Vindorka – Kostir, gallar, tæknin, framleiðslugeta, fl.

Það eitt hversu vindasamt Ísland er gefur tilefni til að huga að möguleikum á að virkja vindorkuna. Talsmenn vindorku eru óþreytandi við að benda á kosti hennar og mikla möguleika, enda er sjálf auðlindin (vindurinn) ókeypis og vindorkuvirkjanir nánast lausar við mengun. Á móti koma t.d. sjónarmið um að raforkuframleiðsla vindorkuvera sé óstöðug, turnarnir skemmi útsýni og að þetta sé þar að auki dýr leið til að framleiða rafmagn.

Hverjir eru helstu kostir vindorkuvera?

Sá kostur vindorkuvera sem fyrstur kemur upp í hugann er að vindurinn er ókeypis auðlind og starfsemi vindrafstöðva veldur takmörkuðum umhverfisáhrifum, nánast engri mengun og losar nær engar gróðurhúsalofttegundir.

Rekstrarkostnaður vindraforkuvera er lítill miðað við ýmsar aðrar virkjanir, en stofnkostnaðurinn aftur á móti verulegur. Vindorkuver kallar sem sagt á mikinn fastan kostnað, rétt eins og vatnsaflsvirkjanir með uppistöðulóni, en lítinn rekstrarkostnað. Hvort þetta telst kostur eða galli ræðst fyrst og fremst af fjármagnskostnaði á hverjum tíma.

wind_energy

Vindorkuver má setja upp á skömmum tíma og þó svo turnarnir með hinum risastóru spöðum séu afar áberandi eru varanleg umhverfisáhrif vindorkuvera lítil. Þau má auðveldlega fjarlægja og þá er landið nær óspillt. Sé land fyrir hendi er einfalt að stækka vindorkuver ef á þarf að halda og bæta við fleiri turnum. Þar að auki má oft halda hefðbundinni landnotkun áfram. Ekki er t.d. óalgengt að vindorkuverum sé komið fyrir á landbúnaðarsvæðum sem eru samt áfram nýtt til landbúnaðar.

Á vef Orkustofnunar er að finna stutt yfirlit um endurnýjanlega orkugjafa, aðra en fallvötn og jarðhita. Upplýsingarnar þar um afl og kostnað vegna vindorku eru orðnar nokkurra ára gamlar (frá 2002) og því að mestu úreltar. Aftur á móti er rétt að taka undir þau orð Orkustofnunar að allur búnaður vindorkuveranna hefur „tekið miklum stakkaskiptum, og gæði rafmagns frá þeim hefur aukist“. Kostir vindorkuvera eru því mun meiri nú en voru fyrir nokkrum árum. Gera má ráð fyrir að hagkvæmni vindrafstöðva muni halda áfram að aukast og að þetta verði sífellt betri kostur.

Hverjir eru helstu gallar vindorkuvera?

Það þykir ókostur við stórar vindrafstöðvar að þeim fylgir nokkur hávaði – svo og sjónmengun sem sumum finnst bagaleg. Forðast má þessar hliðarverkanir vindorkuvera með því að vanda staðarvalið og þessir gallar hverfa nær alveg þegar vindorkan er virkjuð utan við ströndina. Slíkar vindrafstöðvar eru talsvert dýrari í uppsetningu en þær sem eru reistar á landi, en jafnari og betri/stöðugri vindur bætir þann mismun að nokkru upp.

WindFarmChina

Helsta galla vindorkuvera er ekki að rekja til mannvirkjanna, heldur þess hversu óstöðug raforkuframleiðslan er. Vindur er síbreytilegur og ógjörningur að spá nákvæmlega fyrir um hvernig hann verður til lengri tíma litið. Fyrir vikið er „erfitt að sjá fyrir hvenær vindrafstöðvar munu skila raforku eða hvenær þurfi að keyra varaaflsstöðvar. Raforkuframleiðslan getur einnig verið óstöðug vegna flökts í vindstyrk“. M.ö.o. fela vindrafstöðvar ekki í sér sömu framleiðslugæði eða orkuöryggi og t.d. vatnsaflsvirkjanir. Þess vegna þurfa þeir sem nýta raforku frá vindorkuveri jafnan að hafa aðgang að varaafli. Sé slíkt varaafl fyrir hendi getur verið áhugavert að nýta vindorkuna í stórum stíl.

