Energi
Maritim fornybar energi: Å låse opp havets kraft for en ren fremtid
Legg til Securities.io blant dine foretrukne kilder på Google
Det uutnyttede potensialet i havenergi
Siden jorden er 70 % hav og sjø på overflaten, er det ikke overraskende at mange av jordens ressurser finnes offshore. Dette er imidlertid et iboende vanskelig miljø for en landbasert skapning som mennesker. Som et resultat har havenergi hittil blitt dårlig utnyttet, hovedsakelig begrenset til offshore olje‑ og gassutvinning og offshore vindparker.
Men det finnes langt mer potensial for energiproduksjon til havs i andre former. Fra de nesten ubegrensede overflateområdene til tidevann, bølger og forskjellen i høyde og temperatur, jobber forskere over hele verden med å finne nye måter å utnytte fornybar energi fra de endeløse bølgene.
Og dette kan bli en enorm kilde til ny fornybar energi, med 2050 potensielt å se 352 GW installert kapasitet, eller nær den nåværende totale globale kjernekraftparken (399 GW).
Kilde: IRENA
Hvorfor utviklingen av havenergi har vært langsom
Det kan overraske deg at energiproduksjon i havet først startet for noen tiår siden, mens andre energiformer, fra vannkraft til landbasert fossil energiproduksjon, er århundrer gamle.
En viktig grunn er at det åpenbart er lettere å bygge på land. Hav og sjøer krever derimot at all infrastruktur flyter og/eller er forankret til havbunnen, noe som øker kostnader og ingeniørmessige begrensninger. Vanlige stormer, eller til og med orkaner i tropiske områder, gjør det enda vanskeligere å lage strukturer som kan overleve havet.
En annen viktig faktor er havsalt. Saliniteten i havet gjør sjøvann ekstremt korroderende for metalliske komponenter, inkludert energiproduksjonssystemer som turbiner. Dette krever en kompleks rekke tilpassede løsninger som belegg, oljer og andre beskyttelsestiltak for å unngå at energiinfrastrukturen blir spist opp av korrosjon. Veksten av skadelige havorganismer som alger og skjell (“biofouling”) kan også bidra til skade til havs, da organisk materiale tetter og dekker maskinene.
Kilde: ResearchGate
Til slutt, selv om de er enorme, er havets latente energi også svært diffus. På land har geologi og geografi en tendens til naturlig å konsentrere ressursene i mineralforekomster, elver og vindkorridorer, noe den flate havoverflaten ikke gir.
Offshore vindkraft: Skalering til havs
Som med praktisk talt alle havbaserte energiplattformer, har offshore vind en tendens til å være mer kapitalintensiv. Avstand fra befolkede områder og saltvannskorrosjon øker også vedlikeholdskostnadene og kan redusere levetiden til vindturbinen og dens komponenter.
Det er imidlertid en rekke fordeler med offshore vind også:
- Mer effektiv produksjon: offshore vind er mer stabil, kraftigere og blåser oftere enn på land.
- Dette fører ikke bare til mer produksjon, men også til en mer forutsigbar, nærmere baseload‑kraftproduksjon enn den mer intermittente landbaserte vindgenereringen.
- I mange regioner øker offshore vind på ettermiddagen og kvelden, når etterspørselen er på sitt høyeste.
- Siden mesteparten av verdens befolkning bor nær kysten, er offshore‑steder ofte ganske nær forbrukerne.
- Et godt vindsted til havs kan være mye større enn på land. Dette gir mulighet for større skala.
- Mindre miljøpåvirkning. Ved å redusere landbruk og ikke forstyrre det lokale økosystemet med tilgangsveier og trafikk i avsidesliggende områder, kan offshore vind være mer miljøvennlig enn landbasert vind.
- Det begrensede området til vindparker kan til og med hjelpe marine økosystemer.
- Mindre motstand: avstanden til befolkningssentra og fra synsrekkevidde begrenser i stor grad motstanden mot vindprosjekter når de er offshore. NIMBY‑reaksjonene (Not In My Back Yard) er dermed mye mindre påvirkende.
