Lyst til å vinne en kraftig solcellelader?

Svar på våre 7 enkle spørsmål her.

Hva er vindkraft

28. oktober, 2016

Animasjon: ©iStock.com/aurielaki
Vindkraft er en fornybar energikilde der bevegelsesenergien i vind blir omdannet til elektrisitet ved hjelp av vindturbiner. Vinden blåser på bladene, som roterer og driver en generator som genererer elektrisitet. Vind er dessverre ikke en konstant ressurskilde, noe som betyr at strømproduksjonen varierer etter hvor mye og hvor ofte det blåser. Vindkraft utgjør 1,4 % av elektrisitetsproduksjonen i Norge (SNL, 01.01.14), og 3 % på verdensbasis (GWEC).
Sammendrag

Vind er luft i bevegelse. Når solen varmer opp luften, vil varm luft stige opp. Dette skaper trykkforskjeller. Disse trykk-forskjellene jevnes ut ved at luftmasser sirkulerer fra områder med høyt trykk til områder med lavt trykk.

 

Ved hjelp av vindturbiner kan man omdanne bevegelsesenergien i vind til elektrisitet. En vindturbin består av et tårn, blader, maskinhus med generator, gir og kontrollsystem. Vinden får bladene til å rotere, og turbinen går rundt. Energien fra turbinen overføres til en generator, som omdanner bevegelsesenergi til elektrisk energi. Strømmen blir transportert i ledninger ned vindturbinens tårn, transformeres til høy spenning, og sendes ut på nettet og videre ut til boliger og næringsbygg. Vind er dessverre ikke en konstant ressurskilde, men den er fornybar og blir stadig billigere.

 

En vanlig utfordring for norske vindkraftverk er tilknytning til strømnettet. Ofte bygges kraftverket langt ute på kysten, der det er mye vind, men langt fra eksisterende strømnett. Å bygge ekstra strømnett er dyrt, og kan være en faktor som gjør det mindre fristende for norske utbyggere, å satse på vindkraftverk. En annen utfordring vi står overfor gjelder virkningsgrad. En vindturbin skal potensielt kunne omforme 59 % av vindenergien til elektrisk energi. Per dags dato ligger den praktiske virkningsgraden på 40 – 45 %. Andre utfordringer er knyttet til produksjonspris, støy, fugleliv og varierende vind. Ved hjelp av pumpekraftverk kan vi kompensere for vindens uforutsigbarhet.Overskuddsenergien fra vind på dager der hvor vi produserer mer enn vi trenger brukes til å pumpe vann opp i et høyere magasin. Dette kan brukes til å drive et vannkraftverk i tider der det er lite vind.

 

Fordelen med vindkraft er at det er fornybart. Den har også et større potensiale på vinterhalvåret enn på sommerhalvåret, noe som stemmer god med energiforbruket vårt. Vindkraft er den fornybare energikilden, bak vannkraft, som er nærmest å komme i kommersiell produksjon. Til nå har man hovedsakelig satset på landbaserte vindparker. Dersom vi greier å produsere billigere vindmøller og billigere sjøkabler kan også offshore vind bli en stor kilde til energiproduksjon. Her ligger det mye ubrukt potensiale.

Hva er vind?

Vind er luft i bevegelse. Sola varmer opp luften ved bakken, og varm luft stiger opp. Dette skaper trykkforskjeller. Det blir lavt trykk ved bakken og høyt trykk lengre oppe. Disse trykkforskjellene jevnes ut ved at luftmasser sirkulerer fra høytrykk til lavtrykk. Dette er vind. Vinden er sterkere høyere opp fra bakken, og derfor ønsker vi å plassere vindturbinene høyt.

Les mer…

lavtrykk_hoytrykk
Luft (vind) beveger seg fra høytrykk til lavtrykk. Denne figuren viser fenomenet pålandsvind. Illustrasjon: UngEnergi

Et typisk eksempel som skal forklare vind er fenomenet solgangsvind. Det oppstår på sommerdager der sola varmer opp bakken slik at den blir varmere enn havet. Det tar nemlig lengre tid for havet å bli varmt. Luften over den varme bakken begynner å stige, siden varm luft er lettere enn kald luft. Når luften over bakken forsvinner oppover, blir det et underskudd av luft ved bakken. Dette kaller vi et lavtrykk. Siden naturen liker balanse ønsker den å utjevne forskjellen som nå har oppstått siden det er underskudd av luft ved bakken. Derfor strømmer luft fra havet inn over land for å utjevne denne forskjellen. Denne luften i bevegelse kaller vi pålandsvind, og vi ser at luften strømmer fra høytrykk til lavtrykk.

