Dekorativ bild/illustration.
Älvkarlebyfallen i Dalälven. Fotograf: Hansa Blomberg​​​

​​​​

Vind- + solenergi= ny utmaning för vattenkraften

​Vattenkraften har funnits i dryga hundra år, och gör idag närmare halva jobbet för att vi i Sverige ska ha konstant tillgång på el. Men med vind- och solenergins framsteg utsätts vattenkraften för nya prövningar. 
På Institutionen för mekanik och maritima vetenskaper studerar Håkan Nilsson och hans forskargrupp strömningslära, främst i vattenkrafttillämpningar. Men tillämpningarna är många. Håkan Nilsson, som är professor i strömningslära, har bland annat undersökt blodets rörelse i människans aorta, och i ådror i nacken vid whiplash-rörelse. Men hans huvudsakliga forskningsområde är inom vattenkraft, för vilket förutsättningarna nu ändras av de nya intermittenta* energislagen sol och vind. 

Syntolkning: foto på Håkan Nilsson.– Det finns en tendens att enbart fokusera på nya energislag, och samtidigt förutsätta att vattenkraften tar hand om de problem detta ger upphov till. Både i form av tillgång på den effekt som behövs vid varje ögonblick, och i form av att ha en stabil frekvens i elnätet, säger Håkan Nilsson. 

Men så enkelt är det inte. 
Vattenkraft och kärnkraft har länge varit baskraft för elförsörjningen i Sverige, med vardera 45 procent av elproduktionen. Resterande tio procent har sedan en tid till stor del täckts in av vindkraft. Nu är vind- samt solkraft och andra intermittenta förnybara energislag på frammarsch. 

Med en växande andel av dessa sker en ökning av variationerna i producerad effekt, samtidigt som de nya energislagen inte har en naturlig stabiliserande effekt på nätets frekvens. I Sverige har vattenkraften en nyckelroll för att balansera kraftsystemet, både i form av effekt och frekvens, när övrig produktion och användning av elen varierar över tid. 

När du kommer hem från jobbet lagar du mat, kör igång tvätt- och diskmaskin, elbilar ska laddas, och detta sker ungefär vid samma tidpunkter. Alla vill kunna använda el när som helst. Detta gör att energibehovet varierar och det ganska kraftigt under dygnet, men också under året – hus värms upp på vintern och produktionen i fabriker varierar. Många av de apparater vi använder är dessutom beroende av en stabil frekvens i elnätet.

När andelen förnybar elproduktion som exempelvis sol- och vindenergi ökar får vattenkraftens flexibilitet ökad betydelse, bland annat genom korttidsreglering. Effektuttaget från vattenkraft går att variera relativt snabbt, även om det inte var det ursprungliga syftet. Elnätet som sådant kan idag inte lagra överskottsenergi för att användas senare. Inom vattenkraft däremot har man energin lagrad i dammarna. Där ligger den redo att användas när den behövs. Vattenturbinerna är dessutom stora och tunga roterande maskiner, vilket ger en naturlig tröghet i elnätets frekvens. 

Så vattenkraftens roll i det här nya systemet med stor variation i effektuttag och nya energislag som är väderberoende är alltså central.
Det ger vattenkraften en roll som den inte hade ursprungligen. Med sol- och vindenergi i systemet körs turbinerna i kraftverken på ett annat sätt än de designats för. Det gör att vattenrörelsen blir annorlunda och kan skapa mycket stora påfrestningar på både materialen i turbinen och på de omkringliggande strukturerna. Det leder i bästa fall till betydligt ökade kostnader för underhåll och renovering, och i värsta fall till allvarliga haverier som får stora konsekvenser. 

– I vattenkraftens begynnelse var den mer direkt kopplad till ett visst känt och mer kontinuerligt behov av effekt. I och med de nya stora variationerna i både effektuttag och effektproduktion, som orsakas av intermittenta energislagen som sol- och vind, måste vattenkraften sättas på och stängas av frekvent och vara tillgängliga för att snabbt tas i drift. Det kan ge olika typer av skador i form av utmattning som kan ge upphov till sprickor. Kavitationen kan också öka, vilket leder till erosion som skadar turbinen. Det finns ett stort behov av att studera hur vattenflödet beter sig under de nya förhållandena, och att försöka hitta de bästa sätten att reglera vattenturbinerna. 

Under intervjun plockar Håkan Nilsson fram ett färskt exjobb där hans studenter gjort ett arbete som enligt honom ligger i forskningsfronten. I det har de bland annat visualiserat strömningsproblematiken vid variation av driften av en vattenturbin via en film. 

– Det är fortfarande svårt att göra den typen av beräkningar, men vi jobbar vidare i den riktningen för att kunna förstå strömningen under sådana förhållanden på ett bättre sätt. Från min synvinkel handlar detta även om utveckling av nya metoder inom strömningsberäkningar, vilket är kärnan i min verksamhet, även om vattenkraft är min största tillämpning, säger Håkan Nilsson.
Han konstaterar att vattenkraften är viktig i framtidens energisystem, och att den måste klara den omställning som pågår utan att haverera, och det till ett rimligt pris. Eller så måste kostnaderna uppskattas så att de kan tas in via elräkningen.
– Allmänheten måste då också ha förståelse för de extra kostnaderna. 

Av: Ann-Christine Nordin

*Sol-, vind- och vågkraft tillsammans med (vatten-)strömkraft och tidvattenenergi kan idag räknas som intermittenta förnyelsebara energislag.

Fakta.
Vattenkraften i Sverige Vattenkraft är förnybar, bidrar till liten klimatpåverkan i våra nordliga ekosystem och kan fungera som reservkraft för andra mindre reglerbara elproduktionsslag som sol och vind. Men som vattenkraften bedrivs i Sverige idag har den också negativ påverkan på de akvatiska ekosystemen. Mellan 1900 och 1950 anlades ett stort antal vattenkraftverk i Sverige, till en början längs sydsvenska älvar och senare i Norrland. Exempel på sydsvenska kraftverk är Jonsereds kraftstation (invigd 1901), Ebbes kraftstation (invigd 1906) och Olidans kraftverk (invigd 1910) i Göta älv. Olidans kraftverk, även kallad Trollhättans kraftstation var på sin tid "Sveriges nationalkraftverk". Idag står Vattenkraft för cirka 30 - 45 procent av produktionen av elektricitet i Sverige. De mest kraftproducerande älvarna är Lule älv i Norrbotten och Indalsälven som rinner genom Jämtland och Medelpad. De största vattenkraftverken finns i övre Norrland. Genom riksdagsbeslut är Kalix älv, Torne älv, Piteälven och Vindelälven skyddade från vidare utbyggnad. Vattenkraften har en nyckelroll för att balansera kraftsystemet. När andelen sol- och vindenergi ökar får vattenkraftens flexibilitet ökad betydelse, bland annat genom korttidsreglering. Källa: Energimyndigheten och Naturskyddsföreningen.

Fotot på Håkan Nilsson är från Delft University of Technology.
Håkan Nilsson is visiting professor of DCSE at TU Delft during 2018 and 2019

Läs mer om Håkan Nilsson
Chalmers Research - Håkan Nilsson
Håkan Nilsson Visiting Professor TUDelft

Sidansvarig Publicerad: to 23 aug 2018.