Avhengig av dybden kan ulike ankre brukes for offshore vindturbiner.
Kilde: DoE
Etter hvert som vindteknologien utvikler seg, er et nytt alternativ ikke å bygge en gigantisk søyle for en gigantisk turbine, men en enda større «vegg av turbiner». Noen enheter er under utvikling for 40 MW-modeller og kan nå opptil 126 MW.
Et slikt system vil passe best for områder med svært sterke og nesten konstante vinder, som Nordsjøen.
Kilde: Recharge News
Konsentrasjon av offshore vindprosjekter i megaprosjekter, som den 10 GW Nordsjø Energiøya som vurderes av bransjegiganten Orsted (D2G.DE ), vil sannsynligvis bli en dominerende trend i fremtiden, da det reduserer vedlikeholds- og installasjonskostnader ved å dele dem over flere vindturbiner.
Offshore vind vil sannsynligvis forbli den viktigste ikke‑fossile energikilden til maritim energi i det kommende tiåret, takket være den rikelige vindenergien til havs og den allerede ganske modne teknologien.
Noen analytikere anslår at offshore vind kan bli 12 ganger større innen 2040, med 2030‑årene som ser mange nye flytende typer vindturbiner bli installert.
Kilde: Rystad Energy
(Du kan lese mer om vindkraftens potensial i vår dedikerte rapport “Can Wind Power The World?”)
Tidalenergi: Forutsigbar fornybar energi fra månen
Til tross for at vind er den dominerende formen for maritim energi, er faktisk tidevannsenergi den eldste. Dette er utnyttelsen av energien som genereres av månens gravitasjon som skaper høy og lav sjøstand med tidevannet.
Dette ble først utnyttet med et vannmølle som brukte bevegelsen i havet, i stedet for en elv, til å dreie møllehjulet. Den første storskala tidevannskraftstasjonen ble bygget i 1966, med den 240 MW Rance Tidal Power Station, i Brittany, i Northwestern France.
Kilde: Dialogue Earth
En viktig fordel med tidevannsenergi er at den er ekstremt stabil og forutsigbar, noe som gir svært pålitelig baseload‑fornybar kraft. Den produserer også om natten og om vinteren uten noen nedgang, noe som gjør den til et godt supplement til solenergi.
Imidlertid er dette en vanskelig måte å utnytte energi på. Det krever vanligvis å være lokalisert i et høy‑tide‑område eller med en sterk strøm som kanaliserer tidevannet inn i en smal sund. Dette har historisk begrenset potensielle steder for denne energiformen. Det betyr også at det i de fleste tilfeller krever bygging av en tidevannsdam.
Sjeldheten av tidevannsprosjekter har hemmet sektoren, da den fjerner mulig stordriftsfordeler fra masseproduksjon, og erstatter dem med tilpassede løsninger som krever dyr design.
«Vi er på et punkt hvor vi pålitelig demonstrerer teknologien, og vi skalerer den opp til kommersiell nyttegrad. Det vi må gjøre er å se på relativt små prosjekter, bare for å demonstrere at teknologien er pålitelig, overvinne miljømessige hindringer, og også bygge momentum og den skalaen vi trenger.»
Seumas Mackenzie – Chief operating officer for tidevannsutvikler Nova Innovation
Til dags dato vurderes mange design, men ingen har blitt masseprodusert.
Kilde: IRENA
Kravet om at turbiner kontinuerlig må bevege seg i sjøvann øker også vanskelighetene med korrosjon og biofouling.
Alt i alt er det usannsynlig at tidevannsenergi snart vil bli en stor energibidragsyter til vårt strømnett.
Imidlertid kan det være en svært god løsning for isolerte øyer og kystregioner, som demonstrert av pilotprosjekter på Shetland- og Orkney-øyene. Disse øyene krever enten en kostbar nettilkobling eller import av fossilt brensel.
