Motvind – historien om svensk vindkraft

Vindens kraft har tjänat mänskligheten under flera tusen år. Segel har drivit fartyg, väderkvarnar har malt säd och pumpat vatten.

På 1800-talet upptäcktes att vinden också kunde användas för att producera el. Världens första vindturbin som gav el byggdes i Skottland 1887. Upphovsman var professor James Blyth vid Anderson’s College.

Vid sin sommarstuga i Marykirk uppförde han en tio meter hög vindturbin med tygsegel. Den hade fyra rotorblad som var cirka fyra meter långa. Elen användes för att ladda ackumulatorer och ge belysning i stugan.

Kanske var James Blyths drivkraft att överbevisa sin äldre och mer seniora kollega William Thomson, som senare adlades till Lord Kelvin och gav namn åt den kända temperaturenheten. Han hade nämligen tidigare uttryckt skepsis mot att vindens kraft skulle kunna användas för att ge ljus.

Senare vidareutvecklade James Blyth sin konstruktion och bytte till en vertikalaxlad modell där stora metallskopor skulle fånga vinden, inspirerat av den nyuppfunna vindmätaren, anemometern.

Blyth tog patent på sin uppfinning och lät en firma från Glasgow bygga ett vindkraftverk vid mentalsjukhuset i Montrose 1895, där det skulle bistå med reservkraft.

Han erbjöd även sina tjänster till Marykirk och föreslog att överskottsel från turbinen vid sommarstugan skulle användas för att lysa upp huvudgatan. Men invånarna avvisade erbjudandet eftersom de såg el som ”djävulens påfund”.

144 blad – och roterade långsamt

Vid ungefär samma tid byggdes en större maskin på andra sidan Atlanten av Charles Brusch. Den installerades i hans hem i Cleveland, Ohio, och användes för att ladda en uppsättning batterier eller driva lampor och olika motorer i hans laboratorium.

Vindkraftverket hade en rotor med 17 meter i diameter monterad på ett 18 meter högt torn. Den hade 144 blad och roterade ganska långsamt. Därför gav den bara 12 kW, trots sin storlek.

I Danmark var professor Poul la Cour tidigt ute med att bygga vindkraftverk på 1890-talet. Hans första vindturbin användes för att generera el som i nästa steg producerade vätgas genom elektrolys. Vätgasen lagrades och användes bland annat för att lysa upp skolan i Askov där han jobbade.

En nackdel med metoden var att han var tvungen att byta ut flera fönster i skolans byggnader när vätgasen exploderade i kontakt med syre.

Men la Cours arbete lade grunden för den danska vindkraftstekniken. På skolan i Askov höll han flera kurser i ämnet. Och tekniken spred sig. På 1910-talet fanns ett hundratal vindkraftverk i drift i Danmark.

Små flerbladiga och snabbroterande gårdssnurror var vanliga i den amerikanska västern och i Australien under 1800-talet. Främst användes de för att mekaniskt pumpa vatten. Men konstruktionen spred sig snabbt på landsbygden, även i Sverige, och var som mest utbredd på 1930-talet.

Ibland kopplades snurran även till en generator som alstrade ström.

– Det var små vindelverk som snurrade och gav el som räckte för att driva lampor eller radioapparater. Det har funnits massor av sådana, berättar vindkraftsnestorn Staffan Engström.

Han var med och drev det svenska vindkraftsprogrammet, som syftade till att ta fram kunskap om det nya energislaget, på 1970-talet.

Saab-Scania först i Sverige

Det första stora vindkraftverket i Sverige byggdes av Saab-Scania år 1977 i närheten av Älvkarleby. Vindturbinen hade bara två blad, en diameter om 18 meter och en generatoreffekt om 60 kilowatt. Tornet var 25 meter högt.

Tanken var att vindkraftverket skulle tjäna som försöksprojekt och leda vidare till större konstruktioner. Det kallades Kalkugnsverket på grund av att det låg en gammal kalkugn i området.

I sin bok Historien om den svenska vindkraften återger Staffan Engström minnesbilder från invigningen, där energiminister Olof Johansson från Centerpartiet medverkade:

”Statsrådet med följe kom i en alldaglig Volvo, medan Vattenfalls direktion anlände i en svartglänsande Cadillac av längsta modell. Saab-chefen Tore Gullstrand landade en egenhändigt flugen helikopter. En uppvisning av de bilder som samhällets toppar ville ge av sig själva.”

Prototypverket fungerade relativt väl, men några justeringar gjordes under de första åren. Det stela turbinnavet byttes till en så kallad flappingmodell och aluminiumbladen ersattes av glasfiberarmerad plast.

