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…

 

 

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. 50 små og store vindparker i Norge.

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

Vindkraft i verden

Det landet i verden som har installert mest vindkraft hittil er Kina, tett etterfulgt av USA. I 2021 var Kina det landet som installerte mest ny vindkraft (GWEC, 2021). 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?

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 bevegelsesenergienEthvert legeme i bevegelse har bevegelsesenergi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legemet etter formelen Ek = ½mv². Kalles også kinetisk energi. 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.

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 turbinene er heller ikke effektive nok til å omgjøre 59%. Deretter må energien generere elektrisk strømElektroner i bevegelse., 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 virkningsgradVirkningsgraden til et system er definert som \( \frac{\text{nyttbar energi}}{\text{tilført energi}} \) og betegnes ofte med den greske bokstaven \( \eta \). 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 46% av landets elektrisitet kommer fra vindenergi. Noen ganger oppstår det situasjoner der det produseres veldig mye overskuddsenergi. Her er løsninger som å bruke et pumpekraftverk til å pumpe vann opp til et magasin i høyden. For å så bruke det senere til å produsere strøm når det er lite vind. Man kan også bruke overskuddsenergien til å produsere hydrogen som senere kan brukes i en brenselcelle.

Vindenergi i Norge

Den største vindparken i Norge ligger på Storheia (Trøndelag). Andre vindparker finnes på Hitra (Sør-Trøndelag) og i Kjøllefjord (Finnmark). Disse tre eies av Statkraft. Storheia vindpark har 80 vindturbiner og produserer 1000 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 vindturbinpark.

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 være 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.

Se også: Verdens første flytende offshore vindmøllepark! (UngEnergi.no)

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 en fornybar energikilde. Etter en turbin er satt opp kan den produsere gratis energi i 20 år, så lenge det blåser.

• Miljøvennlig: For at verden skal nå 2 gradersmålet satt i Parisavtalen må bruken av fossile energikilder reduseres. Ved å ta i bruk flere utslippsfrie energikilder som vindkraft vil vi gjøre oss mindre avhengig av fossile energikilder.

• Trygt: Vindkraft er en av de tryggeste energikildene vi har. Det er tilnærmet null dødsfall knyttet til vind, mens olje og kull er betydelig mer risikabelt. Det er også knyttet en risiko til vannkraft. Da Banqiao-demningen Kina braste i 1975, anslås det 26.000 dødsfall.

• Vinteren: Vi trenger mest strøm om vinteren i Norge. En vindturbin kan operere uansett temperatur. Et vannmagasin trenger derimot å varmes opp ved kalde temperaturer. Det gjør at vindkraft kan kompensere for lite regn og kalde temperaturer.

• Inngrep i naturen: I motsetning til vannkraft er konstruksjonen av en vindpark relativt reversibel. Vannkraft krever at store områder må demmes opp. Derimot så kan en vindpark i teorien bare rives og kun anleggsveier vil bli værende.

• Grønt alternativ: I land med mye vind kan vindkraft bidra til å senke bruken av fossile energikilder.

• Stort potensiale: Vindkraft har stort potensiale. Selv om vind er variabel, finnes det mye av den.

Ulemper

• Uresirkulerbart: En vindturbin har typisk et livsløp på 20 år. Etter endt levetid må turbinen resirkuleres og/eller kastes. Omkring 85% av turbinen kan resirkuleres, men rotorbladene som er konstruert av glassfiber må deponeres og kan ikke resirkuleres.

• Varierende vind: Når det ikke blåser trengs det andre energikilder. Land med få alternative fornybare energikilder må derfor ty til olje og gass. Problemet kan delvis løses med å lagre energien i pumpekraftverk eller hydrogenbatteri når det blåser mye.

• Dyreliv: Når man skal plassere en vindpark må man ta hensyn til dyrelivet. Vindparkene bør ikke bli lagt på steder der mange hekkfugler flyr. Vindturbinenes tilstedeværelse kan påvirke dyrelivet på flere måter. Det kunstige lyset på vindturbinene kan være skadelig og forstyrrende for dyrelivet. Konstruksjon av vindparker i uberørt natur vil også kunne forvirre det lokale økosystemet. Høye turbiner kan også komme i veien for flyruten til fuglelivet. Det er dog vanskelig å beregne antall fugler drept av vindturbiner per år.

• Uønsket støy: Vindturbinene er også en kilde til akustisk støy. Støyet kommer av at bladet passerer masten. Denne lyden kan oppleves irriterende for boende i nærheten.

• Lysforurensing: Vindturbiner er merkepliktig med 2 hvite blinkende lys. Disse lysene er sterke for å ivareta flysikkerheten. Styrken på disse lysene kan være plagsomt for lokalbefolkningen, da de alltid er på. Radarstyring av lys som er når lysene bare er på hvis et fly er i nærheten av turbinene er en løsning for å minske lysforurensing, men det er ikke utbredt og brukes sjeldent i norske vindparker.
• Inngrep i naturen: Et vindkraftanlegg krever mye av naturen. Under anleggstiden må det bygges anleggsveier og infrastruktur. Slike veier må være dimensjonert for transport av vindturbinblader på opptil 90 meter i lengde. Dette krever stor svingradius og bredere veier enn det som trengs til for eksempel bygging av et solcelleanlegg. Dette vil beslaglegge mye natur i en prosess som ikke nødvendigvis er reversibel.

Vindenergi fra Energisenteret – Vimeo.