5.3 Vindkraft og andre fornybare energikilder

Energi som aldri tar slutt

Stå et øyeblikk ute på en blåsig dag og kjenn vinden dytte deg bakover. Den krafta du kjenner, er bevegelsesenergi – og den kan gjøres om til strøm. Norge er heldig stilt: vi har vannkraft i fjellene, vind langs kysten, bølger som ruller inn fra havet, og varme gjemt i grunnen under føttene våre. Til sammen utgjør dette en skattekiste av fornybar energi.

Men for å hente ut energien må vi forstå teknikken bak. Hvordan klarer en vindturbin å fange vinden og gjøre den til elektrisitet? Hva skiller en turbin med vannrett aksling fra en med loddrett? Hvordan kan en varmepumpe gi deg flere kilowattimer varme enn strømmen den bruker? Og kanskje viktigst av alt – siden sola ikke alltid skinner og vinden ikke alltid blåser: hvordan lagrer vi energien til den faktisk trengs? Det er reisen vi skal ut på nå.

Vindturbinen og kubens makt

En vindturbin gjør bevegelsesenergien i vinden om til elektrisk energi via en generator. Det finnes to hovedformer. Horisontalakse-turbinen (HAWT) er den du ser i store vindparker: rotorbladene står vannrett, vinkelrett på vinden, gjerne tre blad, og turbinen må vri seg mot vinden med et yaw-system. Tårnet kan være 80 til 150 meter høyt. Vertikalakse-turbinen (VAWT) har derimot en loddrett aksling og fanger vind fra alle retninger uten å måtte snu seg. Den er enklere og kjekk i bystrøk, men har lavere virkningsgrad.

Nå kommer det viktigste, og det er litt overraskende. Den tilgjengelige effekten fra vinden er gitt ved $\displaystyle P = \frac{1}{2} \rho A v^3$, der $\rho$ er lufttettheten på rundt 1,225 kg/m³, $A$ er sveiparealet til rotoren, og $v$ er vindhastigheten. Legg merke til at hastigheten står i tredje potens. Det betyr at hvis vinden dobler seg, blir effekten ikke dobbelt så stor – den blir åtte ganger så stor, fordi $2^3 = 8$. Litt mer vind gir altså enormt mye mer energi.

La oss regne på en turbin med rotordiameter 90 meter i 12 m/s vind. Først sveiparealet: radien er 45 m, så $A = \pi r^2 = \pi \cdot 45^2 = \pi \cdot 2025 \approx 6362$ m². Så effekten: $\displaystyle P = \frac{1}{2} \cdot 1{,}225 \cdot 6362 \cdot 12^3 = \frac{1}{2} \cdot 1{,}225 \cdot 6362 \cdot 1728 \approx 6{,}73$ MW. Men en turbin klarer ikke å fange alt – med en virkningsgrad på 40 % blir den faktiske elektriske effekten $6{,}73 \cdot 0{,}40 \approx 2{,}69$ MW. Selve omdanningen skjer i generatoren, som via elektromagnetisk induksjon gjør rotasjon til strøm – enten med girboks som veksler det lave rotorturtallet opp, eller direktedrevet uten girboks for færre bevegelige deler og mindre vedlikehold.

Bølger som ruller og varme som pumpes

Vinden er ikke den eneste kraften vi kan høste. Havet rundt Norge er fullt av energi, og bølgekraft utnytter bevegelsen i bølgene til å lage strøm. Det finnes flere oppfinnsomme løsninger: Pelamis er en flytende "slange" som bøyer seg når bølgene løfter den, og bøyningen driver hydrauliske pumper. En oscillerende vannsøyle presser luft fram og tilbake gjennom en turbin når bølgene stiger og synker. Og punktabsorbenter er flytende bøyer som beveger seg opp og ned. Vestkysten av Norge, med sin lange kystlinje og kraftige bølger, er som skapt for dette.