 

Om natta kjøles bakken raskere ned enn vannet. Det er fordi vann har høyere varmekapasitet og holder lengre på varmen. Nå skjer det motsatte av det som skjer om dagen: det blir et lavtrykk over det varme vannet, og et høytrykk over den kalde bakken. Derfor blåser vinden fra land, mot havet, og vi kaller det fralandsvind.

 

Vind er en av måtene jorda transporterer varme på. Vinden frakter varm luft til områder med kaldere luft. Da blir temperaturforskjellene mindre. Sola varmer opp ulike deler av jorda forskjellig: Ekvator får mye mer varme enn Nord- og Sørpolen. De globale vindsystemene er med på å jevne ut denne forskjellen.

 

At luft strømmer fra høytrykk til lavtrykk kan grovt sammenlignes med at temperatur alltid går fra et sted med høy temperatur til et sted med lav temperatur, eller at vann alltid renner fra et sted med mye vann til et sted med mindre vann.

Vindparker og plassering av vindturbiner

For å få ned kostnadene for vindkraft plasserer man vindturbinene sammen i store vindparker. Det er billigere å bygge og drive en stor park enn mange enkeltturbiner. Vindparkene blir plassert etter hvor det finnes en jevn og kraftig vind hele året. Med et anemometer måler man vindhastigheten på et sted man har tenkt å bygge en park. Det gjør man gjerne to år før parken bygges. Da kartlegger man vindforholdene på det området ved hjelp av måling og beregninger, og så finner man en god plassering av turbiner innenfor området. Det finnes ca. 20 små og store vindparker i Norge.

 

Under ser du en røyktunnel, som man kan bruke til å finne ut av hvordan man får mest mulig energi ut fra vinden.

Film: UngEnergi

Vindkraft i verden

Det landet i verden som har installert mest vindkraft hittil er Kina, tett etterfulgt av USA. I 2011 var Kina det landet som installerte mest ny vindkraft. Klikk på linken for å se diagram (vindportalen.no). Europa er stor på teknologi innen vindkraft, og har flest fabrikanter. Blant landene i Europa er Spania og Tyskland størst på vindkraft.

Hvordan virker en vindturbin?

Animasjon: UngEnergi

Hovedoppgaven til en vindturbin er å omdanne vindens bevegelsesenergi til elektrisk energi. En vindturbin består av et tårn, blader, maskinhus med generator (nacelle), gir og kontrollsystem. Vinden får bladene til å rotere, og turbinen går rundt. I fysikken sier man da at vinden virker med en kraft på vindturbinen og utfører et arbeid. Da overføres energi. Når turbinen roterer, roterer også drivakselen, som er koblet til generatoren og girkassen. Generatoren omdanner bevegelsesenergien i denne rotasjonsbevegelsen til elektrisk energi. Girene gjør at den langsomme rotasjonshastigheten til drivakselen blir raskere og mer egnet til å generere strøm i generatoren. Noen generatorer er bygd slik at de ikke trenger gir. Den genererte elektrisiteten blir transportert i ledninger ned vindturbinens tårn, transformeres til høy spenning, og sendes ut på nettet og videre ut til boliger og næringsbygg.

 

På maskinhuset har vindturbinen en vindhastighetsmåler og en vindretningsmåler. Energiomdannelsen starter når vinden er på 3 m/s, og da dreier maskinhuset seg til rotoren blir stående mot vinden. Maksimal produksjon er når vindhastigheten er fra ca. 13 m/s. Selv om vindhastigheten øker mer enn dette, vil ikke effekten øke. Det er for å unngå unødvendig slitasje. Produksjonen vil dessuten stanse hvis vinden er over 25 m/s, for å unngå skade. Det tilsvarer full storm, og så høye vindhastigheter er sjeldne.

 

Det finnes forskjellige klasser av vindturbiner, etter om de er designet for lave, middels eller høye vindhastigheter. Det blir ofte valgt den turbinen som er mest økonomisk lønnsom for det stedet der turbinen skal plasseres.

 

I denne filmen kan man se hvordan en vindturbin bør formes for at den skal få maksimal effekt.

Film: UngEnergi

Betz’s lov og virkningsgrad

Betz’ lov sier at en vindturbin i teorien kan utnytte maks 59 % av bevegelsesenergien i vinden som passerer bladene. Skulle vindturbinen utnytte 100 % ville det vært helt vindstille bak turbinen. Det går ikke, for vinden må ha nok energi til å fortsette videre etter å ha passert turbinen. Skulle det vært vindstille bak turbinen måtte vinden blitt stoppet av en vegg eller lignende.

