Free Press

Om begreppet ”förnybar energi” för tankarna till ett hav av solpaneler eller höga vindkraftverk är du inte ensam. Det blir allt vanligare att fånga energi från sol och vind. Det beror på att dessa ”rena” energikällor genererar elektricitet utan att förorena vår luft. Lika viktigt är att de inte släpper ut koldioxid i atmosfären. Denna växthusgas fångar solens värme och bidrar till vårt föränderliga klimat.

Men sol- och vindkraft har en stor nackdel: De är inte alltid tillgängliga. Solen lyser bara under dagen. Vinden kommer och går. Det finns mycket få platser där vinden är tillräckligt konstant för att generera elektricitet hela tiden. Och hur enkelt det än låter har det visat sig vara en stor utmaning att lagra energi för senare användning.

Men havsvågor? Som alla som vistats i närheten av en strand kan berätta, slår vågorna in mot stranden morgon, middag och kväll. Det gör dem idealiska för att generera energi dygnet runt. Nu försöker forskare ta reda på hur mycket energi vågorna kan ge.

När vinden blåser över vattenytan skapar den vågor. Om du någonsin har sett vita mössor på ett hav eller en sjö en blåsig dag har du sett detta i aktion. Vinden får vattnet vid ytan att guppa upp och ner. Även om det verkar som om vattnet rör sig från en plats till en annan går det i själva verket inte särskilt långt. Snarare rör det sig i cirklar – upp, upp, upp, upp till toppen av vågen, och sedan ner, ner, ner, ner på andra sidan.

Det stämmer åtminstone när vattnet är mycket djupt, till exempel ute i havet. Dessa mjukt guppande vågor kallas för ”svallvågor”. Men vågorna förändras när de kommer nära stranden.

När vattnet blir grundare kan det inte längre färdas i cirklar. Marken kommer i vägen. Vattnet stöter mot havsbotten och pressar ihop cirkeln till en oval. Precis som en person som snubblar över något ”snubblar” vattnet över marken. Den övre delen av vattnet rusar förbi den nedre delen. Vågen ”bryter” och slår in närmare stranden.

Vågenergisystem använder vattnets rörelser för att producera elektricitet. Vissa typer av dessa anordningar utnyttjar kraften från brytande vågor. Andra utnyttjar svallvågorna. Ytterligare andra utnyttjar trycket från vågor nära havsbotten. Men alla har samma mål: att omvandla vågenergi till elektrisk energi. Denna elektricitet kan användas för att driva elnätet. Det är det nätverk av kablar som överför el till hem och byggnader så att vi kan använda den.

Vågkraft är begränsad till områden nära havet. Kablarna som transporterar el kan trots allt bara vara så långa. Men 40 procent av världens befolkning bor inom 100 kilometer (60 miles) från havet. Det innebär att en hel del lampor, TV-apparater och surfplattor skulle kunna drivas av vågor.

Med allt detta löfte om vågkraft testar forskare hur väl olika typer av generatorer omvandlar havsenergi till elektricitet. Samtidigt försöker de se till att havslivet inte skadas i processen.

Effekt där det behövs

Det första steget för att skapa vågkraft? Att ta reda på var det är bäst att placera energiomvandlarna.

Inte alla kustområden fungerar för att generera vågkraft. Formen på marken under havet förändrar vågornas storlek och form. Vågenergikonverterare är också kostsamma. De bästa platserna bör ha gott om vågkraft, men inte så mycket att omvandlarna kan skadas i en storm.

För att ta reda på de bästa platserna vänder sig forskarna till datormodeller. Joao Morim Nascimento och Nick Cartwright är miljöingenjörer i Australien. Båda arbetar vid Griffith University i Southport, Queensland. En miljöingenjör arbetar för att minska föroreningar och avfall. Paret ville hitta bra platser för vågkraftkonverterare längs landets sydöstra kust. Där ligger flera stora australiensiska städer. Eftersom så många människor bor nära kusten skulle detta område kunna vara utmärkt för vågkraft.

