Smávirkjanir – Umhverfislega sjálfbærar

Bygging stórra vatnsorkuvera útheimtir oftast mikil stíflumannvirki sem sæta stöðugt meiri andstöðu umhverfisverndarsinna. Til að bregðast við þessu samhliða því að halda áfram að nýta vatnsaflið til raforkuframleiðslu eru menn í stöðugri leit að möguleikum við að virkja einfalt rennsli vatnsfalla án mikilla stíflumannvirkja.

Þrátt fyrir að mikil trú sé á hagkvæmni stærðarinnar þegar kemur að virkjun vatnsfalla, þá er ekki endilega víst að samfélagslegi hagnaðurinn haldist þar alltaf í hendur. Vel getur verið að samfélagslega sé æskilegra að setja upp margar litlar virkjanir frekar en fáar stórar. Jafnvel þótt það kunni að koma í veg fyrir að hægt sé að laða að stór­notendur á orku. Rökin fyrir slíku eru margvísleg. Vaxandi áhugi á náttúruvernd eru ein rökin og um leið að vel sé hugað að sjálfbærni orkulindanna. Þá hlýtur að vera verðmætara fyrir hvert samfélag að orkan sem þar er framleidd fari í að efla viðkomandi samfélag og skapa þar störf, fremur en að orkan sé seld í burtu sem hráefni til að skapa störf á öðrum stöðum. Það er m.a. hluti af röksemdunum gegn því að leggja rafstreng frá Íslandi til Bretlands. Slík röksemdafærsla er einmitt ástæða uppbyggingar svokallaðra örvirkjana víða um lönd og þá einkum í dreifbýli á undanförnum árum.

Vissulega skapa stórvirkjanir og stóriðja mikla peningaveltu og hafa breytt miklu fyrir íslenskt samfélag á síðustu áratugum. Það hefur líka orðið drifkraftur margra afleiddra verkefna, eins og í landbúnaði, en stóriðjuver á Grundartanga kaupir m.a. grisjunartimbur úr íslenskum skógum. Að einblína á stórkaupendur raforku getur þó líka verið tvíbent.

Í dag horfum við á hvikult efnahagsástand um allan heim. Álframleiðsla hefur um nokkra hríð verið rekin með tapi, einnig í einhverjum hagkvæmustu álverum heims sem eru á Íslandi. Markaðsverð á áli er nú langt undir framleiðsluverði eða nálægt 1.500 dollurum fyrir tonnið (1.475 $ á málmmarkaði í London 8. janúar sl.).  Hafði verðið þá fallið um 300 dollara á tonnið frá því í júní 2015 og úr um 1.820 dollurum í ársbyrjun 2015 samkvæmt tölum Alþjóðabankans. Samkvæmt tölum Norsk Hydro þarf gróflega áætlað um 14 kílówattstundir af raforku til að framleiða eitt kíló af áli. Það er álíka orka og fer í að knýja 30 sjónvarpstæki í eina klukkustund.

Framleiðslukostnaður er víðast talsvert yfir 2.000 dollurum á tonnið og líklega víða hátt í 3.000 dollara. Þar af er raforkukostnaðurinn talinn vega að meðaltali nálægt 35%. Samkvæmt upplýsingum RUSAL er raforkukostnaðurinn talinn vera um 900 dollarar á hvert áltonn í Kína. Miðað við álverð í dag þýðir það að raforkukostnaðurinn einn og sér er um 60% af framleiðslukostnaði sem þýðir væntanlega bullandi tap. Lægsti raforkukostnaðurinn er aftur á móti sagður vera hjá álverum í Mið-Austurlöndum og í Kanada, eða undir 350 dollurum á tonnið.

Stærstu álframleiðendur heims eru UC RUSAL, Chalco, Rio Tinto og Alcoa. Kínverjar eru með ítök víða í álframleiðslu og eru nú sagðir standa á bak við 56% heimsframleiðslunnar á áli og eru enn að auka hlutdeild sína. Samkeppnin við kínverska framleiðendur sem bakkaðir eru upp af óhefðbundnu stjórnkerfi efnahagsmála hlýtur að vera öðrum mjög erfið. Álbirgðir hlaðast upp, en enn halda menn samt í vonina um að birgðirnar muni mala gull þegar fram í sækir.