Utnyttelse av havstrømmer for fornybar energi
Utnyttelse av dypvannsstrømmer, som beveger en enorm mengde vann jevnt, kan gi en svært kraftig energikilde, enda større enn tidevannsenergi, og er foreløpig en teoretisk mulighet.
Kilde: Energy Encyclopedia
Imidlertid gjør den ekstreme dybden og avstanden fra kysten for installasjon av slike anlegg, samt den potensielle risikoen for å forstyrre disse strømningene som er svært viktige for klimaregulering, det til en urealistisk mulighet i overskuelig fremtid.
Bølgeenergi: Omforme havbølger til elektrisitet
Enda mer allestedsnærværende enn tidevann, er bølger en naturlig del av havet og en teoretisk ubegrenset energikilde, som utgjør nesten halvparten av havets energipotensial (ekskludert vind).
Kilde: IRENA
Her også vurderes mange design, uten at noen har vist klar overlegenhet over de andre eller blitt masseprodusert. Generelt er ideen enten å utnytte energi gjennom opp- og nedgang i vannstanden, eller gjennom oscillasjonen av en bøye, eller gjennom rotasjonen av en bøye.
Kilde: IRENA
Selv om den er enda lavere i teknologisk modenhet enn tidevannsenergi, kan bølgeenergi bli en betydelig energibidragsyter innen 2040, med EU som ser for seg 1 GW havbasert produksjon innen 2030, og 40 GW innen 2040.
«Bølgeenergienheter må designes for å tåle og overleve stormforhold, og det kan være en stor bekymring i en oppvarmende verden hvor stormer blir stadig mer ekstreme.
Det finnes mye bølgeenergi, men den er absolutt dyrere og teknisk vanskeligere å utnytte.»
Conchúr Ó Brádaigh – Visepresident for Fakultet for Ingeniørfag ved University of Sheffield
Dette vil være en energiløsning som i stor grad avhenger av lokale bølgestørrelser, med noen regioner som er mer sannsynlige enn andre. Nord-Atlanteren, Nord-Stillehavet og Sør‑Australia ser ut til å være de beste kandidatene.
Kilde: ResearchGate
Havtermisk energi: Utnytte varmen under overflaten
(OTEC) utnytter temperaturforskjellen mellom varmt overflatevann og mye kaldere vann i dybden. Et slikt termisk gradient er teoretisk svært kraftig for energiproduksjon.
Kilde: Britannica
For å være økonomisk praktisk, bør temperaturdifferansen være minst 20 °C (36 °F) i de første 1 000 meter (ca. 3 300 fot) under overflaten.
Ettersom jo større gradienten er, jo mer energipotensial og jo lavere kostnader, er dette sannsynligvis en bedre løsning for varme tropiske farvann kombinert med raskt fallende havbunn, spesielt Sør‑øst‑Asia og utenfor kystene til Mexico og Brasil.
Kilde: Ocean Energy Systems
OTEC‑anlegg kan være enten landbaserte (med rør som går inn i havet) eller flytende. Mens flytende overflater har mange flere potensielle steder, vil de være dyrere å bygge og vedlikeholde. Offshore energiproduksjon må sendes tilbake til land, enten gjennom kraftkabler eller gjennom in‑situ produksjon av hydrogen, metanol eller ammoniakk som fraktes tilbake til befolkningssentra.
En potensiell positiv bivirkning av OTEC kan også være å bringe næringsrike dypvann til overflaten. Dette kan utnyttes til miljøvennlig marin akvakultur og til og med bidra til å fange karbon gjennom fytoplanktonvekst.
Flytende solfarmer: Maksimere havoverflaten for ren energi
I tillegg til å bruke energien fra selve havet, gir havet oss en annen rikelig ressurs: overflateareal.
I motsetning til land, som ofte brukes til gårder eller naturlige habitater, og er relativt dyrt per kvadratmeter, er mesteparten av havoverflaten relativt uproduktiv, spesielt i tropiske områder med høy solstråling.
