NO345299B1 - Undervannssaltkraftverk - Google Patents

Description

Undervannssaltkraftverk

Oppfinnelsens tekniske felt.

Foreliggende oppfinnelse vedrører produksjon av fornybar elektrisk kraft.

Historikk og Oppfinnelsens Bakgrunn.

Energikilden til denne kraften er den energien som frigjøres når to væskemengder med forskjellig salinitet blandes sammen, som for eksempel når en elv renner ut i havet.

Teknologien vi viser til, kalles til vanlig for saltkraft. Da snakker vi om å benytte oss av en prosess som går under navnet osmose.

Historikk

De teoretiske modeller for osmose ble utviklet i siste halvdel av 1800 tallet.

Konseptskisser for saltkraft finner vi beskrevet i litteraturen allerede fra tidlig på 1900-tallet. Teorien viste at det var svært så betydelige mengder energi som i prinsippet kunne tappes overalt i verden hvor elver renner ut i havet.

Prosessen teorien viste til ble kalt «pressure retarded osmosis» på engelsk eller kort og godt bare PRO som utgjør forbokstavene i ordene i den engelske betegnelsen. Det ble tidlig demonstrert at prosessen virkelig produserer kraft i laboratoriet i henhold til de teoretiske modeller.

Mye har skjedd siden da, både på papiret og i oppsett på laboratorium. I dag regner man at det finnes to prosesser for å utnytte osmotisk kraft fra løsninger med forskjellige saltkonsentrasjoner. Den ene er trykkretardert osmose (PRO) som vi allerede har nevnt, mens den andre kalles omvendt elektrodialyse (RED) som involverer ionebytting over en ladet membran. Den foreliggende oppfinnelse er basert på PRO prosessen og vi går derfor ikke inn på RED.

Men til tross for at fysikken bak PRO har vært godt forstått lenge, og at det er svært betydelige mengder energi det dreier seg om, måtte verden vente til 2009 før noe av tilsynelatende åpenbar betydning skjedde.

Da startet det norske selskapet Statkraft et prøveprosjekt på Toft på Hurumlandet i Oslofjorden, kalt Toft-anlegget. Det var basert på PRO-prosessen. Toft anlegget var på beskjedne 4 kW. Men dette var like fullt betydelig større enn de laboratoriesystem som fantes tidligere rundt om i verden og det er det prosjektet som hyppigst refereres om man søker på nettet.

Planen var å følge opp med en fullskala prototyp i 2015 etter å ha vunnet erfaring på Toft med tilgjengelig teknologielement og testet ut de utfordringene man så for seg, før man gikk videre i fase 2 på Sunndalsøra med en prototyp på 1-2 MW.

Det hele så lovende ut. Men i 2013 besluttet man brått og, for de fleste utenforstående, uventet å legge ned prosjektet.

Toft-anlegget benyttet seg av elementer av velkjent teknologi og prinsipper, men de testet selvsagt ikke ut alle sider av alt som ellers er beskrevet i litteraturen. De benyttet seg for eksempel av en trykkveksler for å øke trykket i saltvannsstrømmen inn i anlegget. Det finnes andre typer teknologi for å oppnå det samme på som ikke ble testet ut. De benyttet seg videre av såkalte spiralmembraner som osmotiske membraner. Det finnes andre typer membraner.

De aller fleste PRO-anlegg beskrevet i litteraturen er tenkt anlagt ved et ferskvannsreservoar, for eksempel en elvemunning på havnivå, slik at både ferskvann og saltvann er lett tilgjengelig.

Men det finnes unntak fra denne plasseringen. Det mest kjente konseptet har fått betegnelsen SHEOPP konverteren. Den er også basert på PRO prosessen. Men har fått liten oppmerksomhet etter at den ble lansert på slutten av 1970-tallet, muligens fordi det kan reises alvorlige innvendinger mot den av praktiske/økonomiske årsaker og at den derfor har vært ansett som mindre aktuell enn de anleggene Toftanlegget eksemplifiserer.

Det finnes og konsepter ikke bare basert på bruk av sjøvann og ferskvann, men også på bruk av sjøvann og avløpsvann fra renseanlegg i storbyer.

Det finnes også konsept som baserer seg på bruk av saltlake og sjøvann på membranenes fersvannside. Her kan saltlakekildene være saltlake dannet ved solfordamping av sjøvann og/eller saltlake utvunnet ved å pumpe sjøvann ned i geologiske saltvannsdomer i fjellgrunnen. På ferskvannsiden i systemet kan man da bruke sjøvann om ikke ferskvann er tilgjengelig som f.eks. i ørkenlignende strøk.

Toft-anlegget er imidlertid det anlegget som er oftest sitert om man søker på nettet. Vi vil derfor bruke konseptet for Toft-anlegget som illustrasjon på PRO og derved vel anerkjent teknologi. Men for ikke å begrense vår beskrivelse av kjent teknologi til kun dem som måtte inneholde trykkveksler, bruker vi betegnelsen «volumombytter». Den betegnelsen betegner alle kjente innretninger, både trykkveksleren og alle andre kjente innretninger som kan erstatte dens funksjonalitet. Vi begrenser oss heller ikke til spiralmembraner som er den typen Toft brukte, i vår drøftelse av kjent teknologi.

Spiralmembraner er en av mange såkalte RO-membraner utviklet for revers osmose som brukes i vannbehandling, blant annet for å produsere ferskvann fra saltvann. RO-membraner benytter en membranduk som oppfyller alle betingelser for osmose. Disse membranene virket derfor naturligvis, men dessverre langt fra så godt som man forventet seg.

Det var nemlig membranteknologien Statkraft pekte på som den viktigste «show stopper» eller på norsk snublesteinen og som hovedgrunnen til at prosjektet ble stoppet. Andre typer membran ble ikke prøvd ut.

Status

Status i 2018 er fremdeles at vel anerkjent teknologi må ansees som utviklet for småskalaproduksjon av saltkraft, men at kraften langt fra er konkurransedyktig økonomisk sett.

Videre er status den at ingen ennå har løst de teknologiske og økonomiske utfordringer på et vis som resulterer i at man kan produsere strøm industrielt i storskala til konkurransedyktig pris.

Realiteten er nemlig den at det finnes flere snublesteiner enn membranene. Og de bidrar til å blokkere den videre utvikling i like stor grad som membranene gjør det.

Toft-anlegget er plassert ved havoverflaten. Vi har generalisert Toft-anleggets publikasjon av sin konseptskjematikk noe slik at resultatet også omfatter en beskrivelse av andre slike konsept på figur 2. Vi skal referere til slike anlegg generelt som tradisjonell PRO.

Men det finnes og konsept for anlegg anlagt i fjellhaller eller i atmosfæriske undervannshus plassert langt under havoverflaten. Det første anlegg av denne typen er som nevnt kjent som SHEOPP-konseptet. De skiller seg alle noe fra hverandre men deler alle den karakteristikk at hovedenhetene i dem er plassert tørt inne i atmosfæriske kamre av en eller annen sort dypt under havflaten.

Vi skal referere til slike anlegg med begrepet «konsept v SHEOPP klassen», eller når det faller naturlig med «SHEOPP klassen».

Tradisjonell PRO og SHEOPP klassen representerer kjent teknologi. Vi skal komme behørig tilbake til dem senere.

Utviklingen siden 2013

Det er liten tvil om at det har det skjedd en god del siden 2013 teknologisk sett.

I den senere tid er RED teknologien som dreier seg om å lage saltkraft på et vis som minner om en brenselscelle igjen aktualisert. Ved École Polytechnique Fèdèderal de Lausanne; EPFL, i Sveits har man nemlig nylig demonstrert et mikroskopisk membran i laboratoriet, 2.5 millioner ganger mer effektivt enn det man brukte på Toft-anlegget og en million ganger mer effektivt enn det Statkraft påsto de trengte for å gjøre saltkraft konkurransedyktig økonomisk sett.

