Óhemju orka sem mætti beisla
Vaxandi áhugi er á nýtingu sjávarorku um allan heim. Jón Kristinsson hefur ásamt teymi sínu þróað hugmyndir m.a. að beislun úthafsöldu og segir Íslendingum að huga að tækifærum í þessa veru.
Jón Kristinsson, umhverfisarkitekt og frumkvöðull á sviði sjálfbærrar byggingalistar, hvetur Íslendinga til að fylgjast vel með og taka þátt í rannsóknum og framþróun á sjávarorkuvirkjunum, t.d. í gegnum Evrópusambandið. „Það kemur að því að þetta fer á flug og um allan heim er verið að skoða möguleikana. Íslensku háskólarnir ættu að fá góða doktorsnema í að skoða þetta,“ segir Jón.
„Alltaf þarf að hugsa þessi mál alveg frá núlli – ekki hvernig þetta hefur verið gert áður. Horfa ber á samtímann gegnum framtíðina, losa sig frá fortíðinni og hugsa inn í framtíðina,“ segir hann.
Jón, sem stundum hefur verið kallaður faðir sjálfbærrar byggingarlistar, hefur jafnframt hugleitt sjávarorkuna og komið, ásamt starfshóp, fram með lausnir að slíkum mannvirkjum sem gefnar hafa verið út á bók.
Undir sjávarorku falla virkjun sjávarfallastrauma, ölduhreyfinga, seltu og varmamismunar til umbreytingar í raforku. Ölduorka er orka haföldunnar, en lóðrétt hreyfing úthafsbylgna inniheldur mikla hreyfiorku. Margar aðferðir eru hugsanlegar til virkjunar ölduorku og margar eru í þróun.
Óþrjótandi orkulind
Jón hefur sérstakan áhuga á að nýta orku úr ölduhreyfingum sjávar; þá einkum á úthafsölduvirkjunum. Hann telur að fljótandi úthafsölduorkuver eigi eftir að gegna þýðingarmiklu hlutverki í orkubúskap framtíðarinnar og sér m.a. fyrir sér framtíðarframleiðslu á sjávarvetni.
„Þegar ég fór sem unglingur til sjós, heillaðist ég enn frekar af náttúruöflunum og áhrifum úthafsöldunnar,“ segir Jón og heldur áfram: „Ég hef hin síðari ár mikið verið að skoða nýtingu úthafsöldu til vetnisframleiðslu.
Margra ára starf mitt, og okkar félaga, snýr að sjávarfallaorku, ölduorku með lágtæknidælum og svo, síðast en ekki síst, hátækniúthafsöldurafstöð. Ég hef stúderað nýtingu sjávarfalla, yfirborðsöldu og úthafsöldu og hvers vegna þessi óhemju mikla orka er ekki nema að mjög litlu leyti hagnýtt,“ segir hann.
Að beisla sjávarorku sé bæði margþætt og flókið og næstum allar tilraunir í gerð sjávarorkuvirkjana í heiminum hafi mistekist til þessa. Leitin að gjörsamlega nýrri hugmynd að umhverfisvænni lausn fyrir sjávarorku sé mikilvæg. „Mesta sjávarorka er við vesturströnd allra meginlanda og það er t.d. óhemju mikil orka kringum Ísland sem er hægt að virkja. Ég trúi því staðfastlega að beisla megi úthafsöldu jafn vel og vindorku í þriðja veldi vindhraðans,“ bætir hann við.
Orkusjálfbært Holland
Jón fór að velta sjávarorkunni fyrir sér þegar hann fékk um 1980 bók varðandi kjarnorku og bréf frá Claus, prins af Hollandi, en sá hafði vígt byggingu sem Jón var hönnuður að og var mjög hrifinn af sjálfbærniþáttum hennar, ýmsum orkunýtingareiginleikum, þ.m.t. lághitakerfi með varmapumpu. Claus, sem Jón segir hafa verið ágætan mann og hugsuð, innti í bréfinu eftir hverjir gætu verið möguleikar Hollands í sjálfbærri orku. Jón áttaði sig á því að einfaldur hlutur eins og varmapumpa hafði aldrei verið notuð í Hollandi. Þar kviknaði hugmyndin og Jón sendi sína lausn nokkrum mánuðum síðar til prinsins sem þá var orðinn langvarandi veikur og gat ekki komið málinu á framfæri þó að hann hefði viljað.
