Lyst til å vinne en kraftig solcellelader?

Svar på våre 7 enkle spørsmål her.

Innholdsfortegnelse
Kompetansemål

Bølgeenergi

28. oktober, 2016

Bølger finnes i mange flere former enn det man ofte tenker: Lyd, lys, telefonsignal og bølgebevegelsene i vann er alle bølger. Ikke alle er like enkle å få øye på, og det er nok derfor de fleste tenker på havet når de hører ordet bølge.

 

Det alle har til felles, er at de bærer energi. Dette kan vi utnytte oss av i vårt energikrevende samfunn, noe vi allerede gjør i stor grad. Likevel har vi enda ikke kommet særlig langt i utviklingen av en effektiv måte å ta i bruk bølgeenergien som finnes i havet.  Dette er synd, fordi det har potensiale til å gi oss store mengder kraftig, fornybar energi. Heldigvis er dette teknologi som det forskes på stadig, og ny teknologi for å hente energi fra havbølgene blir stadig bedre. Her finner du litt om mulighetene som eksisterer i dag.

Sammendrag

Bølgekraft er en fornybar energikilde hvor bølger produserer energi ved å drive en generator. Energien i bølger er likt fordelt mellom stillingsenergi og bevegelsesenergi. De ideelle bølgene er såkalte dønninger, de finner man hovedsakelig i Stillehavet og Atlanterhavet. Energi fra små bølger er fem ganger kraftigere en energi fra solenergi, men grunnet dyr og lite forskning er bølgekraft enda på idestadiet.

 

Det er svært mange og ulike ideer om hvordan man kan utnytte bølgekraft, men ingen har knekt koden. De ledende prinsippene er linjeabsorbator, svingende vannsøyle og en annen versjon av denne, punktabsorbatoren. For at vi skal kunne utnytte bølgeenergien må kraften fra bølgene overføres til energi i et svingesystem som vekselvirker med bølgene. Deretter må denne energien omformes til nyttig mekanisk energi ved hjelp av turbiner og tilslutt til elektrisk energi gjennom generatoren.

 

Til tross for vår store og energirike kyst ser det per dags dato ut til at vi ikke har noe stort potensiale for bølgekraft i Norge. I senere tid har man kommet frem til at bølgekraft innen el-produksjon kanskje ikke er bølgekraftens eneste anvendelsesområde, det kan for eksempel brukes til fremdrift av båter og energi til navigasjonsbøyer. Skottland og Storbritannia er ledene innen bølgeenergi på verdensbasis og har flest kommersielle kraftverk. Man tror bølgekraft kan bli kommersielt rundt 2020.

Hva er bølgeenergi?

Bølger oppstår når vind blåser over havoverflaten. Vind oppstår mellom lave og høye trykksoner, som finnes i henholdsvis varme og kalde temperaturer i lufta (les mer om dette på ungenergis side om vindkraft). Energien både til luft og hav kommer fra sola og vi kan betrakte bølger som et energiprodukt fra sollys. Dette «produktet» er fordelt mellom stillingsenergi (vann løftet fra bølgebunn til bølgetopp) og bevegelsesenergi (vannets vekslende fart). Det er mest energi å hente i de store bølgene som blir dannet under en kraftig storm, men slike bølger er uforutsigbare og svært ødeleggende. De beste bølgene er av den lange, trege typen, såkalte dønninger. Disse er enkle å utnytte og inneholder likevel mye energi.

 

Energipotensialet fra bølgekraft er ca. fem ganger større enn for solenergi, og ytterligere fem ganger større enn vindenergi. Når vi ser på disse tallene kan det virke som om energikrisen er løst. Problemet ligger i at selve energiutvinningen har vist seg å være svært dyr og teknologikrevende.

Hvordan virker det?

Animasjon: UngEnergi

En bølge er definert som et foranderlig felt som transporterer energi, ikke masse. Dette kan illustreres ved å vise vannpartiklene (røde prikker) som går i elliptiske baner under selve bølgen.  Det er viktig å huske at en bølge beveger seg i to retninger: opp og ned og bortover. Animasjonen over beskriver hvordan disse to bevegelsene virker sammen.Vi ser også at havbølger fører til avtagende bevegelse nedover. Dette er noe en må ta hensyn til i bølgekraftverk som er plassert under vann. For mer om fysikken rundt bølger og bølgekraft, samt eksempler finner du her (NTNU Havromsteknologi) under bok/læringsmateriell, kapittel 13.

