Energiteknik

Vindkraft är energikällan som ständigt är under utveckling och i sökandet efter allt mer effektiva kraftverk blir alla parametrar av betydelse när man ska välja turbiner. I en av Vattenfalls största investeringar någonsin inom förnybar energi har man valt 8 MW-turbiner från Siemens Gamesa till de tre nya vindkraftparkerna Kriegers Flak i Östersjön och Vesterhav Syd och Nord i Nordsjön.

De nya vindkraftverken som installerats i danska farvatten har en rotordiameter på hela 167 meter. Från deras positioner kommer rotorbladen att ”rita” cirklar i luften som är 18 procent större än vad leverantörens tidigare kraftverk klarar av – en ökning som motsvarar nästan en halv fotbollsplan i yta. Om du vill veta mer om vindkraftparken Kriegers Flak - läs vår artikel Vattenfall, Novo Nordisk och Novozymes i långsiktigt avtal.

Mellan 2020 och 2022 kommer totalt 113 nya vindkraftverk att börja snurra i parkerna, och tillsammans med vindkraftparken Horns Rev 3, som Vattenfall bygger i Nordsjön, kommer de tre parkerna att leverera nästan 1 400 MW ny förnybar kapacitet. Energiproduktionen motsvarar elektricitet som räcker för att försörja nästan 1,5 miljoner hushåll.

Totalt investerar Vattenfall mer än 20 miljarder danska kronor för att skynda på utvecklingen av hållbar energi i landet fram till år 2022. Enligt branschorganisationen Dansk Energi kommer vindkraftverk om några år att täcka motsvarande 60 procent av Danmarks elanvändning. Det är en kraftig ökning jämfört med det första halvåret 2017 då siffran var 45 procent.

Så fungerar vindkraft

Vindturbiner omvandlar vind till el. De placeras oftast i grupper, så kallade vindkraftparker, på land eller till havs. Vinden driver turbinens blad och nav, som utgör rotorn. Turbinens axel är kopplad till en generator som sitter i tornets övre del. Mellan rotorn och generatorn finns vanligtvis en växellåda som växlar upp rotorns lägre hastighet till en högre hastighet som passar generatorn.

Ett automatiskt system håller turbinen riktad mot vinden. På så sätt kan vinden utnyttjas på bästa sätt, oavsett varifrån det blåser. Turbinbladen görs oftast av mycket slitstark glasfiberarmerad plast och ibland av förstärkt kolfiber. Blixtskydd (UV-ljus) finns inbyggt i vingarna.

Vindkraftparker

En stor vindkraftpark kan bestå av hundratals enskilda vindturbiner som kopplats samman i ett transmissionssystem. Avståndet mellan turbinerna i vindkraftparker bör vara mellan fyra och tio gånger rotordiametern, beroende på vindförhållandena. På så sätt minimeras effektivitetsförluster.

Havsbaserade vindkraftverk är anslutna via interna nät till en transformatorstation till havs, där spänningen ökas för att förbättra överföringen över långa avstånd. Från transformatorstationen leds elen till en driftcentral på land och sedan ut i nätet.

Vindstyrka på minst 3 Beaufort (3,4 m/s) krävs

Om vinden endast är svag eller om det är helt vindstilla står turbinerna stilla i standbyläge. När vindstyrkan ökar till en tillräcklig nivå (omkring 4 m/s) aktiveras turbinen automatiskt. Full styrka uppnås när det blåser ungefär 12–14 meter per sekund. Vid starka vindar (mer än ca 25 m/s) stängs turbinen av för att förhindra onödiga förslitningar.

För att en vindkraftpark ska vara lönsam krävs goda vindförhållanden. När ett tänkbart område har hittats görs grundliga undersökningar av de geografiska omgivningarna, befintliga vägar, elnät, närhet till bostadshus, flora och fauna och eventuella områden med begränsat tillträde. Att få de närboende att acceptera bygget av en ny vindkraftspark kan ibland vara den allra största utmaningen.

Vindkraft i framtiden

Forsknings- och utvecklingsarbetet är främst inriktat på vindkraftparksoptimering och ökad tillförlitlighet, miljöhänsyn och verkningsgrad.

