Vågkraft - En introduktion till vågkraften som naturfenomen såväl som energiförsörjare

Nedanstående innehåll är skapat av Mimers Brunns besökare. Kommentera arbete

Syfte:

Syftet med detta arbete är att ge en inte alltför komplex bild av vågkraften som möjlig energiförsörjare såväl som dess roll i naturen. Jag vill även att folk som inte har tidigare kunskaper om ämnet ska kunna förstå och ta till sig informationen. Jag har även skrivit om ett svenskt vågkraftprojekt för att ge en inblick i hur ett vågkraftverk kan fungera.

Jag har fokuserat mitt arbete till att besvara dessa fyra frågor:

• Hur skiljer sig olika vågkraftverk åt?
• Hur ser situationen ut för vågkraften på elmarknaden?
• Vad har vågkraften för egenskaper?
• Vad kan en utbyggnad av vågkraftverk få för ekologiska konsekvenser?

Diskussion kring dessa frågor finner ni i resultatdelen av detta arbete.

Material:

Jag har varit noga med att använda mig av pålitliga källor. De litterära källor jag använt är skrivna av personer med stor kunskap på området eller utgivna av pålitliga tidsskrifter, och jag har endast använt internetsidor efter att ha kontrollerat dess trovärdighet. I och med att många av de litterära källor jag från början hade tänkt utgå ifrån visade sig vara aningen gamla, eller aningen komplicerade, så har jag använt mig av fler internetkällor än planerat.

Introduktion:

Enligt energilagen kan energi varken uppstå eller försvinna, utan endast omvandlas till olika former. Det är detta som sker då vågenergi uppstår. En del av den solenergi som når jorden omvandlas till vindenergi pga. temperaturskillnader, och överförs sedan vidare i vågor när vinden bromsas upp mot vattnets yta. När energin går från sol, till vind och slutligen till vågor så komprimeras energin i varje steg. Detta medför att det kan lagras mer energi per ytenhet för varje steg i skalan, och vågenergi ger ofta 15-20 gånger mer tillgänglig energi per ytenhet än både vind och sol (Borgström, 2004). Denna energi kan lagras som såväl kinetisk som potentiell energi, där vågrörelsen i sidled motsvarar den kinetiska energin och där vågens amplitud orsakas av den potentiella energin (Eriksson, 2007). Vågkraft kan beräknas med formeln (P=p*g^2 〖*H〗^2*T)⁄32π, där p är densitet, H är amplitud och T är vågperiod. Med denna formel kan man se att amplituden har störst inverkan på vågens energi, (gravitationen är konstant) och att för var gång som en vågs höjd fördubblas, så fyrdubblas energimängden (Nielsen, 2006). Energin uttrycks vanligen i effekt per meter vågfront och de vanligaste måtten är kW/m eller MW/km (Thorpe, 1999).

För att vågor ska uppstå måste det finnas en vågkälla. Ett exempel på detta är om man kastar en sten i vattnet. En del av stenens energi absorberas av vattnet och ger upphov till vågor, men om man inte tillför mer energi så kommer vågorna snart att försvinna. Detta experiment visar även att det fortfarande finns vågor en tid efter det att vågkällan har försvunnit.

Liksom storleken på vågor skiljer sig från hav till hav, så finns även en stor geografisk spridning av vågenergins storlek. Den största tillgången till vågkraft finns inom vissa områden i stilla havet och Atlanten, där tillgången beräknas vara upp till 100 kW/m i medeltal. I Östersjön är tillgången 6 kW/m i medeltal och utanför Europas västra kuster uppnås 30-70 kW/m i medeltal. Det är främst i de regioner där vågkraften är relativt hög som man har planer att utnyttja vågkraften. Dessa regioner är ex. Danmark, Irland, Portugal och U.K. Dock har man även lanserat vågkraftverk som ska placeras i lugnare vatten. Ett exempel är det svenska boj- projektet, som presenteras senare i arbetet (Brooke John, 2003).