Läget var dock inte optimalt. Meteorologerna hade bedömt att Kalkugnsverket skulle få hygglig vind eftersom det byggdes cirka 200 meter från stranden. Men det visade sig att tornet inte var tillräckligt högt för att kompensera för växtlighetens bromsande verkan.

”Det var inget fiasko, men innebar att tillgänglig provtid, med vindkraftverket i drift, blev mindre än tänkt”, skriver Staffan Engström.

Efter drygt tre års drift skulle maskinhuset tas ned 1980 för ett byte till nya blad av kolfiberarmerad plast. Men lyftet gick fel och mobilkranen brast. Kranföraren klarade sig men maskinhuset störtade till marken och förstördes.

Senare visade haveriutredningen att kranen var för liten för uppgiften och inte hade underhållits på rätt sätt.

Kraschen blev slutet på försöksverksamheten i Kalkugnen.

Nästa steg blev en satsning på två betydligt större verk. Tanken var att de skulle fungera som prototyper för kommersiella vindkraftverk.

”Riktigt stora prototyper”

I Skåne togs Maglarpsverket i drift av Sydkraft 1982. Turbinen som byggdes av Karlskronavarvet fick en diameter om 78 meter, elektrisk maxeffekt om 3 MW och en tornhöjd om 80 meter.

Året därefter togs Näsudden 1 i drift på Gotland av Vattenfall. Turbinen som byggdes av KMW hade en diameter om 75 meter och en toppeffekt om 2 MW.

– Det var två riktigt stora prototyper för sin tid. Med 3 respektive 2 MW i maxeffekt var de i storlek med de kommersiella vindkraftverk som blev standard 20–30 år senare, säger vindkraftsforskaren Erik Möllerström, lektor i energiteknik på Högskolan i Halmstad.

Båda vindturbinerna hade bara två blad. Konstruktionen sågs som en självklarhet på den tiden.

Båda verken hade växellådsförsedda generatorer, men i grunden byggde de på olika koncept. Maglarpsverkets rotor var lävindsplacerad, hade ett ”mjukt” torn och relativt lätta vingar av glasfiber. Näsuddenverket hade lovartsplacerad rotor, ett stelare torn och tyngre vingar med stålkärna.

Beställare och finansiär av de båda vindkraftverken var den statliga organisationen Nämnden för energiproduktionsforskning, där Staffan Engström arbetade.

I sin bok vittnar han om skepsis och mothugg som mötte vindkraften. Inte minst från energibolagen: ”Det var fullt klart att kraftindustrin försvarade de gjorda kärnkraftsinvesteringarna och inte ville samarbeta med politikerna om en ändrad inriktning av energipolitiken. Detta gällde även statliga Vattenfall, som efter förmåga obstruerade mot givna instruktioner.”

En Skånepolitiker menade tidigt att Maglarpsverket inte skulle producera så att det räckte för ett ficklampsbatteri ens. Men verket skulle senare slå världsrekord i elproduktion. ”Räknat i batterier motsvarade det några tiotal miljarder”, konstaterar Staffan Engström.

I samband med diskussioner inför en utredning om merkostnader som vindkraften skulle orsaka i kraftsystemet skriver han: ”Vid de många sammanträdena kunde man nästan ta både på motståndet mot utredningsuppgiften som sådan och mot direktivet att utreda så mycket som 30 terawattimmar vindkraft.”

De stora vindkraftsprototyperna var dock inte problemfria. Maglarpsverket orsakade ett dunkande ljud som störde grannarna.

– Det var ett högt och lågfrekvent ljud som var typiskt för lävindsrotorer, säger Erik Möllerström.

1988 upptäcktes en två meter lång spricka i ett av rotorbladen på Näsuddenverket. Det blev dödsstöten för vindkraftverket, som togs ur drift efter att ha varit igång i ungefär fem år.

Maglarpsverket höll ut betydligt längre, nästan ett decennium. Det togs ur drift 1993 och hade då hunnit producera 37 GWh el under sin livstid. Det var världsrekord för ett enskilt vindkraftverk.

Under 1980-talet falnade det politiska intresset för vindkraft i Sverige. Det var inte förrän investeringsstödet kom 1991 som utbyggnaden drog igång. Riktig fart blev det när elcertifikaten infördes för förnybar el år 2003.

Världens första havsbaserade vindkraftverk byggdes ändå i Sverige. 1991 uppförde Sydkraft Svante 1 på ett trebent stålfundament utanför Nogersund i Blekinge.

Men trots att Sverige var tidigt ute med både försöksverk i megawattstorlek och havsbaserad vindkraft etablerades aldrig någon livskraftig inhemsk turbintillverkning. Den utbyggnad som tog fart på 2000-talet gjordes med utländska turbiner. Det finns flera förklaringar som brukar nämnas, till exempel fokus på tvåbladiga prototyper, politiskt ointresse och att inhemsk industri inte gynnades i de statliga stödsystemen för vindkraft.

