WaveEl ett Vågspel vid Vinga Finansierat av Göteborg Energis Forskningsstiftelse Sommaren 2010
1 Allt har en historia Försök att i Europa utnyttja energin i havens vågor är kända sen mer än hundra år. På 1880-talet utrustades den sju meter långa snipan Argonaut med simfenor i för och akter. Argonauts stampande rörelser i vågorna kunde driva fram den i farter på 3-4 knop, mot vågorna. Sedan dess har intresset för tillförsel av vågenergi varierat med krig och kriser av olika slag, tillfälliga och lokala politiska beslut och med oljepriset. Efter den så kallade energikrisen i början av 1970-talet kom statligt finansierad vågenergiforskning igång på Chalmers i Göteborg, i samarbete med dåvarande, statliga Svenska Varv och med mindre privata företag, som IPS Service AB. Syftet var att omvandla vågornas effektflöde till elektrisk effekt som kunde matas in på elnätet. Försök gjordes då som nu vid Vinga i Göteborgs skärgård, men även vid fyren Trubaduren i närheten. I början av 1980-talet, hundra år efter Argonaut, testade norska forskare samma teknik på trålande fiskebåtar, för att spara bränsle. Det såg ganska lovande ut, men ungefär samtidigt (1985) sjönk oljepriset kraftigt och intresset för energieffektivisering och för energitillförsel från sol, vind och vågor avtog snabbt. Vid den tiden fanns inte avsättning för den fullt utbyggda svenska kärnkraftens kapacitet och intresset att öka kapaciteten ännu mer var svagt. Under det senaste decenniet har frågan om eventuella samband mellan användning av fossila bränslen och globala klimatförändringar diskuterats intensivt. En växande oro för följderna av dessa klimatförändringar har på nytt ökat intresset för energitillförsel från sol, vind och vågor. Tekniken att tillföra energi från havsvågor närmar sig en kommersialisering. Tillförsel av elenergi från exempelvis vind och vågor beror av det lokala vädret, som i sin tur varierar kaotiskt runt årstidernas medelväder på platsen. Samtidigt varierar även samhällets elanvändning kaotiskt omkring både ett veckodags- och ett årstidsberoende medelvärde. I Sverige blåser det mer på vinterhalvåret och vågorna är mer energirika då. Tillgången på vind- och vågenergi följer det svenska samhällets behov av eltillförsel, som också är större vintertid. När både tillförsel och användning är kaotisk, krävs någon form av lagrad energi som hela tiden balanserar skillnaden mellan eltillförsel och elanvändning. Vattnet i kraftverksdammar är ett sådant lager. Vattenvågor vandrar eller rör sig tack vare tyngdkraften (gravitationsvågor), där vågberget dras ned och vågdalen trycks upp. Båtar och fartyg som rör sig i vattenytan skapar vågor, men framför allt ger växelverkan mellan vattenytan och vinden upphov till vågor. Vågenergin är mekanisk och sammansatt av lägesenergi och rörelseenergi i vattenmassan. Följer man en vattenpartikel nära ytan rör den sig i en cirkelbana runt en punkt nära ytan. Vattenmassan vandrar inte, men energin i störningen av vattenytan vandrar genom vattenmassan, nära vattenytan och åt samma håll som vinden. På ett djup som motsvarar en halv våglängd finns bara några procent kvar av vågenergin. I sommarens sjöbris blir vågorna drygt 20 meter långa utanför Göteborg. Effekten i vågor som skapats
2 av vinden brukar man beskriva i enheten kilowatt per meter vågfront [kw/m]. Vågfronter uppfattar du till exempel när du står så att vågorna kommer rakt emot dig och effekten räknas per meter av vågfrontens bredd. Vattenytans form är kaotisk eller slumpmässig, eftersom vindhastigheten är det. Man använder statistiska mått som medelvärden eller genomsnittsvärden för att beskriva vågor och vågeffekter. Tidigt på hösten 2009 startade projektering och bygge av en vågkraftboj för omvandling av vågenergi till elenergi. Projektet drevs av samma familj som genomförde försök