 

Bølgekraft er fremdeles nokså nytt når det kommer til forsknings- og teknologistadiet, til tross for at det kan spores tilbake til 1799, da det første patentet ble tatt. Det er svært mange og ulike ideer om hvordan vi kan utnytte bølgekraft, men så langt er det ingen av dem som har «knekt koden».

 

De mest suksessrike anleggene i dag er linjeabsorbator, svingende vannsøyle og punkt-absorbator. Felles for disse løsningene er at de har et slags svingesystem som vekselvirker med bølgene. På denne måten får en konvertert bølgeenergi til mekanisk energi, som igjen kan omdannes til elektrisk energi.

 

Vi skiller gjerne mellom to hovedtyper bølgeanlegg: bunnfaste og flytende. Hver av disse har en rekke underkategorier. Under kan du se noen av de vanligste.

Bunnfaste anlegg

Animasjon: Aqua-RET

En svingende vannsøyle er en vannmotor som er konstruert for å stå på havbunnen. Den består av en vertikal sjakt med åpen bunn kalt et bølgekammer, en spesialkonstruert rørturbin, et luftinntak og ventiler som skal stenge vann og luft om hverandre.

 

Prinsippet er at bølgene blir presset opp og ned i en søyle som inneholder luft. Når en bølge slår mot anlegget, stiger vannstanden i søylen og luften presses opp og driver turbinen. Når bølgen trekker seg tilbake igjen, vil vannet strømme ut av kammeret og luften ovenfra suges inn av turbinen. Siden luftretningen snur halvveis gjennom hver bølge er det nødvendig med en metode som retter opp luftstrømmen. Dette er løst ved at ventilene i vannmotoren sørger for at turbinen går samme vei både når luft presses ut, og trekkes inn i kammeret. I begge tilfeller vil det bli produsert energi. Ulempen med en toveisvirkende turbin er at den gir betydelig energitap og mye støy. Det engelske navnet for denne konstruksjonen er oscillating water column.

 

Kilerenne
Kilde: Jørgen Hals

Et kilerennekraftverk utnytter bølgene som slår mot kysten og på land. Kraftverket består av en kilerenne som er delt opp i trakt og kile, et magasin, og en kraftstasjon.

 

Vannet i bølgene blir fanget opp av traktens åpning og ledet inn i kilen. Kilen har en avsmalning som gjør at bølgene stadig blir høyere. Når bølgetoppene blir høyere enn kilekanten renner vannet ned i et magasin, noe som jevner ut den varierende vanntilførselen fra bølgene. Magasinet ligger høyere opp en det vannet gjorde i utgangspunktet, derfor vil vannet renne ned gjennom turbiner i kraftstasjonen og det blir generert strøm på samme måte som i et vannkraftverk.

 

Bølgehøvel
Illustrasjon: Ole Gunnar Dahlhaug, NTNU

En bølgehøvel fungerer som en kilerenne uten bevegelige deler. Den ser ut som en skrå bakke. Den har ulike «hull» som bølgene kan treffe gradvis oppover. Fra spissen av konstruksjonen er det en forankring ned til havbunnen. På den måten vil bølgehøvelen alltid ligge mot bølgene. For at konstruksjonen skal ligge i ro, er den festet til store ballasttanker fylt med vann.

 

En bølgehøvel benytter seg av at farten til vannet øker når det blir ført inn i et mindre rom. Det er akkurat det som skjer når bølgen blir presset inn i de avlange og avsmalnende traktene. En stor masse i bevegelse inne i røret vil virke som et svinghjul og massen vil gå frem og tilbake. For å få dette til å bli en jevn strøm kan man sette flere slike kraftverk ved siden av hverandre. Det er vannets store mengde, trykk og hastighet som driver turbinen rundt slik at vi får strøm.

Flytende prinsipp

Animasjon: www.aquaret.com

Et bølgestempel består av en bøye som er koblet til et stempel, en generator, en turbin og en ventil. Bølgene løfter bøyen opp og ned, da heves og senkes stempelet. Når stempelet hever seg suger det inn vann gjennom generatoren, dette vannet driver turbinen og kommer ut gjennom ventilen når bølgene trekker seg tilbake. Det engelske navnet for denne konstruksjonen er point absorber.

