Vågstycken

Den som tagit sig ut på de yttersta klipporna mot havet under en rykande höststorm kan knappast undgå att känna respekt inför naturens lössläppta krafter – tjutande vind, yrande skum och dånande bränningar. Ofta inställer sig säkert funderingar kring möjligheterna att tämja dessa krafter och utnyttja deras energiinnehåll. Tyvärr har det, än så länge, visat sig lättare sagt än gjort, skriver Sten Niklasson.

Under senare år har framsteg gjorts i fråga om utnyttjandet av förnybara energikällor som sol och vind. Men trots idogt arbete har försöken att exploatera den mest uppenbara energikällan av alla – haven – hittills varit blygsamma. Varför? Sten Niklasson

Vatten täcker ca 70% av Jordens yta. Merparten av vattnet i haven är i ständig rörelse. Solvärmen gör att varm luft stiger uppåt i atmosfären och kall luft sugs in därunder. Detta skapar vindar och vågrörelser på havsytan. Vidare bildas havsströmmar till följd av vindar, planetens rotation och havsvattnets olika temperatur och salthalt. Genom solens och månens dragningskraft uppstår också tidvattenrörelser, på sina ställen med 15 meters skillnad mellan ebb och flod, vilka regelbundet förflyttar stora volymer vatten fram och tillbaka.

Haven är alltså en naturlig maskin som kontinuerligt förvandlar framför allt solenergi till rörelseenergi i olika former. Denna rörelseenergi kan omvandlas till elektrisk energi med hjälp av olika mekaniska anordningar som turbiner och generatorer.

Enligt US Energy Information Agency kommer världens totala behov av elkraft i år att uppgå till 21 000 TWh, varav Kina och USA står för 75%. Den globala elkonsumtionen beräknas stiga med 50% under de kommande trettio åren. Det är ett tänkvärt faktum att 80% av den behövliga produktionen idag sker genom att elda kraftverken med icke-förnybara bränslen som kol, gas och olja, vilket innebär utsläpp av stora mängder klimatpåverkande gaser till atmosfären.

Som jämförelse kan nämnas att Sveriges elproduktion är ca 165 TWh, varav traditionell vattenkraft och kärnkraft svarar för huvuddelen. Vår relativt gynnsamma situation betyder emellertid inte att vi kan förhålla oss avvaktande till havskraft. Utbyggnaden av vattenkraft från våra älvar begränsas av miljöskäl. Kärnkraften håller på att avvecklas. Vind- och solkraft räcker inte som ersättning under överskådlig tid.

Ocean Energy Council i USA har räknat ut att en enda 1,5 meter hög våg som rullar in mot en strand skulle kunna producera 16 kWh per kilometer kustlinje. Andra forskningsinstitut har nyligen beräknat att energipotentialen i världens alla havsvågor uppgår till 80 000 TW, och att runt 4 000 TW sådan vågenergi bör kunna tas tillvara som elkraft. Dessa siffror innefattar  inte energin i tidvattenrörelserna som många bedömare anser ha en betydligt större potential än vågkraft.

Japanska vetenskapsmän har studerat havsströmmarna runt sitt lands kuster, och hävdar att energin i strömmarna vid en enda procent av strandlinjen motsvarar produktionen i tio medelstora kärnkraftverk. Liknande beräkningar har gjorts av ett havsforskningsinstitut i North Carolina, som menar att ett utnyttjande av 0,1% av energin i Golfströmmen längs USAs östkust skulle ge 300 GWh, det vill säga motsvara över hundra kärnkraftverk.

Dessa siffror kan säkert ifrågasättas, men, också med hänsyn tagen till rejäla felmarginaler, blir ändå slutsatsen att havens energi i framtiden bör kunna tillgodose en betydande del av världens totala energibehov. Utnyttjandet av denna hittills i stort sett outnyttjade energibärare blir än mer attraktivt med tanke på att 80% av Jordens befolkning bor inom 80 km från havskuster, vilket betyder rimliga transmissionskostnader.

De tekniska principerna bakom förvandlingen av rörelseenergi till elenergi är väl kända och beprövade. Redan i slutet av 1700-talet meddelades patent på en anordning som med hävstänger och kugghjul utnyttjade vågrörelser för att driva ett sågverk. 1910 tillverkades den veterligen första turbin som drevs av vågkraft. Det första komersiella vågkraftverket uppges ha tagits i bruk i Japan 1947. Under oljekrisen på 1970-talet konstruerade engelsmannen Stephen Salter ett vågkraftverk, kallat Salter´s Duck, som emellertid snabbt glömdes bort när oljepriset sjönk igen.

I modern tid har försöken fortsatt och tydligt visat att de förhållanden som möter ingenjörerna i havsmiljön minst av allt är förlåtande. Exemplen är många. Under perioden 2013-2015 tvingades flera företag att av tekniska och finansiella skäl överge projekt som gick ut på att etablera våggeneratorer och leverera kraft till elnätet. Ett av företagen, Pelamis, hade gjort flera tidigare försök på olika platser och misslyckats. Ett annat, Aquamarine, hade under tio år utvecklat ett vågkraftsystem vid namn Oyster, men lyckades inte övertyga skeptiska investerare. Ett tredje, Oceanlinx, hade inlett ett ambitiöst utvecklingsarbete i Australien 1997 men tvingades avveckla verksamheten 2014. Vintern 1988 ramponerades en tre år gammal vågkraftanläggning i norska Toftestallen i en kraftig storm. Den reparerades men förstördes igen tre år senare. 2009 gjordes ett dussintal turbinskovlar obrukbara av starka tidvattenströmmar i en undervattensstation vid Fundy Bay i Canada bara en månad efter att ha tagits i drift. I november 2007 sjönk en en helt ny elproducerande flytanläggning utanför Oregons kust. Men det finns ljusglimtar i denna dystra bild.

