VINDKRAFT:

REN ENERGI MED VINDENS FART

Vinden innehåller våldsamma krafter. Den kan knäcka träd som om de vore tändstickor och den kan bygga upp tiotals meter höga vågor till havs. Den kan också transportera molnområden med hundratals miljoner ton vatten över både hav och kontinenter.
Det är enorma energimängder som rör sig i atmosfären – och givetvis vore det fantastiskt om vi kunde tillvarata bara en liten del.

Ren energi med vindens fart.

Ren energi med vindens fart.

Även beskedliga vindar innehåller kraft och den är lättare att ta vara på än de våldsamma krafterna från atmo­sfärens allra värsta vredesutbrott. Vi människor lärde oss tidigt att utnyttja vindens kraft genom att sätta segel på våra fartyg och bygga vindsnurror som kunde driva kvarnar. Men hur utnyttjar vi vindkraften idag och hur ser framtiden ut?

Vindens kraft kommer från solen. Det gör nästan alla energikällor här på jorden. När solen lyser på jorden värms trakterna kring ekvatorn mest, eftersom solstrålarna där faller in vinkelrätt mot jordytan. Polartrakterna värms betydligt mindre eftersom solstrålarna där faller in från sidan. Jorden blir alltså ojämnt uppvärmd av solen. För att utjämna dessa temperaturskillnader, börjar luften i atmosfären att röra sig, ungefär som i ett rum med en värmekälla i den ena änden och ett kallt fönster i den andra. Varm luft från ekvatorn rör sig mot polerna och kall luft rör sig från polerna mot ekvatorn. Den varma luften rör sig på högre höjder, den kalla på lägre höjder, precis som i rummet, eftersom varm luft är lättare än kall. Detta är en mycket förenklad bild av den grundläggande mekanism som omvandlar solvärme till rörelseenergi, det vill säga vindar.

Luftens berg- och dalbana

Verkligheten är mycket mer komplicerad, men bygger på samma princip att luften strävar efter att utjämna de temperaturskillnader som skapas av solen. I verkligheten roterar jorden kring sin egen axel. Det gör att vindarna påverkas av samma typ av krafter som man känner av när man går på en karusell. På norra halvklotet påverkas vindarna av en högervridande kraft, på södra halvklotet av en vänstervridande kraft (läs mer om detta i AoV nr 8/2004 ”Den mystiska corioliskraften”). När luften fördelas ojämnt över jorden bildas det ”berg” och ”dalar” i luftterrängen. Luftens ”berg” kallas högtryck och luftens ”dalar” kallas lågtryck.

Samtidigt som luften strävar efter att utjämna temperaturskillnader, försöker den också att utjämna tryckskillnader, genom att strömma från högtryck till lågtryck. Så fort luften rör sig drabbas den av jordkarusellens krafter och vrider sig (åt höger på norra halvklotet, åt vänster på södra halvklotet).

Det hela utmynnar i en slags balans, som man brukar kalla geostrofisk balans, där vinden blåser parallellt med isobarerna. Isobarer är linjer som förbinder punkter med samma lufttryck, en slags höjdkurvor i luftterrängen. Resultatet blir att luften blåser moturs kring lågtryck och medurs kring högtryck på norra halvklotet (på södra halvklotet blir det förstås tvärtom). Tycker du att det här verkar snurrigt och rörigt? Det är det också. Men snurrighet och rörighet är grundförutsättningar för att vindar och väder överhuvudtaget ska kunna uppstå och leva vidare här på jorden.

30 miljoner terawattimmar

Jorden är inte helt slät och homogen. Den består av hav och kontinenter­, som får olika stor uppvärmning från solen. Hav värms långsammare än land, eftersom en stor del av sol­värmen fördelas ned i djupet. Dessa temperaturmotsättningar försöker atmosfären­ att utjämna i form av bland annat monsunvindar. På kontinenterna finns sjöar, där temperaturutjämningen sker på en mindre tids- och rumsskala i form av sjöbrisvindar. Det finns också bergskedjor och dalgångar, som hindrar vinden och som styr den i olika riktningar.

Detta kaos av vindar uppstår när ungefär 2 procent av den solenergi som träffar jorden omvandlas till rörelseenergi­. Den totala energin i alla jordens vindar uppgår till ungefär 30 miljoner terawattimmar (TWh) per år (1 TWh = 1 miljard kWh). Världens totala årliga energikonsumtion ligger på ungefär 120 000 TWh. Jordens vindar skulle alltså räcka för att täcka hela världens energibehov 250 gånger om.

