Tema

Vågenergi och fejkad fotosyntes – fossilfri teknik att räkna med

El från sol-, vind- och vattenkraft, geoenergi och biobränsle från olika sorters biomassa är redan väl kända och etablerade som förnybar energi. Men nya uppstickare, som artificiell fotosyntes och vågkraft, förväntas snart ge fossilenergin ytterligare konkurrens.

Vattenkraft behöver inte komma från forsar och stora dammar. Under de senaste decennierna har satsningarna på utvinning av vågkraft från haven ökat. Potentialen är enorm – hela världens nuvarande elbehov skulle kunna täckas av vågenergi, om man lyckades utvinna den och föra elen in till land.

– Potentialen beror fortfarande en hel del av vilken teknik man använder. Det gäller att den inte bara fungerar utanför Skottland, utan även i lugnare vatten där man tar tillvara de dyningar som hela tiden färdas över världshaven, säger Mats Leijon, professor i elektricitetslära vid Uppsala universitet och uppfinnare till en av de mest kända vågkraftteknikerna.

Vågkraft i Lysekil
Huvudsakligen fungerar vågkraftteknik på två olika sätt: antingen utnyttjas kraften i ytvågorna eller i vågorna på botten. Det första vågkraftverket som utvecklades på Uppsala universitet sjösattes 2006 vid en forskningsanläggning i Lysekil på västkusten. Tekniken där, som drivs av ytvågor, består av drygt 20 flytbojar som är förankrade i havsbotten med betongfundament. När havet böljar rör sig flytbojarna upp och ner och driver linjära generatorer som sitter inbyggda i höga stålstrutar på betongfundamenten.

Mats Leijon är också grundare av företaget Seabased som för tre år sedan startade bygget av en av världens största vågkraftparker, i havet nordväst om Smögen (utanför Sotenäs). I januari 2016 började vågkraftparken leverera el till det svenska elnätet via en 10 kilometer lång kabel på havsbotten.

I nuläget har vågkraftparken en installerad effekt om drygt en megawatt, men målet är att bygga ut till cirka tio megawatt. Vågkrafttekniken har även rönt intresse utomlands och flera beställningar på kraftverk från Lysekilsfabriken har kommit från afrikanska Ghana.

Fler vågtekniker
Bojtekniken är dock långt ifrån den enda som prövas för att generera el ur havets vågor. Energibolaget Fortum, som är en av finansiärerna av Sotenäs-projektet, bidrar även till bygget av en vågkraftpark med effekten 1,5 megawatt i franska Bretagne. Tekniken där kallas för Wave Roller och kan beskrivas som stora vipp-paneler på havsbotten. Där på mellan åtta och 20 meters djup vippas panelerna fram och tillbaka av havets svall. Rörelsen driver en hydraulisk kolvpump inuti panelen, som i sin tur genererar el.

Flera olika tekniker utvecklas också vid testanläggningen Wave Hub i brittiska Cornwall. Där finns kapacitet att ansluta effekter upp till 48 megawatt till elnätet samt även testa tidvattenkraftverk. Många försök här finansieras av EU-kommissionens forskning- och utvecklingsprogram Horizon2020.

Ett känt vågkraftverk är den långa, flytande ”ormen” Pelamis som anslöts till det brittiska elnätet redan 2004, från sin placering utanför skottska Orkney. Vågkraftverket som består av fyra stora flytkroppar väger cirka 700 ton och beräknas kunna ge effekten 750 watt. Pelamis, som även prövats utanför Portugals kust, har dock tampats med både tekniska och ekonomiska problem under årens lopp. Tekniken är lovande och kan ge mycket el, men visar samtidigt på vågkraftens svagheter. Kraftverken placeras ofta där det är tuffa väderförhållanden, vilket ställer stora krav på att konstruktionerna är robusta. Enkelhet har visat sig vara en framgångsfaktor, liksom placering av generatorerna på havsbotten.

Oönskad konkurrens
– Sedan handlar det också om mycket stora investeringar – ofta miljardbelopp. Om vågkraften fått samma stöd som vind- och solkraft hade nog utvecklingen gått snabbare. Men här blir det tyvärr en oönskad konkurrenssituation, säger Mats Leijon.

Det gemensamma målet är ändå att erbjuda alternativ till storskalig elproduktion genom förbränning av kol, olja eller naturgas. Och potentialen i vågkraft är så pass stor att den är värd att fortsätta satsa på, menar Mats Leijon.

Så funkar flytbojarna utanför Lysekil

Vågkraftsteknik omvandlar energi från havets vågor till el. Det finns många olika typer av teknik för detta som huvudsakligen fungerar på två olika sätt: antingen utnyttjas kraften i ytvågorna eller i vågorna på botten.

seabased kraftparkEn av världens mest kända vågkraftparker finns på svenska västkusten, nordväst om Smögen. Den består av drygt 20 flytbojar som är förankrade i havsbotten med betongfundament, och är exempel på kraft från ytvågor. När havet böljar rör sig flytbojarna upp och ner och driver linjära generatorer som sitter inbyggda i höga stålstrutar på betongfundamenten. Havet rör sig olika mycket överallt och därför ger varje enskild boj olika mycket ström. För att konvertera energin till efterfrågade 50/60 Hertz växelström används två egenutvecklade växelstationer som även de är placerade på havsbotten. I januari 2016 började vågkraftparken leverera el till det svenska elnätet via en 10 kilometer lång bottenkabel.