Sedan de första vindkraftverken byggdes i slutet av 1970-talet har tekniken utvecklats mycket. Idag är vingarna 16 gånger större och vindkraftparkerna producerar 100 gånger mer elektricitet.

Mer vindkraft byggs till havs

En av anledningarna till att turbinstorleken har ökat är att allt fler vindkraftverk byggs till havs. Fördelen med att förlägga vindkraftverk till havs är att det blåser mer och det finns mindre risk för konflikter med närboende.

Forsknings- och utvecklingsarbetet är främst inriktat på att optimera vindkraftparker och att öka tillförlitligheten och kostnadseffektiviteten. Det finns också projekt som strävar efter att minska vindkraftens beroende av underhåll och att underlätta montering. Ytterligare standardisering och digitalisering av underhåll och datahantering kommer också att vara ett viktigt område.

Fokus på tillförlitlig drift

En viktig utmaning är att göra vindkraftverken tillförlitliga. En vindturbin har en livstid på omkring 20 år, och för att den ska vara lönsam måste den producera el under större delen av denna tid. Alla störningar måste minimeras. Alla reparationer och byten av delar minskar driftstiden och påverkar lönsamheten direkt.

Omfattande forskning utförs också kring framtidens elnät, eftersom ökad elproduktion från vindkraft kommer att ställa nya krav på nätens funktioner. De högsta säkerhetsstandarderna krävs för att bygga och driva vindkraftparker.

EU fortsätter att investera i vindkraft

2020 väntas vindkraft stå för 14 procent av den el som förbrukas inom EU. EU- kommissionen har startat ett forskningsprogram i syfte att förbättra den tekniska funktionen hos turbiner samtidigt som de ekonomiska förutsättningarna ska förbättras. Forskningsprogrammet innefattar forskningsmedel om sex miljarder euro fram till 2020.

Läs mer om vindkraft i vår bloggartikel Nya jätteturbinen ändrar spelplanen för hållbar energi.

Stål spelar en viktig roll i det moderna samhället och i takt med att världens befolkning ökar, förväntas även behovet av stål att öka. Samtidigt avger stålproduktionen enorma mängder koldioxid. Stålindustrin står för så mycket som 7% av koldioxidutsläppen globalt. Dessa utsläpp måste minska för att vi ska kunna hantera klimatförändringen.

Vad är HYBRIT?

HYBRIT är ett gemensamt initiativ av SSAB, LKAB och Vattenfall med målsättningen att ta fram en fossilfri process för ståltillverkning till år 2035. HYBRIT står för Hydrogen Breakthrough Ironmaking Technology. Detta är den största förändringen av stålproduktion på över 1000 år och kan ta bort utsläppen från stålindustrin nästan helt.

Fossilfri ståltillverkning år 2035

År 2016 initierade Vattenfall, SSAB och LKAB industriprojektet HYBRIT och sommaren därpå bildades ett joint-venture-bolag mellan de tre företagen. Målsättningen är att ha en fossilfri process för ståltillverkning till år 2035.

HYBRIT innebär att kol och koks, som traditionellt används i stålproduktionen, ersätts av vätgas. Detta möjliggör en stålproduktionsprocess som avger vatten istället för koldioxid. Resultatet blir en fossilfri ståltillverkningsteknik med praktiskt taget noll koldioxidutsläpp.

Traditionell framställning av stål vs. stålframställning med HYBRIT-metoden

Traditionellt har masugnen, hjärtat i processen, varit den dominerande metoden att framställa järn. I processen ska järnmalm (som består av järn och syre) bli enbart järn, dvs syret tas bort. I masugnen tillsätter man därför kol som fungerar som ett ”lim” som syret i järnmalmen fastnar på och bildar koldioxid. Förutom järn kommer mycket koldioxid ur processen.

Med HYBRIT vill man istället byta ut ”limmet” (kol) till vätgas. Därmed bildas vatten istället för koldioxid. Vätgasen som används görs av fossilfri el.

Vätgas kan enkelt produceras från vatten och el i en elektrolysanläggning (kraft till gas), och den kan användas för en mängd olika ändamål – som bränsle för fordon, för att matas in i naturgasnätet eller som råmaterial i industriella processer i raffinaderier, stålverk, gödselproduktion och många andra branscher. På medellång sikt kan vätgas användas för såväl syntes av flytande bränslen som bränsle i kraftverk.