Forskarna började med en befintlig datormodell som kallas SWAN. (Namnet står för Simulating WAves Nearshore.) SWAN utvecklades av forskare vid universitetet i Delft i Nederländerna. Den förutsäger styrkan och placeringen av havsvågsenergi. För att göra detta tar den hänsyn till saker som vind, egenskaper på havsbotten och interaktioner mellan flera vågor.

Morim Nascimento och Cartwright anpassade SWAN så att den kan tillämpas på sydöstra Australien. De lade till detaljer om vattnets djup upp till 50 kilometer (31 miles) från kusten. De lade också in uppgifter om regionens vindar och vågor. Sedan testade de modellen med hjälp av data från bojar i havet. Ingenjörerna finjusterade modellen tills den var nära att förutsäga mängden vågenergi som registrerades av bojarna.

Modellen hjälpte teamet att hitta ”hotspots” – platser med vad Cartwright beskriver som ett ”överflöd av vågenergi”. Varje plats ligger inom 5 kilometer (3 miles) från kusten i vatten som inte är djupare än 22 meter (72 fot). Dessa platser är idealiska, förklarar han, eftersom det är lättare och billigare att få strömmen till land från dessa platser än vad det skulle vara från längre ut.

”Det finns mer än tillräckligt med naturlig energi i havet”, säger han. ”Utmaningen är att utnyttja och omvandla tillräckligt mycket av den till energi” som människor kan använda. En del av den utmaningen är själva havet. Vågorna slår ständigt mot utrustningen. Utrustningen kan också drabbas av extrema väderförhållanden. Mycket stora stormvågor kan skada omvandlarna, säger Cartwright. Han tillägger att salt havsvatten korroderar eller bryter ner metalldelar.

Sjömatta

Vetenskapsmän och ingenjörer prövar många olika sätt att övervinna dessa utmaningar. Deras idéer har lett till många olika typer av konstruktioner. Vissa omvandlare flyter på ytan, kopplade till våggeneratorer på havsbotten. Andra har den ena änden förankrad i havsbottnen medan den andra är fri att vända sig från sida till sida när vågorna sköljer över den. Ytterligare andra använder luft- eller vattentryck för att generera elektricitet.

Ett av de nyaste systemen ser lite ut som en platt matta. Mohammad-Reza Alam och hans team vid University of California, Berkeley utformade omvandlaren för att efterlikna en lerig havsbotten. Platser med mycket lera är bra på att absorbera inkommande vågor, förklarar Alam. Fiskare i grunda hav beger sig ofta till leriga områden när det blir hårt väder. Båtar som ligger där är skyddade från stora vågor när de åker ut i en storm.

Om lera kan absorbera så mycket energi, tänkte Alam, borde en energiomvandlare som agerar som lera göra detsamma. Det skulle göra den extremt effektiv när det gäller att skörda vågkraft.

Den ”matta” som ingår i hans omvandlare är tillverkad av en slät gummiplatta. Den vilar nära havsbotten, där den kan böja och böja sig i takt med vågorna. När den rör sig uppåt och nedåt trycker den inlägg in och ut ur en kolvpump. Pumpen omvandlar kolvrörelsen till elektricitet, som sedan går längs en kabel till elnätet.

Mattan kan ta bort nästan all energi från vågorna, säger Alam. Och den skulle kunna försörja många hem med energi. Varje timme, säger han, ”kan varje kvadratmeter av mattan få ut ungefär 2,5 kilowatt ur vattnet nära Kaliforniens kust”. Det är dubbelt så mycket el som ett typiskt amerikanskt hem använder varje timme

”Om vi vill få samma energi från solenergi”, säger Alam, ”behöver vi 14 kvadratmeter solpaneler”. Det är 14 gånger så mycket! Han säger att en vågmatta i full storlek förmodligen skulle vara cirka 10 meter bred och 20 meter lång. Den skulle alltså kunna generera 500 kilowatt el i timmen – tillräckligt för att driva mer än 400 hushåll – dygnet runt.

Andra platser, till exempel norra Europa, har mer energirika vågor. Så en vågmatta där skulle kunna generera mer elektricitet, konstaterar Alam. Å andra sidan skulle svagare vågor på platser som Mexikanska golfen inte kunna pumpa in lika mycket el i elnätet.