under 70- och 80-talen. Flera Göteborgsföretag deltog i arbetet: Frog, Test-Service, Boddy Hydraulik och Reinertsen. Under våren och sommaren 2010 genomfördes försöken i havet strax väster om Vinga i Göteborgs skärgård. Mätsystemet och analysen av data sponsrades av Göteborg Energi AB. Syfte och mål för försöken Ett av syftena med försöken var att undersöka hur väl den använda simuleringsmodellen beskriver vågkraftbojens beteende som vågenergienergiomvandlare. Ett mål var att testa styrningen av vågkraftbojens generator som belastades med ett värmeelement. Hur fungerar det? Ett förankringssystem som tillåter hävningsrörelser hos vågkraftbojen, uppåt eller nedåt i vågorna, gör det möjligt att på något sätt omvandla energin i hävningsrörelsen till elektrisk energi. Denna energiomvandling, eller kanske mer korrekt effektomvandling, bromsar vågkraftbojens hävningsrörelser i vågorna. Ett hydrauliksystem arbetar mellan en mindre massa (vågkraftbojen) som påverkas direkt av vågorna och en större massa (vattnet i röret) som inte påverkas lika mycket av vågorna. Inne i det långa röret, som går genom vågkraftbojen och slutar 19 meter under vattenytan, flyter en kolv. Kolven är fäst i en annan mindre hydraulkolv inne i en hydraulcylinder, som i sin tur sitter fast i vågkraftbojen. När vågen lyfter vågkraftbojen drar hydraulcylindern med sig den mindre hydraulkolven, som drar i den stora kolven i röret. Hydraulkolven inne i hydraulcylindern kopplar samman krafterna på vågkraftbojen med krafterna på vattenmassan i det långa röret. Vågornas krafter på vågkraftbojen kommer att pumpa hydrauloljan från hydraulcylindern genom en hydraulmotor som i sin tur driver den elektriska generatorn. Mellan hydraulcylindern och hydraulmotorn sitter en tryckackumulator som fungerar som korttidslager för den olja som hydraulmotorn inte hinner ta emot. Hydraulmotorn tar också olja från tryckackumulatorn när flödet från hydraulcylindern är mindre än flödet genom hydraulmotorn. Minskas generatoreffekten kan hydraulmotorns varvtal öka med ökad genomströmning av olja - och tvärt om.
Medeleffekten P i vågorna beror av våghöjd och vågperiodtid och skrivs ofta som P = 0.5H 2 1/3 T z [kw per meter vågfront] 3 och där H 1/3 är medelvärdet av den största tredjedelen av våghöjderna och T z är vågornas medelperiodtid. Våghöjden räknas i meter, från vågdalen till vågtoppen. Vågperiodtiden räknas som tiden i sekunder från det vattenytan, på väg uppåt passerar vattenytans läge utan vågor, till nästa gång samma sak händer. Vågmätare brukar som standard bestämma H 1/3 och T z under drygt 17 minuter. En vanlig sommardag med sjöbris på västkusten kan våghöjden H 1/3 vara 1 meter och vågperiodtiden T z vara 4 sekunder, vilket motsvarar vågeffekten 2 kw/m. På havsbotten i närheten av vågkraftbojen placerades en vågmätare som sände ultraljud uppåt mot vattenytan och med hjälp av ekot beräknade vattenytans läge. Vågmätningarna administrerades av SMHI. Vågeffektens årsmedelvärde kan variera mellan 3 kw/m och 12 kw/m, beroende på var man är på den svenska öppna kusten. I svenska vatten är effekten i de största vågorna under en period av ca 17 minuter mer än 10 gånger högre än vågornas medeleffekt under samma tid. En vågenergiomvandlare måste kunna hantera stora och snabba effektvariationer. Figur 1. Reologisk modell med de tre huvudkomponenterna som tillsammans omvandlar en del av vågenergin till mekaniskt arbete i hydraulcylindern Figur 1 visar en så kallad reologisk modell med vågkraftbojen (Boj), vattnet i det långa röret (Rör) samt kolven (Kolv) som rör sig i det långa röret. Fjädern, uppe till vänster på blocket Boj och som vågkraftbojen hänger i, symboliserar vattnets lyftkraft på vågkraftbojen. Dämparen till höger om fjädern symboliserar vågorna som vågkraftbojen sänder ut när den rör sig upp och ned.