Bättre har det gått för Danmark. Världens största vindturbintillverkare är Vestas, med hemvist på Jylland.

Erik Möllerström tror att ett vinnande koncept var det danska greppet att stötta efterfrågan på vindkraftverk.

– I Danmark byggde man små vindkraftverk på 70-talet och staten gick inte i första hand in med subventioner till framtagandet av jätteprototyper. I stället subventionerades möjligheten för danska lantbrukare att köpa och driva vindkraftverk, säger han.

Lantbrukarna behövde små vindkraftverk, som sedan gradvis blev större.

– Tillverkarna fick feedback från sina kunder och det skapades en marknad. Samtidigt måste tillverkarna ge garanti och se till att laga sakerna medan de utvecklade nästa generation, säger Erik Möllerström.

”Då mognade vindkraftstekniken”

Satsningar på vindkraft i den amerikanska delstaten Kalifornien ledde till att de danska tillverkarna kunde exportera vindturbiner. Men när federala och statliga stöd togs bort tvärdog marknaden i mitten av 1980-talet. I stället började en ny marknad så småningom att spira i Tyskland.

– Även om Kalifornien blev en återvändsgränd tror jag att den tiden var superviktig för de danska tillverkarna, för då mognade vindkraftstekniken. Från början var det mest amerikanska verk som byggdes men de höll inte lika bra som de danska, så efter ett par år stod danska tillverkare för en majoritet av nyinstallationerna, berättar Erik Möllerström.

Han tror att det var ett misstag i Sverige att enbart satsa på stora vindkraftverk i ett läge när man ännu inte hade lärt sig att bemästra hur de skulle byggas för att hålla för de starka krafterna.

Genom åren har det gjorts flera svenska försök att utveckla och kommersialisera vindkraftverk. Scanwind, Zephyr och Vertical Wind är några exempel. Alla dessa har dock stupat.

Men även om turbintillverkning aldrig kom igång i stor skala har Sverige i dag flera underleverantörer till vindkraftsindustrin, till exempel för lagertillverkning och kraftelektronik. Vindkraftsutbyggnaden har också gett upphov till arbetstillfällen i serviceindustrin och projektering.

I dag finns ungefär 4 400 vindturbiner monterade i Sverige. Sammanlagt har de en installerad effekt om 10 GW. Förra året gav de 27,6 TWh el, vilket motsvarade 17 procent av Sveriges elproduktion.

--

Så har tekniken utvecklats

Vindkraftstekniken har utvecklats sedan de tidiga protyperna. Viktiga steg var bladvinkelreglering och frekvensomriktare.

För att inte generatorn i ett vindkraftverk ska överbelastas och brinna upp när det blåser kraftigt måste effektuttaget kunna minskas. I vindkraftens barndom gjordes det genom så kallad stallreglering. Det innebär att själva bladprofilen skapar luftvirvlar så att motståndet ökar när vinden är kraftig.

Men numera används bladvinkelreglering, som också kallas pitchreglering, i stora vindkraftverk. Det var en teknik som började bli vanlig på 1990-talet och innebär att rotorbladen kan vridas vid navet. På så sätt kan rotorblandens vinkel mot vinden ändras. Effektuttaget övervakas flera gånger per sekund av en elektrisk kontrollenhet. När effektuttaget blir för högt, vrids rotorbladen lite ur vinden, och effektuttaget minskar.

– I dag är bladvinkelreglering av vingarna standard, säger Erik Möllerström, lektor i energiteknik på Högskolan i Halmstad.

Men fortfarande fanns problemet att den elektriska uteffekten varierade kraftigt vid ojämn vind. Det berodde på att generatorn i regel var direktansluten till elnätet.

Den elektriska frekvensomriktaren, som utvecklades med viktiga bidrag från Chalmersforskare, blev lösningen. Med den kunde rotorbladen snurra med variabelt varvtal.

Omriktaren omvandlar först generatorns växelström med varierande frekvens till likström och därefter tillbaka till växelström med nätfrekvens. På så sätt kan en vindstöt tillfälligt öka varvtalet på vindkraftverkets rotorblad men verket kan ändå ge en jämn uteffekt med rätt frekvens.

Uppfinningen gjorde att rotorbladens varvtal kunde anpassas till vinden. Vid låga vindhastigheter kunde rotorbladen snurra med ett lågt varvtal och tvärtom. Det ledde till att vindkraftverken blev mer effektiva.

– I dag finns ett varvtalsvariabelt elektriskt system i alla vindkraftverk, tack vare tidig forskning på Chalmers, berättar Staffan Engström, författare till boken Historien om den svenska vindkraften.