Á Íslandi felst hagkvæmni álframleiðslunnar ekki síst í lágu orkuverði til verksmiðjanna. Landsvirkjun hefur verið að þrýsta á hækkun orkuverðsins sem hlýtur um leið að vekja spurningar um framtíð stóriðjuveranna hér á landi sem þegar eru rekin um eða undir núllinu. Kannski skýrir það að einhverju leyti ákafa Landsvirkjunar fyrir því að tengja íslenska raforkukerfið við Bretland, sem gæti þá verið einhvers konar plan B ef álverin sigla í strand. Það er samt nokkuð langsótt þar sem Landsvirkjun getur ekki annað fjölda umsókna í dag eftir aukinni orku. Íslendingar hafa hreinlega ekki þá gríðarlegu viðbótarorku í hendi sem þarf til að fæða slíkan streng ef álverin halda óbreyttri starfsemi. Til þess þyrfti í það minnsta eina Kárahnjúkavirkjun og vandséð að Íslendingar séu tilbúnir í annað slíkt ævintýri.

Fullyrt hefur verið af Landsvirkjun að raftenging við Bretland yrði vænleg fyrir þjóðarbúið. Enginn hefur þó sýnt fram á að arðsamara sé að selja raforku sem hráefni úr landi með tilheyrandi flutningstapi á orku, en að ná virðisaukanum af orkunýtingunni með atvinnuskapandi innanlandsframleiðslu. Þá hefði slík tenging líka neikvæð áhrif á samkeppnishæfni íslenskra atvinnuvega vegna hækkunar orkuverðs.

Þrátt fyrir að olíuverð hafi hríðfallið vegna hægagangs í efnahagskerfi heimsins á undanförnum mánuðum og að svo kunni að fara að verð á olíutunnunni kunni að fara niður í 18 dollara, þá horfa menn sem aldrei fyrr á endurnýjanlega orkugjafa eins og orku fallvatna. Nýafstaðin loftslagsráðstefna í París þar sem þjóðir heims hafa lýst miklum vilja til að draga úr loftmengun ýtir enn frekar undir þetta. Fyrir sumar þjóðir, eins og Sádi-Arabíu, er þetta þó afar slæm þróun, þar sem yfir 80% af tekjum ríkisins koma af sölu á olíu. Fjallað var um þá stöðu á sjónvarpsstöðinni CNBC fyrir skömmu, en fyrir olíuframleiðsluríkin er staðan víða orðin uggvænleg. Það ástand getur hæglega orðið að alþjóðlegu vandamáli vegna flótta fólks frá þessum ríkjum og efnahagslegrar upplausnar.

Íslendingar ættu þó ekki að þurfa að örvænta hvað orkumálin varðar með allt sitt aðgengi að vatnsafli, jarðhita, vindorku og möguleikum á virkjun sjávarfalla. Fátt skákar hagkvæmni slíkra virkjanakosta, nema ef vera skyldi kjarnasamrunaorkan „þegar“ hún verður að veruleika. Fjölmargar þjóðir hafa sett gríðarlega fjármuni í þá þróunarvinnu. Meiri líkur en minni eru því fyrir að sú vinna fari að skila árangri, jafnvel innan áratugar. Um leið og það gerist mun hagnaðarvonin af sæstreng til Bretlands hverfa eins og dögg fyrir sólu. Reyndar er nú þegar deilt um raunhæfni arðsemisútreikninga af slíkum streng.

Bændablaðið hefur áður fjallað um hugmyndir um hægrennslisvirkjanir, en stöðug og mikil þróun hefur verið í gangi varðandi þær víða um heim. Í tilraunum hafa menn m.a. áttað sig á þeirri einföldu eðlisfræði að búa má til hröðun á vatnsrennsli í skurði eða úr lágum stíflum. Er það gert með pípum sem ýmist mynda aukinn þrýsting með þrengingum, og/eða með því að fara lengri leið að hverfilhjóli í gegnum snúð. Ýmist þarf þá alls engar stíflur til að gera slíkt að veruleika eða byggðar eru mjög lágar stíflur sem gera vart meira en að kaffæra snigilinn með vatnsinntakinu. Í öllum tilfellum er raunveruleg fallhæð sem er verið að virkja mjög lítil. Virkjanir af þessum toga geta eðli sínu samkvæmt aldrei orðið mjög aflmiklar, en á móti kemur að umhverfisrask verður í algjöru lágmarki. Þá er næsta auðvelt að setja upp röð slíkra smávirkjana í árfarvegi og ná þannig upp aukinni orkuframleiðslu. Áhættan af slíku er helst falin í afhendingaröryggi orkunnar vegna ójafns vatnsstreymis.

Í þessu efni er alls ekki verið að tala um nein ný sannindi. Nýting á rennsli vatnsfalla til að snúa einföldum vatnshjólum hefur verið þekkt um árhundruð og jafnvel í árþúsund. Það er hins vegar útfærsla þeirrar hugmyndar með hjálp eðlisfræðinnar sem er að gera þetta að mun fýsilegri kostum í raforkuframleiðslu.

