Sjávarfallavirkjanir – 6 mismunandi flokkar

Hér í fyrri færslu var minnst á helstu náttúruauðlindir Íslands; orkuna og auðlindir hafsins. Þegar Íslendingar tala um auðlindir hafsins eiga þeir jafnan við hinar lífrænu auðlindir – fiskinn og annað sjávarfang. En alkunnugt er að hafið býr yfir gríðarlegri orku, sem freistandi er að reyna að virkja.

Sjávarvirkjanir.

Í grófum dráttum má skipta virkjunum sem byggja á orku sjávar í sex mismunandi flokka (þessi flokkun er þó ekki einhlít og er stundum sett fram á annan hátt):

1.         Sjávarfallavirkjanir sem byggjast á stíflu.
2.         Nýjar tegundir sjávarfallavirkjana.
3.         Aðrar hafstraumavirkjanir, þ.m.t. hringiðuvirkjanir.
4.         Ölduvirkjanir.
5.         Seltuvirkjanir.
6.         Varmamismunarvirkjanir.

Í þessar færslu verður eingöngu fjallað um sjávarfallavirkjanir (sbr. flokkar 1 og 2  hér að ofan). 

Sjávarfallavirkjanir

Sjávarfallavirkjanir sem bygga á einhvers konar stíflu eða þverun er sú tækni sem er þróuðust í virkjun á afli sjávar. Þess konar virkjanir má nefna hefðbundnar sjávarfallavirkjanir, en þeim svipar að mörgu leyti til venjulegra vatnsaflsvirkjana með miðlunarlóni.

Útbúin er stífla, t.d. fyrir fjörð eða sund, og fyrir tilverknað stíflunnar og sjávarfallanna verður yfirborð sjávar öðru megin stíflunnar hærra en hinum megin og þannig má nýta fallorkuna þegar sjórann streymir þar á milli. Til að slíkar virkjanir séu hagkvæmar þarf straumurinn sem myndast að vera mjög sterkur, þ.e. mikill munur þarf að vera á flóði og fjöru. Auk þess þurfa landfræðilegar aðstæður auðvitað að vera þannig að hægt sé með þokkalega góðu móti að stífa viðkomandi fjörð eða árósa. 

Ný tegund sjávarfallavirkjana.

Undanfarin ár hefur víða verið unnið að nýjum tegundum sjávarfallavirkjana sem munu hugsanlega geta orðið hagkvæmar þó svo að straumurinn sé ekki eins sterkur og þar sem notast er við stíflur. Með tækniframförum og aukinni áherslu á að forðast neikvæð umhverfisáhrif virkjana, hafa myndast hvatar sem eru líklegir til að flýta þróun slíkra virkjana og þær gætu orðið hagkvæmur kostur innan nokkurra ára eða áratuga.

Tidal_seagen

Þetta hefur leitt til þess að þróuð hefur verið ný tækni við að virkja afl sjávarfallanna. Þá er hreyfiorkan í sjávarfallastraumnum virkjuð þar sem hinn náttúrulegi straumur er hvað stríðastur, án nokkurrar stíflu eða annarra slíkra mannvirkja. Hagstæðustu staðirnir fyrir slíkar virkjanir eru þar sem landfræðilegar aðstæður valda stríðum sjávarfallastraumum.

Þó nokkru fjármagni hefur verið varið til að þróa þessa nýju tækni í sjávarfallavirkjunum, einkum á Bretlandseyjum. Einnig eru nokkuð mörg fyrirtæki af þessu tagi í Bandaríkjunum, en þau eru flest mjög lítil. Hverflarnir og hönnunin er mismunandi og rannsóknir standa yfir á mörgum og ólíkum útfærslum. Einnig er t.d. leitað hagkvæmra lausna á því hvers kona rafalar henta best og hvernig einfaldast og hagkvæmast er að koma rafmagninu yfir í dreifikerfið.