Det er heller ingen naboer eller folk som blir fornærmet av det estetiske aspektet ved disse offshore solfeltene. Dette gjør muligheten for offshore flytende solfelt attraktiv.
Kilde: RWE
I tillegg øker refleksjonen av sollys fra havoverflaten den totale isolasjonen. Dette fenomenet kan kanskje utnyttes ytterligere for mer energiproduksjon takket være bifasiale solpaneler.
Det relativt kalde vannet bidrar også til å holde panelene kjølige, noe som forbedrer deres holdbarhet og maksimale avkastning.
Flere andre land, fra Afrika, Karibia, Sør‑America og Sentral‑Asia, kunne dekke mellom 40 % og 70 % av deres årlige strømbehov ved å sette i drift FPV‑er. Selv utviklede land som Finland og Danmark kunne trekke henholdsvis 17 % og 7 % av deres årlige behov fra slike kilder.
Det er imidlertid noen få risikoer knyttet til dette solfarmdesignet.
Den første utfordringen er tilstedeværelsen av salt. Ikke bare kan dette forårsake de vanlige korrosjonsrisikoene på følsomme elektriske systemer og støttestrukturer, men avleiringer av saltkrystaller fra sjøspray kan samle seg på panelene og redusere deres fotoelektriske konverteringseffektivitet. En potensiell løsning kan være å plassere solpanelplattformen høyere over havnivå, som i pilotprosjektet Yellow Sea No. 1 av den kinesiske utvikleren Huaneng Group.
Kilde: Daily Galaxy
En annen potensiell problemstilling er stormer og orkaner, som kan ødelegge flytende solanlegg lenge før de klarer å «betale tilbake» energien som kreves for å bygge dem.
Så generelt, i stedet for at strukturen flyter direkte på vannet som i en ferskvannslake, er havbaserte solanlegg kanskje mer sannsynlig å bli montert på flytende plattformer som ligner på mini‑oljeborer.
Dypvanns geotermisk energi: En fremtidig grense
Kun på et teoretisk stadium, er dette en energiform som på svært lang sikt kan bli viktig for mange land, spesielt de som ligger langs den såkalte «Ring of Fire» rundt Stillehavet.
Kilde: HowStuffWorks
Siden den oseaniske jordskorpen er mye tynnere enn den kontinentale (4 miles tynn i stedet for 10‑43 miles), kan svært høye temperaturer nås med mindre dyp boring.
Kilde: GeologyIn
For å utnytte denne potensielle energien vil det kreve videre fremgang innen geotermisk energi, et tema vi diskuterte i detalj i “Geothermal Power: Green Energy That is Red-Hot”.
Det er sannsynlig at den endelige formen av denne energikilden vil være en kombinasjon av ultra‑dyp havboring (for tiden brukt til oljeproduksjon) og åpen eller lukket kretsløps geotermisk energiproduksjon.
Kilde: BGS
Uran fra sjøvann: En ny kjernefysisk drivstoffkilde
I tillegg til vind, sol, tidevann og bølger, kan havet også være en kilde til lavkarbonenergi på en overraskende måte: ved å være den største uranminen på planeten.
Sjøvann inneholder spor av oppløst uran, og den enorme mengden hav gjør at enhver effektiv prosess for å ekstrahere denne ressursen vil gjøre den til en praktisk ubegrenset forsyning av radioaktivt drivstoff, med opptil 4,5 milliarder tonn, nesten 1000 ganger større enn terrestriske uranreserver.
Vi skrev nylig at et teknisk gjennombrudd som bruker behandlet karbonfiberstoff med nok overflateareal til å fange uranioner, kan muliggjøre uranutvinning gjennom en elektrokjemisk reaksjon.
Kombinert med flytende kjernekraftverk, med en modell allerede drevet av Russland og prototyper eksperimentert av selskaper som Danish Saltfoss, kan dette gjøre havene til fremtiden for kjernekraft.
Kilde: Saltfoss
Algal biofuel: Vekst av energi fra havet
Til slutt, en måte for havet å direkte produsere energi kan være ved å utnytte veksten av mikroalger for å produsere biofuel og andre biomaterialer som plast.
