Hvorfor bølgeenergi?
Energien i havbølgene
Den totale energien i havbølgene på jorda er av samme størrelsesorden som det
totale energiforbruket i verden. Omtrent 10 % av denne bølgeenergien når før
eller siden fram til en kyst. Denne energimengden er av samme størrelsesorden som det totale
produksjonen av elektrisitet i verden. Dette enorme energipotensialet er en av grunnene til
at havbølgeenergi er et så interessant alternativ.
På den nordlige halvkule er det mest bølgeenergi om vinteren. Dette er en klar fordel
når man tenker på hvordan energiforbruket varierer over året. I mange land som
er avhengig av vannkraft, bl.a. Norge, er dessuten tilgangen på energi minst om vinteren.
Det betyr at et supplement fra bølgeenergi vil bidra til å redusere behovet for
lagringskapasitet (damanlegg), og dermed til å redusere langsiktige investeringskostnader.
Anvendelsesområder for bølgeenergi
Pr. idag har bølgeenergi mest blitt brukt til å drive navigasjonsbøyer
og vannpumper. Det finnes imidlertid mange andre mulige anvendelsesområder:
- En bølgedrevet vannpumpe kan brukes i avsaltings- og vanningsanlegg i kystnære
områder. Da slike konstruksjoner kan gjøres enkle å vedlikeholde, er de spesielt
interessante for bruk i U-land.
- Bølgedrevne pumper er også godt egnet til å pumpe rent sjøvann gjennom
f.eks. fiskeoppdrettsanlegg, eller i havneområder og fjorder der den naturlige vannsirkulasjonen
er dårlig.
- Bølgeenergi kan brukes til framdrift av fartøyer. Det er gjort vellykkede
forsøk med modeller hvor bølgene beveger en «hvalhale» bakerst på
skroget, som dermed driver fartøyet framover.
- Man kan forhindre erosjon ved å plassere bølgeabsorbatorer langs kysten.
- På lengre sikt vil bølgeenergi også kunne benyttes til forsyning av
anlegg som produserer hydrogen fra sjøvann. Hydrogenet kan i så brukes som drivstoff
i kjøretøyer, etc.
- Den mest opplagte bruken av bølgeenergi er imidlertid produksjon av elektrisitet. Det er
mange måter å gjøre dette på. Man kan f.eks. bruke energien til å
pumpe vann fra havoverflata til et basseng noen meter høyere opp. Ved å la vannet renne
tilbake til havet gjennom en vanlig vannturbin, vil bassenget fungere som et energilager. De fleste
foreslåtte bølgekraftverk er imidlertid basert på et eller annet turbin- eller
stempelsystem som konverterer energien direkte fra den svingebevegelsen bølgene skaper.
Bølgeenergi kan bli av stor betydning for elektrisitetsforsyning til isolerte øysamfunn
eller installasjoner til sjøs, som f.eks. havbruk. En kommersiell utvikling på dette området
kan sammen med videre forskning bidra til å redusere kostnadene, og bølgeenergi kan dermed
etter hvert bli et lønnsomt alternativ for alminnelig energiforsyning i de fleste land som har
ei kystlinje.
Det kan være hensiktsmessig å bygge bølgekraftverk som en del av en konstruksjon
som også tjener andre formål, og dermed utnytte gjensidige tekniske og økonomiske
fordeler. I Japan har man f.eks. bygd inn bølgekraftverk i moloer. På tilsvarende
måte kan bølgekraftverk som er basert på bøyer også tjene som
navigasjonsbøyer. Det bør også vurderes om bølgekraftverk kan kombineres
med vindmøller til havs, for dermed å utnytte felles elektriske anlegg, samt muligheten
for en jevnere energiforsyning til kraftnettet.
Noen sentrale begreper og prinsipper
Svingninger og bølger
En svingning er en variasjon som gjentar seg (eksakt eller omtrentlig). Begrepet brukes vanligvis
om bevegelser i mekaniske systemer (pendler, gitarstrenger, stålfjærer, etc) eller om
elektriske strømmer og spenninger, men også om mer abstrakte sammenhenger som f.eks.
variasjoner i folketall, mm.
En bølge er en svingning som i tillegg til å bevege seg fram og tilbake, også
beveger seg som et hele, utfra en eller annen kilde. Eksempler på bølger er f.eks. lys
(elektromagnetiske svingninger som beveger seg gjennom rommet), lyd (trykksvingninger som beveger
seg i gasser eller væsker), og vannbølger (som beveger seg langs vannoverflata). Noen
bølger beveger seg langs en rett linje, mens andre brer seg utover som sirkler eller kuleskall.
