En vindmølle er et højt, slankt tårn med tre vinger, der snurrer i den susende vind. Eller er det?
Flere firmaer er nu klar til at udfordre det klassiske billede af vindmøllen til havs – heriblandt den svenske virksomhed SeaTwirl, der simpelthen vender det teknologiske koncept på højkant.
Hvor en traditionel vindmølle minder om snuden på et propelfly, ligner SeaTwirls vertikale vindmølle mere et piskeris. Og det har store fordele, for mens de nuværende havvindmøller har flere alvorlige begrænsninger, er højkantsmøllernes potentiale nærmest uendeligt, og det kan spille en afgørende rolle, når Europa inden for de næste 30 år skal blive CO2-neutral.
Piskeriset er et fransk påfund
Det grundlæggende koncept bag vertikale møller som SeaTwirl er ikke nogen ny opfindelse. Teknologien bygger videre på Savonius-møllen, udviklet af den finske ingeniør Sigurd Johannes Savonius i 1920’erne, og især den såkaldte Darrieus-mølle opfundet af franskmanden Georges Jean Marie Darrieus og patenteret i 1931.
Her sidder møllevingerne på stivere, som går ud fra det roterende mølletårn. Generatoren, som omdanner bevægelsen til strøm, er placeret i bunden af tårnet og ikke i toppen som på traditionelle vindmøller.
Højkantsmøller er langtfra lige så udbredte som de klassiske vertikale vindmøller. I Californien er 5 pct. af vindmøllerne såkaldte Darrieus-møller.
Darrieus beskrev sin opfindelse som en “turbine med dens roterende aksel på tværs af strømmens flow”.
Strømmens flow skal her forstås som vinden, der bevæger sig langs med hav- eller jordoverfladen og rammer den roterende aksel, og dermed vingerne, i en vinkel på 90 grader – i modsætning til de langt mere udbredte vandrette vindmøller, hvor vinden rammer den roterende aksel og vingerne lige på.
Darrieus-møllerne står enkelte steder rundtomkring i verden og udgør bl.a. 5 pct. af vindmøllerne i Californien, men den lodrette mølletype har langtfra vundet lige så stor udbredelse som sin vandrette fætter.
Årsagen skal først og fremmest findes i et fænomen kaldet virkningsgraden, som er et udtryk for, hvor stor en andel af energien i vinden der ender med at blive til elektrisk strøm ud fra møllens rotation. For højkantsmøller har virkningsgraden historisk set været højst ca. 40 pct., mens den for de traditionelle møller ligger på omkring 50 pct.
40 pct. af vindens energi bliver omdannet til strøm i en højkantsmølle.
Forskellen skyldes bl.a. vindmøllernes helt basale design. På en traditionel vindmølle bliver alle vingerne konstant påvirket lige meget af vinden, men på højkantsmøllen dækker mølletårnet for noget af vinden til den bagerste vinge, hvilket påvirker virkningsgraden negativt.
Den teoretiske grænse for en vindmølles virkningsgrad er defineret af Betz’ lov – opkaldt efter den tyske fysiker Albert Betz – som siger, at en vindmølle maksimalt kan fange 59,3 pct. af vindens kinetiske energi.
Og der bliver brug for at vride så meget energi ud af blæsten som overhovedet muligt.
Møllerne har vokseværk
Ifølge EU skal Europa være klimaneutral i 2050. Her spiller vindenergi en afgørende rolle, da forskerne anslår, at vindmøllerne til den tid vil stå for halvdelen af den grønne strømproduktion.
De ambitiøse klimamål – og klodens støt stigende behov for vedvarende energi i stikkontakten – har givet havvindmøllerne seriøst vokseværk; fx har danske Vestas meldt en havvindmølle på 15 megawatt klar til markedet i 2024 – en 280 meter høj gigant forsynet med vinger længere end en fodboldbane, som kan levere strøm til ca. 20.000 husstande.
I Danmark planlægger myndighederne desuden et nyt testcenter for vindmøller på op til 450 meters højde.
I de luftlag er vinden kraftigere og mere stabil, hvilket gigantmøllernes vinger kan udnytte. En vindmølles strømproduktion stiger med vindhastigheden i tredje potens, hvilket vil sige, at en fordobling af vindhastigheden ottedobler møllens produktion. Højere møller med større vinger forøger desuden rotorarealet, så hver mølle kan fange mere vind og lave den om til strøm
Derfor er der god økonomi i at bygge møllerne høje.
Når nu de traditionelle vindmøller er inde i en rivende udvikling og bliver stadig højere, kan det måske undre, hvorfor det overhovedet er nødvendigt at begynde at vende møllerne på den anden led.
Men ifølge den svenske startupvirksomhed SeaTwirl har højkantsmøllerne flere afgørende fordele, som vil gøre dem konkurrencedygtige med Vestas’ giganter.
Testmølle klarer orkan
SeaTwirl installerede i 2015 sin allerførste mølle kaldet S1 i bølgerne ud for Lysekil på den svenske vestkyst. Her står den stadig og snurrer i vinden. Møllen er med sine 13 meter over havoverfladen en miniput sammenlignet med de store havvindmøller på markedet i dag.
SeaTwirl installerede i 2015 en testversion af den lodrette vindmølle ud for Lysekil ved den svenske vestkyst. Møllen måler 13 meter i højden.
Dens kapacitet på 30 kilowatt er 500 gange mindre end den kommende kæmpemølle fra Vestas. Men målet med S1 var også blot at teste, om konceptet fungerede i virkeligheden, og at møllen var pålidelig nok til at kunne levere elektrictet trods høje vindhastigheder og rustfremkaldende saltvand.