Sem dæmi má nefna að í Danmörku, þar sem vindorkuver standa undir hátt í 20% raforkunotkunarinnar á góðum degi, framleiða vindorkuverin nánast ekkert rafmagn í rúmlega 50 daga sum árin. Ástæða þess að Danir ráða við slíkar sveiflur eru góðar raforkutengingar við nágrannaríkin. Danir geta samstundis keypt rafmagn þaðan ef innlenda framleiðslan er ekki nægjanleg. Þetta er prýðilegt dæmi um það að Íslendingar gætu seint látið vindorku standa undir eins háu hlutfalli raforkuframleiðslu sinnar og Danir.

Þess má geta að dæmi eru um að vindorkuver trufli fjarskipti í næsta nágrenni, en á því eru til ódýrar lausnir og því telst þetta ekki stórvægilegt vandamál. Spaðarnir hafa valdið nokkrum fugladauða; t.d. hafa nokkrir ernir drepist í Noregi. Rannsóknir benda þó til þess að þessi áhætta sé hverfandi, sérstaklega ef forðast er að koma upp vindrafstöðvum á svæðum sem eru þekkt fyrir óvenju mikið fuglalíf.

Hvernig vind þarf til að framleiða rafmagn?

Venjulega byrja vindrafstöðvar að framleiða rafmagn um leið og vindurinn nær 3–5 m/s. Eftir því sem vindurinn eykst skilar stöðin meiri afköstum. Það eru þó takmörk á því hversu sterkur vindurinn má vera; hætta er á tjóni ef hann verður of mikill. Þess vegna eru vindrafstöðvar jafnan með sérstakan búnað sem slekkur á framleiðslunni ef vindurinn fer yfir tiltekið mark. Spaðarnir fara svo sjálfkrafa aftur að snúast þegar vindstyrkurinn minnkar á ný.

Þó svo að vindorkuver byrji að framleiða rafmagn þegar vindhraðinn fer í ca. 3–5 m/s er fleira sem þarf að huga að þegar meta skal hagkvæmni vindrafstöðva. Í fyrsta lagi er æskilegt að vindhraðinn sé að jafnaði mun meiri (afköst vindrafstöðvar aukast í þriðja veldi í hlutfalli við aukinn vindstyrk). Afköst vindrafstöðva nú á dögum eru oftast  hvað mest við 14–20 m/s vind., en þær geta almennt verið í gangi allt þar til vindhraðinn fer í 25 m/s. Þessar tölur eru reyndar misjafnar eftir framleiðendum.

Wind_workers_tower

Búast má við að umrædd hámarkstala (25 m/s) kunni að hækka eitthvað á komandi árum, t.d. vegna betri hönnunar á spöðunum, þ.e. að í framtíðinni geti slíkar vindrafstöðvar starfað í mun meiri vindi. Vindstyrkurinn er þó ekki það eina sem máli skiptir; miklu skiptir að vindurinn sé stöðugur svo rafmagnsframleiðsla frá vindrafstöðinni geti verið þokkalega jöfn. Við staðarval vindrafstöðva á Íslandi myndi því m.a. verða litið til vindstyrks, vindstöðugleika og tíðni stórviðra.

Er þetta fullþroskuð tækni eða má vænta framfara í vindorkuiðnaðinum á næstu árum?

Mikil reynsla hefur fengist af virkjun vindorkunnar; þetta er þroskuð tækni sem hefur þróast mjög á síðustu áratugum og hefur sannað sig sem hagkvæm raforkuframleiðsla og ábatasamur iðnaður. Sem dæmi um hve þróunin er gríðarlega ör má nefna að árið 1995 setti Evrópusambandið sér markmið um að sextánfalda rafmagnsframleiðslu frá vindrafstöðvum fyrir árið 2010 (sem þýddi að framleiðslugetan skyldi verða 40 GW). Því marki var þó náð miklu fyrr, eða fljótlega upp úr aldamótunum.

