Sjávarfallaorka

Sjávarfallaorka er endurnýjanleg orkulind og að öllum líkindum áreiðanlegasta orkulind jarðar.  Sjávarfallaorka er mjög umfangsmikil og hana má nýta án nokkurra þekktra umhverfisáhrifa.  Hingað til hefur vantað samkeppnishæfa tækni til nýtingar þessarar orku, en hún er nú í sjónmáli, m.a. með tilkomu Valorka hverfilsins.  Ríki heims beina nú augum að þessari orkulind í síauknum mæli, um leið og þau stefna að minnkandi notkun jarðefnaeldsneytis.  Að öllum líkindum er sjávarfallaorka langstærsta orkulind Íslands, en hingað til hefur bæði skort rannsóknir og stefnu á þessu sviði.

Um sjávarföllin

Meirihluti yfirborðs jarðar er sjór, en höf þekja meira en 70% yfirborðsins.  Rúmtak sjávar er einnig gífurlega mikið, eða um 14 sinnum meira en rúmmál alls lands ofan sjávarmáls.  Höfin hafa mjög mikla þýðingu og áhrif, t.d. fyrir lífið og þróun þess og fyrir veðurfar til lengri og skemmri tíma.  Vatnið í höfunum er á sífelldri hreyfingu vegna margra krafta sem á það verka.  Helstu straumar í heimshöfunum eru af tvennum toga:  Annarsvegar verða miklir hafstraumar vegna vinda sem blása á yfirborðinu.  Samspil strauma vinda, seltu og hitafars eru flókin og gagnverkandi, en fleiri þættir hafa þar áhrif s.s. snúningur jarðar og botnlag.  Hinsvegar eru svo sjávarföllin, en þeim veldur einkum nágranni okkar í geimnum; Tunglið. 

Tunglið og  jörðin toga hvort í annað, og það tog heldur m.a. tunglinu á braut sinni.  Tog tunglsins veldur einnig dálítilli hækkun sjávarborðsins á þeim hluta jarðar sem veit að tungli.  Við snúning jarðar færist þessi bunga eftir yfirborðinu, en ýmsir þættir hafa áhrif á það ferðalag.  Önnur bunga verður á yfirborði sjávar hinumegin á jörðunni; í þá átt sem snýr frá tungli.  Orsakir hennar eru einkum þær að þar gætir togs tunglsins minnst, þannig að miðflóttaafl jarðarsnúningsins nær að þrýsta haffletinum í bungu.  Þar sem snúningur jarðar er 24 tímar en umferðartími tungls 29,53 dagar (m.v. sól) ganga lönd jarðar um þessar víðáttumiklu bungur og sjórinn hækkar og lækkar við strendur.   Við upplifum þetta ferli sem flóð og fjöru, eða öðru nafni sjávarföll.  Mörg atriði valda því að sjávarföll eru með misjöfnum hætti eftir staðsetningu.  Sjávarfallabylgjan mætir ýmsum hindrunum á leið sinni.  Meginlöndin hafa áhrif; miklir hafstraumar sömuleiðis; snúningur jarðar; dýpi o.fl.  Sumsstaðar gætir sjávarfalla alls ekki, meðan aðstæður valda því annarsstaðar að mismunur flóðs og fjöru verður allt að 17 metrar.  Sumsstaðar verður flæði einu sinni á sólarhring meðan annarsstaðar gerist það tvisvar. 

Tunglið er ekki eini himinhnötturinn sem hefur áhrif á sjávarföllin.  Aðdráttarafl Sólar hefur mun minni áhrif, en veldur því þó að munur flóðs og fjöru er mismikill eftir afstöðu þessara hnatta.  Þegar jörð tungl og sól mynda nokkurnvegin beina röð í geimnum verður sjávarfallabylgjan stærri, sem veldur meiri mun á flæði og fjöru.  Við nefnum það stórstreymi, en smástreymi nefnist þegar sveiflurnar eru minnstar.  Þessar sveiflur fylgja umferðartíma tungls.  U.þ.b. tvisvar í mánuði verður stórstreymt og tvisvar smástreymt.

