Några hundra meter ut i havet rör sig gigantiska stålklaffar i takt med vågorna. Det har de gjort sedan det finska företaget AW-Energy år 2019 sänkte ner sina aggregat på havsbottnen 10–20 meter under ytan utanför den portugisiska kuststaden Peniche.
Testanläggningen heter Waveroller och producerar en megawatt el till kuststaden med hjälp av ett hydrauliskt system som omvandlar vågornas energi till el motsvarande ungefär 500 bostäders årsförbrukning. Snart ska fler Waverolleraggregat testas i Mexiko och Sydostasien, och det finska företaget som ligger bakom systemet är långt ifrån ensamma om att kasta sig över vågornas potential för hållbar energiutvinning.
Outnyttjad hållbar energikälla under havet
Vågornas energi är som störst ute på öppet hav, men en stor del av vågornas kraft kan utnyttjas nära land, där det är enklare att överföra elen via kablar. Havets vågor rör sig på både längden och tvären, vilket pressar runt vattenmolekylerna medurs i cirklar. Ju närmare land, desto mer pressas cirkelrörelserna ihop.
Långt ute till havs är vågorna fulla av energi, närmare bestämt 60 kilowatt per meter. Under vattnet och närmare land minskar energitätheten med omkring 30 procent, men i gengäld undviker ett vågaggregat som byggs där havets värsta raseri.
En våg tvingar vattenmolekylerna i cirkelrörelser som fortplantar sig nedåt. Nära kusten pressar havsbottnen ihop cirkelrörelserna och ökar molekylernas vågräta rörelser, som är som mest energirika på 8–20 meters djup.
Vågornas kraft utvinns i kustnära undervattensanläggningar, som är lättillgängliga och samtidigt skyddade mot de våldsamma vågorna vid havsytan. Energin i vågorna vid kusten är cirka 13 procent lägre än ute till havs.
En ny kull vågkraftstekniker försöker nu knäcka koden för utvinning av vågornas enorma energiresurser genom att ta skydd på havsbottnen, allt för att slippa ifrån havsytans skoningslösa vågor. I framtiden väntar språnget från testanläggning till ett betydande bidrag till energiproduktionen, ett språng som inget havsenergikoncept ännu har gjort.
Om det lyckas kan världens första stora vågfarm leverera miljövänlig energi till isolerade öar och rent dricksvatten i torra områden.
Världshaven är fulla av energi
Alla som har stått vid kusten när det stormar känner till havets kraft. Vågorna har potential att tillföra 500 gigawatt till elnätet, vilket är i nivå med den nuvarande kapaciteten för hela världens arsenal av vindkraftverk och solceller på 564 respektive 486 gigawatt.
Just nu är dock vågkraften i princip outnyttjad. I hela Europa utgör vågaggregaten bara en liten del av energipotentialen med sina 1,5 megawatt.
VIDEO: Se sjösättningen av Waveroller utanför Portugal
I november 2019 sänktes vågenergiaggregatet Waveroller ner på bottnen utanför Portugals kust. Vågorna för klaffen från sida till sida, varefter rörelseenergin överförs till en kolvpump.
Vågorna på världens hav innehåller ännu mer energi än vi kan utvinna från sol och vind. Energin i vågorna i kustnära områden vid de stora världshaven är i genomsnitt 20–50 kilowatt per meter våg och år.
En enda vågkraftsanläggning på 15 meter kan till exempel leverera 100 kilowatt året runt, vilket motsvarar en genomsnittlig elförbrukning för 25 hushåll. Vågor är dessutom mer tillförlitliga, eftersom de genererar el 90 procent av tiden, medan vind och sol bara har 20–30 procents effektivitet.
