Bølgekraft

 
>> 1. Ressursgrunnlag
>> 2. Hvordan virker det?
>> 3. Teknologistatus
>> 4. Økonomi

 

 

1. Ressursgrunnlag

Havbølger er en ren og fornybar energikilde, skapt ved omforming av vindenergi når vinden blåser langs havoverflaten. Vindenergien kommer i sin tur fra solenergi, ved at solvarmen gir høytrykk og lavtrykk. Ved begge disse omformingene blir energitransporten fortettet. Rett under overflaten er den gjennomsnittlige bølgeenergitransporten typisk fem ganger tettere enn vindenergitransporten 20 meter over vannet, og 10–30 ganger tettere enn intensiteten i solstrålingen.

Middelverdiene av bølgeenergitransporten varierer til en viss grad fra år til år. Verdiene varierer dessuten kraftigere mellom årstidene. På den nordlige halvkule kan middelverdiene for november og mai være forskjellig med en faktor to eller mer. Forekomsten av bølgeenergi (og vindenergi) er høyere om vinteren enn om sommeren, mens det er motsatt for solenergien.

Bølgekraften har høy energitetthet, typisk 30–40 kW pr meter bølgefront langs norskekysten. Ute på åpent hav kan energitettheten komme opp i 100 kW per meter. Bølgeenergien kan komme til å gi betydelige tilskudd til energiproduksjonen i mange kystnasjoner.

Ressursen globalt

De største bølgeenergipotensialene finnes ute i Atlanterhavet og Stillehavet mellom 40. og 65. breddegrad. Her er energitettheten omlag 50 til 100 kW per meter bredde av bølgekammen (bølgefronten). Nær land avtar energitettheten fordi bølgene blir hindret av øyer og fastland. I tillegg går energi tapt ved friksjon mot bunnen i grunnere farvann. Energien i bølger er likt fordelt mellom potensiell energi (på grunn av vann løftet fra bølgedalen opp i bølgekammene) og kinetisk energi (på grunn av vannets vekslende fart).

I følge en studie gjort av DanWEC (Danish Wave Energy Centre) i 2012 har bølgekraft et globalt ressurspotensial på ca. 30 000 TWh per år hvorav rundt 10 % av dette er i Europa.

Ressursen i Norge

I følge NOU 1998:11 «Energi- og kraftbalansen mot 2020» utgjør bølgeenergien i gjennomsnitt 30–40 kW per meter bølgefront i havet utenfor norskekysten mellom Stad og Lofoten. Lenger sør og nord er det 20–30 kW per meter, men mindre innover i Skagerrak. Midlere bølgeenergi er minst dobbelt så stor om vinteren som om sommeren. Energien i de bølgene som når inn mot norskekysten er anslått til 400 TWh i et normalår. Bare en liten del av dette potensialet vil i praksis kunne utnyttes. Hvis en for eksempel antar at 10 % av kystlengden kan bygges ut med en utnyttelsesgrad på 20 % vil dette gi om lag 8 TWh. 

 

2. Hvordan virker det?

I flere tiår er det lagt ned mye arbeid i å utvikle ulike konsepter for utnyttelse av bølgekraft, og de første kommersielle anleggene begynner nå å komme på plass.

Bølgeenergi må overføres til energi i et svingesystem som vekselvirker med bølgene. Energien må dessuten konverteres til nyttig mekanisk energi ved hjelp av turbiner eller andre hydrauliske eller pneumatiske motorer (“power takeoff”-system). Til slutt skal energien konverteres til elektrisitet ved hjelp av en generator. De ulike løsningene kan stort sett klassifiseres under følgende hovedtyper (men ikke alle):

·        Svingende vannsøyle

·        Linjeabsorbator

·        Bølgepumpe

·        Oversylningsanlegg

De ulike hovedtypene er nærmere beskrevet under.

