Vågkraft ur boj

De senaste tjugo årens forskning inom vågkraft har nästan enbart gällt anläggningarnas mekaniska del. Liten möda har lagts på att utveckla själva generatorn. Tills nu. I stället för att omvandla vågkraftens långsamma, pendlande rörelse till den snabba rotation som konventionella generatorer kräver, har Mats Leijon, professor i elektricitetslära, och Hans Bernhoff, universitetslektor vid Uppsala universitet, en annan idé. De vill helt enkelt göra tvärtom: konstruera en generator som passar för vågkraften.

Med sin bakgrund som prisbelönt nytänkare inom generator- och transformatordesign – bland annat av ABB:s Powerformer – är det naturligt att Mats Leijon har angripit problemet från just det hållet.

– Genom att använda bojar som är direktkopplade till en linjär generator tror vi att det går att få ut elektricitet till konkurrenskraftigt pris ur vågor, säger han.

Bygger för svenskt klimat

Den prototyp som forskargruppen vid Ångströmslaboratoriet utvecklat har en genomsnittlig kraftproduktion av 10 kilowatt och drivs med en boj, 3 meter i diameter. Dimensionerna är framtagna för att passa Östersjön med sin typiska våghöjd på cirka 2 meter. Utanför den norska Atlantkusten skulle tio gånger större vågkraftverk kunna installeras.

– Just nu bygger vi aggregat för svenskt vågklimat, men vår ambition är att tekniken ska gå att förstora.

Forskargruppen har skissat på att använda cirka 400 aggregat formerade i ett sexhörningsmönster, där varje boj har 30 meter till närmsta granne. Det ger fältet en diameter på cirka 600 meter. En sådan anläggning skulle kunna generera ungefär 10 gigawattimmar per år.

Hans Bernhoff och Mats Leijon har gjort beräkningar som visar att man skulle kunna utvinna 8 terawattimmar per år från vågorna i Östersjöns svenska del. Hela Sveriges kustremsa skulle kunna bidra med 10-12 terawatttimmar per år, inkluderat vår del av Nordsjön.

Fastsatt i ett fundament

Idén är ganska enkel och baseras på höjdskillnaden mellan vågtopp och vågdal. En boj som ligger i vattenytan och följer rörelserna är kopplad till en släde som kan röra sig vertikalt utmed en pelare. På släden är permanentmagneter monterade. Utanför släden finns en stator, den stationära delen i generatorn, som innehåller kabellindningar, där magneterna inducerar elektricitet. Den linjära generatorn, som pelaren och statorn utgör, sitter fast i ett fundament som står stadigt på havsbottnen.

Den största skillnaden mellan en linjär och en roterande generator är att det inte finns någon grundfrekvens i den spänning och elektriska ström som erhålls från statorn. Det innebär att det inte går att koppla generatorn direkt till ett elnät, för den kraft som produceras blir rå och osynkroniserad. Men det är enligt Mats Leijon inget stort problem i dag. Lösningen är att installera en lik- och en växelriktare innan sammankopplingen med nätet görs.

– De likriktare och trefasomriktare som krävs innan kraften kan matas ut på nätet orsakar förluster som är acceptabla – mindre än 5 procent. En annan poäng är att denna utrustning kan stå på torra land, vilket kräver mindre underhåll.

Vågor får fritt spelrum

Ett område som man studerat ingående är hur man ska skydda utrusningen mot de enorma krafter som släpps lös vid stormar. Dessa så kallade övereffekter har satt stopp för många vågkraftsprojekt – anläggningarna går helt enkelt sönder.

– Vi har valt en lösning som innebär att vi låter vågorna gå över bojarna vid hårt väder. Med hjälp av fjädrar bromsas accelerationen till bottenfundamentet. Vågorna får alltså fritt spelrum i höjd, och vi kan skydda bojarna mot havsytans övereffekter.

Fjädern fyller också en annan och kanske ännu viktigare funktion. När bojen åker upp, laddas fjädern med energi som sedan utnyttjas i generatorn när bojen hamnar i en vågdal och dras ner.

Orsaken till att man har valt att skapa en ny generator och använda den förhållandevis enkla guppande bojen är att man velat utgå från väl beprövade fysikaliska lagar.

– Med bojen valde vi att ha en så enkel lösning som möjligt. Det finns mängder med andra lösningar. Alla extra delar kostar i investering, utveckling och underhåll.

Enligt Mats Leijon har det viktigaste i projektet varit att så snabbt som möjligt få ut elenergi, i stället för att gå via en massa mekanik med turbiner eller rör.

– Vi har varit verksamma i industrin och ser därför arbetet i ett ekonomiskt perspektiv. Vi försöker så snabbt som möjligt identifiera alla hinder, och vi letar efter okomplicerade lösningar.

Svårigheterna rör inte så mycket själva energiomvandlingen, utan handlar mer om hur inkapslingen ska fungera, exempelvis skydd mot korrosion och biologisk aktivitet som alger och sjögräs.

– Och vad händer om en säl lägger sig på bojen, eller om den biologiska påväxten väger mer än hundra kilo? Sådana frågor vill vi ha svar på i så tidigt skede som möjligt, säger Mats Leijon.

Därför ingår evolutionsbiologen Jan Sundberg i projektet.

– Vi försöker kartlägga alla ekologiska risker – och även möjligheter, för sådana finns. Vem vet, kanske går det utmärkt att odla musslor på anläggningarna. Det viktigaste är dock att tänka efter före, säger Jan Sundberg.

Jämfört med många andra typer kan vågkraftverket ha ekologiska fördelar, eftersom det bara är en boj som sticker upp ovanför vattenytan. Själva generatorn kommer att stå på sådant djup att miljökonsekvenserna förväntas bli få. Bojarna kommer att utformas så att fåglar och fiskar ska påverkas minimalt.

Forskargruppen räknar med att ha en testanläggning i gång utanför Lysekil om ungefär ett år.

– Vi vill snabbt kunna verifiera våra beräkningar och tester i verklig miljö och dessutom se vad som händer när det gäller miljöpåverkan.

Vid Energimyndigheten är man positiv till forskningsprojektet.

– Här i Sverige har det knappt funnits någon forskning alls om vågkraft. I stort sett lades all sådan forskning ner efter 1970-talet. Orsaken är bland annat att vi inte har så stora vågor längs våra kuster. Statens energimyndighet har dock valt att finansiera Mats Leijons projekt, eftersom han angriper problemet på ett nytt sätt, säger Anneli Jakobsson vid Statens energimyndighet.