Norge kan bli Europas grønne batteri
Norsk vannkraft kan gjøre Norge til Europas «grønne batteri». Ikke ved å bygge nye kraftverk, men ved å videreutvikle de vi har.
Det gedigne Vassdragslaboratoriet ved NTNU er fylt av modeller av vannkraftdemninger og vanntunneler. Geirangerfjorden i miniformat finnes også. Ned i den sluses minifjellblokker i stor fart for å forske på hvordan flodbølgen vil slå innover land når fjellmassivet Åknes en gang i framtiden spjæres og havner i fjorden.
Kaspar Vereide ved Institutt for vann- og miljøteknikk.
Løfter vi blikket ser vi et flunkende nytt minikraftverk, en kopi av Torpa vannkraftverk i en skala 1:65. Helt mini er det ikke: 147 meter med stålrør er montert oppunder taket. Det er verdens første fysiske modell av en vannvei med luftputekammer.
Doktorgradsstipendiat Kaspar Vereide har designet modellen, med finansiering fra forskningssenteret CEDREN. Her forsker Vereide fram nye løsninger for eksisterende vannkraftverk. Modellen gir svar på hvordan luftputekammer kan prosjekteres på optimal måte.
Mer energi ved å forbedre kraftverk
Etter den store utbyggingsbølgen av vannkraftverk i Norge på 1960- og 70-tallet ble det nærmest stillstand i bygging og forskning. Vi hadde bygd ut det vi hadde bruk for. Hele 98 prosent av elektrisiteten som vi bruker i Norge i dag, kommer fra norsk vannkraft.
Vi har imidlertid kapasitet til å produsere mye mer energi fra vannkraft; vi kan bli Europas «grønne batteri». Ikke nødvendigvis ved utbygging av nye kraftverk, derimot ved forbedring av eksisterende.
Men da må vi først løse utfordringer knyttet til å øke kapasiteten og fleksibiliteten på eksisterende verk.
Kaspar Vereide representerer en ny generasjon vannkraftforskere på vei inn i feltet som betegnes som Norges første energirevolusjon: el-kraft fra vann.
Kampen mellom to genier
Nikola Tesla
Nikola Tesla (1856 – 1943): Mannen som ”oppfant det 20. århundre”.
Født av serbiske foreldre i Kroatia.
Utdannet elektroingeniør ved Østerrikes Polytekniske Høyskole i Graz. Flyttet til Paris, deretter New York.
Etter at han sluttet i Edisons firma på grunn av faglig uenighet, arbeidet Tesla en periode som løsarbeider, blant annet som grøftegraver.
Nikola Tesla visualiserte først en oppfinnelse i hodet i presis form før han gikk i gang med produksjonsfasen. Metoden er kjent som «bilde-tenkning».
Var glad i å eksperimentere, for eksempel ved å sende noen millioner volt gjennom kroppen sin foran inviterte gjester.
Levde et jet-set liv, og gikk alltid kledd i kjole-og-hvitt (også i laben).
Var svært hygienisk og hadde aversjon mot bakterier.
Adresse: Suite nr. 3327 Hotel New Yorker, New York.
Hobby: Mating av duer.
Motto: «If you want to find the secrets of the universe, seek in terms of energy, frequency and vibration».
Nikola Tesla.
Elektrisiteten betegner den moderne tid, og på slutten av 1800-tallet kjempet to genier en knallhard kamp om hvilken elektrisk teknologi fremtiden skulle bygges på. Thomas Alva Edison, han med glødepæren, mente elektrisitetens tidsalder skulle bygges på prinsippet med likestrøm. En av de som jobbet sammen med Edison, Nikola Tesla, var på sin side bombesikker på at vekselstrøm var fremtiden. Og begge var like overbevist om at de satt med løsningen.
Thomas Alva Edison.
