Förnybar elproduktion

Vid avdelningen för elektricitetslära bedriver vi forskning om våg-, vind- och vattenkraft samt marin strömkraft. Vi är världsledande inom vågkraftsforskning och har i studiet av marin strömkraft sjösatt en egen experimentanläggning.

Vågkraft

Havsvågor utgör en hittills outnyttjad förnybar energikälla, som har stor potential att bidra till världens elektricitetsproduktion med minimal miljöpåverkan. Uppsala universitet är världsledande inom vågkraftsforskning och har den största forskargruppen inom området. Vågenergigruppen studerar kontinuerligt många olika aspekter av vågkraft, inom allt från elsystem och generatorer, till hydrodynamikmodellering och miljöaspekter av vågkraftparker.

Vi har utvecklat och sjösatt fullskaliga vågkraftverk sedan 2002. Gruppens forskningsanläggning utanför Lysekil på västkusten är en av få forskningsanläggningar i världen för fullskaliga vågkraftverk i verkliga miljöer till havs.

Vågkraftskonceptet

Vågkraftskonceptet utvecklat vid Uppsala universitet bygger på enkelhet och funktionalitet. Detta för att garantera ett robust och effektivt system för att omvandla energin i vattenvågor till elektricitet i elnätet. Grundidén är enkel: en boj vid havsytan sätts i rörelse av vågorna och kopplar till en direktdriven linjärgenerator där rörelsen omvandlas till elektricitet.

Krafterna i vågor kan vara mycket höga, särskilt i stormar, och aggregatens överlevnadsförmåga är en nyckelfråga för vågkraftsteknologin. För att skydda aggregaten från de destruktiva krafterna i havsvågorna så rekommenderas att så mycket som möjligt av aggregatet ska placeras under vattenytan. Med anledning av detta placeras den mest kritiska komponenten - nämligen generatorn - på havsbottnen i Uppsala universitets vågkraftskoncept. Bojen, som är en robust, billig och okänslig komponent, är den enda delen av vågkraftverket som befinner sig vid vattenytan, där den absorberar vågornas energi. För att undvika att vatten läcker in i aggregatet så har vi utvecklat ett tätningssystem där en kolv kopplar samman den rörliga delen i generatorn med bojlinan. Systemet är designat för att fungera i vattendjup mellan 20 till 100 m.

Vågkraftsystemet är enkelt, i betydelsen att mängden rörliga delar och dyr teknologi är minimerad. Detta minskar risken för haveri och kostnaderna för underhåll ute till havs.

Det första vågkraftverket vid Uppsala universitet utvecklades och sjösattes vid forskningsanläggningen i Lysekil 2006, och tolv fullskaliga vågkraftverk har utvecklats sedan dess.

Lysekilsprojektet

Vågkraftsgruppen vid Uppsala universitet har en forskningsanläggning i Lysekils kommun som kallas för ”Lysekilsprojektet”. Det är en vågkraftspark där man testar olika sorters tekniska lösningar i verkligheten och studerar hur vågkraften kan komma att påverka miljön och de organismer som lever i testområdets närhet.

En vågmätningsboj installerades 2004 och mäter kontinuerligt vågorna i området. År 2006 sjösattes det första fullskaliga vågkraftverket vid anläggningen. Sedan dess har ett stort antal vågkraftverk, bojar, ställverk och olika tekniska lösningar sjösatts och testats i en lång rad experiment.
Den information som samlas in, våghöjd och våglängd kan man, via s.k. spektralanalys, räkna fram något som kan jämföras med en medelvåghöjd. Denna medelvåghöjd kallas signifikant våghöjd och är viktig, inte bara för att veta hur stora vågor som rullar in mot land, utan även vid beräkningar av hur mycket effekt som flödar in mot försöksområdet, och hur mycket energi vågorna bär med sig.