Disse osmotiske membranene er imidlertid basert på et fundamentalt annet prinsipp (RED) enn de tradisjonelle og kan ikke brukes i et PRO-anlegg. Energien i prosessen er imidlertid identisk med i energien i prosessen bak de tradisjonelle teknologier. Men om ikke disse membranene er anvendbare for PRO, så illustrerer det et potensiale for membraneffektivisering som er mange størrelsesordener bedre enn dagens membraner for PRO som ifølge produsentene selv er om lag 15 W/m2.

Bedre materialer har blitt utviklet, inkludert boron nitride nanorør, som franske forskere viste kunne produsere 1000 W/m<2 >i 2013 og som resulterte i et patent og en industrialiseringsaktivitet som så vidt vites ennå ikke er i mål. Men det skjer og flere spennende ting.

Det er klart at om man når i mål med å industrialisere lovende RO membranprosjekt med potensiale i nærheten av det dette tyder på, vil det ha enorm betydning for PRO basert saltkraft.

Noen mener derfor i dag at den teknologiske utvikling siden 2013 er såpass betydelig at tiden kanskje nå er moden for igjen å prøve å flytte på disse andre snublesteinene og at en rivende utvikling av membranene da ville følge som en konsekvens av det.

NO 314575 B1 vedrører en semipermeabel membran bestående av et tynt sjikt av et ikke-porøst materiale (diffusjonshuden), og ett eller flere sjikt av et porøst materiale (det porøse laget) har en struktur hvor porøsitet φ, porelengde x (m), og tortuasitet τ, står i relasjon til hverandre som gitt ved uttrykket χ · τ = φ · Ѕ, hvor S er en strukturparameter.

Videre beskrives en fremgangsmåte for tilveiebringelse av forhøyet trykk ved osmose samt en anordning for tilveiebringelse av et osmotisk forhøyet trykk og elektrisk kraft.

WO 2007/073207 A1 vedrører en fremgangsmåte og et system for å utføre vedlikehold på en membran som har halvgjennomtrengelige egenskaper og blir brukt i en trykkhemmet osmose PRO, idet membranen har et høyt trykk første side og andresiden av lavere trykk. En tidskontrollerbar første ventil eller pumpe er koblet mellom en inngang til lavtrykkssiden av membranen og en inngang til høytrykksside av membranen, hvilken første ventil eller pumpe kan betjenes for selektivt å levere en plugg av en andre type vann til den første siden av membranen for å redusere konsentrasjonen av oppløst stoff(er) i vann av en første type der, og derved skape en PRO-trykk-tilbakespylingsfunksjon med vannet av den andre typen fra den første til den andre siden av membranen under trykk på nevnte første side ved høytrykksforsyning av vann fra den første typen oppstrøms for nevnte plugg vann av den andre typen.

US 2015/0322810 A1 vedrører en generator som omfatter et generelt horisontalt fast rør og et indre rør, og et ringformet rom dannet mellom det faste røret og det indre røret. Det faste røret mottar en første vandig løsning og det indre røret mottar en andre vandig løsning. Det indre røret består av en membranvegg som letter blandingen mellom den første og den andre vandige løsningen.

US 2013/0064640 A1 vedrører en anordning som omfatter et indre rør som definerer et blandingsområde, et ytre rør og et ringformet kammer mellom de indre og ytre rør. Et mateinnløp forsyner det ringformede kammer, og et antall perforeringer er dannet i veggen av det indre røret.

Kort figurforklaring.

Figur 1 viser en skjematisk skisse over hovedelementene i et osmotisk kraftverk ifølge foreliggende oppfinnelse.

Figur 2 viser konvensjonell teknologi og er en illustrasjon som sammenfatter hvordan et saltkraftverk i hovedsak er beskrevet i litteraturen.

Alle unntatt ett av elementene på figuren har betegnelser som er velkjente, som har åpenbar funksjonalitet, og som reflekterer kjent terminologi.

Unntaket er betegnelsen volumombytteren. Det er en betegnelse vi finner hensiktsmessig for å generalisere omtalen av en innretning som kan realiseres på flere velkjente vis. Betegnelsen er forklart i søknadsteksten.

Figurene 3a-3b viser SHEOPP konverteren skjematisk og den praktiske utforming man tenkte seg at den kunne implementeres på.

Figurene 4a-4b viser alternative hovedinnretninger for membraner og volumomformere beskrevet for konvensjonelle konsept.

Figurene 5a-5b viser et kakediagram av typiske tapsfordelinger i et tradisjonelt PRO konsept.

Figurene 6a-6c skisserer typiske driftsvirkningsgrader for saltkraft generelt som funksjon av volumstrøm og trykk i osmosekammeret.

Figur 7 viser en skjematisk skisse som beskriver foreliggende oppfinnelse.

Figur 8 viser en skjematisk skisse som beskriver membrandelen av den foreliggende oppfinnelse og som er sentral for at foreliggende oppfinnelse skal kunne oppnå maks. effektivitet.

Figur 9 viser et vannsirkulasjonssystem i kraftverket ifølge foreliggende oppfinnelse skjematisk.

Figur 10 viser et eksempelkonsept basert på foreliggende oppfinnelse. Det er tilpasset forholdene på en bestemt lokasjon i en Norsk fjord og er beregnet til å kunne levere 10 MW.

Figur 11 viser detaljer av det samme anlegget som vist på figur 10, sammen med det skjematiske diagram vi brukte i sammendraget for den foreliggende oppfinnelse noe stilisert.

Figur 12 viser detaljer i membranmodulkopling med en fullt utlandet og oppkoplet membranmodul fra eksempelkonseptet sett fra undersiden.

Kommentar til figurbetegnelser.

Figurene er av to typer:

A. Figurer som beskriver oppfinnelsen benytter henvisninger til innretninger i oppfinnelsen i form av tallbetegnelser.

B. Figurer som er lagt inn for å tydeliggjøre kjent teknologi. De er alle uten tallbetegnelse og har kun indirekte relevans til selve oppfinnelsen.

Tallbetegnelser uttrykkes som (1), (2), (3) etc. og knytter dem til enkeltdeler og innretninger i illustrasjonene. Men det brukes og tallbetegnelser med punktumskilletegn som f.eks. (1.1), (2.7) etc.

Tallbetegnelsen med punktum referer til underelement i et hovedelement.

Eksempelvis betyr tallbetegnelsen (3.2) den underdelen, som betegner overtrykksmanifoilen som i sin tur er et av underelementene i høytrykksmanifoilen (3).

Alle tallbetegnelser referer den samme benevnelse uavhengig av hvilke figurer de måtte befinne seg på. En tallbetegnelse er derfor i prinsippet en unik betegnelse på en og samme innretning uansett hvor den måtte refereres.

Når plassen på figurene tillater det er det unntaksvis i tillegg brukt tekstbetegnelse på figurene.

Til hver av enkeltinnretningene eller underelementene identifisert med en tallbetegnelse hører i hovedregelen en tekstbetegnelse når den brukes i søknadsteksten. Når den betegnelsen brukes, følges den som regel av tallbetegnelsen i parentes slik at det ikke skal være tvil om hva det refereres til i teksten.

Kjent teknologi og dets karakteristika.

Den foreliggende oppfinnelse baserer seg på de samme fysiske prinsipper som for tradisjonell PRO-teknologi, men er implementert på et vis som skiller seg svært mye fra den.

Men vi må ta utgangspunkt i kjent teknologi for å kunne illustrere hvilken betydelig fordel oppfinnelsen representerer i forhold til kjent teknologi.

Vi har valgt å eksemplifisere og illustrere kjent tradisjonell PRO-teknologi og de teknologiske utfordringene ved å bruke en illustrasjon opprinnelig publisert av Statkraft for Toft-anlegget som er det anlegget som er hyppigst referert i litteratur på nettet, men som er modifisert noe, slik at den bedre egner seg for å beskrive tanker og ideer gjort av andre. Det er vist på figur 2.

