Bølgekraftudvalgets Sekretariat

Transkript

1 . Bølgekraftudvalgets Sekretariat Bølgekraftudvalgets Sekretariat RAMBØLL Teknikerbyen Virum Telefon Afsluttende rapport fra Energistyrelsens Rådgivende Bølgekraftudvalg August 2002

2

3 FORORD... 4 GENEREL BESKRIVELSE... 5 RESUME AF BØLGEKRAFTPROGRAMMETS METODER OG RESULTATER... 5 Formidling af resultater... 8 Internationalt... 8 UDVALGETS FORSLAG TIL MARKEDSDREVET UDVIKLING EFTER BILAG BØLGEKRAFTUDVALGET OG BØLGEKRAFTFORENINGEN Bølgekraftudvalgets medlemmer: Bølgekraftforeningen: Bølgekraftprogrammets hjemmeside: BILAG SKEMATISK BESKRIVELSE AF UDVIKLINGSFORLØB FRA IDÉ MOD PROTOTYPE BILAG IGANGSATTE DANSKE PROJEKTER ULTIMO OWC projekter Swan DK3 (Castlemain Scandinavia, DHI)...13 Point absorber projekter Point absorber (RAMBØLL, DMI)...14 Wave plunger (DMI, Leif Wagner Smit)...15 Bølgepumpen (Torge Tveter, Cambi, DMI)...15 Tyngdeflyderen (Aalborg Universitet (AAU))...15 Poseidons Orgel (Birch & Krogboe)...16 Opskylsprojekter Wave Dragon (Löwenmark, Aalborg Universitet (AAU))...17 Bølgehøvlen (Waveplane)...18 Sucking Sea Shaft (SSS)...18 Wave Pyramid...18 Bølgeturbiner og møller Bølgeturbine (Tage Basse og Erik Rossen)...19 AFPRØVNING AF PTO SYSTEMER Vandturbiner Vandturbiner flyder-pumpesystemer...20 Vandturbiner - Opskylsanlæg...21 Hydraulikmotor - hydraulikpumpe systemer...23 Luft turbiner OWC anlæg LANGTIDSAFPRØVNINGER I FOLKECENTERETS PRØVESTATION I NISSUM BREDNING Odin (Frede Hansen)...25 BILAG EKSEMPLER PÅ INTERNATIONALE BØLGEKRAFTPROJEKTER OG TILTAG Wavegen (UK)...26 PICO Plant (Portugal)...26 Arcimedes Swing (Holland/Portugal)...27 Pelamis (UK)...27 Interesse fra Elselskaber Internationale prøvestationer for bølgekraftanlæg Prøvestationer for bølge- og havstrømskraftværker ved Orkney øerne...28 Internationalt bølgekraftcenter I Portugal...28 IEA samarbejde om bølgekraft Status for bølgekraft (UK)...28 Standarder for afprøvning af bølgekraftsystemer (DK)...28

4 BILAG RAPPORTER OG KONFERENCEBIDRAG BILAG DATA BLADE FOR DE ENKELTE PROJEKTER SWAN DK POINT ABSORBER WAVE PLUNGER BØLGEPUMPE TYNGDEFLYDEREN POSEIDONS ORGAN WAVE DRAGON BØLGEHØVLEN POWER PYRAMID TAGE BASSES BØLGETURBINE BØLGEMØLLE BARTHOLINS ROTERENDE BØLGEENERGIABSORBER DANISH WAVE POWER APS MIGHTY WHALE ( OWC ) JAPAN PICO PLANT (OWC) PELAMIS (SKOTLAND, UK) BILAG ENERGI OG ØKONOMI Introduktion HAVBØLGERNES ÅRSFORDELING Havbølger i den danske del af Nordsøen Referencefordeling af signifikante bølgehøjder H s SAMMENFATNING AF DATA FOR DE FORSKELLIGE BØLGEKRAFTSYSTEMER Resultater af forsøg Omsætning mellem model og fuld skala BØLGEMASKINERNES HOVEDDATA Hoveddimensioner L, B og H Egenvægt M Volumen V Forankringssystem Samlet vægt Power take-off system SAMMENFATNING AF BØLGEKRAFTMASKINERNES HOVEDDIMENSIONER BØLGEKRAFTANLÆGGENES ÅRLIGE ENERGIABSORPTION Den hydrodynamiske virkningsgrad η BEREGNING AF SYSTEMERNES ENERGIPRODUKTION Power take-off systemets virkningsgrad η Installeret Effekt P rated Bølgekraftanlæggenes elektricitetsproduktion pr. år Elektricitetsproduktion pr. volumen- og masseenhed Systemernes kompleksitet Tidligere studier om bølgekraftøkonomi ØKONOMISK SAMMENLIGNING AF DE ENKELTE SYSTEMER Den strukturelle konstruktion Power take-off KONSTRUKTIONERNES VÆGT OG VÆGTFORDELINGEN SAMMENLIGNING AF SYSTEMERS ØKONOMI Pris pr installeret effekt [K/P]

5 Fuldlast timer [E/P] Energipris [K/E] FORSLAG TIL FORTSAT ARBEJDE Optimering Forankringssystem OPBYGNING AF ET STORT BØLGEKRAFTVÆRK 300 MW

6 Forord I forbindelse med finanslovsaftalen i 1997 mellem Socialdemokratiet, Radikale Venstre, SF og Enhedslisten blev der bevilget 40 millioner kroner til et fireårigt udviklingsprogram for Bølgekraft. Samtidig blev det fra nogle af aftaleparterne foreslået, at programmet kunne forlænges med yderligere fire år, hvis resultaterne pegede på et behov for dette. Formålet med dette program var at medvirke aktivt til at fremme mulighederne for, at bølgekraft på længere sigt kunne indgå på lige fod med andre vedvarende energikilder som fx vindkraft i en bæredygtig energiforsyning. Programmet skulle administreres af Energistyrelsen, og til at varetage den faglige koordinering blev der nedsat et rådgivende Bølgekraftudvalg med repræsentanter fra forskningen, en række relevante maritime og hydrauliske institutter, Nordvestjysk Folkecenter for Vedvarende Energi samt fra Bølgekraftforeningen. I de første fire år af bølgekraftprogrammet er der blevet afprøvet en bred vifte af systemer og anlæg for at finde frem til de optimale løsninger. I slutningen af 2001 var arbejdet nået så langt, at Bølgekraftudvalget besluttede at fokusere på nogle få konkrete anlægsforslag og at anbefale støtte til disse med større beløb i forbindelse med pilotprojekter som et sidste led inden en kommercialisering. Dette ville således have været hovedopgaven i den forventede fireårige forlængelse af bølgekraftprogrammet. I finanslovsaftalen for 2002 mellem Venstre, Det Konservative Folkeparti og Dansk Folkeparti blev forlængelsen af bølgekraftprogrammet imidlertid ikke inkluderet, hvorefter programmet formelt måtte afsluttes i marts Den fortsatte danske udvikling af anlæg til bølgekraft er dermed indtil videre overladt til private investorer. Formålet med denne afsluttende rapport fra Bølgekraftudvalget er at medvirke til, at de indhøstede erfaringer ikke går tabt, men står til rådighed for potentielle interessenter. Rapporten indeholder således en beskrivelse af de vigtigste resultater sammen med Bølgekraftudvalgets forslag til en videreførelse arbejdet frem mod en kommercialisering af de mest lovende anlægsforslag. Niels I. Meyer Formand for Bølgekraftudvalget i perioden August

7 Generel beskrivelse Resume af bølgekraftprogrammets metoder og resultater I dette afsnit vil der blive givet et resume af bølgekraftprogrammets metodegrundlag og dets vigtigste resultater. En mere detaljeret beskrivelse kan findes i bilagene. Afsnittet afsluttes med Bølgekraftudvalgets anbefalinger vedr. det fortsatte arbejde med en kommercialisering af de mest lovende forslag til bølgekraftmaskiner. Den oprindelige handlingsplan for bølgekraftprogrammet blev udarbejdet i [1] (se referenceliste i bilag 5). Her blev der lagt vægt på følgende punkter: At etablere et tværfagligt udviklingsmiljø på bølgekraftområdet. At støtte et samarbejde mellem udviklere af bølgekraftsystemer. At skabe åbenhed om resultater. At finde frem til lovende bølgekraftmaskiner gennem fortsat forskning og udvikling. At inddrage ekspertise fra beslægtede industrier, når det er muligt. At udnytte den viden, der findes i tidligere og parallelle danske og internationale bølgekraftprogrammer. Ved udarbejdelsen af handlingsprogrammet byggede man bl.a. på de gode erfaringer, der var opnået med udviklingen af dansk vindkraft gennem en bred base af aktive teknologiudviklere, hvor en række forskellige maskintyper fik mulighed for at blive afprøvet. Til forskel fra Danmarks århundrede lange tradition med anvendelse af vindkraft, måtte det nye bølgekraftprogram imidlertid baseres på mindre omfattende og mere spredte praktiske erfaringer. Dog kunne man bygge på mere end 20 års erfaringer med udnyttelse af bølgekraft i Danmark og i udlandet, selvom ingen af de fremkomne bølgemaskiner kan siges at repræsentere et reelt teknologisk gennembrud. Programmet har været administreret af Energistyrelsen, og den faglige koordinering har været varetaget af et rådgivende Bølgekraftudvalg, hvis medlemmer er angivet i bilag 1. Desuden har Bølgekraftforeningen medvirket i relation til nye projekter i deres indledende fase, som angivet nedenfor. Firmaet Rambøll, som gennem en årrække har været aktivt involveret i udvikling af et bølgekraftkoncept, har fungeret som sekretariat for Bølgekraftudvalget. Afprøvningen af de forskellige bølgemaskiner er forgået i bølgetanke på Dansk Hydraulisk Institut (DHI), Dansk Maritimt Institut (DMI) og Aalborg Universitet (AAU). Desuden er der blevet opbygget en speciel prøvestation i Limfjorden ved Nissum Bredning drevet af Nordvestjysk Folkecenter for Vedvarende Energi med særligt henblik på afprøvning af nye koncepter i deres indledende fase. Prøvestationen er dog også blevet anvendt til projekter i videregående faser. 5

8 Programmets struktur har været opbygget på basis af tre udviklingsfaser: Fase 1: Omfatter en indledende afprøvning af et nyt koncept. Her gives støtte til bygning af model og til efterfølgende simpel afprøvning i en bølgetank eller på Folkecenterets prøvestation ved Nissum Bredning. Af de ca. 40 fase 1 projekter som er gennemført blev ca. 20 afprøvninger gennemført på Aalborg Universitet (AAU), som efterhånden fik opbygget en rutine mht. afprøvning, simple målinger og rapportering inden for de begrænsede økonomiske rammer, medens ca. 15 fase 1 afprøvninger er gennemført ved Folkecenterets prøvestation. [9] (se referenceliste i bilag 5) Afprøvningen belyser primært funktion og sødygtighed, suppleret med en simpel måling af maskinens effektydelse. Resultater og erfaringer er blevet fremlagt og diskuteret på bølgetræf, som Bølgekraftforeningen arrangerede ca. to gange om årligt. Beløbsrammen ved afprøvninger i fase 1 har typisk været kr. til kr. Den faglige koordinering af denne fase har været varetaget af Bølgekraftforeningens konceptudvalg i samarbejde med Energistyrelsen. Fase 2: Omfatter videregående udvikling og afprøvning af udvalgte koncepter med henblik på at opnå kvantitative resultater for holdbarhed og energieffektivitet m.v. De 15 projekter, som har været afprøvet på fase 2 niveau, er beskrevet med datablade i bilag 7. Undersøgelserne er foretaget i bølgetanke og i særlige tilfælde er bølgemaskinen efterfølgende udlagt ved prøvestationen i Nissum Bredning til langtidsprøvning. I forbindelse med afprøvningerne i fase 2 er der opbygget faciliteter på DTU til udvikling og afprøvning af systemer til omformning af den mekaniske energi i bølgemaskinen til elektricitet (Power Take-off systemer). Det drejer sig bl.a. om vandturbiner, luftturbiner og hydrauliksystemer. Støtterammen for projekter i fase 2 har typisk været op til ca kr. Den faglige koordinering af denne fase har været varetaget af Bølgekraftudvalget i samarbejde med Energistyrelsen. Fase 3: Var planlagt at omfatte afprøvning af pilotprojekter i havet som et sidste skridt inden en kommercialisering af konceptet. Kun et enkelt projekt (overskylningsanlægget Wave Dragon) nåede frem til denne fase, inden programmet måtte afsluttes på grund af den manglende finanslovsbevilling for Udvalgets begrundelse for at støtte netop dette projekt var en afvejning af flere forhold, bl.a. at der bag projektet var dannet et netværk af firmaer, som havde etableret et samarbejde og opnået støtte fra EU. Efter det danske tilsagn har projektet fået tilsagn om yderligere 10 mio. kr. gennem EU til supplerende instrumentering og målinger. Projektet forventes søsat ved prøvestationen i Nissum Bredning i år Denne fase har været varetaget af Bølgekraftudvalget i samarbejde med Energistyrelsen. Den forudsete støtteramme har været 10 til 20 millioner kr. pr. projekt. En skematisk beskrivelse af et ideelt udviklingsforløb fra idé til prototype er givet i bilag 2. Programmet havde økonomisk mulighed for at støtte projekterne med op til 100%. Den relativt høje støtte har været nødvendig for at stimulere udviklingen på dette 6

