Alkymister gjorde vann til hvitt kull

Tidlig i april kom FNs internasjonale klimapanel (IPCC) med en ny rapport fra arbeidsgruppe III. Denne rapporten beskrev ulike alternativer for hvordan verdens land kan takle den globale oppvarmingen før den når katastrofale høyder.

Alternativene er mange, og det haster med å handle. Arbeidsgruppen konkluderte med at vi bare har 30 måneder på oss, til 2025, før klimagassutslippene kan nå sitt høyeste nivå og så må gå ned igjen.

Men rapporten var ikke uten lyspunkter. Ett viktig funn er at prisen på fornybar energi har stupt de siste årene. Det gjør at den fornybare energien kan konkurrere i konkurransen for å dekke verdens energibehov.

Men å ta i bruk fornybar energi som vind og sol krever nye måter å tenke på når sola ikke skinner og vinden ikke blåser. Et hundre år gammelt NTNU-laboratorium på Gløshaugen i Trondheim hjelper til med å finne løsninger på dette. Du kan høre om laboratoriet og forskningen i denne episoden av podkasten 63 Degrees North.

Batteri eller reserve

Vannkraftlaboratoriet er en femetasjers struktur med 600-millimeters rør i rustfritt stål og tanker på 450.000 liter vann. Dette bruker forskerne til å teste vannturbiner med modeller.

Når det slutter å blåse, eller en storm er på vei, kan vi raskt ta i bruk vannkraften om vi trenger det. Så kan vi la være å bruke vannkraften når vi har nok vind.

Turbiner og generatorer er hovedstrukturene som omdanner den energien i fallende vann til elektrisk energi. Vannkraften er selv en fornybar ressurs, men den får mye mer oppmerksomhet nå som det stadig bygges ut mer fornybar energi, sier Ole Gunnar Dahlhaug, professor ved NTNUs Institutt for energi- og prosessteknikk. Han leder Vannkraftlaboratoriet.

• Les også: Norge må bygge ut mer vannkraft

Vannkraft kan lett reguleres

Nøkkelen er at vannkraften er regulerbar. Det betyr at den kan balansere produksjon og forbruk av energi, og kan brukes som erstatning for sol- og vindenergi når det trengs.

– Det norske systemet har flere enn 800 vannreservoarer for kraftproduksjon. I disse reservoarene har vi mye vann, og dette vannet fungerer som et batteri. Det batteriet holder på rundt 87 terawatt-timer, som igjen tilsvarer rundt 60 til 70 prosent av det norske forbruket av energi per år, sier han. – Så det er et  gigantisk batteri.

I dag er disse reservoarene fylt med regnvann og smeltet snø. Det ligger en stor mulighet for Norge i å pumpe vann mellom to eksisterende reservoarer. Dette virker slik at den ekstra kraften fra de fornybare ressursene brukes til å pumpe vannet fra et nedre reservoar til et øvre reservoar. Dette gjør at «batteriet» blir enda større. Vannet kan lagres i det øvre reservoaret til elektrisiteten trengs. Deretter kan vannet fra det øvre reservoaret føres tilbake gjennom vannkraftanlegget for å generere elektrisitet.

– Så når vinden holder opp eller stormen kommer, kan vi bruke det vannet i løpet av kort tid når vi trenger det. Og så stopper vi vannkraftanleggene når vi har nok vind, sier Dahlhaug.

Her er det at Vannkraftlaboratoriet utgjør en forskjell. De fleste av dagens turbiner i vannkraftanleggene er ikke designet for å takle påkjenningen ved å starte og stoppe brått, og enda mindre ved å pumpe vann opp og ned gjennom systemet.

Fleksibel bruk

Johannes Kverno holder på med doktorgradsarbeidet sitt. Han studerer påkjenningene som en bestemt type vannkraftturbiner utsettes for. Disse kalles Francis-turbiner.

Som del av forskningen bruker han sensorer på en skalamodell av en Francis-turbin for å måle hvor store påkjenninger ulike operasjoner påfører turbinene når han fører vann under høyt trykk gjennom dem i laboratoriet.

– Siden vannkraft er en virkelig rask og fleksibel type kraft, er den veldig nyttig og funksjonell for å tilpasse seg både etterspørsel og tilbud. Men selvsagt ble de fleste turbinene i Norge designet for å operere mer stabilt og nær maksimum av kapasiteten de ble laget for, forklarer han.

Med mer fleksibel bruk vil det bli større slitasje, som igjen vil redusere levetiden og øke operasjonskostnadene for kraftverkene.