För mer information om Lysekilsprojektet, vänligen kontakta Jens Engström: jens.engstrom@angstrom.uu.se

WESA-projektet

WESA är ett banbrytande forskningsprojekt för att undersöka vågkraftens potential i Östersjön. Projektet finansieras från EU och är ett samarbete mellan Uppsala universitet, Ålands teknikkluster och Åbo universitet. Målen med projektet är bland annat att finna optimala bojar som tål isbeläggning på vintern, och att studera möjligheter och utmaningar för storskalig vågkraft i Östersjön.

För mer information om WESA-projektet och vågkraft i Östersjön, vänligen kontakta Erland Strömstedt: Erland.Stromstedt@angstrom.uu.se.

Miljöpåverkan

All energiomvandling innebär miljöpåverkan. Det gäller även förnybara energikällor som vågkraft. Dels kan anläggningarna påverka djur och natur i olika omfattning, och samtidigt kan anläggningarna påverkas av det lokala ekosystemet genom exempelvis biologisk påväxt.

Det är viktigt att på ett tidigt stadium få kännedom om och justera för den eventuella negativa inverkan vågkraftsanläggningar kan ha på marina organismer. I Lysekilsprojektet har vågkraftens miljöeffekter studerats kontinuerligt sedan start, bland annat genom studier av en park av 30 bojar förankrade direkt till fundament på havsbotten, och genom studier av ljudalstring och förändrade sedimentations- och vattenrörelser av vågkraftsparken.

För mer information om miljöstudier av vågkraft, vänligen kontakta Jan Sundberg: jan.sundberg@angstrom.uu.se.

Forskningsprojekt

Prestanda och överlevnad för storskaliga vågkraftsparker (SUPERFARMS)

För att producera elekticitet i MW-storlek, krävs att vågkraftverken sjösätts tillsammans i stora parker. I ett nylanserat forskningsprojekt finansierat av Energimyndigheten kommer prestanda och överlevnadsförmåga för vågkraftsparker att studeras och förbättras.

Forskningsprojektet innefattar både analytiska och numeriska simuleringar och optimeringar av hela vågkraftsparken, inklusive hydrodynamiska och elektriska interaktioner, utvecklandet av kontrollmetoder för ökad prestanda och experiment i vågtank och i full skala till havs.

Marint ställverk

Forskningsanläggningen i Lysekil är utrustad med en kraftkabel och en signalkabel från ställverket till land. Alla vågkraftverk kopplar till ställverket i parken. I ställverket omvandlas växelströmmen från varje vågkraftverk först till likström, och inverteras sedan tillbaka till växelström och överförs till mätstugan på land. Det första ställverket installerades 2009 och kopplade till tre vågkraftverk. Under 2015 installerades ett nytt reparerat ställverk.

Tidvattenkompensation

För att hantera variationer i havsnivån på grund av tidvatten så har en tidvattenskompensator utvecklats och installerats på en boj. Målet med apparaten är inte endast att optimera energiabsorbtionen även på platser som har starka variationer i havsnivån på grund av tidvatten, utan även för att kunna finjustera linlängden mellan bojen och generatorn och kompensera eventuella inriktningsfel under sjösättningen.

Undervattensrobotar

Vågkraftverken utvecklade vid Uppsala universitet är små enheter som sjösätts tillsammans i parker. Antal anslutningar som måste göras är därför mycket stort och behöver automatiseras med undervattensrobotar för att spara tid och sjösättningskostnader. Ett docknings- och anslutningssystem för små undervattensrobotar utvecklas i ett aktuellt projekt i forskningsgruppen.

Marinekologiska studier

Uppföljningsstudier av effekter på den marina miljön har pågått sedan 2005. Detta har inkluderat marinbiologiska studier som effekter av konstgjorda rev, påväxt, kolonisering av marina organismer på vågkraftsutrustning, effekter på bottenfauna, förändringar biodiversitet och undervattensljud från generatorer. För närvarade pågår utveckling av ekolods- (sonar-) system som ska användas för övervakning av fisk och marina däggdjur som uppehåller sig runt marina energiomvandlare, som vågkraftsgeneratorer. Vidare pågår märkning och återfångst av kräftdjur (krabbor) för att kunna uppskatta skillnader i populationstätheter och tillväxt inom och utanför (kontroll) vågparksområdet. Slutligen, och för att följa upp långtidseffekter, pågår en uppföljningsstudie av makrofauna på fundament och som placerades ut i området och studerades 2007-2009.

