– Det langsiktige målet med vårt arbeid er å muliggjøre energiproduksjon lokalt, i urbane strøk, ved hjelp av små og mellomstore vindturbiner, sier Sintef-forsker Are J. Simonsen.
Ifølge Simonsen innebærer det å samle eksisterende og ny kunnskap på en rekke områder som for eksempel: Hvor bør en eller flere vindturbiner plasseres? Hvor mye produsert energi kan en forvente? Hvilke design egner seg best, hvor? Hvordan kan man utforme nye bygninger i forhold til utnyttelse av vindenergi?
NTNU-kollega Tania Bracchi viser til at energiforbruket i verden er anslått å øke med rundt 50 prosent frem mot 2050, ifølge IEA. Og i byene vil veksten trolig bli enda høyere.
– Det øker behovet for tilgang til lokal bærekraftig energi i byene, som også kan redusere CO₂-utslippene. Fornybar energi er også en viktig del i fremtidens smarte byer og bygninger, sier hun.
Ulemper ved vindparker
Vindkraft på land har fått mye pepper den siste tiden, ikke minst fordi disse prosjektene ofte krever omfattende anleggsarbeid i urørt natur. Blant annet må det som regel bygges nye veier til anlegget og mellom turbinene.
– Vindparkene ligger ofte langt unna industri og andre som trenger kraften. Det er en ulempe fordi man taper elektrisitet når den fraktes over store avstander. Det er på tide å fokusere på hvordan man kan produsere mer kraft lokalt, sier Bracchi.
Hun påpeker at naturinngrepene ved vindturbiner i urbane strøk vil bli svært små. Her er det allerede veier og annen infrastruktur man kan bruke for å sette opp turbinene og for å legge kabler.
Bygninger gir komplisert vind
Problemet med urban vind er at den er komplisert. Og det handler ikke bare om at vinden kommer fra alle kanter.
– Bygninger som stikker opp og annen infrastruktur gjør at vinden kan ta nye og til dels uforutsigbare retninger. Og det kan oppstå virvelstrømmer og turbulens, sier Simonsen.
Man kan kanskje tenke at det bare er å sette vindturbinene på taket på alle typer høye bygninger. Men det viser seg at det ikke alltid er så enkelt. Blant annet er det testet på Postgirobygget i Oslo. Belastningen på de tre turbinene som ble satt opp på taket ble for høy, vinden var for sterk.
– Høye bygningen gir økt risiko for vind med ekstreme hastigheter, brå vindkast og turbulens. Mange turbiner tåler ikke dette. Derfor er det viktig å sette opp turbinene på steder hvor det er god og stabil vind, konstaterer Simonsen.
Må utvikle egne vindkart
Forskerne må gjøre en del grunnleggende arbeid, blant annet få mer kjennskap til vindmønstre. Noe værdata kan de hente fra Meteorologiske institutt, men det handler stort sett om vinder i åpne områder og gjerne 70–80 meters høyde.
– Vi så tidlig at vi måtte utvikle egne vindkart og modeller egnet for urbane strøk. Det finnes ikke standarder for dette, sier Simonsen. Og det er forskerne i gang med. I første omgang dreier det seg om Gløshaugen i Trondheim.
Hovedretningene på vind på campusområdet legges inn i kartet. Det handler i hovedsak om en sørvestlig vindtype. De fleste timene i døgnet kommer vinden fra denne retningen. Også de vanligste snitthastighetene på vinden legges inn. Det er også ønskelig å samle informasjon om turbulens, siden det påvirker ytelser og belastningene på vindturbinens struktur.
Forskerne laget en digital modell i 3D av campus-området. Denne ble så frest ut til en fysisk modell med mål 1:320. Modellen er testet i vindtunnelen på NTNU i flere runder med ulike vindretninger og -styrker.
Blant annet ved å sende inn røyk i tunnelen har forskerne kunnet registrere hvordan vinden har oppført seg rundt bygningene på Gløshaugen.
Vindstrømmer på PC-en
Bracchi påpeker at forskere allerede har tatt i bruk såkalte CFD-modeller (Computational Fluid Dynamics) som kan være en god løsning for å forutsi vindforhold i urbane strøk.
– Men det krever at vi kan stole på resultatene vi får. Vi må derfor få på plass slike modeller og verifisere resultatene gjennom feltmålinger og eksperimenter, sier hun.
For i tillegg til simuleringer på datamaskiner og omfattende testing av den fysiske 3D-modellen i vindtunnelen vil forskerne å sette opp fysiske målepunkter ute på campus – for å få reelle data.
– Alle disse dataene bruker vi til å utvikle vindmodeller, som vi siden kan bruke til å finne ut hvor det er mest gunstig å plassere vindmøllene, hvilke typer turbiner som er mest egnet og hvor høye de bør være, sier Simonsen.
Mindre ruvende turbiner
De urbane turbinene vil ikke på langt nær være så ruvende som de man ser i vindparkene, som gjerne kan være 200 meter. Som regel vil de urbane vindturbinene ikke være stort høyere enn et menneske, og typisk kunne plasseres både langs veier og på tak.
Utseende kan også variere, ikke alle vil være miniversjoner med horisontal aksel og med tre rotorblad. Noen har vertikal rotasjonsaksel, som av ulike grunner ofte kan egne seg bedre i urbane strøk. Turbiner som kan minne om skruer eller vindeltrapper er også mye brukt.
Man kan gjøre noen enkle beregninger og sammenligne ulike vindturbintyper, som Savonius, Darrieus og HAWT.
Det beregnes hvor mye kraft de enkelte kan bidra med ved ulike vindhastigheter. Men også kostnadselementet trekkes inn. Det regnes på hvor lang tid vil det ta å tjene inn investeringen i vindturbinen.
Forskerne mener de med prosjektet på Gløshaugen vil opparbeide seg kompetanse og ha utviklet modeller som kan brukes til å gjøre tilsvarende beregninger på andre byområder.
Et supplement
Simonsen og Bracchi understreker at urban vind er tenkt som et supplement, og ikke i stedet for andre energikilder som vannkraft og store vindparker. De mener at det fremover vil være en miks av ulike energiløsninger og at urban vindkraft vil være en viktig del i denne miksen. Foreløpig er dette stort sett finansiert over NTNU og Sintef sine budsjetter. Og flere master- og doktorgradsstudenter er involvert.
– Det er mye fokus på solceller på tak på privatboliger og næringsbygg, men nå vi håper på mer offentlig bevissthet rundt private vindturbiner, sier Simonsen som håper Forskningsrådet og andre finansieringskilder vil prioritere dette fremover.
Selvforsynt med vind, sol og batteri
– Solenergi og vindenergi utfyller hverandre. Grovt sett kan man si at sol er best om sommeren og om dagen, mens vind ofte er best om vinteren og natten, sier Bracchi.
Simonsen påpeker at dette i det minste redusere strømregningen betraktelig.
– Allerede nå kan hytter, som man ikke bruker så ofte, være selvforsynt med strøm med solcellepanel, en personlig vindturbin og et batteri. Fremover kan vi se for oss av vanlige husholdninger, boligsameier og bedrifter kan gjøre seg selv selvforsynt, sier han.
