Sjávarfallaorka

Sjávarfallaorka er endurnýjanleg og umhverfisvæn orka sem fæst með því að umbreyta hreyfiorku sjávarfallastrauma í rafmagn eða annan nothæfan orkumiðil.

Nýting sjávarfalla á sér langa sögu í Evrópu, eða allt frá miðöldum. Víða í Frakklandi og á Englandi voru litlar sjávarfallamyllur notaðar við að þreskja korn. Þrátt fyrir það þá er nýting sjávarfalla til raforkuframleiðslu ekki algeng og eru einungis nokkrar dæmi um slíkt í heiminum í dag. Það gæti þó breyst á komandi árum þar sem mörg tilraunarverkefni eru í gangi víðsvegar um heiminn og mikil þróun á búnaði til nýtingar sjávarfallaorku hefur átt sér stað undanfarið.

Sjávarfallaorka hefur þann kost fram yfir bæði vind- og sólarorku að vera mun fyrirsjáanlegri orkuuppspretta. Það er vel þekkt að sveiflur eru í straumhraða sjávar eftir flóði og fjöru, þar sem straumurinn dettur niður á rúmlega 6 tíma fresti . Þó þessar sveiflur séu bæði vel þekktar og fyrirsjáanlegar þá verður það að teljast ókostur með tilliti til raforkuframleiðslu að straumurinn skuli detta reglulega niður, þar sem samsvarandi sveiflur yrðu í afli raforkuvirkjunar.

Hegðun sjávarfalla

Sjávarföll eru sjávarbylgja sem stafar af aðdráttarafli tunglsins, og að litlu leyti sólarinnar á jörðina. Það er vel þekkt að flóð og fjara eru tvisvar á sólarhring en það er vegna þess að sveifla sjávarfallabylgjunnar er rúmlega 12,4 tímar. Sjávarfallabylgjan ferðast frá austri til vesturs og þegar fyrirstaða myndast á úthöfunum, eins og Ísland er, fer bylgjan umhverfis fyrirstöðuna og magnast vestan megin við hana. Af þeirri ástæðu er munur á flóði og fjöru mestur á vestanverðu landinu en mjög lítill á landinu austanverðu.

Virkjun sjávarfalla

La Rance stífluvirkjunin í Frakklandi

Hægt er að virkja sjávarföll með tvennum hætti:

1. Stífla sund og firði og virkja hæðarmun sjávarfalla
2. Virkja hreyfiorku streymisins án þess að hindra streymið

Fyrri kosturinn hefur verið reyndur á nokkrum stöðum í heiminum og er þekktasta virkjunin La Rance stífluvirkjunin í Frakkalandi. Hún er jafnframt fyrsta stífluvirkjunin í heiminum, tekin í notkun 1966, og hún er einnig sú stærsta, með 240 MW uppsett afl. Túrbínum er komið fyrir í stíflunni sem sjá um að framleiða rafmagn þegar vatni streymir þar í gegn. Þótt rafmagnsframleiðsla með þessari aðferð sé endurnýjanleg þá mun slík stífluvirkjun seint teljast umhverfisvænn kostur. Það stafar einna helst af því að slíkar virkjanir krefjast stórra stíflumannvirkja sem ná þvert yfir sund eða fjörð.

Seinni kosturinn, að virkja hreyfiorkuna án stíflu er tæknin sem flestir horfa til í dag og flest þróunarverkefni byggja á. Töluvert minni umhverfisáhrif hljótast af slíkum streymisvirkjunum þar sem þær þarfnast hvorki stíflna né lóna.

Útreikningur á afli straumvirkjana

Afl í rennsli vatns gegnum þverskurðarflatarmálið A er:

$E\,=\,{\tfrac {1}{2}}\,A\,\rho \,g\,V^{3}$

þar sem:

• V straumhraði vatns [m/sek],
• A þverskurðarflatarmál [m²],
• ρ eðlismassi vatns [kg/m³] = 1025 kg á rúmmetra (sjór er á bilinu 1021 og 1030 kg á rúmmetra)

Straumvirkjanir nýta aðeins hluta af því afli vatnsins sem streymir í gegnum þær. Nýtni straumvirkjana er skilgreint sem það afl sem fæst út úr virkjuninni sem hlutfall af aflinu sem er í vatnsstraumnum. Oftast er nýtnin á bilinu 20 – 25 % og er mest talað um 40% nýtni, en nýtnin breytist með straumhraða þannig að meðalnýtnin er lægri. Þetta er frekar lág nýtni í samanburði við fallvatnsvirkjanir sem hafa 100% fræðilega nýtni. Einhver töp verða þó við framleiðslu rafmagns úr snúningsaflinu,og er algengt að raunveruleg nýtni fallvatnsvirkjana sé á bilinu 85 – 95%.

