Ett vindkraftverk är ett högt och smalt torn med tre vingar som snurrar i vinden. Eller?
Flera företag är nu beredda att utmana den klassiska bilden av vindkraftverk, däribland svenska SeaTwirl, som helt enkelt ställer det tekniska konceptet på högkant.
Medan ett traditionellt vindkraftverk påminner om nosen på ett propellerflygplan ser SeaTwirls vertikala vindkraftverk mer ut som en visp. Det finns stora fördelar med en sådan utformning, för medan de nuvarande vindkraftverken har flera begränsningar är de vertikala vindkraftverkens potential närmast oändlig. Det kan spela en avgörande roll för att Europa ska kunna bli koldioxidneutralt inom de närmaste 30 åren.
Vispen är en fransk idé
Konceptet för vertikala vindkraftverk som SeaTwirl är inte nytt. Det är en vidareutveckling av Savoniusrotorn, som utvecklades av den finländske ingenjören Sigurd Savonius på 1920-talet, och framför allt Darrieusturbinen, som uppfanns av fransmannen Georges Darrieus och patenterades år 1931.
I dessa konstruktioner sitter kraftverkets vingar på axlar som sticker ut från den roterande generatorn. Generatorn, som omvandlar rörelsen till el, sitter nederst i tornet i stället för längst upp, som på traditionella vindkraftverk.
Vertikala vindkraftverk är inte alls lika vanliga som klassiska vertikala varianter. I Kalifornien är fem procent av vindkraftverken Darrieusturbiner.
Darrieus beskrev sin uppfinning som en ”turbin med den roterande axeln på tvärs med strömmens flöde”.
Med ”strömmens flöde” avses vinden, som rör sig längs havs- eller markytan och träffar den roterande axeln – och därmed vingarna – i 90 graders vinkel, till skillnad från de betydligt vanligare vågräta vindkraftverken, där vinden träffar den roterande axeln och vingarna rakt på.
Darrieusturbiner förekommer på en del håll runtom i världen och utgör bland annat fem procent av vindkraftverken i Kalifornien. Den lodräta varianten av vindkraftverk har emellertid inte fått alls samma spridning som sin vågräta kusin.
Anledningen till det är framför allt fenomenet verkningsgrad, som är ett uttryck för hur stor andel av energin i vinden som kraftverkets rotation omvandlar till el. För vertikala vindkraftverk har verkningsgraden historiskt sett varit som mest omkring 40 procent, medan den för traditionella vindkraftverk ligger på cirka 50 procent.
40 procent av vindens energi omvandlas till el av ett vertikalt vindkraftverk.
Skillnaden beror bland annat på vindkraftverkens konstruktion. På ett traditionellt vindkraftverk påverkas alla vingarna lika mycket av vinden, medan ett vertikalt vindkraftverks generator stoppar en del av vinden till den bakre vingen, vilket ger lägre verkningsgrad.
Den teoretiska gränsen för ett vindkraftverks verkningsgrad definieras av Betz lag, uppkallad efter den tyske fysikern Albert Betz. Den anger att ett vindkraftverk kan utvinna maximalt 59,3 procent av vindens kinetiska energi.
Och vi behöver få ut så mycket energi ur vinden som vi bara kan.
Vindkraftverken har växtvärk
Enligt EU ska Europa vara klimatneutralt år 2050. Då spelar vindenergin en viktig roll, eftersom forskarna räknar med att vindkraften vid det laget kommer att stå för hälften av den gröna elproduktionen.
De ambitiösa klimatmålen och planetens ökande behov av hållbar energi har gett de havsbaserade vinkraftverken växtvärk. Det danska företaget Vestas Wind Systems har exempelvis meddelat att de år 2024 kommer att ha havsbaserade vindkraftverk på 15 megawatt klara för produktion – 280 meter höga jättar med vingar längre än en fotbollsplan som kan alstra el till omkring 20 000 hushåll.
I Danmark planerar myndigheterna också ett nytt testcentrum för vindkraftverk på upp till 450 meters höjd.
I de luftlagren är vinden starkare och mer stabil, vilket de gigantiska vindkraftverkens vingar kan dra nytta av. Ett vindkraftverks elproduktion ökar med vindhastigheten upphöjt till tre, vilket innebär att en fördubbling av vindhastigheten ger åtta gånger högre produktion. Högre vindkraftverk med större vingar ökar dessutom rotorytan, så att varje vindkraftverk fångar mer vind som kan omvandlas till el.
Därför är det ekonomiskt lönsamt att bygga höga vindkraftverk.
När de traditionella vindkraftverken nu är inne i en snabb utvecklingsfas och blir allt högre kan man ställa sig frågan varför man skulle vilja vända på vindkraftverken.
Enligt det svenska startupföretaget SeaTwirl finns det flera fördelar med vertikala vindkraftverk som gör att de kan konkurrera med Vestas jättar.
Testmodell klarar orkan
År 2015 installerade SeaTwirl sitt första vindkraftverk, S1, i havet utanför Lysekil i Bohuslän. Där står det fortfarande och snurrar i vinden. Med sina 13 meter ovanför havsytan är det bara en lilleputt jämfört med de stora havsbaserade vindkraftverk som finns på marknaden i dag.
År 2015 installerade SeaTwirl en testversion av sitt lodräta vindkraftverk utanför Lysekil i Bohuslän. Det är 13 meter högt.
Dess kapacitet på 30 kilowatt är 500 gånger mindre än den kommande jätten från Vestas. Syftet med S1 var emellertid att testa om konceptet fungerade i verkligheten och om kraftverket var tillförlitligt nog för att kunna alstra el i hård vind och korroderande saltvatten.
