Post on 11-Jul-2019
Vindkraft - Teknik och projektering2010-11-24
Henrik MalmbergGruppchef projektutveckling, E.ON Vind Sverige ABhenrik.malmberg@eon.com+46 703 75 55 56
Agenda
1. E.ON
2. E. ON Climate & Renewables Nordic
3. Vindkraftens tillväxt och utformning
4. Vindkraftsteknik4. Vindkraftsteknik5. Projektering
E.ON i världen
� Privatägt börsnoterat energiföretag
� Fokus på el och gas på våra största marknader; Europa, USA och Ryssland
� Ca. 90 000 anställda� Ca. 90 000 anställda� 30 miljoner kunder� Huvudkontor i Düsseldorf,
Tyskland
E.ON i Norden
� Ett av Nordens största privata energiföretag
� El, gas och värme är kärnverksamhet
� Omsättning 2009: Ca. 36 miljarder krmiljarder kr
� Anställda 2009: Ca. 5 800� 1 300 000 el- och gaskunder i
Sverige, Danmark och Finland� 1 055 000 nätkunder
Sollefteå
Sundsvall
Fokusområden i Sverige
Page 5
Malmö
Oskarshamn
Göteborg
Stockholm
Norrköping
Örebro
Kalmar
Elproduktion
Elproduktion i Nordic (i huvud-sak svensk)
Värme
Värmeproduk-tion i Sverige, Danmark, Finland och Polen
Distribution
El-, gas- och värme-distribution i Sverige
Försäljning
Elförsäljning i Sverige, Danmark och Finland samt gasförsäljning
Services
Services och entreprenader
Ledande aktör på den nordiska marknaden
Kapacitet 6,8 GWProduktion 19 TWh(45% kärnkraft, 43% vattenkraft, 12% övrigt)
#4
Cirka 7 TWh
#3
1 059 000 kunder
#3
gasförsäljning i Sverige och Danmark
966 000 kunder
#3 #3-4Marknadsposition
Källa; Strategy and Key Fiigures MU Nordic 2009
Produktionsmix
86 procent av vår el- och värmeproduktion
kommer från energikällor som inte bidrar till
växthuseffekten.
2009 producerade vi 30 987 GWh el
och värme:
Page 7
och värme:
� 45 procent förnybart (vatten,
vind, biobränsle m.m)
� 41 procent kärnkraftverk
� 8 procent naturgas
� 6 procent övrigt fossilt
Källa: E.ON Sverige-koncernen i Norden. Klimatbokslut 2009
E.ONs verksamhet i Norden täcker hela värdekedjan för el, gas och värmeE.ONs affärsverksamhet i Norden
Kraftproduktion(incl systemtjänster)
Biogasproduktion
Upstream
Page 8
Värmeproduktion ochdistribution
Biogasproduktion
Distribution av el och gas
Försäljning av el, biogas, gas och värme
Downstream
E.ONs klimatmål: Halvera våra koldioxodutsläpp per kWh till 2030 genom satsning på förnybart och fasa ut fossila bränslen
i ton/MWh
1990 2006 2030
mål
0.72
- 50 %
0.49
~ 0.36
Agenda
1. E.ON2. E. ON Climate & Renewables
Nordic
3. Vindkraftens tillväxt och utformning
4. Vindkraftsteknik4. Vindkraftsteknik5. Projektering
E.ON deltar aktivt i utveckling av nya energikällor
TestanläggningarKommersiell teknikDemonstrations-
anläggningar
Vindkraft
� Vindkraft
� Landbaserad
� Havsbaserad
11
Biogas / värme
Vindkraft
Solkraft
Vågkraft,
Tidvattenkraft
Vindkraft
till havs
CSP
� Havsbaserad
� Biogas
� Solkraft
� Solceller
� Koncentreradsolenergi, CSP
� Vågkraft
� Vågkraft
� Tidvattenkraft
Vertikal vindkraft
Befintlig EC&R kapacitet: 3,142 MW* och en projektportfölj på över 20 GW
UK
1,720
429
Nordic
51
46
France
13
Poland
* E.ON Equity MW (avrundat), exkluderat storskalig vattenkraft
North America 208
279
Italy
396
Iberia Germany
FrancePoland
Global projekt portfölj har ökat
signifikant (GW)
3,049 MW Vind
93 MW Andra Förnyelsebara
3,142 MW
EC&R Nordic
• MalmöHuvudkontor
• ~60Antal anställda
• ~800MSEK Omsättning • ~800MSEK Omsättning
• ~845 GWhProduktion
• On- & offshore vindkraft i SkandinavienMarknader
Mark Porter
CEO
Finance & Business
Control
Anna Bergenudd
Controlling
Gity YahooCaroline Olausson
Johansson
Procurement
Göran Cederberg
EC&R Nordic Organisation
Buiness dev.
