Hva om all vind ble brukt til strøm?

800px-Wb_deichh_drei_kuhsVindkraft står i dag for 3% prosent av verdens elektrisitetsproduksjon. Hvor høy kan den andelen bli hvis virkelig vi går inn for det? Kan vi leve av vind alene? Et ferskt studium publisert i Nature Climate Change gir oss de første realistiske overslagene over naturens grenser – og svarene er imponerende.

Vindkraft 101

Jorden er dekket av en mange kilometer tykk atmosfære av gasser. Når solen skinner på den ene siden av jorden, og dessuten varmer opp land lettere enn hav, mer ved ekvator enn ved polene og så videre, skapes det temperaturforskjeller i disse gassene. Dette får dem til å bevege seg. Tar vi så med effekten av at jorden går rundt så sitter vi igjen med et fantastisk rikt system av gasser i bevegelse i tre dimensjoner – eller som vi kaller det, vind.

Hvordan en vindmølle virker. Sånn omtrent.

Hvordan en vindmølle virker. Sånn omtrent.

Når noe beveger seg så har det energi, og denne energien kan vi hente ut. Dette er prinsippet bak vindkraft. Vinden dytter på bladene på en vindmølle, og får den til å gå rundt. Vindmøllens runddans kobles til en magnet, som går rundt inne i en spole av elektriske ledninger. Det roterende magnetfeltet dytter på elektroner i ledningene, og vi får elektrisk strøm. Ingen store overraskelser her.

Men vindmøllen påvirker også luften tilbake. Den henter jo ut energi, som betyr at vinden som blåser bort fra vindmøllen må gå litt saktere enn den som treffer den. Vindmøllen bremser atmosfæren – bittelitt. I dagens praksis betyr dette at man har kommet frem til en grense for hvor tett det er lurt å sette vindmøller. Dagens største turbiner bør ikke stå tettere enn 1.5 per kvadratkilometer, men jo mindre de er jo tettere kan de stå.

Vindkraft på steroider

Tenk om alle andre kraftkilder enn vind plutselig ble borte. Kunne vi klart oss med bare energien i vinden? Eller sagt på en annen måte, hvor mye energi kan vi trekke ut av atmosfærens bevegelser?

Det er greit å skjønne at det må være en grense her et sted. Energien i vinden kommer fra solen, så en absolutt øvre grense vil være å trekke ut all energien den overfører til luften – men dette tallet blir for høyt. Som vi har sett så påvirker vindmøllene selv vinden, så på ett eller annet punkt vil tettheten av vindmøller bli så høy at det ikke lønner seg å sette inn en til selv om det fortsatt er vind.

Det er dette klimaforskerne Kate Marvel, Ben Kravitz og Ken Caldeira har undersøkt. I en fersk artikkel i tidsskriftet Nature Climate Change presenterer de et studium med en av verdens mest deltajlerte klimamodeller. De har tatt informasjonen vi alt har om hvor mye en vindmølle kan hente ut og hvor mye den påvirker atmosfæren, og spredt dette ut over hele planeten. Effekten av vindmøllene tas så hensyn til videre i klimamodellen, slik at de kan se hvor mye en viss mengde vindmøller påvirker klimaet tilbake.

Vi har enormt med energi tilgjengelig

Dagens energiforbruk for alle menneskelige aktiviteter på hele planeten, fra alle energikilder, er anslått til 18 TeraWatt (TW). En watt er en joule per sekund, og en joule er omtrent energien som slippes fri når et eple faller en meter ned, og Tera betyr tusen milliarder. Vi henter akkurat nå ut nok energi fra naturen til å løfte atten tusen milliarder epler på jorden til brysthøyde hvert eneste sekund.