Slíkar sjávarfallavirkjanir eru afar mismunandi. Virkjanir af þessu tagi minna stundum á vatnsaflsvirkun án miðlunarlóns, þ.e. rennslisvirkjanir, en önnur útfærsla felst í því að turni með spöðum er komið fyrir ofan í sjónum og sjávarfallastraumurinn veldur því að spaðarnir snúast. Eins má nefna s.k. skötur (á ensku nefnt stingray technology), sem eru eins konar vængir sem færast upp og niður og pumpa þannig vökva sem drífur vökvamótor er knýr rafalinn, og sogtækni (á ensku nefnt venturi) sem byggist á því að framkalla sog sem dregur sjó eða loft í gegnum hverfil uppi á landi. Til eru ýmsar aðrar útfærslur.

Helstu kostir og gallar sjávarfallavirkjana.

Sjávarfallavirkjunum sem byggja á því að nýta hæðarmun sjávarfalla með stíflu fylgja mikil umhverfisáhrif. Og þessar hefðbundnu sjávarfallavirkjanir teljast þar að auki ekki hagkvæmar nema þar sem flóðhæð í stórstreymi  er 8–10 m eða meiri. Fáa slíka staði er að finna í heiminum.

Tidal_seagen

Raforkuframleiðsla sjávarfallavirkjunar sveiflast í takt við sjávarfallabylgjuna og er því ójöfn, rétt eins og hjá vindrafstöð. Aftur á móti veldur fyrirsjáanleiki sjávarfallanna því að tiltölulega auðvelt er að reikna út breytingar á afli og orkuframleiðslu sjávarfallavirkjunar. Afl vindorkuversins er á hinn bóginn algerlega háð duttlungum vindsins hverju sinni. Að þessu leyti eru sjávarfallavirkjanir áreiðanlegri kostur.

Hinar nýju tegundir sjávarfallavirkjana skera sig mjög frá þeim eldri sem þurfa stíflu. Nýju sjávarfallavirkjanirnar eru margar nánast ósýnilegar ofansjávar og þeim fylgja ekki dýrar stífluframkvæmdir. Þær eru almennt sagðar hafa lítil umhverfisáhrif, en slíkum virkjunum geta þó fylgt einhver neikvæð áhrif á lífríkið. Þetta þarf að rannsaka betur. Þessum virkjunum fylgja talsverðar rafmagnsleiðslur á botni og viðhald getur verið erfiðleikum bundið. Þær þurfa líka nokkuð mikinn straumhraða, eins og nú verður vikið að.

Hversu miklu máli skiptir straumhraðinn?

Hinar nýju sjávarfallavirkjanir eru sagðar geta verið hagkvæmar þar sem hámarksstraumurinn er um 2,5 m/s eða meira. Hafa ber í huga að þetta er talsvert mikill straumhraði; sjávarfallastraumar eru víðast hvar mun hægari en sem þessu nemur.

Tidal_Seagen

Eins og gefur að skilja eykst hagkvæmni svona sjávarfallavirkjunar eftir því sem straumurinn er meiri. Afköst sjávarfallavirkjana og annarra straumvirkjana (og líka vindorkuvera) aukast í þriðja veldi miðað við aukinn straumhraða (vindhraða). Til að skýra þetta betur skal tekið fram að aflið og orkuframleiðslan áttfaldast við það að straumhraðinn tvöfaldast (2x2x2=8).

Eftir því sem straumurinn er meiri þarf virkjunin að vera sterkari og því eykst kostnaður við virkjunina. Kostnaðurinn eykst þó ekki nærri jafn mikið og afkastageta virkjunarinnar. Tvöföldun í straumhraða þýðir 3–4 sinnum meiri fjárfestingu, en aftur á móti áttfaldast aflið, eins og áður segir. Þess vegna er mikil hagkvæmni fólgin í því að virka þær straumrastir þar sem straumur verður hvað hraðastur.