Under de två senaste årtiondena har en mängd olika vågenergikoncept visat sig vara lovande när det gäller att omsätta de energirika vågorna till elektricitet i stickkontakten. Aggregaten kan utvinna upp till 50 procent av energin. Det är fem gånger effektivare än solpaneler, som räknas som ekonomiskt lönsamma om de omvandlar tio procent av energin från solen till elektricitet. De goda resultaten till trots finns det i dag inga storskaliga vågfarmar.
Nu börjar dock vindarna blåsa vågkraftsaggregatens väg. Utvecklingen visar en stabil tillväxt under det senaste årtiondet, i och med att både USA och Asien har börjat investera i vågenergi. Enligt EU:s senaste beräkning växte vågenergins kapacitet med 25 procent år 2019 jämfört med året innan.
Internationella energirådets bedömning är att vågenergi år 2050 kan täcka tio procent av jordens totala energiförbrukning. Forskningen har satt fart och en rad projekt sänks nu ner på havets botten för att komma runt en av vågkraftens stora utmaningar: kraftiga stormar.
Fyra vågkraftsaggregat säkrar framtidens energi
Flugsmälla pendlar på havsbottnen
Det danska företaget Exowave har utvecklat en vågkraftsaggregat som står på bottnen och utnyttjar den turbulens som skapas av vågorna. På havsbottnen är vågornas energi svagare, men i gengäld förlängs aggregatens livslängd. Exowave räknar med att de första demonstrationsanläggningarna ska kunna installeras år 2021.
Robotmanet gungar i takt med havet
Sedan år 2015 har de tre undervattensbojarna CETO från Carnegie Clean Energy försett en flottbas i den australiska delstaten Western Australia med el och rent vatten. Bojarna följer vågrörelserna upp och ner och driver en pump som trycksätter havsvatten. Sjätte generationen av systemet håller nu på att utvecklas.
Nedsänkt gummimembran skapar lufttryck
Det australiska företaget Bombora har utvecklat ett vågaggregat som sänks ner i vattnet. När vågorna rör sig skapar ett tjockt gummimembran ett lufttryck som driver en turbin. År 2021 ska tekniken testas i en 15 meter lång demonstrationsanläggning i Wales och därefter utanför Lanzarote, den nordöstligaste av Kanarieöarna.
Klaff utvinner el ur vågor
År 2019 sänkte det finska företaget AW Energy ner sin Waverollerteknik på havsbottnen utanför Portugal. Stora stålklaffar utvinner havets kraft och producerar en megawatt el till kuststaden Peniche. Fler Waverolleranläggningar är på gång i både Portugal, Mexiko och Sydostasien.
Horisontell rullning driver vågaggregat
De enorma naturkrafterna ute på öppet hav kan både krossa vågkraftsaggregaten och göra att de under perioder måste stängas för att inte gå sönder. Bland annat därför har tidigare projekt som verkat lovande skrinlagts innan de ens hunnit leverera någon el.
Till skillnad från vind- och solkraft finns det många olika tekniska lösningar för utvinning av vågkraft. Bland annat bojar, slangar och flytande kuddar monterade på land används, och alla har sina för- och nackdelar. Kanske är den optimala lösningen så kallade oscillating wave surge converters (OWSC).
De flesta tidigare aggregat utnyttjar vågornas lodräta rörelser, det vill säga uppåt och nedåt. OWSC utvinner i stället den energi som uppstår när vågräta vågor gungar fram och tillbaka. Då pressas vattenmolekylernas cirkelrörelser ihop till ellipser i mötet med en stigande havsbotten.
Vågorna påverkar en eller flera klaffar, som drar i och trycker ihop en kolvpump, som skapar ett tryck i olja eller havsvatten. Trycket driver en elproducerande generator på antingen havsbottnen eller en plattform, eller förs över till land.
Aggregaten förankras på havsbottnen i kustnära områden på 10–40 meters djup, där de inte påverkar vare sig utsikten eller djurlivet. Två exempel på OWSC är Waverolleraggregaten i havet utanför Peniche och danska Exowave, som står på Nordsjöns botten. Exowave består av en rad gula, flugsmälleliknande klaffar som vippar från sida till sida och utvinner de enorma krafter som finns långt under havets brusande yta.