Projektets tre faser

HYBRIT-projektet är indelat i tre faser.

2016-2017 Pilotstudier

År 2016 inleddes en förundersökningsstudie i syfte att utarbeta basdata för forskningsprojektet. I början av 2018 avslutades och presenterades studien.

2018-2024 Genomförbarhetsstudie och pilotprojektförsök

Två pilotanläggningar, varav en i Luleå och en i Malmberget, ska byggas för att utveckla den banbrytande tekniken.

I juni 2018 tog statsminister Stefan Löfvén tillsammans med vd:arna för SSAB, LKAB och Vattenfall det första spadtaget för den nya Hybrit-anläggningen som ska byggas i Luleå.

Syftet med försöken i pilotskala är att kunna verifiera slutsatserna från småskaliga laboratorieförsök i en större skala som efterliknar den kommande industriella processen. Detta är en förutsättning för att fullt ut förstå vad som sker i ett sammankopplat industrisystem och hur vi kan skapa en effektiv produktionsprocess.

I den ena anläggningen ska studier göras av metoden att framställa stål med hjälp av vätgas istället för stenkol. En sådan process ger stora klimatvinster eftersom dagens koldioxidutsläpp ersätts av vattenånga. Vätgasen i sin tur kräver stora mängder elektricitet vid framställningen, och där behövs Vattenfalls expertis.

I den andra pilotanläggningen är syftet att utveckla en fossilfri teknik för att ta fram järnmalmspellets för att hela stålprocessen ska bli så klimatsmart som möjligt.

År 2024 skall pilotanläggningsprojektet vara slutfört.

2025-2035 Demonstrationsanläggning

Under en tioårsperiod planeras tester, som ska genomföras i en demonstrationsanläggning. År 2035 ska den fossilfria stålproduktion vara i drift och kommersiellt gångbar.

Finansiering

Totalt uppgår investeringen till 1,4 miljarder kronor vilket till största del finansieras av de tre partnerbolagen i Hybrit-projektet. Energimyndigheten har beviljat projektet stöd på 528 miljoner kronor, vilket är det största stödet i myndighetens historia.

Vätgas – en viktig komponent inom många sektorer

Fram tills nyligen har fokus i energiomvandlingen legat på förnybara alternativ för elproduktion. Nu har steget kommit till att få bort koldioxidutsläppen även inom andra sektorer, bland annat inom värme, transport och industri, där Hybrit är ett tydligt exempel.

Fler projekt med vätgas

Det pågår även andra projekt där vätgas kan spela en mycket viktig roll på vägen mot fossilfritt. Exempel på ett sådant projekt är Vattenfalls samarbete med Preem, där syftet är att med hjälp av vätgas producera förnybara drivmedel i stor skala. Initiativet har potential att bidra till målet om nettonollutsläpp för både industrin och transportsektorn.

På global nivå arbetar vetenskapsmän, forskare och företag hårt för att göra framtidens solenergi bättre, billigare och enklare att använda. Solcellers tekniska prestanda förbättras fortlöpande. Dagens kommersiella solcell kan fånga 18–20 % av ljuset som når den.

Solcellernas prestanda har stadigt förbättrats sedan de började utvecklas och kommer att fortsätta att förbättras också i framtiden. Dessutom utökas sättet på vilket vi använder solcellsenergi i vår vardag av utvecklingen av olika slags ny teknik och tillämpningar.

Solenergi på vägarna

Idag finns solceller i enkla föremål som ficklampor och ryggsäckar. I framtiden kommer vi kanske att få se solenergi produceras på vägar, på vattenbassänger och till och med i flygplan.

I Nederländerna pågår ett projekt, SolaRoad, där man forskar för att ta fram en vägyta som absorberar solljus och omvandlar det till el. När solstrålarna träffar vägytan absorberas de av solcellerna och omvandlas till el. Man vill skapa en vägyta som fungerar som en stor solpanel. Elen skulle bland annat kunna användas i alltifrån elbilar till gatubelysning och hushåll. En av många utmaningar i projektet är att vägens yta måste vara genomskinlig för solljus och avlägsna smuts, samtidigt som den måste vara slitstark och säker att köra på. Vill du veta mer om elbilar? Läs då vår artikel Omställningen till elbilar är ett faktum - det här behöver göras!.