Historik:

Vågkraft är en energiform som har varit aktuell som möjlig energiförsörjare främst under det senaste decenniet. Enligt Unesco var Japan det första landet som övervägde att använda vågorna till att alstra elektricitet, år 1945. Detta sågs snart även som en möjlighet i Norge och Storbritannien.
En viktig utvecklingsperiod för vågkraft var på 1970-talet, efter den stora oljekrisen. I Vinga, utanför Göteborg, hade man på 1980-talet stora planer på en kommersiell vågkraftsanläggning, som skulle bestå av 60 bojar och driva ett 11 MW kraftverk. Planerna kunde dock inte realiseras pga. otillräckliga ekonomiska resurser. År 1985 installerades två vågkraftsverk vid ön Toftestallen i Norge. Efter flera års drift förstördes dock ett av dem under en storm.

Efter att optimismen för vågenergi mattats av, och efter att den akuta oljekrsen passerat, hade många företag svårt att få ekonomiska medel för fortsatt forskning. Enligt ”Wave Energy Center” så berodde detta främst på höga tillverknings- och forskningskostnader. Många projekt lades således ned och det skulle dröja ända fram till år 1995 innan det första fungerade vågkraftsverket, OSPREY (Ocean Swell Powered Renewable Energy), sjösattes. Det skedde i Skottland, men redan innan monteringen var färdig slogs detta kraftverk, med en vikt på 8000 ton, sönder i en storm (Nielsen, 2006). Även om detta innebar slutet för OSPREY så håller en ny version av denna på att utvecklas som planeras bli både billigare och effektivare.

På senare tid har vågenergin tagit ett nytt språng. I jakten på effektiva förnyelsebara bränslen har många sett vågenergin som ett av de lovande alternativen. Många projekt har påbörjats runt om i världen sedan 1995, drivna av mindre ingenjörsföretag, men än finns inte vågkraftverk i kommersiell användning. Vågkraftsprojekt har även fått stort stöd av regeringar, större industrier och investeringsföretag, vilket har lett till en kraftig expansion på senare tid. (Brooke, 2003),(Bequette, 1998), (Brooke, 2003), (Edwards, 2001), (Engström, 1996), (Nielsen, 2006).

Fördelar/Nackdelar:

Potentialen för vågkraft är mycket stor, och i Europa beräknas den till 2000 terawattimmar el per år. Detta kan jämföras med att det i Sverige årligen förbrukas 150 terawattimmar el. Speciella fördelar med vågenergi är att de naturliga säsongsförändringarna av vågornas storlek och kraft gynnar elmarknaden i tempererade klimat. Med detta menas att det ofta går att utvinna stora mängder vågenergi även på höst och vinter. Enligt Illustrerad Vetenskap är elproduktionen från våganläggningar även jämnare och mer förutsägbara än från bl.a vindkraftverk, eftersom vågorna fortsätter att rulla många timmar efter det att vinden lagt sig. Vågkraften är tillgänglig ungefär 90 % av tiden, vilket kan jämföras med vind- och solenergi, där tillgängligheten ligger kring 20-30 % (Eriksson, 2007).

Dock kan stora förändringar i vågenergins storlek förekomma i samband med stormar och långa regnperioder. De vågor som uppstår under en storm rymmer 10-20 gånger mer energi än normala vågor, vilket kan leda till att vågkraftverken, som inte är gjorda för den massiva energiutvinningen, förstörs (Nielsen, 2006). Ett ytterligare problem är vågkraftens låga hastighet. Standardgeneratorer är vanligtvis gjorda för en hastighet mer än 100 ggr högre än havsvågors, och man har därför ofta valt att utveckla nya generatorer som är effektiva vid såväl låga hastigheter som olika vågstorlekar. Detta ökar dock produktionskostnaden. (Agapitidis, 2002).

På senare tid har mycket gjorts för att förstärka de förnyelsebara bränslenas konkurrenskraft på marknaden, och genom forskning har klara förbättringar gjorts för att sänka elkostnaden för vågkraft. Än så länge kostar dock vågkraften mycket mer än andra energikällor. Den förväntade kostnaden på elektricitet producerat av vågkraftsgeneratorer har nått ett pris på ca 0,08 EUR/kWh, vilket kan jämföras med den genomsnittliga elkostnaden i EU på ca 0,04 EUR/kWh. Även om vågkraften ännu inte är konkurrenskraftig, så bör man dock ha i åtanke att det är mycket ny teknik, och att forskning hittills har visar på en stadig förbättring av denna. (Agapitidis, 2002).