Ved å bruke sjøvann kan algal biofuel løse problemet med vannforsyning til biofuel‑anlegg, med de beste områdene som semi‑ørkenområder med mye sollys, men begrensede ferskvannsressurser.
For å bli kommersielt levedyktig må denne teknologien fortsette å optimalisere algeavkastningen, håndtere risikoen for kontaminering av kulturer, og forbedre effektiviteten i konverteringen til brukbare drivstoff som biodiesel.
Hydrogen, ammoniakk og metanol
Sjøvann kan også være en kilde til råmateriale for hydrogenproduksjon, spesielt gjennom elektrolyse. Generelt kan produksjon av hydrogen fra sjøvann være problematisk, da salt kan skade elektrokatalysatorene. Ideelt sett må sjøvannet først omdannes til ferskvann gjennom avsalting.
Prosessene for energiproduksjon, avsalting og elektrokatalyse kan slås sammen som vi nylig diskuterte om et design som kombinerer solpanel, avsalting via fordampning, og lokal hydrogenproduksjon.
Det produserte hydrogenet kan deretter omdannes til ammoniakk eller metanol for enklere lagring og transport av det grønne drivstoffet.
Produksjon av hydrogen og grønne drivstoff fra sjøvann
Avsalting med solenergi: Grønnere ferskvannsløsninger
I tillegg til å produsere energi direkte fra havet, kan havet også bidra til å erstatte aktiviteter som i dag er massive energiforbrukere, noe som gir lavere utslipp.
Den første er den nevnte avsaltingen, som blir en kritisk kilde til ferskvann for mange land. Forbedrede avsaltningsmetoder som bruker direkte sollys som treffer havet kan redusere energibehovet for ferskvannsproduksjon.
Sjøvannkjølesystemer: Effektiv kystnær klimaanlegg
Dette konseptet ligner Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) ved at det utnytter den mye kjøligere temperaturen i dypvann. Det kan imidlertid være mye mer effektivt siden det ikke krever konvertering til elektrisitet, men simpelthen bruker det kalde vannet som kjølevæske i klimaanlegg.
Kilde: Solar Impulse
Dette systemet kan spare omtrent 42 % av energien sammenlignet med et konvensjonelt klimaanlegg (2,6km av rør til havet for å nå et 930 m dypt område).
Flaggskip‑eksperimentprosjekter inkluderer ENGIE (GZF.DE ) ‑s 20 MW Thassalia og EDFs 21 MW Massileo prosjekter.
Begrensningen for dette systemet er at det krever et forhåndsopprettet, sentralisert klimaanlegg å kobles til. Det krever også at kystområdet har tilstrekkelig bratt havbunn slik at den nødvendige dybden kan nås med et kort nok rør.
Undervanns energilagring: Pumpet vannkraft og gravitasjonsbatterier
Dypvanns pumpet vannkraftlagring
Et annet alternativ for å bruke havet til energi er å bruke det som et batteri.
Den første metoden for å gjøre dette er dypvanns pumpet vannkraftlagring. Det er et lignende system som pumpet vannkraftlagring ved bruk av demninger og fjell, men utnytter havdybden i stedet.
Kilde: Department of Energy
Dette kan løse et stort problem med pumpet vannkraftlagring, nemlig mangelen på tilgjengelige steder av tilstrekkelig størrelse for å skalere opp teknologien. Dette er et uheldig problem, da vannkraftlagring er en bevist og skalerbar teknologi som kan lagre energi i uker eller måneder med liten tap, og har en bemerkelsesverdig lagringseffektivitet på 70‑80 %.
Et pilotprosjekt utforsker dette konseptet: StEnSea, eller «Stored Energy in the Sea».
En serie av hule betongkuler på havbunnen i dybder på 600 til 800 meter, hvor trykket allerede er betydelig.