Straumurinn ræðst af landfræðilegum aðstæðum við ströndina, svo sem ef þrengingar skapa umtalsverðan straumhraða, eða þar sem grynningar valda því að sjávarfallastraumar verða stríðir. Hinar nýju sjávarfallavirkjanir sem nú eru á hönnunarstigi miðast flestar við að hámarksstraumhraðinn sé a.m.k. á bilinu 2,5–5,0  m/s.

tidal_power_lunar

Til samanburðar er straumhraðinn í sjávarföllum á Breiðafirði hugsanlega allt að 10-12 m/s, en hæðarmunur flóðs og fjöru við Ísland er einmitt mestur við Vesturland. Þess vegna kann Breiðafjörður að henta vel fyrir sjávarfallavirkjun (samkvæmt upplýsingum frá starfsfólki Nýsköpunarmiðstöðvar Íslands var lengi vel talið að hámarksstraumurinn þarna væri um 12 m/s, en nú hefur  komið í ljós að líklega sé hraðinn mun minni; vísbendingar eru um að yfirborðsstraumhraðinn sé um 6,5 m/s, en það þarf að gera ítarlegi rannsóknir til að fá þetta á hreint). Aftur á móti eru hafstraumar við Ísland oftast einungis u.þ.b. 0,25–0,5 m/s.

Eru til sjávarvirkjanir sem ekki þurfa mikinn straumhraða?

Ef unnt væri með hagkvæmum hætti að virkja veika sjávarfallastrauma eða jafnvel venjulega hafstrauma, þ.e. straum sem er talsvert minni en 2,5 m/s og jafnvel allt niður í 0,5 m/s, ylli það væntanlega straumhvörfum í orkumálum veraldar. Um slíkar virkjanir verður fjallað í næstu færslu.

Hvar má finna starfandi sjávarfallavirkanir?

Þekktasta sjávarfallavirkjun í heimi er Rance-virkjunin í Frakklandi. Hún var byggð við ósa árinnar la Rance á Bretagneskaga og hóf starfsemi árið 1966 (sbr. myndin hér að neðan). Virkjunin byggir á stíflu (þverun) og hafði mikil áhrif á lífríkið á svæðinu. Til eru örfáar aðrar sambærilegar sjávarfallavirkjanir í heiminum, t.d. við Fundyflóa við austurströnd Kanada, en þær eru mun smærri í sniðum en sú franska.

Rance-tidal-power-plant

Sem fyrr segir hafa virkjanir af þessu tagi þótt valda miklum umhverfisáhrifum og þess vegna þykja þær yfirleitt ekki góður virkjanakostur nú á dögum. T.d. hefur lengi verið til skoðunar að byggja stóra sjávarfallavirkjun með því að þvera ósa lengstu ár Bretlandseyja, árinnar Severn, sem rennur til sjávar á mótum Englands og Wales, en þar er munur flóðs og fjöru hvað mestur í heiminum utan Fundyflóa í Kanada. Hugmyndirnar um að virkja Severn hafa mætt verulegri andstöðu vegna neikvæðra umhverfisáhrifa virkjunarinnar og ennþá er óvíst hvort af þessum áformum verður.

Margar tilraunir standa yfir með hinar nýju tegundir sjávarfallavirkjana (og með straumvirkjanir). Í fyrstu eru smækkaðar frumgerðir prófaðar í streymistönkum hjá rannsóknastofum eða prófaðar í vatnsföllum á landi. Nokkur dæmi eru um að frumgerðir af búnaðinum hafi verið settur upp úti í sjó og í örfáum tilvikum hafa fyrirtækin sagt að þau séu byrjuð að framleiða rafmagn frá slíkum virkjunum inn á dreifikerfið.

Tidal_deltaStream

Tilraunir með virkjun af þessu tagi hafa t.d. verið gerðar í Kanada frá árinu 2006 (Race Rocks Tidal Power Demonstration Project). Önnur dæmi eru hugmyndir fyrirtækisins Tidal Energy í Wales (Delta Stream) og breska fyrirtækisins Lunar Energy, sem nú vinnur að uppsetningu virkjana bæði utan við strönd Suður-Kóreu og Wales. Lengst komin eru þó breska fyrirtækið Marine Current Turbines með svo kallaða SeaGen-tækni og írska fyrirtækið Open Hydro, en þau hafa bæði sett upp tilraunavirkjanir og eru sögð hafa tengt þær við raforkukerfi.