Exowaves flugsmällor driver pendel
Vågklaffar sticker upp och påverkas av de cirkelrörelser i vattnet som vågorna ger upphov till.
Klaffen är kopplad till en vridmekanism som gör att den alltid riktas mot vågorna.
När klaffen rör sig driver den en axel som är kopplad till en cylinder i en kolvpump.
Mekanisk pump med lång livslängd
Nackdelen med aggregat på havsbottnen är att de är mer svåråtkomliga än vissa andra typer av vågkraftsaggregat. Dessutom måste de ha en livslängd på 20 år för att vara ekonomiskt lönsamma.
Dessa utmaningar möter företaget Exowave genom att hålla sitt koncept enkelt. Aggregaten är helt mekaniska och fungerar på så vis att en kulled leder havsvatten in i och ut ur ett pumphus, som vågklaffen utsätter för tryck. Samtidigt vrids klaffen, så att anläggningen effektivt utnyttjar energin oavsett varifrån vågorna kommer.
Exowave används på 10–40 meters djup, där den genomsnittliga energigenomströmningen är cirka 17 kilowatt per meter våg. I havet under vindkraftverk kan vågkraftsaggregat komplettera elproduktionen med 20 megawatt och dessutom använda samma kablar som vindkraftverken för elöverföringen till land.
Klaffar utvinner el och vatten ur vågorna
Med enkel, hållbar mekanik ska det danska vågkraftsaggregatet Exowave omvandla havets enorma kraft till elektricitet. Aggregatets gula vågklaffar kan även förse kustnära områden med rent dricksvatten.
1. Flytande klaffar följer vågorna
Nära havsbottnen rör sig vattenmolekylerna i ellipser, som för Exowaves stora stålklaffar fram och tillbaka. Vridbara leder gör att klaffarna alltid följer vågornas riktning.
2. Pump trycksätter havsvattnet
Klaffen är kopplad till en hydraulpump, som via en kulled tar in havsvatten längst ner. Pumpen trycksätter vattnet till 35–75 bar, det vill säga 35–75 gånger högre än atmosfärisk luft. Ett vattentryck på 20–40 bar driver vanligen en turbin och en elgenerator.
3. Ventiler leder vattnet mot land
Förmågan att omvandla vågornas energi till hydraulisk energi ökar med trycket. Pumphuset har därför ventiler som garanterar ett konstant minimitryck och samtidigt ser till att trycket inte blir för högt. Andra ventiler leder vattnet till en turbin till havs eller på land, där det producerar el.
4. Vattentryck ger rent dricksvatten
På land kan trycket också pressa saltvatten genom ett finmaskigt filter, som avlägsnar de större saltmolekylerna i en process som kallas omvänd osmos. WEC10, som det minsta Exowaveaggregatet kallas, kan leverera omkring 2 000 liter dricksvatten i timmen.
Vågfarmer kan bli osynliga
Vågkraftsaggregat kan komma att användas på flera andra områden, exempelvis till så kallad off grid-el för privat förbrukning och som elförsörjning till mindre öar, som normalt är beroende av import av kol och olja för sin elproduktion.
Dessa aggregat kan även förse torra områden av planeten med rent dricksvatten. Exowave fungerar till exempel med hjälp av tryck och kan därför ställas om till att avsalta havsvatten till dricksvatten via filtreringstekniken omvänd osmos. Då pressas vattnet genom ett filter som bara släpper igenom vattenmolekyler, medan de större saltmolekylerna filtreras bort.
På så vis kan vågaggregaten inte bara ge en stabil försörjning av miljövänlig el, utan potentiellt också leverera rent vatten till vissa av de närmare en miljard människor som lever i kustnära områden och saknar tillgång till rent dricksvatten.