Jón taldi framkvæmanlega lausn felast í að nota allt að fjóra tíundu hluta af Norðursjó. Moka upp með sanddæluskipum stórar og djúpar holar hringeyjur (atollen) með ca fimm þúsund hæghraða vindmyllum á bökkunum, sem í vindi (ca 35% af tímanum) pumpuðu upp vatni. Breytileg fallhæð sjávarvatns niður í holeyjarnar væri nýtt með venjulegri vatnsrafstöð á hverri eyju til orkuframleiðslu eftir þörf.
„Þessi hugmynd gengur alveg enn þá, nema bara að Norðursjórinn er nú orðið nýttur að fullu,“ útskýrir Jón. „Þegar við vorum að skoða þetta fyrir 45 árum var enginn að nota Norðursjó nema farmenn og fiskimenn. Nýjar orkueyjar geta búið til og geymt fallorku: sjórinn er notaður sem stöðuvatn, vatninu með vindmyllum pumpað upp og út úr þessum hringeyjum og þá færðu 50-200 metra fallhæð niður úr núverandi botni Norðursjávar sem er ekki nema 50 metra djúpur. Ég sá fyrir mér að „hægt væri að grafa upp sand og leir í Norðursjónum og búa þannig til á einfaldan hátt, í allri veðráttu, eyjar og lág neðansjávardíki. Ef kæmu stórstraumsflóð með norðanstormi í Norðursjó væru eyjarnar fylltar af sjó og þannig lækkuð öldu- og sjávarhæð við ströndina. Hugmyndin byggðist því á að nota þetta bæði til orkuöflunar og til flóðvarna, sem hvort tveggja eru mikilvægir þættir fyrir Holland. Þarna var ég ekki enn farinn að hugsa um eiginlegar sjávarvirkjanir,“ segir hann. Þetta hafi verið fyrsta hugmyndin í þá átt að gera Holland sjálfbært: 8.500 MW rafmagn árið 1979.
Tillagan þótti hins vegar framandleg á þeim tíma, þegar Norðursjór var krökkur af fiskibátum en sé nú fullur af einstefnu skipaleiðum, rafvindmyllum, olíuborpöllum og jarðgasvinnslupöllum, auk annarra mannvirkja. Eina ferðina enn var Jón langt á undan eigin samtíð með hugmyndir sínar.
Úthafsaldan fremur en sjávarföll
Jón bendir á að hver höfn og bryggja gæti í sjálfu sér verið orkugjafi. Afla megi orku úr flóði og fjöru með einföldum hætti og þannig gætu alls kyns hafnir verið með eigin raforkuframleiðslu. „Ef þú hugsar málið dálítið sniðuglega þá geta allar hafnir hlaðið upp báta og svoleiðis smátækni er á leiðinni, það er ekkert vandamál,“ segir hann.
„Ég reyndi líka að nota flóð og fjörustraum, með stórum hjólum, en það er bara ekki teljandi orka í flóði og fjöru. Hún er eiginlega svo lítil að það borgar sig ekki að nota hana, nema þá mjög staðbundið,“ segir Jón og telur sjávarfallavirkjanir ekki marka stóru línurnar í orkuöflun framtíðar. „Ef þú getur togað í bát í straumi þá situr svo lítil orka í því að það er lítils vert. Menn eiga að vera í úthafsöldunni! Þar ertu á nokkurra sekúndna fresti með ölduhæð sem er alltaf 2 metrar að sumri og 4 metrar að vetri og hægt að hafa ölduna eins breiða og þú vilt: þar ertu með óhemju orku.“
Hann segir að brotsjóir í úthafsöldunni séu auðvitað erfiðir. Alltaf þurfi að taka með í reikninginn hvernig hægt sé að taka brotsjóinn án þess að hann valdi tjóni. Síðan verði að hafa í forgrunni að allt sem getur bilað muni gera það. „Á allt sem er í sjó færðu tæringu og það bilar. Ef á að hanna úthafsrafstöð þarf að hugsa málið algjörlega út frá því hvað getur skemmst og hvernig þú getir hreinsað burt gróður, hrúðurkarla og annað sem óhjákvæmilega festist utan á allt sem er í sjó,“ segir hann enn fremur.