Mätsystem

Att mäta och analysera utvalda parametrar under offshore-drift är en förutsättning för att utvärdera och förbättra vågkraftverkets konstruktion, prestanda och livslängd. I ett forskningsprojekt finansierat av Vargö-stiftelsen utrustas därför vågkraftverk med mätsystem som loggar dess energiproduktion samt vilken rörelse och kraft som överförs från havsvågen till generatorn. Utifrån detta kan vi bestämma vågkraftverkets prestanda och verkningsgrad, samt vilka önskade- och oönskade krafter som vågkraftverket utsätts för under drift. Detta avgör den totala energiproduktionen som kan förväntas från en vågkraftpark, samt förväntad livslängd och underhållsbehov hos ett enskilt vågkraftverk.

Ekvivalenta kopplingsscheman

För att effektivisera och förenkla simuleringar av vågenergisystem, har en ekvivalent modell för elektrisk krets utvecklats. Modellen möjliggör att interaktionen mellan bojen och generatorn kan studeras i ett och samma kopplingsschema. Nyckelindikatorer för vågkraftverkets prestanda, som hastighet, kraft eller effekt, kan simuleras och analyseras effektivt.

Sjösättning och underhåll

Sjösättning och underhåll av vågkraftverk och strömkraftverk har ofta varit dyra, tidskrävande och komplicerade processer. Verksamheterna till havs kan optimeras antingen genom att anpassa befintliga tekniker, eller genom att utveckla nya, till exempel ett nytt fartyg eller pråm designat specifikt för dessa ändamål. Olika skrov samt positionen av våg- eller strömkraftverken och lyftkranar påverkar fartygets stabilitet, bogserförmåga och andra egenskaper. I ett pågående forskningsprojekt undersöks olika lösningar för kosteffektiva och säkra sjösättningar.

Vindkraft

Ett ökat globalt elbehov tillsammans med oron för sinande icke-förnybara energikällor och klimatförändringar har fått samhället att rikta intresset mot alternativa energikällor. Att producera el från vindens energi ger inga utsläpp och förbrukar inget bränsle.

Vid Uppsala universitet studerar vi i huvudsak vertikalaxlade vindkraftverk, där bladen roterar kring en vertikal axel till skillnad från konventionella vindkraftverk där bladen roterar horisontellt. Konceptet har bland annat som fördel att generatorn kan placeras på marken vilket ger bättre prestanda och billigare konstruktion.

För att utveckla effektiva vindkraftverk krävs att noggrann modellering av vindkraftverkets aerodynamik, ett komplext problem som studeras med numeriska metoder.

År 2005 konstruerades det första vertikalaxlade vindkraftverket (märkeffekt 2 kW) vid Uppsala universitet. Året därpå installerades ett större verk på 12 kW vid Marsta väderstation utanför Uppsala.

Vertikalaxlade vindkraftverk

Generatorn till ett vertikalaxlat verk kan placeras på marken vilket tillåter en optimering med avseende på pris och prestanda. Systemet som utvecklats vid Uppsala universitet använder en direktdriven generator och således saknas växellåda. En vanlig orsak till driftavbrott i konventionella vindkraftverk är bl.a. just växellådor som går sönder. Det vertikala vindkraftverket styrs istället elektriskt med hjälp av generatorn. Eliminering av pitch-system minskar risken för driftstopp samt behovet av underhåll.

