Vindurinn er ókeypis og mikið til af honum. Vindmyllur eru nú orðnar svo þróaðar að í verði eru þær orðnar samkeppnisfærar við hefðbundin orkuver þar sem raforkan er framleidd með kolum eða jarðgasi. Af þessum sökum er nú hraðfara útþensla á vindorkusviðinu. Framleiðslan mun tvöfaldast á hverjum þremur árum á næstunni og í Evrópu einni bætast nú við 20 vindmyllur á dag. Alls eru vindmyllur í heiminum orðnar um 128 þúsund.
Vindinn eigum við sólinni að þakka. Hún hitar jörðina en sú upphitun er afar misjöfn og þannig myndast mismunandi loftþrýstingur sem aftur skapar tilflutning lofts í formi vinds. Á ákveðnum beltum blæs vindur nánast stöðugt og yfirleitt er vindur öflugri yfir sjó en landi, þar sem fjöll, mishæðir, skógar og byggingar hægja á loftstreyminu. Þegar hægir á vindinum breytist orkan í hita – nema maðurinn grípi inn í og fangi nokkuð af orkunni og nýti hana til að knýja rafala.
Vindurinn dugar til að uppfylla fimmfalda orkuþörf jarðarbúa, samkvæmt niðurstöðum bandarískra vísindamanna við Harvardháskóla. Þessi skýrsla kom út í fyrrasumar og vísindamennirnir gerðu m.a.s. aðeins ráð fyrir litlum vindmyllum og gerðu jafnframt ráð fyrir að vindmyllurnar næðu aðeins að nýta fimmtung orkunnar.
Sá stóri kostur fylgir vindmyllum að afar fljótgert er að koma þeim upp. Það gengur miklu hraðar en að byggja hefðbundið orkuver.
Vindorkan er líka afar vistvæn, þar eða slík orkunýting leiðir ekki af sér neina losun koltvísýrings. Almenningsálitið er líka mun hliðhollara vindorku en t.d. kjarnorku. Kannanir sýna að um 3 af hverjum 4 hafa jákvæða afstöðu til vindorku og vilja gjarna sjá hana nýtta betur.
Stóri gallinn við vindmyllurnar er eðli málsins sá að þær framleiða orku í hlutfalli við vindhraðann. Þetta þýðir að stundum er orkuframleiðslan langt umfram þörfina, en stundum fer orkuframleiðslan niður í ekki neitt. Við þurfum sem sagt varaorku og sú orka kemur nú yfirleitt frá hefðbundnum orkuverum sem taka við þegar lygnir.
Margir vísindamenn vinna þó að því að þróa aðferðir til að geyma orkuna, t.d. í rafbílum, sem gætu komið að góðum notum í þessu samhengi. Rafbílar sem fá orku frá vindmyllum valda ekki koltvísýringsmengun, en að auki taka rafgeymar þeirra við mikilli raforku. Flestir bílar standa ónotaðir í allt að 23 tíma á sólarhring og gætu því auðveldlega nýst til að varðveita orkuna um tíma. Þegar vindurinn blæs fer umframorka inn á bílarafgeyma, en þegar lygnir geta þeir skilað hluta hennar aftur út í dreifikerfið.
Orkukreppa sneri spöðunum
Vindmyllur hafa menn byggt í meira en þúsund ár. Nafnið „vindmylla“ ber einmitt með sér að í upphafi voru þær notaðar til að mala korn og reyndar einnig til að dæla vatni.
Á 15. öld mátti t.d. víða sjá vindmyllur í Hollandi. Þessar vindmyllur voru hins vegar ekki mjög afkastamiklar og nýttu oftast aðeins um 6% af vindorkunni. Vindmyllur nútímans geta 8-9 sinnum betur.
Árið 1891 var tekið að reisa vindmyllur til að framleiða rafmagn og slíkar vindmyllur urðu nokkuð algengar snemma á 20. öld, einkum á afskekktum stöðum. Verð á olíu og kolum fór hins vegar lækkandi og smám saman náðu raflínurnar æ víðar. Jafnvel á afskekktum sveitabæjum var komið rafmagn. Vindmylluspaðarnir hurfu og möstrin stóðu og söfnuðu ryði. Þannig var ástandið þegar orkukreppan skall á 1973.
Þessi kreppa endurnýjaði áhuga manna á vindorku, en framan af var þó helst litið á vindmyllur sem einhvers konar leiktæki handlaginna manna og draumsýn hugsjónamanna. Vindmyllur voru eftir sem áður afkastalitlar og oft samsettar úr brotajárni og öðru ódýru byggingarefni.