Figurene 3a-3b viser ulike SHEOPP-konsept, der SHEOPP er et PRO-anlegg som har ett trekk som avviker fra tradisjonell PRO-teknologi og som overfladisk sett kan minne noe om ett trekk i vår oppfinnelse. Derfor har vi tatt SHEOPP spesielt med i vår drøftelse av kjent teknologi for å belyse likheter og ulikheter.

Oppe til høyre; figur 3b, er det vist et konsept med atmosfærisk anlegg plassert i undervannskamre på havbunnen. Kostnadene forbundet med disse kamrene i fullskala anlegg er enorme, og den løsningen har derfor aldri blitt ansett som praktisk gjennomførbar.

Den praktiske løsningen som ble anbefalt i stedet var å sette anlegget i utskutte fjellhaller i fast fjell med forbindelse til både sjø og ferskvannskilde Prinsippene er vist stilisert i underfiguren; figur 3a, nede til venstre.

Begge SHEOPP konseptene som er vist er delvis ufullstendig beskrevet og har derfor ikke vært fokusert ofte i de utredninger som har vært gjort om egnethet av de forskjellige konseptene.

Dokumentet NO 314575 B1 vedrører en bestemt måte å bygge opp membranduken i en osmotisk membran enhet som er tenkt anvendt i et saltkraftverk. Det henvises til et ikke-porøst materiale (diffusjonshuden) og ett eller flere lag av et porøst materiale (det porøse laget). Det porøse laget er tydeligvis det vi i vanlig terminologi er kaller «spacer» duk.

Metoden egner seg så vidt vi kan se kun for membranenheter av typen spiralmembran.

I den foreliggende oppfinnelse forutsettes det som vi skal se etter hvert at membranduken kjøpes inn fra en anerkjent leverandør av RO membranenheter og at den siden arrangeres i saltvannskanalene i membranenheten som staver (9.3) med membranduken som stavvegg (9.4) som vist på figur 8. I slike staver trenger man ikke «spacer» duken. Slike staveelement (uten «spacer») er handelsvare og et tenkt innkjøpt som halvfabrikata og deretter arrangert som beskrevet på figur 8. Denne duken ville således neppe være et naturlig valg for oss.

I beskrivelsen nevner man imidlertid at en slik membranenhet også kan anvendes i konsept nedgravd under bakkenivå uten å gå inn på hvordan et slikt anlegg konkret måtte se ut: Vi siterer:

En annen mulig utforming av et anlegg for trykkretardert osmose er å bygge anlegget nedgravd 80-200 m under bakkenivå. Ferskvannet ledes i dette tilfellet gjennom rør til turbinene og derfra til membranenes lavtrykkside. Sjøvann ledes inn til membranenes høytrykkside som er trykksatt av hydrostatiske krefter, og sjøvann kan sirkulere gjennom høytrykksiden med friksjon som eneste tap.

Det er nøyaktig det SHEOPP-konseptet også gjør. Det konseptet ble lansert om lag 20 år før NO 314575 B1 ble publisert. Vi finner forskjellige avarter av det publisert rundt om i litteraturen.

Dokumentet D5 JP 5571/13280 A er et eksempel på en slik avart. I prinsippet skiller den seg bare ved en liten detalj som muligens gjør konseptet mer robust reguleringsteknisk enn SHEOPP slik den er beskrevet på figur 3, men ikke uten tap av stasjonær funksjonalitet, etter vår oppfatning.

Dokumentet WO 2007/073207 A1 har samme forfattere som NO 314575 B1.

Dokumentet dreier seg, ifølge abstraktet, om vedlikehold av en membranenhet av den typen NO 314575 B1 omhandler.

Figur 1 i WO 2007/073207 inneholder imidlertid 2 underfigurer. De beskriver, mulige anvendelser for dette vedlikeholdssystemet. Underfigur 1a viser en skissemessig ekvivalent til figur 2 i vår søknad og eksemplifiserer et tradisjonelt PRO anlegg. Underfigur 1b illustrerer «another prior art structure in the form of a sub-surface or sub-sea PRO power plant». I den terminologi vi har brukt hittil i dette dokumentet; nok et konsept i SHEOPP klassen.

Illustrasjonen på figur 1 i WO 2007/073207 er en enkel skisse uten særlige detaljer utover det at generator og membranmoduler befinner seg nedgravd i underjordiske huler eller muligens fjellhaller under bakkenivå. Akkurat som alle konsept i SHEOPP klassen gjør.

Denne samme illustrasjonen finner vi for øvrig igjen i andre publikasjoner, en illustrasjon som nok har blitt klippet den fra samme originale kilde.

Rettighetene for NO 314575 B1 og WO 2007/073207 tilhører for øvrig Statkraft. De er begge publisert i god tid før 2009. Statkraft kjente således til konsept av SHEOPP klassen før de startet Toft-prosjektet. Likevel, eller kanskje nettopp derfor, var det tradisjonell PRO Statkraft satset på.

Alle saltkraftkonsept med atmosfærisk anlegg plassert i undervannskamre beskrevet i litteraturen kan framstilles som ekvivalente avarter av de anleggene som vist på figurene 3a-3b. I noen er praktisk sett nødvendige komponenter som filtre og sirkulasjonspumper ikke vist, men underforstått å være til stede. Noen refererer til en type membraner, andre til en annen, og betegnelser for tilsvarende innretninger er ofte ulike.

Men figurene 3a-3b er relevant for beskrivelse av alle kjente konsept av denne typen og egner seg derfor ypperlig for å beskrive ser vi etter hvert skal omtale som «tørr» PRO-teknologi. Nå viser det seg likevel, som vi skal se etter hvert, at de også har tapskarakteristika som minner om tradisjonell PRO teknologi.

Det er tapskarakteristika som er det aller viktigste trekk ved tradisjonell PRO-teknologi.

Drøftelse av kjent teknologi og dets svakheter

Det tør være velkjent at for å få energi ut av den tradisjonelle osmotiske prosess, må deler av utstyret rundt prosessen stå under trykk, at trykket er nødvendighet for at den osmotiske prosessen skal kunne resultere i energi som kan høstes ut.

Derfor har alle anlegg plassert ved havoverflaten beskrevet i litteraturen en innretning egnet for øking av trykk på vannvolum på vei inn i anlegget på bekostning av trykk i vannvolum på vei ut av anlegget. Denne innretningen har vi valgt å kalle en volumombytter og begrepet er brukt som betegnelsen på en av hovedinnretningene som er navngitt på figur 2. Volumombytter begrepet dekker en funksjonalitet som har med å øke/senke trykket slik beskrevet over, men som kan implementeres på ulike vis.

Videre er det velkjent at i et tenkt tapsfritt anlegg vil ytelsen være proporsjonal med ferskvannstrømmen som man lykkes med å få til å diffundere gjennom de osmotiske membranene ganget med det nettopp omtalte trykket.

En del av innretningene på figur 2 må følgelig ligge under trykk om det skal virke. Vi velger å kalle det trykk-satte volumet for osmosekammeret og det er indikert med en prikket linje. Resten av anlegget har om lag omgivelsestrykk.

Betegnelsene brukt på figur 2 er ellers velkjente og selvforklarende.

Vannstrømmene inn og ut av anlegget og funksjonaliteten kan beskrives på følgende vis:

Saltvannet strømmer inn i saltvannskretsen drevet av en sirkulasjonspumpe A. Så entrer det osmosekammeret gjennom volumombytteren hvor trykket økes etter å ha vært en rensetur innom et partikkelfilter. Deretter passerer det videre gjennom saltvannskretsen i den osmotiske membran langs membranduken drevet av pumpe C. Der strømmer det også ferskvann inn gjennom membranduken fra ferskvannskretsen. I den prosessen tynnes saliniteten noe ut og totalvolumet av væskemengden i saltvannskretsen øker.