Fjerner bobler med ultralyd

Vera Gütle fullførte nylig mastergraden sin med forskning utført ved Vannkraftlaboratoriet. Hun studerte måter for å redusere miljøpåvirkningen av å ha mye vann i reservoarene.

Det er et problem hvis vannet blir overmettet med luft. Dette kan skje når det er mye vann, som får eksempel under snøsmeltingen om våren. Dette kan føre til at fisken blir syk, på samme måte som dykkere kan utsettes for trykkfallsyke, såkalt «dykkersyke», om de har pustet inn luft under trykk og stiger til overflaten for raskt. Da kan gassbobler danne seg i blodstrømmen deres. Fisk kan altså rammes av dette også.

Vannkraftlaboratoriet gjorde det mulig for Gütle å simulere disse forholdene og teste ut ulike måter for å fjerne den ekstra lufta. I dette tilfellet ved å bruke ultralyd. De satte en 18.000 liter stor vanntank under trykk med luft, og kjørte den gjennom en kanal.

– Vi lot vannet som var overmettet med luft strømme gjennom kanalen. Deretter satte vi på ultralyd og målte hvor mye av lufta som løste seg opp i vannet. Deretter testet vi om vi kunne redusere mengden av luft som var inne i kanalen, sier hun.

• Les også: Er det for sent å redde planeten?

Viktig da Norge skulle bygges

Vannkraft har spilt en avgjørende rolle i norgeshistorien, og historien bak vannkraftlaboratoriet er knyttet til hvordan landet vårt bygde opp en moderne økonomi.

Ingeniøren som sto bak konstruksjonen, var Gudmund Sundby. Han ble hyret inn av den da to år gamle Norges tekniske høgskole, NTH, i 1912 for å hjelpe universitetet med å bygge opp vannkraftprogrammet.

Dette var et stort ansvar, for Norge regnet med vannkraften som den økonomiske motoren som skulle bringe landet inn i den globale økonomien.

I 1912 var Norge fremdeles et ungt land, unionsoppløsningen fra Sverige i 1905 var ennå fersk, og vi trengte å utnytte de få naturressursene vi visste om for å bygge opp økonomien. Bratte fjell og mye regn gjorde vannkraft til en åpenbar potensiell motor for landets økonomiske utvikling. Om ikke Norge gjorde dette selv, kom andre land til å gjøre det. Den uutnyttede kapasiteten for å lage billig elektrisitet fra vannfallene hadde allerede gjort Norge til en magnet for energiintensiv industri, som aluminium.

Tidlig på 1900-tallet flokket vestlige land til Norge for å kjøpe opp rettigheter til vannfall. I så stort omfang at den unge nasjonen vår måtte hasteinnføre det som kom til å bli kalt «panikkloven» for å få situasjonen under kontroll.

Noen måtte bygge opp ekspertisen som trengtes for å ta i bruk vannkraften. Den mannen var altså Gudmund Sundby. Men Sundby trengte hjelp.

En vannkraftsupercomputer

I en tidsalder da alle kalkulasjoner måtte gjøres for hånd, trengte Sundby virkelig 1912-versjonen av en supercomputer, et høyteknologisk laboratorium der fremtidens ingeniører kunne teste og finslipe sine design i en viss skala, med nok kraft i vannstrømmen til å se om kalkulasjonene virkelig var riktige.

I 1915 hadde Sundby fått gjennomslag. Regjeringens nasjonalbudsjett for 1915 hadde satt av 150.000 kroner for å konstruere Vannkraftlaboratoriet ved NTH. Dette tilsvarte 0,1 prosent av nasjonalbudsjettet den gangen. Det høres kanskje ikke så mye ut til du hører at USA «bare» brukte 1 prosent av nasjonalbudsjettet sitt på å utvikle atombomben i 1940-årene.

For å høre mer om historien bak vannkraftlaboratoriet og forskningen der, kan du høre på denne episoden av podkasten 63 Degrees North.

Referanser: HydroFlex: The HydroFlex project is a four year long, € 5.4 million research project financed through EU’s Horizon 2020 programme, coordinated by Ole Gunnar Dahlhaug and based at NTNU’s Waterpower Laboratory. The aim of the project is to increase the value of hydro power through increased flexibility in operations.

Stojkovski, Filip; Lazarevikj, Marija; Markov, Zoran; Iliev, Igor; Dahlhaug, Ole Gunnar. (2021) Constraints of Parametrically Defined Guide Vanes for a High-Head Francis Turbine. Energies. vol. 14 (9).

Gütle, Vera. (2021) How to avoid gas supersaturation in the river downstream from a hydropower plant. MSc thesis.