Í Bandaríkjunum er verulegur og vaxandi áhugi fyrir hægrennslisvirkjunum eða það sem þeir kalla Low-Head Hydropower og mætti útleggja sem lágfalls vatnsorka. Þar í landi hefur stærsti hluti endurnýjanlegrar orku verið framleiddur með vatnsafli eða sem nemur um 6,3% af heildar raforkuþörf landsins síðastliðinn áratug. Þrátt fyrir andstöðu við að reisa stór vatnsorkuver með miklum stíflum hafa Bandaríkjamenn samt uppi mikil áform við að auka raforkuframleiðslu með nýtingu á vatnsorku. Það á þó ekki að gera með nýjum stíflumannvirkjum heldur með betri nýtingu á þeim stíflum sem fyrir eru með dælingu á vatni upp í stíflurnar með aðstoð vindmylla og sólarorku, vatnsrennslisskurðum og með lágfallsvirkjunum.

Sérstakt vatnsorkuverkefni (Water Power Program) var sett í gang á vegum orkumálaráðuneytis Bandaríkjanna fyrir nokkrum árum. Um 2.500 fyrirtæki eru þar á bak við sem styðja vatnsorkuiðnaðinn. Lögð var fram skýrsla um málið í bandaríska þinginu í febrúar á síðasta ári (Pumped Storage Hydropower and Potential Hydropower from Conduits).

Þegar Bandaríkjamenn tala um lágfallsvirkjanir er verið að tala um virkjun á vatnsfalli sem er aðeins frá 2 til 20 metrum. Mikið hefur verið fjárfest í tilraunum og leit að nýjum leiðum til að virkja hægstraum eða litla fallhæð. Þar má nefna uppsetningu á „Archimedes Hydrodynamic Screw system“-virkjunum.

Fyrirtækið Andritz Atro hefur m.a. framleitt allt að 500 kílówatta vélbúnað í virkjanir af þessum toga sem eru í notkun víða um heim. Hafa þær meðal annars verið settar upp í fiskveiðiám því þær skaða ekki fisk sem í þeim lendir. Þess má líka geta að 3xStál á Ísafirði hefur nýtt sams konar Archimedes skrúfutækni í öfugum tilgangi við að dæla fiski og kæla um borð í togurum.

Þessu vatnsorkuverkefni í Bandaríkjunum er ætlað að sýna fram á hvað lágfallstæknin er einföld, örugg,  hagkvæm og áhættulítil. Lagt er upp með að leitað verði leiða til að draga sem mest úr kostnaði við virkjun vatnsorku, rekstur og viðhald. Samt sem áður er lögð áhersla á að gæði og rekstraröryggi slíkra virkjana standi undir væntingum. Einnig að þær standist vaxandi kröfur um umhverfisvernd og hámarks nýtingu á vatni.

Hafa rannsóknarstofur verið styrktar til að smíða stjórntæki til að auka nýtni í orkukerfinu og hámarka vatnsnýtingu í virkjunum. Þar má nefna Water-Use Optimization Toolset (WUOT). Hefur þetta kerfi verið tekið til prófunar í nokkrum ám og fljótum í Kaliforníu, Colorado og í Maryland. Hefur tekist að auka orkunýtingu um 3.000 megawattstundir á ári í þrem verkefnum.

Með sérstakri „hægflæðis­túrbínu“ (low-flow turbine)  sem sett var upp í Abiquiu Hydroelectric virkjuninni í Nýju-Mexíkó, tókst að auka afl virkjunarinnar úr 13,8 megawöttum í 16,8 megawött. Með nýrri túrbínu í Boulder Canyon Hydroelectric tókst að auka orkuframleiðsluna um 30% og orkunýtni túrbínu um 18–48%. Þá hefur ný Francis-túrbína í Cushman-stíflunni í Washington aukið orkuframleiðsluna um 3,6 megawött.

Svokallaðar hægflæðis-vatnstúrbínur eru með ýmsum hætti. Sumar eru jafnvel gerðar til að nýta vatnsrennsli úr venjulegum vatnskrana í eldhúsinu, en aðrar fyrir heldur meira rennsli. Hægt er að kaupa slíkar túrbínur frá ýmsum fyrirtækjum á netinu, m.a. í gegnum vefsíðu alibaba.com. Vissara er þó að athuga vel eiginleika og allar upplýsingar um búnaðinn áður en menn ráðast í slíkar fjárfestingar. Verðið er mjög rokkandi eftir stærð og getu eða allt frá nokkrum tugum dollara upp í hundruð þúsunda dollara. Einnig er talsvert framboð af hefðbundnum vatnshjólum, stórum og smáum. Slík vatnshjól má einnig nota til að dæla vatni upp í töluverða hæð, svokölluð Coanda-vatnshjól (https://www.youtube.com/watch?v=eF2vPeiYX_w).