Að virkja sjávarfallaorku

Sjávarfallastraumurinn verður hraðastur og öflugastur þar sem annes og landgrunn þrengja að, og einnig í þröngum sundum.  Við köllum þetta rastir, og þær geta orðið hættulegar sæfarendum.  Dæmi um öflugar annesjarastir við Ísland eru Reykjanesröst, Látraröst, Straumnesröst og Langanesröst.  Dæmi um röst í sundi innfjarðar er Röst í Hvammsfirði, sem er líklega straumþyngsta röstin við Ísland.   Engar vísindalegar mælingar hafa enn farið fram í annesjaröstum hérlendis.  Kortið hér að ofan byggir annarsvegar á reynslu sjófarenda og hinsvegar á reiknigrunni heildarmassa.  Það gefur nokkra hugmynd um þá staði sem líklega munu leggja Íslendingum til mesta orku í náinni framtíð.  Valorka vinnur nú að því, í samvinnu við Hafrannsóknastofnun og fleiri aðila, að hefja mælingar á straumum til þess annars vegar að meta heildarumfang sjávarorku og hinsvegar greina heppilega virkjanastaði.

Raforkuframleiðsla úr sjávarfallastraumum hefur ýmsa kosti.  Sjávarfallaorka er að öllu leyti endurnýjanleg orka; hún er fyrirsjánleg og útreiknanleg, svo lengi sem tunglið er á sinni braut og höfin breytast ekki; og því tryggasta og fyrirsjáanlegasta form endurnýjanlegrar orku sem hugsast getur.  Fyrir hvern stað er unnt að reikna orkuframboðið út margar aldir fram í tímann. Hér er því ekki um ófyrirséða og óreglulega framleiðslu að ræða, líkt og vindorku; ölduorku, sólarorku, vatnsfallaorku og jarðhitaorku.  Allir eru þeir orkugjafar óáreiðanlegir og illa útreiknanlegir, þó í mismiklum mæli sé.   Sú er ástæða orkuskerðingar sem stórnotendur orku hérlendis þurfa iðulega að sætta sig við.  Þá er það ekki síðri kostur að unnt er að virkja sjávarföll án nokkurra þekktra umhverfisáhrifa.  Þetta á að vísu ekki við um allar tegundir sjávarfallavirkjana, t.d. geta stífluvirkjanir haft mikil áhrif á náttúrufar.  Hinsvegar munu hverflar sem eru utan fjarða og sunda; alveg á kafi og lagt með tilliti til viðkvæmra svæða ekki hafa áhrif á umhverfið.  Í þann flokk falla hverflar alorku.  Hagkvæmni sjávarfallavirkjana hefur ekki verið samkeppnisfær við önnur virkjanaform ennþá; enda ekki við því að búast meðan tæknin er á byrjunar- og þróunarstigi.  Allt bendir til þess að þessar virkjanir verði mjög hagkvæmur valkostur þegar fjöldaframleiðsla hefst og samkeppnisgrundvöllur verður heilbrigður á þessu sviði.

Skipta má sjávarfallavirkjunum í þrjá meginflokka eftir eðli þeirra og nýtingarsvæðum:

1. Stífluvirkjanir byggjast á því að nýta hæðarmun flóðs og fjöru.  Þá er stífla gerð í mynni fjarðar eða við árós og í hana settur hverfill.  Síðan er nýttur sá hæðarmunur sem flóð og fjara orsakar til að knýja þennan hverfil.  Með tveimur eða fleiri lónum má skapa nokkuð stöðugt rennsli.  Þessu virkjanaformi fylgja töluverð umhverfisáhrif, auk þess sem kostnaður er verulegur.  Fyrsta og stærsta sjávarfallavirkjun heims er af þessu tagi, en hún er við La Rance í Frakklandi; hóf framleiðslu árið 1966 og framleiðir um 240 MW.  Aðrar slíkar virkjanir eru t.d. í Kanada og Rússlandi.  Unnið hefur verið að athugunum á svona virkjunum hérlendis, t.d. með þverun Þorskafjarðar í tengslum við vegagerð.
2. Sundavirkjanir eru í straumhörðum sundum, þar sem straumhraði verður um og yfir 2,5 m/sek.  Yfirleitt eru þá notaðir skrúfuhverflar, en einnig svonefndir darrieus og gorlov hverflar.  Í þessum straumhraða verður orkuþéttnin mikil á hverja flatareiningu, og því eftir mikilli orku að slægjast.  Hinsvegar eru þessir staðir tiltölulega sjaldgæfir; tæki þurfa að vera mjög sterkbyggð og tilkostnaður er verulegur.  Virkjanamannvirki eru að mestu eða öllu leyti undir yfirborði, og umhverfisáhrif eru talin mun minni en stífluvirkjana.  Nokkrir hverflar á þessu sviði eru nú í tilraunakeyrslu, t.d. MCT/Seagen; Verdant Power og Morild, en engin virkjun hefur verið starfrækt fyrir notendamarkað.
3. Strandvirkjanir eru þær sjávarfallavirkjanir sem staðsettar verða utan sunda og þröngra fjarða; líklega helst í röstum við annes eða annarsstaðar þar sem straumþungi er meiri en úti á rúmsjó.  Orkuvinnsla í straumhraða sem hér um ræðir, ca 1 til 2 m/sek, krefst stórra átaksflata og minni orkuþéttni krefst aukinnar hagkvæmni.   Líkur eru á að virkjanir í þessum flokki verði alfarið neðansjávar.  Virkjanasvæði af þessum toga eru gífurlega umfangsmikil víða um heim, og því er hér um óhemju stóran markað að ræða fyrir þá tækni sem fyrst reynist kemst á markað og raunhæf reynist.  Ennfremur er unnt að virkja á þessum slóðum án allra umhverfisáhrifa, sé tekið nægt tillit til viðkvæms botnlags og veiðisvæða.  Snúningur hverfla er svo hægur að sjávardýrum er engin hætta búin.  Nokkrar gerðir hverfla í þessum flokki hafa komið fram.  Ennþá er þó ekki vitað um neina sem hefur meiri möguleika en Valorka hverflarnir.  Hér má sjá meira um Valorka hverflana