9 tidlige trin af bølgekraftens udvikling. Til gengæld blev der stillet krav om, at resultaterne blev offentligt tilgængelige. Dette er et væsentligt punkt, som betød, at de mange koncepter og ideer kunne vekselvirke indbyrdes. Således kunne delkomponenter udviklet i forbindelse med et bestemt projekt stå til fri rådighed for andre projekter. Bilag 7 giver en mere detaljeret oversigt over igangsatte danske projekter ultimo I tabel 1 gives en oversigt over de fire års støtte til bølgekraft. 1. Bølgekraftforeningens regi Støtte til nye ideer Bygning og drift af udendørs afprøvnings faciliteter i Nissum Bredning Bølgekraftforeningen, formidling af resultater, afholdelse af træf m.m I alt vedr. fase 1 i Bølgekraftforeningens regi: Bølgekraftudvalgets regi Sekretariatsudgifter Fase 2 projekter Fase 3 projekt Overordnede forhold vedr. bølgeenergi Formidling og videnspredning I alt i Bølgekraftudvalgets regi: Tabel 1: Iværksatte projekter og tilsagn i tusinde kroner for perioden For at muliggøre en kvantitativ sammenligning mellem forsøgsresultater for de forskellige bølgemaskiner, har Bølgekraftudvalget udarbejdet retningslinier for afprøvning og rapportering [2] se litteraturlisten i bilag 5. Disse retningslinier er efterfølgende oversat til engelsk, som dansk forslag til internationale standarder for afprøvning af bølgekraftmaskiner i forbindelse med IEA-samarbejdet om havenergi (se jvf. bilag 4. Udover kendskabet til bølgemaskinens virkningsgrad ved omformning af bølgenergien til elektricitet er det af betydning af kende kapitalomkostningerne for maskinen. Foreløbige og forenklede økonomiberegninger har været gennemført for de koncepter, som har været gennem afprøvninger i fase 2, idet der har været anvendt standardiserede priser for konstruktionsmaterialerne. De detaljerede resultater er gennemgået i bilag 8, og nedenstående tabel 2 illustrerer nogle nøgletal for de to systemer, som udviste den bedste økonomi ud fra de givne forudsætninger. Til sammenligning er i tabellen medtaget typiske tal for en moderne havvindmølle. Nøgle tal Wave Plunger Bølgepumpen Vindkraft off-shore K/P [kr./kw] E/P [fuldlast-drifttimer/år] K/E [kr/kwh pr. år] 8 9 3,4 Tabel 2: Nøgletal for to udvalgte bølgemaskiner i sammenligning med en moderne havvindmølle. K er investeringsomkostninger i kroner, P er installeret effekt i kw, og E er den årlige elproduktion i kwh. Det fremgår af tabel 2 og tabel 8.14 i bilag 8, at de bedste bølgekraftmaskiner afprøvet under bølgekraftprogrammet på forsøgsstadiet er omkring 2,5 gange dyrere 7

10 til produktion af el, end en moderne vindmølle til havs. Dette udelukker dog ikke, at den videre udvikling af bølgekraften kan føre frem til konkurrencedygtige maskiner. I den forbindelse bør det erindres, at produktionsprisen for el fra vindmøller er faldet med omkring en faktor 5 i løbet af den sidste snes år. Formidling af resultater Resultater og beskrivelser findes på hjemmesiden for bølgekraft som med støtte fra bølgekraftprogrammet blev etableret som et væsentligt led i formidlingsindsatsen omkring bølgekraft. Hjemmesiden suppleres af pjecen Fakta om bølgeenergi, udarbejdet af Energicenter Danmark med støtte fra Energistyrelsen [7]. Endvidere engagerede Bølgekraftudvalget Loke Film til at optage afprøvningerne af de forskellige bølgekraftmodeller på video med henblik på en film egnet til TV, som visuelt kunne formidle bølgekraftudvikling og det bølgekraftmiljø, som Bølgekraftprogrammet skabte. I forbindelse med det fjerde Europæiske Bølgekraftsymposium, som blev afholdt på Aalborg Universitet i December 2000, udarbejdede Loke Film en kort og teknisk orienteret film [6] baseret på optagelserne, som blev vist som indledning til Symposiet. Endelig har Folkecenteret med støtte fra Energistyrelsen opbygget af en udstilling af de afprøvede bølgekraftmodeller med tilhørende forklaring af principper. Internationalt En række udenlandske bølgekraftprojekter har været gennemført eller er under udvikling, blandt andet i Storbritannien, Norge, Portugal, USA og Japan. Ingen af disse projekter har endnu ført til et kommercielt gennembrud for bølgekraften. En oversigt over nogle af de internationale projekter er givet i bilag 4 og 7. På den baggrund må Danmark tillægges ligeså store muligheder som de ovennævnte lande for at etablere en industriel sektor indenfor bølgekraft, især fordi vi har skabt et udviklingsmiljø med en bred sammensætning af forskere, opfindere og institutter. Udvalgets forslag til markedsdrevet udvikling efter 2001 Med udsigten til en fortsættelse af bølgekraftprogrammet i en periode på yderligere 4 år og på basis af den afklaring, der var opnået i programmets første 4 år fremsatte udvalget medio 2001 forslag til ændringer i programmet, som kunne øge et industrielt engagement. Planen var at flytte vægten fra Bølgekraftprogrammets teknologi/opfinder drevne udvikling hen imod en markedsdrevet/industriel udvikling. Dette ville indebære en inddragelse af potentielle industrielle investorer i en systematisk analyse af de mest lovende koncepter og deres delkomponenter, samt i planlægningen af den videre udvikling frem mod en kommercialisering. Det var Bølgekraftudvalgets vurdering, at den kortsigtede økonomi for selv de bedste danske koncepter på det nuværende udviklingsstade ikke er god nok til at tiltrække tilstrækkelig privat investeringskapital. Der vil derfor være behov for fortsat offentlig økonomisk støtte under den videre udvikling frem mod kommercialisering i 8

11 forbindelse med projekter under og efter fase 3, ligesom der vil være behov for støtte til dannelse af effektive udviklingskonsortier. Interesserede aktører til sådanne konsortier må typisk søges blandt: Opfindere Investorer Entreprenører Olieselskaber Skibsværfter Maskinværksteder Energiproducenter Til gennemførelse af et sådant udviklingsforløb mod en kommercialisering har Bølgekraftudvalget følgende konkrete anbefalinger: 1) Der er behov for projektledere, der kan koordinere den nødvendige indsats, samt udarbejde prospektmateriale, forretningsplaner og formidle de kontakter, der er behov for ved etablering af et forum af interessenter. Koncepter, der vurderes at være tilstrækkelige perspektivrige, skal have mulighed for at få delvis offentlig økonomisk støtte til honorering af en projektleder. 2) Udviklingen kan fremskyndes ved at afholde temadage, hvor relevante aktører indbydes. Det overordnede formål er at fokuserer på kommercialisering og belyse de forskellige aktørers interesser. Temadagene anses som vigtige, idet de kan være en billig og effektive måde til at nå ud til en bredere kreds. For at give temadagene tyngde bør de afholdes af eksempelvis Energistyrelsen. 3) Der bør udarbejdes en vejledning til hvorledes og i hvilket regi, der kan etableres en forretningsmodel og en køreplan for konkrete projekter. 4) Der bør oprettes en speciel havbaseret prøvestation for afprøvning af prototyper af bølgekraftmaskiner i lighed med prøvestationen for vindmøller. Dette er af væsentlig betydning for at opnå holdbare og driftssikre maskiner. Prøvestationen vil kræve faciliteter til bølge-, vandstands- og vindmålinger, samt målinger med henblik på evaluering af systemernes energiproduktion, overlevelsesevne, levetid og design. Elektricitet kan føres til land via et fælles søkabel. De nødvendige økonomiske ressourcer for at gennemføre disse aktiviteter forventes at kunne finansieres via offentlige og private nationale midler og tilskud fra EU. 5) Der bør etableres et nyt Bølgekraftudvalg, fx i regi af Energistyrelsen, med fokus på en videreudvikling og kommercialisering af de mest lovende koncepter og med deltagelse af relevante interessenter fra industrien. Det nye Bølgekraftudvalg skal bl.a. screene de forretningsplaner, der fremkommer, med henblik på at udvælge de mest lovende forslag og indstille dem til den nødvendige offentlige støtte, herunder 9

12 muligheden for en gunstig pris for den producerede elektricitet i en demonstrationsperiode, således som det har været tilfældet for el fra vindkraft. Endnu har intet land formået at opretholde et kontinuerligt bølgekraftprogram over flere årtier, men i udlandet er man begyndt at interessere sig for den danske model, som har været anvendt med succes på vindkraftområdet baseret på en massiv og kontinuerlig national støtte over flere årtier samt en bred folkelig accept og deltagelse. Måske vil nationer som Storbritannien, Irland eller Portugal tage denne model op for at gøre deres nation førende på bølgekraftområdet. Der er endnu mulighed for, at Danmark også kan være med i den udvikling, hvis de ovenstående anbefalinger implementeres. 10

13 Bilag 1 Bølgekraftudvalget og Bølgekraftforeningen Bølgekraftudvalgets medlemmer: Formand: professor Niels I. Meyer (Danmarks Tekniske Universitet) Øvrige medlemmer: Afdelingsleder Michael McDonald Arnskov (Dansk Maritimt Institut) Lektor Carl Erik Vad Bennetzen (Bølgekraftforeningen og Odense Teknikum) Professor Hans F. Burcharth (Aalborg Universitet) Civilingeniør Jan Bünger (Energistyrelsen) Afdelingsleder Vagner Jacobsen (Dansk Hydraulisk Institut) Forstander Preben Maegaard (Nordvestjysk Folkecenter for Vedvarende Energi) Formand Stig Vindeløv (Bølgekraftforeningen). Civilingeniør Lic. techn. Kim Nielsen (RAMBØLL) har fungeret som udvalgets sekretær. Desuden har professor Jens Nørkær Sørensen (DTU) deltaget i udvalgets møder som faglig konsulent. Bølgekraftforeningen: Bølgekraftforeningen blev stiftet d. 8. marts 1997 i Odense med det formål at fremme udviklingen af bølgekraft bl.a. ved at skabe et forum for videnudveksling og debat samt at skabe adgang til afprøvning af nye ideer til bølgekraftmaskiner. Foreningen har i dag ca. 120 betalende medlemmer og har sekretariat hos Nordvestjysk Folkecenter for Vedvarende Energi. Bølgekraftforeningens telefon: og mail-adresse: [email protected] Bølgekraftprogrammets hjemmeside: Informationer om Bølgekraftprogrammets resultater samt links til internationale aktiviteter kan findes på: 11