Svingende vannsøyle (Engelsk: Oscillating water column, OWC)

En svingende vannsøyle er en delvis nedsenket, hul struktur. Den er åpen under vannlinjen, og i den øverste delen har man en luftlomme. Vannsøylen inne i strukturen stiger og synker i takt med bølgene. Trykkvekslingene som oppstår gjennom denne bevegelsen driver luftstrømmer inn og ut av svingekammeret i toppen av konstruksjonen. Wellsturbiner er velegnet til å utnytte denne luftstrømmen, fordi turbinen dreier i samme retning uavhengig av retningen på luftstrømmen. Teknologien er illustrert i figuren under. 

 
Svingende vannsøyle. Illustrasjon: Endre Barstad

Linjeabsorbator

Denne konstruksjonen er gjerne satt sammen av flere lange elementer, som flyter på bølgene og følger bølgenes bevegelser. Bevegelsene langs konstruksjonens lengde kan hentes ut og benyttes til å produsere strøm.

Bølgepumpe (Engelsk: ”point absorber”)

Her flyter enheten i eller under vannskorpen, fortøyd i bunnen. En pumpe sitter fast i fortøyningen, og bølgebevegelsene driver pumpen. Teknologien er illustrert i figuren under. 

 
Bølgepumpe. Illustrasjon: Endre Barstad

Overskylningsanlegg

Her skyller bølgene over konstruksjonen slik at havvannet fyller en beholder som ligger høyere enn havoverflaten. Et hybridanlegg kan pumpe sjøvann til en høytrykkstank eller et høydebasseng på land. Vannet slippes så ned i havet igjen via turbiner som genererer strøm.

Linjeabsorbatoren, bølgepumpen og overskylningsanlegget har det til felles at flere elementer er under vann i driftstilstand. Dette kan vanskeliggjøre tilgjengeligheten ved inspeksjon og øke kostnadene for vedlikehold.

Det er stor variasjon i løsningene som utvikles og prøves ut, og det er for tidlig å kunne si noe om hvilket konsept som har det største potensialet. Et fellestrekk er imidlertid at ytelsen per enhet ligger rundt 1 MW. Dette skyldes at bølgekraftverk til en viss grad må tilpasses bølgenes lengde. Dette betyr også at det ikke er mulig å skalere opp bølgekraftverk i særlig grad, og større ytelse oppnås ved å kombinere flere enheter. På samme måte kan heller ikke enhetene skaleres ned i særlig grad (for eksempel ved uttesting i havet), da en småskala enhet vil ikke kunne driftes optimalt.

Lokalisering
Bølgekraftverkene kan legges langt til havs (offshore), nær kysten eller på land.

Offshoreanleggene har det desidert største energipotensialet. Anleggene krever imidlertid store investeringer i kabler og ilandføringsanlegg. Storskalautbygging kan likevel redusere ilandføringskostnadene til et akseptabelt nivå. Anlegg langt ute på havet må i større grad være robuste mot mekaniske og korrosive påkjenninger. I tillegg er det en stor fordel om vedlikeholdet er så enkelt som mulig, og driften bør være mest mulig automatisert. Langt utenfor kysten er det mindre restriksjoner på plasseringen av bølgekraftverkene. En utbygger må imidlertid ta hensyn til blant annet områder med fiskebanker eller stor skipstrafikk.

Når det gjelder de kystnære anleggene, kan disse bli synlige fra land, noe som kan medføre større konflikter enn ved offshoreanleggene. I tillegg setter den stedlige kysttrafikken begrensninger på arealbruken. Ved kysten er energitettheten i bølgene også mindre enn lenger ute til havs. Investeringer i ilandføringsanlegg blir imidlertid lavere enn ved offshoreanlegg, og adkomst for tilsyn og vedlikehold er enklere. Anlegg på land kan innebære betydelige inngrep i kystlandskapet. Kystnære anlegg og anlegg på land kan også møte begrensinger når det gjelder størrelse, grunnet arealkonflikter. 

 

3. Teknologistatus

Etter flere år med lav aktivitet rundt marine energiteknologier, har behovet for fornybare energikilder igjen økt interessen for utnyttelse av bølgeenergi. Noen land har satset sterkt på forskning og utvikling, og på gode rammebetingelser. Storbritannia og Portugal er eksempler på dette, hvor Storbritannia er ledende på feltet.