En upp úr 1980 tók þróunin kipp. Ýmsir framleiðendur tóku nú að fjöldaframleiða vindmyllur, en þær voru þó enn fremur smáar og talsvert hávaðasamar. Þessar vindmyllur náðu margar að framleiða 20-30 kW, eða sem samsvaraði þörf 30-40 heimila. Til samanburðar getur ein nútíma vindmylla framleitt rafmagn fyrir meira en þúsund heimili.
Í stað margra slíkra gamalla vindmylla eru nú komnar fáar, stórar vindmyllur með margfalda afkastagetu. Vindmylla skilar hámarksafköstum þegar hún dregur úr vindhraðanum um þriðjung. Sé vindur t.d. 12 m/sek., nýtir sú vindmylla vindinn best sem hægir hann niður í 8 m/sek. Flestar vindmyllur taka að snúast þegar vindur nær 4 m/sek. og skila hámarksafköstum þegar vindur er 12 m/sek. eða meira. Af öryggisástæðum eru vindmyllur þó stöðvaðar í stormi, sem sagt þegar vindhraðinn nær 25 sekúndumetrum.
Danir voru lengi í fararbroddi í þessari þróun og enn er Danmörk það land í heiminum þar sem vindorkan er hlutfallslega mest nýtt. Þar eru nú um 5.200 vindmyllur og þær sjá fyrir 20% þeirrar raforku sem notuð er í landinu.
Útreikningar sýna að þetta hlutfall gæti orðið 50% eftir 15 ár.
Á síðari árum hefur vindorkunýting tekið stórstígum framförum í mörgum öðrum löndum, t.d. Bandaríkjunum, Bretlandi, Írlandi, Þýskalandi, Portúgal og Spáni. Indverjar og Kínverjar eru líka teknir að nýta sér vindinn í vaxandi mæli. Í Kína er áætlað að sexfalda framleiðslu vindorku á næstu 10 árum. Á Spáni gerðist það í nóvember á síðasta ári að raforkunotkun var óvenju lítil en vindur jafnframt óvenju mikill og stöðugur, þannig að vindorkan náði að uppfylla helminginn af raforkuþörfinni.
Að sjálfsögðu þarf töluverða orku til að smíða vindmyllu, flytja hana og setja upp. En þessi orka endurheimtist fljótt. Á hálfu ári hefur vindmyllan framleitt meiri orku en þurfti til framleiðslu hennar. Þar eð algengur endingartími er 20 ár, er auðséð að vindmylla framleiðir margfalt meiri orku en hún kostar. Vindmyllum þarf að koma fyrir þar sem vindur er bæði öflugur og stöðugur. Þetta virðist svo sem liggja í augum uppi, en engu að síður voru vindmyllur iðulega rangt staðsettar framan af, vegna þess að menn voru ekki nógu vel að sér um veðurfarið. Menn vissu ekki hversu mikill vindur er að meðaltali og höfðu heldur ekki næga þekkingu á áhrifum landslags og annarra staðbundinna aðstæðna.
Staðurinn fundinn í tölvu
Nú nota menn vindakort og láta tölvur reikna væntanlega orkuframleiðslu. Í sumum tilvikum getur nákvæmni slíkra útreikninga verið svo mikil að ekki skeiki nema 5% til eða frá. Í tölvuforritum eru byggð þrívíddarlíkön af landslagi til að finna nákvæmlega rétta staðinn.
Og það getur margborgað sig að rannsaka vindaðstæður þannig í smáatriðum, því á tiltölulega litlu landsvæði getur ein ákveðin staðsetning skilað 3-4 sinnum meiri rafmagnsframleiðlsu en önnur. Sé vindmyllu valinn besti mögulegi staður á landi, framleiðir hún rafmagn í um 7.000 klukktuíma á ári, eða um 80% tímans. Bestu afköst nást þó ekki nema í um 2.500 stundir eða 28% tímans. Og á vissum tímaskeiðum hreyfist vindmyllan alls ekki. Vindur er nefnilega of lítill í 1.500-2.500 af 8.760 klukkustundum ársins.
Úti á sjó er aftur á móti algengt að vindmyllur skili fullum afköstum í 3.500 klukkustundir á ári. Það verða áfram reistar vindmyllur á landi en almennt verður æ erfiðara að finna staði þar sem vindur er nægur og fjarlægðin frá byggð nægileg til að fólk setji sig ekki upp á móti nábýlinu við vindorkuver. Þess vegna er búist við að stór hluti vindorkuvera verði í framtíðinni úti á sjó, þar sem bæði er að jafnaði öflugri vindur og stöðugri blástur. Þumalputtareglan er sú að vindmylla úti á sjó framleiði um 50% meira rafmagn en vindmylla á landi.