På Strandvägen i Stockholm finns ett kontor tillhörigt Eco Wave Power, som ägs av ett holdingbolag , som i sin tur är noterat på Nasdaq First North-börsen, och vars största aktieägare är Fjärde AP-fonden och Skandia Fonder. Eco Wave Powers huvudkontor ligger i Tel Aviv. Vid östra sidan av Gibraltarklippan har företaget byggt en vågkraftanläggning som för närvarande levererar föga imponerande 100 kWh till nätet, men som efter utbyggnad uppges komma att producera 5 MWh, vilket utgör 10-15% av Gibraltarområdetsområdets elbehov. Tekniken bygger på flottörer, vilka följer vågrörelserna upp och ner och via kolvar pressar upp hydraulisk vätska till en trycktank. När tanken töms, driver den frigjorda energin en motor som är kopplad till en generator. Hydraulvätskan återgår via en mellantank till kolvarna i avvaktan på nästa våg. Eco Wave Power monterar nu en större anläggning för hamnen i Jaffa, till vilken Siemens levererar elkomponenterna. Liknande projekt planeras för Portugal, Nederländerna, Storbritannien och Australien.

En annorlunda teknisk lösning har använts av det finska företaget AW Energy, som 2019 installerade en anordning, kallad Wave Roller, på havsbottnen under en off-shoreplattform vid Peniche i Portugal. Den centrala komponenten är en fyrkantig platta som rör sig fram och åter med rörelserna i vattnet när vågor passerar. Övriga delar är hydrauliska, ungefär som i Gibraltar.

Ytterligare en teknisk variant har utvecklats av ett företag i Skottland med namnet Wavegen och togs i drift 2011. Anläggningen, som ligger i den lilla nordspanska staden Muriko, består av ett antal snedställda rör, öppna mot vattnet i sin nederdel, men luftfyllda ovanför vattenytan. Röret är i sin övre del förbundet med en så kallad Wellsturbin, som har egenskapen att rotera åt samma håll, oavsett om drivkraften förmedlas via tryck eller sug. När en våg trycker upp vatten i röret, pressas luften i rörets ovandel samman och driver turbinen. När vågen drar sig tillbaka uppstår undertryck i röret, men också detta driver turbinen. Rören har borrats i en flera hundra meter lång pir som går rakt ut i havet. Hittills har anläggningen levererat 1,6 GWh elkraft till det lokala nätet.

En mer fantasifull lösning erbjuder så kallade TENGs (triboelectric nanogenerators) som utvecklats vid Georgia Institute of Technology. Det rör sig om små behållare som innehåller olika material som gnider mot varandra och skapar statisk elektricitet. Det ena materialet ger ifrån sig elektroner, medan  det andra tar dem till sig och levererar laddningen till en kabel. Försök har gjorts med apelsinstora, flytande bollar av plastmaterial, vilka innehåller mindre kulor av andra material. När bollarna sätts i rörelse av vågor, stöter deras innehåll emot innerväggarna och genererar elektricitet. Uppfinnarna föreställer sig mängder av sådana bollar, förenade med en slags nätkonstruktion, vilka genererar el även vid små vibrationer, men också, till skillnad från flera andra vågkraftkonstruktioner, kan tåla stormvågor utan att överdimensioneras.

Bland fyrtiotalet hittills testade  lösningar finns några som utnyttjar kustens topografi och undviker rörliga delar i havet. I Norge har man till exempel skapat en avsmalnande kanal in mot land, i vilken vågor som fångas in i den yttre vida delen växer på höjden ju smalare rännan blir. Till slut svämmar vattnet över kanten till en stor tank på land. När tanken töms blir den där lagrade lägesenergin till rörelseenergi som kan förvandlas till elektricitet på samma sätt som i ett traditionellt vattenkraftverk vid en älvdamm.

Sverige anses ligga i framkant när det gäller vågkraft och kan skryta med en testanläggning nära Gullholmen i Lysekils kommun, vilken drivs av forskare vid Uppsala Universitet. Systemet består i ett fyrtiotal bojar, som var och en via en lina är förbunden med en linjärgenerator i ett bottenfundament. När bojen hävs av en våg, överförs rörelsen direkt till generatorn utan mellanliggande mekaniska eller hydrauliska undersystem. Det är ett enkelt och robust mekaniskt system, men det kräver en något mer komplicerad elektrisk konstruktion. Eftersom den elektriska spänning som uppstår i generatorn varierar med väderförhållandena, kan inte generatorn kopplas direkt till nätet. Därför kopplas flera flera bojsystem ihop i ett marint ställverk, där spänningen likriktas, läggs ihop, växelriktas och transformeras till den spänning nätet kan ta emot. I januari 2016 började  anläggningen leverera elkraft till det svenska nätet via en 10 km lång bottenkabel.

Sammanfattningsvis kan konstateras att många uppfinnare, forskare och regeringar är engagerade i försök att utnyttja havet som energikälla, men att erfarenheterna är blandade. Det beror inte på att de tekniska idéerna är undermåliga, utan i första hand på att teorierna om vågors och strömmars uppträdande är så komplicerade att beräkningarna av de konstruktioner som krävs förutsätter mängder av dyr och svårtillgänglig datorkraft. Vidare visar försöken att havsmiljön är ”korrosiv, våldsam, opålitlig och överväldigande kraftfull”, för att citera en frustrerad forskare. Det betyder att många tekniska lösningar måste dimensioneras efter extrema förhållandenm, vilket medför att projekten blir så kostsamma att deras lönsamhet äventyras.

Men tilltron på havskraftens potential är fortsatt stark. Och, som det heter, ”man lär av misstagen”.

Sten Niklasson är författare och tidigare generaldirektör