Udbygning af vindkraft

Vindmøllernes andel af den danske elektricitetsforsyning ligger officielt på omkring 50%. Det tal er også rigtigt, når man ser på den samlede mængde strøm, som møllerne har produceret, i forhold til det samlede elforbrug i Danmark.

Foruden vindmøller består den danske elproduktion af solenergi og kraftvarmeværker, der efterhånden primært fyres med biomasse. Systemet er præget at voldsomme ubalancer. Hvis solen skinner, og der er stærk vind, giver møllerne og solcellerne mere strøm, end vi har brug for. Hertil kommer, at kraftvarmeværkerne også i et vist omfang skal køre og producere strøm, for at levere den nødvendige varme.

Omvendt er der dage med svag eller ingen vind. Her kan solcellerne og kraftvarmeværkerne ikke dække behovet.

Situationen afhjælpes med massiv eksport eller import af elektricitet, der opvejer over- eller underskud i den danske forsyning. Indtil videre har det været muligt at købe tilstrækkelig strøm til at opretholde forsyningen, og det er også i store træk lykkedes at slippe af med overskudsstrøm, omend undertiden til lave eller ligefrem negative priser.

Regeringen påtænker nu en kraftig udbygning af vores vindmøllekapacitet, med de to energiøer på tilsammen 4-5 GW effekt. Det er i runde tal en fordobling af den nuværende kapacitet. Spørgsmålet er nu, hvad denne udbygning vil betyde for vores forsyningssikkerhed og behov for import/eksport?

Vind i Danmark

Ud fra Energinets dagstatistikker kan man få et godt indtryk af, hvor meget vindmøllerne kan producere i stærk blæst – og omvendt hvor lidt de præsterer, når det er vindstille. Det er interessant at se, at selvom møllerne er fordelt ud over hele landet og i havene omkring os, kan vi sagtens have perioder, hvor der er meget lidt vind over det hele på én gang. Hvor møllerne på gode dage leverer over 4000 MW strøm, kan de på sådanne vindfattige dage komme under 100 MW, eller kun 2-3 % af kapaciteten, se fig. 1.

Flere vindmøller vil i den situation naturligvis kun bidrage med ganske lidt ekstra strøm.

Nu er det jo heldigvis sådan, at vi også har lange perioder af året, hvor vindhastighederne ligger et sted mellem kraftig blæst og næsten vindstille. I sådanne perioder leverer møllerne måske ca. halvdelen af deres kapacitet, og her vil man naturligvis få mere ud af at have flere møller.

Fig 2 viser den teoretiske fordeling af vindhastigheder over året, også kendt som en Weibull-fordeling (2). Man ser, at der er et område med middel vindstyrke, der dækker en stor del af året, og så mere sjældne perioder med svag vind og stærk vind.

Vindmøller producerer ingenting ved vindhastigheder under ca. 3 m i sekundet (m/s). Her vil de ofte stå stille, og selvom de drejer langsomt, kan de ikke bruges til fremstilling af strøm. Der er også en øvre grænse, ved ca. 25 m/s. Her er man nødt til at standse møllerne, fordi der ellers er risiko for, at de løber løbsk og havarerer (3).

Men allerede inden de 25 m/s har møllerne nået deres maksimale produktionsniveau. Det ses af tabel 1, hvor vi allerede er nået maks. produktion ved ca. 13 m/s. Man bemærker også, at produktionen ved lavere vindhastigheder ikke stiger proportionalt med vinden, det går langsomt i starten, og så stiger kapaciteten hurtigere (4).

I Danmark er der p.t. installeret vindmøller med en samlet effekt på mellem 5300 MW (5) og 6000 MW (6), med ca. 1700 MW på havet og resten på land (6).

Danmarks behov for strøm svinger over døgnet, men ligger i gennemsnit på ca. 3500 MW. Der er således en betydelig overkapacitet af vindmølle-effekt allerede nu, hvis vindhastigheden er over de 10 m/s. Det er den så kun en begrænset del af året, men til gengæld har vi, som nævnt, både solceller og kraftvarme ved siden af, hvoraf førstnævnte jo også er meget uforudsigeligt variabel.

Flere vindmøller

Til at kaste lys over effekten af at installere flere vindmøller er der opstillet en primitiv beregningsmodel. Den har nogle helt simple forudsætninger. Energiforbruget sættes til 4000 MW, eller 4 GW konstant, svarende til det nuværende + yderligere lidt elektrificering af samfundet – til husopvarmning og elbiler.