Kilde: Clean Technica
Når etterspørselen etter elektrisitet er lav, tømmes disse kulene for vann ved hjelp av elektriske pumper, og lagrer overskuddsstrømmen. Når etterspørselen øker, fylles de igjen, med trykket som gir energien.
Kilde: Fraunhofer Institute
Disse systemene kan distribueres sammen med offshore vindparker, slik at de kan dempe den intermittente vindenergiproduksjonen samtidig som de bruker samme kraftkabel for å overføre energien tilbake til land.
Den teknisk‑økonomiske vurderingen viser at StEnSea‑systemet er kostnadskonkurransedyktig med konvensjonell pumpet vannkraftlagring (PHES).
En annen fordel er den modulære oppsettet som oppnås ved å kombinere flere StEnSea‑enheter i et anlegg. Dette øker fleksibiliteten til anlegget og dermed spekteret av mulige anvendelser.
Havgravitasjonsbatterier: Lagring av kraft med dybde
En lignende idé til å bruke havdybden er å bygge offshore gravitasjonsbatterier. Gravitasjonsbatteri er et konsept blant andre som vi diskuterte i “Non-Chemical Alternatives To Batteries For The Energy Transition“: ultra‑tunge objekter som stein, betongblokker eller jernmalmaggregat, løftes opp og ned for å lagre eller generere elektrisitet.
De viktigste komponentene i gravitasjonsbatterier er også ganske enkle og allerede masseprodusert: ankre, metallkabler, generatorer og elektriske motorer. Gravitasjonsbatterier har en energilagringseffektivitet på 80‑85 %, og kan vare i opptil 50 år, uten bruk av sjeldne materialer eller metaller. Kraftproduksjon kan også være svært fleksibel, reaktiv og langvarig.
Begrensningen med «solid energilagring» ved gravitasjon er at energien lagret på bare noen titalls eller hundrevis av meter ikke er så stor. Så du trenger ideelt sett mye av den, og så lenge en gruvegang eller klippe, om mulig.
En flytende plattform kan stå over et område med dyp havbunn, og senke eller løfte en vekt over flere tusen meter. Dette konseptet kalles Deep Ocean Gravitational Energy Storage (DOGES). Et selskap som arbeider med dette konseptet er den franske oppstartsbedriften Sink Float Solutions.
«For øyeblikket kan offshore kraner med den største løftekapasiteten løfte masser på 4000 tonn, som, med en vertikal hastighet på 20 km/t, vil tilsvare en kraft på 200 MW. Flere vinsjer på samme sted kan brukes parallelt.»
En fordel med denne metoden er at delene som er utsatt for sjøvann kan være svært enkle, kun metallkabel og stein/betong, mens de følsomme elektriske og elektroniske komponentene holdes langt over havnivå på den flytende plattformen.
Avsluttende tanker: Å snu tidevannet for ren energi
Havene og havene på jorden er kanskje de største uutnyttede energiresursene som finnes, fra offshore vind til utnyttelse av den dype vanntermiske gradienten, tidevann og bølger. De samme egenskapene til sjøvann kan også brukes til avsalting eller kjøling.
Sollyset som treffer havet kan også brukes til hydrogen- eller biofuelproduksjon, og bidra til å avkarbonisere sektorer som er vanskelige å elektrifisere.
Havene kan også være en nøkkelressurs for fremtidig energiproduksjon, for eksempel gjennom uranrensing fra sjøvann og dyp offshore geotermisk energi.
Til slutt kan de være et kraftig og skalerbart alternativ for energilagring, spesielt med gravitasjonsbatterier og dypvanns pumpet vannkraft.
Imidlertid må alle disse mulighetene tas i betraktning med de svært reelle utfordringene som saltkorrosjon, saltsedimenter, biofouling og voldelige stormer & orkaner skaper.
Paradoxalt nok vil løsninger på disse problemene sannsynligvis ha stor nytte av den langvarige erfaringen fra olje‑&gassindustrien med å bygge offshore‑plattformer og vedlikeholde komplekse og skjøre maskiner til havs.