Samkvæmt nýjustu ársskýrslu Alþjóða vindorkusambandsins (World Wind Energy Association) var framleiðslugeta uppsettra vindrafstöðva í árslok 2008 samtals rúmlega 121 GW (hugtakið framleiðslugeta er hér í skýrslunni notað í sömu merkingu og uppsett afl). Það merkir að framleiðslugeta vindorkuiðnaðarins hefur tvöfaldast á tímabilinu 2005-08. Vindorkugeirinn mun vera sá hluti orkugeirans sem vaxið hefur hvað hraðast undanfarna tvo áratugi eða svo og nú er svo komið bæði í Bandaríkjunum og Evrópu að engin tegund endurnýjanlegrar orkuframleiðslu vex jafn hratt og vindorkan (sólarorkuiðnaðurinn getur að vísu stundum eignað sér þennan titil, allt eftir því hvaða viðmiðunartímabil er valið).

Wind_turbine_open

Vindorkuver virðast ekki mjög flókin tæknilega séð. Það sem blasir við augum manna eru turninn og spaðarnir sem vindurinn snýr. Rafallinn og sérstakur búnaður breytir svo þeirri hreyfiorku í rafmagn, en rafallinn er oftast í sérstöku húsi efst á turninum (það er ekki algilt). Miklu skiptir að hanna spaðana þannig að þeir nýti afl vindsins sem best og æskilegt er að þeir geti skilað góðum afköstum hvort sem vindur er lítill eða mikill.

Auk turnsins, spaðanna, rafalsins og vélarhúss eru helstu einingarnar í vindrafstöð tengibúnaður, gírbúnaður og fleira (reyndar eru til útfærslur þar sem gírbúnaðinum er sleppt). Nú er algengast að þrír spaðar séu á vindrafstöðvunum, þó svo að það sé ekki alltaf svo. Spaðarnir eru langoftast smíðaðir úr trefjagleri, en smærri spaðar þó stundum úr áli. Turninn er alla jafna úr stáli, en vegna þess hversu verð á stáli hefur hækkað undanfarin ár hafa komið fram hugmyndir um að nota frekar steinsteypu í turninn.

Veruleg samþjöppun hefur orðið í vindorkuiðnaðinum og í dag eru örfá fyrirtæki ráðandi á markaðnum. Þar eru stærst danska fyrirtækið Vestas, hið spænska Gamesa, þýsku fyrirtækin Enercon og Siemens Wind, indverska fyrirtækið Suzlon og hið bandaríska GE Wind. Þarna eru líka fjöldi annarra smærri fyrirtækja sem sífellt bjóða fram nýjar og athyglisverðar lausnir. Samkeppnin er veruleg og mikil barátta um að bjóða æ hagkvæmari vindrafstöðvar. Það má því gera ráð fyrir að framleiðslukostnaðurinn fari eitthvað minnkandi á næstu árum, þó svo að um þetta ríki vissulega mikil óvissa.

Hver er stærð og framleiðslugeta vindorkuvera?

Vindrafstöðvar eru mjög misstórar, en turninn getur verið hátt í 100 m hár og spaðarnir þá oft um 35–45 m langir. Margar útfærslur eru þó mun minni, en stærstu vindrafstöðvarnar eru enn hærri og með ennþá stærri spaða.

Þróun þessarar tækni hefur nánast verið ævintýraleg síðustu 20–25 árin. Á 8. áratugnum voru vindrafstöðvarnar oft með framleiðslugetu á bilinu 50–100 kW, en í dag er algeng framleiðslugeta einnar vindrafstöðvar um 2 MW og til eru vindrafstöðvar sem geta framleitt allt upp í 5 MW. Á 9. áratugnum var algengt að þvermál vindspaðanna væri um 20 m, en nú er þvermálið allt að 90 m.