Fullskala demonstrasjonsanlegg

Det finnes flere fullskala demonstrasjons anlegg som per i dag er under bygging eller satt i drift. Noen av disse er nærmere omtalt under.

Sotenäs bølgekraftverk

Utenfor Sotenäs i Sverige er det installert et 10 MW bølgekraftverk basert på en teknologi utviklet ved Universitetet i Uppsala og spin-off selskapet Seabased AB. Selve generatoren er plassert på sjøbunnen og er koblet til en bøye som fanger bevegelsesenergien i bølgene. Ved å plassere generatorene på sjøbunnen vil de skjermes for de ekstreme forholdene som kan oppstå på havoverflaten, noe som kan redusere behov for vedlikehold.  Teknologien er illustrert i figuren under.

 

Teknologien til Seabased AB som er installert i Sotenäs bølgekraftverk. Figur: Seabased AB

Wavegen

Skotske Wavegens konsept LIMPIT, basert på oscilliating water column (OWC)-prinsippet, var den første bølgekraftenheten som ble bygget i fullskala. Denne 500 kW enheten er testet ut på øya Islay i Irskesjøen. Skotske myndigheter har nå gitt grønt lys for bygging av et LIMPIT-bølgekraftanlegg i Siadar Bay utenfor øya Isle of Lewis. Teknologien er illustrert i figuren under.  

 
Det britiske selskapet Wawegen Ltd. utnytter en avriant av svingende vannsøyle. Kilde: Wawegen. Illustrasjon: Kim Brantenberg

Fred Olsens BOLT

Fred Olsen Ltd har utviklet et konsept kalt "BOLT". BOLT er Fred Olsens første full-skala bølge prototyp med kraftproduksjon. Det første anlegget hadde 45 kW installert kapasitet, og ble testet utenfor Risør i Norge. Testingen er nå flyttet til Cornwall på sør-vest kysten av England. Den vellykkede utviklingen av BOLT førte til at Fred Olsen Ltd ble tildelt en betydelig bevilgning fra Technology Strategy Board i Storbritannia, og en prekommersiell fullskala BOLT enhet ble utviklet og testes for tiden utenfor Falmouth i Storbritannia.

  

Konseptet til Fred Olsen som testet ut utenfor Falmouth. Kilde: Fobox AS

Langlee wave power

Langlee wave power har utviklet et konsept som består av en 132 kW halvt nedsenkbar flytende installasjon på 30x50 meter som er ankret fast til havbunnen. Generatorer festet på anlegget konverterer bevegelsesenergien fra bølgene direkte på elektrisk energi som igjen overføres til land via en sjøkabel. Anlegget er vist i figuren under.

  

Konseptet til Langlee wave power. Kilde: Langlee wave power.

Pilotanlegg

En rekke anlegg er under planlegging og oppføring, og noen eksempler er skissert under.

Crestwing

Danske Crestwing har utviklet en prototyp i en 1:10 skala som siden 2014 har blitt testet utenfor Fredrikshavn. Konseptet består av to flottører som henger sammen på en slik måte at de kan bevege seg i forhold til hverandre. Selve anlegget flyter og beveger seg med bølgene som vist i illustrasjonen under. 

 

Konseptet til Crestwing. Kilde: Crestwing.

Pontoon Power

Det norske selskapet Pontoon Power har utviklet et konsept som består av flottører, hydrauliske pumper, vannkraftturbin og generator som er montert på en bærekonstruksjon som igjen er festet til havbunnen via slakke ankere. Konseptet er i en forsknings og utviklingsfase, og Pontoon Power har til nå gjennomført en 1:10 skalatest med én flottør og en 1:50 skalatest med 32 flottører. Selskapet er nå klar for test av 12 flottører i en 1:10 skala, men mangler foreløpig støtte for å gjennomføre denne. Konseptet er vist i figuren under.

 

Konseptet til Pontoon Power. Kilde: Pontoon Power.