 

Gif-en er hentet fra Pelamis Waves youtube-klipp
www.youtube.com/watch?v=u-9P2VflRWU

En linjeabsorbator fungerer nesten på samme måte som søyleprinsippet over. En linjeabsorbator er halvveis senket ned i sjøen og består av sylindriske stålseksjoner som er hengslet sammen til flere ledd.

 

Inne i disse sylindrene finner vi en vannturbin og en generator. Konstruksjonen ligger ca. 50- 60 m over havbunnen og 5-10 km unna land. Dette er for å kunne utnytte dønninger upåvirket av havbunnen. Konstruksjonen er festet i havbunnen på begge sider, og kan tilpasse seg så å si alle typer bølger. Disse festene er kabler som frakter den elektriske kraften til land. Når konstruksjonen utsettes for bølger vil de ulike leddene bevege seg i forholdt til hverandre. Stemplene pumper væske med høyt trykk via apparater som lagrer energi (akkumulatorer) gjennom hydrauliske motorer som igjen driver generatoren. Pelamis kraftverk er det mest kjente eksempelet på et slikt system.

Hvor finner man slike anlegg?

Bølgeenergi har størst potensiale i Stillehavet og Atlanterhavet, hvor det er lange, jevne bølger (bølger med lang bølgelengde og relativt stabil fart). I Europa er det Skottland og Storbritannia som er ledende innen utbygging av pilotanlegg og satsning på denne teknologien. Bølgekraftverkene kan enten legges nær kysten, på land eller langt til havs. Anleggene som ligger langt til havs, offshoreanlegg, har det største energipotensialet. Dessverre krever disse anleggene store investeringer i kabler og ilandføringsanlegg. Derfor er slike anlegg mest lønnsomme i storskala bygging, noe som ikke er så relevant på pilotstadiet.

 

Dersom du ønsker mer info, anbefaler vi å ta en titt på denne siden (Pdf, Elforsk) (Det vil stå beskrevet fra side 13-18.).

Energipotensialet i bølger verden rundt.
Illustrasjon: ©Fornybar.no

Bølgekraft i Norge

Norge har en langstrakt kyst og stor bølgeaktivitet, likevel har vi ikke satt i gang utbygging av bølgekraftverk. Dette skyldes at vi ikke har hatt noe behov for å satse på denne teknologien, og forskningen har dermed blitt nedprioritert.

 

I de siste årene har det likevel vært en positiv utvikling på forskningsstadiet. Når en kommer over til konstruksjon og pilotanlegg er det mye bedre rammevilkår i utlandet. De fleste norske bedrifter som driver pilotanlegg av bølgekraft flytter til Storbritannia. Der har myndighetene satset sterkt på substitusjoner til fornybar energi. Den norske strømprisen er veldig lav sammenlignet med andre land, og det er derfor lettere å få bølgekraft som konkurransedyktig energikilde i utlandet.

Forskning

Mange knytter usikkerhet rundt bølgekraft grunnet de mange mislykkede forsøkene opp gjennom årene, og få er villige til å investere. Forskningen tar lang tid, etter at ideen er konstruert må den testes over lang tid ute i havet med liten effekt, og så med gradvis større og større effekt. Ofte må den testes flere ganger siden man må være helt sikre på at noe leverer jevn og god strømtilførsel før det kobles på nett.

 

Det er vanlig at hver bedrift satser på sin egen ide og prøver denne, eller nye versjoner av denne flere ganger før de eventuelt gir opp og starter med samme mønster på en ny ide. Phd-stipendiat Øyvind Bjørgum ved NTNU ser for seg at bølgeenergi vil være kommersielt først rundt 2020.

 

Når det kommer til bølgekraft har vi først og fremst rettet forskningen mot el-produksjon. I senere tid har det også blitt diskutert i andre sammenhenger, det kan for eksempel brukes til fremdrift av båter, energi til navigasjonsbøyer og pumping av vann til oppdrettsanlegg eller forurensede havnebasseng. Ved de sistnevnte nisjene er bølgekraft konkurransedyktig uten offentlig støtte.

 

Det er forsket mest på anlegg nært land, men man ser for seg at det er offshore anlegg som vil være aktuelle i fremtiden. Man har spekulert rundt muligheten til å knytte seg opp mot infrastrukturen til offshore vindkraftanlegg. På denne måten kan bølgekraftanlegget benytte eksisterende strømkabler fra vindparken. Men dette ser ut til å være litt vanskelig i og med at vindanleggene fungerer best der det er minst mulig bølger.