Johan Larsson
Andreas HammarFredrik AnderssonMatilda Carlsson
Martin NorlundCamilla Rasmusson
Stina AlbingLise Toll
Project dev.
Henrik Malmberg
O&M
Karin Jönsson
O&M onshore
Thomas LindkvistJennie Sönefors-Ljunggren
O&M offshore (Rödsand)
Bjarne HaxgartNN Offshore ops coord
New Technology
Martin Lindholm
Wind assessment
Anton AnderssonFrancesco Sottini
Construction
Magnus Axelsson
Construction onshoreChristofer Åslund
Construction offshoreMats Egard
Anders BoklundStaffan Sjölander
Functional manager
Team Leader
Technology
Kristian Höy Thomsen
Origination and Project Development
Marcus Landelin
CEO Functions
CEO Assistant
Barbro Edholm
HSSE
Magnus Ohlsson
Göran Cederberg
Internal Processes
Marie Landin tf Paul Gaskell Brown
ITMarie Landin tf Paul
Gaskell Brown
Strategy
Sven Muller
Human Resources
Management
Roland Flaig
Lise Toll
Offshore developmentMårten Larsson
NN Offshore ops coordNN Maint techn ass
NN Service techNN Service techNN Service techNN Service tech
Techn mgmt
SCADA
Håkan Bernström
Project Rödsand 2
Anders Ljungman
� 207 MW� 90 Vindkraftverk� Uppskattad årlig produktion 800 GWh� 2% av den danska elförbrukningen� Förnybar el till 200 000 danska bostäder �
Rödsand 2 – En av världens största vindkraftparker till havs
� I drift 2010� Projektet styrt från Malmö
Agenda
1. E.ON Globalt2. E. ON Climate & Renewables
Nordic3. Vindkraftens tillväxt och
utformning
4. Vindkraftsteknik4. Vindkraftsteknik5. Projektering
Vindkraft – Branschen går från att vara nischad till en industriell verksamhet
� 25% per år, världen över
� Internationella leverantörer och
samarbeten
Sedan 2000
� Blygsam, lokalt begränsad
� Liten bransch och nishade leverantörer
1980 till2000
Growth:
Market participants:
Project size:
Global vind
kapacitet
(GW)600
400
200
1.000
800
02020201520101980 20052000
Tillväxt 1980-2000+18 GW
Förväntad tillväxt2010-2020+700 GW
Tillväxt 2000-2010+170 GW
� GW skala
� € ~160 miljarder (2008); € ~400
miljarder (2020e) annually
� KW skala
� < € 10 Miljarder årligen
Project size:
Market size:
Sedan1980 har storleken och kapaciteten på vindturbinerna signifikant ökat
Industriell skala
• Kapacitet
• Rotor diameter
• Navhöjd
• Kostnad per kWh
30 kW
15 m
30 m
1.20€
“Boutique“
standard
1980
1,500-7,500 kW
90-120 m
80- 140 m
0.06-0.09€
2009
Vindresursen i Europa och Sverige
� Kartan visar vindhastigheten på 50 meters höjd över en öppen slätt
� En vinddensitet på: ~400 W/m2 = OK~400 W/m2 = OK>700 W/ m2 = Bra
MIUU-modellen
En vindkartering framtagen av Hans Bergström vid Uppsala Universitet som
beskriver vindtillgången över hela Sverige med en upplösning på 1 km
Numerisk modell som använder följande indata:� Horisontell luftgradient� Horisontell luftgradient� Solstrålning� Ytråhet – markfriktion (hav, slätt, skog, städer…)� Topografi� Molntäckning� Mark- och vattentemperatur
Fördelar:� Hanterar komplex topografi� Hanterar temperaturstabiliteten i luften
Hämtat från Energimyndigheten, www.energimyndigheten.se
Vindens effekt
Effekten i vinden beskrivs med:
22
32Avvm
Pρ
==&
ρ
A = arean i vindröretv = vindhastigheten
= densitetenm = massflödet
Vindhastigheten på en plats är den absolut viktigaste faktorn när man projekterar för vindkraft. En fördubbling av vindhastigheten leder till 8 gånger mer energi eftersom vindhastigheten är i kubik.
m = massflödet
En vindturbin bromsar upp vinden när den tar ut rörelseenergi, så vindhastigheten är långsammare bakom turbinen än framför. Vindrörets area kommer därför att utvidgas eftersom det fortfarande är samma mängd luft som passerar (massflödet är konstant)
Bild från Stefan Ivanell, Högskolan på Gotland
Betz lag
Hur mycket ska då vind-hastigheten bromsas upp för att man ska utvinna vindens effekt så effektivt som möjligt?som möjligt?