Vannet i kretsen består nå av det vannvolumet som entret saltvannsinngangen pluss ferskvannet som diffunderte inn i osmosekammeret. Det har derfor en salinitet lavere enn saltvannet som entret kammeret. Vi kaller det derfor nå brakkvann.

Men middel osmotiske trykk er da også selvsagt lavere enn i saltvannet som entret kammeret. Det betyr at den utvinnbare energi i praksis vil være lavere enn om saliniteten hadde vært uforandret tvers gjennom membranenheten. Denne forskjellen anses som et tap.

Dette er en essensiell karakteristikk felles for alle saltkraftverk og er av grunnleggende betydning. Man kan se på dette som et naturgitt, uunngåelig tap. Men størrelsen på tapet kan påvirkes av driftsparameterne. Vi kaller derfor dette tapet driftsforholdstapet og skal omhandle det dypere etterhvert. Som vi ser, dreneres det også noe ferskvann fra ferskvannsiden av membranet. Denne drenasjen er nødvendig for at ikke det skal akkumulere seg salter og kjemikalier i membranet.

Etter å ha forlatt membranene deler brakkvannet seg i to volumstrømmer. Den ene driver en hydraulisk motor, gjerne en turbin, som tar ut trykkenergien. Det er denne som driver kraftgeneratorenheten.

Den andre brakkvannsstrømmen går på nytt inn i Volumombytteren i motsatt retning enn sist. Trykket i vannvolumet senkes til omgivelsestrykk før det går ut. På veien ut gjennom Volumombytteren avgir vannvolumet sin trykkenergi til vannvolumet på vei inn i osmosekammeret og hever trykket i volumstrømmen inn i osmosekammeret.

Strømningstap kompenseres av sirkulasjonspumpene A, B og C som i sin tur må hente denne energien fra kraften som genereres i kraftturbinen.

Pumpe A frakter saltvann fra saltvannsinntaket i sjø til innløp i volumombytteren. Pumpe B frakter ferskvannstrømmen fra ferskvannsreservoaret til ferskvannsinntaket. Summen av Pumpearbeid i A og B er ytre strømningstap.

Pumpe C sørger for å sirkulere vann inne i osmosekammeret inkludert gjennom membranenhetene, og sørger for å dekke det vi kaller de indre strømningstap.

Når anlegget er i drift produseres energi i kraftturbinen. Dersom hele prosessen var tapsfri og var uten drenering, ville den energien vært gitt av ferskvannsstrømmen inn gjennom membranene ganger trykkdifferensen over membranene. Men det er netto produksjon vi er opptatt av. Vi må subtrahere alle tap for å få netto kraft.

Svært mye av de tapene er reflektert i nødvendig energiforbruk i sirkulasjonspumpene A, B og C.

Det er ingen stor kunst å påvise matematisk sett at et konsept som vist på figur 2 i teorien vil kunne produsere kraft i store mengder. Likevel har ingen hittil fått prosessen til å fungere godt nok i praksis. Det er naturlig å spørre seg om hvorfor.

Enkelt sagt ligger årsaken i reint praktiske hensyn man har vært nødt å forholde seg til, og som i sin tur bestemmer hvor mye energi man i praksis får ut av det hele.

Figurene 5a-5b viser beregningsresultat for to scenarioer, med og uten transportgjenvinning, som er typisk for et anlegg med spiralmembraner og en trykkveksler.

Figurene antyder at netto energi ut i praksis vil være så lav for tradisjonelle konsept med spiralmembraner og trykkveksler at det omtrent ikke er til å leve med. Som man ser utgjør driftsforholdstap mer enn halvparten av den totale energi som omsettes. I nedre underfigur utgjør netto elektrisk kraft kun 6 % av hele energiomsetningen, i øvre 16 %. Resten havner i gruppene Transporttap, og Indre tap.

Totalvirkningsgraden i scenarioene bak figur 5 er altså i beste fall mellom 10 og 20 % og i verste fall i størrelsesorden 5 % eller tilmed lavere. Det er det vi har kalt driftsforholdstapet som dominerer tapsfordelingen, som nr. 2 kommer transporttap.

Driftsforholdstap generelt i PRO-system.

Begrepet driftsforholdstapet er allerede berørt og vi har pekt på at det har med saliniteten inne i membranenheten å gjøre.

Saliniteten i membranenheten blir imidlertid høyere jo høyere saltvannsferskvannsforholdet av blir. Av og til er dette forholdet også kalt vannstrømsforholdet.

Så utvinnbar energi er en direkte funksjon av vannstrømsforholdet og saliniteten i omliggende sjø.

Men hele den utvinnbare energien som knytter seg til et bestemt vannstrømsforhold får vi tak i bare om trykket er riktig i forhold til saliniteten i omliggende sjø som det fremgår av figur 6.

Nå er både trykk i membranenheten og vannstrømsforholdet driftsparametere som man kan kontrollere fritt under daglig drift innen visse grenser spesifisert i detaljkonstruksjonen.

Vi betegner derfor utvinnbar energi ved det begrep vi tidligere har betegnet som driftsvirkningsgraden. Den angir utvinnbar energi i forhold til det som teoretisk sett er til stede ved en bestemt salinitet og temperatur. Differensen mellom teoretisk energi og utvinnbar energi kaller vi driftsforholdstapet.

Driftsvirkningsgraden er illustrert på figurene 6a-6b som er tatt fra en ikke offentlig internrapport. Kurven gjelder for et idealisert anlegg.

Den prikkede kurven viser et område litt over driftsvirkningsgradskurven. Prosessen kan tidvis svinge innom dette området under innsvinging mot en ny likevekt etter en forstyrrelse.

Brutto utvinnbar energi avhenger altså av vannstrøms forhold og trykket i osmosekammeret. Tapene i prosessen forsyner seg imidlertid grådig fra denne bruttoen.

Transporttap og dets betydning for driftsforholdstap i tradisjonell PRO.

De tradisjonelle anleggene er tenkt anlagt ved en elvemunning hvor ferskvannet nesten renner på plass i anlegget av seg selv. Saltvannet derimot må hentes. Som vi har sett er det sterkt ønskelig med hensyn på driftsvirkningsgrad med et saltvannsvolum langt større enn ferskvannsvolumet.

Saltvannsvolumet hentes fortrinnsvis fra om lag 80 m dyp, og med den topografi man vanligvis har rundt de fleste elveleier tilsvarer det rimelig lange tilførselsledninger for saltvannet. Vannet skal videre løftes over kaikant til nivået anlegget ligger på og videre til inntakskopling på saltvannsmanifoilen. Det høres jo ikke så alvorlig ut. Men det dreier seg om en vannstrøm som ideelt sett er mangfoldige ganger vannstrømmen i den elven man forsyner seg av for ferskvannet og da er selv et tilsynelatende lavt mottrykk ødeleggende.

Jo større vannforbrukstall (saltvanns-ferskvannsforhold) jo mer brutto energi blir tilgjengelig, men det krever også mer transportenergi som går til fratrekk.

Transportenergien vokser fortere enn brutto energi med økende vannforbrukstall når vannforbrukstallet er over et kritisk punkt.

Det punktet ligger gjerne ved et vannstrømsforhold på 2 eller litt over avhengig av designdetaljer. Går man over dette punktet øker riktignok brutto utvinnbar energi, men økingen i transportapet spiser opp økningen og vel så det. I områder med stor flo fjæreforskjell blir dette spesielt ille. Likeledes i områder vi normalt betegner som landgrunne.

Nå kan riktignok en rimelig andel av de tapene som er knyttet til løfting av vannet gjenvinnes, men det har og sine negative sider å gjøre det, og bare en del av tapet kan gjenvinnes. Selve strømningstapet er ugjenkallelig tapt.