Skrúfuhverflar

Skrúfuhverflavirkjanir líkjast mjög hefðbundnum vindmillum með mjó og löng skrúfublöð sem gefa hámarks snúningsvægi við ákveðinn straumhraða. Þar sem eðlismassi vatns og sjós er töluvert hærri en lofts og straumhraði vatnsins oftast hægari en vindurinn, tekur hönnun mið af því og skrúfublöðin því styttri og hlutfallslega breiðari en hjá vindmillum. Þessar virkjanir þykja henta vel til nýtingar á sjávarföllum þar sem dýpi er nægjanlegt.

Gegnumstreymishverflar

Gegnumstreymishverflar eru ólíkir skrúfuhverflum að því leyti að snúningsás hverfilsins er hornrétt á straumstefnuna, en ekki samsíða eins og í tilfelli skrúfuhverfla. Vatnið streymir í gegnum þá og tvö eða þrjú vængjalöguð blöð með straumlínulöguðu þversniði sem liggja í sömu stefnu og snúningsásinn og í ákveðinni fjarlægð frá ásnum. Engu máli skiptir í hvaða átt straumurinn stefnir svo framalega sem hann er hornréttur á snúningsásinn þar sem hverfillinn snýst þegar vatn streymir í gegnum hann. Þessi eiginleiki er hentugur þegar virkja þarf sjávarstrauma sem breyta reglulega um stefnu.

Darrieus/Davis hverflar

Ein þekktasta tegund gegnumstreymishverfla er kennd við franska uppfinningamanninn Georges Darrieus sem fann upp vindmyllu með þessa eiginleika árið 1927. Nú hefur kanadíska fyrirtækið Blue Energy þróað gegnumstreymishverfil fyrir vatn sem það kallar Davis hverfil, eftir aðilanum sem þróaði hana út frá uppfinningu Darrieus. Hverflar Blue Energy hafa nýtni upp á 20 –25% og byggist hugmyndin á að þvera straumvatn með lóðréttum hverflum sem geta náð niður á allt að 70 m dýpi.

Gorlov hverflar

Rússneskur verkfræðingur og fyrrum prófessor að nafni Alexander M. Gorlov hefur endurbætt Darrieus gegnumstreymishverfla þannig að nýtni þeirra hefur aukist úr 23% upp í 35%. Hönnunin byggist á því að snúið er upp á blöð hverfilsins þannig að hverfillinn verður gormlaga eða skrúfulínulaga í stefnu snúningsássins. Þetta gerir það að verkum að hverfillinn titrar minna, er hljóðlátari og þolir meira álag heldur en Darrieus hverfillinn. Gorlov fékk einkaleyfi á uppfinningunni árið 2001 og sama ár veitti Ameríska vélaverkfræðingafélagið (American Society of Mechanical Engineers) honum hin virtu Thomas A Edison einkaleyfaverðlaun fyrir uppfinninguna. Það sem gerir Gorlov hverfla áhugaverða er hin háa nýtni miðað við aðrar þekktar lausnir og hversu einföld hönnunin er. Hver hverfill er lítill í samanburði við aðrar lausnir og því ætti að vera auðveldara að koma þeim fyrir í íslenskum straumvötnum og nýta sjávarfallastrauma.

Virkjunarkostir á Íslandi

Engar sjávarfallavirkjanir eru sem stendur á Íslandi. Hér á landi eru þó nokkur svæði sem gætu hentað til slíkra framkvæmda. Einna helst væru það svæði á vestanverðu landinu sem kæmu til greina, þar sem munur á flóði og fjöru er hvað mestur. Í Breiðafirði getur munurinn á flóði og fjöru orðið rúmlega 5 metrar en munurinn er hvergi meiri en það hér á landi. Þar magnast einnig straumhraðinn upp þar sem sjávarfallabylgjan þarf að þröngva sér milli eyja og sverja inn í Hvammsfjörðinn. Óvíst er hversu hagkvæm sjávarfallavirkjun í Breiðafirði væri, en hagkvæmni slíkrar virkjunar fer fyrst og fremst eftir straumhraða og rennsli í gegnum virkjunina sem og nýtni hennar.

Tengt efni

• Sjávarfallavirkjun