Men en av de mest forbløffende teknologiene står kanskje i mange hjem allerede: varmepumpen. Den henter varme fra omgivelsene – uteluft, bakken eller vann – og "pumper" den opp til en høyere temperatur du kan varme huset med. Den jobber egentlig som et kjøleskap, bare baklengs: et kuldemedium fordamper ved lav temperatur, blir komprimert, og avgir så varme ved høy temperatur. Det magiske målet på en varmepumpe er COP, Coefficient of Performance, som typisk ligger på mellom 2 og 5. En COP på 3 betyr at for hver kilowattime strøm du putter inn, får du ut 3 kilowattimer varme. Varmepumpen trikser ikke med energiloven – den "stjeler" gratis varme fra omgivelsene og bruker bare strøm til å flytte den inn.

La oss se hvor mye det betyr. Et hus bruker 20 000 kWh i året på direkte elektrisk oppvarming. Setter vi inn en varmepumpe med COP = 3, blir det nye strømforbruket $20\,000 / 3 \approx 6667$ kWh. Besparelsen er $20\,000 - 6667 = 13\,333$ kWh – altså rundt 67 % mindre strøm til oppvarming. Med en strømpris på 1,50 kr/kWh sparer huset $13\,333 \cdot 1{,}50 \approx 20\,000$ kr i året.

Å fange energien til senere

Det store problemet med fornybar energi er enkelt å formulere: den lages ikke alltid når vi trenger den. Vinden blåser om natta når ingen bruker strøm, og solskinnet er på sitt sterkeste midt på sommeren. Derfor er energilagring helt avgjørende, og her finnes det flere strategier.

Først batterier. De vanligste er litiumion (Li-ion) med høy energitetthet, brukt i mobiler, elbiler og stasjonær lagring. En tryggere variant er litiumjernfosfat (LFP) med lang levetid, mens de gamle blybatteriene er billige men tunge. Batterier har en stor styrke: de er svært effektive, med 85 til 95 % tur-retur-virkningsgrad, og de svarer lynraskt. Svakheten er at de blir dyre i virkelig stor skala og taper kapasitet over tid. De passer derfor best til korttidslagring, fra timer til noen dager.

Så har vi hydrogen, som spiller en helt annen rolle. Med elektrolyse spalter vi vann til hydrogen og oksygen ved hjelp av strøm: $2H_2O \rightarrow 2H_2 + O_2$. Senere kan en brenselcelle gjøre det motsatte og lage strøm igjen. Hydrogen kan lagres i enorme mengder over lang tid uten selvutlading – perfekt for sesonglagring, der vi tar vare på sommerstrøm til vinteren. Haken er den lave totalvirkningsgraden på bare 30 til 40 %, fordi vi taper energi både ved elektrolyse og i brenselcellen. I tillegg finnes velprøvde metoder som pumpekraftverk, der vann pumpes opp i et magasin når strømmen er billig og slippes ned gjennom en turbin når behovet er stort, samt svinghjul og komprimert luft.

Skal du lagre overskudd fra en vindpark over en hel sesong, vinner derfor hydrogen klart over batterier: batterier blir altfor dyre i så store mengder og mister kapasitet over tid, mens hydrogen kan ligge og vente til kulda kommer.

Oppsummering

Vi har sett hvordan Norge kan høste energi fra naturen og ta vare på den. Vindturbiner gjør bevegelsesenergi om til strøm via en generator, med effekten $\displaystyle P = \frac{1}{2}\rho A v^3$ – der vinden teller i tredje potens, slik at dobbel vind gir åtte ganger effekten. Horisontalakse-turbiner er mest effektive i store parker, mens vertikalakse-turbiner fanger vind fra alle kanter. Bølgekraft utnytter havets bevegelse, og varmepumper leverer 2 til 5 ganger mer varme enn strømmen de bruker, med COP som mål.

Siden fornybar energi ikke lages når vi trenger den, må vi lagre den. Batterier er effektive og raske til korttidslagring, hydrogen egner seg for sesonglagring tross lav virkningsgrad, og pumpekraftverk er en velprøvd løsning for storskala. Kunsten er å koble riktig lagringsmetode til riktig behov.