Fyrsta vindmylluverið á sjó var sett upp 1991 og á næstu árum eiga að rísa svo margar vindmyllur á Norðursjó að þær geti séð 35 milljónum evrópskra heimila fyrir rafmagni. Útreikningar sýna að 8 stór vindmyllusvæði, hvert um sig 100 x 100 km að stærð, gætu fullnægt þörf Evrópusambandsins alls fyrir rafmagn. Það er að vísu talsvert flóknara að reisa svo stór vindorkuver úti á sjó, en á móti kemur að hér má nýta margra áratuga reynslu olíuiðnaðarins, en þar búa menn yfir mikilli þekkingu á mannvirkjagerð á sjó og vita hvernig gera á mannvirkin úr garði þannig að þau standist allt frá seltu sjávar til mikilla brotsjóa.
Vindmyllur á sjó standa á traustum grunni á botninum og af því leiðir að dýpi má ekki vera of mikið. Mörkin liggja við 40 metra. Það hafa reynst jákvæð aukaáhrif að undirstöðurnar virka ekki ósvipað skerjum. Þær draga að sér smærri sjávarlífverur sem aftur laða að fisk.
En það er mun erfiðara að viðhalda og gera við vindmyllur á sjó. Suma daga getur ölduhæð t.d. komið í veg fyrir að tæknimenn komist að undirstöðunum og á nýjustu vindmylluverum eru því komnir pallar sem hægt er að síga niður á úr þyrlu.
Það er líka ókostur við vindmyllur að þær geta kostað fugla lífið. Það er ekki í eðli ránfugla að óttast eitt né neitt og þeir hræðast heldur ekki vindmyllur. Sums staðar hefur vindmylluverum verið komið svo óheppilega fyrir að það hefur bitnað harkalega á fuglastofnum. Í Bandaríkjunum hefur verið settur upp sérstakur radarbúnaður til að vara við fuglahópum.
Flotmyllur prófaðar við Noreg
En kannski verða sjávarvindmyllur framtíðarinnar ekki botnfastar. Við vesturströnd Noregs stendur nú yfir tilraun með fljótandi vindmyllu sem fest er við botninn með traustum línum. Þessi vindmylla er 5.300 tonn að þyngd. Tilraunin hófst í september á síðasta ári og á að standa í 2 ár. Gangi allt að óskum kann að verða unnt að setja upp vindmyllur þar sem sjávardýpi er allt að 700 metrum. Hugsanlegt er líka að vindmyllur á sjó verði búnar spöðum sem sjást á radar. Hernaðaryfirvöld setja sig iðulega upp á móti vindmylluverum á sjó vegna þess að spaðarnir hafa truflandi áhrif á radar og unnt að villast á þeim og flugvélum. Vísindamenn, m.a. breskir, hafa nú upphugsað nýja efnasametningu fyrir spaðana þannig að þeir valdi ekki slíkum radartruflunum.
Auk tækninýjunganna verða vindmyllurnar æ hærri. Fræðilega séð eru því engin takmörk sett hversu háar vindmyllur geta orðið og margir mylluturnar eru nú komnir yfir 100 metra og mylluspaðarnir um leið orðnir 60 metra langir. Snúningsflötur spaðanna, sem sagt það flatarmál sem þeir þekja samtals á snúningi, er þar með orðið hátt í 3.000 fermetrar. Hjá bandaríska fyrirtækinu Clipper Windpower eiga menn sér enn stærri drauma og hyggjast innan tíðar koma upp 175 metra háum vindmyllum með 70 metra spöðum, en snúningsflötur slíkra spaða nálgast 4.000 fermetra og er á við ríflega hálfan fótboltavöll. Fræðilega er ekkert því til fyrirstöðu að reisa enn stærri vindmyllur, en einstaka hluti í vindmyllunna þarf að flytja frá verksmiðju á uppsetningarstað og þetta setur stærðinni ákveðin takmörk, a.m.k. enn sem komið er.
Það er ýmsum vandkvæðum bundið að flytja svo sem 40 metra langa vindmylluvængi um þjóðvegi og jafnvel gegnum þéttbýli. Engu að síður hefur ESB ýtt úr vör heimsins stærsta þróunarverkefni á sviði vindmyllugerðar, en ætlunin er að þessar vindmyllur geti orðið allt að 250 metrar á hæð. Þetta verkefni kallast „UpWind“ og menn gera sér vonir um að skapa vindmyllur sem framleiði 20 MW. Það er næstum fjórfalt á við öflugustu vindmyllur sem nú eru í notkun. Flutningavandamálin hyggjast menn leysa með samsetningu á byggingarstað.