Denne uenigheten mellom to sterke personligheter med sine meget smarte hoder, førte til at Tesla sluttet hos Edison og etablerte firmaet Tesla Electric Light & Manufacturing. Her startet han storproduksjon av banebrytende oppfinnelser, og blant hans viktigste oppfinnelser er neonlys, radioteknologi, induksjonsmotor, robotteknologi, turbiner til vannkraft – og vekselstrøm. Da han døde var han innehaver av 700 patenter (se faktaboks om Tesla).
Det ble Tesla som fikk rett når det gjaldt hvilket strømprinsipp den moderne verden skulle bygges på. Gjennom sine oppfinnelser la han grunnlaget for mye av vår moderne teknologi, inkludert vekselstrøm.
Må holde frekvensen stabil
Vekselstrøm er mindre energikrevende å transportere enn likestrøm, og det tapes mindre energi under transporten. Vekselstrøm er også mindre farlig. Det er hovedgrunnene til at valget falt på vekselstrøm i sin tid.
I likestrøm strømmer elektronene samme vei, mens i vekselstrøm beveger elektronene seg fram og tilbake. Det gjør de 50 gang i sekundet, i alle fall i det europeiske strømnettet. Det betyr at europeiske land har 50 Hz (Hertz) som frekvens i sine strømnett.
– Elektriske apparater og installasjoner er laget for denne frekvensen, derfor er det viktig at frekvensen holder seg stabil på 50 Hz. Blir frekvensen i det norske strømnettet høyere eller lavere, kan man ødelegge all elektronikk i landet. Videre er det vannkraftverkene som styrer frekvensen, ettersom den er et resultat av hvor mye kraft som blir produsert og hvor mye kraft som blir brukt til enhver tid, forklarer Kaspar Vereide.
– Hvis et aluminiumsverk i Norge plutselig må stoppe, for eksempel fordi et tre faller ned på kraftledningene utenfor, har du umiddelbart alt for mye produksjon av strøm i forhold til det som brukes. Og da øker frekvensen. Utfordringen blir da å få ned produksjonen raskt nok.
Eller i motsatt tilfelle: Få opp produksjonen raskt når nok når forbruket øker.
En maurtue av vanntunneler
Problemet med dette er vannets massetreghet, ettersom det tar tid å få fart på vannet eller å bremse det. Tar det lang tid å bremse vannet, så tar det lang tid å redusere strømproduksjonen.
I Norge er de fleste store kraftverk bygget med veldig lange vanntuneller for å transportere vannet fra vannmagasinet til vannkraftverket.
– Norske fjell er fulle av kraftverkstunneler. Det er som en maurtue. Vi har langt flere mil med vanntunneler enn vi har veitunneler her i landet, sier Vereide.
Tenker man seg et tverrsnitt gjennom fjellet, vil vannkraftverket se slik ut:
Løsningen ligger i svingekammeret
– Jo raskere vi kan akselerere vannet, jo fortere kan vi endre den produserte strømmengden. Og da ligger løsningen i svingkammeret. Opprinnelig må vannet akselerere fra øvre til nedre vannmagasin, og den lengden kan være flere mil, sier Vereide.
Hvis vannet kan mellomlagres i et reservoar nærme kraftstasjonen, reduseres lengden på vannstrengen som skal akselereres. Og for å skaffe en slik mellomlagring, bygges det som kalles svingekammer. Det kan gjøres ved å sprenge ut en fjellhall inne i vanntunnelen – i nærheten av turbinen hvor strømmen produseres.
Fjellhallene eller svingekamrene fungerer dermed som en mellomlagring for vannet og gjør at avstanden mellom vannreservoarene minker, noe som gjør det raskere å øke eller redusere vannstrømmingen gjennom turbinen.
– Svingekamrene utgjør altså en løsning – men de skaper også et problem. Dette problemet kalles massesvingninger.
Fare for utblåsninger
Hvis kraftverket kjøres på full guffe og plutselig stopper opp, vil vannstanden i svingekammeret øke. I verste fall vil vannet kunne flomme ukontrollert ut i toppen av kammeret, hvor man normalt har en ventilasjonstunnel.