 

Dersom du ønsker informasjon om prosjekter som foregår nå og status på disse bør du sjekke side 11-19 i denne rapporten (RenewableUK, 2012). På samme link fra side 34-38 finner du en oversikt over bedrifter som jobber med bølgekraft og status på disse. Oversikt over hvor langt hvert enkelt land har kommet finnes på side 41.  

Fordeler

  • Stort potensiale: Havbølger inneholder svært mye energi. Det finnes mer energi i verdens bølger enn det hele verden har behov for. Potensialet i bølgekraft er mye større en potensialet i vann og vind.
  • Miljøvennlig: Bølgekraftverk slipper ikke ut klimagasser eller andre forurensninger etter at det er installert. Bølgekraft forurenser ikke og vannet blir ikke ødelagt eller forgiftet under prosessen.
  • Vinteren: Bølgene er størst om vinteren så energien er der når man trenger den mest.
  • Billig etter installasjon: Driftsutgiftene etter installasjon er små.
  • Flere bruksområder: Damanleggene kan brukes til vanning og til å kontrollere flom.
  • Arbeidsplasser: Anlegg kan skape nye arbeidsplasser.

Ulemper

  • Dyrt: På verdensbasis er det ganske lav satsing på bølgekraft, dette resulterer i at teknologien og utstyret er dyrt og lite utviklet.
  • Varierer: Bølgekraft er varierende og kan ikke reguleres slik som vannkraft. Man må ta energien når den kommer. I tillegg varierer bølger sterkt i høyden og i kraft, så energitilgangen vil bli ujevn. Derfor må alle bølgekraftverk ha et energilager som kan jevne ut forskjellene.
  • Sterkt materiale: Anleggene må tåle sterke mekaniske påkjenninger grunnet det store energiinnholdet i bølger. De anleggene som ligger i saltvann må kunne motstå kraftig slitasje og blir dermed dyre.
  • Interessekonflikter: Kystnære anlegg kan være synlig fra land, dette kan skape konflikter med lokalbefolkningen og ødelegge naturopplevelsen for mange. Kysttrafikken setter også begrensinger på arealbruket.
  • Dyr og tidskrevende testing: Det er ikke lett å skape de samme forholdene som anleggene vil møte i laboratorier, derfor må systemene produseres og være i fullskala drift i mange år før vi kan se om de fungerer som de skal. De matematiske modellene som brukes til å modellere bølgeanlegg er ikke gode nok og vil raskt nå grensen for hva de klarer.
  • Støy: Høye undervannslyder fra generatorene kan ødelegge for nærboende organismer under vann.
  • Lokal tilpasning: Anlegg må tilpasses hvert enkelt område, det finnes ikke ett vinner-anlegg.
Kilder Nyttige lenker
Bruk som kilde
Denne artikkelen skrevet av UngEnergi er lisensiert under en Creative Commons Navngivelse-Ikkekommersiell-DelPåSammeVilkår 3.0 Norge Lisens.
UngEnergi.no benytter informasjonskapsler for å gjøre brukeropplevelsen bedre Lukk Les mer
Maskin som omdanner mekanisk energi til elektrisk energi.
Potensiell energi:  Alt inneholder potensiell energi. Det er kreftene i bindingene mellom atomene som skaper denne energien. energi kan ikke forsvinne, bare endre form. Når et legeme er i bevegelse ser vi at det har energi. da må det også ha hatt energi før det kom i bevegelse. Det er denne energien vi snakker om når vi sier potensiell energi. Ofte snakker man om et legeme sin potensielle energi i tyngdefeltet, som regnes slik: Ep = mgh Hvor m er masse, g er tyngdens akselerasjon og h er høyden fra et gitt referansepunkt.
Ethvert legeme i bevegelse har bevegelsesenergi. Energimengden er bestemt av massen og farten til legemet etter formelen Ek = ½mv². Kalles også kinetisk energi.  
Et legemes mekaniske energi er summen av legemets bevegelses og potensielle energi.E_m = E_k + E_p = frac{1}{2}mv^2 +  m  g h   ,
Bunnpunktet på en bølge. Det motsatte av bølgetopp
Toppunktet på en bølge. Det motsatte av bølgebunn.
kile betyr skjæringslinjen mellom to skråflater. Når man snakker om en kil snakker man om to skråflater som er satt mot hverandre slik at de former en trekant.
Væskedrevne motorer som benyttes når roterende bevegelse er påkrevd.