Men det är naturligtvis högst teoretiskt – tillbaka till verkligheten igen. Givetvis är det varken möjligt eller önskvärt att tillvarata all den energi som finns i jordens vindar. Skulle vi lyckas med ett sådant projekt skulle ju vindarnas temperaturutjämnande effekt helt upphöra, och då skulle vi få en klimatförändring av gigantiska mått, med allt varmare tropiktrakter och allt kallare polartrakter. Rent teoretiskt har man räknat ut att man med vindkraft på land maximalt skulle kunna utvinna 100 000 TWh per år. Det motsvarar nästan hela jordens energiförbrukning­. För ett sådant projekt skulle det krävas vindkraftparker med en total yta som motsvarar tolv gånger hela Sveriges yta.

Vindens kraft kan långt ifrån ersätta alla andra energiformer. Men som ett komplement till andra energikällor är vindkraften mycket intressant och har många fördelar. Vinden är gratis och det är en helt ren energikälla som inte förstör miljö och klimat. Vindkraften kan bli mycket lönsam om den utnyttjas på rätt sätt.

Vindens krafter

Blåshål För att placera vindkraftverk på bästa möjliga platser görs grundliga undersökningar om vindförhållanden. Längs kusterna, ute till havs och uppe på berg är oftast de effektivaste platserna.

Blåshål För att placera vindkraftverk på bästa möjliga platser görs grundliga undersökningar om vindförhållanden. Längs kusterna, ute till havs och uppe på berg är oftast de effektivaste platserna.

Luften som finns omkring oss känns lätt, som om den inte vägde någonting alls. Men så är det inte. En kubikmeter luft vid jordytan väger ungefär 1,25 kg. Rörelseenergin hos ett föremål eller ett luftpaket räknar vi ut med formeln:

E = (m x v2)/2, där E är energin i joule (J), m är massan i kg och v är hastigheten i m/s. Om 1 kubikmeter luft rör sig med hastigheten 4 m/s, motsvarar det en rörelseenergi på (1,25 x 42)/2 = 10 joule. Om vindhastigheten fördubblas till 8 m/s blir rörelseenergin på motsvarande sätt (1,25 x 82)/2 = 40 joule. Om vindhastigheten fördubblas blir vindenergin alltså fyra gånger större. Vindens energi ökar med kvadraten på vindens hastighet, vilket också framgår av formeln. Om vi räknar ut vindens effekt (P), det vill säga energi per tidsenhet eller joule per sekund (1 J/s = 1 Watt) måste vi också ta hänsyn till hur mycket luft som hinner passera en tvärsnittsyta under denna sekund. Om det till exempel blåser 2 m/s, hinner dubbelt så mycket luft (massa) passera än om det bara blåser 1 m/s. När vi räknar ut effekten (P) ersätts m med m x v och formeln för effekt lyder: P = (m x v3)/2. Vindens effekt ökar alltså med kubiken på vindens hastighet. Det betyder att om vindhastigheten fördubblas ökar vindens effekt 8 gånger. Om vindhastigheten fyrdubblas (exempelvis från 2 m/s till 8 m/s) så ökar vindens effekt 64 gånger.

Att ta vara på vindens krafter

Med hjälp av ett vindkraftverk kan man omvandla luftens rörelseenergi till elektrisk energi. Vindkraftverket består av en rotor, en stor vindsnurra eller propeller, som drivs runt av vinden. Rotorn är via en axel kopplad till en generator som alstrar elektricitet när den drivs runt av rotorn.

Konstigare än så är det inte.

Men för att ett vindkraftverk ska kunna fungera bra duger det inte att sätta upp vilken snurra som helst var som helst i terrängen. Man måste optimera teknik och placering för att vindkraften ska bli en lönsam energikälla.

Att en vindsnurra eller propeller snurrar runt när det blåser på den finns djupt rotat i vårt medvetande sedan barnsben. Vem har inte sprungit omkring på ett tivoli och lekt med en färgglad plastsnurra? Den fysikaliska förklaringen till att en propeller roterar när vinden blåser på den är att det uppstår tryckskillnader på propellerbladens fram- och baksidor, precis på samma sätt som när tryckskillnaden mellan en flygplansvinges över- och undersida får flygplanet att lyfta.

