Havsbaserat vindkraftverk Vestas tekniker

Enorma havsbaserade vindkraftverk utvinner grön energi

De havsbaserade vindkraftverken växer så det knakar. Nu är en 280 meter hög gigant redo att testas. Den gröna omställningen kommer nämligen att bli en allätande strömslukare.

De havsbaserade vindkraftverken växer så det knakar. Nu är en 280 meter hög gigant redo att testas. Den gröna omställningen kommer nämligen att bli en allätande strömslukare.

Claus Lunau

Fyrtiotretusen kvadratmeter, lika mycket som sex fullstora fotbollsplaner.

En så enorm rotorarea täcker de 115,5 meter långa vingarna på det danska företaget Vestas nya, jättelika vindkraftverk.

Det 280 meter höga vindkraftverket bär det lite trista tekniska namnet V236-15.0 MW, men faktum är att det sista ledet i namnet, 15.0 MW, är högintressant. Det gäller nämligen vindkraftverkets effekt: 15 megawatt!

Vindkraftverk i 15-megawattklassen utgör kulmen av en flera årtionden lång utveckling, under vilken vindkraftverkens effekt har fördubblats ungefär vart sjunde år. Det innebär att det räcker med en enda av dessa nya mastodonter för att förse hela 20 000 av våra alltmer energikrävande hushåll med el.

Nu ska vindkraftverken placeras ut i grupper långt från land och dela med sig av hållbar energi till hela planeten.

Hela planeten behöver energi

För bara några år sedan hade världens största vindkraftverk en effekt av tio megawatt, men nu är alltså Vestas redo att testa dess storebror. Effekten 15 megawatt gör för närvarande V236-15.0 MW till världens största vindkraftverk.

Graf vindkraftverk höjd
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Vindkraftverken växer så det knakar

De första elproducerande vindkraftverken byggdes på 1800-talet. Med Vestas nya model har vindkraftverken på cirka 200 år växt från 20 till över 250 meters höjd.

Vindkraftverk av den här kalibern kommer att bli centrala för att vi ska få stopp på den globala uppvärmningen. Den gröna omställningen blir nämligen en allätande strömslukare.

Sveriges totala elanvändning är i dag omkring 125 terawattimmar (TWh), det vill säga 125 biljoner watt i en timme. För att omsätta den här energianvändningen till något som är lätt att relatera till kan man säga att det motsvarar omkring 2 038 miljoner glödlampor på sju watt som är tända året om.

Prognoser visar att energianvändningen kommer att fördubblas till omkring 250 TWh redan år 2030 om Sverige ska nå målet att minska koldioxidutsläppen med 70 procent till dess.

I det här sammanhanget blir elen helt avgörande.

Medan elen i privata hushåll i dag används till belysning, vitvaror, luftkonditionering, tv-apparater, datorer och spelkonsoler ska elen i framtiden även värma upp våra bostäder och driva elbilar.

Dessutom ska elen stå för den energi som behövs till nya datacentraler, tågtrafik och kemiska reaktioner som ska producera grönt bränsle, till exempel väte, fotogen eller ammoniak till flygplan och fartyg.

Forskarna kallar denna princip Power-to-X, och i exempelvis Danmark kommer produktionen av gröna bränslen år 2030 att kräva tio terawattimmar el.

20 000 hushåll kommer det gigantiska havsbaserade vindkraftverket att kunna förse med el.

Lyckligtvis finns det gott om energi att ta av.

Jorden bombarderas konstant av 173 000 triljoner watt solenergi, av vilka drygt två procent omvandlas till kinetisk energi i form av vind. Vinden innehåller alltså cirka 3 500 triljoner watt, som vindkraftverken kan utvinna och omvandla till el.

År 2009 beräknade två amerikanska och en finsk forskare att världens vindkraftverk tillsammans kan utvinna omkring 840 000 TWh om året.

I jämförelse är planetens totala elanvändning för närvarande cirka 25 000 TWh. Trots att den siffran lär öka väsentligt under de närmaste årtiondena, kommer det att finnas tillräckligt med energi för att täcka behovet.

När det nya vindkraftverket tas i bruk år 2024 är det följaktligen Vestas svar på varifrån majoriteten av elen till den gröna omställningen ska komma.

Enorma vindkraftverk är lösningen

Ingenjörerna har flera goda skäl att bygga högre vindkraftverk, för även om man skulle kunna tro att en vindkraftspark är lika bra som ett stort vindkraftverk är det faktiskt inte så, särskilt inte ute på öppet hav.

För det första når stora vindkraftverk högre upp i atmosfären, där vinden blåser starkare och jämnare än nere vid marken.