Vindmyllur allsráðandi
Jón er nú einkum með tvær langt þróaðar lausnir að sjávarorkuvirkjunum sem hann hefur, ásamt teymi sínu, unnið að lengi. Fyrir um þremur árum strandaði vinna að þeim þó á fjárskorti. Ekki hefur enn tekist að afla fjár til að endurskoða útreikninga né í rannsóknir og þoltilraunir á sjó. Meðan tekst ekki að fjármagna þetta segir Jón vinnuna líkasta því að læra að synda á þurru landi. Hann hafi jafnframt gefist upp á að viðhalda alþjóðlegu einkaleyfi á hugmyndunum.
„Orðið sjávarorka kemur ekki fyrir á lista hjá hollenskum yfirvöldum,“ segir Jón. „Sjávarorka á heldur ekki upp á pallborðið hjá vindmyllu- einokunarfyrirtækjunum sem hindra alla þróun í Hollandi. Þar má helst ekki tala um sjávarvirkjanir. Sumum finnst þó að vindmylluuppbyggingin í Hollandi sé komin út í öfgar. Vindmyllur nota sjaldgæfa málma, endast í 8-9 ár, eru lýti og háværar þó að þær snúist aðeins 30% af tímanum og þær sem eru í sjó kannski 40%.
Vindmyllur eru búnar að vera 20 ár í þróun, stækka stöðugt en endast ekki og bæði erfitt og dýrt að koma rafmagni í land. Ef þú flýgur yfir Norðursjó sérðu hversu margar vindmyllur eru ekki í gangi og það er aldrei sagt frá því. Upplýsingar til almennings eru mjög skekktar. Orkusparnaður er mikilvægari en þessi ríkisstyrkta orkuvinnsla,“ útskýrir Jón með þunga.
Annar galli á allri vind- og sjávarorku, nema þá helst á úthafsölduorku, sé að 60–70% tímans þurfi aðra orku/jarðefnaeldsneyti til að fylla upp í hlé í orkuframleiðslunni.
Vetniseyjar á sjó
Aðspurður um lausnir á að koma orku í land frá orkuverum á sjó og undan ströndum svarar Jón að sennilega sé best að búa til vetni á staðnum úr orkunni. „En vetni endist ekki mjög lengi, það eyðist, svo þá þarf dráttarbát til að sækja það. Tankskip myndu leggja hlémegin upp að slíkum vetnisrafstöðvum.“
Nú eru fyrirtæki um allan heim að velta fyrir sér sjávarorku. „Næstum allt mistekst,“ segir Jón. Halda verði áfram að þróa og rannsaka af fullum krafti. „Úthafsaldan er svo mikil við suður- og vesturhluta Íslands að það kemur að því að þegar einhver dettur niður á lausn um endingarbetri/ viðhaldsminni tækni þá er prinsippið að búa til fljótandi orkuver góð hugmynd sem stenst. Því einfaldara sem þetta er, því betra. Allt sem þarf að viðhalda verður þó að vera hægt að gera við á staðnum,“ segir Jón að lokum og leggur nú hugmyndir sínar að sjávarorkuvirkjunum í hendur framtíðarinnar til frekari úrvinnslu.
