En vindturbin er et høyt, slankt tårn med tre blader som snurrer i den susende vinden. Er det ikke det?
Flere selskaper står nå klare til å utfordre det klassiske bildet av vindturbinen til havs – blant annet det svenske selskapet SeaTwirl, som rett og slett snur det teknologiske konseptet på høykant.
Mens en tradisjonell vindturbin minner om snuten på et propellfly, ser SeaTwirls vertikale vindturbin mer ut som en visp. Og det har store fordeler, for mens de nåværende havvindturbinene har flere alvorlige begrensninger, er høykantturbinenes potensial nærmest uendelig, og det kan spille en avgjørende rolle når Europa i løpet av de neste tretti årene skal bli CO2-nøytralt.
Vispen er et fransk påfunn
Det grunnleggende prinsippet bak vertikale turbiner som SeaTwirl er ikke noen ny oppdagelse. Teknologien bygger på Savonius-turbinen, utviklet av den finske ingeniøren Sigurd Johannes Savonius på 1920-tallet, og særlig den såkalte Darrieus-turbinen, funnet opp av franskmannen Georges Jean Marie Darrieus og patentert i 1931.
Her sitter bladene på avstivere som går ut fra det roterende tårnet. Generatoren som gjør bevegelsen om til strøm, sitter helt nederst i tårnet og ikke på toppen, som på tradisjonelle vindturbiner.
Høykantturbiner er ikke like vanlige som de klassiske vertikale modellene. I California er 5 prosent av vindturbinene Darrieus-modeller.
Darrieus beskrev oppfinnelsen sin som en «turbin med roterende aksel på tvers av vindstrømmen».
Vinden beveger seg langs hav- eller jordoverflaten og treffer den roterende akselen, og dermed bladene, i en vinkel på 90 grader – i motsetning til de mye vanligere vannrette vindturbinene der vinden treffer den roterende akselen og bladene rett på.
Darrieus-turbinene står enkelte steder rundt omkring i verden og utgjør blant annet fem prosent av vindturbinene i California, men den loddrette typen har ikke fått noen stor utbredelse.
Årsaken er først og fremst virkningsgraden, altså hvor stor andel av energien i vinden turbinen er i stand til å hente ut og omdanne til elektrisk strøm. For høykantturbiner har virkningsgraden historisk sett vært opp mot førti prosent, mens den for de tradisjonelle turbinene ligger på rundt femti prosent.
40 prosent av vindenergien blir gjort om til strøm i en høykantturbin.
Forskjellen skyldes blant annet vindturbinens grunnleggende konstruksjon. På en tradisjonell vindturbin blir alle bladene alltid påvirket like mye av vinden, men på høykantturbinen dekker tårnet for en del av vinden til det bakerste bladet, noe som påvirker virkningsgraden negativt.
Den teoretiske grensen for en virkningsgraden til en vindturbin er gitt ved Betz’ lov – etter den tyske fysikeren Albert Betz – som sier at en vindturbin maksimalt kan fange 59,3 prosent av vindens kinetiske energi.
Og det blir bruk for å vri så mye energi ut av vinden som i det hele tatt mulig.
Vindturbiner vokser raskt
Ifølge EU skal Europa være klimanøytralt i 2050. Her spiller vindenergi en avgjørende rolle siden forskerne anslår at vindturbinene på den tiden vil stå for halvparten av den grønne strømproduksjonen.
De ambisiøse klimamålene – og klodens stadig økende behov for fornybar energi i stikkontakten – har gitt havvindturbinene kraftig vekst; for eksempel skal danske Vestas ha en havvindturbin på 15 megawatt på markedet i 2024. Den 280 meter høye giganten har blader lengre enn en fotballbane og kan levere strøm til om lag 20 000 husstander.
I Danmark planlegger myndighetene dessuten et nytt testsenter for vindturbiner med høyde opp til 450 meter.
I de luftlagene er vinden kraftigere og mer stabil, noe gigantturbinene kan utnytte. En vindturbins strømproduksjon stiger med vindhastigheten i tredje potens, noe som vil si at en fordobling av vindhastigheten åttedobler produksjonen. Høyere turbiner med større blader utvider dessuten rotorarealet slik at hver turbin kan fange mer vind og gjøre den om til strøm.
Derfor er det god økonomi i å bygge høye turbiner.
Nå som de tradisjonelle vindturbinene er inne i en rivende utvikling og blir stadig høyere, kan man kanskje lure på hvorfor det i det hele tatt er nødvendig å begynne å snu dem på siden.
Men ifølge det svenske oppstartselskapet SeaTwirl har høykantturbinene flere avgjørende fordeler.
Testturbin tåler orkan
SeaTwirl installerte i 2015 sin aller første vindturbin, S1, i bølgene utenfor Lysekil på den svenske vestkysten. Her står den fortsatt og snurrer i vinden. Turbinen er med sine 13 meter over havoverflaten en miniputt sammenlignet med de store havvindturbinene på markedet i dag.
SeaTwirl installerte en testversjon av den loddrette vindturbinen i 2015 utenfor Lysekil ved den svenske vestkysten. Turbinen måler 13 meter i høyden.
Kapasiteten på 30 kilowatt er en femhundredel av kapasiteten til den nye kjempeturbinen fra Vestas. Men målet med S1 var bare å prøve om konseptet fungerte, og at turbinen var pålitelig nok til å kunne levere elektrisitet tross høye vindhastigheter og mye saltvann.