De to scenariene øverst og nederst på figur 5 (5a og 5b) er beregnet for samme grunnscenario, men med og uten tapsfri gjenvinning av transport energi i en topografi og tidevann som er karakteristisk for det norske vestland.

Uansett hvilke scenario man velger har vi imidlertid med et stort transporttap å gjøre.

Alle anlegg bygget på tradisjonell teknologi sliter med helt tilsvarende forhold. Det høye transporttapet ikke bare spiser kraftig av brutto utvinnbar energi, men tvinger oss til å legge oss på et punkt i vannstrømsforhold hvor driftsvirkningsgradskurven for brutto utvinnbar energi allerede er håpløst lav. Dvs. at transporttapet indirekte forårsaker et driftsforholdstap som er enda større enn det det forårsaker direkte.

Transporttapet koster derfor dobbelt dyrt. I våre to scenario er summen av disse to tapene i beste fall 62 % av total teoretisk energi, og i verste om lag 75 %. De vil nok kunne variere noe i andre scenarioer. Tapene vil og til en viss grad påvirkes av detaljene i anvendelsene. Men tapene påvirkes ikke i så vesentlig grad at det utgjør den helt store forskjellen.

I det aller vesentligste er det dette som er grunnen til at man aldri har lykkes med å produsere energi til konkurransedyktige priser med tradisjonell PRO-teknologi. Dette tapets betydning er merkelig underproblematisert i litteraturen; kanskje fordi det ansees som en så uunngåelig del av naturens orden at det er liten grunn å sette spørsmål ved det.

Det sier seg selv at tallene vil variere noe avhengig av detaljkonstruksjonen og driftsparametere. Men det som kjennetegner tradisjonelle PRO-konsept er lav driftsvirkningsgrad og som følge av det, dårlig driftsøkonomi. Derfor må man innse at ved anlegg plassert på land ved en elvemunning, så er dette en uunngåelig del av naturens orden for tradisjonell PRO.

Så at dette er en snublestien for videre utvikling av tradisjonell PRO er det lite tvil om.

Dette tapet er kanskje den viktigste av snublesteinene, men fordi det er så underkommunisert lister vi det sist i vår liste over snublesteiner.

Indre tap

Indre tap i vårt PRO scenario er i størrelsesorden 25 %, gjerne noe over. En rimelig stor andel av dette skriver seg fra spiralmembranene. Skiftes disse for eksempel til tubulære membraner, vil totalvirkningsgraden gå opp, men ikke på dramatisk vis fordi andre forhold som vi har sett dominerer.

Så, selv perfekte membraner vil ikke eliminere problemet med lav virkningsgrad knyttet til tradisjonelle konsept fullstendig, kun å redusere den.

Kraftgeneratorenheten i PRO generelt

Kraftgeneratorenhet har som formål å omdanne høstet energi i form av trykk til elektrisk kraft. Alle måter å gjøre det på er vel kjent teknologi.

Kraftgeneratorenhet ansees å være rimelig uproblematisk, men har både mekaniske og elektriske tap i forhold til den hydrauliske energi som passerer, totalt i størrelsesorden på om lag 25 % eller kanskje litt lavere.

De osmotiske membranene i PRO generelt

Kommersielle osmotiske membraner spesialbygget for saltkraft har aldri vært tilgjengelig på markedet. Men det finnes osmotiske membraner bygget for Revers osmose tilgjengelig. Revers osmose er den motsatte prosess av osmose. Vannet går da fra saltvannsiden til ferskvannsiden av membranet. Det kreves mye energi for å få det til.

Revers osmose brukes for å generere ferskvann av saltvann og til vannrensing. Det er en stor industri på verdensbasis og derfor er det lagt mye arbeid ned i å lage effektive membraner. Membranene de bruker har betegnelsen RO-membraner. Det finnes et stort antall forskjellige typer og forskjellige produsenter av dem.

Det gjelder å få pakket mest mulig flate pr. m3. Det finnes mange forskjellige vis å støtte opp membranduken på samtidig som man pakker mest mulig flate inn i et lavest mulig volum. Typebetegnelsene reflekterer måten de er pakket på.

Kun to av disse typene ansees å passe i et saltkraftanlegg. Vi nøyer oss derfor med å beskrive disse to måtene å pakke duken på. De har følgende betegnelse Spiralformede membraner og tubulære membraner.

Membranene regnes som snublestein nr. 1 for videreutvikling i industriell skala. Prinsippene for de to typene framgår av Figur 4. Spiralmembranene har høy pakningsgrad, og tar derfor mindre plass enn de tubulære membranene, og plass betyr mye i et storskala-anlegg.

Statkraft valgte å bruke spiralmembraner i Toft anlegget. Det valget viste seg å være en skuffelse fra de første tekniske prøvene før oppstart. Strømningstapet var svært mye større enn opprinnelig antatt og driften av anlegget krevde, ifølge det man kan lese seg til, i en periode mer energi enn det produserte.

Men etter hvert fant man fram til spiralmembraner som var bedre egnet. Men Statkraft konkluderte likevel etter hvert med at heller ikke de var egnet for fase 2 av prosjektet.

Ingen har altså prøvd ut andre membrantyper i den skala Toft anlegget var på som muligens er bedre egnet. Langt mindre for anlegg i den skala industriell utnyttelse krever.

Partikkelfiltrene

Som følge av spiralmembranenes følsomhet for partikkelforurensning ble også partikkelfiltrene en utfordring med hensyn på strømningstap. Men og med hensyn på vedlikehold.

Volumombytteren

Volumombytterne har også tap. Det finnes flere måter å realisere en volumombytter på. De vil alle passe inn i en av følgende klasser; Pumpeveksler, Kombiveksler eller Trykkveksler. I de to første gruppene finnes det flere undergrupper. Konsept av SHEOPP klassen benytter ikke volumombyttere. De klarer seg utmerket godt uten av grunner som vi etterhvert sak bli kjent med.

Pumpeveksleren

Tenker vi oss nå at vi har et anlegg hvor vi legger oss på et vannstrømsforhold om lag på 6-7. Da vil vannstrømmen gjennom den være godt over 6-7 ganger så stor som vannstrømmen gjennom hoved generatoren. De har et tap på totalt omlag 30 % av energien som omsettes av dem eller litt over. Tapene vil, med et vannstrømsforhold på 6-7 da bli temmelig mye høyere enn det generatoren leverer og resultatet er selvsagt at anlegget ikke virker i det hele tatt.

Vi må altså legge oss på et vannstrømsforhold langt lavere enn det vi kunne ønsket oss om det skal ha noe for seg å bruke en pumpeveksler. Og da er sekundæreffekten den samme som for transpottapet. Driftsforholdstapet blir uakseptabelt høyt for industrielt bruk.

Pumpeveksleren vil virke best om vannstrømsforholdet ligger på om lag 1, og i hvert fall ikke mere enn ca. 2. Pumpeveksleren passer derfor best i laboratorieoppsett.

Kombiveksleren som også fungerer som systemets kraftgenerator har et tapskarakteristikum endel god del gunstigere enn for pumpeveksler men ikke så mye at det forandrer konklusjonen vesentlig og de egner seg dårlig for store vannstrømsforhold. I praksis er grensen noe over 2.

Trykkveksleren.

Trykkveksleren kan i prinsippet tilpasses vannstrømsforhold godt over 2, og er derfor den ideelle første kandidat for valg av volumombytter. Toft-prosjektet anvendte nettopp den.

