Vindkraft - Nu, då och i framtiden

Då, nu och i framtiden – Vindkraft

Uppfinningen jag har valt är vindkraft. Vindkraften har använts mycket längre än vad man kanske tror. Vinden har varit ett hjälpmedel för människan ända sedan vi satte upp vårt första segel. Vindkraften har inte bara utnyttjats med segel på båtar, utan i cirka 2000 år har man använt sig av stora maskiner som är drivna av vind. De användes förr för att mala mjöl av korn och att pumpa vatten. Det är svårt att sätta ett exakt datum då vindkraften uppfanns då det är något vi har använt oss av under en lång tid.

Utvecklingen

Den första riktiga maskinen driven med ett vinddrivet hjul var en orgel. Orgeln skapades av den grekiska ingenjören Herons runt år 100 e.Kr. Runt år 300 e.Kr i Kina och forna Tibet fanns det en bönekvarn som också drevs av ett vinddrivet hjul. Bönekvarnen fungerar på så sätt att den stora kvarnen snurrar. Rotationen av den stora kvarnen drev de mindre rullarna och fick dem rotera.

Runt 500 till 600 år efter Herons första vinddrivna maskin började väderkvarnar att användas. De första väderkvarnarna var horisontellt placerade. Lite senare började konceptet med väderkvarnar sprida sig till mellanöstern och Centralasien, och sedan vidare till Kina och Indien. De användes för att mala mjöl och pumpa vatten. Även vertikala väderkvarnar började byggas, de hade upp till 12 drivaxlar.

Väderkvarnarna introducerades i Europa runt 1100 talet, eller de dyker iallafall upp i europeisk historia då. Väderkvarnarna gjorde en stor skillnad på samhället i Europa. Tidigare hade man använt sig av vattenkraft för att driva malningen av korn och andra sädesslag. Det betydde att de platserna som inte hade tillgång till ett vattendrag kunde inte mala mjöl lika effektivt. Det var också så att det ofta var adeln och prästerna som ägde vattendragen, det gjorde så de lägre klasserna inte hade samma möjligheter att mala mjöl eftersom att adeln och prästerna tog betalt för att använda deras kvarnar. Det resulterade i att mjöl blev dyrt och bara vissa hade råd att mala.  Men med den nya konstruktionen väderkvarnar kunde alla på alla ställen mala mjöl och alla klasser ha tillgång till kvarnar att mala mjöl.  Eftersom att det var adeln och präster som ägde för det mesta all vatten kraft var det medelklassen som använde sig av vindkraft. Vindkraften var bättre att använda i den tempererade klimatzonen eftersom att väderkvarnarna inte påverkades av kylan då vattnet vid vattenkraftverken frös till is vid vintermånaderna. Väderkvarnarna gjorde det även det möjligt att pumpa vatten, det kunde ändvändas till att transportera vatten till områden där man tillexempel gör salt av havs vatten. Om det var översvämningar på åkrar använde man sig av väderkvarnar för att dränera åkern. 

Vid mitten av 1800-talet fanns det runt sex miljoner små väderkvarnar utplacerade i Amerika. De användes främst till att pumpa vatten till bevattningsprocessen av åkrar. Samtidigt försvann vindkraften från Europa då den industriella revolutionen hade börjat så började användningen av ångkraften och olja börja ta fart, men den skulle snabbt återvända.  Under 1800-talet skedde det en stor betydelsefull utveckling med vindkraften. I juli 1887 byggdes den första vindturbinen som producerade elektrisk energi. Den byggdes av professor James Blyth i Skottland. Vindturbinen användes för att producera elektricitet till upplysningen till hans stuga. Vindturbinen laddade en ackumulator där elen lagrades innan användning. Några år senare byggde han en till turbin som skulle vara en reserv till sjukhuset, men eftersom att turbinen inte ansågs som en ekonomisk hållbar energikälla tog aldrig hans vindturbiner fart.

Samtidigt som James Blyth byggde sin första vindturbin i 1887, byggde Charles F. Brush 1888 en vindturbin. den var den största vindturbinen som var 18 meter hög med en rotor på 17 meter i diameter. Tillskillnad från James Blyths vindturbin var denna vertikalt byggd med 140 drivaxlar av cederträ. Den används till att producera el till Brush laboratorium, som Blyths turbin lagrades energin i en ackumulator. Även fast turbinen var så extremt stor kunde den bara rotera långsamt vilket resulterade i att elen som producerades bara var 12 kW. Därav så var vindturbinen inte så effektiv till att producera el.