Og når kraftverket starter opp, eller skrur opp hastigheten på vanngjennomstrømningen, skjer det motsatte: Vannstanden suges ned. Da kan det i verste fall suges luft inn i vanntunnelen, noe som kan skape ukontrollerte utblåsninger av luft fra kraftverket.
– Så disse massesvingningene som oppstår, må man ha kontroll på. Blant annet er det viktig å finne ut hvor store svingekamrene må være for å fungere best mulig. Min oppgave er å finne ut hvordan svingkamrene kan bygges på en mest mulig optimal måte, sier Vereide.
Europas grønne batteri
– Dette er veldig relevant akkurat nå. Tradisjonelt har kraftverkene blitt kjørt veldig jevnt og rolig, med få start og stopp som skaper disse svingningene. Men hvis Norge i fremtiden skal bli Europas grønne batteri, må det til store utvidelser av eksisterende vannkraftverk. Kraftverkene vil også startes og stoppes mye oftere, og da vil problemet med massesvingninger økes betraktelig, sier Vereide og utdyper:
– Vi vil tjene mye på å utvikle ny teknologi, både for å kunne holde stabil frekvens og for å kunne kjøre kraftverkene mer aggressivt for å serve et stort marked. Det er et stort rom og muligheter for videreutvikling. Det er dette som jeg forsker på.
Jakter på gullformelen
– Mine forbedringer ligger i to ting. Det ene kalles strupning. Det er en stålkonus som bygges inn i tilkoblingen mellom tunnel og svingekammer, hvor du forminsker eller blender diameteren i tunnelen. Strupningen reduserer hvor mye vann som faktisk kan strømme inn og ut av svingkammeret, og det reduserer massesvingningen.
Kaspar Vereide forklarer videre:
– En sentral del er å finne den optimale størrelsen på strupningen. Det har jeg kommet langt med, men hvert kraftverk er unikt slik at det må tilpasses hvert kraftverk. Jeg jobber med å finne en formel som kan gi svaret for hvert kraftverk. Drømmen er å finne denne formelen.
Finner han formelen, har han lagt et gullegg for framtidig vannkraftindustri.
Ny modell for termodynamikken
En særnorsk teknologi er bruken av luftputekammer i vannkraftverk. Det innebærer at svingekammeret, som altså er en mellomlagring for vannet og som bidrar til å kontrollere frekvensen, sprenges ut dypt inne i fjellet. Dette luftputekammeret har altså ingen åpning mot friluft og kan derfor ikke kvitte seg med overflødig vann. I stedet fylles kammeret med trykkluft som endrer seg i forhold til vannstanden.
Lufta fungerer som støtdemperen gjør på biler og sykler. Når det strømmer vann inn eller ut av kammeret, vil lufttrykket dempe disse svingningene.
– Når vannstanden beveger seg opp og ned, vil det oppstå en termodynamikk. Det vil si at lufta endrer seg; den komprimeres eller den utvider seg, og temperaturen i lufta endrer seg. Det jeg jobber med, er å forstå fysikken i dette. Jeg har utarbeidet en teoretisk modell som beskriver termodynamikken.
En vitenskapelig artikkel om modellen er publisert i Journal of Hydraulic Engineering: Thermodynamic Behavior and Heat Transfer in Closed Surge Tanks for Hydropower Plants
Dess mer vi forstår av termodynamikken inne i luftputekammeret, dess mer kontroll har vi på vannstrømningen og dermed frekvensen i det elektriske nettet, noe som er essensielt ved økt strømproduksjon. Kaspar Vereide bruker modellen for å øke kunnskapen om fysiske egenskaper og design av luftputekammer.
– Så langt har forskningen hatt begrenset forståelse for termodynamikken. Man har heller ikke klart å kvantifisere transporten av energi (varme) som skjer når lufta presses sammen i luftputekammeret. Det er kunnskap som er viktig for optimal design av luftputekamre, sier Kaspar Vereide.