Ölduorkuvirkjun með lágtæknidælum
Orkuverið umbreytir hreyfiorku alda í raforku og getur afkastað sömu orku og 30 vindmyllur. Tvö afskrifuð stórskip bera burðargrind (e. spaceframe) þessarar lágtæknisjávarorkustöðvar. Hreyfing haföldunnar er látin dæla sjó lóðrétt 50 m upp á við og svo um leið er fallkraftur vatnsins notaður til að snúa rafölum í venjulegri rafstöð. Með hlutfallslega ódýrri lágtæknilausn má nota styrkta, og með 0,6 m steinsteypu, þyngda 45 feta flutningagáma sem langa röð flotholta í yfirborðsöldu og sem með olnbogafestingu má tengja beint við stórar vængjadælur. Þessar mest notuðu handdælur heimsins, að vísu sendiferðabíls-stórar og betrumbættar án hjara, pumpa vatni 50 m eða hærra upp í tank sem er smá stöðuvatn fyrir venjulega rafstöð. Þessi viðkvæma tæknilausn með hjörum sem slitna í notkun hæfir ekki fyrir úthafsöldu heldur á að nota í skjóli á innhafi eins og t.d. í Norðursjó, Eystrasalti eða grunnum Breiðafirðinum. Að setja þessi litlu ölduorkuver á afskrifaða olíuborturna kæmi líka til greina ef ekki er of mikil brotsjóshætta. Helsti tæknibúnaður orkuversins er yfir sjávarmáli, sem auðveldar viðhald. Rafmagnið væri flutt til lands annaðhvort með rafhlöðum, kapli eða sem vetni. Orkuverið er að auki samsett svo hægt er að taka það í sundur og flytja á hafnarsvæði til viðhalds. Jón segir að síðustu niðurstöður áður en hann lagði árar í bát hafi verið eftirfarandi: „Minnsta stærð þessara öldustöðva var 50 MW. Endurnotkun byggingarefnis er nauðsynleg svo að framleiðslukostnaður sé samkeppnishæfur. Rafmagn má kosta € 0,05/kWh (7,5 kr./kWh). Það er ekki sjálfbærni sem ræður ríkjum heldur fjárræði,“ segir hann.
/De ontwikkeling van een Golf en Deining Centrale, 2013-2021/Jón Kristinsson
Hátækni-úthafsöldurafstöð
Fljótandi raforkustöð, mynduð úr eyjum, sem nýtir hreyfingar úthafsöldunnar. Sjávarorka er mest 50-60 kW/m við vesturströnd Íslands og Evrópu en hér gildir að hafa öflugan útbúnað sem stenst meðal annars brotsjó með 20 metra ölduhæð. Allt saman er þetta flókið mál en mikilvægt að vita að orkuinnihald vinds miðað við öldu er 1:800. Úthafsrafstöð (Spaceframe, SwellPowerStation) er fljótandi burðargrind sem eyja, 100x100x20m, gerð úr 0,7 m húðuðum stálpípum, óhreyfanlega fest við sjávarbotninn með stálvírum. Stögin geta verið svo löng sem þarf en þrjú á hverju horni, á einni eyju eru 12 stög. Hæfilegt sjávardýpi væri um 30-50 metrar. Stálpípurnar mynda fljótandi eyjar sem festar eru við hafsbotn með keðjum eða stálköplum og mynda grunninn að orkustöð. Þær eru skrúfaðar saman í virki, og ef þær væru ekki í sjó myndu þær bogna saman. Sjórinn og flotið valda því hins vegar að þær haldast heilar, fljóta og geta verið mjög léttar í sjónum. Ekki þarf nema hlutfallslega lítið efni til að standa undir vindmyllum á eyjunum. Þannig er hægt að búa til floteyjar sem vega um 3.000 tonn, festar við botninn þannig að þær hreyfast ekki. Ef burðarvirkið þyngist of mikið við að fá á sig gróður o.