14 Bilag 2 Skematisk beskrivelse af udviklingsforløb fra idé mod prototype Nedenfor er givet en skematisk illustration i processen fra idé til afprøvning af en prototype på en ny bølgemaskine. Efter hvert trin gennemføres en teknisk og faglig evaluering af de opnåede resultater. Idé Ansøgning til Bølgekraftforeningen Bølgekraftforeningens konceptudvalgs behandling Model af princip, Fase 1 og Fase 1 forsøg (visualisering og simple målinger) Fremlæggelse og diskussion på bølgetræf Ansøgning om mellemfaseafprøvning Bølgekraftudvalgets anbefalinger Fase 2 afprøvning (måling af energiproduktion og overlevelse), Ansøgning om videreudvikling Bølgekraftudvalgets anbefalinger Fase 2 udvikling (optimering af energiproduktion og overlevelse og teknisk-økonomisk vurdering), Bølgekraftudvalgets anbefalinger Fase 3 Prototypeudvikling og forsøg, Fase 4 Demonstrationsforsøg, Markedsdannelse Fase 5 Kommercialisering I praksis har udviklingsforløbet vist sig at være mere komplekst, men den faseopdelte opbygning af programmet har sikret Bølgekraftudvalget en god mulighed for at følge udviklingsresultaterne og derigennem forbedret muligheden for faglig stillingtagen til evt. efterfølgende tilskud til optimering og forbedring af komponenter, stabilitet og virkningsgrad m.m. 12

15 Bilag 3 Igangsatte danske projekter ultimo Siden statusrapporten 2000 er der udført nye modelforsøg med reviderede design af igangsatte projekter, og nye projekter er kommet til. De iværksatte projekter vil kortfattet blive gennemgået, og den økonomiske status i de reviderede projekter præsenteres. Der er tale om sammenfatning af resultater baseret på modelforsøg. OWC projekter Swan DK3 (Castlemain Scandinavia, DHI) De senest udførte forsøg med Swan DK3 er udført med henblik på at bestemme belastninger af ankersystemet samt udføre et designstudie m.h.t. materialevalg. På den baggrund er konstruktionen foreløbig projekteret som en stålkonstruktion og med forslag til udvikling af en ny type luftturbine. Udviklingen af den nye turbine er iværksat på DTU og beskrives under forsøg med power take-off. Visualisering af Swan DK3 som del af Loke s video om de forskellige bølgekraftsystemer. 13

16 Point absorber projekter Point absorber (RAMBØLL, DMI) Point absorberen er udviklet gradvis i størrelse gennem Bølgekraftprogrammets første fire år. Point absorberen er en flyder, der bevæges op og ned af bølgerne og aktiverer en hydraulisk pumpe, som driver en hydraulisk motor og generator, der producerer elektrisk energi. En model i skala 1:4 med hydraulikmotor og en DC generator på ca. 1kW er afprøvet på DMI. Forsøgene viste, at der blev absorberet mellem 20 og 22% af bølgernes energi. Endvidere er der udviklet en numerisk model, som kan simulere flyderens bevægelser og energiproduktion. Den numeriske model er bl.a. benyttet til at beregne energiproduktion og kræfter i point absorber systemerne Odin og Bølgepumpen. Energiomformningssystemet og måleudstyret er blevet udviklet i samarbejde med afdelingen for Maskin- og Konstruktionsteknik (MEK) på DTU. Point Absorber med diameter 2.5 meter afprøves på Dansk Maritimt Institut, marts

17 Wave plunger (DMI, Leif Wagner Smit) Wave plungeren, som er designet af Dansk Maritimt Institut, er udformet med en flyder, der har en bred front mod bølgerne og bevæges op og ned af et skråt plan. Teoretiske resultater og forsøg udført af bl.a. Stephen Salter, UK viser, at flydere med en sådan asymmetrisk geometri og bevægelse i princippet skulle kunne absorbere bølgernes energi meget effektivt. Resultaterne af forsøgene udført dels på DMI og dels på DHI i 3D bølger viser da også, at systemet er blandt de mest effektive absorbere med virkningsgrader op til på ca. 25% i uregelmæssige bølger. Wave Plunger afprøves på DMI Bølgepumpen (Torge Tveter, Cambi, DMI) Bølgepumpen, som er baseret på en norsk ide om at udvikle korrosionsfri, billige havvandspumper i polyethylenrør, bliver aktiveret af en flyder. Projektet gennemføres i et samarbejde mellem opfinderen og firmaet Cambi i Danmark. Selve pumpen udgør forbindelsen mellem flyder og havbunden, og ideen er at samle energien fra flere pumper til en fælles turbine på havbunden. Tyngdeflyderen (Aalborg Universitet (AAU)) Tyngdeflyderen er ligesom wave plunger en langstrakt flyder, som opsamler energien over en bred front. Forsøg er gennemført på Aalborg Universitet med henblik på at afklare om liftkræfter fra det vingeformede profil kan øge energiabsorptionen. Forsøgene viste imidlertid, at energiproduktionen var stort set den samme som fra en flyder, som ikke var vingeformet, men med samme vandlinieareal, bredde, masse og opdrift. 15

18 Poseidons Orgel (Birch & Krogboe) Poseidons Orgel er tænkt som et stort flydende bølgekraftanlæg, som består af ca. 20 flydere, der vipper i forhold til en stor flydende stålramme. I fuld skala er der tale om en installeret effekt på ca.15 MW og en konstruktion, der er ca. 380 meter bred. Kraftværket er det største projekt, som undersøges. Efter de indledende forsøg på Aalborg Universitet er der blevet udført en række forsøg på DHI med henblik på optimering af de enkelte flyderes geometri og massefordeling. Forsøgene med en flyder, der bevægede sig i forhold til en fastholdt akse, viste virkningsgrader på mellem 20 og 35%. Efterfølgende er bygning af en stor samlet model i skala 1:50 bygget og klar til afprøvning på DHI. Lille Poseidon ( i skala 1:50) blev søsat på DHI den 12 dec

19 Opskylsprojekter Wave Dragon (Löwenmark, Aalborg Universitet (AAU)) Wave Dragon er et bølgekraftanlæg, som virker ved, at bølgerne skyller op i et flydende bassin med en vandstand, som ligger over havets middel niveau. Fra dette bassin ledes vandet tilbage i havet gennem turbiner, der driver generatorer. I samarbejde med Aalborg Universitet og flere internationale samarbejdspartnere er projektet blevet udviklet og optimeret. Resultaterne viser, at Wave Dragon optimalt kan absorbere ca. 20 % af bølgernes energi, som fanges mellem de langstrakte fangarme. Projektet er har udover støtte fra det danske Bølgekraftprogram modtaget støtte fra EU. Projektet modtog i sommeren 2001 tilsagn om støtte på ca. 10 mio. kr. til bygning af en stor model i skala 1:4.5 som skal afprøves i Folkecenterets prøvestation ved Nissum Bredning. Forsøg med Wave Dragon på Aalborg Universitet i skala 1:100 17

20 Bølgehøvlen (Waveplane) Bølgehøvlen er et andet projekt, hvor bølgernes energi omformes direkte til udnyttelse i en vandturbine. I dette tilfælde til en roterende strømning i et rør, som driver en turbine. For at udvikle projektet er der iværksat en koordineret afprøvning af bølgehøvlens funktion i bølger på DHI og tilpasning og afprøvning af turbine på DTU. Foto af Bølgehøvlen under afprøvning på DHI efteråret Sucking Sea Shaft (SSS) Projektet har fået midler til udarbejdelse af et forprojekt med henblik på at vurdere mulighederne for at genbruge skibsskrog til bygning af bølgekraftværker. Som en del af forprojektet er anlæggets energiydelse beregnet ved brug af de empiriske formler for opskylsmængder, som Aalborg Universitet har udviklet i forbindelse med Wave Dragon projektet. Wave Pyramid Wave Pyramid er et opskylsanlæg, hvor havvandet kan ledes op i reservoirer med forskellige højder over havet. Tanken er, at havvandet fra de forskellige højder kan udnyttes ved kontrolleret strømning gennem en turbine. 18

21 Bølgeturbiner og møller Bølgeturbine (Tage Basse 1 og Erik Rossen) Bølgeturbinen, som vist på nedenstående figur, består af vandret liggende vinger som roterer om lodrette tårne, der flyder i havet. Efter indledende forsøg på Aalborg Universitet blev der gennemført yderligere forsøg med optimering af energioptagningen. Projektet videreføres nu af Erik Rossen i samarbejde med Ecophys i Holland, som også arbejder med havstrøms projekter. En el-producerende model er under afprøvning ved Folkecenterets prøvestation i Nissum Bredning. Visualisering af Tage Basses Bølgeturbine projekt Projektet som det videreføres af Erik Rossen i samarbejde med Ecophys 1 Tage Basse, døde i år

22 Afprøvning af PTO systemer I løbet af år 2000 og 2001 er der blevet opbygget prøvestande på DTU til afprøvning af power take-off (PTO) systemer baseret på hydraulik, vandturbiner og luftturbiner. Vandturbiner Vand turbiner som driver en elektrisk generator indgår i flere projekter som en metode til omformning af bølgernes energi. Vandturbiner flyder-pumpesystemer En del bølgekraftværker er baseret på et princip, hvor flydere, der aktiverer pumper, samler energien til en fælles turbine-generatorenhed. Disse pumper kan levere vand med et relativt højt tryk, som kan udnyttes i konventionelle vandturbiner. En nedsænkbar turbine-generatorenhed udviklet af Flygt Pumper blev afprøvet på DWP s bølgekraftanlæg ved Hanstholm. Poseidons Organ, som er under afprøvning på DHI, projekteres med havvandspumper, som pumper havvand til en fælles turbinegeneratorenhed. Flygt turbine-generatorenhed på 45 kw 20

23 Vandturbiner - Opskylsanlæg Vandturbiner til opskylsanlæg er karakteristiske ved, at der er tale om at udnytte en relativ lille faldhøjde på mellem en og tre meter. Dette betyder, at der skal benyttes en langsomt roterende turbine med en større diameter i forhold til turbiner, der udnytter større faldhøjder. Wave Dragon Den samlede energiomformningsvirkningsgrad for Wave Dragon er foreløbig omkring 50%. Den fortsatte udvikling sigter bl.a. imod at forbedre denne. Wave Dragon er forsynet med et bassin, som kan lagre energien i en kortere periode afhængig af, hvor meget vand der skyller op over kanten, og hvor meget vand der ledes ud gennem vandturbinerne. De vandturbiner og den styringsstrategi, som indgår i Wave Dragon er udviklet med henblik på at minimere de tab, der opstår, hvis vandoverfladen i reservoiret er under kanten af overskyldsniveauet. Udviklingen sker i et samarbejde mellem bl.a. Löwenmark, Aalborg Universitet og Universitetet i München som del af et Joule Craft projekt. PTO virkningsgraden η pto for Wave Dragon kan skrives som produktet af reservoir virkningsgraden η r, turbinevirkningsgraden η t og generator η g. η pto = η η η r t g Den samlede energiomformningsvirkningsgrad for Wave Dragon er foreløbig omkring 50%. Den fortsatte udvikling sigter bl.a. imod at forbedre denne. Prøvestand for vandturbine til Wave Dragon på det Tekniske Universitet i München 21

