Kronik: Sådan kan Nordsøens vindmøller dække Europas elforbrug

Kronik: Sådan kan Nordsøens vindmøller dække Europas elforbrug

Jens Nørkær Sørensen er professor ved DTU Vindenergi Foto: Joachim Rode

Offshore-vindenergi leverer allerede i dag en stor del af den samlede produktion af elektricitet i Danmark, og der er fortsat planer om en storstilet udbygning af vindkraft i Nordsøen. Et spørgsmål man her kan stille sig er, om der er naturlige begrænsninger for, hvor meget vindenergi kan bidrage til den samlede elproduktion.

Hvis man for eksempel forestiller sig, at Nordsøen benyttes som vindenergikilde, vil der så være vind nok til at forsyne hele Europa med strøm? Eller vil tilstedeværelsen af et så massivt antal vindmøller influere så meget på vindpotentialet, at selv Nordsøens vind ikke er nok til at levere den nødvendige strøm? I det følgende vil jeg forsøge at eksemplificere det bidrag, som Nordsøen teoretisk set vil kunne levere til Europas energiforbrug.

Det første man skal gøre sig klart er, at tilstedeværelsen af vindmøller i sig selv er med til at bremse vindhastigheden. Inde i en vindmøllepark ‘skygger’ møllerne for hinanden, således at det samlede vindpotentiale reduceres.

Hvis man forestiller sig en massiv udbygning af vindenergi med en eller flere store vindmølleparker i Nordsøen, vil vindforholdene inde i selve parken være i balance med vinden i det atmosfæriske grænselag, der omgiver parken. Denne balance kan benyttes til at modellere parken som en ruhedszone med en friktionsparameter, som afhænger af den aksiale belastning på vindmøllernes rotor. Modellen vil i det følgende blive benyttet til at vurdere potentialet for en massiv udbygning af vindkraft i Nordsøen.

I modellen indgår en række parametre, som i det følgende eksempel er forenklet, for ikke at gøre tingene unødvendigt komplicerede. Generelt afhænger vindhastigheden af højden over jord- eller vandoverfladen, hvilket her vil sige vindmøllens navhøjde.

Parametrene, der ligger til grund for opbremsningen på grund af vindmøllernes egen tilstedeværelse, er densiteten af møllerne, dvs. hvor tæt de er sat op, og den aksiale belastning. I det følgende antages en gennemsnitlig uforstyrret vindhastighed på 11 m/s i 100 meter højde, hvilket er en typisk værdi for Nordsøen.

Ved at anvende ruhedsmodellen kan den nedbremsede vindhastighed bestemmes for forskellige parkdensiteter. Som grundlag for analysen benyttes data for typiske vindmølleparker. Generelt er den gennemsnitlige afstand mellem møller i en havmøllepark 6-8 diametre, men for den svenske Lillgrund vindpark er afstanden helt nede på 3,5 diametre.

Jo tættere møllerne er placeret på hinanden, jo mere vil vinden blive nedbremset, hvilket reducerer parkens samlede effektivitet. For eksempel vil en placering med en relativ afstand mellem møllerne på 4 diametre give anledning til en reduktion af vindhastigheden på op til 44 pct.

Dette giver yderligere anledning til en effekt, som kun er omkring 25 pct. af, hvad der kan opnås for et tilsvarende antal vindmøller placeret uden skyggevirkning. Med en afstand mellem møllerne på 6-8 diametre medfører skyggevirkningen en effektreduktion på omkring 50 pct. i forhold til en skyggefri møllepark.

Selv om en mulig massiv udbygning af vindkraft i Nordsøen således kun kan udnytte en vis andel af den tilgængelige vindenergi, er der alligevel en række fordele ved at udbygge vindkraft på vandet. Dels er vindhastigheden større end på landjorden, dels er vinden mindre turbulent, og derved mere skånsom med hensyn til strukturelle træthedsproblemer, hvilket øger møllernes levetid, og dels er kapacitetsfaktoren større end på landjorden. Endelig, og ikke mindst, fjerner man de visuelle og støjmæssige gener, som vanskeliggør en yderligere udbygning af vindkraft på land.