Bild från Stefan Ivanell, Högskolan på Gotland
Den ideala uppbromsningen enligt Betz lag är
� Vid rotorn
� Efter rotorn
13
2VVR =
123
1VV =
Vinden bromsas till 2/3 vid rotornoch till 1/3 efter rotorn
13
2VVR =
3
123
1VV =1V 1VV =
Bild från Stefan Ivanell, Högskolan på Gotland
Teoretiskt maximala effektuttaget i rotorn enligt Betz
%3,5927
16===
vind
turbinp
P
PC
Cp är vindkraftverkets effektkoefficient. I själva verket är denna mindre än 59% p.g.a. aerodynamiska och mekaniska förluster i turbinen. Hur effektiv en turbin är beror mycket på hur bladen är utformade.
27vindP
Frekvensfördelningen
Man kan inte använda medelvinden över året rakt av i produktions-beräkningarna. Istället behövs en fördelning som beskriver hur stor del av tiden det blåser en viss vindhastighet.
Vindens hastighetsfördelning Vindens hastighetsfördelning över året stämmer i de flesta fallväl överens med en Raileigh eller Weibullfördelning.
I praktiken får man ut ca 45% av den tillgängliga vindenergin.
Agenda
1. E.ON2. E. ON Climate & Renewables
Nordic3. Vindkraftens tillväxt och
utformning4. Vindkraftsteknik4. Vindkraftsteknik
5. Projektering
Utformning av blad och rotor
Aerodynamik
När en luftström passerar bladets framkant går en del av luften ovanför och en del under bladet.Beroende på anblåsningsvinkeln skapas en lyftkraft som får rotorn att börja Beroende på anblåsningsvinkeln skapas en lyftkraft som får rotorn att börja rotera.
Bladprofilen
Bladen ser inte lika ut över hela ytan. De är tjockare vid basen och vrider sig sedan runt sin egen axel ut mot spetsen - de är torderade.Förr användes blad som var lika över hela ytan, men utvecklingen har gått framåt och nu kan en större del av effekten i vinden tillvaratas p.g.a. av denna utveckling.denna utveckling.
Effektreglering används för att ta bort endel av energin i vinden (vid märkvind) så att inte vindkraftverket skadas när det blåser mycket. Detta kan göras på olika sätt:
StallStallreglering har främst använts på äldre verk. Bladets geometri är då fast utformat så att det bildas mer och mer turbulens ju högre vindhastigheten blir - > Lyftkraften minskar och motståndet ökar
PitchPå ett pitchreglerat verk ändras bladvinkeln (alfa) så att man släpper förbi en del av vinden när vindhastigheten ökar. För att kunna göra detta krävs ett aktivt kontrollsystem som reglerar bladvinkeln i förhållande till vindhastigheten
Variabelt varvtal
Tidigare användes ett fast varvtal på vindkraftverken. Detta har att göra med hur generatorn är utformad. Ett fast varvtal garanterar att man får rätt frekvens på elektriciteten som går ut på elnätet.
För variabelt varvtal krävs kraftelektronik som omformar AC till DC och sen För variabelt varvtal krävs kraftelektronik som omformar AC till DC och sen tillbaks igen, så man får rätt frekvens.
Fördelen med variabelt varvtal är att effekten i vinden tas tillvara på ett bättre sätt. När det blåser mer vill man att rotorn ska kunna rotera fortare. Detta har att göra med den optimala spetshastigheten…
Spetshastighet och löptal
Man vill hålla ett visst förhållande mellan spetshastigheten och den ostörda vindhastigheten för att rotorn ska vara så effektiv som möjligt.
Detta förhållande kallas Löptal:
Det optimala löptalet varierar beroende på antalet blad. För turbiner med tre blad ligger det runt 7. När det blåser mer behöver alltså rotorn rotera snabbare för att hålla kvoten konstant.
vind
spets
v
v=λ
Bild från boken ”Vindkraft i teori och praktik”, Tore Wizelius
Hur många blad är då mest effektivt?