Den vertikalaxlade tekniken har vissa miljömässiga fördelar gentemot den horisontalaxlade tekniken. Turbinen har generellt lägre rotationshastighet än motsvarande horisontalaxlad turbin vilket ger lägre ljudnivå. Iskast från en vertikalaxlad turbin kommer inte lika långt eftersom de aldrig kan kastas vertikalt i luften utan enbart horisontellt. Då generatorn är placerad på marken blir konstruktionen enklare. På vissa platser i världen är det ett problem med relativt frekventa kollisioner mellan roterande blad och fåglar eller fladdermöss. Ett vertikalaxlat verk är troligen säkrare för fåglar och fladdermöss. Detta beror på att ett vertikalaxlat verk är lättare att upptäcka för en inflygande fågel då det inte rör sig i vertikalt led. Jämfört med ett horisontalaxlat verk har det också lägre hastighet på bladen, vilket gör det lättare att undvika kollision.

För mer information om vertikalaxlade vindkraftverk, vänligen kontakta Hans Bernhoff: hans.bernhoff@angstrom.uu.se.

Generatorfysik

Generatorn används förutom att generera el även som reglerverktyg och startmotor för turbinen. Turbinen är inte självstartande men när turbinen nått tillräckligt hög rotationshastighet kan vinden driva turbinen. Energin som går åt i startsekvensen motsvarar ungefär den energi som genereras under 3 sekunder nominell drift.

Då turbinen inte roterar med konstant hastighet är det viktigt att generatorn har en hög verkningsgrad under ett brett spann av rotationshastigheter. Möjligheterna för detta undersöktes och en 225 kW generator har designats, konstruerats och installerats i Falkenberg. Generatorn har en minsta verkningsgrad på 96 % i vindhastigheter över 6,5 m/s. Generatorn har till uppgift att reglera turbinens rotation för optimal effektivitet men också att verka som broms vid mycket höga vindhastigheter.

För mer information om generatorfysik, vänligen kontakta Sandra Eriksson: sandra.eriksson@angstrom.uu.se.

Aerodynamik

Ett simuleringsverktyg har utvecklats för att räkna på aerodynamiken vid ett vertikalaxlat vindkraftverk. Målet har varit att bättre förstå hur ett vertikalaxlat verk fångar upp energi ur vinden och därmed kunna förbättra prestandan genom att optimera turbindesignen.

Aerodynamik är komplext och måste i många fall lösas numeriskt. När aerodynamiken simuleras för de vertikalaxlade turbinerna används generellt tre olika metoder: strömrörsmodellen, virvelmodeller samt finita element/volym metoden. På Uppsala universitet ligger fokus på de två förstnämnda modellerna.

Strömrörsmodellen är den metod som snabbast går att lösa numeriskt då den inte innehåller något tidsberoende flöde. Hastighetsfältet approximeras endast kring turbinbladen. Tack vare dess snabbhet kan denna modell utnyttjas för att simulera strömningen i tre dimensioner. Det möjliggör simuleringar av varierande vindhastighet över turbinarean samt inverkan från bladens bärarmar.

Vid studier av hur flera olika turbiner påverkar varandra måste istället virvelmetoden användas som är något mer komplex. Virvelsimuleringarna görs med fördel i två dimensioner då dessa kräver mer beräkningskraft. Enligt simuleringarna med virvelmetoden har det konstaterats att man kan erhålla högre effekt hos enskilda turbiner om de placeras nära varandra i en linje samtidigt som flödesriktningen är vinkelrät mot denna linje.

Modellen som utvecklats vid Uppsala universitet kan användas vid design av en H-rotor för att optimera effekten och/eller minimera material-lasterna. Med hjälp av vindstatistik från en given plats kan den mest optimala designen för en turbin räknas ut iterativt.

För mer information om vindkraftverks aerodynamik, vänligen kontakta Anders Goude: anders.goude@angstrom.uu.se.

Vattenkraft

För att klara en avreglerad elmarknad med stor andel förnybara energikällor finns ett behov av att fördjupa förståelsen av gamla vattenkraftsgeneratorer samt att utveckla verktyg för att karakterisera dessa. Vi intresserar oss även för generatorns interaktion med det bredvidliggande elnätet och studerar vad transienter och andra nätstörningar som kan fortplanta sig in i generatorn har för påverkan. Med modern kraftelektronik och magnetiska aktuatorer studerar vi hur de elektriska och magnetiska aspekterna av generatorn kan styras och kontrolleras.