Det var den danske uppfinnaren och fysikern Poul la Cour som upptäckte att en vindturbin som roterade fotare och hade färre drivaxlar var mer effektiv med produktionen av elektrisk energi. Så det han gjorde var att bygga sin egen turbin. Han använde sin turbin för att lysa upp en skola med hjälp av ta ut vätgas genom elektrolys. Elen drev den kemiska reaktionen framåt. Problemet var att han inte kunde få en ständig produktion av el från vindturbinen. Det gjorde så mängden vätgas var olika hela tiden, därav så blev upplysningen av skolan inte konstant. Detta löste han genom att bygga en regulator som skulle ge ett ständigt flöde av el. Generaton kallades för ”Kratostate” och blev till stor användning vid produktionen av el genom vindturbiner främst Danmark men även stora delar av Skandinavien och Tyskland.

Tack vare Poul la Cour så fanns det under 1900- talet 72 vindturbiner som producerade elektrisk energi runt om i Danmark. De producerade var för sig mellan 5kW till 24 kW, beroende på storlek. De största vindturbinerna var 24 meter höga med rotorer på 23 meter i diameter. De hade fyra drivaxlar som var vertikalt placerade.

År 1957 byggde den danske uppfinnaren Johannes Juul en turbin med 24 meter i diameter, den hade en trebladigt rotor vilket liknar de vi använder idag. Likt de som fanns i Danmark tidigare var denna även vertikalt placerad.

21 år senare byggdes den första vindturbinen som kunde producera flera megawatt. Vindturbinen kallas för Tvind och ligger i Vestivlland (Danmark). Den förbättrade kapaciteten innebar att man kunde ha färre vindturbiner men ändå producera mer energi. Det som gjorde att den var kapabel till att producera denna mängd med energi var att man kunde ändra vinkeln på bladen mot vinden. Det resulterade i en effektivare produktion. Vindturbinen som byggdes fungerar fortfarande och är nästan identisk till de turbiner som används idag. Utvecklingen av turbinerna gick fort fram, i Danmark massproducerades turbinerna. Den konstanta produktionen tillät små ändringar av turbinerna att ske i varje produktion, vilket resulterade i en långsam och konstant förbättring. Tillskillnad från andra konstruktioner där stora ändringar måste göras på en gång. Kostnaden skulle bli för hög om en ny produkt skulle konstrueras vid varje liten ändring. Eftersom turbinerna fortfarande fungerade vid varje ändring blev det inte dyrare.

Efter konstruktionen av turbinen Tvind började vindturbinerna att sprida sig till resten av världen i en mycket större skala. Det byggdes liknade turbiner som Tvind runt om i världen. Tillexempel i Kalifornien fick man skatte avdrag med vindturbiner, det var början till explosionen av dem i USA.

I slutet av 1900-talet började världen bli mer uppmärksam om klimatförändringar och hållbarutveckling. Att hitta ett sätt att producera hållbar el blev viktigare. Det var då man riktigt börja tänka på vindkraften som en lösning. Idag kan vissa vindkraftverk vara 100 meter höga och ha en diameter på 105 meter, det är nästan 5 gånger större än vad de var för cirka 50 år sedan. Des kapacitet är nästan tusen gångar bättre än vad Poul la Cours var, med en produktion på 8MW. Många av våra vindkraftverk byggs till havs då de inte stör vår omgivning. De blir även mer effektiva där då det blåser mer till havs. Enligt vattenfall.se, står de vindkraftverk i havet för fem procent av EU:s totala vindkrafts produktion. År 2030 har vattenfall.se räknat med att vindkraft till havs kommer att vara vanligare en på land.

Hur fungerar vindkraftverk?