Teoretiskt sett är oändligt många och oändligt smala blad mest effektivt.
I praktiken är det en fråga om kostnad.Tre blad ger 3% mer energi än två blad, men två blad ger mindre vikt och mindre materialåtgång, och är därmed billigare att tillverka.mindre materialåtgång, och är därmed billigare att tillverka.
Idag är tre blad absolut vanligast.
Olika typer av vindturbiner
Vertikalaxlad turbin – Darreius turbin
� Behöver starthjälp
� Svårt att skydda från extremvindar � Svårt att skydda från extremvindar som kan skada turbinen
� Teoretiskt sett lika effektiv som ”vanliga” turbiner vid konstant vindhastighet
Horisontalaxlad turbin
� Huvudaxeln går horisontellt och sitter uppe i ett maskinhus vid navhöjd
� Rotorn sitter nästan alltidframför maskinhuset, mot framför maskinhuset, mot vinden
� Olika tekniska lösningar- med växellåda- med kraftelektronik- direktdriven generator- hybrider
Med växellåda
� Asynkron generator med fast varvtal
� Trestegs växellåda� Robust konstruktion� Rotorn är ”hårt” kopplad till
a)
En asynkron generator MÅSTE vara ansluten till elnätet för att fungera
� Rotorn är ”hårt” kopplad till generatorn som i sin tur är kopplad till elnätet, vilket gör att frekvensens 50 Hz måste hållas och rotorn kan bara gå med en bestämd hastighet
� Stallreglering� Tillverkas nästan inte längre idag
Gearbox
Gen
Med växellåda och kraftomformare
� Ger en mjukare koppling mellan rotorn och generatorn, som tillåter variabelt varvtal� Ger effektivare användning av vindens effekt
Gearbox
Gen
d)
b)
vindens effekt� Ger även mindre belastning på de mekaniska delarna eftersom hastiga vindbyar tas upp av rotorn� Pitchreglering
� Exempel på tillverkare: Vestas
Gear
boxGen
Direktdriven generator, utan växellåda
� Mångpolig synkrongenerator med lågt varvtal
� Rotorn driver generatorn direkt� Kan gå med variabelt varvtal om
Gen
c)
kraftomformare används� Mer robust p.g.a. färre mekaniska
delar eftersom växellådan har kunnat utelämnas
� Pitchreglering
� Exempel på tillverkare: Enercon
Hybrider
� Flerpolig generator� Enstegs växellåda=> Blandning av de båda tidigare koncepten
� Exempel på tillverkare: WinWind
Effektkurvan
Ett vindkraftverks effektkurva beskriver vilken effekt som levereras vid vilken vindhastighet.
Ett vindkraftverk börjar leverera el vid vindhastigheter på 3-4 m/sel vid vindhastigheter på 3-4 m/sVid ca 10 m/s ger vindkraftverketmaximal effekt, (märkeffekt –rated power)Även om det sen blåser mer levereras inte mer uteffekt. Effektregleringen går in och håller effekten konstant.
Vindkraftverk - Teknikutveckling MW Rotor (m)
0.66 47
0.85 52
1.75 66
2.00 79
3.00 98
4.00 113
5.00 126
10.00 178
20.00 252 20.00 252
30.00 309
Vindkraftverk - modeller
Siemens 1.3 MW Vestas V52 Enercon E-48
Effekt (kW) 1300 850 800
Rotor diameter (m) 62 52 48
Svepyta (m2) 3000 2124 1810
Navhöjd 45-68 40-86 50-76
Totalhöjd 62/2+68=99 52/2+86=112 48/2+76=110Totalhöjd 62/2+68=99 52/2+86=112 48/2+76=110
Effektreglering stall pitch pitch
Varvtal 13-19 26 16-30
Startvind 4 4 2
Märkvind 13-14 16 15
Stoppvind 25 25 28-34
Det svenska elnätet
I Sverige tillverkas ca 140 TWh el varje år� Kärnkraft ca 65 TWh� Vattenkraft ca 61 TWh� Värmekraft ca 13 TWh� Vindkraft ca 1 TWh� Vindkraft ca 1 TWh
Kraftnätet är dimensionerat för en centraliserad kraft-produktion
Stamnät 400 kVRegionnät 130 kVLokalnät 50, 20, 10 kV
Vindkraften i kraftsystemet ställer andra krav.