En rapport från amerikanska National Renewable Energy Laboratory (NREL) har visat att vindens genomsnittliga påverkan ökar med mellan en halv och en meter per sekund när man går från 80 till 110 meters höjd över havsytan och med ytterligare en halv meter per sekund om höjden ökas från 80 till 160 meter.

För det andra är de gigantiska vindkraftverkens vingar bredare, vilket gör att de kan fånga svagare vindar och arbeta vid lägre vindstyrkor.

Och eftersom de stora vindkraftverken på grund av sin storlek är mer robust byggda än sina föregångare tål de betydligt högre vindstyrkor innan de måste stängas av.

De 115,5 meter långa vingarna börjar rotera redan vid en vindstyrka av tre meter per sekund och kan fortsätta ända upp till 30 meter per sekund, där de når sin maxkapacitet. Det är nära orkanstyrka, som börjar vid 32,6 meter per sekund.

I jämförelse når Vestas nuvarande toppmodell, V164-10.0 MW, sin maxkapacitet ”redan” vid 25 meter per sekund.

Anledningen till att Vestas ingenjörer är så intresserade av att bygga världens största vindkraftverk är inte bara prestige. På många viktiga sätt är det större vindkraftverket bättre än Vestas nuvarande toppmodell V164-10.0 MW.

© Alexander Lund-Andersen

1. Höjden ökar effektiviteten

Ett högre vindkraftverk får tag i vinden på större höjd. Ju längre från markytan man kommer, desto mer fart – och därmed energi – har vinden.

© Alexander Lund-Andersen

2. Giganter klarar stormar

Ett större vindkraftverk tål högre vindhastigheter och har därmed högre maxkapacitet, vilket innebär att det inte behöver stängas av lika ofta.

© Alexander Lund-Andersen

3. Jätterotor fångar vinden

Ett vindkraftverk med längre vingar täcker in ett större område och fångar vinden från en större yta. Det medför högre elutvinning.

En tredje fördel med stora vindkraftverk är de långa vingarna, som fångar vinden från en större yta. Genom att fördubbla vingarnas längd täcker vindkraftverket in ett fyra gånger större område, vilket ökar elproduktionen markant.

Vestas V117-4.2 MW, som har en rotordiameter på 117 meter, har en maximal effekt på 4,2 megawatt, medan den nya V236-15.0 MW, vars rotordiameter är dubbelt så stor, har över tre gånger högre effekt.

Förbättringen beror både på den större rotorn, vindkraftverkets höjd och den ökade maxkapaciteten.

Storleken är en utmaning för ingenjörerna

Det finns med andra ord uppenbara fördelar med att bygga havsbaserade vindkraftverk så stora som möjligt. Det är emellertid inte en helt enkel uppgift för ingenjörerna, eftersom det är besvärligt att skala upp vindkraftverk.

När ett vindkraftverks höjd fördubblas och rotorarean blir fyra gånger större ökar vindkraftverkets vikt dramatiskt, eftersom fördubblingen sker på både höjden, bredden och längden.

Vindkraftverket blir därmed uppemot åtta gånger tyngre och kräver följaktligen åtta gånger mer konstruktionsmaterial.

Vikten sätter en övre gräns för hur stora havsbaserade vindkraftverk kan bli. Det har emellertid inte hindrat kineserna från att bygga ett vindkraftverk på 16 megawatt, MySE 16.0-242, som överträffar Vestas nya gigant.

Sugankare
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

Vindkraftverket suger sig fast i havsbottnen

De gigantiska vindkraftverken står väldigt stabilt. En av de senaste metoderna för att sätta fast vindkraftverken är så kallade sugankare, där ett undertryck suger ner vindkraftverkets torn flera meter i havsbottnen. Det gör att man slipper gjuta något fundament.

Havsbotten luft
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

1. Vindkraftverket sänks försiktigt ner

Vindkraftverkets underrede består av ett eller flera ihåliga sugankare, som sakta sänks ner mot bottnen. Genom att släppa ut luft ur ankarna anpassas graden av flytkraft och därmed tornets vikt i förhållande till det omgivande vattnet.

Havsbotten luft försvinner
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

2. Vikten gör en del av jobbet

När vindkraftverkets torn har sänkts ner på havsbottnen släpps luften sakta ut ur ankarna, vilket gör att konstruktionen förlorar flytkraft och blir tyngre. Tornets vikt pressar sugankaret den första biten ner i leran.

Havsbotten lera
© Ken Ikeda Madsen & Shutterstock

3. Undertryck suger fast vindkraftverkets torn

Vatten, sand och lera pumpas ut ur sugankaret, så att ett undertryck uppstår. Samtidigt sugs vatten förbi sugankarets utsida, vilket skapar kvicksand, som i kombination med undertrycket gör att tornet fastnar djupt i leran.

