Lör 21 maj / År 40 / Nr 1 2022

Intermittenta energikällor ställer nya krav på tekniken för vattenkraft

Att utvinna energi ur rinnande vatten är knappast något nytt. Idén kläcktes redan under antiken då grekerna tillämpade vattenhjul för att dra runt kvarnstenar. I moderna vattenkraftverk omvandlas vattnets energi via mekaniskt arbete till elektrisk energi och vattenkraft är den förnyelsebara energikälla som hittills fått störst genomslag. Inom en snar framtid behövs det dock genomföras en stor övergripande modernisering av svenska vattenkraftsanläggningar eftersom de nya, intermittenta energikällornas bidrag ställer helt nya krav på en teknik som installerats för upp till 50 år sedan.

Vattenkraften står idag för ungefär hälften av Sveriges elproduktion. Vattenkraften är oöverträffad när det gäller reglerbarhet och spelar därför en viktig roll som effektreserv. När förnybara intermittenta källor som vind- och vågkraft ökar blir vattenkraftens uppbackande roll än mer påtaglig, men befintliga anläggningar måste bli mer effektiva.

Förbättringspotentialen ligger i generator- och turbinområdet
För ca tio år sedan påbörjade Uppsala universitet tillsammans med Luleå tekniska universitet ett projekt för att kartlägga effektiviseringspotentialen hos den svenska vattenkraften. Undersökningen visade att det finns en möjlighet att höja energiproduktionen och att den stora förbättringspotentialen främst ligger i generator- och turbinområdet. Därför är forskningen som idag bedrivs på Uppsala universitetet och Centrum för förnybar elenergiomvandling (CFE) vid Ångströmslaboratoriet mycket inriktad på utveckling av själva generatorn.
– En stor utmaning för framtidens effektiviseringsarbete ligger i att majoriteten av Sveriges vattenkraftsgeneratorer har mellan 30 till 50 år på nacken. De har inte konstruerats för den intermittenta drift som präglar den nya elmarknaden där sol, vind och vågkraft utgör viktiga inslag. Det finns därför ett stort kunskapsbehov när det gäller de gamla vattenkraftsgeneratorerna som fortfarande är i drift och producerar betydande mängder energi, konstaterar forskare Urban Lundin, som medverkar i samarbetsprojektet mellan universiteten i Uppsala respektive Luleå.
Det har hänt mycket de senaste tio åren och dagens vattenkraftsatsning vid avdelningen är numera till största delen finansierad av Svenskt Vattenkraftcentrum (SVC) och det konkreta forskningsarbetet utförs i samarbete med aktörer inom vattenkraftbranschen i Sverige.

Fokus på mer resurssnåla vindkraftverk
Vindkraft är efter vattenkraft Sveriges största förnybara energikälla, och anses också vara den som i nuläget har störst utbyggnadspotential. Trots framåtsträvande forskning och decennier av material- och konstruktionsutveckling så är det fortfarande relativt kostsamt att utveckla och uppföra vindkraftverk.
– Utvecklingstrenden går mot större och lättare vindkraftverk med allt högre verkningsgrad, kommenterar forskare Hans Bernhoff vid CFE.
Eftersom vindkraft är beroende av att det blåser bra finns de absolut bästa etableringslägena ute till havs – utmaningen ligger då i att man måste ansluta det havsbaserade vindkraftverket till elnätet och hittills finns ingen klar inblick i vem som ska äga denna kabel. Vindkraftsexploatörer är ense som att statligt ägda kablar är att föredra eftersom det underlättar etableringen markant rent ekonomiskt.
Vindkraftsforskningen vid CFE fokuserar framförallt på en utveckling av mer effektiva och resurssnåla vindkraftverk. Arbetet inriktas särskilt mot vertikalaxlade vindkraftverk med direktdrivna permanentmagnetiserade generatorer. Inom området bedrivs tre parallella projekt för att beräkningsmässigt undersöka positiva egenskaper hos dessa generatorer, studera hela system för att hitta förbättringsområden, samt utveckla program för att kunna studera aerodynamiska egenskaper hos turbiner i vertikalaxlade vindkraftverk.
Inom forskningsområdet utförs dessutom experimentell forskning där de teoretiska resultaten tillämpas och verifieras i praktiken. År 2005 togs ett första steg genom konstruerandet av ett vertikalaxlat vindkraftverk på 2 kW, året därpå togs ytterligare ett fram på 12 kW. Resultaten är mycket goda – men det krävs fortfarande en hel del forskning för att vindkraftstekniken ska kunna exploateras i full skala.