Ett annat projekt kring solceller pågår i USA, där forskare börjar närma sig en lösning på hur man tar fram böjbara solceller som håller länge. Sådana celler skulle kunna vara användbara där det behövs en låg, konstant spänning, till exempel på textil och fönster.

Hur fungerar solceller

När solens strålar träffar solcellerna uppstår elektrisk spänning mellan framsidan och baksidan av cellen. Genom att koppla en ledning mellan cellens fram- och baksida bildas ström i form av likström. För att elen ska kunna användas i till exempel en fastighet används en växelriktare som omvandlar likström till växelström.

Solcellerna kräver mycket lite underhåll eftersom det inte finns några rörliga komponenter som kan krångla. Panelerna behöver inte rengöras eftersom dess verkningsgrad endast i liten utsträckning påverkas av smuts. Elproduktionen är helt tyst och kräver minimalt med underhåll.

Solpaneler lagrar inte elen

Så länge solen skiner på solpanelerna får du energi. När solen slutar lysa på panelerna slutar energiproduktionen. Solpaneler ger ingen möjlighet att spara den el du inte använder, men man kan komplettera panelerna med batterier för att ha energi även när solen gått ner. Det går även att sälja överskottselen. Genom att mata in överskottselen på elnätet kan den säljas till ett elbolag, som i sin tur säljer elen vidare till andra elhandelskunder.

Energilagringslösningar

En fördel med solenergi är att den produceras under den tid då vi använder mest energi, dvs dagtid. Samtidigt vill vi kunna använda oss av solenergin också under dygnets mörka timmar. Ur ett tekniskt perspektiv behöver vi undvika höga toppar på energinätet under mycket soliga (och blåsiga) dagar.

Tillförlitliga och prisvärda energilagringslösningar bidrar till detta och är därmed väsentliga för att göra solenergin framgångsrik.

Nyligen har en forskargrupp vd Chalmers skapat en molekyl som ska kunna lagra solenergi i närmare 18 år. Nästa steg i projektet är att lyckas få till tekniken i större skala.

I framtiden kommer energi förmodligen att lagras på en mängd olika sätt. Kanske i en decentraliserad lösning (i ditt hem), exempelvis i din elbil, eller i en centraliserad lösning med exempelvis ett batteri vid en solenergipark eller i ett ”superbatteri” av koldioxidneutral ammoniak i närheten av en vindkraftpark eller ett kraftverk. Utvecklingen av batterier går snabbt framåt, och detta är bara ett av många användningsområden.

Allt billigare med solenergi

Med förbättrad teknik och minskade kostnader blir solenergin mer konkurrenskraftig. Solenergi väntas spela en avgörande roll i det framtida energilandskapet. Sedan utvecklingen av solceller påbörjades har produktionskostnaden stadigt sjunkit.

Varje gång solcellernas produktionskapacitet fördubblas går kostnaden ned med ungefär 20 procent. Denna iakttagelse benämns ”Swansons lag”, och effekten har gjort att medelpriset per toppwatt (watt-peak, W_p) gått ned från 100 amerikanska dollar på sjuttiotalet till en bra bit under en dollar idag, vilket har gjort solenergi tillgänglig för den breda allmänheten och kommersiell användning.

När denna utveckling projiceras vidare över kommande årtionden ser vi att vi kan förvänta oss att kostnaderna för solenergi kommer att fortsätta minska. Varje kostnadsminskning accelererar införandet av tekniken, vilket i sin tur leder till bland annat sjunkande priser. De båda effekterna driver på varandra.

Internationella energibyrån förväntar sig att genomsnittskostnaden 2050 ska ha fallit till 5–8 amerikanska cent per kWh, men för närvarande produceras solenergi redan för mindre än så på vissa (soliga) platser runt om i världen. I vilket fall som helst kan vi vara säkra på att solenergi kommer att vara ett av de viktigaste energislagen i det framtida energilandskapet.

Läs mer om egenproducerad el här: Mikroproduktion – regler för egen produktion av el

Så fungerar kärnkraft

I ett kärnkraftverk utvinns energi genom klyvning av atomkärnor. Processen kallas fission, och värmer vatten så att ånga bildas. Ångan driver en turbin som i sin tur driver en generator som producerar el.