Marvel og kolleger fant at hvis vi holder oss til vinden ved jordens overflate, som er det vi såvidt har begynt å utnytte i dag, så kan vi i prinsippet hente ut over 400TW. Det er 20 ganger mer enn dagens energiforbruk fra alle kilder til sammen. Hvis vi så tar inn over oss at atmosfæren er ganske mye høyere enn dagens vindmøller og utnytter det også, så blir tallet mer enn 1800TW – hundre ganger dagens forbruk.

Det er med andre ord overhodet ikke noe problem å dekke hele verdens energibehov med bare vindkraft for all overskuelig fremtid. I prinsippet. De praktiske problemene med det, som utplassering av vindmøller, energilagring og transport og så vidre kan naturlig nok ikke studeres i en klimamodell.

Klimaeffekten er neglisjerbar

...ja? Hvorfor ikke?

…ja? Hvorfor ikke?

Det man derimot kan studere i disse modellene er om uthenting av såpass mye energi fra atmosfæren vil endre på klimaet. Det ville jo vært dumt å legge om til en alternativ energiform for (blant annet) å komme oss unna klimaendringer, bare for å skape andre like store problemer.

Det virkelig nye med dette studiet er at det gir et godt svar på akkurat det spørsmålet, siden det er brukt en såpass detaljert klimamodell. Den viser at så lenge vi holder oss under 400TW med uthentet vindkraft – altså 20 ganger dagens totalte energiforbruk – så vil effektene være minimale. Forfatterne finner en oppvarming på 0.01 grad, en endring i nedbør på rundt 1% og en liten endring i atmosfærens sirkulasjonsmønstre. Alt dette er godt innenfor de årlige variasjonene vi alt ser, og i motsetning til dagens globale oppvarming er det en engangseffekt – ikke noe som samler seg opp og blir sterkere for hvert år. Storskala uthenting av vindkraft er derfor «trygt» – ihvertfall i denne sammenhengen.

Realisme…?

Det er så klart ingen som hevder at dette er realistisk i dag. Det vil være enorme utfordringer knyttet til å bygge ut vindkraft på denne måten, i en verden hvor vi i dag sliter med plasseringen av hver eneste nye vindmølle. Men av og til er det viktig å heve seg over politikken og økonomien og være litt prinsipielle. Det hevdes av og til at vindkraft aldri vil kunne dekke verdens behov. Det kan den. Det er i høyeste grad nok energi der ute, og den er så fornybar som den kan få blitt. Vi kan hvis vi vil – spørsmålet er bare om vi synes det er verdt investeringen å gjøre det slik.

Forfatterne av det nye studet oppsummerer det selv slik:

«…it seems that the future of wind energy will be determined by economic, political and technical constraints, rather than global geophysical limits.»

Her observerer vi bare at om vi kan gå over til en energiform som det vil være mer enn nok av for all overskuelig fremtid, og dessuten stanse dagens klimaendringer uten å introdusere nye, så må vel det være en vind-vind-situasjon?

Referanse: Geophysical limits to global wind power, Kate Marvel, Ben Kravitz & Ken Caldeira, Nature Climate Change 3, 118–121 (2013)

11 comments

  1. stein-ove · januar 30, 2013

    Norge prodeuserer ca 120 TWh vannkraft og eksporterer ca 1200 TWh gas, i tilleg kommer det samme med olje. Er 400TW efekt, eller installert masinkapasitet, og hva er i tilfelle brukstiden for denne kapasiteten. Virkningsgraden ?

    • Bjørn H. Samset · januar 30, 2013

      Hei Stein-Ove,

      studiet er veldig prinsipielt og går ikke inn i den typen praktiske detaljer – som jeg kommer kjapt inn på mot slutten av innlegget. Poenget er at energien er der, litt som vi vet at den er der i all oljen som fortsatt ligger i bakken – spørsmålet om hvordan man får tak i den, får gjort den om til strøm, får brukt den i hjemmene o.s.v. vil så klart redusere alle anslag.

