NO20211023A1 - System for energigjenvinning i oppdrettskar - Google Patents

Description

Patent beskrivelse

Med de store miljøproblemene som følger oppdrett i sjø, så utvikles det nye løsninger for å ta oppdrett inn i anlegg på land. Dette medfører at vann må pumpes fra et lavt nivå f.eks. sjø og typisk 10m opp i store kar. Det er ofte store vannmengder det er snakk om med tilsvarende store energikostnader. Anleggene har ulikt vannbehov, alt avhengig av hvor stor vannutskifting det legges opp til. Det kan være alt fra full gjennomstrømning, der vannet renner som en elv gjennom et lengdestrømskar, til anlegg designet som RAS anlegg der vannet resirkuleres i en sløyfe for vannbehandling og brukes om igjen og der kun noen få % med nytt vann pumpes inn og ut. Oppdretter bestemmer dette ut fra graden av rensing som det legges opp til. Spesielt styrende er mengde CO2 og partikler som akkumuleres i vannet når man reduserer pumpekapasitet og gjennomstrømning av vann

Energiregnskapet i disse anleggene er derfor en utfordring og representerer en stor kostnad.

Det er også et stort problem at disse anleggene ligger spredt langs kysten der det fra før av er lite kapasitet på kraftnettet. Det er derfor også store kostnader forbundet med bygging av ny infrastruktur for å lede elektrisk kraft til disse anleggene.

Oppfinnelsen gjelder et system for gjenvinning av noe av energien som ligger i det vannet som forlater anlegget. I dag har man generatorer med opp mot 80% virkningsgrad, og med bruk av slike generatorer vil man derfor kunne gjenvinne opp mot 80% av den potensielle energien som ligger i å slippe vannet tilbake til det nivået man pumpet det fra.

Searas AS

Figuren over viser hovedkomponentene i løsningen, der en pumpe (3) pumper vann (4) fra sjø opp i en tank (1). Utløpet fra tanken med nivå (7) går tilbake til sjø gjennom en generator (2). Denne generatoren (2) leverer strøm til motor (10) som driver pumpe (3) eller den leverer tilbake til kraftnettet. Elektrisk kraft for å drive pumpe (3) hentes fra det offentlige nettet. Gjenvunnet energi i generator (2) kan leveres tilbake til det offentlige nettet eller brukes til drift av pumpe (3).

Figur 2 viser en typisk konfigurasjon der vann pumpes gjennom (3) opp i tank (1) til et nivå (7) der man har en nivåmåler eller aller helst et overløp som styrer dette. Fra overløpet går vannet tilbake gjennom generator (2) før det går tilbake til sjø.

Når man tar vann fra sjø, så vil pumpehøyden endres i takt med flo og fjære. Dette er illustrert i Figur 3. Nettopp definisjonen på om et anlegg er på sjø eller land er et kjernespørsmål i dagens utbygginger av landbaserte gjennomstrømningsanlegg, fordi energikostnadene knyttet til å pumpe vann er så høye. Figur 3 viser et typisk anlegg for oppdrett av marine organismer basert på gjennomstrømnings prinsippet. Behovet for vann kan være meget stort avhengig av hvor mye biomasse av de marine organismene som befinner seg i vannet. F.eks ved oppdrett av laks har det vært diskutert mye hvor høyt fisketanken (1) skal ligge over havnivå. Det har vært presisert av fiskeridepartementet at fisketanken (1) også kalt produksjonsenheten skal ligge over HAT, som er Høyeste Astronomiske Tidevann.

En presisering fra Fiskeridirektoratet (ref.1.)

Etter dette kan det pekes på noen klare typetilfeller for akvakulturanlegg i sjø og på land. Et akvakulturanlegg vil klart være "i sjø" dersom produksjonsenheten(e) flyter i sjø, står på sjøbunnen, eller er omsluttet av sjø. Et akvakulturanlegg vil også klart være "på land" dersom produksjonsenheten(e) står på fast grunn eller på utfylte masser på et område av

jordoverflaten som ikke er dekket av vann, dersom også laveste nivå (bunnen) i produksjonsenheten(e) er på et nivå over høyeste astronomiske tidevann (HAT) i sjø slik at

det ikke er noen direkte tilknytning mellom produksjonsenheten og sjø.

Searas AS

Innretningen i Figur 3 er ihht fiskeridepartementet sine retningslinjer for oppdrett på land. Definisjonene av at bunn av produksjonsenheten (1) skal være over HAT er oppfylt og det betyr at selve karhøyden (7) kommer i tillegg til hvor høyt HAT ligger over middelvannstand. Et typisk kar kan ha en høyde på 6 m og deretter kommer ca 1,5 m i tillegg som er forskjellen mellom HAT og Middelvannstand. Det betyr at en må pumpe vann i snitt opp 7,5 m. I regneeksempelet under vises energien som skal til for å pumpe en viss mengde vann opp til et nivå på 7,5 m.