Utanför Lysekil pågår sedan 2004 också ett forskningsprojekt, lett av Uppsala universitet, som kontinuerligt mäter vågorna i området. Uppgifter samlas in om våghöjd och våglängd och utifrån det räknas en medelvåghöjd ut. Denna så kallade signifikanta våghöjd är viktig bland annat för beräkningar av hur mycket effekt som flödar in mot försöksområdet. I ”Lyskilsprojektet” sjösätts och testas också olika tekniska lösningar. Här studeras även hur vågkraften kan påverka miljön och de organismer som lever i närheten. Resultaten hittills visar att vågkraft kan ha en positiv påverkan på det lokala ekosystemet, eftersom vågkraftsparkerna fungerar som artificiella rev. Det går inte heller att bedriva storskaligt fiske i områden med vågkraft.

Skapa nya bränslen
Ekonomin är viktig även för en annan uppstickare inom förnybar energi som rönt framgångar på senare tid – så kallad artificiell fotosyntes. Här handlar det inte om att generera el, utan i stället om att producera bränslen på ett nytt, effektivare sätt. I stället för att bryta ner biomassa och omvandla exempelvis spannmål till etanol producerar den artificiella fotosyntesen bränsle direkt i en process.

Kostnaderna här finns ännu så länge främst i laboratorierna där forskarna jobbar på högvarv med att bland annat bygga konstgjorda löv som efterliknar växternas fotosyntes. I de konstgjorda löven används molekyler och material som härmar principerna hos naturlig fotosyntes. De artificiella löven fångar in solljus vars energi spjälkar vatten till syrgas och elektroner. Elektronerna driver sedan en kemisk process som mynnar ut i ett bränsle, exempelvis vätgas eller alkohol. En finess med löven är att de är enkla att tillverka av tunna lager av olika material.

– De konstgjorda löven är jätteviktiga att visa upp och det finns i dag cirka tio olika varianter. Det fortsatta arbetet handlar om hur löven ska skalas upp till fullt fungerande apparater, säger Leif Hammarström, professor i kemisk fysik vid Ångströmslaboratoriet i Uppsala.

Ny typ av solpanel
Målet är nya sorters solpaneler som producerar bränslet direkt. Ännu så länge är det vätgas som är enklast att tillverka. Men forskning och utveckling satsas också på en förlängning av bränsleprocessen som i slutänden ger flytande bränslen som alkaner, metanol eller etanol. Även andra produkter som bioplaster, läkemedel och gödning kan tillverkas med hjälp av artificiell fotosyntes.

Precis som för vågkraften läggs mycket tid och pengar inom konstgjord fotosyntes på att bygga teknik som är tillräckligt stabil och ger god utdelning av energi. Ett viktigt arbete är att utveckla så kallade molekylära katalysatorer som kan ”jonglera” med många elektroner och protoner på samma gång.

– Katalysatorerna fungerar som dirigenter i omvandlingen av solljus till kemisk energi. Det gäller att skapa processer som rör sig ungefär som ett paraply som vänds ut och in, fram och tillbaka väldigt snabbt och lätt, säger Leif Hammarström.

Rekordsnabb katalysator
För fyra år sedan var glädjen stor i laboratoriet på kemiinstitutionen på KTH i Stockholm. Professorn i organisk kemi, Licheng Sun, och hans kollegor förstod då att de lyckats skapa en rekordsnabb katalysator för artificiell fotosyntes. Den molekylära katalysatorn klarade att göra över 300 ”paraplyvändningar”, eller utbyten, per sekund. Det stod sig bra i jämförelse med hastigheten hos den naturliga fotosyntesen som är mellan 100 och 400 utbyten per sekund.

– Det finns många fantastiska katalysatorer redan, men många av dem är främst till för forskning, eftersom de är svåra eller dyra att skala upp, säger Leif Hammarström.

Fortsatt utveckling behövs också av färgämnen som kan efterlikna klorofyllet och fånga in solljuset i konstgjorda löv. I dag används ofta rutenium, men det är ett förhållandevis dyrt och sällsynt material. Tar sig forskarna och teknikutvecklarna över de här och några andra trösklar är potentialen för artificiell fotosyntes mycket stor.

– Solinstrålningen mot jorden är enorm, även långt norrut. Många länder skulle kunna bli självförsörjande på solbränsle och helt bli av med sitt fossilbehov, säger Leif Hammarström.

 Så funkar artificiell fotosyntes

Vid så kallad artificiell fotosyntes efterliknas gröna växters sätt att omvandla solenergi till bränsle. I ett vanligt löv fångas solljus in av färgämnet klorofyll. Elektronerna som då frigörs används till att omvandla koldioxid till kolhydrater som är växtens ”bränsle”. Samtidigt spjälkas vatten i lövet till syrgas, som vi andas.

I konstgjord fotosyntes används molekyler och material som härmar principerna hos den naturliga fotosyntesen. De konstgjorda systemen fångar in solljus vars energi spjälkar vatten till syrgas och elektroner. Elektronerna driver sedan en kemisk process som mynnar ut i ett bränsle, som vätgas eller alkohol.

En viktig del i forskningen är att studera hur man kan kontrollera överföringen av elektroner och protoner mellan molekyler. Bland annat utvecklas molekylära katalysatorer som kan ”jonglera” med många elektroner och protoner på samma gång på ett snabbt och energieffektivt sätt.

Text: Marie Granmar, på uppdrag av forskning.se

Läs också

Smart klädd i 100 procent svenskt papper
20 september, 2017 | Högskolan i Borås
DNA i sedimenten avslöjar när siken kom till sjön
20 september, 2017 | Umeå universitet
Ny kunskap kan ge bättre återvunnet aluminium
18 september, 2017 | Jönköping University
Fiskhonor gillar hanar som sjunger
18 september, 2017 | Göteborgs universitet

Vi finns där du är @forskningsnyhet

Vågenergi och fejkad fotosyntes – fossilfri teknik att räkna med

 lästid ~ 7 min