Förankrad i havsbottnen ligger hela konstruktionen precis ovanför havsbotten. Så den är helt utom synhåll. Det är viktigt för många människor som tillbringar tid på stranden. De gillar inte att se stora energiproducerande strukturer (som vindkraftverk) när de är ute och badar eller seglar. Faktum är att många vindkraftverk ligger långt från stranden, så att människor som njuter av stranden inte ser dem. Vågmattan kan dock ligga nära stranden. Det innebär att kablarna som transporterar el till elnätet kan vara mycket kortare. Och den el som genereras av mattan borde därför kosta mindre.

Bra för miljön?

Det råder ingen tvekan om att det är bra för miljön att hitta nya källor till förnybar energi. Mindre föroreningar och färre växthusgaser är bra för människor, växter och djur. Men rena energikällor kan fortfarande orsaka problem.

Vindkraftverk kan till exempel stå i vägen för flyttande fåglar och fladdermöss. (Enligt vissa uppskattningar kan hundratusentals av dessa djur dö varje år av kollisioner med de massiva snurrande bladen). Den lägre höjden på vågenergiomvandlare innebär att de förmodligen inte skulle störa migrerande djur. Men ”vi måste noga överväga deras interaktion med den marina miljön”, säger Deborah Greaves. Hon är havsingenjör vid universitetet i Plymouth i England.

En oro gäller eventuella ekologiska effekter av att absorbera all denna energi från inkommande vågor. (Det är trots allt så de genererar elektricitet – genom att omvandla vågenergi till elektrisk energi). Energi som tas ut från vågorna kommer att minska hur mycket energi som återstår när vågorna fortsätter in mot kusten. De kommer att bli mindre, åtminstone under en viss sträcka. Mindre vågor kan leda till mindre blandning av näringsämnen i vattenpelaren (det är vattnet mellan en viss bit av havsbotten och ytan ovanför den). Detta skulle kunna påverka de arter som lever där, säger Greaves. ”Men det kan också vara en fördel”, tillägger hon. Trots allt kan ”vågenergikonverterare bidra till ett visst kustskydd” genom att minska erosionen.

Elgeneratorerna skulle också kunna påverka hur vilda djur och växter interagerar. Många fåglar och marina däggdjur jagar fisk i områden som kan vara idealiska platser för vågkonverterare. Det är möjligt att omvandlarna till och med skulle kunna locka fiskar till dem om de mindre djur som de äter söker skydd där. Det skulle i sin tur kunna locka till sig hungriga rovdjur. Detta skulle kunna bidra till att öka det marina livet i området. Men fiskar, sälar och andra djur kan också trassla in sig i långa kablar som förankrar ytlevande energiomvandlare. Forskarna måste därför undersöka var de vill installera dessa omvandlare för att se till att de inte skadar de lokala ekosystemen.

Ett annat problem: Konverterarna kommer att bullra. Detta kan vara ett problem för fiskar, delfiner och andra djur som är beroende av ljud för att hitta mat eller kommunicera. Det djupa mullret från en båt och det högljudda pinget från en ekolod orsakar alla möjliga problem för havsdjuren. Dessa djur kan ha svårt att hitta mat eller bli desorienterade. Enligt Greaves är det dock osannolikt att vågkonverterare skapar höga ljudnivåer. Den mest bullriga delen skulle ske när omvandlarna först installeras på någon plats. När de väl börjar fungera bör de vara ganska tysta.

På plussidan kan omvandlare bli basen för ett artificiellt rev om alger, musslor, havstulpaner eller koraller tar sig in i strukturen och börjar växa. Sådana rev ger skydd åt fiskar och annat marint liv. Det skulle kunna öka mångfalden av marint liv i området. De skulle kunna vara till hjälp, så länge dessa djur inte stör vågkonverterarens rörelse.

”Från havets enorma resurser har vågenergin potential att ge ett enormt bidrag till våra framtida behov av ren energi”, säger Greaves. Men, varnar hon, ”det måste göras på ett hållbart sätt, i harmoni med havsmiljön.”