Mengden vann som skal pumpes inn i karet er gitt av biomassen(mengden fisk) in anlegget. F.eks kan et kar inneholde 5000M3 vann. Det kan være opptil 100 kg fisk/ M3 vann som betyr at et slikt kar kan ha opptil 500000 kg fisk. Vann må byttes ut i en slik grad at f.eks mattilsynet sine max nivåer ikke overskrides. I et slikt kar må man i de fleste tilfeller også tilsette O2. Et typisk krav fra oppdretter er at CO2 nivåene i karet ikke overskrider 15mg/L vann.

Fisk kan antas å skille ut ca 400 g CO2 / kg fôr som gis til fisken. Typisk kan en stor fisk spise ca 0,8% v kroppsvekten i døgnet. Det betyr at i dette karet vil fisken produsere store mengder CO2 som må reguleres ved utskifting av vann eller fjerning gjennom degassing.

500000kg fisk x 0,8% fôr x 412 g = 1648000 gram CO2/ døgn

1 648000gram / 24 = 68667 gram/time. ( 68667000 mg/time)

Ved et max nivå på ca 15 mg/l vann trenger vi da fjerne like mye CO2 fra karet som det som produseres fra fisken. Det betyr at ved 15mg/L vann som forlater karet må vi fjerne følgende mengde vann fra karet:

68667 000 mg/CO2 produsert / 15 mg/L = 4577777 L vann ut hver time. Det betyr at samme mengde nytt vann må pumpes inn. Dette gir 4575 M3/h nytt vann inn pr time, som tilsvarer 1272 L/s nytt vann inn i anlegget.

Hvis vi ser kostnaden med dette når høyden fra nivå vi henter vann fra til vannstanden vi pumper vann til er på 7,5m, får vi typisk;

• P = Power transmitted to the fluid by the pump in Watt.

• Q = Flow in m3/s.

• p = Density of the liquid in kg/m3.

• H = Piezometric height in meter of water.

• 9.81 = Average Intensity of gravity.

P = 1272l/s x 1025kg/M3 x 7,5 x 9,81 = 96 kW. Hvis vi estimerer virkningsgrad på 80 % trenger vi ca en pumpe på 115 kW for å løfte vannet. Det er her ikke tatt med friksjon i rør etc. Dette vil gi en kostnad på ved en pris på 1 NoK/ kW på ca 1007000 NoK /år for arbeidet med å løfte vannet opp 7,5 m.

Det har vært skrevet flere artikler i www.kyst.no og ilaks.no (ref.1) om hvor ufornuftig det er å pålegge oppdretter krav om å legge anleggene over HAT. Argumenter for å legge de nedgravd slik at nivået i produksjonsenheten er på samme nivå som havet er at en slipper kostnaden med å pumpe vann til høyere nivå.

Searas AS

Figur 4 viser hvordan flere tanker er koplet sammen på utløpet i en felles utløpsledning / utløpskum som leder vannet inn til et sett med genratorer (2) og pumper (3). Tilsvarende for lengdestrømsbasseng er vist i Figur 6.

En pumpe er mest effektiv ved en gitt mengde vann og et gitt trykk. Det samme gjelder for en turbin. Som figur 4 viser så vil man sette ulike pumper og turbiner i parallell der de har ulik kapasitet, der den ene har typisk halve kapasiteten til den andre. Når vannmengden varierer vil man da kunne kjøre de enkeltvis og få typisk 50% og 100% vannkapasitet, og ved å kjøre begge får man 150%.

Vannbehovet i et oppdrettsanlegg er predikterbart og konstant i lange perioder. Man vil derfor med den foreslåtte løsningen oppnå høy energigjennvinning som vil være med å redusere driftskostnadene betraktelig.

I tillegg viser løsningen i Figur 5 detaljer rundt en tank der vann føres inn gjennom inntak (4) gjennom pumpe (3) og over og inn i tanken (1) i en hevrt (11). En senterring (15) av en gitterkonstruksjon hindrer fisken i å komme inn til rørene som fører vann ut av tanken gjennom rør (13) til en utløpskum (14) der vannet føres videre inn i generator (2) og videre til utløp (5).

Det som styrer behov for vanntilførsel og dermed energikostnad er først og fremst nivå på CO2 og partikler i vannet i Tanken (1). Ved å ha innretninger som reduserer dette vil man også kunne redusere vannforbruket og dermed energikostnaden.

Fig.6 viser et alternativ løsning for et lengdestrøms anlegg.er overløp(17) holder nivå konstant i vanntanken. Vannet renner inn i en samle kanal med samme nivå der vann kan klomme fra flere tanker. Deretter renner det over et overløp(17) som sikrer konstant nivå i vanntankene. Dette sikrer at alt vann kan føres inn mot turbinen(e)(2) for å sikre optimal utnyttelse.