      «400TW» betyr her bare å hente ut 400 joule per sekund fra energien i vind, ad en eller annen vei. Hvis vi bruker dagens vindteknologi må vi gange inn med effektivitetsfaktorer på rundt 50%, samt ta masse andre hensyn, men hvis vi er litt realistiske: Innen vi kommer så langt at vi kan starte storskala implementering av vindkraft – av typen 50% av verdens behov eller mer – så vil teknologien også ha utviklet seg en god del. Det er en del fundamentale begrensninger i hvor mye energi du kan utvinne fra en enkelt vindmølle. men det er mye rom for teknologiske forbedringer enda. Jeg tror den viktigste beskjeden fra dette studiet heller er «jo, dette er verdt å satse på, på lik linje med andre fornybare kilder som f.eks. sol». Sol kan også dekke alle behovene våre hvis vi bare får det til. En kombo av de to vil jo være utmerket?

      Bjørn

      • KEE · februar 11, 2013

        «En kombo av de to vil jo være utmerket?»
        Nei, ikke utelukkende. Du må ha med en tredje faktor:Lagring til forbruk for de dagene mølla ikke går, for de dagene det er overskyet og vindstille og for de nettene det er mørkt og vindstille. Og jaggu har vi en kanin å trekke opp av hatten her også i energilandet vårt: Med vår høydeforskjell i vankraftanlegg, med allerede kjent og delvis installert teknologi kan vi bruke perioder med overskuddskraft fra vind og sol til å pumpe vannet opp i magasinene, og dermed øke vannkraftens evne til å ta av svigningene betydelig. Helt tradisjonell vannkraft med bare enveiskjøring nedover vil jo også være viktig for å holde elsrømmen jevn, men her har vi vel ikke så mye mer å bygge ut før naturvernhensyn tilsier stopp.

  2. Kjell Ingvaldsen · januar 30, 2013

    Nei, nei, nei, dette er IKKE en vinn-vinn-situasjon! Tenk bare på hvor mye mindre stigningen i oljefondet blir med å tillate slike ikke-oljebaserte energikilder. Dette tullet må stoppes snarest mulig!

    Kjell Ingvaldsen

    • Bjørn H. Samset · januar 30, 2013

      Huff ja… Men egentlig er alt dette irrelevant siden vi nå får høre at vår største trussel egentlig er katter:

      http://www.dagbladet.no/2013/01/29/nyheter/dyrenes_nyheter/dyr/utenriks/katt/25500991/

      😉

      Bjørn

      • Carbomontanus · januar 30, 2013

        Der har jeg gledelig nytt.

        Det forlyder fra Rhode Island oppe i skogen der, at de har Coyote i skogen, som tar huskattene.
        Hvilket bare viser hvor dekadente de er så langt jeg har kunnet bringe i erfaring. Felix domesticus L. tar hvasomhelst av canider om den bare er istand.

        Jeg har sett den ta skarpe, afrikanske Basenjis helt suverent. Og NRK TV1 viste ganske klart at Pus klarer å sette to interesserte rødrever i age, elementært og ganske kvasst.

        Har de ikke bedre katter enn som så, da får de slutte å gi den kittikatt og slutte å kastrere den, og gi den heller blodfersk fjordsild og lever og nyfisket bergnebb fra havna.

        Da blir den dobbelt så lang og trigger totalt med kam på ryggen og buskete hale. Andre katter er ikke ekte.

        Den er også spiselig. Man lager vfrikasse og forteller gjestene at det er kanin.

        Folk har ikke mat- vett lenger, det er problemet. Men det har både coyoter og ekte katter.

        Samset:
        Bergnebb er prima. Blant alle fisker så trigger katten der særlig spesielt. Og det kan man forstå, om man bare legger den i panna og varmer den langsomt med olivenolje eller rapsolje og raker kjøttet ut fra beingrinda med gaffel og har på brød, slik man tar Åbor. Da er den den beste av ferskvannsfiskene.

        Bergnebb er likeså en særlig avansert fisk, og det skjønner katten helt spontant.