Ein mikilvægasta ástæðan fyrir sífellt stækkandi vindrafstöðvum er sú að í þeim felst betri nýting og þar með meiri hagkvæmni. Framleiðslu- og rekstrarkostnaður stórra vindrafstöðva er einfaldlega hlutfallslega minni en margra smærri sem þarf til að framleiða jafn mikið af rafmagni.

wind_speed_importance

Tekið skal fram að varast ber að leggja of mikið upp úr tölum um framleiðslugetu virkjana, sérstaklega raforkuvera sem hafa mjög óstöðuga framleiðslu eins og vindrafstöðva. Meira máli skiptir hversu mikla raforku virkjunin framleiðir í raun og veru (kWh). Tölur um framleiðslugetu einstakra turna eða heilla vindorkuvera gefa þó þokkalega vísbendingu um það hvaða virkjanir framleiða meira rafmagn en aðrar. En fara verður sérstaklega varlega þegar framleiðslugeta vindorkuvers er borin saman við aðrar tegundir raforkuvera, t.d. vatnsaflsvirkjana sem almennt skila miklu betri nýtingu en vindrafstöðvar (þ.e. miðað við uppsett afl).

Nýting vindorkuvera (capacity) er oft á bilinu 20–40% og líklega er nýtingin mun oftar nær lægra gildinu. Það þýðir að til lengri tíma litið framleiða þau langt innan við helming og jafnvel einungis fimmtung af þeirri raforku sem þau gætu framleitt við bestu aðstæður. Það er því oft verulegt bil á milli uppgefinnar framleiðslugetu og raunverulegrar framleiðslu. Það þykir gott ef nýtingin fer yfir 30%; viðmiðun fyrir það sem teljast góðar aðstæður er oft nýting á bilinu 30–35%. Vindorkuverin nýta aftur á móti að jafnaði mjög vel þá orku sem í vindinum býr hverju sinni (efficiency).

Til skýringar má taka vindrafstöð með 1 MW framleiðslugetu og 30% nýtingu. Hún myndi þá framleiða sem nemur 2.628 MWh á ári. Til samanburðar notar venjulegt íslenskt fjögurra manna heimili 3.600–4.200 kWh á ári (húshitunin ekki talin með). Hafa ber í huga að ekki myndi öll raforkan frá vindorkuverinu verða notuð – framleiðslugetan á næturnar færi líklega að verulegu leyti til spillis (nema hún væri t.d. notuð til að dæla vatni í miðlunarlón).

Stærstu vindorkuverin er að finna úti í sjó. Þau eru kölluð offshore wind turbines á enskri tungu (hins vegar onshore á landi). Framan af var algengt að setja upp fáar eða jafnvel einungis eina vindrafstöð, en á síðari árum hefur orðið æ algengara að setja upp marga turna og jafnvel tugi á sama stað (á ensku er þá talað um wind parks).

Til skamms tíma voru tvö stærstu vindorkuver heims bæði utan við strendur Danmerkur; hvort um sig með um 80 turna og um 160 MW framleiðslugetu. Þessi vindorkuver eru kennd við Nysted á Lálandi og Horns Rev við Jótland. Eigendur þeirra eru danska fyrirtækið Dong Energi, sænska fyrirtækið Vattenfall og sænski hluti stórfyrirtækisins E.On. Það eru aftur á móti Vestas og Siemens sem eiga heiðurinn af tæknibúnaði þessara tveggja stóru vindraforkuvera.

Wind_China

Seint á síðasta ári tók mun stærra vindorkuver til starfa við strendur Bretlands, svokallað Lynd og Inner Dowsing-orkuver, tæpar 3 sjómílur út af strönd Lincolnskíris á austurströnd Englands. Framleiðslugeta þess er 194 MW og samanstendur af 50 vindrafstöðvum frá Siemens sem hver um sig getur framleitt rúmlega 3,5 MW.

Nú er verið að vinna að a.m.k. einu vindorkuveri sem verður 500 MW og á teikniborðinu eru vindorkuver sem áætlað er að verði með 1.000-1.500 MW framleiðslugetu. Það eru Evrópuríki og Bandaríkin sem einkum hafa uppi svo umfangsmiklar áætlanir um beislun vindorkunnar, en einnig eru uppi afar metnaðarfullar áætlanir í Kína. Bráðum verður sem sagt líklega til vindorkuver sem er með rúmlega tvöfalt meira uppsett afl en Kárahnjúka- og Fljótsdalsvirkjun. Tíminn einn mun leiða í ljós hvort eða hvenær þær áætlanir ganga eftir.

Er raforka frá vindorkuverum á samkeppnishæfu verði?