4 Havsvågorna verkar på vågkraftbojen med kraften F fk, Kraften F b som verkar på vågkraftbojen, kommer från hydraulkolven i hydraulcylindern. Fjädern uppe på blocket Rör representerar tryckkraften som driver vattenytan i röret till sitt jämviktsläge. Kraften F 23 kommer från kolven i röret och bromsar rörelsen hos vattnet i röret. Längst till höger i Figur 1 hänger blocket Kolv i en fjäder som symboliserar lyftkraften som för den till ett jämviktsläge i vattnet inne i röret. Samtidigt dras kolven av vattnet i röret med kraften F 23 och bromsas med kraften F b från hydraulkolven i hydraulcylindern. De tre massorna i vågkraftbojen, röret och den flytande kolven samverkar i ett komplext mönster som drivs av vågorna. Konstruktionen, med en stor vattenmassa i det långa röret och en vågkraftboj med mindre massa som sätts i svängning av vågorna, bildar ett system som kan komma i resonans med vågorna. Högt tryck i tryckackumulatorn ger stora krafter mellan vattnet i röret och vågkraftbojen som rör sig trögt i vågorna. Med lågt tryck i tryckackumulatorn rör sig vågkraftbojen lättare. Krafterna bestäms av generatorn. En hög elektrisk effekt bromsar hydraulcylindern hårdare, med högre tryck och större krafter mellan vågkraftbojen och vattenmassan i röret. Mindre krafter är bättre i korta vågor och större krafter är bättre i långa vågor. Resultaten från de tidigare försöken under 70- och 80-talen bestämde vågkraftbojens huvuddimensioner. Den matematiska/numeriska simuleringsmodellen användes för att bestämma specifikationerna för komponenter som överförde vågkrafter till elektricitet. Hur gick det? Vågkraftbojen anpassades till sensommarvågor på svenska västkusten och gavs diametern 4 meter och förseddes med ett rör som gick rakt igenom vågkraftbojen och slutade med en öppen ände 19 meter under vattenytan. Rörets andra öppna ände slutade i taket på däckshuset, 4 meter över vattenytan och hela konstruktionen vägde 13 ton. Figur 2 nedan visar ett foto från sjösättningen i mitten av april 2010. I däckshuset fanns generator, hydraulsystem, mätsystem, kommunikationsutrustning. Ombord fanns också säkerhetsutrustning, bland annat AIS för att informera båtar och fartyg i närheten om vågkraftsbojens position.
5 Figur 2. Vågkraftbojen med sitt långa rör på väg att sjösättas någon distansminut väster om Vinga, i Göteborgs yttre skärgård. Figur 3. Sjösättning och kontroll av förankring.
6 Under försöksperioden, från mitten av april till mitten av augusti 2010, fungerade inte kommunikationen mellan vågmätaren och utrustningen ombord på vågkraftbojen. Anledningen var troligen en missanpassning mellan sändaren i vågmätaren och mottagaren på vågkraftsbojen. En ny vågmätare, utan kommunikation med vågkraftverket, lades ut i början av juli. Vågdata blev tillgängliga först när vågmätaren plockades upp vid försökets slut. Detta innebar att det inte var möjligt att pröva idéer om styrning utifrån aktuella vågförhållanden. Tre förankringslinor höll vågkraftbojen på plats. Linorna gick horisontellt ut till tre mindre förankringsbojar placerade runt om vågkraftbojen, se Figur 3, och från dessa vidare till ankare på botten. En svårighet kan vara att positionera och förspänna de tre mindre bojarna korrekt, så att man undviker slack i de horisontella linorna till vågkraftbojen i stora vågor. Slack innebär risk för ryck i linan så att denna går av. Ett ankare placerades så nära vågkraftbojen, att den horisontella förankringslinan skadades vid ett par tillfällen med stora vågor. Någon gång i början av försöksperioden skadades nedre delen av det långa röret så att den tröga vattenmassan reducerades kraftigt. Effektupptagningen blev sämre än förväntat i större vågor. Detta bekräftades också när vågkraftbojen och vågmätaren togs upp i augusti 2010. Solen och vågorna försörjde mät- och hjälpsystemen ombord. Dessa fungerade i stort sett som förväntat. Data kunde hämtas och styralgoritmer i generatorn ändrades från land. Figur 4 - Figur 9 nedan visar resultatet när mätta vågor från en kuling på natten den 30 juli 2010 matas in i simuleringsmodellen. Figur 5 visar att hydraulcylindern låses eller fastnar när vågkrafterna är mindre än krafterna på grund av trycket i tryckackumulatorn. Figur 6 visar hur trycket sjunker i tryckackumulatorn när hydraulcylindern är låst och ingen olja pumpas från hydraulcylindern. Figur 9 visar på de korta flödesspikar som pumpas in i hydraulsystemet och delvis lagras i tryckackumulatorn. Utan denna skulle generatoreffekten variera mellan noll och medeleffekten gånger tio. Figur 7 ger exempel på effektvariationer, från halva medeleffekten och upp till tre till fyra gånger medeleffekten. Med en tryckackumulator i systemet kan man klara effektomvandlingen med en mindre generator.