Störande ljud Bland de nackdelar som diskuterats med vindkraftverk är ljudet som många upplever som störande. Själva generatorn kan ljudisoleras så effektivt att den knappast hörs, men vinandet från rotorbladen är svårare att göra något åt. Bild: Skylight

Störande ljud Bland de nackdelar som diskuterats med vindkraftverk är ljudet som många upplever som störande. Själva generatorn kan ljudisoleras så effektivt att den knappast hörs, men vinandet från rotorbladen är svårare att göra något åt. Bild: Skylight

Ett typiskt vindkraftverk av idag kan bestå av ett 75 meter högt torn med ett maskinhus i toppen. I maskinhuset finns en generator. Längst fram på maskinhuset sitter rotorn, som oftast har tre stycken rotorblad. Om rotorbladen har en längd av 30 meter ger de en svepyta på ungefär 2 800 m2. Ett sådant vindkraftverk producerar ungefär 1 MW när det når full effekt. För vindkraftverk på land brukar man räkna med en nyttjandegrad på motsvarande 2 000 timmar maxproduktion per år. Den totala energin som produceras per år blir då 2 000 MWh. De riktigt stora vindkraftverken till havs kan ha en maxeffekt på 5 MW och en utnyttjandegrad motsvarande 3 000 timmar maxproduktion per år. Den årliga energiproduktionen från ett sådant vindkraftverk kan då beräknas till 15 000 MWh.

Vindkartering

När man bygger ett vindkraftverk är det viktigt att placera det på en plats där det blåser tillräckligt mycket. Ett bra vindläge kan till exempel vara vid kusten, till havs eller på släta kalfjäll. Där blåser det mest och vinden hindras inte av skogar eller bebyggelse. Öppna slätter i inlandet är också bra placeringar. Det är viktigt att terrängen är så öppen som möjligt åt det håll vinden oftast kommer ifrån. Den förhärskande vindriktningen här i Sverige är oftast från sydväst eller väst. På hundra meters höjd blåser det mer än vid jordytan, där vinden bromsas av friktion mot marken och ojämnheter i terrängen. Rotorn måste därför upp på lämplig höjd för att få ut största möjliga effekt.

För att optimera alla dessa faktorer gör man en vindkartering innan man bygger ett vindkraftverk – man kartlägger var någonstans i terrängen den bästa placeringen är. Vid vindkartering här i Sverige utgår man från den vindstatistik som SMHI samlat in under många decennier. Den statistiken ger en bra bild av hur mycket det blåser i olika delar av landet. Men denna statistik är inte tillräckligt finskalig för att man ska kunna avgöra exakt var den bästa placeringen för vindkraftverket är.

För att förfina vindstatistiken använder man sig av en datormodell som, med hjälp av bland annat den lokala topografin, modifierar statistiken och anpassar den till det aktuella området. Med utgångspunkt från denna kartering och en del praktiska överväganden som tillgång till väg, elnät och så vidare, väljer man ut en lämplig plats.

Med utgångspunkt från den valda platsen kan man sedan med ett annat datorprogram finjustera siffrorna över den tillgängliga vindenergi som finns på just den platsen. Därefter kan programmet räkna ut hur mycket elektrisk energi som olika typer av vindkraftverk kan producera av platsens tillgängliga vindenergi. Mängden elektrisk energi kan sedan översättas i pengar om man vet elpriset. Vid sådana här analyser är beräkningarna av tillgänglig vind­energi den säkraste parametern. El­priset är den osäkraste faktorn.

Vad får man ut ekonomiskt av ett vindkraftverk?

Vinden är gratis, men ett vindkraftverk är förstås inte gratis. Det kostar idag ungefär 13 miljoner kronor att bygga ett medelstort vindkraftverk med maxeffekt på 1 MW. Ett sådant vindkraftverk kan producera ungefär 2 000 MWh per år. En del av elen använder ägaren eller ägarna själva, medan överskottselen går ut i det allmänna elnätet för försäljning. Med dagens elpriser motsvarar 2 000 MW en intäkt på ungefär en miljon kronor. Driftskostnaderna för vindkraftverket är små och verket kan förväntas producera el i åtminstone 25 år innan det är dags att skrotas. Denna enkla beräkning visar alltså att vinsten av elproduktion under vindkraftverkets 25-åriga livstid ligger i storleksordningen 10-12 miljoner kronor totalt. Om elpriset stiger blir vinsten naturligtvis större.