Vågkraftverk:

För att vi ska kunna utnyttja vågkraften som energikälla krävs att en generator gör om vågornas energi till elektrisk energi. Detta sker med hjälp av en slags generator. För att utvinningen ska bli effektiv krävs att denna generator är inbyggd i komplicerade anläggningar, så kallade vågkraftverk. Dessa kan delas upp i tre stora grupper: kustplacerade, kustnära och offshoreplacerade kraftverk.

• Kustplacerade kraftverk
Dessa kraftverk är placerade på kustlinjen, och har den fördelen att de är lätta att installera och sköta. De har i regel även lägre konstruktionskostnad än de två andra grupperna, eftersom de ofta är avsedda att fungera i områden med mindre kraftiga vågor och därmed inte behöver tillverkas av lika tåligt material som de andra typerna av vågkraftverk. De behöver heller inte fästas med långa undervattenkablar. Dock har kustplacerade kraftverk generellt lägst elproduktion, vilket innebär att enhetskostnaden ofta kan överstiga den för kustnära enheter och i vissa fall även den för Offshoreplacerade enheter. Samhällsrelaterade problem till följd av esteticism kan förekomma då kraftverket är väl synligt från land.

• Kustnära kraftverk
Kustnära kraftverk förekommer på vatten med ett djup på upp till ca 20 m. Vid bygget av dessa uppstår ofta natur- och samhällsrelaterade konsekvenser. Havslivet kan rubbas, och eftersom även dessa kraftverk ofta syns från land, så kan även kraftverkens utseende vara av betydelse. Kraftverkens placering och den yta de tillsammans tar upp är vidare av stor vikt om fiske bedrivs i området. Man kan därför säga att det krävs mycket planering och flera experimentella anläggningar innan man tillåts bedriva elförsörjning med denna typ av kraftverk.

• Offshorekraftverk
Dessa kraftverk finns definitionsmässigt på vatten med ett djup på över 40 m och är ofta gjorda för ett kraftigt vågklimat, där vågorna innehåller mycket energi. Förr var det främst stora kraftverk som placerades ut i detta vågklimat, men nu har även mindre kraftverk lanserats, som i stora anläggningar förväntas kunna bli både säkrare och effektivare. De är dock ofta svårtillgängliga, vilket innebär att underhållningskostnader samt installationskostnader för denna typ i regel är större än för kustplacerade och kustnära kraftverk.
(Agapitidis, 2002), (Thorpe, 2000).

Miljöpåverkan:

Eftersom de flesta vågkraftsprojekt är relativt nystartade och fortfarande är i sin testperiod, så saknas erfarenhet om vilka långsiktiga konsekvenser vågkraftverk kan ha på den omgivande miljön. Vågkraftverk varierar i såväl storlek som i utseende och funktion, och detta innebär självklart att deras effekt på miljön skiljer sig åt. Trots denna variation finns det vissa egenskaper som gäller för alla vågkraftverk. Den kanske viktigaste av dessa är att det inte sker något koldioxidutsläpp under energiomvandlingen från vågkraft till el, vilket innebär att denna energiomvandling inte bidrar till växthuseffekten. Vad som dock bör noteras är att koldioxidutsläpp kan förekomma under konstruktions- och transportfasen av materialdelarna och under installationsfasen av kraftverket.

För kraftverk som använder sig av olje-hydrauliska system så finns en risk att olja läcker ut i havsvattnet vid olyckor. Vanligtvis finns det dock speciella säkerhetssystem som minskar denna risk, och för många vågkraftsanläggningar kan man parera risken genom att använda havsvatten istället för olja.

Vågkraftverk kan ha viss påverkan på ekosystemen. Enligt John Brooke är det främst vid installationer av kustplacerade och kustnära kraftverk som det finns risker för kraftig påverkan på havsarter. Dessa implikationer är dock ofta inte långvariga, och ekosystem tenderar att återhämta sig snabbt. I många fall tror man att kraftverk i det långa loppet till och med kan ha positiv effekt på marinlivet, då de kan fungera som konstgjorda korallrev. Brist på tidigare erfarenheter gör det dock svårt att uppskatta hur positiv denna effekt kan bli. Vad gäller elkablar så har man utgått ifrån erfarenheter av installation av pipelines och slutsatsen man har dragit är att få miljömässiga konsekvenser finns att vänta av dessa.
(John, 2003), (Patrício, 2004).

