Arealbruk i havvind

Det er planlagt ei stor auke i havvind i Norge. Innan 2040 skal ein ha tildelt areal med potensiale for 30 GW havvind. Det er fleire som har interesse for havområda, og det er viktig å fordele areala rettferdig mellom dei ulike aktørane.

30 GW med vind kan produsere like mye kraft som vannkraft gjer i dag. Regjeringa satsar på å komme raskt i gang med de to første havvindparkane, Sørlige Nordsjø II og Utsira Nord. Sørlige Nordsjø II vil ha et potensiale på 1500 MW, og ifølge tal frå regjeringa vil de produsere 7 TWh i året. Arealet på Sørlige Nordsjø som er satt av er ca 700 km², og den forventa arealtettleiken er i følgje høyringsnotatet mellom 5 og 7 MW/km². Det vil vere et areal på 210-300 km², under halvparten av det arealet som er planlagt. Korleis kan dette henge saman?

Kvifor er storleik på areala viktig?

Havarealet i Noreg er stort og har mange interessentar. Frå før har en fiskeri og petroleumsindustrien som store aktørar, og no kjem også havvind inn og vil ha ein del. Potensialet for konfliktar er til stede, og skilnaden i arealstørrelsen på det tildelte område i forhold til det området som en antar vindparken treng er stor. Kan ein utnytte havområdet betre og produsere meir kraft på det tildelte området? Då kan ein unngå konfliktar med gyteområde, eller fiskebankar, når ein skal planlegge for dei resterande områda med havvind.

Kva er viktige faktorar for arealtettleiken for havvindparkar?

Her er det både tekniske utfordringar og miljøforhald som kan spele ein faktor. Ein ønsker gjerne å ha minst mogleg avstand mellom turbinane, sidan dette gir kortare kablar og mindre område å utføre vedlikehald. For flytande vindturbinar så må en ta omsyn til ankerlinjer, og dette vil vere med på å definere posisjonane til vindturbinane i parken. Men det som er viktigast for ein konfigurasjonen til ein havvind park er miljøet, både botnforhold, bølger og vind, spesielt sistnemnte vinden.

Kvifor er vinden så viktig?

Vinden er det som gjer at vindturbinen roterer, og dermed produserer straum. Ein ønsker å få høgast vind på flest mogleg vindturbinar. Vinden bak en vindturbin har redusert hastigheit, og høgare turbulensnivå. Turbulens måler variasjonen av hastigheita i vinden. Vindturbinen som står nedstrøms, der turbulensen har auka, risikerer meir utmatting, men mye turbulens gir også en raskare oppbygging av vindhastigheit.

For kraftproduksjonen er det viktig at vinden har bygd opp hastigheita att før den treff den neste turbinen. Vindhastigheita bygger seg opp etter kvart som vinden beveger seg videre, og turbulensnivået går mot «normal»-nivå. En måler gjerne avstanden mellom turbinar i ein park i diameter til rotoren, D. Avstanden mellom turbinane vil variere, men gjerne mellom 6D og 8D. Ofte kan en ha stor avstand mellom turbinen i den retninga der vinden er mest gunstig, og mindre avstandar i den retninga der vinden blåser sjeldan.

Kor store parker kan en bygge?

På lik linje med at ein ikkje går tom for regn eller sol, vil ein heller ikkje gå tom for vind om en har fornuftig avstand mellom parker og vindturbinar. Sjølv om vindturbinar hentar ut energi av vinden slik at vindhastigheita reduserast, vil vinden alltid bygge seg opp. Forskarar har sett på kor store vindparkar det er lurt å bygge før effektiviteten blir for låg [1]. Resultata viste at for havvind så kan en bygge større vindparkar før effektiviteten går ned. Dette er pga. vindforholda som er til havs.  

Havvind har generelt ein høgare snitt på hastigheit enn landvind, og dette gir potensiale for mye kraft. Turbinane i første rekke av havvindparken vil ikkje klare å utnytte heile potensialet av krafta i vinden, og denne krafta går videre til neste rad med vindturbinar. Dersom ein har låg vindhastigheit, så er det som oftast dei første radene med vindturbinar i parken som er effektive. Dette er sjølvsagt ei forenkling av det store bilde, der både vindretning, turbulensnivå og vindturbin kontrollera spelar ein rolle for produksjonen. Men poenget er at det er den relativt høge hastigheita på havvind som gjer at ein kan bygge større vindparkar til havs enn på land. 