Trykkveksleren består gjerne av to sylindre med skillestempel. Over stempelet er det brakkvann og under saltvann. Det er 4 ventiler i hver sylinder som åpner og lukker i to sekvenser slik at de to sylindrene vekselvis er koplet til trykksiden i saltkraftverket og til omgivelsestrykket annenhver gang. Trykkvekslerkonseptet ble lansert av andre før Toft brukte den og den refereres tidvis i litteraturen som en PX innretning. (Pressure eXchanger)

Tapskarakteristikken består av en komponent som har med strømningstap å gjøre. Om dette var alt ville man kunne operere med høye vannstrømsforhold. Men den inneholder og to dynamiske problemstillinger. Det ene er at den må tilpasses elastisitetsegenskaper og egensvingetall i det osmotiske kammer. Det andre er at vannmasser akselereres og retarderes under ventilsekvensene. Under uheldige omstendigheter betyr det svært mye. Det vil føre for langt her å gå i detalj inn på mekanismen i de uheldige omstendighetene som er temmelig intrikate.

Modell-lovene tilsier imidlertid at om man oppskalerer et lite anlegg til et stort, både forrykkes og økes det området hvor disse uheldige omstendighetene dominer. Oppskalerer man fra 4 kW til 1 MW; tilsvarende en faktor på 250 blir skaleringsforholdet håpløst. Dette er trykkvekslerens akilleshæl og det er ikke opplagt hvordan man kommer utenom den for storskala-anlegg.

Dermed er det ikke sagt at det ikke lar seg løse på fornuftig vis, kun at verden ennå ikke har sett hvordan.

Pr. i dag er det derfor langt fra klart hvordan et sett trykkvekslere for et 10 MW skal se ut.

Samtidig er det også klart at alternativene heller ikke er noe å satse på om man vil ha noe som likner på god økonomi i det hele.

Dette er nr. 2 av snublesteinene som blokkerer for industrialisering basert på konvensjonell teknologi.

Konsept av SHEOPP klassen

Konsept SHEOPP klassen som jo er et PRO konsept, ligger langt under sjøens overflate. Der nede ligger de essensielle komponentene som generatorer og membranmoduler i atmosfæriske trykk kamre. Man fordi osmoseprosessen selv sørger for at trykket på ferskvannsiden er tilstrekkelig langt under trykket på saltvannsiden som er bestemt av dypet, trenger vi ikke lengre noen innretning for å øke trykket. Snublestein nr.2 i listen over er derved eliminert. Vi trenger rett og slett ikke noen volumombytter i det hele tatt.

Konseptet er illustrert på figurene 3a-3b. Her kan man, i hvert fall i teorien, unngå transportsnublesteinen fordi det ikke er nødvendig å frakte saltvannet langt. Da er det i hvert, fall igjen i teorien, mulig å bevilge seg et høyt vannstrømsforhold. Men også her stenger praktiske hensyn for det ideelle.

1. Membransystemet vist på figur 3b kan ikke realiseres basert på standard tilgjengelige membraner. Beskrivelsen sier ikke noe som helst om hvordan membransystemet i stedet skal kunne realiseres. Membransystemet vist på figur 3a gjenkjennes ved pumpene rundt som noe som kanskje er spiralmembran.

2. Et atmosfærisk undervanns hus for selve anlegget (3b) i industriell skala vil måtte dekke et areal tilsvarende mangfoldige fotballbaner. Det ville ikke bare være enormt fordyrende. Det ville dertil være fullstendig urealistisk teknisk sett.

Drenering er nødvendig for å forhindre oppbygging av salter, partikler og kjemikalier fra å bygge seg opp.

3. I alle PRO-anlegg må derfor membranmodulene dreneres noe (flushing), så også SHEOPP klassen. Mottrykket er normalt moderat for anlegg ved tradisjonell PRO ved overflaten. Men for SHEOPP klassen skjer drenering mot et stort overtrykk og det krever mye energi.

4. Figurene viser dessuten detaljer som indikerer at trykket over den osmotiske membran er konstant. Men i virkelighetens verden varierer det osmotiske trykk over tid. Derfor vil et slikt anlegg bare unntaksvis kunne operere på toppen av virkningsgradskurven på figur 6c og 6b.

Uten en god styring av trykk blir altså driftstapene under noen omstendigheter kanskje like store eller tilmed større enn i et tradisjonelt PRO-anlegg ved

havoverflaten.

For å hindre at partikler bunnfelles ut på ferskvannsiden som har et trykk på om lag atmosfæretrykk, må dreneringshastigheten være rimelig stor, omlag 10 % av ferskvannhastigheten i tubulære membraner og enda mer i spiralmembraner. Det representerer et tap på mellom 15 og 30 %. Reduseres dreneringshastigheten, går perioden mellom membranenes vedlikehold drastisk ned og nedetid for vedlikehold tilsvarende opp.

SHEOPP klasse konseptet fjerner derfor etter vår oppfatning ikke snublesteiner effektivt nok. I stedet introduseres det nye snublesteiner.

På figur 3b ser vi en versjon av SHEOPP med undervannshus. I Figur 3a har man, i stedet for å plassere anlegget på bunn, plassert det i gigantiske fjellhaller med forbindelseslinjer til ferskvannsreservoar og til sjø. Undervannshuset elimineres da og membranene som er vist kan realiseres basert på standard RO membraner.

Fjellhall konseptet er den eneste realistiske måten å realisere konsept av SHEOPP klassen på. Men i Fjellhall konseptet mangler også en innretning for å regulere trykket. Det er også belemret med den bakdelen det er å «flushe» mot et stort mot tykk.

Men like betydningsfullt er det at løsningen gjeninnfører en del av transporttapet, og det var jo det som representerte den viktigste snublesteinen i tradisjonell PRO.

Så konsept i SHEOPP klassen realisert i fjellhaller slik som vist på figuren fungerer om lag like dårlig, ja kanskje tilmed dårligere, enn et tradisjonelt PRO-anlegg ved sjøoverflaten som lett styrer trykket i osmosekammeret.

Vi ser derfor ikke at konsept i SHEOPP klassen skiller seg positivt ut i forhold til andre PRO-anlegg med hensyn på driftsøkonomi.

Dette er en vurdering som er fullt ut på linje med vurderinger gjort av andre f.eks. http://www.exergy.se/ftp/cng97o.pdf, et dokument som for øvrig gjenkjennes gjentatte ganger i senere nettfunn publisert av andre og som også inkluderer de samme figurer. Disse nettfunn støtter de samme vurderinger.

SHEOPP klasse konsept skiller seg derfor ikke fra tradisjonelle PRO-anlegg med hensyn på iboende tendens mot dårlig driftsøkonomi, og vi vil derfor kun berøre det i forhold til trekk som kan minne om trekk i vår oppfinnelse.

BESKRIVELSE AV OPPFINNELSEN

Den foreliggende oppfinnelse er et konsept for et neddykket saltkraftanlegg, referert til i teksten som oppfinnelsen eller når det er mer naturlig som anlegget.

Oppfinnelsen sikter mot å flytte på snublesteiner som tradisjonelle metoder sliter med eller å forenkle dem.

De tre snublesteinene vi i hovedsak fokuserer på kan kort sammenfattes som:

1)Kommersielt tilgjengelige osmotiske membraner er egentlig utviklet for revers osmose og den industrien har gode erfaringer med dem. Erfaringen har vist at de ikke uten videre er særlig godt egnet for saltkraft.

2)Innretningene for å øke trykket på inngående vann som er utprøvd i småskala virker tilsynelatende bra. Men en innretning egnet for småskala produksjon kan ikke uten videre problemfritt oppskaleres. Verden har ennå ikke sett hvordan en innretning egnet for storskala produksjon kan se ut.

3)Energiforbruket som trengs for å transportere de enorme saltvannsmengdene som er hensiktsmessig for effektiv storskala produksjon av saltkraft fra inntak i sjø til inntak i saltvannsmanifolden er ikke til å leve med hverken teknisk eller økonomisk.

Ovenstående oppnås ifølge den foreliggende oppfinnelsen med et undervannssaltkraftverk som angitt i nedenstående beskrivelse og som definert i den karakteriserende delen av det uselvstendige krav 1. Ytterligere utførelser av oppfinnelsen er definert i de uselvstendige kravene 2 til 8.