 

Virkningsgraden til en vindturbin er hvor mye vindenergi du klarer å gjøre om til elektrisk energi. Når energi går fra en form til en annen vil det alltid være noe som går tapt på veien. Først og fremst kan ikke 41% av vindens bevegelsesenergi brukes, på grunn av Betz’ lov. De fleste møllene er heller ikke effektive nok til å omgjøre 59%. Deretter må energien generere elektrisk strøm, og her vil litt av energien gå tapt i form av friksjon og varme. Til slutt sitter man igjen med ca. 40-45% av vindens energi som elektrisk kraft. For å sammenligne har de beste vannkraftturbinene en virkningsgrad på ca. 98 %, og de beste solcellene ca. 31 %.

Bruksområder

Hovedbruksområdet for vindkraft er å produsere elektrisitet. Vindkraftverk er tilkoblet kraftnettet, som alle andre kraftverk, og inngår i et kraftsystem som i fellesskap står for produksjonen av elektrisitet til forbrukerne.

 

Danmark har mye vindkraft. Omtrent 20 % av landets elektrisitet kommer fra vindenergi og på dager med mye vind kan det være opp til 40 %. Noen ganger oppstår det situasjoner der det produseres veldig mye overskuddenergi, og dette vil danskene bruke til noe nyttig. De ønsker å lage et system for ladning av el-biler med overskuddenergien fra vindkraft. Det skal stå ladningsstasjoner flere plasser hvor man kan skifte batteri. Batteriet vil koste like mye som en full tank og vare like lenge. Forskjellen vil være at bilen verken slipper ut miljøskadelige gasser og den bruker miljøvennlig energi. Ifølge Better Place kan vindkraft fra Danmark alene sørge for kraft til hele det skandinaviske bilmarkedet. Prosjektet skal først prøves ut i Israel og Danmark.  Les mer (tv2.no).

Vindenergi i Norge

Den største vindparken i Norge ligger på Smøla (Møre og Romsdal). Andre vindparker finnes på Hitra (Sør-Trøndelag) og i Kjøllefjord (Finnmark). Disse tre eies av Statkraft. Smøla vindpark har 68 vindturbiner og produserer 432 GWh i året.

 

I Norge må de som vil bygge ut et vindkraftverk få godkjent en konsesjon. Der er en slags søknad som Norges vassdrags- og energidirektorat (NVE) godkjenner. Det er mange faktorer som må undersøkes før en godkjenning, og det tar vanligvis flere år. Negative og positive virkninger tas hensyn til, f. eks. påvirkninger på lokalområdet.

 

En vanlig utfordring for norske vindkraftverk er tilknytning til strømnettet. Ofte bygges kraftverket langt ute på kysten, der det er mye vind, med et godt stykke fra eksisterende strømnett. Å bygge ekstra strømnett er dyrt, og kanskje er dette en faktor som gjør det mindre fristende for norske utbyggere å satse på vindkraftverk.

 

I Norge er den gjennomsnittlige vindhastigheten over året på et sted med mye vind ca 7-9 m/s, 50 meter over bakken. Vi har også et veldig variert terreng, noe som kan skape turbulens for vindturbinene. Derfor ønsker vi nå å satse på offshore vindkraftverk.

 

Under kan du se et eksempel på en vindmøllepark.

Film: UngEnergi

 

Se også:
Vi besøker Mehuken vindpark! (UngEnergi.no)

Offshore vindkraft

Offshore vindkraft er vindkraftverk på havet, der turbinene er flytende eller fundamentert på havbunnen. Siden det i gjennomsnitt er sterkere vinder ute på havet enn på land, vil turbinene kunne produsere vesentlig mer elektrisitet enn tilsvarende turbiner i kystnære områder. Men havet byr også på utfordringer. Bølger, stormer og saltvann gjør at vindturbinene til havs må kunne tåle mye mer enn vindturbinene på land. Dessuten må kablene som fører strømmen til forbrukerne vær lengre, og tåle havvannet. Offshore vindkraft er dyrere å installere og dyrere i drift enn vindkraft på land. I Norge er 15 områder langs kysten blitt foreslått for offshore vindutbygging. Les mer om offshore vindkraft på Havromsteknologi (NTNU), og da spesielt kapittel 13 under bok/læringsmateriell.

Fysikk

Se egen side: Fysikk: energi og effekt i vinden.