Nackdelar
Vindkraften är en ren kraft som i sig inte ger några utsläpp som är skadliga för miljö och klimat. Under driften är det en helt ren energikälla som dessutom är helt gratis. Även ur ett livscykelperspektiv är vindkraften överlägsen ur miljösynpunkt. Man har räknat ut att den energi som åtgår för att tillverka, uppföra, reparera, underhålla och skrota ett vindkraftverk, kan produceras av vindkraftverket självt under bara fyra månader.

Blåsigt grannland I Danmark står vindkraften för 20 procent av elproduktionen, den största andelen vindkraftel i världen. Bild: Skylight

Blåsigt grannland I Danmark står vindkraften för 20 procent av elproduktionen, den största andelen vindkraftel i världen. Bild: Skylight

När det gäller nackdelar med vindkraftverk finns det framför allt tre saker som brukar debatteras: Vindkraftverk förfular landskapet, rotorbladens rörelse skapar ett störande ljud och det kan vara irriterande med skuggor från roterande rotorblad över huset och tomten.

Att vindkraftverk förfular landskapet är väl egentligen en subjektiv upplevelse, och det är högst osäkert om väderkvarnar ansågs vara pittoreska inslag i landskapsbilden när dessa en gång i tiden var moderna.

Att ljudet från vindkraftverk kan vara störande är förmodligen fler överens om. Maskinhusets mekanik i ett modernt vindkraftverk är så välisolerat att det knappast ger något ljud ifrån sig. Rotorbladens vinande ljud är det svårare att komma ifrån. Visserligen kan man utforma dem optimalt så att de ger så lite ljud som möjligt ifrån sig.

Ljudnivån från rotorbladen beror på hur mycket det blåser. I praktiken hörs vindkraftverket mest vid relativt måttliga vindar. När det blåser kraftigare överröstas rotorbladens ljud av vindens eget brus. Det finns riktvärden för ljud från vindkraftverk utfärdade av Naturvårdsverket. Vid ett närbeläget bostadsområde får ljudet från vindkraftverket dagtid inte överskrida 50 decibel, vilket ungefär motsvarar en dämpad konversation. Nattetid får det inte överskrida 40 decibel, vilket motsvarar ljudet från ett modernt kylskåp.

Hur är det med skuggorna på huset och tomten då? Jo, det finns riktlinjer för det också, utfärdade av Boverket. Dessa riktlinjer tillåter en maximal skuggtid på 30 timmar per år och högst 30 minuter per dag. Vindkraftverk kan programmeras så att de stängs av under de minuter en närboende kan störas av skuggan och det rör sig om så korta stunder att det har en försumbar inverkan på vindkraftverkets ekonomiska resultat.

Framtidsutsikter

Som alternativ energikälla finns det stora möjligheter för vindkraften i nästan alla länder på jorden. För närvarande är det Europa som leder utvecklingen. Tyskland har mest utbyggd vindkraft i världen med en produktionskapacitet på ungefär 20 000 MW, Spanien och USA ligger på delad andra plats med ungefär 10 000 MW. Lilla Danmark har vindkraft med en produktionskapacitet på 3 200 MW. Det motsvarar 20 procent av landets totala elproduktion. Räknar man andelen vindkraft är alltså Danmark den största vindelkrafts­producenten i världen.

I Sverige har vi idag ungefär 800 stycken vindkraftverk med en total produktionskapacitet på 500 MW. Det motsvarar bara 0,7 procent av den totala svenska elproduktionen. Men det finns visioner om 10 000 MW omkring år 2015, vilket då i så fall skulle motsvara 6–7 procent av landets totala elenergiförsörjning. I Europa som helhet­ kan produktionen vara uppe i 60 000 MW redan år 2010.

Den tekniska utvecklingen kommer säkerligen att göra vindkraften mer effektiv och stigande energipriser i samband med övergång från fossila bränslen till förnyelsebara energikällor kommer troligen att göra vindenergin ännu mer lönsam. Jättelika vindkraftverk på 25 MW, placerade i parker till havs eller i fjällvärlden, skulle kunna bli mycket effektiva och lönsamma.

Material från
Allt om Vetenskap nr 10 2007

Mest lästa

Fler nyheter

Fler nyheter