Det rekordstora kinesiska vindkraftverket finns ännu bara på ritbordet, men ska enligt planerna tas i drift år 2024.

På det hela taget har världens tillverkare av vindkraftverk börjat bygga allt större. Både Siemens Gamesa och General Electric har två vindkraftverk på 14-megawatt på gång, som ska börja placeras ut år 2023.

Det finns stora planer för de havsbaserade vindkraftverken. Giganterna ska nämligen inte placeras ut i kustnära vindkraftsparker med elkablar direkt in till land. I stället ska de stå i grupper långt ut till havs.

Vindkraftverken bildar öar

Danmark är det första landet i världen som planerar så kallade energiöar. De två första ska byggas i Östersjön respektive Nordsjön och tas i bruk omkring år 2030.

Tanken är att kablarna med el från vindkraftverken ska samlas på energiöarna, där energin ska lagras.

Energiön i Nordsjön, som ska ligga 80 kilometer från kusten, får en kapacitet på 3 000 megawatt. Det motsvarar den maximala kapaciteten av 200 av Vestas nya giganter, tillräckligt för att förse tre miljoner hushåll med el.

Energiö el

Stora grupper av gigantiska vindkraftverk ska leverera el till världens första energiöar. Därifrån ska elen föras vidare ut i världen och lagras under perioder med extra hög produktion.

© Energistyrelsen

Senare ska ön uppgraderas till hela 10 000 megawatt, som nästan täcker hela den förväntade danska elanvändning i framtiden.

Energiöarna ska emellertid inte bara driva danska kaffemaskiner och elcyklar.

Öarna ska i lika hög grad leverera el till exempelvis Tyskland, Storbritannien, Norge, Sverige, Polen och Baltikum.

Fördelningen ska motverka ett av de stora problemen med grön energi, nämligen vad vi gör när solen inte skiner, det är vindstilla eller inget regn fyller på vattenkraftverkens floder?

För att utjämna variationerna i elproduktionen och vår användning under dygnets timmar ska olika tidszoner i framtiden byta el med varandra.

Det enorma vindkraftverket kommer att spara klimatet 38 000 ton koldioxid om året, vilket motsvarar att få bort 25 000 bilar från vägarna.

Varje morgon uppstår en stor puckel i efterfrågan på el när folk stiger upp och samtidigt tänder lampor och sätter på sina kaffemaskiner.

Genom att dela elen över tidszonerna kan morgonpuckeln jämnas ut över planeten, även när man stiger upp en vindstilla och mulen dag.

Framtidens kraftverksvingar är gröna

Vindkraftverken kommer att spela en avgörande roll i den gröna omställningen, men själva är de inte särskilt klimatvänliga.

Det visar en stor studie som gjordes i februari 2021 av ingenjören Leon Mishnaevsky vid Danmarks Tekniske Universitet.

Från vindkraftverk som sattes upp för 20–25 år sedan, som nu ska pensioneras, är det nästan omöjligt att återvinna något material.

Värst är det med skrotade kraftverksvingar, som den europeiska intresseorganisationen WindEurope förutser kommer att utgöra hela 25 000 ton redan år 2025.

Enligt Mishnaevsky kommer omvandling av en 6,5 ton tung vinge till utfyllnadsmaterial att medföra cirka 200 ton koldioxidutsläpp, medan koldioxidutsläppet för att bara lägga den på soptippen blir omkring ett ton.

Därför är det bättre att renovera vingarna och återanvända dem som kraftverksvingar, eftersom det bara medför cirka tre ton koldioxidutsläpp för en 6,5 ton tung vinge.

Tillverkare av vindkraftverk har uppmärksammat det här problemet. I september 2021 presenterade Siemens världens första helt återbrukbara vinge för havsbaserad vindkraft.

Vinge till havsbaserat vindkraftverk

År 2021 lanserade Siemens en återbrukbar vinge för havsbaserad vindkraft. En ny typ av lösningsmedel gör att vingens olika komponenter kan tas isär.

© Siemens Gamesa

Vingar till vindkraftverk kan innehålla material som plast, glasfiber, kolfiber, PVC, skum och till och med balsaträ. De olika komponenterna klistras normalt ihop med ett extremt hållbart, hartsliknande ämne.

Nu har emellertid Siemens utvecklat ett nytt, lösligt bindemedel, så att de olika materialen i vingarna kan skiljas åt och användas i produktion av bland annat platta bildskärmar och resväskor.

Det lilla amerikanska företaget Global Fiberglass Solutions har utvecklat en mer drastisk metod. De erbjuder sig redan i dag att komprimera uttjänta kraftverksvingar av glasfiber till plattor som kan användas som exempelvis väggbeklädnad.