7 Simulerat beteende i mätta vågor vid testplatsen med Tz= 4.8 s och H1/3= 2.4 m under tiden 500 s till 1000 s från 30/7 2010 kl 23:16 Figur 4. Uppmätta vågor (m) under tiden 500 s till 1000 s från 30/7 2010, kl 23:16 Vågorna i Figur 4 är ganska branta och orsakas av en snabbt övergående kuling. Figur 5. Hydraulcylinderns position (m) relativt bojen under tiden 500 s till 1000 s från 30/7 2010 kl 23:16.
8 Figur 6. Ackumulatortrycket (bar) under tiden 500 s till 1000 s från 30/7 2010 kl 23:16 Figur 7. Elektrisk effekt (kw) under tiden 500 s till 1000 s från 30/7 2010 kl 23:16
9 Figur 8. Generatorvarvtal (rpm) under tiden 500 s till 1000 s från 30/7 2010 kl 23:16 Figur 9. Cylinderflöde (l/s) under tiden 500 s till 1000 s från 30/7 2010 kl 23:16
10 Och sen Återvinning, resurseffektivisering och enbart tillförsel från solens instrålning krävs för att människan skall kunna leva på planeten utan att förstöra livsbetingelserna för sig och alla andra levande organismer. Solpaneler och termiska solfångare påverkas direkt av solljuset, medan vindoch vågkraftverk påverkas mer indirekt, av det lokala klimatet. Vattenkraft representerar solenergi som lagrats en tid, upp till ett år eller längre. Vågenergin kan vara en viktig resurs för samhällen på öar och längs kuster. Kustnära fiske och sjöfart kan kompletteras med inkomster från drift och underhåll av vågkraftverk, så att kustbefolkningens speciella kompetens inte försvinner med fisken. Idag kompletterar en del jordbrukare med inkomster från drift av mindre biobränsleeldade pannor i små fjärrvärmesystem eller från drift av vindkraftverk. Problemen med förankringslinan och rörskadan har både förklaringar och lösningar. Simuleringsmodellen har kunnat beskriva och förklara en stor del av resultaten och erfarenheterna från försöket utanför Vinga sommaren 2010. Mer utveckling och drifterfarenhet behövs innan vågenergitekniken blir lika mogen som vattenkraften eller hinner ifatt den relativt erfarna vindkraften. Fler diagram Figur 10-13 nedan visar mätresultat från samma tillfälle, som simulerade data visar i Figur 5 - Figur 9. Det skadade röret med mindre trög vattenmassa kan förklara skillnaderna mellan mätta och simulerade data. Figur 10 kan jämföras med Figur 5. De mätta rörelserna på hydraulcylindern är betydligt mindre men även här låses hydraulcylindern när vågkrafterna inte övervinner tryckkrafterna från tryckackumulatorn. Det uppmätta ackumulatortrycket i Figur 11 är betydligt lägre än simulerat tryck i samma vågor. Återigen kan det förklaras av skadorna på röret. Det lägre ackumulatortrycket ger generatorvarvtal enligt Figur 12. När trycket understiger 40 bar är ackumulatorn tom och generatorvarvtalet kan gå ned till noll ibland när hydraulcylindern är låst, jämför med Figur 10. Om man prövar att beskriva och införa effekten av skadorna på röret i simuleringsmodellen liknar simulerade resultat de uppmätta resultaten i Figur 10 - Figur 13.
11 Figur 10. Mätt position på hydraulcylindern vid 23-tiden 30/7 2010 Figur 11. Uppmätt tryck i tryckackumulatorn vid 23-tiden 30/7 2010
12 Figur 12. Uppmätt generatorvarvtal vid 23-tiden 30/7 2010 Figur 13. Flöde i hydraulcylindern vid 23-tiden 30/7 2010.