Vindmøllekapaciteten sættes i udgangspunktet lavt, ca. 5 GW (5000 MW). Den udbygges derefter trinvis med 1 GW havvind, da hovedparten af de nye møller, jfr. energiøerne, vil blive placeret på havet.

Fig 3 viser hyppigheden af vind med forskellige styrker. Vindstyrken er udtrykt ved møllernes produktion i % af deres samlede effekt. Der er mere vind på havet end på land. Derfor danner punkterne to kurver, den ene repræsenterer den nuværende blanding af landbaseret vind og havvind, mens den anden kun gælder for den fremtidige udbygning med havvind.

Man ser f.eks., at de nuværende møller vil producere på 45% af kapaciteten i 30% af tiden. De rene havvindmøller vil til gengæld ligge helt oppe på 70% i 30% af tiden.

5 GW vindmøller kunne, hvis det blæste stærkt hele året, teoretisk set levere 43.800 GWh/år. Beregningsmodellen har som resultat, at de producerer ca. 16.000 GWh på et år, det svarer til ca. 37% af den installerede effekt. Disse tal stemmer godt overens med virkeligheden i de seneste år. De 16.000 GWh svarer til ca. 46% af det samlede elforbrug i Danmark, et tal mange nok vil nikke genkendende til fra den offentlige debat.

Nu kan vi begynde trinvist at udbygge kapaciteten i trin på 1 GW havvind. 1 GW vil i stærk blæst kunne levere 8760 GWh, men bruges kurven på fig. 3, får vi et udbytte på ca. 4300 GWh, svarende til 49 % af effekten.

Fig. 4 viser resultatet af udbygningen af vindkapacitet. Møllernes samlede produktion stiger lineært (kurven ”brutto”) og allerede mellem 9 og 10 GW kan deres produktion dække hele landets forbrug af el. Men i praksis er dækningen meget mindre, som vist med kurven ”netto”. Møllerne producerer alt for meget, når det blæser godt, men stadigvæk ikke nok når der kun er lidt vind. Netto dækker møllerne således kun ca. 70 % ved de 10 GW installeret effekt. Bygger man yderligere møller, er resultatet kun svagt stigende, selv ved 12 GW er man ikke nået 80 % dækning.

Det er således helt urealistisk at opbygge et lands elektricitetsforsyning udelukkende med vindkraft. Alene perioderne med vindhastigheder under 3 m/s vil jo aldrig give noget strøm, uanset hvor mange møller man har sat op. Og samtidigt, jo flere møller man har, jo større overproduktion får man på vindrige dage.

Fig. 5 illustrerer denne ubalance mellem behov og produktion. Her er optegnet kurver for, hvor meget overskud og underskud der er som følge af svingningerne i vinden. De to tal er udtrykt som ”import” = underskud og ”eksport” = overskud. Ved de 5 GW mangler der knap 20.000 GWh, men der er stort set ikke nogen overskudsproduktion på noget tidspunkt, så eksportbehovet er tæt på 0.

Situationen ændrer sig i takt med, at der kommer flere vindmøller. Ved de 10 GW installeret effekt produceres der i dele af året et overskud på tilsammen ca. 12.000 GWh, men samtidigt er der behov for en import af 10.000 GWh. Møllerne er ellers her oppe på en produktion, der på papiret dækker hele landets behov, jfr. fig. 4, men i praksis er der voldsomme ubalancer. Behovet for import falder kun langsomt, hvis man installerer endnu flere møller, til gengæld bliver der en meget større mængde til eksport.

Konklusionen her er helt klart, at en elforsyning aldrig kan være baseret på vindmøller alene. Der skal mere til.

Blandet forsyning

Ovenstående model er selvfølgeligt groft forenklet, idet den ikke tager hensyn til, at vi også har solenergi og biomasse-baseret kraft-varme i vores elektricitetsforsyning.

Disse elementer medvirker til at nedsætte behovet for vindmøllestrøm, men samtidigt vil de yderligere forstærke ubalancerne i forsyningen. I sol- og vindrige dage vil produktionen langt overstige behovet. Ligeledes i kolde perioder, hvor der er brug for meget varmeproduktion og samtidigt er megen blæst, bliver der allerede i dag et stort overskud af elektricitet. Behovet for især eksport bliver således meget større. Importen kan jo i et vist omfang erstattes af de andre kilder.

Fig. 6 viser samme tal som fig. 5, men denne gang for et scenarie, hvor sol og biomasse forudsættes at give en jævn forsyning på ca. 40 % af behovet, eller 1,6 GW. Det er en situation, der er tættere på de faktiske forhold i Danmark. Ved de 5 GW møller ser man nu, at behovet for import af strøm er faldet, helt ned til ca. 8000 GWh, mens der til gengæld er et mindre behov for eksport.