  3. KEE · januar 30, 2013

    Fysikkprofessoren Tom Murphy har på sin blogg http://physics.ucsd.edu/do-the-math/post-index/ lagd grove anslag av tilgjengelig kraft fra forskjellige fornybare kilder. Vel verd en kikk/klikk.

    • Bjørn H. Samset · januar 30, 2013

      Hei KKE,

      ja, har sett den og har vurdert å kommentere det litt – må bare tenke litt på den først. Han kjører noen argumenter av typen «jeg vet ikke så la oss gjette litt», og jeg mistenker at han bommer noe. Modellen har en klar ide om hvor mye energi som er i vind, han bare trekker det opp av hatten med et litt rart argument om «hva om all vinden stoppet og så skal starte igjen, og la oss gjette på hvor lang tid det tar» – litt underlig, siden vinden jo godt kan lagre energi over tid og dermed ikke trenger å være fullt så direkte koblet til solen som han da antar. Men som sagt, jeg skal ved leilighet se litt nøyere på den utregningen. Den er uansett artig å prøve å forstå.

      Bjørn

      • nils · februar 3, 2013

        hei!

        for en fysiker finnes det bare en bok om fornybar energi det er verdt å lese.
        david mckays sustainable energy without the hot air. konklusjonen der er ganske enkelt at problemet er tilgang til areal. det gjelder både vind og solenergi…

  4. Anders Valland · februar 10, 2013

    Jeg jobber med forskning på drift og vedlikehold av blant annet vindturbiner. Det er veldig mange praktiske hindre for å utnytte energien på det nivået du omtaler her, en av kommentarene nevner areal men det største nåværende hinderet (utenom vedlikehold) er vindens variable natur.
    Da jeg leste innledningen her fikk jeg inntrykk av at du mener at dagens vindturbiner plasseres i en gitt arealtetthet for å unngå at de bremser vinden for mye? Såvidt jeg vet er minimumsavstanden relatert til virvelavløsningen fra turbinbladene og deres effekt på den aerodynamiske virkningsgraden for turbinen som ligger nedstrøms. Jeg mener å ha lest et paper som omhandlet bremsing av vind over en vindturbinpark, basert på målinger. Konklusjonen var at man ikke kunne måle dette. Jeg skal se om jeg kan finne det igjen, tror det var fra EWEA i fjor eller året før.

  5. Anders Nissen-Lie · februar 11, 2013

    Nils: At areal skal være et problem for vindindustrien gjelder vel bare så lenge industrien holder seg på landjorda. Som dere vet er den største veksten for vindindustrien til havs. Der er også potensialet både når det gjelder vindhastighet og arealer langt større. Enova gjorde et studie på potensialet på norsk sokkel i 2007 (14000TWh eller 110 ganger dagens el-forbruk). http://www2.enova.no/publikasjonsoversikt/publicationdetails.aspx?publicationID=266.

    Dessuten er jeg sterk i troen på at vindindustrien på lik linje med oljesektoren kan krabbe ned kostnadskurvene ved å bevege seg fra faste konstruksjoner mot flytende løsninger. Mye på grunn av kompleksiteten og kostnadene knyttet til installasjonene.

    Det haster med å få til en satsing på havvind i Norge. Potensialet både når det gjelder energiproduksjon, industriutvikling og utvikling av fremtidens løsninger er enorm. Spørsmålet er bare om også vi denne gangen gir fra oss forspranget og selger teknologien billig til det fjerne østen.

Legg igjen en kommentar

Fyll inn i feltene under, eller klikk på et ikon for å logge inn:

WordPress.com-logo

Du kommenterer med bruk av din WordPress.com konto. Logg ut / Endre )

Twitter picture

Du kommenterer med bruk av din Twitter konto. Logg ut / Endre )

Facebookbilde

Du kommenterer med bruk av din Facebook konto. Logg ut / Endre )

Google+ photo

Du kommenterer med bruk av din Google+ konto. Logg ut / Endre )

Kobler til %s