Fyrir um aldarfjórðungi, þ.e. upp úr 1980, var ennþá langt í land með að vindorka gæti keppt við þáverandi hefðbundna rafmagnsframleiðslu, nema með rausnarlegum styrkjum. Í kjölfar olíukreppunnar 1973–74 og aftur í kjölfar Íransdeilunnar 1979–80 jókst áhugi á vindorku mikið vegna verðhækkana á olíu og sveiflna í olíuverði. Fyrir vikið var allt kapp lagt á þróunarstarf og kostnaðurinn við raforkuframleiðslu með vindrafstöð lækkaði stórkostlega á fáeinum árum.

Nýjasti hvatinn fyrir ríki heims til að leggja ríka áherslu á vindorku eru skilyrði um að minnka losun kolefnis (þ.e. draga úr losun gróðurhúsalofttegunda). Þá er vindorkan auðvitað ekki eina lausnin; lykilatriðið er að stórauka hlutfall allrar endurnýjanlegrar orku til að draga úr þörf á brennslu jarðefnaeldsneytis. Bæði í Bandaríkjunum og hjá Evrópusambandinu virðist það einkum vera sólarorka og vindorka, sem njóta góðs af þessari stefnu.

Wind_Power_Sea_Sunset

Á síðustu tuttugu árum hefur kostnaður við að framleiða rafmagn frá vindorku minnkað um heil 90%. Í skýrslu bandaríska orkumálaráðuneytisins er heildarkostnaður vegna vindorkuvera, þ.e. uppsetningar og rekstrar, nú sagður vera mjög nálægt því sem gerist hjá raforkuverum sem knúin eru olíu eða gasi (kolaorkuverin eru aftur á móti ódýrust).

Forsvarsmenn vindorkuiðnaðarins eru iðnir við að benda á að ef kostnaður vegna umhverfistjóns og heilsutjóns sé reiknaður með, sé vindorka nú orðin ódýrari en nokkur önnur rafmagnsframleiðsla. Þessi munur er þó síbreytilegur vegna mikilla verðsveiflna á jarðefnaeldsneyti. Sem fyrr segir er búist við að tækniframfarir í vindorkuiðnaðinum muni áfram leiða til kostnaðarlækkana og ef olíuverð hækkar umtalsvert verður vindorkan ennþá samkeppnishæfari en nú er.

Almennt yrði vindorka á Íslandi líklega dýrari en t.d. orka frá stórum vatnsaflsvirkjunum. Um þetta liggja þó ekki fyrir neinar haldgóðar upplýsingar og svona fullyrðing því í reynd afar vafasöm. Þegar litið er til erlends samanburðar á kostnaði vindorku og annarra tegunda endurnýjanlegrar rafmagnsframleiðslu, kemur vindorka jafnan mjög vel út. Um þetta er nánar fjallað í 5. kafla skýrslunnar og hann verður að sjálfsögðu birtur fljótlega hér á Orkublogginu. Loks skal þess getið að árið 2020 er búist við að kostnaður við vindorkuver á landi hafi lækkað um 20-25% miðað við það sem nú er og lækkunin vegna vindorkuvera í sjó verði hvorki meira né minna en 40%.

Hverjir nýta vindorku?

Á síðustu árum og áratugum hefur virkjun vindorku verið sú tegund endurnýjanlegrar orku sem hefur vaxið hvað hraðast í heiminum og búist er við miklum vexti næstu árin. Fram til þessa hefur hinn hraði vöxtur orðið í ólíkum efnahagskerfum og í löndum með ólíkar náttúrulegar aðstæður. Lönd innan ESB eru þar í fararbroddi, en einnig Bandaríkin.  Nú síðast hafa kínversk stjórnvöld lagt mikla áherslu á að auka rafmagnsframleiðslu af þesu tagi og búist er við að á næstu árum vaxi vindorkumarkaðurinn hraðast í Kína. Í fljótu bragði virðist því augljóst að vindorka sé orðin hagkvæmur kostur víða um heim til að framleiða rafmagn í stórum stíl.