Pumpekraft

Vindenergi er en uforutsigbar energikilde. Noen dager kan det være mye vind og andre dager lite vind. Da er det viktig at vi klarer å lagre den overflødige energien vi får de dagene det produseres mer vind enn man trenger, slik at vi får brukt den på dager det er for lite vind. Denne energien er det mulig å lagre i et pumpekraftverk. På en vindfull dag hvor man har overflødig energi kan man bruke den energien til å pumpe vann i et vannmagasin tilbake opp i et magasin som ligger høyere over bakken. Når man har dager med lite vind, kan man slippe dette vannet ned igjen, slik at vi får turbinene til å snurre, og vi får energi (se vannkraft). På denne måten kan man altså lagre den overflødige vindenergien og bruke den på dager man ikke har nok vind til å dekke alles strømbehov. Denne syklusen kan gjentas gang på gang. Les mer om pumpekraft her.

Fordeler

  • Fornybart: Vindkraft er fornybart og blir stadig billigere.
  • Miljøvennlig: Energien som produseres er helt miljøvennlig, og vil på sikt bidra til å motvirke global oppvarming og begrense uttømmingen av jordas lagerressurser.
  • Vindfulle vintre: Det blåser mer på vinterhalvåret, noe som er gunstig, siden det er da vi bruker mest strøm.
  • Aktuell ressurs: Det er ikke uoverkommelig å installere vindkraft, all teknologi er tilgjengelig. Blant alle fornybare energikilder er vindkraft nest nærmest å komme i kommersiell bruk (etter vannkraft) i Europa. Dette ifølge FNs klimapanels årsrapport om fornybar energi fra 2011.
  • Stort potensiale: Vindkraft har stort potensiale. Selv om vind er variabel, finnes det mye av den.

Ulemper

  • Dyrt: Vindturbiner er dyre, og de fleste utbyggerne av vindkraftverk er avhengige av grønne sertifikater (UngEnergi.no), altså at de får ekstra betalt for strømmen. Men i løpet av de 20 årene en vindturbin lever, vil pengene bli tjent inn igjen. I tillegg er vindturbiner drevet på gratis og miljøvennlig energi.
  • Varierende vind: Strøm blir produsert når vinden blåser, noe som ikke alltid passer inn etter våre energibehov. Men i Norge har vi andre energikilder som kan forsyne oss med strøm når det ikke er vind.
  • Fugleliv: Når man skal plassere en vindpark må man ta hensyn til fugler. Vindparkene bør ikke bli lagt på steder der mange hekkfugler flyr. På Smøla bor det mange havørner, og i perioden 2003-2009 ble det funnet 28 ørner drept av vindturbinene. Altså i gjennomsnitt er det 3,5 ørner drept per år, selv om vindportalen.no (artikkel: Vindkraft og fugl) sier gjennomsnittlig 6 drepte havørn på Smøla i året. Totalt er det antatt at over 150 ørn lever der, og bestanden vokser. I følge en rapport (pdf) fra ewea.org er vindkraftens innvirkning på fugler, flaggermus og annet dyreliv og leveområder svært liten sammenlignet med menneskelige aktiviteter. Det er vanskelig å beregne antall fugler drept av vindturbiner per år, men det som er sikkert er at fugler blir mye oftere drept av å fly inn i bygninger enn inn i vindturbiner. I tillegg dreper huskatter antageligvis 100 millioner fugler hvert år – bare i USA.
  • Uønsket støy: Vindturbinene er også en kilde til akustisk støy. Svisjelyden som blir skapt når bladet passerer vinden kan irritere mange som bor nær turbinene. Lyden er likevel svakere enn en fjern bilmotor. På 250 meters avstand kan man sammenligne lyden med å stå ved siden av et kjøleskap.


Vindenergi fra Energisenteret – Vimeo.

Kilder Nyttige lenker
Bruk som kilde
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en Creative Commons Navngivelse-Ikkekommersiell-DelPåSammeVilkår 3.0 Norge Lisens.
UngEnergi.no benytter informasjonskapsler for å gjøre brukeropplevelsen bedre Lukk Les mer
Ethvert legeme i bevegelse har bevegelsesenergi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legeme etter formelen Ek = ½mv²
Maskin som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi.
Ethvert legeme i bevegelse har bevegelsesenergi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legemet etter formelen Ek = ½mv². Kalles også kinetisk energi.  
Elektroner i bevegelse. Husk at elektronene beveger seg i motsatt retning av den definerte strøm-retningen.
Amerikansk selskap, som har til formål å redusere den globale avhengigheten av olje, gjennom å etablere en infrastruktur for å levere drivstoff til elektriske biler.
Betyr "tillatelse". Kort forklart gir myndighetene deg tillatelse til at du kan sette i verk eller gjennomføre prosjektet ditt.
Uregelmessige variasjoner i væsker og gassers bevegelse. Oppstår av små lokale variasjoner i væsker og gassers bevegelse. Denne uordnede bevegelsen gir økt friksjon mot en flate, noe som fører til økt slitasje.
Uønsket lyd.