Tidsrommet mellom hver gang svingningen gjentar seg, kalles en periode, T (se fig. 1).
Fig. 1: Utsvinget av en bølge varierer med tida
|
Den fysiske avstanden mellom to påfølgende maksimumsverdier (eller to påfølgende
minimumsverdier), kalles for bølgelengden, L (se fig. 2). Denne kan uttrykkes som
L = c*T, der c er den hastigheten bølgen brer seg med.
Fig. 2: Utsvinget av en bølge varierer med posisjon
|
Bølgeabsorbator
En bølgeabsorbator er den delen av et bølgekraftverk som tar
opp («absorberer»)
energien fra bølgene, dvs. omsetter den til utnyttbar mekanisk energi. Absorbatoren kan f.eks. bestå
av en bøye, en pendel eller et kammer med en svingende vannsøyle, tilknyttet f.eks. stempler
eller turbiner som overfører energien videre i systemet.
Optimal amplitude
Amplituden til en svingning eller bølge er maksimalverdien til utsvinget innenfor en periode.
Når svingninger og bølger ikke er helt periodiske – dvs. ikke gjentar seg selv helt eksakt
– beregner man en amplitude vha. statistiske sammenhenger. Det er f.eks. slik man beregner høyden
til havbølger.
Energimengden som et svingesystem kan absorbere fra vannbølgene avhenger av systemets dempning.
Dersom svingningen er helt udempet (f.eks. en kork på vann) absorberes ingenting. En innretning som er
fastlåst absorberer heller ingenting. Det optimale må dermed ligge et sted imellom. Det utsvinget
systemet da har, kalles for optimal amplitude.
Optimal fase
Fasen til en svingning angir hvor mye den er forskjøvet i tid i forhold til en eller annen referanse
(f.eks. i forhold til en annen svingning eller bølge).
Den energimengden et system absorberer avhenger ikke bare av amplituden, men også av svingningens fase i
forhold til den innkommende bølgen. Fasen avhenger igjen av systemets stivhet og treghet. Siden
bølgelengden varierer, vil man i prinsippet bare kunne oppnå optimalt energiopptak ved å
fortløpende variere disse parametrene. Når fasen er slik at energiopptaket er maksimalt sier
vi at vi har optimal fase.
Fasestyring
For små bølgeabsorbatorer kan man simulere optimal fase for de fleste bølgelengder vha.
såkalt fasestyring. Den enkleste måten å gjøre dette på er å holde
igjen svingningen i deler av svingeperioden. Dette krever imidlertid at holding og slipping foregår til
nøyaktig riktig tidspunkt, noe som igjen krever at den innkommende bølgen kan bestemmes
nøyaktig på forhånd, utfra målinger og beregninger i «sann tid». Mye av
bølgekraftforskningen i Norge har dreid seg om akkurat denne problematikken.
Det viser seg at en liten bølgeabsorbator som fasestyres godt, har langt høyere virkningsgrad og
bedre økonomi enn en større absorbator som ikke styres (og som i prinsippet heller ikke kan
styres i særlig grad). God fasestyring (med tilhørende målinger, teoretisk grunnlag,
sanntidsberegninger og styringsteknologi) kan være viktigere for bølgekraftverks kostnadseffektivitet enn
hvilken fysisk mekanisme kraftverket er basert på.
Effekt
Effekt er det samme som energi pr. tidsenhet.
Maksimum energiabsorbsjon
Når vi ser bort fra tap, kan en bølgeabsorbator i teorien
absorbere 100% av den innkommende energien.
(En liten absorbator kan faktisk absorbere mer energi fra en plan bølge enn den andelen som passerer
innenfor absorbatorens egen bredde. Dette skyldes interferens mellom innkommende bølge og den bølgen
som absorbatoren genererer ved å svinge.) Den teoretiske maksimumsgrensen kan imidlertid bare nås
dersom absorbatoren hele tiden svinger med både optimal amplitude og optimal fase (i forhold til den
innkommende bølgen).
Det finnes også en teoretisk grense for hvor stort effektopptak det er mulig å oppnå pr.
volum av bølgeabsorbatoren. Sett fra et økonomisk synspunkt er denne grensen langt mer
interessant enn hvor mye effekt en kraftverk kan levere totalt. Dette skyldes at størstedelen av
investeringskostnadene er direkte avhengig av materialforbruket, og dermed øker med kraftverkets fysiske
størrelse. Absorbert effekt pr. volum er typisk størst for små absorbatorer.