Og af praktískum ástæðum verða vindmylluverksmiðjurnar að líkindum reistar í hafnarborgum. Annars vegar er auðveldara að flytja vindmylluhlutana sjóleiðis, en hins vegar reikna menn nú fremur með að vindmylluver verði reist á sjó en á landi. Það getur verið freistandi að teygja vindmylluturnana sem hæst upp í loftið, því vindstyrkurinn eykst eftir því sem ofar dregur. Sé vindur t.d. 8 m/s við jörðu er hann iðulega um 10 m/s í 120 metra hæð. Þessi munur virðist ekki ýkja mikill en hefur þó mikla þýðingu við nýtingu vindorkunnar. Orka loftstraums vex nefnilega með lofthraðanum í þriðja veldi. Þetta þýðir t.d. að tvöfaldist vindhraðinn, þá áttfaldast orkan.
Hollenskir vísindamenn vinna að því að nýta orkuna uppi í loftinu með sérstakri gerð flugdreka en annars staðar í heiminum gera menn sér enn hærri hugmyndir: Hvers vegna ekki að vinna orku úr svonefndum þotustraumum sem fara umhverfis jörðina í um 10 km hæð? Þarna uppi er vindhraðinn um 100 m/s en til samanburðar má nefna að vindhraði yfir 33 m/s telst fárviðri á jörðu niðri.
Allmörg fyrirtæki og vísindamenn vinna að þróun aðferða til að vinna orku úr þotustraumunum, svo sem með því að senda þangað upp einhvers konar flugtæki, sem búin væru vindmyllum og orkan yrði svo leidd til jarðar með kapli. Tilraunir eru líka gerðar með lóðrétta öxla í stað láréttra. Hjá ensku fyrirtæki gera menn sér vonir um að hafa stóra, V-laga vindmyllu tilbúna árið 2013 og gert er ráð fyrir að hún verði sett upp á sjó.
Hinar hefðbundnu vindmyllur eru líka stöðugt endurbættar. Vísindamenn vinna að rannsóknum á nánast öllum sviðum sem unnt er að ímynda sér: ný efni, loftaflsfræði, betri undirstöður og betri hönnun spaðanna þannig að þeir skili meiri afköstum. Meðal þess sem menn hugsa sér nú eru sístillanlegir spaðar sem breyttu afstöðu sinni þannig að vindmyllan skili alltaf hámarksafköstum, líka þegar vindur er misjafn og hviður tíðar.
Endurbætt dreifikerfi í Evrópu
Að öllu samanlögðu hafa rannsóknir nú komið vindmyllum mjög nálægt því framleiðnihámarki sem fræðilega er unnt að ná. Samt er enn rými fyrir nýja hugsun. Sem dæmi má nefna að gert er ráð fyrir gjörbreyttum drifbúnaði í vindmyllum framtíðarinnar. Í vindmyllum er nú notaður þungur og viðamikill drifbúnaður sem virkar svipað og gírkassi og skilar 1.000 – 1.500 snúningum á mínútu til rafalsins úr þeim u.þ.b. 15 snúningum sem vindmylluspaðarnir fara.
Hin fjölmörgu tannhjól og legur í drifbúnaðinum slitna og valda iðulega vandræðum. Í staðinn fyrir drifbúnaðinn sjá menn nú fyrir sér að nota tvo stóra segla sem snúist hvor við annan. Slíkt hefði tvo stóra kosti: Menn losna við alla þessa hreyfihluti sem bæði geta slitnað og brotnað. Og að hinu leytinu losna menn líka við það orkutap sem verður í drifbúnaðinum.
Það eru ekki aðeins vindmyllurnar sjálfar sem eiga eftir að batna í takt við aukna þýðingu vindorkunnar. Hitt er ekki síður mikilvægt að koma rafstraumnum frá þeim út í dreifikerfið og til notenda. Til þess þarf talsverðar breytingar, enda er grundvallarmunur á dreifikerfi sem notað er til að flytja straum frá 3-4 hefðbundnum orkuverum og kerfi sem þarf að taka við og dreifa rafmagni frá kannski 3.000 vindmyllum.
Rafmagnsframleiðsla vindmyllanna er afar mismikil og alltaf munu koma tímabil þegar framleiðslan verður meiri en þörf er á. Til að þetta rafmagn fari ekki til spillis er nú unnið að því að samtengja veitusvæði í Evrópu þannig að stöðugt sé unnt að veita rafmagni til ólíkra átta. Þegar upp er komið heildstætt dreifikerfi hefur það engin úrslitaáhrif þótt lygni á einum stað meðan vindur blæs enn annars staðar. Þessi vinna er þegar komin á fullt. Um þessar mundir er verið að leggja raflínur og kapla milli Noregs, Danmerkur, Svíþjóðar, Þýskalands og Hollands. Með tilkomu nýrra og víðfeðmra tenginga verður vindurinn mikil uppspretta hreinnar orku, sem að auki getur orðið mjög stöðug.