Socionomisk påverkan:

Liksom vågkraftverk påverkar naturen så kan installation av vågkraftverk även innebära socionomiska konflikter, som bör beaktas under utvecklings- och installationsstadiet.
Vid installation av vågkraftverk så avspärras ofta även ett närliggande område från sjötrafik, i syfte att förhindra konstruktionsskador på kraftverket såväl som sjökablarna. Detta kan naturligtvis leda till konflikter med fiskare och andra sjöfartsintressen. Ett konkret exempel är då företaget Seabased i oktober 2007 ansökte om att utvidga sitt testområde till västkusten, och då nekades tillåtelse av försvarsmakten, som övade i området (Fröberg, 2007). Enligt John Brooke finns dock tillräckligt med kustbelagt vatten som kan utnyttjas för vågenergiutvinning, och som inte utnyttjas för fiske eller annan verksamhet, att dessa konflikter kan undvikas genom noggrann planering och genom överenskommelser med berörda intressegrupper.
(John 2003), (Patrício, 2004).

Vågkraftsprojekt Islandsberg:

I Uppsala har det sedan 2002 skett intensiv forskning på vågkraftsektorn. Anledningen är Vågkraftsprojektet Islandsberg, som går ut på att lansera en typ av vågkraftverk som i framtiden kan komma att förse svenska bostäder med elektricitet om allt går som planerat. Än är dock projektet på teststadiet. Vågkraftaggregatet installerades utanför Lysekil våren 2006, på 25 meters djup, och kommer att vara i drift till år 2013-2014.

Principen för energiabsorptionen är ganska enkel. En generator placeras på havsbottnen, och fästs vid en boj, som följer vågornas rörelser på havsytan. Generatorn har en rörlig del, s.k. rotor, som följer bojens rörelser i vågtopp respektive vågdal. Man utnyttjar alltså den potentiella energin som drivkraft för generatorn. För att sedan utvinna elektricitet ur dessa rörelser använder man sig av magnetiska fält, som uppstår då den magnetiska rotorn rör sig längs magnetiska plattor. Magneterna inducerar då elektricitet. Pga. ojämn produktion av elektricitet, som utvinns ur vågornas ojämna rörelser, så måste effekten först likriktas. Man vill även koppla samman flera aggregat till en park, för att jämna ut effektvariationerna. Sedan förs elektriciteten till land via kablar, där den görs om till växelström, för att kan sedan kunna användas.

Valet av linjärgeneratorer gjordes för att man ville anpassa generatorn till vågorna. Linjärgeneratorerna klarar av vågornas långsamma rytm, vilket innebär att man inte behövt utveckla krångliga metoder för att omvandla kraften av vågens långsamma pendlande rörelser till snabba rotationsrörelser. Man har valt att hålla projektet på ett så kostnadseffektivt plan som möjligt, och har därför använt sig av billigt men stabilt material. Vid storm är generatorn säkert placerad på havsbottnen, och risker är främst att bojen sliter sig. Om detta skulle ske så medför dock installeringen av en ny boj endast en mindre kostnad.
(Charlotte, 2005), (Sundberg, 2007), (Thorburn, 2006).

Resultat:

• Vad har vågkraften för egenskaper?

Energin i vågor är mer komprimerad än i sol- och vindenergi, och vågenergi ger ofta 20-30% mer tillgänglig energi per ytenhet än såväl vind som sol. Vågorna rör sig såväl i horisontell som i vertikal riktning, vilket medför att vågkraften är lagrad som såväl potentiell som kinetisk energi. Detta har man i många vågkraftverk utnyttjat genom att endast fokusera energiutvinningen till en av dessa energiformer. För var gång som en vågs höjd fördubblas så fyrdubblas energimängden. Detta medför att energimängden ofta är mycket större i offshoreområden, där det är vanligt med stormiga förhållanden och större vågor, än närmare kusten, där lugnare förhållanden råder.