24 Bølgehøvlen Specielt for Bølgehøvlen omsættes bølgernes energi ved opskyllet dels ved, at en del af vandet lagres som potentiel energi i indløbstragte og dels ved at en del går direkte til en roterende strømning i et vandret liggende rør. Ved udløbsenden af røret placeres en turbine, som skal drives af den roterende strømning og drive en generator. For at afklare hvor stor en del af energien i den roterende strømning, der kan udnyttes af en turbine afhængig af vandstandshøjden i tragten, er der opbygget en prøvestand på Instituttet for Energiteknik (DTU), hvor der kan skabes en spiralstrømning, og udnyttelsesgraden kan fastlægges. Foto fra prøvestanden på DTU hvor udnyttelse af bølgehøvlens hvirvelstrømning afprøves. 22

25 Hydraulikmotor - hydraulikpumpe systemer På Instituttet for Konstruktion og Styreteknik på DTU er der opbygget en prøvestand til afprøvning af hydraulisk power take-off. Det hydrauliske energiomformningssystem består af en hydraulisk cylinder, to hydrauliske stempelakkumulatorer samt en hydraulisk motor og generator. Energiomformningssystemet kan aktiveres af en computerstyret styret hydraulisk styrecylinder, som kan programmeres til at påvirke PTO-systemet, som om det var monteret på en flyder i bølger. Prøvestand på DTU til afprøvning af hydraulisk Power take-off PTO virkningsgraden η pto for hydrauliksystemet kan skrives som produktet af pumpevirkningsgraden η p, virkningsgraden for hydraulikmotoren η m og virkningsgraden for generator η g. η pto = η η η p m g Virkningsgraden for det hydrauliske system vurderes på baggrund af de seneste forsøg at kunne blive ca. 65%. 23

26 Luft turbiner OWC anlæg De traditionelle luftturbiner til bølgekraftanlæg af OWC typen er baseret på Wells turbinen. Wells turbinen kan med konstant rotationsretning udnytte en luftstrøm som skiftevis kommer fra den ene side og den anden. DTU har i som led i udviklingen af SWAN DK3 opnået støtte til at afprøve en alternativ udformning af en luftturbine, som afprøves på en prøvestand på DTU. Den nye turbine er i princippet en Darieu-mølle indesluttet i en luftkanal. Forsøgene skal vise om denne type turbine er mere fordelagtig end Wells-turbinen, som er i drift i bl.a. anlægget på Islay. 24

27 Langtidsafprøvninger i Folkecenterets prøvestation i Nissum Bredning Point Absorberen blev afprøvet ved Folkecenterets prøvestation i Nissum Bredning i en periode på tre måneder fra november 1999 til februar 2000, og bølgepumpen blev efterfølgende afprøvet i efteråret 2000 frem til foråret Forsøgene har givet praktiske erfaringer som baggrund for den videre udvikling. Folkecenterets prøvestation i Nissum Bredning vises frem i forbindelse med den fjerde Europæiske Bølgekraftkonference, december I de kommende år vil prøvestationen i Nissum Bredning danne ramme for afprøvning af Bølgeturbinen, Wave Dragon og ODIN. Endvidere forventes Posidons Organ efter afsluttede forsøg på DHI at blive udlagt til langtidstest. Odin (Frede Hansen) En point absorber ODIN udvikles specifikt til afprøvning ved prøvestationen i Nissum Bredning og som led i offshore uddannelsen på Aalborg Universitet Esbjerg. Anlægget består af en lodret mast fastgjort til havbunden samt en flyderenhed, der omkapsler masten. Flyderen påvirkes af bølger til en lodret oscillerende bevægelse omkring den lodrette mast. Bevægelsen omsættes til elektrisk energi via en tandstangsudveksling til generatorer. Forsøget skal tilvejebringe praktiske erfaringer og data i det videre designarbejde. 25

28 Bilag 4 Eksempler på internationale bølgekraftprojekter og tiltag Wavegen (UK) Firmaet Wavegen, som i 1998 søsatte Ospray, der forliste kort efter søsætningen, har bygget et nyt kystbaseret OWC bølgekraftværk på 500 kw på øen Islay i Skotland. Bølgekraftværket blev tilsluttet el-nettet i foråret 2001 og har siden været i drift. Wavegen s bølgekraftværk på øen Islay i Scotland. PICO Plant (Portugal) På Azorerne blev bølgekraftværket PICO plant af OWC-typen bygget i 1998, som et forskningsprojekt og pilotprojekt med en effekt på ca. 500 kw. Anlægget er efter flere mindre problemer under indkøring, og i den nærmeste fremtid forventes de første driftserfaringer at blive publiceret. Bølgekraftværket på Øen PICO på Azorerne 26

29 Arcimedes Swing (Holland/Portugal) Arkimedes Swing (AWS) under bugsering ud for PORTO November 2001 Achimedes Wave Swing er udviklet af det Hollandske firma Teamwork Technology. Fotoet viser anlægget under bugsering fra havnen i Porto. Konstruktionen skal her sænkes ned til havbunden på ca. 40 meters vanddybde. Det tyve meter høje tårn med en diameter på ti meter skal under havoverfladen sættes i lodrette svingninger i takt med Atlanterhavsbølger med bølgeperioder på ca sek. Inde i cylinderen er der en hydraulisk gasfyldt cylinder, samt en lineær magnetisk generator, der kan yde op til 4MW. Elektriciteten ledes til land via et søkabel (som er udlagt), og på land omformes og tilpasses den elektriske energi til elnettet. Pelamis (UK) Det engelske firma Ocean Power Delivery OPD har udviklet en langstrakt bølgekraftmaskine PELAMIS bestående af fire hængslede cylindere. Projektet er bygget i en skala ca. 1:7, og på fotoet ses modellen under afprøvning. Pelamis under afprøvning i skala 1:7 nord for Edinburgh. 27

30 Interesse fra Elselskaber På Vancouver Island er elselskabet BChydro gået i forhandling med Pelamis og det australske firma Energetech om bygning af 4MW bølgekraft, baseret på henholdsvis offshore og kystbaserede bølgekraftanlæg. Internationale prøvestationer for bølgekraftanlæg Prøvestationer for bølge- og havstrømskraftværker ved Orkney øerne En prøvestation for både havstrøm og bølgekraft planlægges ved Orkney øerne støttet af skotsk industri. Internationalt bølgekraftcenter I Portugal I Portugal er der aftalt en betaling på ca. 1.5 DKK/kWh for bølgekraft leveret til nettet i anlæggets levetid. Et internationalt test og videncenter for bølgekraft planlægges i forbindelse med de iværksatte pilotprojekter i Portugal. IEA samarbejde om bølgekraft Et formelt internationalt samarbejde omkring bølgekraft under International Energy Agency (IEA) blev underskrevet i Paris i oktober De lande, som i første omgang tiltrådte aftalen, var Portugal, England og Danmark. Aftalen indeholder i første omgang etablering af et sekretariat i Portugal, samt to hovedaktiviteter varetaget henholdsvis af UK og DK, som omhandler status for bølgekraft og standarder for afprøvning af bølgekraftsystemer. Status for bølgekraft (UK) Tom Thorpe fra ETSU skal udarbejde en sammenfattende opdateret rapport om internationale bølgekraftaktiviteter. Standarder for afprøvning af bølgekraftsystemer (DK) Baseret på den metodik, som er anvendt under det danske bølgekraftprogram, skal der udarbejdes forslag til internationale standarder for afprøvning af bølgekraftsystemer ved prøvestationer og i laboratorier. Disse standarder skal bl.a. medvirke til, at de resultater, som opnås internationalt, vil kunne sammenlignes. Denne delopgave koordineres og udføres af RAMBØLL for Energistyrelsen. 28

31 Bilag 5 Rapporter og konferencebidrag [1] Status og handlingsplan for Bølgekraft Det rådgivende Bølgekraftudvalg, maj 1999 [2] Bølgekraft - forslag til forsøg og rapportering Bølgekraftudvalgets sekretariat, marts 1999 [3] Forslag til systematik i forbindelse med sammenligning af bølgekraftanlæg og status år 2000 Bølgekraftudvalg, Januar 2000 [4] The Danish Wave Energy Programme, N.I.Meyer & K.Nielsen Third European Wave Energy Conference, Proceedings, Patras, Greece, 1998 [5] The Danish Wave Energy Programme Second Year Status N.I.Meyer & K.Nielsen Fourth European Wave Energy Conference, Proceedings, Aalborg University, December 4-6, 2000 [6] The Danish Wave Energy Progamme, 2001 Loke Film, Forbindelsesvej 5-7, DK-2100 København Ø, [email protected] [7] Fakta om Bølgeenergi Udarbejdet af Energicenter Danmark med støtte fra Energistyrelsen, 2002 [8] Kortlægning af Bølgeenergiforhold i den Danske del af Nordsøen. RAMBØLL, Dansk Hydraulisk Institut, Dansk Meteorologisk Institut, Juni [9] Bølgekraftforeningens konceptkatalog Bølgekraftforeningen,

32 Bilag 7 Data blade for de enkelte projekter 30

33 Swan DK3 Ansøger: Castelmain Scandinavia / Ralph Mogensen Tilsagnsdato: J.no / J.No / Projekt navn: Swan DK3 Bevilling: kr kr. Afprøvningssted: DHI DHI Rapporter Swan DK3, Hydrauliske modelforsøg for bølgekraftværket Swan DK3, December Swan DK3, Materiale studie. Stål, Fiberforstærket plast, Ferrocement. Princip: Det danske projekt er en videreudvikling af et japansk system kaldet Backward bent duct buoy (BBDB) opfundet af Youshi Masuda. Til en forankret flyder er fastgjort et vandfyldt kanalsystem, som er monteret under en flyder med åbninger agterud, og som foran flyderens stævn bøjes op gennem vandoverfladen, således at kanalens forreste del er delvist luftfyldt. Når flyderen vippes i bølgerne, aktiveres en vandsøjle, som er indesluttet i kanalen og den ovenliggende luft i kanalens foreste, lodrette del presses ind og ud gennem en luftturbine, som driver en generator. Swan DK3 set fra siden Status: Forsøg med energiproduktion på DHI blev afsluttet december Overlevelses og designstudie afsluttet maj Forsøg med luftturbine påbegyndt. Hoved data Vanddybde: Længde: 19 m Bredde: 16 m Højde: 10 m Egenvægt flyder: 175 ton Materialevalg: Stål: 175 ton (skrog) Stål: 55 ton (forankring) kw Absorbed Power, Swan DK H s [m] Power take-off: Luft turbine(r) (54 %) Installeret effekt: 200 kw Middel energiabsorption: kwh Middel el-produktion: kwh Forankringssystem: Slæk forankring Videreudvikling: Numerisk model Turbinegenerator studie og design 31

34 Point absorber Ansøger: RAMBØLL / Kim Nielsen MEK DTU / Georg Christensen Projekt J.No 51191/ / / / / / Tilsagnsdato Projekt navn: Point Absorber (PA) Bevilling kr Rapporter: Point absorber optimering og design, overlevelsesforsøg, April - November Point absorber, on the optimization of wave energy conversion, July Princip: Bølgerne bevæger en flyder op og ned i forhold til havbunden. Den relative bevægelse aktiverer en pumpe, som via et hydraulisk system driver en hydraulikmotor, som driver en el-generator. I det hydrauliske system er der indbygget hydrauliske akkumulatorer, som udjævner den pulserende energi fra bølgerne. Flyderen er forankret med et tov til et anker på havbunden. Afprøvningsfacilitet DMI DMI Nissum Bredning Numerisk model DMI PTO Status: Overlevelsesforsøg udført på DMI juli Optimering af energiproduktion udført juni Afprøvning af Power Take-off på DTU samt forsøg i skala 1:4 på DMI forår Hoveddata: Vanddybde: 50 m Diameter: 10 m Højde: 2.5 m Flyder volumen: 200 m 3 Egenvægt flyder: 50 ton Egenvægt bundkonstruktion: 100 ton Materialevalg: Stål: Ballast beton 60 ton 90 ton Power take-off: Hydraulisk ( 65 %) Installeret effekt: 120 kw Middel energiabsorption: kwh El- produktion: kwh Forankringssystem: Stramt forankret Maksimal forankringskraft: kn Kvart skala model afprøves på DMI 2001 Pabs [kw] 150,0 100,0 50,0 Point absorber 10 m 0, Hs [m] Områder som kræver fortsat udvikling: End-stop komponent Hydraulisk sammenkobling af flere enheder Eltransmission 32