Danmörk er meðal þeirra ríkja sem hafa lagt hvað mesta áherslu á vindorkuiðnaðinn og danska vindorkufyrirtækið Vestas er með stærstu markaðshlutdeildina af öllum vindorkufyrirtækjum heims. Samkeppnin er þó mikil og ýmis stórfyrirtæki hafa náð sterkri stöðu á þessum markaði. Nefna mætti hér annað land (sem oft kynnir sig sem vindasamasta land Evrópu!), sem bindur gríðarlegar vonir við þessa tegund rafmagnsframleiðslu. Þar er um að ræða Bretland, en ekki eru nema um 18 ár síðan fyrsta vindorkuverið var reist á Bretlandseyjum. Fram til 2007 var vatnsafl stærsta grein endurnýjanlegrar orku í Bretlandi, en það ár fór vindorkan fram úr vatnsaflinu. Samkvæmt orkustefnu breskra stjórnvalda er stefnt að því að árið 2020 verði hlutfall vindorku í rafmagnsframleiðslunni yfir 15% (er nú rétt rúm 2%).

Vindorka er ekki bara nýtt í þeim löndum sem byggja fyrst og fremst á jarðefnaeldsneyti – þ.e. búa ekki yfir endurnýjanlegri orku í formi jarðvarma eða vatnsafls. Þó svo vatnsafl og jarðvarmi hafi löngum verið talin ein ódýrasta og hagkvæmasta leiðin til að framleiða rafmagn, þykja vindrafstöðvar henta vel innan sumra ríkja sem einnig eiga hefðbundnar orkuauðlindir af því tagi sem við þekkjum á Íslandi. Nefna má Nýja Sjáland sem dæmi og kannski enn frekar Noreg. Í báðum þessum löndum er verulegt vatnsafl fyrir hendi (og líka jarðvarmi á Nýja Sjálandi) en þar er engu að síður líka mikil áhersla lögð á uppbyggingu vindrafstöðva.

wind_turbines_timer

Sé Noregur tekinn sem dæmi, þá búa Norðmenn bæði yfir miklu vatnsafli og ógrynni af olíu og gasi. Þeir hafa engu að síður líka beislað vindorkuna til rafmagnsframleiðslu. Aftur á móti eru einungis til mjög litlar vindrafstöðvar á Íslandi; hér hefur ekki risið vindorkuver í líkingu við þau sem t.d. þekkjast í Danmörku, Noregi, Hollandi, Bretlandi, á Nýja Sjálandi, í Kína, Kanada, Bandaríkjunum og fjölmörgum öðrum löndum.

Hæst er hlutfall vindorkunnar í Danmörku, með um 19% framleiðslugetu alls raforkukerfisins. Þar á eftir koma Spánn og Portúgal með um 11% og Þýskaland og Írland með um 7%. Það land sem nú er með mestu framleiðslugetuna miðað við virkjað vindorkuafl eru Bandaríkin með rúmlega 25 þúsund MW. Þau tíðindi urðu á liðnu ári að Bandaríkin fóru fram úr Þýskalandi sem nú er með tæplega 24 þúsund MW framleiðslugetu í vindorku. Í þriðja sæti kemur svo Spánn með tæplega 17 þúsund MW framleiðslugetu.

Vatnsafls- og jarðvarmalandið Nýja Sjáland hefur byggt upp talsvert af vindorkuverum og er nú með 325 MW framleiðslugetu í vindorku – sem jafngildir u.þ.b. hálfri Kárahnjúkavirkjun (nýting Kárahnjúkavirkjunar á sínu uppsetta afli er þó mikið betri en hjá vindrafstöð). Vatnsafls- og olíuríkið Noregur hefur staðið sig enn betur að þessu leyti og var í árslok 2008 með 428 MW framleiðslugetu í vindorku.

Uppi eru áætlanir i Noregi að stórauka byggingu vindrafstöðva. Vangaveltur Norðmanna um að beisla vindorkuna svo hressilega eru ekki komnar til vegna aukinnar raforkunotkunar þeirra sjálfra. Ástæðan er fyrst og fremst markmið ESB um að stórauka hlutfall endurnýjanlegrar orku. Norðmenn sjá tækifæri til að geta mætt hluta af þeirri gríðarlegu eftirspurn með útflutningi á rafmagni framleiddu í vindrafstöðvum.