“If we want to avert climate catastrophe, renewables are the only credible path forwards. Only renewables can safeguard our future, close the energy access gap, stabilize prices, and ensure energy security” António Guterres, FNs generalsekretær, 14.januar 2023 (Africa, 2023)
Med en klimakrise mellom hendene har vi ikke noe annet valg enn å se på alternativer til å bruke fossile brensler som vår energikilde. I geofag 2 skal vi se på fornybare energiressurser fra hav og atmosfære.
28.1 Energi og effekt
Energi er evnen til å utføre arbeid. SI-enheten for energi er Joule ($J$). Men det finnes en rekke andre enheter når det er snakk om energi, noen få eksempler er oppgit under;
\(kWh\) (kilowatt-timer)
\(cal\) (kalorier)
\(Sm^3\text{ gass}\) (standard kubikkmeter gass)
Effekt er definert som arbeid per tidsenhet. SI-enheten for effekt er Watt ($W$). Dere legger gjerne merke til at energienheten \(kWh\) eller \(TWh\) inneholder “watt”. 1kilowatttime er den energien du får om du har effekten 1 \(kW\) i en time.
28.2 Energiressurser fra atmosfæren
Når vi snakker om energiressurser fra atmosfæren, så er det mest nærliggende å tenke på vindenergi. Vind er jo luft i bevegelse, altså luft med kinetisk energi. Solen er ikke direkte en del av atmosfæren. Solenergien vi mottar på jorden er såpass preget av atmosfæren vår, at det likevel vil være naturlig å nevne solkraft når vi se på energiressurser fra atmosfæren. Den siste energiressursen som er naturlig å knytte til atmosfæren, er vannkraft. Man kan gjerne si at vannkraften er mer knyttet til jordsystemet hydrosfæren, men tilgangen på vann til vannkraften er knyttet til nedbør og nedbørsfelt. Vi tar derfor også med vannkraft her.
Vindkraft
Vindenergi er energi fra luft i bevegelse. Vind utgjør en form for kinetisk energi. Vindenergi kan omgjøres til vindkraft i et vindkraftverk. Hvis vi skal kunne utnytte den kinetiske energien i vinden til eksempelvis elektrisk energi, så må vi har vedvarende vind.
I Norge har vi gode vindressurser, og det har vært jobbet mye med å utforske og utbygge vindkraftanlegg i Norge i nyere tid. Potensialet for norsk vindkraft er i følge NVE mellom 400 og 1800 TWh/år. Dette vil kreve at opp mot 25 % av Norges landareal settes av til vindparker, noe som vil skape store konflikter.
Det er også store områder utenfor kysten hvor man kan utnytte vinden i vindkraftanlegg (havvindparker). Det er bygget flere parker hvor havvindturbinene er bunnfaste, og de kan bygges på havdyp ned til 50 m. Utbygging offshore er mer kostbart, fordi det er teknologisk og praktisk vanskeligere å bygge ut en vindpark på havet enn på land. Det har også vært mye diskusjon rundt utbygging av flytende havvindturbiner de seinere årene, men her er det enda et stykke igjen før vi har operative kraftanlegg.
Solkraft
Solenergi er energi fra den elektromagnetiske strålingen fra solen. Mengden solenergi jorden mottar fra solen er enormt mye større enn verdens totale energibehov1. Solstrålingen har en intensitet på rundt \(1367 W/m^2\). Som vi så på å i kapittel Del 3.6, så blir det gjennomsnittlige energien som treffer jordoverflaten \(342 W/m^2\). Realiteten er jo at energien ikke treffer likt over hele jordkloden.
1 I henhold til Store Norske Leksikon (per 23.mars 2024) mottar jorden 15 000 ganger så mye energi fra solen enn det samlete behovet. https://snl.no/solenergi
Solen er opphavet til bølger, havstrømmer, vind, og nedbør, og vi utnytter sånn sett solenergien indirekte når vi bruker vindkraft og vannkraft. I dette delkapittel skal vi se nærmere på hvordan vi kan utnytte solenergien mer direkte, ved å omdanne solenergien til elektrisk energi gjennom solkraft.
Solenergi kan utnyttes direkte på nesten hele jordkloden, men kommersielt brukes det mest i områder i subtropene, der solinnstrålingen er høy og områder hvor det gjerne er skyfritt, tørre områder med lite nedbør.
Solenergi til oppvarming
Den letteste måten å utnytte solenergi er til oppvarming. Nesten alle benytter passiv solvarme ved at solen skinner gjennom vinduer på husene sine, og på den måten være med å varme opp hus og hjem. Tørking av høy ute på markene er også en måte å benytte energien fra solen.
En aktiv solvarme krever at man fanger opp varmen fra solen og transporterer den og bruker den et annet sted. Da bruker man solfangere.