Foreliggende oppfinnelse vedrører et undervannssaltkraftverk, der undervannssaltkraftverket omfatter et stigerør, hvor en øvre del av stigerøret er fylt med luft og hvor den øvre delen av stigerøret via en trykkutligningsforbindelse er i kommunikasjon med luft over en vannoverflate i en vannmasse, mens nedre del av stigerøret er fylt med ferskvann, der den nedre delen av stigerøret er i kommunikasjon med en ferskvannskilde via en tilførselsledning for ferskvann, minst en generatorenhet forbundet med minst en lavtrykksmanifoil og minst en høytrykksmanifoil, hvor i det minste en membranmodul og i det minste en fordelingsmanifoil videre er forbundet med den nedre delen av stigerøret, der stigerøret videre er avhengt fra en forsyningsflåte flytende i vannmassen.

Den foreliggende oppfinnelse består av to grunnelement.

Den ene elementet består i å sette de aktive elementene åpent til omliggende vann på et dyp som om lag tilsvarer det trykket man har på saltvannsiden i et tradisjonelt PRO-anlegg anlagt ved havoverflaten. Dette muliggjør all sirkulasjon av ferskvann uten ytterligere trykkstøtte.

Det andre elementet drar nytte av at når man først befinner seg under vann, så kan de osmotiske membranene konfigureres på et vis som setter opp en naturlig sirkulasjon også på saltvannsiden av den osmotiske membran. Se Membranenheten med naturlig sirkulasjon.

Dette muliggjør all sirkulasjon også av saltvann uten tilførsel av ytre energi.

I forhold til SHEOPP klassen, så består den foreliggende oppfinnelse av nok et vesentlig element; stigerøret.

Det gjør det mulig å tilpasse seg varierende salinitet og elektrisk last på et vis som gjør at men i foreliggende oppfinnelse alltid ligger på toppen av driftsvirkningsgradskurven under stasjonær drift. Se Virkemåte og trykkforløp i oppfinnelsen

Håndtering av snublesteiner

Saltkraftanlegget den foreliggende oppfinnelse dreier seg om skiller seg altså fra tradisjonell PRO-teknologi ved at det aller meste av anlegget befinner seg rimelig langt under sjøens overflate.

Og det skiller seg fra konsept i SHEOPP klassen ved at den ikke benytter seg av ytre atmosfæriske kamre eller haller, men ved at hovedelementene befinner seg i det våte element. Dessuten skiller det seg ved at det inneholder et stigerør.

Det er ikke umiddelbart åpenbart for noen, ved første gangs introduksjon til tanken, at det kan være noen god ide å plassere komplisert utstyr åpent under vann fremfor å ha det lett tilgjengelig på tørt land, men det gir i virkeligheten ganske så betydelige fordeler.

Den mest åpenbare fordelen materialiserer seg fordi vi ligger oss så dypt med membranenhetene at omgivelsestrykket i vannet er høyt nok til at den osmotiske prosess aleine kan «suge» et så lavt relativt vakuum, i forhold til omgivelsen til membranenheten, at trykkforskjellen mellom de to sidene i membranene er tilstrekkelig stort til at den osmotiske prosess fungerer som den skal uten ytterligere trykkstøtte.

Man fordi osmoseprosessen selv sørger for at trykket på ferskvannsiden er tilstrekkelig langt under trykket på saltvannsiden som er bestemt av dypet, trenger vi ikke lengre noen innretning for å øke trykket. Snublestein nr.2 i listen over er derved eliminert. Vi trenger rett og slett ikke noen volumombytter i det hele tatt.

Dernest er man neddykket i det saltvannet man trenger for den osmotiske prosessen. Altså vil energien forbundet med transport av saltvann bli minimal. Snublestein nr.

3 i listen vår er derved også eliminert.

Men når vi likevel befinner oss i det våte element, så byr det på nok en fordel som er svært relevant for det som er nevnt over. En fordel som i seg selv er grunnlag for en ekstra, liten innovasjon, inne i selve hovedideen og som ytterligere styrker hovedideen.

De osmotiske membranene kan nemlig arrangeres slik at all sirkulasjon av saltvann kan drives av naturlig sirkulasjon forårsaket av tetthetsforandringer i membrankanaler dersom disse stilles vertikalt. Den osmotiske prosessen vil da selv også kunne ta seg av saltvannssirkulasjonen.

Denne måten å arrangere vannsirkulasjonen på øker effektiviteten i anlegget betraktelig i forhold til standard RO membraner enten av typen spiralmembraner eller tubulære.

Det å befinne seg under vann åpent til sjø har altså den sideeffekt at man også kan bevilge seg et langt høyere vannstrømsforhold enn ved tradisjonelle metoder. Det forutsetter at man har membranmoduler som er anlagt for store vannstrømsforhold. Har man det, blir driftsvirkningsgraden betydelig høyere enn for tradisjonell PRO-anlegg. Da krymper følgelig driftstapet på et vis som fremgår på figurene 6a-6b for tradisjonell teknologi vesentlig. Følgen er at en betydelig større andel av den teoretiske energi i den osmotiske prosessen kan utnyttes enn ved konvensjonelle metoder.

Dernest har den foreliggende oppfinnelse den fordelen i forhold til konsept i SHEOPP klassen at det inneholder et stigerør. Det muliggjør at trykkdifferansen over membranenheten kan tilpasses det osmotiske trykk i sjøen til enhver tid slik at man alltid ligger på toppen av driftsvirkningsgradskurven på figur 6. Se Virkemåte og trykkforløp i oppfinnelsen

Prosessen med naturlig sirkulasjon er selvsagt også basert på at konseptet i den foreliggende oppfinnelses hovedinnretninger befinner seg åpent under vann. Det forholdet vil redusere den første snublesteinen på vår liste til en håndterlig utfordring. Den vil også selvsagt kunne dra nytte av at det i dag er adskillig mer effektive membranduker tilgjengelig enn for ganske få år siden.

Andre fordeler ved oppfinnelsen

Men listen over bonuser for konseptet oppfinnelsen baserer seg på fortsetter videre.

Mange elver munner ut inne i fjordene hvor alt ferskvannet fra elvene har fortynnet saliniteten i overflatevannet så mye at det osmotiske trykk er temmelig mye lavere enn ute ved kysten. Da blir det lite energi å utvinne med tradisjonelle metoder. Men fjordene er oftest dype. Av forskjellige grunner er gjerne saliniteten i den dybden anlegget befinner seg mye høyere enn ved overflaten og ligger nær den vi har langs kysten. Skulle det under drift vise seg at man trenger å gå dypere for å få enda bedre salinitet er det helt kurant, nær sagt når som helst å øke dypet helt til man når fjordbunnen om nødvendig. Da er saliniteten og derved energimengden sammenliknbar med den man har ved kysten.

Øking av dyp i de anvendelser man har service flåten (10) over anlegget ved at det legges til seksjoner av trykkutlikningsforbindelsesrør på toppen av trykkutlikningsforbindelsesrøret (6) om lag som man gjør det når man skjøter sammen borestrengs seksjoner i en borestreng i en oljeborerigg. Når seksjonen er skjøtet på, senkes anlegget dypt nok til at nok en seksjon kan skjøtes på, og så videre inntil vi har anlegget på det dyp vi ønsker.

Selvsagt er ikke dette en operasjon man utfører hyppig, men viser for eksempel erfaring på en bestemt lokasjon at en dybdejustering er ønskelig, er det en rimelig enkel operasjon.

Den foreliggende oppfinnelse er på grunn av dette anvendbar i områder med stor ferskvannsavrenning som på grunn av den lave overflatesaliniteten ikke engang ville ha kommet i betraktning ved tradisjonell teknologi. Den er også anvendbar hvor terrengforhold ville medføre svært kostbare anlegg kanskje i egne fjellhaller slik vi ofte ser i vannkraftverk på norsk vestland om man satset på tradisjonell teknologi.