Tidal_seagen_operation

Nú er liðið um ár frá því fyrstu SeaGen-sjávarfallarafstöðinni var komið fyrir í Straumfirði (Strangford) á Írlandi. SeaGen-tæknin byggist á n.k. turni sem rís upp af hafsbotninum og á honum neðansjávar eru spaðar eða vængir – ekki ósvipaðir og á vindrafstöð – sem snúa rafölum. Framleiðslugeta (uppsett hámarksafl) eins svona turns er sögð vera um 1,2 MW. Virkjunin nýtir bæði aðfallið og útfallið og að sögn Marine Current Turbines framleiðir stöðin rafmagn í um 18–20 klst á dag.

Meðalhraði sjávarfalla í Strangford er talsverður (um 3,7 m/s en fer upp í 4,8 m/s). Það er þó langt frá því sem gerist t.d. í Röstinni í mynni Hvammsfjarðar, en þar nær straumurinn því hugsanlega að verða allt að 10 m/s (sem fyrr segir kann þetta þó að vera ofáætlað; straumhraðinn í Röstinni kann að vera nær 6,5 m/s). Athyglisvert verður að fylgjast með þessari virkjun þarna við Írlandsstrendur. E.t.v. gæti þessi tækni hentað á einhverjum stöðum hér við land.

Open_Hydro

Hitt fyrirtækið sem vinnur að þessari nýju tegund sjávarfallavirkjana og hefur hafið raforkuframleiðslu, er írska fyrirtækið Open Hydro. Það kom sinni stöð einnig fyrir s.l. sumar (2008), en hún er staðsett utan við Evrópsku haforkurannsóknarmiðstöðina á Orkneyjum (European Marine Energy Centre; EMEC).

Rannsóknarstöðin sérhæfir sig m.a. í prófunum á tilraunavirkjunum og að meta umhverfisáhrif sjávarvirkjana, svo sem á fiska, fugla og sjávarspendýr. Framleiðslugeta (hámarksafl) hverrar einingar hjá Open Hydro er 250 kW, en nú er í undirbúningi uppsetning á 1 MW Open Hydro-virkjun í Fundyflóa í Kanada og einnig við Alderney á bresku Ermarsundseyjunum.

Þetta eru einungis fáein dæmi um það sem nú er að gerast á þessu sviði í heiminum. Fjöldi annarra tilrauna er í gangi. Ekki eru forsendur fyrir hendi til að meta hagkvæmni sjávarfallavirkjana og bera þær saman við aðrar tegundir af endurnýjanlegri orkuframleiðslu; til þess er tæknin enn of ung og óþroska.

wave_finavera-buoys

Þær nýju sjávarfallavirkjanir sem til eru í dag eru aðeins tilraunavirkjanir og enn er ekki komin reynsla á hver rekstrarkostnaður slíkra virkjana er eða kemur til með að verða. Fjöldaframleiðsla á búnaði í slíkar virkjanir er ekki hafin og ómögulegt að leggja mat á hver fjárfestingarkostnaðurinn kemur til með að verða. En af viðbrögðum t.d. breskra stjórnvalda og bandarískra fjárfesta má ráða að tæknin sé áhugaverð og geti til framtíðar orðið raunverulegur og jafnvel mjög mikilvægur kostur í framleiðslu á rafmagni.

Hvað Ísland snertir, hefur undanfarin ár verið unnið að hugsanlegri sjávarfallavirkjun í mynni Hvammsfjarðar. Það er líklega sá staður á Íslandi sem best hentar fyrir sjávarfallavirkjun. Vissulega eru hér fleiri áhugaverðir staðir, t.d. Reykjanesröstin.