35 Wave plunger Ansøger: DMI / Leif Wagner Smitt Projekt navn: Wave Plunger J.No / / Tilsagnsdato: , Bevilling: kr kr. Afprøvningsfacilitet DMI DMI og DHI Rapport. Feasibility Test with the "Plunger Wave Energy Converter", Danish Maritime Institute, Optimization of the Plunger Wave Energy Converter DMI 99133, Princip: Wave Plunger er en asymmetrisk flyder, der bevæges langs en skråtliggende gittermast. Flyderens bagside er plan og skaber ikke bølger i læ-retning. Det forventes derfor, at dette system kan opnå en høj virkningsgrad. Energien tænkes omformet via hydraulik. Status: Model skala 1:25 udført på DMI marts Udvikling og optimering, bl.a. med henblik på at undersøge betydningen af den geometriske udformning af flyderen og energiproduktion i tredimensionale bølger er undersøgt på DHI i Hoveddata: Vanddybde: Længde: 4,5 m Bredde: 15,0 m Højde: 4,5 m Plunger volumen: 150 m 3 Egenvægt flyder: 30 ton Egenvægt mast & anker: 120 ton Materialevalg: Stål: Beton: Ballast beton: 50 ton 50 ton 50 ton kw Hs Power take-off: PTO virkningsgrad (årsmiddel): 65 % Installeret effekt: 207 kw Årlig energiabsorption: kwh Årlig el-produktion: kwh Fortsat udvikling: Områder som kræver yderligere udvikling Design Power take-off Forankringssystem: direkte til havbunden Gittermast Sugebøtte anker Maksimal forankringskraft: kn 33

36 Bølgepumpe Ansøger: Cambi A/S, Ideutvikler Torge Tveter Projekt navn: Bølgepumpen Journal no / / / Tilsagnsdato: Bevilling: kr kr kr. Rapporter: Udviklingsprojekt j.nr / Bølgeenergikonverter Bølgepumpen. Modelforsøg med Bølgeenergikonverter, DMI , 23/10/2000 Bølgepumpe II indledende modelforsøg, Aalborg Universiet, 2001 Princip: Bølgerne bevæger en flyder op og ned i forhold til havbunden. Den relative bevægelse aktiverer en pumpe, placeret mellem flyder og et anker på havbunden. Test facilitet DMI DMI Nissum Bredning Via et hydraulisk system driver en eller flere pumper en vandturbine, som driver en elgenerator. Flyderen er forankret via pumpen til et anker på havbunden. Status: Forsøg til belysning af energiproduktion er udført på DMI januar 1999 efterfulgt af forsøg i oktober 2000 med en forbedret pumpe. Sammenlignende forsøg med en variant af Bølgepumpen har været afprøvet på AAU. Bølgepumpen har været under afprøvning i Folkecenterets prøvestation i Nissum Bredning i perioden fra december 2000 og frem til april Herunder forsøg med tre pumper koblet til et fælles udløb. Hoveddata: Vanddybde: 20 m Diameter: 5.0 m Højde: 1.3 m Flyder volumen: 25 m 3 Egenvægt flyder: 5 ton Egenvægt anker: 35 ton Materialevalg: Stål: 7 ton Ballastbeton: 32 ton Polyethylen: 1 ton Power take-off: Vandturbine PTO Virkningsgrad (årsmiddel): 81 % Installeret effekt: 10 kw Årlig energiabsorption (målt) kwh Årlig el-produktion kwh Forankringssystem: Via pumperør til havbund Bølgepumpen princip Pabs[kW] Bølge pumpen Ø 5m Hs [m] Områder som kræver fortsat udvikling: Dimensionering og optimering af design Opfinderen har tilkendegivet, at den videre udvikling vil kunne reducere egenvægten af flyderen væsentligt. 34

37 Tyngdeflyderen Ansøger: Morten B. Gade / AAU Journal no / Tilsagnsdato: Projekt navn: Tyngdeflyderen Bevilling: kr. Afprøvnings sted AAU Rapporter: Tyngdeflyderen et koncept til udnyttelse af bølgeenergi Forår 2000, AAU Tyngdeflyderen performance in short crested waves and profile design study, Nov 2000 Princip: Tyngdeflyderen er en aflang vingeformet flyder som aktiveres af bølgerne til at bevæges op og ned af en mast forankret i havbunden. I forhold til de rotations symmetriske point absorbere absorbere vingeprofilet energien over en bred front. Status: Projektet har fået udført målinger af energiproduktion i 2 og 3D bølger på AAU Hoveddata Længde: 12 m Bredde: 60 m Højde: 2.5 m Volumen: 900 m 3 Egenvægt: 400 ton Bundkonstruktion 700 ton Materialevalg: Stål: 400 ton Ballast beton 700 ton P abs [kw] Tyngdeflyderen 300,0 250,0 200,0 150,0 100,0 50,0 0, Hs [m] Power take-off : Hydraulik (65 %) Installeret effekt: 250 kw Årlig energiabsorption: kwh Årlig el-produktion: kwh Områder til fortsat udvikling: Design og layout bør præciseres Forankringssystem: Pæle funderet 35

38 Poseidons Organ Ansøger: Torben Holm / Birch & Krogboe J.no. Tilsagnsdato 51191/ / / / / / Rapporter: Projekt navn: Poseidons Organ Bevilling Afprøvnings sted AAU AAU DHI DHI DHI DHI Tyngdeflyderen et koncept til udnyttelse af bølgeenergi Forår 1998, AAU Tyngdeflyderen performance in shortcrested waves and profile design study, Nov 2000 Slutrapporter for Fase1, Fase 2 og Fase 3 er udsendt. Princip: Poseidons Organ er en stor flydende rørkonstruktion, hvorpå en række hængslede flydere er monteret. Status: Projektet har fået udført målinger, funktionsafprøvning og stabilitet i 2 og 3D bølger på AAU af model 1: 100. Delmodel af flyder/pumpe i målforhold 1:25 er afprøvet og optimeret på DHI. En hel model 8 x 5 meter bred i skala 1:50 er bygget og afprøvet på DHI. Hoveddata Længde: 200 m Bredde: 420 m Højde: 20 m Volumen m 3 Egenvægt: ton Pabs [kw] Poseidon Materialevalg: Stål: Beton Forankring: 1500 ton ton 3000 ton Hs [m] Power take-off : Vandturbiner (81 %) Installeret effekt: 18 MW Årlig energiabsorption: MWh Årlig el-produktion: MWh Områder til fortsat udvikling: Flowdesign bør optimeres Teknologisynergi med vind og solenergi Forankringssystem: slæk 36

39 Wave Dragon Ansøger: Löwenmark F.R.I / Erik Friis-Madsen Journal no. J.No / J.No / J.No / J.No / J.No / J.No / J.No / Tilsagns dato: Projekt navn: WAVEDRAGON Tilskud kr kr kr kr kr kr kr. Afprøvnings sted AAU AAU AAU Power Take Off AAU Udviklingsplan Nissum bredning Rapporter: Evaluation of the hydraulic response of the Wave Dragon, Aalborg University, February, 1999 The Wave Dragon: 3D overtopping tests on floating model, Aalborg University, May, 1999 Forsøg til belysning af hydraulisk respons, Rapport fase A, H.C. Sørensen EMU, E. Friis Madsen, Löwenmark, F.R.I, Februar The Wave Dragon tests on a modified model, AAU, September Hydraulic Model tests on Modified Wave Dragon, AAU, November Princip: Bølger fanges og koncentreres mellem lange fangarme og skylles op i et flydende reservoir. Vandet fra dette reservoir ledes tilbage i havet gennem en eller flere vandturbiner. Status: Model skala 1:50, forsøg til belysning af overlevelsesforhold og energiproduktion udført på AAU. Forsøg til belysning af energiproduktion udført på AAU. Studie af vandturbiner til pulserende og varierende effektniveau gennemført under Joule Kraft. Bygning af en model i skala 1:4.5 til afprøvning ved Folkecenterets prøvestation i Nissum Bredning. Hoveddata: Længde: 147 m Bredde: 259 m Højde: 16 m Egenvægt: ton Volumen: m 3 Materialevalg: Stål: 350 ton Beton: ton Power take-off : PTO virkningsgrad (51 %) Installeret effekt: kw Middel energiabsorption: kwh El-produktion: kwh Forankringssystem: Slæk forankring kw Absorberet effekt Hs [m] Områder som kræver fortsat udvikling: Optimering af design herunder Forankringssystemet og bevægelser Niveau regulering af reservoir 37

40 Bølgehøvlen Ansøger: WavePlane International / Erik Skaarup MEK DTU Journal nummer J.No / J.No / J.No / Tilsagnsdato: Projekt navn: Bølgehøvlen Bevilling: kr kr kr. Afprøvningssted DMI DHI DTU Rapporter: WavePlane, model tests With a Wave Energy Converter, DMI 98070, dato DMI 99084, dato DMI 98070, dato Velocity Measurements of the WavePlane subject to Regular and JonSwap Waves, R.Mikkelsen MEK, DTU Januar 2002 The Wave Plane tests at DHI the 27 th, 28 th, 29 th August and 14 th October 2001, Princip: Bølgerne skyller over en strandbred og fanges i tragte mellem lameller. Vandet fra tragtene strømmer ned i et vandretliggende rør, hvor vandmasserne sættes i en spiralformet strømning. Denne strømning udnyttes til at drive en turbine. Status: Projektet har fået udført målinger af energiproduktion (hydraulisk effekt) på Dansk Maritimt Institut og virkningsgraderne for turbinen undersøges på DTU. Hoveddata Længde: 10 m. Bredde: 10 m. Højde: 5 m. Volumen: 50 m 3 Egenvægt: 45 ton Materialevalg: Stål: Beton: 20 ton 25 ton Pabs [kw] Bølgehøvl 2*5 meter ,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00 Hs [m] Power take-off : Kaplan vandturbine (81 %) Installeret effekt: 130 kw Årlig energiabsorption: kwh Årlig el-produktion: kwh Områder til fortsat udvikling: Design og layout bør præciseres Udvikling af turbine generator enheder Forankringssystem: Slæk forankring 38

41 Power Pyramid Ansøger: DACS Projekt navn: Power Pyramid fase 2 Journal nummer 51191/ Tilsagnsdato: Bevilling: DKK Afprøvnings sted AAU Rapporter: Indledende hydrauliske undersøgelser af bølgeenergianlægget Power Pyramid, AAU, april 2000 Princip: Bølgerne skyller over en strandbred og fanges i forskellige niveauer. Vandet fra de forskellige etager strømmer ind i et lodret liggende rør, som sikrer at energien fra de øverste etager kan udnyttes. Denne strømning tænkes udnyttet til at drive en turbine. Status: Projektet har fået udført målinger af energiproduktion (hydraulisk effekt) på AAU. Hoveddata Længde: 125 m. Bredde: 50 m. Højde: 20 m. Volumen: 6500 m 3 Egenvægt: 6000 ton Materialevalg: Stål: 6000 ton Pabs [kw] Pow er Pyramid Hs [m] Power take-off : Kaplan vandturbine (81 %) Installeret effekt: 1400 kw Årlig energiabsorption: kwh Årlig el-produktion: kwh Områder til fortsat udvikling: Afprøvning af flydende system Udnyttelse af vand i flere niveauer Forankringssystem: Slæk forankring 39