I desember 2015 ble S1 for eksempel utsatt for ekstremværet Helgas krefter med vindhastigheter på opptil 35 meter i sekundet, noe den klarte uten problemer.
SeaTwirl forventer i 2023 å installere den første turbinen i den nye generasjonen, som kalles S2x, med en høyde på 55 meter over havnivå og en kapasitet på 1 megawatt, altså over tretti ganger så mye som forgjengeren.
Vertikal vindturbin flyter på havet
I motsetning til en tradisjonell vindturbin har SeaTwirls miksmasterlignende høykantturbin loddrette blader og et lavere tyngdepunkt slik at den kan flyte på havet.
1 Blader roterer om loddrett akse
SeaTwirl har tre blader, men i motsetning til tradisjonelle turbinblader roterer de rundt en loddrett akse. Bladene er festet til tårnet med avstivere. I 2023 installeres vindturbinen S2x med en kapasitet på 1 MW og 40 meter lange blader.
2 Generator ligger nær vannet
Generatoren, som gjør bladenes rotasjon om til strøm, ligger helt nederst i turbintårnet. Plasseringen gjør det lettere å komme til generatoren ved vedlikehold, og turbinen er mer stabil i forhold til tradisjonelle modeller.
3 Bøye holder vindturbinen flytende
Vindturbinen er montert på en bøye som stikker dypt ned i vannet og roterer sammen med tårnet. Oppdriften fra vannet holder konstruksjonen flytende og reduserer belastningen på generatorhuset, som ikke må bære hele vekten av vindturbinen.
4 Konstruksjonen er tjoret til havbunnen
Generatorhuset er den eneste delen av konstruksjonen som ikke roterer. For å holde vindturbinen i nøyaktig samme posisjon på havet forankres hele konstruksjonen med vaiere fra generatorhuset og ned til havbunnen.
En enda større modell på 10 megawatt er under planlegging. Ifølge selskapet vil den få en diameter på om lag 135 meter og en bladlengde på hele 110 meter – nesten samme lengde som på giganten til Vestas.
Og det stanser ikke her. Teoretisk sett vil høykantturbinene kunne tåle en bladlengde på opp mot 250 meter og levere opptil 30 megawatt. Konstruksjonen har nemlig noen klare fordeler, som SeaTwirl vil utnytte til å presse seg inn på markedet for vindenergi.
Vertikal akse gir fordeler
For det første vender en høykantturbin alltid mot vindretningen uansett hvilken vei vinden blåser. Det gjelder ikke for de tradisjonelle vindturbinene, som så å si må snu ansiktet opp mot vinden før bladene roterer og genererer elektrisitet.
Det krever at vindturbinen har en innebygd mekanisme der en vindfane først registrerer vindretningen og en motor deretter svinger toppen av tårnet, med blader og girkasse, opp mot vinden. De tradisjonelle turbinene krever altså en del ekstra mekanikk for å fungere optimalt.
En annen fordel med høykantturbinen er at den ikke trenger å festes til havbunnen med et fundament.
I en tradisjonell vindturbin er alle de tunge delene, som generator, girkasse og motor samlet i maskinhuset, den såkalte gondolen, høyt oppe i luften, noe som krever et solid fundament. Selv om vindturbinprodusenter leker med tanken om flytende fundamenter, er vindturbiner i dag begrenset til havdybder på om lag femti meter. Er havet dypere enn dette, blir fundamentet til vindturbinen for dyrt å bygge.
I en høykantturbin befinner de tunge maskindelene seg rett over havoverflaten, noe som gir et lavere tyngdepunkt. Siden turbinen flyter i vannet og bare må forankres til havbunnen med vaier, kan den derfor installeres selv der havet er flere kilometer dypt.
I land med dypt hav utenfor kysten, der havvindenergi ikke har vært en mulighet tidligere, kan havvindparker basert på høykantturbiner nå plutselig øke mengden vindenergi.
Visper kan gi strøm til fjerne områder
1 Parker installeres på dypt vann
75 prosent av havet er dypere enn 200 meter, men tradisjonelle havvindturbiner kan på grunn av fundamentet bare installeres på maksimum 50 meters dybde. Siden den vertikale vindturbinen flyter, har den ikke samme begrensning og kan installeres overalt.
2 Øysamfunn kan droppe diesel
På fjerne øyer er det vanskelig å sikre en stabil strømproduksjon på land. Her vil vertikale havvindturbiner på bare 1 MW kunne erstatte de dieselgeneratorene som i dag brukes i øysamfunnene, og som både slipper ut partikkelforurensning og CO2.
3 Laksefarmer er strømslukere
Fiskeoppdrett krever strøm til for eksempel pumper, og en typisk laksefarm slipper i dag ut om lag 120 tonn CO2 i året. Her er de vertikale havvindturbinene en opplagt grønn løsning – særlig fordi flere og større fiskeoppdrett framover vil bli bygd langt fra kysten.
Sist, men ikke minst er høykantturbinene lettere å komme til siden de viktigste maskindelene befinner seg ved havoverflaten. I en studie fra Sandia National Laboratories, som leverer kunnskap til det amerikanske energidepartementet, framheves nettopp dette som en avgjørende fordel med høykantturbinene etter hvert som tradisjonelle turbiner blir større og flytter generatoren og andre maskindeler enda høyere opp i luften
Dermed ligger alt til rette for at høykantturbiner som SeaTwirls kan erobre verdenshavene og forandre vår inngrodde forestilling om hvordan en vindturbin skal se ut.