Ett av forskningens huvudmål är att utifrån datamodeller kunna dra slutsatser om driftegenskaper som sedan kan användas som underlag för framtida beslut om driftförhållanden och investeringar. Genom vårt engagemang i samarbetsorganet Svenskt vattenkraftcentrum (SVC) får vi också möjlighet att verifiera våra FEM-modeller med mätningar på verkliga aggregat.

För mer information om vattenkraft och vår forskning, vänligen kontakta Urban Lundin: Urban.Lundin@angstrom.uu.se.

Marin strömkraft

I våra älvar, sund och hav finns strömmande vatten som utgör en förnybar energikälla med god potential. Vid Uppsala universitet forskas främst på generatorerna för dessa strömkraftaggregat. Målet är att strömkraftverken ska generera elektricitet med hög verkningsgrad vid långsamma vattenrörelser.

I mars 2007 färdigställdes en första prototypgenerator på Ångströmlaboratoriet. 2013 sjösattes den första experimentanläggningen vid Söderfors i Dalälven. Nästa steg i forskningen är att ansluta strömkraftverken till elnätet samt att utveckla och skala upp tekniken så att den lämpar sig för tidvattenapplikationer.

Söderfors strömkraftverk och experimentstation för marin strömkraft

Vi sjösatte det första strömkraftverket i Dalälven utanför Söderfors 2013. Syftet med Söderforsprojektet är att driva en mindre experimentstation för marin strömkraft under realistiska förhållanden.

Studier av potentialen/resursen - framtagning av modeller för att med korta mätserier kunna beräkna strömhastigheter, vilka sedan kan användas för uppskattningar av maxbelastningar samt energiprognoser.
Systemsimuleringar - beräkningsmodeller av de totala systemen för elproduktion ur strömmande vatten, från en beskrivning av det strömmande vattnet via omvandling till el genom turbin, generator och elsystem fram till elnätet.
Fluiddynamiska simuleringar av flödesstyrning samt skydd för turbiner.
Långsamtgående permanent magnetiserade generatorer – utveckling av generatorn.
Experimentell validering av generator och kontroll och styrsystem – Genom experimentanläggningen i Söderfors kan generatortekniken och kontroll och styrsystem utvärderas och utvecklas i verklig miljö.

Forskning om interaktioner mellan fiskar och turbiner

Under 2015 gjordes initiala studier, genom provfiske, för att undersöka artsammansättningen av fisk i vattnen kring turbinen. Under 2017 påbörjades experimentella studier. Mindre lax och ring (smolt) sattes ut i vattnet kring turbinen för att undersöka deras beteenden runt en roterande och stilla (kontroll) turbin. Försöken fortgick även under 2018. Fiskars beteenden och reaktioner inför turbinen studeras genom inspelningar med hjälp av ekolod (sonarer). Under 2018 genomfördes experimentella försök att utföras i Sveriges Lantbruksuniversitets (SLU) försöksanläggning i Älvkarleby. I SLU’s anläggning finns strömvattensakvarium där små laxar och öringars (smolt) beteenden kring olika modelltyper av turbiner ska studeras och där dessutom turbiners rotation och vattnets hastighet kan varieras, under både dag och nattförhållanden, för att hitta operativa strömkraftsutvinning och teknik med minst negativ effekt.

Forskningsprojekt

Kartläggning av förutsättningar för havsbaserad vågenergiomvandling i svensk exklusiv ekonomisk zon

I projektet har förutsättningarna för offshore-baserad vågenergiomvandling i svenska havsvatten med hänsyn till en rad olika utvalda parametrar och variabler kartlagts.

Projektet Ocean Energy Scale-up Alliance (OESA)

OESA syftar till att påskynda utvecklingen av marin energiteknik genom strategiska partnerskap och internationellt samarbete.