Fotoelektrisk kraft
De fleste av oss tenker på solceller når det snakkes om solkraft. I solceller omdannes solenergi direkte til elektrisk kraft. Den tekniske utviklingen har gjort at det har blitt mye billigere å bygge solceller, som gjør at langt flere nå installerer solcellepaneler på hus og hytter.
Vannkraft
Vannkraft er Norges viktigste energikilde og dekker normalt mellom 85 og 90 prosent av den norske strømproduksjonen. Selv om selve kraftverkene og ferskvannsressursene hører til Geofag 1, er tilgangen på vann til vannkraften i aller høyeste grad et atmosfærisk fenomen – det er nedbøren som fyller magasinene.
Nedbørsfeltet som energikilde
Et nedbørsfelt er det landarealet som samler opp nedbør og leder vannet mot ett felles punkt, som regel et vassdrag, en innsjø eller en fjord. Alt regn og snø som faller innenfor nedbørsfeltet vil i teorien renne ned til kraftverkets magasin. Det er altså nedbørsmengde og nedbørsmønster i nedbørsfeltet som avgjør hvor mye energi vi kan produsere.
Norges geografi er gunstig: Atlanterhavet sørger for rikelig nedbør langs vestkysten, og den alpine topografien med bratte daler og høyereliggende fjellplatåer skaper store høydeforskjeller mellom magasinene og kysten. Det er nettopp denne kombinasjonen av mye nedbør og stor fallhøyde som gjør norsk vannkraft til en ekstraordinær ressurs.
Sesongvariasjon og regulering
Nedbøren er ikke jevnt fordelt gjennom året. Om vinteren faller mye av nedbøren som snø og lagres i snødekket på fjellet. Når temperaturen stiger om våren og sommeren, smelter snøen og fyller magasinene. Dette er grunnen til at norske vannkraftmagasiner typisk er på sitt laveste på slutten av vinteren og fylles opp gjennom vår og sommer.
Fordi magasinene kan lagre vann over tid, fungerer vannkraften som et batteri i det nordiske kraftsystemet. Produksjonen kan reguleres opp og ned etter behov, og kan dermed balansere den mer variable produksjonen fra vind- og solkraft. Dette gjør norsk vannkraft til en nøkkelressurs i en fremtidig europeisk energimiks basert på fornybar kraft.
Klimaendringer og vannkraft
Klimaendringene vil påvirke nedbørsmønstrene i Norge, og dermed også tilgangen på vann i magasinene. Som vi så i Del 27.1.2 og Del 27.6, peker prognosene generelt på mer nedbør i Norge, men endringene er ikke like overalt:
- I høyfjellet vil mer nedbør falle som regn fremfor snø, noe som betyr raskere avrenning og redusert snølagring.
- Tidligere snøsmelting om våren kan forskyve den tradisjonelle “vårflommen” som fyller magasinene.
- Mer intense nedbørsepisoder øker risikoen for flom og kan gjøre driften av magasinene mer utfordrende.
Samlet sett er det ventet at norsk vannkraftproduksjon øker noe på lang sikt, men med større sesongmessig variasjon og mer uforutsigbare svingninger fra år til år.
28.3 Energiressurser fra havet
Havet er i konstant bevegelse og rommer enorme mengder energi. Vind skaper bølger, tidevannskrefter flytter på enorme vannmasser, og temperatur- og saltforskjeller skaper strømmer. I dette kapittelet ser vi nærmere på bølgekraft, tidevannskraft, saltkraft og havvarmekraft.
Havbasert vindenergi og havbasert solkraft hører til atmosfæren og er i plassert i Del 28.2.1 og Del 28.2.2.
Bølgeenergi – ressurs og teknologi
Bølgekraft utnytter bevegelsesenergien i havbølger – energien som oppstår når vinden setter havet i bevegelse, slik vi så i kapittel 17.1. Globalt er potensialet for bølgekraft enormt. Globalt anslås bølgekraftpotensialet til 29 500 TWh per år. I Norge alene kunne 20 prosent av bølgekraftpotensialet produsere 12-30 TWh årlig – nok til å forsyne 800 000 til 2 000 000 norske husholdninger.
Energien kan fanges på flere måter:
Flytende bøyer (punktabsorberende systemer): Bøyer på havoverflaten beveger seg opp og ned med bølgene og driver en generator.
Svingende flater (svingende vannsøyle): Bølgene slår inn i et kammer og presser luften i kammeret gjennom en turbin. Når bølgen trekker seg tilbake, suges luften inn igjen gjennom turbinen.
“Bølgeslanger” (overlappingsenheter): Lange, leddede konstruksjoner som ligger og vugger i bølgene. Bevegelsen i leddene driver hydrauliske pumper som produserer strøm.