I december 2015 utsattes S1 för stormen Helgas krafter med vindhastigheter på upp till 35 meter i sekunden, vilket testmodellen klarade utan problem.
År 2023 räknar SeaTwirl med att kunna installera det första vindkraftverket i den nya generationen S2x, som ska vara 55 meter högt och få en kapacitet på en megawatt, det vill säga över 30 gånger mer än föregångaren.
Vertikalt vindkraftverk flyter i havet
Till skillnad från ett traditionellt vindkraftverk har SeaTwirls elvispsliknande vindkraftverk lodräta vingar och lägre tyngdpunkt, så att det kan flyta på havet.
1. Vingarna roterar runt en lodrät axel
SeaTwirl har tre vingar, men till skillnad från ett traditionellt vindkraftverk roterar de kring en lodrät axel. Vingarna är monterade på generatorn med stöttor. År 2023 installeras vindkraftverket S2x, med en kapacitet på en megawatt och med 40 meter långa vingar.
2. Generatorn sitter nära vattenytan
Generatorn, som omvandlar vingarnas rotation till el, sitter längst ner i vindkraftverket. Dess placering gör det enklare att komma åt generatorn vid underhåll, och kraftverket blir dessutom mer stabilt än traditionella vindkraftverk.
3. Boj håller vindkraftverket flytande
Vindkraftverket är monterat på en boj som går djupt ner i vattnet och roterar tillsammans med tornet. Vattnets lyftkraft håller konstruktionen flytande och minskar belastningen på generatorhuset, som inte behöver bära hela kraftverkets vikt.
4. Konstruktionen är förankrad i bottnen
Generatorhuset är den enda delen av konstruktionen som inte roterar. För att hålla fast vindkraftverket i sin position på havet förankras det med vajrar som går från generatorhuset till havsbottnen.
En ännu större modell på tio megawatt finns än så länge bara på ritbordet, men den skulle enligt företaget få en diameter på cirka 135 meter och en vinglängd på hela 110 meter – nästan lika långa som på Vestas gigant.
Och det slutar inte där. Teoretiskt sett skulle ett vertikalt vindkraftverk kunna ha en vinglängd på uppemot 250 meter och generera ända upp till 30 megawatt. Vertikala vindkraftverk har nämligen en del uppenbara fördelar, och det tänker SeaTwirl dra nytta av för att hitta en egen nisch på vindenergimarknaden.
Fördelar med en vertikal axel
För det första är ett vertikalt vindkraftverk alltid riktat mot vinden, oavsett vart det blåser. Det gäller inte för de traditionella vindkraftverken, som behöver vända sig mot vindriktningen för att vingarna ska rotera och alstra el.
Då behöver vindkraftverkets inriktning justeras, vilket förutsätter att det har en mekanism där en vindflöjel registrerar vindriktningen och en motor sedan vrider kraftverkets vingar mot vinden. Traditionella vindkraftverk behöver med andra ord en del extra mekanik för att fungera optimalt.
En annan fördel med vertikala vindkraftverk är att de inte behöver fästas i havsbottnen med ett fundament.
På ett traditionellt vindkraftverk är alla de tunga beståndsdelarna – generatorn, växellådan, vridmekanismen och andra viktiga komponenter – samlade i maskinhuset, den så kallade gondolen, högt uppe i luften, vilket förutsätter ett stabilt fundament. Även om vissa tillverkare av vindkraftverk leker med tanken på flytande fundament är vindkraftverken i dag begränsade till havsdjup på cirka 50 meter. Om havet är djupare än så blir fundamentet för dyrt att bygga.
På ett vertikalt vindkraftverk sitter de tunga maskindelarna strax ovanför havsytan, vilket ger en lägre tyngdpunkt. Eftersom vindkraftverket flyter i vattnet och bara behöver förankras i havsbottnen med vajrar kan det installeras i havsområden som är tusentals meter djupa.
I länder med stora havsdjup, där vindenergi till havs tidigare inte har varit aktuell, kan havsbaserade vindkraftsparker med vertikala kraftverk plötsligt öka mängden vindenergi.
En visp kan alstra el i avlägset belägna områden
1. Vindkraftsparker på djupt vatten
Sjuttiofem procent av havet är djupare än 200 meter, men fundamentet gör att traditionella havsbaserade vindkraftverk inte kan installeras på större djup än 50 meter. Eftersom de vertikala vindkraftverken flyter har de inte samma begränsning, utan kan installeras var som helst.
2. Ösamhällen kan sluta använda diesel
På avlägset belägna öar är det svårt att ordna med tillförlitlig elproduktion på land. Där skulle vertikala havsbaserade vindkraftverk på endast en megawatt kunna ersätta de dieselgeneratorer som i dag används i ösamhällena och som både medför partikelföroreningar och koldioxidutsläpp.
3. Laxodlingar är strömslukare
Fiskodling kräver el till bland annat pumpar, så en typisk laxodling medför utsläpp av omkring 120 ton koldioxid om året. Här skulle vertikala havsbaserade vindkraftverk vara en bra, hållbar lösning, framför allt med tanke på att fler och större fiskodlingar i framtiden kommer att ske långt från kusten.
Sist men inte minst är vertikala vindkraftverk enklare att underhålla, eftersom de viktigaste maskindelarna sitter nära havsytan. I en studie på Sandia National Laboratories, som forskar på uppdrag av det amerikanska energiministeriet, lyfts just detta fram som en stor fördel med vertikala vindkraftverk när de traditionella vindkraftverken nu växer och därmed flyttar generatorn och andra maskindelar ännu högre upp i luften.
Därmed ligger vägen öppen för att vertikala vindkraftverk som SeaTwirls ska kunna erövra världshaven och förändra vår bild av hur ett vindkraftverk ser ut.