Udbygning af vindmøllekapaciteten giver nu kun en mindre effekt på importbehovet, og det kan stadigvæk ikke presses ned på nul. Til gengæld stiger overskudsproduktionen af strøm drastisk, ved de 10 GW installeret skal vi således nu kunne komme af med ikke mindre end 20.000 GWh.

Disse tal er faktisk på den optimistiske side, da, som nævnt, fluktuationerne i solenergien og biomasseanlæggenes produktion ikke er medtaget.

Et kig ind i fremtiden?

I Californien har man været meget aggressiv med udbygningen med vind- og solenergi og samtidigt har man lukket konventionelle kraftværker ned. Inden for de seneste uger har det været varmt i området, og der har været et stort behov for aircondition og anden afkøling. Resultatet var, at elforsyningen ikke kunne følge med, og det var ikke muligt at importere tilstrækkeligt med strøm fra nabostaterne. Man måtte da gribe til at afbryde strømforsyningen i udvalgte områder i længere perioder.

Det er beskrevet, hvordan strømmen blev afbrudt præcis kl. 18 i en hel by, og først kom tilbage kl. 21. Forklaringen på, at det netop var disse tidspunkter, fremgår klart af fig. 7, hvor man ser, at af alle de vedvarende energikilder var det kun solcellerne, der producerede noget, og da solen begyndte at gå ned, var det slut med forsyning af elektricitet (7). Skal fremtiden i Danmark se ligesådan ud, når nabostaterne pga. udbygning af deres sol og vind ikke længere er i stand til at eksportere den strøm vi mangler?

Konklusion

Med de to energiøer, der er planlagt til den danske elektricitetsforsyning, vil kapaciteten af vindkraft i Danmark stige til en 10-11 GW, fra de nuværende 5-6 GW. De ekstra vindmøller vil bidrage med dækning af en forøget andel af elektricitetsforbruget, men jo flere møller, man installerer, jo mindre bliver effekten af de sidste. Deres bidrag i mere vindrige perioder kan ikke opsuges i det danske el-net og må derfor eksporteres, eller møllerne må standses.

Der er næppe planer om at indskrænke brugen af solceller, og de vil således fortsætte med at skubbe til ubalancerne i systemet, med skiftevis forøgede behov for import eller eksport. Brugen af biomasse-fyrede kraftvarmeanlæg kan reduceres i et vist omfang, men det gør kun systemets sårbarhed i vindstille perioder endnu større.

Det er helt klart, at vindenergi aldrig kan stå alene som elektricitetsforsyning. Den vil kræve muligheder for massiv import og eksport. Importen kan begrænses noget, ved udbygning af vindmøllekapaciteten, til gengæld vil det blot give endnu større overskud af strøm til eksport.

Skal et vindbaseret energisystem fungere, er der to muligheder:

1. Lagring af strømmen i stor skala. Lagring på det niveau er ikke teknisk mulig i dag, og om den nogensinde bliver rentabel, er et åbent spørgsmål.
   
2. Et uafhængigt backup-system, der fuldt ud kan dække behovet ved vindstille. Her forlader vi os i dag på import af strøm fra nabolandene. Det er gået godt indtil nu, fordi de har en stor produktion baseret på fossile brændsler eller atomkraft. Men de udvikler sig også i retning af mere sol og vind, og risikoen er, at hvis f.eks. hele Nordeuropa rammes af en vindstille periode, er der ikke noget strøm til rådighed til eksport til Danmark. Resultatet vil være, hvad vi har set i Californien i denne sommer.

Alt tyder på, at de påtænkte energiøer kun vil give et meget begrænset udbytte.

Referencer

(1): https://energinet.dk/energisystem_fullscreen

(2): https://docplayer.dk/14461989-Mini-vindmoellers-elproduktion.html

(3): http://xn--drmstrre-64ad.dk/wp-content/wind/miller/windpower%20web/da/tour/wres/powdensi.htm

(4): https://virtuelgalathea3.dk/artikel/baggrund-35

(5): https://www.danskenergi.dk/nyheder/danmark-har-kurs-mod-60-procent-vindenergi

(6): https://winddenmark.dk/tal-fakta/fakta-om-vind-danmark/antal-vindmoeller-kapacitet

(7): https://wattsupwiththat.com/2020/08/15/in-caiso-emergency-break-glass/