ A 1Vt=ρ A 2Ut=ρ AW t<br />
förlorar energin<br />
(3) ∆ E= 1<br />
2 ∆ m⋅V 2 1<br />
2 ∆ m⋅U 2 = 1<br />
2 ρ AW t(V 2 –U 2 )<br />
under tiden t. Under samma tid överförs för en 100% effektiv propeller impulsmängden<br />
(4)<br />
∆ p=( p a –p b) At= 1<br />
2 ρ AW t(V 2 –U 2 )<br />
från luftmassan till propellern. Å andra sidan kan vi också uppskatta ∆p genom<br />
(5) ∆ p=∆ m(V –U)=ρ AW t(V –U)<br />
Jämför vi dessa uttryck erhåller vi relationen W =½(U+V) som kan införas i uttrycket<br />
för energin. Efter detta kan vi maximera effekten P = ∆E/t genom att variera U. Effekten<br />
når maximivärdet (ekvationen är känd sedan 1920-talet 1 )<br />
(6) P= 8<br />
27 ρV 3 A≈0.593 1<br />
2 ρV 3 A<br />
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<br />
kan utvinnas. En elementär aerodynamisk teori för propellern kan utvecklas på följande<br />
sätt: Antag att bladantalen är z och att bladbredden är b vid radien r. Då blir axialkraften<br />
på grund av bladens lyftkraft (vid liten stigvinkel kan man sätta cos(ϕ) ≈ 1)<br />
(7) ∆T =zC L<br />
1<br />
2 Y 2 b∆ r⋅cos()<br />
för bladelementen b ∆r där CL är lyftkraftskoefficienten och Y 2 = W 2 +(r ω) 2 anblåsningshastigheten<br />
kvadrerad. (Friktionskraften erhålls genom att byta ut CL mot dragkoefficienten<br />
CD. Till detta kommer ytterligare ett s.k. inducerat motstånd vid<br />
bladspetsarna vilka dissiperar energi genom virvelbildning.) Ett optimalt impulsutbyte<br />
mellan propellern och luftflödet, enligt ansatsen ovan, leder å andra sidan till uttrycket<br />
(8) ∆T =( p a –p b)∆ A= 4<br />
9 ρV 2 2π r ∆ r<br />
Genom att kombinera dessa likheter kan man med hjälp av tabellerade vingprofiler<br />
de<strong>sig</strong>na propellerformen givet både bladantalet z och snabblöpstalet λ = R ω/V, samt<br />
bredden som en funktion av radien (därtill hamnar man att också beakta hållfasthetsberäkningar).<br />
Man erhåller CL som en funktion av radien r (avståndet från naven);<br />
eftersom CL för en given profil är en funktion av anfallsvinkeln α, erhåller man slutligen<br />
en relation mellan radien och bladvinkeln β=ϕ−α(stigningsvinkeln ϕ erhålls från<br />
cot(ϕ) = r ω/Y). Välkonstruerade propellrar kan komma upp till ηp =70 % av den<br />
teoretiska maxeffekten. Effektiviteten påverkas av aerodynamiskt drag och virvelalstringen<br />
vid rotorspetsarna enligt<br />
(9) η p=1 – 3<br />
2 ελ<br />
för snabblöpstal λ > 3. Glidtalssumman ε består av dragkomponenten och komponenten<br />
för det inducerade motståndet i bladspetsarna och ligger optimalt kring ε = 0.025.<br />
Den senare upplagan [A2] beskriver H. Glauerts mer detaljerade aerodynamiska teori<br />
som också beaktar rotationen i luftflödet.
Referenser:<br />
[A1] Paul A. Wuori: Virtausmekaniikan Perusteet. Otatieto 1990.<br />
[A2] Bengt Södergård: Vindkraftboken. Ingenjörsförlaget 1978;<br />
fjärde omarb. upplaga 1980.<br />
Frank Borg<br />
Borgsvägen 22<br />
67100 Karleby