Er det eit tak for kor mye havvind som kan installerast?

Dette er eit litt lekent spørsmål, og det har vert forsøk på å simulere det. Dersom en vel å utnytte alt vindkraftpotensiale, så kan en produsere 60-100 gangar det behovet som er forventa i verden i 2035 [2]. Det estimerte potensialet blir da rekna ut frå den produserte krafta, og ikkje de installerte verdiane. Talla blir da veldig lave, og i områda for Sørlige Nordsjø II og Utsira Nord er talla under 1.5 W/m². Slike simuleringar med maks størrelsar på havvind er omdiskuterte, sidan ein ikkje har rom mellom parkane for at vinden skal auke i hastigheit, og det vil resultere i låg estimert produksjon. For dei planlagde områda i Nordsjøen så er det lagt inn såkalla buffersone for vindskugge, der vinden skal kunne auke i hastigheit mellom parkane.

Korleis er arealtettleiken på dagens vindparkar?

Det store spørsmålet var kva av dei to tala som er gitt for havvind er riktig å bruke for arealbruk. Kan ein forvente at 1500 MW treng 700 km2 eller er det under 300 km2, tilsvarande arealtettleikhet på respektive 2.1 MW/km2  og 5.0 MW/km2. Her kan en velje å sjå på eksisterande havvindparkar eller på simuleringar av framtidige scenario. Den første flytande vindparken, Hywind Scotland, har installert 5 vindturbinar med 6 MW kvar, totalt blir det 30 MW. Desse står fordelt på ca 4 km2, arealtettleiken er her på 7.5 MW/km2. Denne parken er mykje mindre enn de forventa 1 500 MW på Sørlige Nordsjø. Hornsea One er en større havvindpark med 1 218 MW installert kapasitet. Arealet her er omtrent 407 km2, arealtettleiken er då på 3 MW/km2.  

Spennet mellom arealtettleiken til eksisterande vindparkar er stort, men talet som er gitt frå regjeringa med en arealtettleik på 5-7 MW/km2 er et realistisk anslag for tettleiken på turbinar ut frå avstanden en treng mellom dei. Ein grunn for å ha eit større område i tildelinga er at operatøren kan optimalisere plasseringa av turbinane relativt til kvarandre. Dette er med tanke på både havdjup, grunnforhold og retning på vinden. 

Kva gjer vi i SINTEF Ocean?

Dersom havvind skal vokse og bli en stor produsent av kraft, så må vindturbinane som utviklast plasserast i parker. De turbinane som står i skuggen av andre turbinar vil oppleve at farten på vind vert redusert, men også at turbulensen i vinden aukar. Det er spesielt turbulensen som har lange periodar, dvs. den som varierer sakte, som er av spesiell interesse for havvind. Flytande havvind har eigenperiodar som er lange, og konsekvensen kan bli at dersom vakeeffekten er for sterk, så vert eigenperioden til flytereane eksitert. I samarbeid med SINTEF Industri så er det utvikla eit verktøy, DIWA, som lager vindfelt for turbinar i vaker. DIWA er ein del av fleire SINTEF-prosjekt, blant anna Windmoor, ImproveFlow og Large Offshore Wind Turbines. Meir informasjon om havvind i SINTEF finner du her!

Referanser:

[1]  P. J. H. Volker, A. N. Hahmann, J. Badger, and H. E. Jørgensen, ‘Prospects for generating electricity by large onshore and offshore wind farms’, Environ. Res. Lett., vol. 12, no. 3, p. 034022, Mar. 2017, doi: 10.1088/1748-9326/aa5d86.

[2] L. M. Miller and A. Kleidon, ‘Wind speed reductions by large-scale wind turbine deployments lower turbine efficiencies and set low generation limits’, Proc. Natl. Acad. Sci., vol. 113, no. 48, pp. 13570–13575, Nov. 2016, doi: 10.1073/pnas.1602253113.