De viktigste utfordringene
Variasjon i bølgelengde
For at en bølgeabsorbator skal være kostnadseffektiv, må den kunne absorbere energi med stor
virkningsgrad for et bredt spektrum av innkommende bølger. En stor konstruksjon absorberer omtrent like
godt for alle slags bølgelengder, men denne virkningsgraden er typisk forholdsvis lav. Dessuten blir
investeringskostnadene høye for store konstruksjoner. Små konstruksjoner er billige, men
virkningsgraden er kun høy for de mest optimale bølgelengdene. Dette kan imidlertid avhjelpes
vha. fasestyring.
Variasjon i bølgehøyde
Det lønner seg ikke å dimensjonere et bølgekraftverk slik at man utnytter de største
bølgene. Disse er det få av, og kraftverket blir for stort til at det kan utnytte de mindre
bølgene. Dessuten vil som sagt store dimensjoner bety høye investeringskostnader. Et
bølgekraftverk som er dimensjonert for å utnytte de vanligste bølgene vil gi en langt
bedre økonomi. Total effekt ut av systemet vil selvsagt bli lavere, men man kan uansett sikre en høy
totaleffekt ved å bygge flere små enheter istedenfor ett stort enkeltkraftverk.
Små enheter er imidlertid dårligere rustet til å tåle ekstreme bølgekrefter. Det
finnes imidlertid mekanismer som minimaliserer kreftene ved ekstreme forhold (f.eks. låsing av
bevegelige deler i neddykket tilstand). Ellers vil det være viktig å lokalisere kraftverket på
et sted der forskjellen på maksimal og gjennomsnittlig bølgehøyde ikke er for stor.
Lagring av energi
Uansett hvor optimalt kraftverket er mhp. å utnytte bølger av forskjellig høyde og lengde, vil
det være perioder da den innkommende bølgeenergien er for liten til at kraftverket produserer noe.
Det er derfor viktig med en effektiv og billig mekanisme for energilagring, slik at den elektriske effekten fra
kraftverket blir jevnest mulig. Det vil også være en fordel å samkjøre mange små
enheter, spredt utover et større område. Dersom kraftnettet er tilstrekkelig «stivt» (dvs.
at spenningene i nettet er forholdsvis konstant selv om det er lokale variasjoner i produksjon og last), trenger
ikke en ujevn leveranse fra ett enkelt bølgekraftverk være noe stort problem. Bølgekraftverk
vil imidlertid ofte være lokalisert i områder der den maksimale effektkapasiteten i det
nærliggende kraftnettet er forholdsvis begrenset, noe som gjør at nettet er mer følsomt for
variasjoner.
Energitap
Det vil alltid være tap forbundet med konvertering av energi. For et bølgekraftverk vil energitapet
typisk skyldes friksjon, enten mellom de bevegelige delene i kraftverket, mellom konstruksjonen og vannet, eller
i selve vannet nært kraftverket (viskøse og turbulente tap). Grovt sett kan man si at jo flere
bevegelige deler og jo skarpere kanter, jo mer energitap. Andelen tap i prosent øker dessuten med
bølgehøyden.
Noen ord om økonomi
Det er et interessant faktum at kostnadene ved en teknologi avtar som funksjon av det totale antallet produserte
enheter. Pr. i dag er bølgekraftverk ulønnsomme. Men ved å subsidiere slike kraftverk, og
dermed stimulere til bygging av et tilstrekkelig antall, vil man også bidra til å gjøre dem
stadig mer kostnadseffektive på lengre sikt. Kostnadsestimater tyder på at dersom et 5 MW kraftverk kan
produsere energi til f.eks. 2 kr/kWh i dag, vil energikostnaden forventes å gå ned til under 40
øre/kWh før totalt installert effekt (i alle kraftverkene tilsammen) passerer 250 MW.
Utvalgte referanser
Bøker og hefter
- Falnes, J.: Ocean Waves and Oscillating Systems.Cambridge University Press, 2002. ISBN 05-21-78211-2.
- Carmichael. A.D., Falnes, J.: State of the art in wave power recovery. In Ocean Energy
Recovery, Seymour, R.J., editor. American Society of Civil Engineers, New York, 1992. ISBN 0-87262-894-9.
- Nye fornybare energikilder. 2. utgave. NFR i samarbeid med NVE, 2001. ISBN 82-12-01621-8.
- Lennart Claeson m.fl: Energi från havets vågor. Technocean AB. Efn-rapport nr. 21,
Energiforskningsnemnden, 1987 (bestilling: Allmänna Förlaget, Kundtjänst). ISBN 91-38-09691-9.
- Ross, D.: Energy from the Waves. 2nd edition, Pergamon Press, 1981.
- McCormick, M.E.: Ocean Wave Energy Conversion. John Wiley & Sons, New York, 1981.
Internett
|