Eins og áður sagði er sjávarfallaorka fyrirsjáanleg langt fram í tímann og því einn áreiðanlegasti orkugjafi sem völ er á.  Reglubundnar sveiflur eru samt verulegar í orkuframleiðslunni á hverjum stað vegna sjávarfallanna.  Þannig stöðvast orkuframleiðslan um tíma á „fallaskiptum“, þar sem sjávarföllin breyta um stefnu frá flæði til fjöru og öfugt.  Staðbundið er með hvaða hætti þetta gerist, en sveiflur verða allsstaðar þar sem sjávarfallastraums gætir.  Ýmis ráð eru til að „brúa“ þetta framleiðslustopp.  Til dæmis má víða nýta það að fallastraumurinn er ekki á sama tíma við strendur; virkja á nokkrum stöðum og fá stöðuga orkuöflun með samtengingu virkjananna.  Þannig mætti fá stöðuga orku hérlendis ef samtengdar væru virkjanir við Vestfirði; Austfirði og Reykjanes.  Annað ráð er að keyra sjávarfallavirkjanir til móts við vatnsaflsvirkjanir.  Á þann hátt væri sparaður vatnsforði í lónum vatnsaflsvirkjana yfir fallið, en gengið á hann á fallaskiptum.  Fleiri aðferðir má nota, s.s. að hita kyndingarvatn með sjávarfallaorku, en í þeim efnum skiptir stutt framleiðslustöðvun litlu máli.  Ennfremur má framleiða orkumiðla til sveiflujöfnunar, s.s. vetni.

Líkast til verða fyrstu og hagnýtustu not sjávarfallavirkjana þau að afla orku á dreifðum byggðum sem erfitt hefur verið að tengja landsneti.  Hérlendis mætti t.d. horfa til Vestfjarða í þeim efnum. Þau tæknilegu vandamál sem helst eru óleyst varðandi sjávarfallavirkjanir snúa annarsvegar að raunhæfi hverfla og hinsvegar að aðferðum við niðursetningu og umhirðu virkjananna.  Nú þegar hafa fjölmörg vandamál verið leyst.  Búnaður til rafmagnsframleiðslu neðansjávar er þegar fyrir hendi og á markaði.  Rafmagn frá sjávarfallavirkjunum verður líkast til leitt til lands með köplum á sjávarbotni í spennu- og tengivirki á ströndinni.  Leita þarf leiða á hverjum stað til að koma köplum á tryggan hátt gegnum brimrót á grunnsævi, e.t.v. með skáborun. Mörg vandamál við festingar og umhirðu mannvirkja neðansjávar hafa einnig verið leyst, t.d. í tengslum við olíuboranir á rúmsjó.  Sjávarfallavirkjanir þurfa helst að vera á nokkru dýpi undir yfirborði til að losna við yfirborðshreyfingu sjávar.  Þá þurfa þær einnig að vera nokkuð hátt yfir sjávarbotni; annarsvegar til að losna við botnrek og hinsvegar vegna þess hve straumur er mikið hægari við botninn.  Því má gera ráð fyrir að strandvirkjanir verði vart á minna sjávardýpi en 30-50 metrum. 