Í Wales í Bretlandi er hæðótt landslag sem leiðir það af sér að jafnvel litlir lækir geta verið ákjósanlegir til framleiðslu á endurnýjanlegri orku. Þar sem flestir þessara lækja þóttu ekki henta fyrir það sem menn töldu nógu stór og arðvænleg vatnsorkuver, fór fyrirtækið  TGV Hydro, sem er að fullu í eigu The Green Valleys CIC, að kanna hvort ætti ekki samt að brúa þetta bil þannig að hægt yrði að ná hagkvæmni út úr örvirkjunum. Hefur fyrirtækið farið út í hönnun örsmárra virkjana, bæði fyrir bændur, einstaklinga sem og fyrir minni samfélög víða um Suður-Wales. Unnið er náið með heimamönnum og starfskraftar þeirra nýttir sé þess einhver kostur. Hefur fyrirtækið hjálpað nýjum framleiðendum búnaðar í smávirkjanir til að koma undir sig fótunum. Fyrir þetta var TGV Hydro veitt viðurkenning Esmée Fairbairn Foundation.

Svipaðir hlutir hafa verið að eiga sér stað víðar um heim. Á Khyber Pakhtunkhwa-svæðinu í  Pakistan, skammt frá landamærum  Afganistan, hafa verið byggðar 189 örvirkjanir frá árinu 2004 sem framleiða raforku fyrir 365.000 manns, eða heldur fleiri íbúa en nú byggja Ísland. Þetta hefur leitt til byltingar í heilsugæslu, skólakerfi og heimilishaldi á þessu svæði. Þá hefur þetta skapað grunn fyrir myndun fyrirtækja af ýmsum toga, eins og rafknúinna kornmylla og til starfsrækslu hótela. Hefur þetta verið gert undir sérstöku verkefni sem kallað er „Sarhad Rural Support Programme“.

Stjórnvöld í Þýskalandi hafa með ráðgjöf og aðstoð við svokallað GIZ verkefni aðstoðað við að koma upp litlum raforkuverum í Badakhshan og Takhar héruðum í Norðaustur- Afganistan. Allt hefur þetta verið gert í náinni samvinnu við heimamenn. Hefur raforkan sem þar er nú framleidd skapað möguleika á margvíslegum iðnaði sem getur þá tekið við af ópíumframleiðslu bænda sem til þessa hefur verið ábatasamasti atvinnuvegurinn.

Í samvinnu við stjórnvöld í Afganistan hafa verið settar upp sex míkróvirkjanir sem framleiða samanlagt 1,3 megawött og skaffa 65.000 manns raforku allan sólarhringinn. Það er einnig sagt duga fyrir 645 smáfyrirtæki og 110 opinberar byggingar. Væntanlega er orkunotkunin á mann þá all verulega mikið minni en gengur og gerist á Íslandi. Samt er þetta þó vísir að verulega auknum lífsgæðum þar í landi.

Þar hefur verið unnið að samfélagslegu verkefni í rafvæðingu sem ekki er endilega ætlað að skila beinum hagnaði af raforkuframleiðslunni. Er þetta unnið af viðskiptastofnun sem heitir Institut Bisnis dan Ekonomi Kerakyatan, skammstafað IBEKA. Er þessi stofnun og verkefnið sem slíkt að fullu í eigu samfélagsins og er ekki rekið í hagnaðarskyni. Það skilar aftur á móti peningum til samfélagsins fyrir sölu á rafmagni inn á orkukerfi svæðisins. Fram að þessu hafa verið sett upp 61 raforkuverk­efni sem gagnast 54.000 íbúum.

Svona mætti lengi telja, en líklega er erfitt fyrir Íslendinga að setja sig í spor fólks í þessum löndum. Hér státum við frekar af ofgnótt orku og möguleikum til enn meiri orkuframleiðslu sem líta má á sem hreina gullnámu. Væntanlega er erfitt að finna þjóð á hnattkringlunni sem býr yfir viðlíka möguleikum og Íslendingar. Spurningin er því miklu fremur um hvort okkur auðnist í framtíðinni að nýta þessi gæði á skynsamlegan hátt og öllum landsmönnum til hagsbóta.