Fissionen sker i reaktorn. Under processen klyvs uranatomkärnor med hjälp av neutroner som kolliderar med atomerna. När en atomkärna klyvs skickar den ut nya neutroner som kan klyva nya atomkärnor, och så skapas en kedjereaktion.

Som bränsle i kärnkraftverk används vanligtvis uran-235, en särskild isotop av grundämnet uran. För att kontrollera processen används olika typer av styrstavar för att absorbera de neutroner som frigörs, så att fissionstakten sänks eller så att fissionen avbryts helt. Det finns flera olika typer av kärnreaktorer, men vanligast är tryckvattenreaktorer och kokvattenreaktorer.

Tryckvattenreaktor

Reaktorn innehåller vatten och uran. När uranatomerna delas värms vattnet upp till 325 °C. Det höga trycket inne i reaktorn regleras av ett tryckkärl och hindrar vattnet från att koka. Det varma vattnet från reaktorn överförs till ånggeneratorn, som är en stor värmeväxlare. Ånga bildas, eftersom trycket här är lägre, och ångan leds sedan till turbinen. Trycket från ångan gör att turbinbladen roterar. Turbinen driver en generator som genererar elektricitet. Ångan leds sedan till en kondensor som består av många små rör. Havsvatten pumpas igenom rören och när ångan möter de kalla rören kondenserar den och blir till vatten igen. Havsvattnet pumpas tillbaka till havet igen och är då i genomsnitt 10 °C varmare än när det gick in i kondensorn.

Vattnet pumpas tillbaka från ånggeneratorn in i reaktorn för att sedan värmas upp på nytt. Vattnet i reaktorn cirkulerar alltså i ett slutet kretslopp, så varken ånggeneratorns vatten eller det kylande havsvattnet kommer i kontakt med vattnet i reaktorn.

Kokvattenreaktor

Reaktorn innehåller vatten och uran. När uranatomerna klyvs frigörs energi som får vattnet i reaktortanken att börja koka och ånga bildas. Ångan förs vidare till turbinen. Ångtrycket gör att turbinens skovlar börjar snurra. Turbinen driver elgeneratorn som alstrar elektricitet och elen transporteras sedan genom kraftledningar ut till användarna.

När ångan lämnat sin energi i turbinen leds den vidare till kondensorn, som består av en mängd smala rör. Genom rören pumpas havsvatten och när ångan träffar utsidan av rören kyls den ner och kondenseras, det vill säga blir vatten. Havsvattnet pumpas tillbaka ut i havet och är då 10°C varmare än när det togs in.

Vattnet från kondensorn pumpas tillbaka in i reaktorn för att åter värmas upp och påbörja ett nytt kretslopp. Det vatten som finns i reaktorsystemet bildar ett slutet kretslopp, och kylvattnet från havet kommer därför aldrig i kontakt med ångan från reaktorn.

Flerdubbla barriärer och säkerhetssystem

Under fissionsprocessen i reaktorn bildas joniserande strålning. För att hindra strålning och radioaktiva ämnen från att påverka omgivningen finns flera av varandra oberoende barriärer och säkerhetssystem.

Bränslet är i sig en barriär, eftersom de keramiska urankutsarna är svårlösliga i vatten och luft (jämför att lösa en tegelsten i vatten). Det binder också de radioaktiva ämnena. Kutsarna smälter först vid 2 800 °C.

Urankutsarna är inneslutna i kapslingsrör av zirkaloy, en metallegering som har goda egenskaper för att användas i reaktorer. Rören är helt gastäta.

Den tredje barriären utgörs av reaktortanken och tillhörande rörsystem. Reaktortanken är gjord av 15-20 cm tjockt stål och väger cirka 400 ton.

Reaktorn omges av reaktorinneslutningen, som utgörs av metertjock betong med ingjuten, gastät stålplåt.

Den femte barriären är själva byggnaden, som är konstruerad för att kunna motstå starka krafter både inifrån och utifrån.

Utöver barriärerna finns det flerdubbla säkerhetssystem för att kyla reaktorhärden och förhindra radioaktiva ämnen från att spridas.