þ.h. eru settir út loftpokar. Rafstöðin sjálf flýtur á 50-200 metra langri úthafsöldu að vetrarlagi og er 3-5 metrar að hæð. Með hátækni-vökvakerfi (hydraulic) eru fyrst um sinn á teikningu notaðir sömu 7 MW-rafalar og í stærstu vindmyllum. Fyrir beislun yfirborðsöldu eru notaðar 10x15x3 metra hangandi 5-10 MW pendúlur (e. heave-surge), hjarir ofansjávar með snúningsfjöður (e. torsion-spring). Hver pendúla er 450 m3/stk. og skilar sömu afköstum og vindmylla, 100 metrar í þvermál en 7.800m2 að yfirborði. Nýting úthafsöldu á fastri burðargrindareyju er tvöföld: Rafstöðin er með olnboga-festingu tengd við burðargrindina, hefur sama vökvakerfi en hreyfist upp og niður. Úthafsaldan er 50-200 m á lengd og miklu lengri en yfirborðsalda. Hún er alltaf að verki, allar árstíðir, en mest á vetrum. Vinnsla vetnis sem geymd er í mólekúlum fer fram á tankskipi við bryggju, hlémegin orkueyjarinnar. Á slíkum orkueyjum geta staðið vindmyllur og þær, yfirborðsalda og hin langa úthafsalda þá nýttar saman til orkuframleiðslu. Yfirborðsaldan gefur aðeins meiri orku en vindmyllan en er, líkt og hún, mjög hvikul, meðan úthafsaldan er alltaf að. Þannig væru þrennir kraftar að verki í sömu stöðinni og orkuframleiðsla nokkuð stöðug. Jón segir Íslendinga geta haft þetta alveg uppi í fjöru, úthafsaldan gangi það langt inn. Hann bendir einnig á að yfirborðsaldan hræri í sjónum sem verði væntanlega til þess að talsvert af fiski verði í eyjunum og þannig væri líka hægt að búa til fiskihafnir úr þeim.
/De ontwikkeling van een Golf en Deining Centrale, 2013-2021/Jón Kristinsson
Lausn fyrir Landeyjahöfn
Jón Kristinsson hefur komið á framfæri hugmyndum að endurbættri útfærslu Landeyjahafnar. Með bréfum og teikningum hefur hann lýst hvernig hreinsa mætti burt sandinn sem safnast einkum við mynni hafnarinnar og veldur því að stöðugt þarf að nota þar sanddæluskip og ferðir Herjólfs raskast m.a. vegna þess. Jón var á ferð um Landeyjahöfn fyrir nokkrum misserum og fór þá að hugsa hvernig leysa mætti þennan vanda. Ásamt Jónasi Elíassyni prófessor, sem nú er látinn, hannaði hann hugmynd að því hvernig gera mætti, tengt innsta hluta Landeyjahafnar, stórt lón við neðanvert Markarfljót til þess að fylla af sjó og á fjöru væru opnaðar flóðgáttir sem myndi valda því að sandurinn hreinsaðist úr höfninni. Þetta mætti gera við hver sjávarföll eftir atvikum, eða þegar hentaði. Straumhraðinn til þess að hreinsa burt sand og möl þarf að vera að minnsta kosti 1m/sek. Ef slíkar flóðgáttir væru opnaðar á fjöru mætti búast við miklu meiri hraða. „Ég er á því að þessi lausn sé í fullu gildi. Þetta byggir á sama kerfi og eyjarnar fyrir norðan Holland, það heiti Terschelling, þar er stórt lón sem fyllist tvisvar sinnum á dag og er notað til þess að hreinsa höfnina. Þessi aðferðafræði er því þekkt og vel framkvæmanleg,“ segir Jón. Búa megi til fallegt og lífauðugt útivistarsvæði í leiðinni.
Vegagerðin hefur, í samvinnu við Ístak, hafið breytingar yst á brimvarnargörðum Landeyjahafnar til að unnt sé að dæla af landi upp sandi úr höfninni. Þetta á að minnka vandkvæði hafnarinnar töluvert og komast í gagnið á næstu misserum.