I december 2015 blev S1 fx udsat for stormen Helgas kræfter med vindhastigheder på op til 35 meter i sekundet, hvilket testmøllen klarede uden problemer.
SeaTwirl forventer i 2023 at installere den første mølle i den nye generation kaldet S2x med en højde på 55 meter over havniveau og en kapacitet på 1 megawatt, altså over 30 gange mere end forgængeren.
Vertikal vindmølle flyder i havet
Modsat en traditionel vindmølle har SeaTwirls elpiskerlignende højkantsmølle lodrette vinger og et lavere tyngdepunkt, så møllen kan flyde på havet.
1. Vinger roterer om lodret akse
SeaTwirl har tre vinger, men modsat en traditionel vindmølle roterer de alle omkring en lodret akse. Vingerne er forbundet til mølletårnet med stivere. I 2023 installeres møllen S2x med en kapacitet på 1 MW og 40 m lange vinger.
2. Generator ligger tæt på vandet
Generatoren, der omdanner vingernes rotation til strøm, er placeret i bunden af vindmølletårnet. Placeringen gør generatoren lettere at komme til under vedligehold, ligesom møllen er mere stabil i forhold til traditionelle møller.
3. Bøje holder vindmøllen flydende
Vindmøllen er monteret på en bøje, som går dybt ned i vandet og roterer sammen med mølletårnet. Opdriften fra vandet holder konstruktionen flydende og mindsker belastningen på generatorhuset, som ikke skal bære hele vindmøllens vægt.
4. Konstruktionen er tøjret til havbunden
Generatorhuset er den eneste del af konstruktionen, som ikke roterer. For at fastholde vindmøllen i dens nøjagtige position på havet forankres hele vindmøllen med wirer fra generatorhuset og ned til havbunden.
En endnu større model på 10 megawatt er endnu fremtidsmusik, men den ville ifølge selskabet få en diameter på ca. 135 meter og en vingelængde på hele 110 meter – næsten samme længde som på Vestas’ gigant.
Og det stopper ikke her. Teoretisk set vil højkantsmøllerne kunne bære en vingelængde på op mod 250 meter og levere helt op til 30 megawatt. Højkantsdesignet har nemlig nogle klare fordele, som SeaTwirl vil udnytte til at klemme sig ind på markedet for vindenergi.
Vertikal akse giver fordele
For det første vender en højkantsmølle altid mod vindretningen, uanset hvilken vej vinden blæser. Det gælder ikke for de traditionelle vindmøller, der så at sige skal vende ansigtet op mod vinden, før vingerne roterer og skaber elektricitet.
Bevægelsen kaldes at krøje møllen og kræver, at vindmøllen har en indbygget krøjemekanisme, hvor en vindfane først registrerer vindretningen, og en motor herefter drejer møllens top med vinger og gearkasse op mod vinden. De traditionelle møller kræver altså en del ekstra mekanik for at fungere optimalt.
En anden fordel ved højkantsmøllen er, at den ikke behøver at blive fæstnet til havbunden med et fundament.
I en traditionel vindmølle er alle de tunge elementer som generator, gearkasse, krøjemekanisme og andre væsentlige dele samlet i maskinhuset, kaldet nacellen, højt oppe i luften, hvilket kræver et solidt fundament. Selv om vindmølleproducenter leger med tanken om flydende fundamenter, er vindmøller i dag begrænset til havdybder på ca. 50 meter. Er havet dybere end dette, bliver fundamentet til vindmøllen for dyrt at bygge.
I en højkantsmølle befinder de tunge maskindele sig lige over havoverfladen, hvilket giver et lavere tyngdepunkt. Da møllen flyder i vandet og blot skal forankres til havbunden med wirer, kan den derfor blive installeret i selv flere kilometer dybe havområder.
I lande med store havdybder, hvor offshore-vindenergi ikke tidligere har været en mulighed, kan havvindmølleparker baseret på højkantmøller nu pludselig øge mængden af vindenergi.
Piskeris kan sætte strøm til fjerne egne
1. Parker installeres på dybt vand
75 pct. af havet er dybere end 200 m, men traditionelle havvindmøller kan pga. fundamentet kun installeres på maks. 50 meters dybde. Da den vertikale vindmølle flyder, har den ikke samme begrænsning og kan installeres overalt.
2. Øsamfund kan droppe diesel
På fjerne øer er det svært at sikre en stabil elproduktion på land. Her vil vertikale havvindmøller på blot 1 MW kunne erstatte de dieselgeneratorer, der i dag benyttes i øsamfundene, og som både udleder partikelforurening og CO2.
3. Laksefarme er strømslugere
Fiskeopdræt kræver strøm til fx pumper, og en typisk laksefarm udleder i dag ca. 120 tons CO2 om året. Her er de vertikale havvindmøller en oplagt grøn løsning – især fordi flere og større fiskeopdræt fremover vil blive bygget langt fra kysten.
Sidst, men ikke mindst er højkantsmøllerne lettere at komme til, da de vigtigste maskinedele befinder sig umiddelbart over havoverfladen. I en undersøgelse fra Sandia National Laboratories, der leverer viden til det amerikanske energiministerium, fremhæves netop dette som en afgørende fordel ved højkantsmøllerne, i takt med at traditionelle møller bliver større og flytter generatoren og andre maskindele endnu højere op i luften
Dermed er vejen banet for, at højkantsmøller som SeaTwirls kan erobre verdenshavene og forandre vores indgroede forestilling om, hvordan en vindmølle skal se ud.