42 Tage Basses Bølgeturbine Ansøger: AAU / Tage Basse DTU (ET,AFM)/Tage Basse og Eric Rossen Journal no / / Tilsagnsdato: Feb Projekt navn: Bølgeturbine Power output from Tage Basses Wave Turbine Bevilling: kr kr. Afprøvningsfacilitet AAU DHI Vand og Miljø Rapport: Hydraulic evaluation and optimisation of T. Basse's wave turbine, Aalborg University, Januar 1999 Power output from Tage Basse s Wave Turbine, Danmarks Tekniske Universitet, Oktober 2000 Princip: I de øverste vandlag ligger vingeprofiler, som kan rotere i vandret plan om en lodret aksel. Akselen er forneden fastgjort til en reference-plade, som er placeret på så dybt vand, at bølgernes partikelbevægelser er små. Pladen har en stor medsvingende vandmasse, som betyder, at selv store lodrette kræfter giver en ringe acceleration. Når bølgerne i overfladen passerer vingerne, sættes de i rotation omkring akselen, som for oven bærer en generator. På tegningen vises 2 turbiner med hver sin generator. Når de løber kontra, opnår man drejningsmomentfri fortøjning af det flydende anlæg. Status: Forsøg afsluttet på AAU. December Hoveddatafor en mølle. Rotor diameter: 15 m Tårn højde: 33 m Tårn diameter: 2 m Volumen: 47 m 3 Egenvægt vinger: Egenvægt tårn: Egenvægt plade: Materialevalg: Stål: Vandballast: Glasfiber: 8 ton 15 ton 14 ton 29 ton 10 ton 8 ton Power take-off: Direkte via gear til generator Installeret effekt: 50 kw Årlig energiabsorption: kwh Virkningsgrad (power take off): 82 % Årlig el-produktion: kwh Forankringssystem: Slæk forankring Visualisering af tage Basses Bølgeturbine Pabs [kw] Effektydelsen fra én mølle Hs [m] Evaluering: Design og layout bør præciseres Overlevelsesforsøg mangler Skalering af målinger af energiproduktion følger ikke umiddelbart Froudes modellov, idet forsøgene er afhængige af Renolds tal. Betydningen heraf bør undersøges. 40

43 Bølgemølle Ansøger: LBHD v/laurits M. Bernitt Projekt navn: Bølgemølle J.no / Tilsagnsdato: Bevilling: kr. DHI Rapporter: Laurits Bernitt (Marts 1992): Bølgemøllen, notat No. 1 Laurits Bernitt (September 1998): To_Feksi Effektmodel for Konveks-5 Bølgemøllen, Notat No. 2, Laurits Bernitt (Januar 1998): Evaluering af Produktionstest på Hauvig Notat No. 3. LBHD (marts 1999) Produktionstest med bølgemøllen, Notat No. 4. LBHD ( ) The 15 MW Wavemill, Technical Note No. 5 (Under preparation) LBHD (November 1999) "Short description of the 15 MW wavemill, Technical Note No. 6 Princip: Bølgemøllen består af en forankring samt to møllemoduler adskilt af et generatormodul. Møllemodulerne er besat med skovle. På grund af skovlenes form opfanges vand på den ene side af møllen og luftvoluminer på den modsatte. Herved genereres et moment om Bølgemøllens længdeakse samtidig med at møllen bringes til at rotere. Den relative bevægelse mellem to modsat roterende møllemoduler placeret i forlængelse af hinanden udnyttes til energiproduktion. Status: Grundide udviklet i 1991/92. Bølgemøllen ELSE 8 bygget i 1997 og afprøvet i 1997 i Ringkøbingfjord i privat regi. En numerisk model udvikles i ELSE 8 modificeres og forsøg på DHI gennemføres i december 1998 med støtte fra Bølgekraftprogrammet. Forsøgene belyser bølgemøllens energiabsorbtion og benyttes til at kalibrere den numeriske beregningsmodel for bølgemøllen. Energiproduktionen for en fuldskala model er beregnet ved fysiske approksimationer. Hoveddata: Længde: m Udvendig diameter: 15 m Indvendig diameter: 11.3 m Volumen: m 3 Egenvægt: ton Materialevalg: Beton: ton Glasfiber: ton Træ: ton Power take-off: Direkte via gear til generator PTO virkningsgrad (årsmiddel): 85 % Installeret effekt: kw Årlig energiabsorption kwh Årlig el-produktiontion kwh Forankringssystem: Slæk forankring Teoretiske effekter for Bølgemøllen AGA228 i henhold til Notat nr. 6 Effekt i MW som funktion af søtilstanden Hm0/T Fortsat udvikling: Designstudie for en 15 MW Bølgemølle Feltforsøg med model i Ringkøbing Fjord Generator Patent Bygning af en ny model Laboratorie og feltforsøg med en ny model 41

44 Bartholins roterende Bølgeenergiabsorber Ansøger: Henrik Bartholin Projekt navn: Roterende bølgeenergiabsorber J.no / Tilsagnsdato: Bevilling: kr. Afprøvningsfacilitet AAU Rapporter: Bartholins roterende bølgeenergiabsorber, Indledende hydrauliske undersøgelser af bølgeenergianlægget, Jens Peter Kofoed, AAU, maj 2001 og Jacob Birk Jensen og Jens Peter Kofoed, AAU, maj Princip: Den roterende absorber er opbygget som en lang vandret flydende cylinder, forankret i den ene ende, med en diameter på ca. 5 meter og en aktiv længde på 175 meter. Cylinderen er forsynet med ca. 16 sektioner hver bestående af 4 kamre, der er åbne i den ene ende og med en fjeder belastet ventil i den anden. Når en bølgetop passerer en sektion af kamre vil kammeret i den ene side blive fyldt med vand og den anden side af sektionen vil have et luftfyldt kammer der giver en opad rettet kraft og dermed et drejningsmoment som får cylinderen til at rotere. Når en bølgedal passerer vil den vandfyldte side af sektionen give en nedad rettet kraft som giver et moment i samme retning. Cylinderens forreste og bageste ende rotere modsat og reaktionen udnyttes i en central generator sektion. Status: Status: Projektet er afprøvet i tre omgange først på DMI i en relativ stor skala som ikke fungerede tilfredsstillende, efterfølgende er en forbedret model i skala 1:25 afprøvet på AAU dels fastholdt og dels flydende og afsluttende er målt tab i modellens system, virkning af ændret flydehøjde samt forankringskraft. Hoveddata: Længde: 115 m Udvendig diameter: 5,5 m Volumen: 2730 m 3 Egenvægt anslået: 200 ton Materialevalg: Stål: 200 ton Vand: 600 ton Power take-off: Direkte via gear til generator PTO virkningsgrad (årsmiddel): 85 % Installeret effekt: 50 kw Årlig energiabsorption kwh Årlig el-produktiontion kwh Pasb[kW] 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 Bartholins rotor Pabs float Pabs Fixed Hs [m] Fortsat udvikling: Designstudie Bygning af en ny model Laboratorie og feltforsøg med en ny model Forankringssystem: Slæk forankring 42

45 Danish Wave Power Aps. Ansøger: Projekt navn: Danish Wave Power Aps. / RAMBØLL DWP system Tilskud fra Energistyrelsen: Periode: kr. Hanstholm Fase kr. Hanstholm Fase 2B Rapporter: Bølgeenergi ved Hanstholm fase1, august december Danish Wave Power aps Hanstholm fase 2B, offshore wave energy test , Danish Wave Power aps 1996 Princip: Bølgerne bevæger en flyder op og ned i forhold til havbunden. Den relative bevægelse aktiverer en pumpe, placeret på havbunden. Via et hydraulisk system driver pumpen en vandturbine, som driver en el-generator. I det hydrauliske system på havbunden er der indbygget en luft-akkumulatorer, som udjævner den pulserende energi fra bølgerne. Flyderen er forankret med et tov til et stempel i bundkonstruktionen på havbunden. Status: En prototype i skala 1:4 blev afprøvet ud for Hanstholm i perioden på en vanddybde på 25 meter. Målinger vedr. bølgehøjder og energiabsorption over en periode på 6 måneder bekræftede systemets funktion. Bølgemaskinen overlevede de højeste bølger målt til 9.6 meter. Hoveddata: Vanddybde: 50 m Diameter: 10 m Højde: 2.5 m Volumen flyder: 200 m 3 Egenvægt flyder: 100 ton Egenvægt bundkonstruktion 900 ton Forankringssystem: Tov til stempelpumpe på havbunden Maksimal forankringskraft: kn Materialevalg: Stål: 30 ton Beton: 588 ton Ballast beton: 460 ton Power take-off: Pumpe og turbine (72 %) Installeret effekt: 120 kw Middel energiabsorption (teori): kwh Middel elproduction: kwh kw Fuldskala skitse af DWP systemet DWP phase 2B Measured Theory Hs [m] Data omregnet til fuldskala Områder som kræver fortsat udvikling: Ventiler Fundering Eltransmission 43

46 Udenlandske systemer Mighty Whale ( OWC ) Japan Oscillating Water Column princip Status: Prototype afprøves Web Site Projekt navn: Mighty Whale. Kontakt: Princip: Princippet bygger på et system, hvor bølgerne aktiverer en vandsøjle, som er indesluttet i et kammer. Den svingende vandsøjle aktiverer en luftstrøm, som udnyttes i en luftturbine. Status: Prototype søsat ud for kysten i Japan Hoved data Vanddybde: Længde: 50 m Bredde: 30 m Højde: 12 m Kammer volumen: 960 m 3 Deplacement: 4380 ton Egenvægt: 1290 ton Materialevalg: Stål: 1290 ton kw Mighty Whale Performance H s Power Takeoff: Luft turbine(r) 58 % Installeret effekt: 110 kw Energiabsorbtion (i DK): Middel elektricitetsproduktion kwh kwh Forankringssystem: Slæk forankret 44

47 Pico plant (OWC) Oscillating Water Column Projekt navn: Joule demonstration project Pico plant, Azores, Portugal Kontakt António J. N. A. Sarmento IST JOU2-CT Status Prototype under afprøvning. Princip: Princippet bygger på et system, hvor bølgerne aktiverer en vandsøjle, som er indesluttet i et kammer. Den svingende vandsøjle aktiverer en luftstrøm, som udnyttes i en luftturbine. Status: Prototype forsøg med el-produktion startet Foto af PICO Plant på Azorerne Hoved data Vanddybde: Længde: 21 m Bredde: 14 m Højde: 23 m Kammer volumen: 2016 m 3 Egenvægt: 5650 ton Materialevalg: Beton: 5650 ton Power Takeoff: Luft turbine(r) 58 % Installeret effekt: 400 kw Middel energiabsorption (i DK) kwh Middel el-produktion (i DK) kwh kw Pabs Netpow 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0, H s [m] Forventet el-produktion baseret på numeriske beregninger og forsøg. Videre udvikling: I den videre udvikling er det bl.a. planen at afprøve en luftturbine med variabelt stigning, og afprøve en styrings ventil. Forankringssystem: bundfast. 45

48 PELAMIS (Skotland, UK) UK Hjemmeside: Rapporter: 20 september 1999, Ocean Power Delivery ltd. Princip: Pelamis betyder "søslange" og bølgemaskinen bevæger sig som en søslange idet den er opbygget af en række vandret liggende cylindre som indbyrdes er hængslede og forbundet med hydraulikpumper. De relative bevægelser mellem cylinderne driver hydraulikpumperne som pumper hydraulikolie i et lukket kredsløb og driver en hydraulikmotor. I hver cylinder er der en generator. Projekt navn: Pelamis Søslangen er forankret i næsen og har en løs forankring i halen så den til en vis grad kan dreje sig efter bølgerne indfalds retning. Hoveddata: Længde: 130 m Udvendig diameter: 3,5m Volumen: 1150 m 3 Egenvægt: 600 ton Materialevalg: Stål: Ballast beton: 250 ton 350 ton kw Pabs Netpow 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 0, Hs [m] Power take-off Oil hydraulics ( 72 %) Installeret effekt 600 kw Forankringssystem: Slæk forankring 46