En slik innretning for å redusere nivå på CO2 og partikler er vist i innretning (12) i Figur 5. En side ved oppfinnelsen er nettopp at disse kombinerte degasserne/skimmerne (12) vil kunne opereres s.a. man får en optimal vannutskiftning med tanke på at pumper og generatorer kan kjøres optimalt der energikostnad står i fokus, samtidig som vannet vil tilfredsstille krav som oppdretter og myndigheter har.

Variabel vannføring er en kjent problemstilling ved småkraft verk i Norge. Her er det en komplisert oppgave å velge riktig turbin siden variasjon av vannmengde på grunn av nedbør etc. spiller inn. I et oppdrettsanlegg på land er mengden som pumpe ganske konstant. Det betyr at en kan få en meget god virkningsgrad på turbinen. En fallhøyde på 5-10 m er ideelt for f.eks kaplan turbin.

F.eks kan en tenke seg at en installerer pumper og turbiner som har samsvarende optimal virkningsgrad. Det betyr at en kan kjøre 1 pumpe med tilsvarende turbin. Starter en 2 pumper vel en starte tilsvarende turmin osv. Dette betyr at en kan kjøre pumper optimalt samtidig som en får optimal utnyttelse av turbin(er). En kan da gå fra virkningsgrader på 40% til over 80% på både pumpe og turbiner som gir en enorm energigevinst.

Searas AS

En turbin kan ha en virkningsgrad på 80%. det betyr at man kan få tilbake 80% av energien brukt til å pumpe opp vannet i karet. Dette gir en betydelig besparelse ved å pumpe vann.

Løsningen som beskrevet i denne oppfinnelsen, kombinerer ulike størrelser pumper og generatorer for å gjenvinne energi fra spillvannet i et oppdrettsanlegg der man kan optimalisere energigjenvinningen ved også å synkronisere behov for degassing/skimming av vannet til å optimalisere vannstrømmen s.a. den passer best mulig til ytelseskarakteristikken til kombinasjon pumpe og generator og samtidig tilfredsstiller oppdretters og myndigheters krav til vannkvalitet. Dette vil gi store energibesparelser for oppdretterne. Gjenvunnet energi kan brukes lokalt i drift av anlegget eller eksporteres tilbake til strømnettet.

Ref 1. https://ilaks.no/kommentarer-til-fiskeriministerens-svar-til-stortinget-vedrorende-losna-seafood/

Searas AS

Claims (8)

PATENTKRAV

1. Et anlegg for gjenvinning av energi, i en landbasert vanntank som bruker energi for å forflytte vann opp til et høyere nivå enn utgangspunktet, og der vannet i vanntanken renner tilbake til et lavere nivå enn i vanntanken, karakterisert ved at anlegget omfatter pumpe for å bringe vannet opp, samt vannturbin som er plassert i vannstrøm som renner tilbake til lavere nivå, for gjenvinning av energi.

2. Et anlegg for gjenvinning av energi ifølge krav 1, karakterisert ved at anlegget er plassert i et anlegg for oppdrett av marine organismer

3. Et anlegg for gjenvinning av energi ifølge krav 1 og 2, karakterisert ved at anlegget er plassert i et gjennomstrømningsanlegg for oppdrett av marine organismer.

4. Et anlegg for gjenvinning av energi ifølge krav 1 og 2, karakterisert ved at energien som genereres fra generator brukes direkte i anlegget eller føres inn på strømgrid.

5. Et anlegg for gjenvinning av energi ifølge krav 1, karakterisert ved at en eller flere turbiner tar imot vann fra flere kar slik at turbiner kan opereres med høy virkningsgrad under ulike driftsforhold med forskjellige vannmengder som pumpes inn i vannkar.

6. Et anlegg for gjenvinning av energi ifølge krav 1 og 5, karakterisert ved at vannmengden som pumpes inn i vanntanken er optimalisert mot høy virkningsgrad av turbiner og at vannparametere i oppdrettsvannet optimaliseres med andre metoder som CO2 lufting, skimming av partikler, tilsats av O2, vakuumlufting av vann, mengde NH3 eller andre relevante vann-parametere for oppdrett av marine organismer.

Searas AS

7. Et anlegg for gjenvinning av energi ifølge krav 1, karakterisert ved at anlegget er plassert tilhørende et vannbasseng der flytende enheter for oppdrett av marine organismer er plassert.

8. Et anlegg for gjenvinning av energi ifølge krav 1, karakterisert ved at pumper og turbiner er samsvarende i effektivitet slik at en vannpumpe kan pumpe vann opp i et vannmagasin og en turbin er tilpasset samme vannmengde for optimal virkningsgrad og at flere samsvarende pumper og turbiner kan installeres i et anlegg.

Searas AS