Sjávarfallavirkjanir og hagsmunir Íslendinga

Íslendingar hafa verulegra hagsmuna að gæta varðandi þá öru þróun sem nú er í nýtingu sjávarfalla.  Stjórnvöld þurfa þess vegna að fylgjast vel með; móta sér raunhæfa stefnu og nýta tækifæri sem gefast.  Íslenskir hagsmunir eru einkum af tvennum toga:

A. Gera má ráð fyrir að sjávarfallaorka sé langstærsta orkulind Íslendinga.  Þó enn vanti rannsóknir hérlendis því til sönnunar, má leiða að þessu sterkum líkum með samanburði við önnur nálæg lönd.  Nýlega gerðu írsk stjórnvöld vandaða og umfangsmikla athugun á sjávarorku við Írlandsstrendur.  Niðurstaðan var sú að heildarumfang sjávarfallaorku þar væri um 230 TWst/ári (TWst=terawattstund=1 milljón kWst) .  Sé sú niðurstaða umreiknuð á Ísland m.v. mismunandi flatarmál landanna kemur í ljós að hér er heildarumfang sjávarfallaorku líklega 337 TWst/ári.  Til samanburðar telur Orkustofnun á heimasíðu sinni að virkjanleg vatnsfalla- og jarðhitaorka Íslands sé samanlagt um 123 TWst/ári.  Slíkur samanburður eftir flatarmáli er vissulega umdeilanlegur, en þó kemur í ljós að hann er í furðu góðu samræmi við niðurstöður rannsókna á sjávarfallaorku í Bretlandi og við norðanverðan Noreg.  Hér er það einnig að athuga að líkast til er vatnsfalla- og jarðhitaorka hérlendis ofmetin, í ljósi þess hve virkjanir af þessum toga verða sífellt umdeildari vegna vaxandi vægis umhverfissjónarmiða.  Þegar tekið er mið af hinni öru þróun sem nú er á sviði virkjanatækni; knúin áfram af kröfu uppýstra neytenda um hreina orku, þá má fullyrða að fáir áratugir muni líða þar til sjávarfallaorka verður viðurkennd sem ein mikilvægasta orkulind Íslendinga.  Því veldur furðu það fálæti sem íslensk stjórnvöld hafa hingað til sýnt þessari orkulind.  T.d. er vart minnst á hana í fyrirliggjandi drögum að nýrri (feb.2011) orkustefnu til fjögurra ára.  Á grafinu hér fyrir neðan má sjá þróun raforkuframleiðslu með vatnsfalla- og jarðhitaorku:

Grafið byggir á opinberum tölum um orkuframleiðslu á tímabilinu 1977 til 2011 og spá um þróun aukningar á orkueftirspurn í takti við fyrri þróun.  Græna lárétta línan táknar orkuframleiðslu nú, rösklega 18 TWst/ári; rauða lárétta línan táknar ítrustu nýtingarmörk vatnsfalla- og jarðhitaorkulinda landsins, samkvæmt fyrirliggjandi niðurstöðu rammaáætlunar.  Samkvæmt þessu verða hefðbundnar orkulindir fullnýttar í síðasta lagi árið 2050.  Líklegt er þó að því marki verði náð nokkru fyrr; jafnvel fyrir árið 2040.  Því veldur bæði það að líklega er spáin of hófleg varðandi aukningu orkueftirspurnar og einnig það að sérhver ný virkjun mætir sívaxandi andstöðu vegna aukinnar umhverfisvitundar almennings.  Þrátt fyrir þessa yfirvofandi orkukreppu hafa íslensk stjórnvöld enn ekki sett sér nein markmið um orkuöflun til framtíðar.  
Inn á þetta línurit vantar veigamikinn þátt, sem er nýting annarra orkuauðlinda sem okkur eru tiltækar.  Um þrennt er að ræða: vindorku, ölduorku og sjávarfallaorku.  Vindorka kann að verða notuð að einhverju marki, en hún hefur fjóra augljósa ókosti; algera óvissu í orkuframleiðslu; sjón- og hljóðmengun á virkjunarstað; fugladráp og verulegt mengunarfótspor þegar framleiðsluþættir eru teknir með í reikninginn.  Af þeim sökum hafa sumar þjóðir nú snúið baki við vindorkunýtingu.  Ölduorka er gríðarmikil hér við land en enn hefur ekki fundist tæknileg lausn á vandamálum samfara ofviðrum, auk þess sem um fremur óstöðuga orku er að ræða. Sjávarfallaorkan er því langsamlega mest aðlaðandi kosturinn sem Íslendingum stendur til boða varðandi orkuvinnslu til framtíðar.