For at vurdere, hvor stort et areal det er nødvendigt at inddrage for at producere elektricitet til hele Europas befolkning, kan man ud fra modellen beregne den gennemsnitlige effektintensitet, dvs. middeleffekt pr. arealenhed. Her anvendes traditionelt vindeffekt pr. overstrøget rotorareal, men i nærværende tilfælde er det middeleffekten per arealenhed af Nordsøen, som er interessant.

Denne kan bestemmes ved at sammenkæde den relative afstand mellem møllerne med den enkelte mølles effektbidrag. Hvis man varierer mølleafstanden fra 4 til 10 diametre, vil effektintensiteten variere fra 3,8 W/m² til 1,0 W/m². Den største intensitet fås naturligvis ved at placere møllerne tæt på hinanden.

Til gengæld betyder det, at energiprisen (pris pr. produceret kWh over møllens levetid) øges, da der skal flere møller til at dække den samme effektproduktion. For eksempel vil man ved at øge mølleafstanden fra 4 til 8 diametre reducere antallet af vindmøller til det halve for den samme produktion. Til gengæld vil det nødvendige areal blive firedoblet.

Det unikke billede fra havmølleparken på Horns Rev viser de turbulenser eller ‘wakes’, som vindmøller skaber for hinanden – og som dermed nedsætter energiproduktionen. Ifølge specialister på Risø DTU opstår fænomenet i et vejr med høj luftfugtighed. Når vinden blæser hen over vingerne, vil trykfaldet på bagsiden af disse få vanddampen i luften til at fortætte og dermed blive synlig.

Som et bud på en potentiel fremtidig massiv udbygning af vindenergi i Nordsøen kan man tage udgangspunkt i en møllestørrelse med en diameter på 200 m (svarende ca. til en 10 MW-mølle) placeret i en vindmøllepark med en gennemsnitlig mølleafstand på 7 diametre. Dette giver en gennemsnitlig effektproduktion på omkring 2 W/m².

I Danmark er det årlige elforbrug på omkring 35 TWh, hvilket giver et gennemsnitligt elforbrug på 730 W/person. Hvis det antages, at det gennemsnitlige elforbrug i Europa som helhed er på 800 W/person, kræves et areal på 400 m² pr. person. Dette svarer til et areal på 2.200 km² for at dække Danmarks elforbrug og på omkring 200.000 km² for at dække hele Europas elforbrug.

Da transportsektorens energiforbrug nogenlunde svarer til elforbruget, ville en samtidig elektrificering af den samlede europæiske transportsektor kunne dækkes med et tilsvarende areal dækket af vindmøller. Med et areal af Nordsøen på omkring 575.000 km² vil det således i princippet være muligt at dække Europas samlede elforbrug, inklusive en elektrificeret transportsektor.

Der vil naturligvis være en række praktiske udfordringer forbundet med en så stor udbygning af vindenergi – men det er en helt anden historie.

Læs en mere uddybende gennemgang af beregningen HER

Kommentarer (33)

Nogen gange er det meget interessant at stille den slags spørgsmål og regne dem igennem med simple forudsætninger.

Et spørgsmål til kronikøren må så være at nu er der jo dybde forskelle og skibsruter, så hvor meget vil man egentligt skønsmæssigt kunne hente derude?

  • 5
  • 1

Hej Jens,

En udfordring med en vindmøllepark er ujævnheder i elproduktionen.

Fotoet fra Horns Rev viser at der for visse vindretninger må ske et ganske betydeligt dyk i produktionen, selvom vindhastigheden er uændret.

Kunne man ikke tage højde for det med en anden geometri i opstillingen ?

I det simple tilfælde at alle vindretninger er lige sandsynlige kunne man f.eks. opstille møllerne i koncentriske cirkler, så ville den indbyrdes skyggeeffekt være omtrent uafhængig af vindretningen.

Hvilke tanker har fagkundskaben gjort sig om gemoterier der kan minimere skyggeeffekten i en vindmøllepark?

  • 1
  • 0

Danmark er det årlige elforbrug på omkring 35 TWh, hvilket giver et gennemsnitligt elforbrug på 730 W/person.

Det regnestykke giver ingen mening? 35 TWh giver ved en befolkning på 5 millioner et gennemsnitligt årligt forbrug på ca 6400 kWh. Eller et gennemsnitlig effektforbrug på 730 watt?

  • 4
  • 1