49 Bilag 8 Energi og Økonomi Introduktion Det danske bølgekraftprogram er iværksat for at udvikle den eller de mest økonomiske metoder til udnyttelse af bølgekraft. Udviklingsprogrammet, som er beskrevet i "Status og handlingsplan for Bølgekraft" [1], satser bredt og involverer mange aktører, som undersøger principielt forskellige bølgekraftsystemer. Den første status rapport med forslag til systematik i forbindelse afprøvning blev udgivet af bølgekraftudvalgets sekretariat i marts 1999 [2] og forslag til systematisk sammenligning af de forskellige systemer blev udgivet i januar 2000 [3]. Nærværende rapport er udarbejdet som en opfølgning på status rapporten 2000 for at skabe et overblik over de resultater der er opnået efter yderligere 2 års udviklings arbejde. Rapporten bygger de på de resultater, som er beskrevet i projektrapporter udarbejdet for de enkelte projekter, og med bidrag og yderligere bemærkninger fra de forskellige aktører, som er involveret i udviklingen. En række af disse resultater blev præsenteret ved den fjerde Europæiske bølgekraft konference som blev afholdt i Aalborg i December 2000 [4]. I konferencen deltog lidt over 100 forskere og konferencen blev indledt med en video udarbejdet af LOKE film med støtte fra bølgekraft programmet, som sammenfattede de danske aktiviteter [5]. I foråret 2001 anbefalede det rådgivende udvalg til energistyrelsen at mulighederne for en mere kommercielt drevet udvikling bliver undersøgt. Det er hermed udvalgets anbefaling at den videre udvikling af bølgekraft i højere grad sker i et samarbejde mellem private firmaer, investorer, potentielle fabrikanter og opfindere/udviklere således og at de modeller, som bygges og afprøves, i højere grad afspejler et økonomisk perspektiv. 47

50 Havbølgernes årsfordeling Havbølger i den danske del af Nordsøen Fordelingen af bølgeforhold i Nordsøen afhænger af den position i Nordsøen, man vælger. Det er generelt sådan, at der er mere energi pr. år på en position langt fra Jyllands vestkyst, og energien stiger med stigende vanddybde. For at belyse disse forhold er der under Bølgekraftprogrammets første to år udarbejdet en rapport: "Kortlægning af Nordsøens Bølgeenergiforhold" [6]. Bølgeforholdene i Nordsøen i "Punkt 3", beskrevet i [6], ligger på 50 meter dybt vand ca. 100 km ud fra vestkysten og er vist i nedenstående skatterdiagram tabel 8.1. Skatterdiagrammet viser, hvor mange timer af året søtilstande med en signifikant bølgehøjde H s inden for en meters interval og middelperiode T z med et sekunds interval forekommer. Middelbølgeperiode T z [sek.] H s > 9.0 Sum Pct > ,0% ,0% ,1% ,3% ,9% ,4% ,1% ,8% ,6% ,8% < ,0% Sum ,0% Tabel 8.1 Skatterdiagram hyppigheden af kombinationer mellem H s og T z Fordeling af søtilstande svarer til et bølgekraftpotentiale på 16 kw/m. Referencefordeling af signifikante bølgehøjder H s Nedenstående årsfordeling af søtilstande angivet ved den signifikante bølgehøjde H s, er i nærværende rapport valgt som referencefordeling til beregning af de forskellige bølgeenergimaskiners årlige energiproduktion. Søtilstand H s [m] < >5.5 Effekt per meter [kw/m] >145 Timer pr. år Tabel 8.2 Referencefordeling af signifikante bølgehøjder 48

51 Sammenfatning af data for de forskellige bølgekraftsystemer Resultater af forsøg I bølgekraftprogrammets første to år er der udført en række modelforsøg med forskellige bølgekraftsystemer. Forsøgene er udført på forskellige institutter og i forskellig modelskala, alt efter hvilken bølgekraftmaskine der var tale om, og i hvilket forsøgsbassin maskinen blev afprøvet. Bølgemaskinerne, som har været afprøvet, har i de fleste tilfælde fulgt den anbefalede fremgangsmåde i rapporten "Forslag til standardisering af forsøg og rapportering" [3]. Energiproduktionen er målt i søtilstande med en signifikant bølgehøjde H s fra 1 m op til 4 m, muligvis 5 m, med centrale værdier af middelbølgeperioden T z og peak perioden T p som vist i nedenstående tabel 8.3. Søtilstand H s [m] Middelperiode T z [sek.] 4,0 5,0 6,0 7,0 8,0 Peak periode T p [sek.] 5,6 7,0 8,4 9,8 11,2 Tabel 8.3 Søtilstande anbefalet til eksperimentel bestemmelse af bølgekraftanlægs energiproduktion Omsætning mellem model og fuld skala I det følgende er alle forsøgsdata omregnet til fuldskala som er den størrelse anlægget antages at få når det er færdig udviklet og sat i produktion. I alle de undersøgte projekter benyttes Froudes modellov og typiske parametre, som omregnes, er vist i tabel 8.4. Parameter Model Fuld skala Længde 1 s Areal 1 s 2 Volumen/Masse/Kraft 1 s 3 Tid 1 s Hastighed 1 s Effekt 1 s 3,5 Tabel 8.4 Omregning af målte parametre fra model i skalaforholdet 1:s til fuld skala. Bølgemaskinernes hoveddata Hoveddata for de enkelte bølgekraftsystemer er skematisk anført på data blade for de enkelte systemer i bilag 7 og indeholder følgende informationer fra slutrapporterne samt evt. yderligere data tilvejebragt af udviklerne. Fra data bladene er nedenstående data for de enkelte systemer sammenfattet i Tabel

52 Hoveddimensioner L, B og H Bølgekraftmaskinens hoveddimensioner længde, bredde og højde angivet i meter. Egenvægt M Konstruktionens egenvægt angives som konstruktionens vægt på land. Volumen V For flydende konstruktioner angives Bølgekraftmaskinens volumen. For at flyde skal volumenet skal være større end det vandvolumen (Archimedes lov) som fortrænges af egenvægten af. For kyst baserede anlæg angives konstruktionens omskrevne volumen. Forankringssystem Det overordnede forankringsprincip anføres. Hvis bundkonstruktionen er nødvendig for energiproduktion, anføres egenvægten af denne (stramt forankrede systemer). Samlet vægt Konstruktionens samlede vægt er summen af egenvægt og forankrings vægt. Power take-off system Bølgekraftmaskinerne omformer generelt den absorberede energi ved brug af et power take-off system, som typisk består af en generator, som drives via luftturbiner, vandturbiner (og pumper), hydraulikmotorer (og pumper) eller direkte via et gear. I tabellen angives hvilken af de fire typiske PTO systemer som beyttes. Luft turbiner Vandturbiner Hydraulik Direkte 50

53 Sammenfatning af bølgekraftmaskinernes hoveddimensioner L [m] B [m] H [m] Vol. Absorber [m 3 ] Egenvægt Absorber [ton] Forankrings struktur [ton] Samlet vægt [ton] Power take-off system Swan Dk3 Dec slæk 200 Luftturbiner Dec (55) 230 Luftturbiner Point absober Dec , Hydraulik Dec Hydraulik Bølgehøvlen Dec ,5 12, slæk 46 Vandturbine Dec slæk 45 Vandturbine Wave Dragon Dec slæk Vandturbine Dec slæk Vandturbine Bølgeturbinen Dec , slæk 47 Direkte Dec Direkte Wave plunger Dec Hydraulik Dec Hydraulik Bølgepumpen Dec , Vandturbine Dec Vandturbine Poseidon Dec slæk Vandturbine Tyngdeflyderen Dec Hydraulik Power pyramid Dec slæk 6000 Water Sucking Sea Shaft * Dec slæk 2500 water DWP System Nov water Udenlandske systemer Pico Plant (OWC) bund fast 5650 Luftturbiner Pelamis (UK) 130 3,5 3, slæk 600 Hydraulik Mighty Whale slæk 1290 Luftturbiner Tabel 8.5 Bølgekraftmaskinernes hoveddimensioner. 51

54 Bølgekraftanlæggenes årlige energiabsorption For sammenligningerne af de forskellige systemers energiproduktion er det valgt at anføre bølgemaskinens absorberede effekt P w alene som funktion af H s. For hvert system beskrevet i bilag 7 er optegnet en kurve, som viser den målte sammenhæng. Værdier for den absorberede effekt [kw] for de enkelte bølgekraftmaskiner er anført under respektive værdier af H s, vist i tabel 8.6. Bølgekraftmaskinernes årlige energiabsorption E w [kwh] er beregnet på basis af referencefordelingen af søtilstande som anført øverst i tabellen. Resultaterne for de enkelte systemer er anført i Tabel 8.6. Den hydrodynamiske virkningsgrad η 1 Den hydrodynamiske virkningsgrad η 1 er vist i skemaets sidste kolonne. Denne virkningsgrad fortæller, hvor mange procent bølgekraftanlægget absorberer af den bølgeenergi, der gennemsnitligt passerer over en strækning svarende til anlæggets længste udtrækning (længde eller bredde). I nogle tilfælde som fx Sucking Sea Shaft, der er et langt skib, som opsamler energien fra en rampe, der svarer til skibets bredde, kan denne definition give anledning til relativt lave virkningsgrader. På længere sigt kunne man evt. definere en hydrodynamisk virkningsgrad under hensyntagen til den gennemsnitlige bølgefront, som er til rådighed for den enkelte bølgemaskine, når der bliver tale om installation af bølgekraftparker. 52

55 Beregning af systemernes energiproduktion Søtilstand H s [meter] > 4.5 Timer pr. år (fra tabel 2.2) System ID Absorberet effekt [kw] Absorberet energi pr. år [kwh/år] η 1 Swan Dk3 Dec % Dec % Point absober Dec % Dec % Bølgehøvlen Dec % Dec % Wave Dragon Dec % Dec % Bølgeturbinen Dec % Dec % Wave plunger Dec % Dec % Bølgepumpen Dec % Dec % Poseidon Dec % Tyngdeflyderen Dec % Power pyramid Dec % Sucking Sea Shaft* Dec % DWP system % Udenlandske systemer Pico Plant (OWC)* 10* 175* 325* 390* 400* * 34%* Pelamis (UK)* 31* 178* 401* 553* 597* * 7%* Mighty Whale % Tabel 8.6 Eksempel på beregning af middelenergi absorptionen E w (*absorberet effekt baseret på numeriske modeller.) 53

56 Power take-off systemets virkningsgrad η 2 Bølgekraftmaskinerne omformer generelt den absorberede energi ved brug af et power take-off system, som typisk består af en generatorer, som drives via luftturbiner, vandturbiner (og pumper), hydraulikmotorer (og pumper) eller direkte via gear. Den virkningsgrad, hvormed den absorberede energi omformes til elektricitet, afhænger af det power take-off system, som anvendes. Skønnede årsmiddelværdier er anført i tabel 8.7 for typiske power take-off systemer. Efter gennemførelse af prøvestandsforsøg med et hydraulisk PTO-system på DTU [7] er virkningsgraden skønnet til 0.65, hvor den i status 2000 rapporten var sat til Efter gennemførelse af prøvestandsforsøg med Vandturbine og styring af vandniveauet i reservoiret i Wave Dragons (WD) PTO-system er der indført en ny virkningsgrad, som udtrykker hvor godt styringen af turbinerne er i stand til at holde reservoiret fyldt med vand så den fulde faldhøjde udnyttes. I skemaet er den anført som reservoir udnyttelsesgrad beregnet til Wave Dragons PTO virkningsgrad er derfor samlet vurderet til 0.52 i forbindelse med denne status rapport hvor den i status 2000 rapporten var sat til Der er endvidere iværksat forsøg med power takeoff systemer baseret på en hvirvelstrømsturbine til Bølgehøvlen og en ny luftturbine til Swan DK3. Resultaterne af disse forsøg foreligger endnu ikke. Power take-off Direkte Luft WD Vand Hydraulik Reservoir udnyttelsesgrad 0,64 Mekaniske Pumper 0,9 Turbine/Hydraulikmotorer 0,6 0,9 0,9 0,85 Gear 0,95 Generator 0,9 0,9 0,9 0,9 0,85 Power take-off systemets virkningsgrad 0,85 0,54 0,52 0,81 0,65 Tabel 8.7 Forslag til foreløbige værdier for power take-off systemernes virkningsgrader Installeret Effekt P rated Systemets installerede generator effekt er foreløbig sat lig med den gennemsnitlige målte absorberede effekt i signifikant bølgehøjde H s = 5 meter (det vil sige inden der tages højde for PTO virkningsgraden). Her tages ikke hensyn til at den nødvendige generator kapacitet for systemer uden energilager generelt vil være væsentlig større. 54