Säkerhetsfilter ger ytterligare skydd

Även om alla säkerhetssystem skulle sluta att fungera, får radioaktivitet inte komma ut till omgivningen. Därför finns särskilda filter som tar hand om minst 99,9 procent av de radioaktiva ämnena.

Om trycket i reaktorinneslutningen skulle bli för högt kan man behöva släppa ut gaser och ånga till filtret. Filtrets främsta uppgift är att minimera utsläpp av radioaktiva partiklar och radioaktiv jod.

Därefter tvättas ångan och gaserna i en filterbassäng, en så kallad skrubber. De radioaktiva partiklarna stannar i skrubberns vatten medan de renade gaserna släpps ut via ett stenfilter.

Slutförvar av kärnavfall

Använt kärnbränsle måste isoleras under mycket lång tid. Radioaktivt avfall delas vanligtvis in i tre kategorier: lågaktivt, medelaktivt och högaktivt avfall.

Lågaktivt avfall är tillräckligt säkert för att behandlas som vanligt avfall efter att det sorterats och tvättats. Det består mestadels av till exempel använda skyddskläder och filter. Medelaktivt avfall måste isoleras och strålskyddas i omkring 500 år innan det kan betraktas som ofarligt avfall.

Högaktivt avfall består av använt kärnbränsle. Denna typ av avfall utgör endast omkring fem procent av den totala volymen kärnavfall, men den står för 99 procent av strålningen. Flera meter vatten eller flera decimeter stål krävs för att innesluta strålningen från kärnbränslet. Halveringstiden (den tid det tar för radioaktivt material att förlora hälften av sin radioaktivitet) varierar enormt mellan olika radionuklider – från mindre än en sekund till miljontals år – och avfallet måste isoleras under mycket lång tid. Vissa beräkningar visar att avfallet måste lagras i minst 100 000 år.

Olika lösningar i olika länder

Varje land tar hand om sitt eget kärnavfall. Olika typer av lösningar används i olika länder och planeringen har kommit olika långt. Den lösning som har valts i Sverige är att använt kärnbränsle som ett första steg förvaras i djupliggande vattenreservoarer i minst 30 år, tills strålningen har minskat med omkring 90 procent.

Därefter förs det använda kärnbränslet vidare till geologisk slutförvaring. Avfallet innesluts i kapslar av olika typer av skyddsmaterial som koppar och järn. Kapslarna, inneslutna i bentonitlera, förvaras sedan i bergrum eller tunnlar som borrats på 400 till 1 000 meters djup. Många länder har valt liknande strategier som den svenska, och denna typ av slutförvaring planeras i flera områden, men har ännu inte tagits i drift. I vissa andra länder är det dock fortfarande oklart hur slutförvaringen kommer att utformas.

Fjärde generationens kärnkraft

De första, små, kärnkraftsreaktorerna på 50-talet kallar man för Generation I. I takt med att reaktorerna på 1970 och 80-talet blev större och standardiserades talar man om Generation II. Dagens reaktorer med modernare anläggningar och bättre säkerhet räknas ofta till Generation III eller Generation III+.

Nästa generations kärnkraft kallas Generation IV.  Benämningen syftar på ett system för kärnkraft som kan leverera en obegränsad mängd hållbar energi utan att efterlämna långlivat avfall.

Man ska kunna utnyttja kärnbränslet betydligt mer effektivt genom att återanvända bränslet gång på gång. Metoden att på detta sätt utnyttja kärnbränslet fullt ut kallas för bridning och innebär att nytt bränsle bildas av det uran som med dagens teknik inte kommer till användning.

Systemet ska dessutom vara ekonomiskt konkurrenskraftigt, såväl i jämförelse med dagens kärnkraft som med andra energikällor. Därutöver finns krav på att såväl själva reaktorn som de övriga anläggningarna ska vara utformade så att de inte kan drabbas av olyckor som medför stora konsekvenser.

Ett annat kriterium som måste vara uppfyllt med fjärde generationens kärnkraft är att det inte ska vara möjligt att avleda klyvbart material till vapentillverkning. Kvaliteten på det klyvbara materialet måste vara tillräckligt hög för att kunna driva reaktorerna, men för låg för vapenframställning.  

Kan man köpa garanterad kärnkrafts-el med ursprungsmärkning? - och vad har i sådana fall kärnkraft för avtryck på miljön?

Läs mer här