B. Við Íslendingar höfum nú einstakt tækifæri til að ná forystu á eftirsóttu sviði tækniþróunar og framleiðslu eftirsóttrar hátæknivöru.  Mikil umskipti eru að verða í orkumálum heimsins, einkum í iðnríkjum.  Öll stór ríki og ríkjabandalög keppast nú við að móta sér orkustefnu sem miðast við að hverfa frá nýtingu jarðefnaeldsneytis og leggja stóraukna áherslu á nýtingu hreinna og endurnýjanlegra orkulinda.  Í þessari orkubyltingu eru allir orkugjafar skoðaðir og miklum fjárhæðum er varið í þróunarvinnu.  Fá lönd búa jafn vel og Íslendingar að vatnsfalla- og jarðhitaorku.  Því er leitað annarra leiða.  Mikil áhersla hefur verið lögð á vindvirkjanir og sum lönd eru þar framarlega, s.s. Danmörk og Þýskaland.  Stöðugar tækniframfarir hafa einnig gert sólarorku vænlegri kost en áður, sérstaklega á sólríkum svæðum.  Mörg ríki renna hýru auga til sjávarorku af ýmsu tagi og beita ýmsum aðferðum til að örva tækniþróun.  Fjölmargir aðilar reyna að ná tökum á virkjun ölduorku, en ennþá eru þar erfið vandamál óleyst.   Einnig eru nokkur fyrirtæki að þróa sjávarfallavirkjanir, en flest eru þau verkefni á sviði stíflu- og sundavirkjana þó þar sé markaður takmarkaður af ástæðum sem áður voru nefndar.  Enn eru furðu fáir aðilar að þróa tæknilausnir til nýtingar stærstu straumasvæða heimshafanna.  Hér er augljóslega um gífurlega stóran og öruggan markað að ræða til framtíðar fyrir þann sem fyrstur nær að markaðssetja tækni til nýtingar þessarar víðfeðmu auðlindar.  Hér liggja mikil tækifæri fyrir Íslendinga.
Íslendingum hefur gengið erfiðlega að finna fótfestu varðandi framleiðslu hátækniföru til útflutnings, og hlutdeild hennar er lægri í okkar þjóðarframleiðslu en flestra þróaðra ríkja.  Ein helsta orsök þessa er sú að okkur hefur ekki tekist að nýta hugvit og tækniþekkingu þjóðarinnar á neinu nýju sviði, heldur eru allar okkar hátæknivörur í mikilli samkeppni við erlenda framleiðslu sem yfirleitt stendur betur að vígi vegna hefða og stuttra flutningsleiða.  Við blasir allt annar grundvöllur varðandi tækniframleiðslu til sjávarfallavirkjana.  Hér getum við byggt á íslensku hugviti; við höfum alla burði til að klára þróunarferli með okkar miklu tækniþekkingu; við getum byggt á „hefðum“ varðandi nýtingu endurnýjanlegra orkulinda og reynslu af nýtingu sjávarauðlinda; við erum í góðum viðskiptasamböndum varðandi íhluti og önnur aðföng.  Í stuttu máli sagt þá höfum við núna tækifæri til að verða fyrstir til að fullþróa tækni til nýtingar sjávarfallaorku; framleiða hana og hagnýta í okkar þágu og til útflutnings.

En þetta gerist ekki nema með skilningi og stefnumótun stjórnvalda.  Enn sem komið er sjást þess harla lítil merki að sá skilningur sé að vakna, en vonandi rætist úr því áður en það er um seinan.  Í þessu efni má velta því fyrir sér hvort við séum ekki núna í svipaðri aðstöðu og Finnar, sem einnig lentu í efnahagskreppu uppúr 1990.  Þeirra bjargráð var m.a. að endurskipuleggja frumkvöðlaumhverfið og styðja framgang vænlegrar hátækniframleiðslu.  Það varð m.a. til þess að stígvélaframleiðandinn Nokia náði að hasla sér völl á farsímamarkaðnum, sem þá var jafn óplægður og arðvænlegur akur og tækni til virkjunar sjávarfallaorku er núna.  Hér á vel við það fornkveðna „að grípa gæsina meðan hún gefst“.

Sjávarfallaorkan gæti því fært okkur Íslendingum ýmis tækifæri.  Þau munu þó ekki nýtast nema skipulega sé unnið, jafnt að hálfu frumkvöðla sem stjórnvalda og stuðningsumhverfis.