57 Bølgekraftanlæggenes elektricitetsproduktion pr. år Den årlige elekticitetsproduktion beregnes ved at multiplicere den årligt absorberede effekt med virkningsgraden for power take-off η 2. P E w η 2 E e η tot E e /V E e /M Installeret effekt kw Absorberet energi pr. år kwh Power takeoff virkningsgrad Elproduktion kwh pr. år Total virkningsgrad [kwh/m 3 ] pr. år [kwh/ton] pr. år Swan Dk3 Dec % % Dec % % Point absober Dec % % Dec % % Bølgehøvlen Dec % % Dec % % Wave Dragon Dec % % Dec % % Bølgeturbinen Dec % % Dec % % Wave plunger Dec % % Dec % % Bølgepumpen Dec % % Dec % % Poseidon Dec % % Tyngdeflyderen Dec % % Power pyramid Dec % % Sucking Sea Shaft* Dec % % DWP system % % Udenlandske systemer 10. Pico Plant (OWC)* % % Pelamis (UK)* % % Mighty Whale % % Tabel 8.8 Oversigt over systemernes produktivitet pr. volumen og masse E w (*absorberet effekt baseret på numeriske modeller.) 55

58 Elektricitetsproduktion pr. volumen- og masseenhed På basis af de faktuelle data, der foreligger for de forskellige systemer, kan man forsøge at sammenligne systemernes effektivitet ved at sætte elproduktionen pr. år i relation til bølgekraftmaskinens volumen og bølgekraftanlæggets egenvægt. Systemernes kompleksitet Et forsøg på at belyse bølgekraftværkernes kompleksitet er vist i nedenstående tabel 8.9, som angiver hvilke typiske komponenter, der indgår i de enkelte bølgekraftsystemer. Projekt Swan DK3 Point absorber Bølgehøvlen Wave dragon Bølgeturbine Wave Plunger Bølgepumpen Poseidon Tyngdeflyderen DWP Udenlandske PICO Pelamis Mighty Whale Elementer i hovedstruktur Turbine(r) Hydraulikmoter Gear Pumper Ventiler (ensretning) Sikkerhedsventiler Kontrol og 1 5 styringsventiler Forankringsliner (tov) Kæder Gravitationsankre Pladeankre Sugebøtteankre Universal joints 1 1 Ledforbindelser Mast 1 Generatorer Komponenter i alt * Tabel 8.9 Foreløbig oversigt over komponenter i de enkelte bølgekraftsystemer. 56

59 Økonomiske betragtninger Tidligere studier om bølgekraftøkonomi De mest omfattende studier omkring bølgekraftøkonomi har været udført i UK af Tom Thorpe fra Energy Technology Support Unit, ETSU [4]. Hovedprincipperne er anført i et regneark, som blev udviklet under det EU-støttede projekt, Wave Energy Converters Generic Technical Evaluation Study. I regnearket er anført forslag til enhedspriser på de typiske materialer, som konstruktionerne er udført i. Udvikleren gives mulighed for systematisk at specificere de komponenters art og vægt som indgår i konstruktionen. Endvidere indeholder regnearket forslag til prissætning vedr. forankring, udlægning og installation, samt eltransmission og vedligehold. Økonomisk sammenligning af de enkelte systemer Efter to års udvikling under det danske bølgekraftprogram har Bølgekraftudvalget anbefalet at afprøve en metodik, som indebærer en begrænset brug af økonomiske betragtninger, der kan give et fingerpeg om de enkelte systemers økonomi på længere sigt. Denne metodik har viste sig velegnet til at sammenfatte resultaterne fra de forskellige projekter på en ensartet og sammenlignelig form. Prissætningen kan opfattes som et værktøj i forbindelse med en fortsat udvikling mod økonomisk bæredygtige bølgekraftanlæg. Dette værktøj foreslås på nuværende tidspunkt i bølgekraftprogrammet kun at omfatte prisoverslag på to hovedelementer: Bølgekraftmaskinens struktur Power take-off systemet (mekaniske og elektriske komponenter) Den strukturelle konstruktion De typisk anvendte konstruktionsmaterialer i bølgekraftsammenhæng er beton, stål og glasfiberarmeret polyester (glasfiber), samt ballastbeton og vandballast. Hovedkonstruktionen prissættes ved brug af enhedspriser på materialer, som er fælles for alle systemer. I tabel 8.10 anføres forslag til enhedspriser for en række typiske konstruktionsmaterialer, som indgår i de bølgekraftmaskiener, der beskrives i denne rapport. Enhedspriserne er skønnet med baggrund i erfaringer fra DWP og det arbejde, som Tom Thorpe har udført. Priserne angiver en størelsesorden og vil naturligvis i de enkelte projekter være forskellige, alt efter hvilken grad produktionen kan rationaliseres. Konstruktionsmateriale Beton Beton ballast Stål Glasfiber Enhedspris 1500 DDK/ton 500 DDK/ton DDK/ton DDK/ton Tabel 8.10 Beregning af overslagspris for bølgekraftmaskinen. 57

60 Power take-off De mekaniske og elektriske installationer prissættes med en enhedspris pr. installeret kw, som er uafhængig af, om der er tale om luftturbiner, vandturbiner eller hydrauliksystemer. Prissætningen af power take-off afspejler således alene størrelsen af den installerede effekt. Power take-off system Direkte Luft Vand Hydraulik Enhedspris 2500 DDK/kW 2500 DDK/kW 2500 DDK/kW Tabel 8.11 Beregning af overslagspris for bølgekraftmaskinen DDK/kW 58

61 Konstruktionernes vægt og vægtfordelingen Konstruktionens samlede vægt og vægtfordelingen af konstruktionsmaterialer, der indgår i hovedstrukturen, fremgår af data-skemaerne for de enkelte bølgekraftmaskiner, som er anført i bilag 7. Materialevalget samt den installerede effekt i de undersøgte bølgekraftsystemer er vist i nedenstående tabel Beton Beton ballast Stål Glasfiber Egenvægt i alt Installeret effekt ton ton ton ton ton [kw] Swan Dk3 Dec Dec Point absober Dec Dec Bølgehøvlen Dec Dec Wave Dragon Dec Dec Bølgeturbinen Dec Dec Wave plunger Dec Dec Bølgepumpen Dec Poseidon Tyngdeflyderen Power pyramid Dec Dec Dec Dec Sucking Sea Shaft * DWP system Udenlandske systemer Pico Plant (OWC) Pelamis (UK) Mighty Whale Tabel 8.12 Oversigt over konstruktionsmaterialer, som indgår i de forskellige systemer 59

62 Sammenligning af systemers økonomi Med de anførte data beregnes en overslagspris K for de enkelte systemer. I tabellen er endvidere anført systemets installerede effekt P og beregnede elproduktion pr. år E. For at sammenligne systemerne indbyrdes kan de sidste tre kolonner anvendes. P K E K/P E/P K/E Installeret effekt kw Prisoverslag 1000 DDK Elproduktion MWh kr/kw Fuldlast timer [kr./kwh pr. år] Swan Dk3 Dec Dec Point absober Dec Dec Bølgehøvlen Dec Dec Wave Dragon Dec Dec Bølgeturbinen Dec Dec Wave plunger Dec Dec Bølgepumpen Dec Dec Poseidon Dec Tyngdeflyderen Dec Power pyramid Dec Sucking Sea Shaft * Dec DWP system Udenlandske systemer Pico Plant (OWC) Pelamis (UK) Mighty Whale (Japan) Tabel 8.13 Energi-økonomiske forhold for de enkelte systemer. * Baseret på numeriske beregninger 60

63 Pris pr installeret effekt [K/P] Prisen pr installeret kw beregnes som forholdet mellem konstruktionsudgifterne K [kr.]og den skønnede installerede effekt P [kw] Fuldlast timer [E/P] Systemets drift timer beregnes som forholdet mellem den årligt producerede energi E [kwh] og systemets installerede effekt P [kw] Energipris [K/E] Forholdet mellem konstruktionsudgifterne og energiproduktionen på et år giver et tal, der kan benyttes til at sammenligne den beregnede økonomi i de forskellige systemer på basis af de beregnede konstruktionsudgifter og anlæggets energiproduktion på et år i Nordsøen, hvor energipotentialet er ca. 16 kw/m. Bølgekraft system status 2000 status 2002 K/P E/P K/E K/E [kr/kw] E/P [Timer] K/E [kr/kw] [Timer pr år] [kr/kwh pr år] [kr/kwh pr år] Swan Dk Point absober Bølgehøvlen Wave Dragon Bølgeturbinen Wave plunger Bølgepumpen Poseidon Tyngdeflyderen Power pyramid Dwp system Pico plant Pelamis Mighty Whale Tabel 8.14 Sammenligning af nøgletal for de forskellige projekter baseret på resultater status 2000 og status Det er klart, at systemer med præcise konstruktionstegninger som grundlag for materialeberegningen og vellykkede forsøg og beregninger vil give det mest pålidelige resultat. Systemer, som endnu ikke har udviklet konstruktionens detailudformning og materialevalg indgår også i sammenligningen. 61

64 Forslag til fortsat arbejde Optimering I databladene for de enkelte projekter kan anføres forhold, som må afklares for at færdigudvikle de enkelte bølgekraftmaskiner inden de er klar til prototype afprøvning. Der kan være tale om forhold, der kan forbedre energiabsorptionen, eller forhold der kan reducere de forventede omkostninger forbundet med at bygge bølgekraftmaskinen. Forankringssystem De enkelte bølgekraftmaskiners forankring kan opdeles i tre overordnede grupper: 1. Faststående 2. Stramt forankret 3. Slækt forankret Med hensyn til forankringstype anføres kategori. I forbindelse med overlevelsesforsøg bør forankringens designbelastninger måles, og en målsat skitse af forankringssystemer til bølgemaskiner anføres. Det bør fremgå, hvor mange ankre der skal anvendes, længden af ankerliner, tov og kædedimensioner samt ankertype og vægt. Forankringssystemets stivhed, som modelleres, anføres. Et meget fleksibelt ankersystem vil give mindre kræfter, men til gengæld tillades bølgemaskinen at bevæge sig mere. Et fleksibelt ankersystem vil optage mere plads, og bevægelserne stille større krav til en evt. elkabelforbindelse fra bølgemaskinen til havbunden. Forankringskræfternes følsomhed for vandstandsvariationer bør undersøges. Opbygning af et stort bølgekraftværk 300 MW Til det fuldstændige billede af økonomien i et stort bølgekraftanlæg må yderligere medtages omkostninger til: Eltransmission (evt. et selvstændigt projekt) Havne- og udskibningsfaciliteter Installation Vedligehold På nuværende udviklingsstade må det antages, at disse udgifter på længere sigt vil være relativt ens for de forskellige koncepter, opbygget i moduler til bølgekraftværker med samme maksimale effekt, f.eks. 300 MW. 62