OWC Power

Det norske selskapet OWC Power AS, eid av NLI-selskapet Straum AS, utvikler en bølgekraft enhet basert på Oscillerende Water Vannsøyle (OWC)-prinsippet. De benytter seg av leverandører innen både offshore engineering og vannkraftturbin. Prosjektet er delvis finansiert av Norsk Forskningsråd. OWC har testet en småskala enhet i en bølgetank, og det er også utført tester av småskala luftturbin i et laboratorium. Teknologien er forventet å kunne lokaliseres både nært land og på dypere hav offshore.

Testsenter for havenergiteknologier

Selv om man har gjort fremskritt når det gjelder teoretisk og numerisk modellering av teknologiløsninger, er uttesting i havet likevel svært viktig. Slik testing er imidlertid svært ressurskrevende, bl.a. fordi man ikke kan avgrense seg til testing av skalamodeller, men må bruke fullskala prototyp løsninger. Dette skyldes først og fremst at skalamodeller før eller senere vil bli utsatt for situasjoner som medfører resonans fordi modellen står i et visst ugunstig forhold til bølgelengder. Testing av fullskala prototyper er svært kostnadskrevende, og det er ikke uten grunn at slik innsats har skjedd der ulike lands myndigheter har bidratt økonomisk. Det er etablert flere testsentre på verdensbasis, og blant annet Storbritannia har lagt til rette for flere av disse som muliggjør fullskala testing av nye havenergiteknologier. Noen av testsentrene er omtalt under.

The European Marine Energy Centre (EMEC), Orknøyene Storbitannia.

The European Marine Energy Centre er et skotsk testsenter for havenergi, lokalisert ved Orknøyene. Senteret tilbyr fullskala testing av bølge- og tidevannsanlegg, forskning samt konsulent- og servicetjenester.  

 

Testinstallasjon ved EMEC. Bilde: Mike Brookers-Roper, EMEC.

Wave Hub, Cornwall Storbritannia.

Et sentralt pilotprosjekt i England er ”Wave Hub” utenfor Cornwall. Her skal ulike bølgekraftkonsepter testes og levere strøm til nettet gjennom en felles ”kontakt” på havbunnen med fire tilknytningspunkter. Kapasiteten er på 48 MW, og anlegget er koblet til det britiske kraftnettet via en 25 km lang kabel. 

 

Wave Hub utenfor Cornwall. Kilde: Wavehub.

Pacific Marine Energy Centre (PMEC), USA

PMEC har to testområder; en som kalles for det nordlige testområdet (i drift) og en som kalles for det sørlige (under planlegging). Områdene er tilrettelagt for testing av ulike teknologier for bølgekraft. Det nordlige området kan håndtere anlegg med in effekt på inntil 100 kW. Det sørlige området vil tilknyttes kraftnettet på land og muliggjøre testing av bølgekraftverk samt sertifisering i henhold til internasjonale standarder. Inntil fire ulike teknologier kan testes samtidig ved det sørlige feltet. Se figuren under for illustrasjon av testområdet.

  

Pacific Marine Energy Center, utenfor Newport USA. Kilde: Northwest National Marine Renewable Energy Center

  

 

4. Økonomi

Bølgekraftanlegg er i en relativt umoden fase og med så stor variasjon i teknologi at det er vanskelig å gi noen gode generelle anslag over kostnadene. Dette er parametere som må beregnes for hvert enkelt prosjekt da de avhenger av bølgeressursene, teknologiens levetid og nettilknytningen. Av disse punktene er levetiden det mest usikre punktet. Bølgeressursene er et stykke på vei kartlagt, men er avhengig av en rekke usikre og ustabile parametere, blant annet meteorologiske forhold.

Bloomberg New Energy Finance (2013) har utarbeidet en oversikt over kostnader ved ulike energiteknologier. Her anslår de investeringskostnadene (CAPEX) før bølgekraft til å være mellom 5,5 og 16 MUSD/MW, og levetidskostnadene (LCOE) til å være mellom 284-1 058 USD/MWh.

Selv om bølgekraft fremdeles på et tidlig stadium, kan det være konkurransedyktig uten offentlig støtte innen enkelte nisjer, for eksempel drift av navigasjonsbøyer, avsalting av sjøvann og til kraftforsyning til isolerte kystsamfunn der kun kostbar elektrisitet fra dieselaggregater er tilgjengelig.