Norge har særlige fortrinn innen bølgekraft på grunn av lang kystlinje, sterk havteknologiekspertise og gode testfasiliteter. Vestkysten av Norge og Skottland har noen av verdens beste forhold for bølgekraft på grunn av vedvarende dønning fra Atlanterhavet.
Den største utfordringen er å bygge anlegg som er effektive under normale forhold, men samtidig robuste nok til å tåle de ekstreme kreftene i en storm. Dette har gjort utviklingen kostbar og teknologisk krevende.
Tidevannskraft
I kapittel 17.2 lærte du om årsaker til tidevann og hvorfor vi har noen områder som har store vannstandsforskjeller i havområdene våre. Vi så også på at tidevannet skaper sterke tidevannsstrømmer.
Tidevannskraft utnytter energien i tidevannet, som skyldes gravitasjonskreftene fra månen og solen. Denne energikilden er svært forutsigbar, siden tidevannssyklusene er stabile og kjente. Det finnes to hovedmåter å utnytte tidevannsenergi på:
Tidevannsdemninger (barrage): En demning bygges over en bukt eller et elveutløp med stor tidevannsforskjell. Ved flo fylles bassenget på innsiden. Ved fjære slippes vannet ut gjennom turbiner i demningen. Rance-kraftverket i Frankrike er et kjent eksempel.
Tidevannsturbiner: Undervannsturbiner, som ligner på vindturbiner, plasseres i områder med sterke tidevannsstrømmer. Strømmene driver bladene rundt og produserer elektrisitet. Steder som Saltstraumen i Nordland, verdens sterkeste tidevannsstrøm, og Moskenesstraumen i Lofoten har et stort potensial for slik energiproduksjon.
Saltkraft (Osmosekraft)
Saltkraft, eller osmosekraft, er en ren, fornybar energikilde som kan utvinnes der ferskvann møter saltvann, for eksempel i elvemunninger. Prinsippet er basert på osmose: når ferskvann og saltvann skilles av en semipermeabel membran, vil vannmolekylene fra ferskvannet trekkes gjennom membranen for å jevne ut saltkonsentrasjonen. Dette skaper et trykk på saltvannssiden. Dette trykket (osmotisk trykk) kan brukes til å drive en turbin.
Det teoretiske potensialet er stort. Verdens første prototyp på et saltkraftverk ble åpnet av Statkraft på Tofte i Hurum i 2009, men teknologien er fortsatt på et tidlig utviklingsstadium og foreløpig ikke kommersielt lønnsom.
Havvarmekraft (OTEC)
Havvarmekraft, kjent som OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion), utnytter temperaturforskjellen mellom varmt overflatevann og kaldt vann fra havdypet. Dette er mest aktuelt i tropiske områder, der temperaturforskjellen kan være over 20 °C.
I et lukket system brukes det varme overflatevannet til å fordampe en væske med lavt kokepunkt, for eksempel ammoniakk. Gassen driver en turbin, og deretter brukes det kalde vannet fra dypet til å kondensere gassen tilbake til væske, slik at prosessen kan gjentas. Potensialet er stabilt og stort, men teknologien er kompleks og kostbar. Selv om OTEC ikke er relevant for norske farvann, er teknologien viktig i et globalt perspektiv – særlig for øystater og kystland i tropene som har begrensede landbaserte energiressurser.
28.4 Bærekraftig utnyttelse og fremtidsutsikter
For å møte klimakrisen er en overgang til fornybare energikilder som de fra atmosfæren og havet helt nødvendig. En bærekraftig utnyttelse krever imidlertid at vi balanserer energiproduksjon mot andre hensyn.
Areal- og naturinngrep: Vindkraftverk, vannkraftdammer og tidevannsdemninger krever store arealer og kan ha betydelig negativ innvirkning på landskap, økosystemer og biologisk mangfold.
Variabel kraft: Sol- og vindkraft er avhengige av været og produserer ikke kontinuerlig. Dette stiller store krav til et fleksibelt kraftsystem som kan lagre energi (som i vannmagasiner) eller balansere produksjon og forbruk på andre måter.
Teknologi og kostnader: Mange av havenergi-teknologiene, som bølge- og saltkraft, er fortsatt på et tidlig stadium. Høye kostnader og teknologiske utfordringer gjør at det vil ta tid før de kan konkurrere med mer etablerte energikilder.
Fremtidens energisystem vil trolig bestå av en energimiks, der vi kombinerer styrkene til de ulike fornybare ressursene. Regulerbar vannkraft kan levere stabil kraft når det ikke blåser eller er sol, mens havvind kan levere enorme mengder energi. En slik kombinasjon, sammen med energieffektivisering og ny teknologi for energilagring, er nøkkelen til et fullstendig fornybart og bærekraftig energisystem.