(överkurs) Vindkraftverken fungerar kortfattat att med hjälp av vinden roterar rotorn. Rotorn är kopplad till en generator, i generatorn omvandlas rotationen till el. Men eftersom att vinden inte är konstant är det inte lika effektiv som tillexempel vattenkraften. För att man ska få en produktion av el måste det blåsa mellan 3 och 25 m/s, men för att producera el som bäst ska det blåsa mellan 12 och 15 m/s. Som vindkraftverket Tvind i Danmark, består de flesta vindkraftverk av tre rotorblad. Rotorbladen är fastsatta i ett nav. Bakom navet finns det vanligtvis en växellåda. Växellådans uppgift är att omvandla rotationen till en rotation som kommer att passa generatorn. Tornet eller pinnen som är gjort av halsade stålplattor som bär upp rotorbladen står ljuten i betong på marken. Man kan även konstruera rotorbladen på olika sätt Pitch-reglering och Stall-reglering. Pitch-reglering är när rotorbladen roterar runt sin egen axel. Den andra, stall-reglering är när bladen är fastsatta i navet.  Den vinkeln som bladen är ställda i mot vinden gör så att när blåsten ökar kommer inte rotationen att bli för kraftig för växellådan samt generatorn. Mellanskiktet av bladens skal är gjord av balsaträ. Båda sidorna täcks sedan av glasfiberväv som gjuts tillsammans med epoxilim i en jätteform. Hela rotorbladet är ihåligt och det går att gå raklång inuti, även när de är monterade. Materialet av vindkraftturbinen har inge speciell miljöpåverkan.

För och nackdelar

Fördelar

Den främsta fördelen med vindkraft är att vind är en förnybar energikälla som aldrig kommer att ta slut och som inte har någon större påverkan på miljön. Att producera el med hjälp av vindkraft genererar inga utsläpp, och vindkraftverken skadar inte heller naturen eller den biologiska mångfalden under drift. Om man vill riva ner dem går det lätt att återställa landskapet mer eller mindre till sitt ursprungliga utseende. Vind är även en gratis resurs, till skillnad från exempelvis kol och olja.

Vindkraftverken går också att anläggas ute till havs där de är mindre störning på den mänskliga miljön.

Nackdelar

Det finns också nackdelar med vindkraft. Även om de stora, vita rotorerna inte orsakar permanent skada på naturen förändrar de landskapet drastiskt. Rotorerna kan skapa skuggor och reflexer som är störande for de som bor i närheten. Under drift så skadar inte vindkraftverken landskapet runt omkring men under konstruktionen så byggs det vägar för transport av exempelvis råvaror och träd avverkas i processen då vindkraftverken samt vägarna ska få plats.

På nära håll så genererar vindkraftverken också ljud som kan vara störande. Studier har dock visat att djur som lever i närheten av vindkraftverk snabbt vänjer sig, och inte störs i sitt normala beteende.

 Vind är som sagt en gratis resurs men precis som alla andra produkter behöver vindkraftverk råvaror för att kunna produceras. 

En annan nackdel är att man inte kan kontrollera vinden så att man får ett jämnt flöde, som man kan med tillexempel vattenkraft. Man försöker bygga vindkraftverken där det blåser som mest i Sverige som på Gotland, Öland, Västkusten och Skånes kust, men även där varierar även vinden. Detta gör så att även elproduktionen blir ojämn. Därför gå det inte att ha en elproduktion som är helt baserad på vindkraft. Produktionen måste alltid kompletteras med någon form av annan stabil produktion, som vattenkraft.

 Denna nackdel kompenserar dock lite av att produktionen av el från vindkraft blir högre när den behövs som mest. Det blåser mer under vintern, då det är kallare och man behöver mer el.

Jämfört med kärnkraft, kolkraft och naturgasverk osv så behövs det 500 – 1500 vindkraftverk för att kunna ersätta ett sådant kraftverk.

Det är svårt att anlägga vindkraftverken i närheten av förbrukarna och därför så krävs det långa transportsträckor av elen. Under transporten så förlorar man en procentuell del av elen.

Vindkraftverk som är anlagda ute till havs kan rubba det marina ekosystemet då det kan förekomma föroreningar under konstruktioner samt kablar som ligger efter havsbotten som kan ge påverkan på marint liv och ge elektriska störningar.

Framtiden

För vår framtid med hållbar utveckling kommer vindkraft vara en viktig del av el produktionen. EU har investerat i forskning inom vindkraft för att få turbinerna att var effektivare och förhoppningsvis producera 15-20 MW, (nuvarande produktion ligger på kring 8MW). De vill även att turbinerna ska vara längre i drift, cirka 20 år med minimerad reparation. Forskningen infattar även den ekonomiska delen, att göra de så ekonomiskt hållbara som möjligt. Den ekonomiska delen är viktig då EU vill främja en social, ekonomisk och biologisk hållbarutveckling.  Det har räknats med att år 2020 kommer 14 procent av EU:s el konsumtion vara från vindkraft. Just nu förväntar EU att lägga ned 60 miljarder euro på forskningen om vindkraft fram till 2020.

Jag skulle vilja att man ska fortsätta forska och utveckla vindkraftsverken till en så hållbar och miljövänli...