Det byggs ofta på platser där elnätet inte är utbyggt = svaga nät och dålig kapacitet att ta emot kraften som produceras
Numera går det allt mer mot stora anläggningar, och därmed kommer inkopplingen på nätet att ske på regionnivå. Problemet kringgås.
Det måste även finnas balanskraft som kan användas de dagar vindkraften inte producerar. Vattenkraften är idealt för detta ändamål.
Agenda
1. E.ON2. E. ON Climate & Renewables
Nordic3. Vindkraftens tillväxt och
utformning4. Vindkraftsteknik4. Vindkraftsteknik5. Projektering
E.ON Vinds arbetsprocess för projektering
Projektering
Mäta vind, behandla vindstatistik,
markundersökningar, design av
nätanslutning, utvärdering av
Upphandling:
-Vindkraftverk
För-
projektering
nätanslutning, utvärdering av
logistikmöjligheter
Miljötillstånd och bygglov
Samråda med: kommunen, myndigheter,
närboende, intresseorg. Lämna in erforderliga
ansökningshandlingar, behandling och ev.
korrigeringar. Alla tillstånd erhållna.
-Vindkraftverk
-Fundament
-Vägar och
markarbeten
-Elanslutning
BYGGNATION
2 – 5 år
Utvärdera
område
Teckna
nyttjande-
rättsavtal
2-3 mån
Projektering
Vad är en lämplig plats för vindkraft?� Det ska blåsa! � Tillräckligt stor yta � Tillräckligt avstånd till närboende för att klara ljud- och skuggkrav � Kust- eller slättlandskap, men även skogslandskap är intressant med
dagens navhöjder� Det ska helst finnas befintlig infrastruktur (väg, elnät…)� Inga motstående intressen, naturskyddsområden eller liknande
Projekteringsgången
1. Hitta en lämplig plats enligt tidigare nämnda kriterier
2. Undersök förutsättningarna: mark, väg, elnät…
3. Produktionsberäkning3. ProduktionsberäkningWindPro – beräkningsprogram för att ta fram produktionsberäkningar, samt ljud- och
skuggberäkningar. Kräver en vindstatistik med vindhastighet, vindriktning och
frekvensfördelning.
4. Ta fram ekonomisk kalkyl => Är det lönsamt?
5. VindmätningI mast eller med SODAR
6. Söka tillstånd och bygglov
7. Samråd med närboende, kommun och andra myndigheter
8. Fortsatt teknisk utvärdering av platsen
9. När tillstånd erhållits och vindmätningen avslutats kontrolleras kalkylen igen => Lönsamt?
10. Upphandling – köp in vindkraftverken och allt som behövs
11. Byggnation
12. Driftsättning
MÄTMAST
SODAR
WindPRO
ArcMap
Ljud
� Teoretisk ljudutbredning, enligt ”värsta fall”- principen. �Medvind åt alla håll m m
� Modellen utgår från en vindhastighet på 8 m/s på 10 m vindhastighet på 8 m/s på 10 m höjd, vilket visat sig ge starkast inverkan utan att ljudet maskeras av vindsus så som vid högre hastigheter
� Beräkningarna är gjorda med en Nordex N90LS med en uppmätt källjudnivå på 103,3 dB(A)
� Maximalt ljudnivå blir runt 39 dB för husen vid kyrkan
Skuggor� Skuggkastning från 145 meter
höga verk räknat med statistiska soltimmar och driftsdata
� Gränsvärdet är 8 h per år för ett � Gränsvärdet är 8 h per år för ett ”verkligt fall” och 30 h/år för ett teoretiskt maxfall (alltid sol mm)
� Maximal skuggtid blir 8:22 h för Dimmestorp.- Skuggtillfällena inträffar från maj till mitten av augusti, vid halv sex-tiden på morgonen, i snitt ungefär 20 minuter åt gången vid soliga morgnar
Naturmiljöintressen
� Riksintresse natur längst ner t v
� Riksintresse för älgjakt längt upp t h
� Riksintresse för yrkesfiske och � Riksintresse för yrkesfiske och Natura 2000 längst ner t h
Fotomontage – Nynäs
Fotomontage – Aspa herrgård vid jaktstugan
Fotomontage – Från vägen mellan Kvistviken o Norrviken
Fotomontage – Dimmestorp
Frågor eller funderingar?Frågor eller funderingar?
Henrik MalmbergGruppchef projektutveckling, E.ON Vind Sverige ABhenrik.malmberg@eon.com+46 703 75 55 56