• Vad skiljer sig för olika vågkraftverk?

Att analysera olika typer vågkraftverk skulle ha tagit mycket lång tid. Jag har därför istället valt att diskutera de tre olika placeringar som vågkraftverk kan ha.

Vågkraftverk kan vara kustplacerade, kustnära eller offshoreplacerade, och dessa olika typer skiljer sig ofta åt kostnadsmässigt och kan få olika samhällsrelaterade konsekvenser. Kustnära kraftverk är i regel den billigaste varianten, men vid utplacering måste man ta hänsyn till bl.a. sjötrafik och utsiktspunkter. Kustplacerade kraftverk behöver inte fästas till en undervattenkabel och är även enklare att underhålla. De producerar dock ofta mindre energi än kustnära och offshoreplacerade kraftverk. Offshoreplacerade kraftverk är ofta gjorda för ett kraftigt vågklimat, och är placerade långt från land. Detta medför stora konstruktions-, installations-, och underhållskostnader, men även en stor energiproduktion. Dessa kraftverk är ofta utrustade med särskilda skyddsmekanismer som förhindrar skador vid stormiga förhållanden.

• Hur ser situationen ut för vågkraften på elmarknaden?

Den främsta fördelen med vågkraft är att det är ett förnyelsebart bränsle. Energin produceras utan tillskott av koldioxid i atmosfären. Detta är självklart en fördel på marknaden, där det ställs krav på en alltmer miljöanpassad el. Vågkraften är dock inte det enda förnyelsebara bränslet, möjlig att marknadsföras, och det är klart ifrån det billigaste. Vågkraften har inte gjort debut på marknaden än, utan är kvar på teststadiet, och är beroende av investerare för att överleva. En tid med mycket forskning följde på oljekrisen på 1970-talet, men investerare skrämdes iväg efter ett antal misslyckanden och därefter avstannade utvecklingen av vågkraftverk. Hur som helst så bör inte kraften i vågorna längre ignoreras. Man har lärt sig mycket av sina misstag, vilket har resulterat i allt mer stabila konstruktioner i strävan efter att förhindra olyckor. Statistik visar tydligt den stora potentialen för vågkraft och att utveckling och forskning skulle mycket väl kunna göra den mer konkurrensmässig än såväl vind- som solenergi. Vågkraften är ett positivt tillskott i världens klimatpolitik, som välkomnar nya energiformer, och det finns gott hopp om en snar introduktion på elmarknaden.

• Vad kan en utbyggnad av vågkraftverk få för ekologiska konsekvenser?

Sammanfattningsvis kan sägas att vågkraftverk kan tänkas få mycket liten negativ inverkan på ekosystem och miljön i övrigt. Detta skiljer sig självklart åt för olika vågkraftverk. Stora vågkraftverk har större inverkan på miljön än små, osv. Dock bör poängteras att man än inte är säker på vad stora vågkraftsfarmer kan ha för ekologisk inverkan. Även om utplacerandet av nya vågkraftanläggningar kan rubba havsklimatet, så är det troligt att det inte förblir långvarigt. I det långa loppet kan vågkraftverk till och med ha positiv påverkan på marinlivet.



OBS: Bild på den globala distributionen av vågenergi samt på våggenerator för vågkraftsprojekt islandsberg hittar ni på:

http://www.geni.org/globalenergy/library/renewable-energy-resources/ocean.shtml

respektive

http://images.nyteknik.se/uploaded/image/2006/10/17/vagor.jpg

Källor:


Internet:

Bequette France (1998), Harnessing Ocean Energy, http://www.unesco.org/courier/1998_08/uk/dossier/txt16.htm (Hämtat 19/11-2007)

Sundberg Jan (2007-19/4), Vågkraftsprojekt Islandsberg, http://www.el.angstrom.uu.se/frameset.html?/forskningsprojekt/Islandsberg.html, Ångströmlaboratoriet (Hämtat 29/3-2008).

Thorpe Tomas (1999), A Brief Review of Wave Energy, http://www.mech.ed.ac.uk/research/wavepower/Tom%20Thorpe/Tom%20Th...