Til dette kommer det faktum at de landfaste delene av anlegget ikke trenger å være særlig mer omfattende enn et ferskvannsinntak og en del av inntakslangene. Pluss selvsagt noen fasiliteter for å overføre kraft.

Anlegget er derfor langt på vei flyttbart. Det vil mange anse å være stor en fordel.

Den siste, men ikke helt så åpenbare fordelen, er likevel kanskje viktigst. Når totalvirkningsgraden er så mye høyere enn for konvensjonelle konsept, trenger man tilsvarende mindre mengder ferskvann for å oppnå samme elektriske effekt.

Det øker antall elver som kan bygges ut industrielt sterkt, og derved også potensialet for hvor mange TWh/år hvert enkelt nedslagsområde kan bygges ut med.

Oppfinnelsen

Figur 7 er en skjematisk skisse som inneholder de aller fleste innretningene vi trenger for å beskrive anlegget oppfinnelsen omhandler. Hovedelementene består av en ferskvannstilførselsledning (1) som forbinder et ferskvannsreservoar (1.1) på land lokalisert ved sjøvannsoverflaten eller høyere med en høytrykksmanifoil (3) på et dyp bestemt av det osmotiske trykk i sjøvannet.

Figur 9 illustrerer vannsirkulasjonssystemet og hvordan ferskvanns- og saltvannstrømmene går under vanlig drift. Spylekretsene brukes i korte intervaller med visse mellomrom bestemt av hvordan vannsirkulasjonen i membranene utvikler seg.

En eller flere parallelle generatorenheter (5) er koplet til høytrykksmanifoilen (3) på sin høytykkside og til en lavtrykksmanifoil (4) på sin lavtrykkside.

Lavtrykksmanifoilen (4) er videre koplet til en partikkelutskillingsenhet (7) som er åpen mot et stigerør (2).

Stigerøret (2) er fylt med ferskvann opp til et nivå som ligger på et dyp H under sjøvannsoverflaten. Størrelsen på H bestemmer trykkforskjellen over membranduken (9.4) og den ideelle verdi er gitt av salinitetsforskjellen mellom ferskvann og saltvann.

Måten den ideelle verdi; H, beregnes på er en liten smule intrikat fordi den påvirkes av uttynningsgraden av saltvannet i membranmodulene; en parameter som kun styres indirekte i konsept basert på oppfinnelsen og resultatet kan variere fra membranmodul til membranmodul, men i prinsippet bestemmes det hele av er av velkjent elementær osmose teori som vil være innbakt i kontrollsystemets (2.1) algoritmer og er basert på vannstrøms instrument (9.13) som det finnes ett av på alle membranmodulene (9)

Over dette nivået; H, er stigerøret luftfylt. En trykkutlikningsforbindelse (6) går til en innretning (6.1) på sjøoverflaten, på service flåten (10) eller på land som sørger for at luftrykket i luftrommet over vannflaten i stigerøret (2) er praktisk talt likt lufttrykket ved havoverflaten uansett hvilket nivå; H, vannoverflaten i stigerøret (2) befinner seg på.

En fordelingsmanifold (8) er forbundet til stigerøret (2). Fordelingsmanifolden (8) er videre forbundet til ferskvannssiden (9.2) av membraninnretningene (9).

Saltvannsiden (9.1) av membranenhetene er åpen til sjøvannet som kan strømme tvers gjennom den i egne vertikale kanaler med vegger av membranduk (9.4) som skiller saltvannet i kanalen (9.1) fra vannet på ferskvannsiden (9.2)

Ferskvannskretsen i membranen (9.1) inneholder en liten bypass-innretning koplet til overtrykksmanifoilen (3.2) via en tilhørende spylekopling (3.3/9.11). Periodevis (dvs. om lag 1 gang pr. uke) stenges sirkulasjonskretsen og spylekretsene (9.8) som er en del av membranenheten (9) og (9.12) vendes. En beskjeden pumpe, spylepumpen (3.1) som er en del av høytrykksinnretningen (3) åpnes da, og alle urenheter som måtte ha vært til stede i naturlig ferskvann og som måtte ha akkumulert seg i ferskvannskretsen (9.1) spyles ut i sjøen gjennom utløpsrøret (7.4) langt til side for anlegget lenge før de får akkumulert seg til problematiske konsentrasjoner.

Spylestrømmen er stor i forhold til normalforbruket av membranenhetens ferskvannsforbruk og vil derfor lett rive med seg uønskede partikler. Spylingen varer imidlertid kun et kort tidsintervall som måles i minutter.

Under installasjon og fjerning av ROV-demonterbare moduler så som membranmoduler (9) og generatormoduler (5), vil koplinger som ellers er lukket og tette åpnes og saltvann kan trenge inn og «forgifte» ferskvannssiden i større eller mindre grad. Spesielt ille vil forurensingen bli det der hvor ferskvannssiden som i store deler av anlegget har et undertrykk i forhold til omliggende sjø på i størrelsesorden 10 bar. Saltvannsinntrenging forhindres ved at det legges inn en spesiell ventil (9.16) i koplingene som normalt sett virker som en tilbakeslagsventil, og som under normaldrift øyeblikkelig og automatisk lukkes om lekkasje skulle oppstå. Eksempelvis inneholder koplingene (3.3) og (8.1) og de tilsvarende som betjener generatorene (5) på høytrykks (3) og lavtrykksmanifoilen (4) slike innretninger. Men disse ventilene kan aktiveres og deaktiveres via en ventildeaktivator (9.15) som ligger på de ROV demonterbare moduler og som aktiveres av ROV.

Det finnes enda en spyleinnretning i systemet. Den virker om lag som den membranmodulen (9) er utstyrt med, men ligger i utfellingstanken (7) og muliggjør spyling av partikler fra utfellingstanken. Under spyling stenges en stengeinnretning (7.1) mellom utfellingstanken og en stengeventil (7.2) mellom høytrykksmanifold (3) og utfellingstank (7) og en ventil (7.3) åpnes til tømmerøret (7.4).

Ellers ligger det fortrinnsvis en service flåte (10) over anlegget. All installasjon og vedlikehold er basert på velkjent undervannsteknologi opprinnelig utviklet for oljeog gassteknologien offshore over de siste 45 år. Serviceflåten (10) vil ofte men ikke i alle anvendelser være naturlig operasjonsbasis, ikke bare for den aktiviteten men og for all drift av anlegget.

Figur 9 beskriver hvordan ferskvannsvannsirkulasjonen og saltvannssirkulasjonen foregår skjematisk.

Sirkulasjonen foregår i prinsippet på samme vis uansett membrantype (9) som måtte velges til den enkelte anvendelse, men forutsetter hjelpeinnretninger om man skulle velge standard RO membraner. Figur 9 viser at det påregnes at disse membranene lar seg spyle med jevne mellomrom heller enn å ha en liten kontinuerlig drenasje slik det det gjøres tradisjonelt. Men siden figuren er et strømningsdiagram viser den ikke det faktum at hjelpeinnretningen er et tvunget sirkulasjonssystem.

Virkemåte og trykkforløp i oppfinnelsen

Ferskvannstrømmen i hoved oppfinnelsen går fra vannreservoaret (1.1) gjennom tilførselsledningen (1) til høytrykksmanifoilen (3). Den fordeler vannet slik at det fordeler seg på alle generatorenhetene (5) og siden havner i lavtrykksmanifolen (4) etter å ha avgitt sin trykk-energi i generatorenheten (5).

Trykket i høytrykksmanifoilen (3) er lik det hydrostatiske trykk av ferskvannet i tilførselsledningen (1) på det dyp høytrykksmanifoilen befinner seg på minus strømningsmotstanden i tilførselsledningen (1).

Trykket i lavtrykksmanifoilen (4) er lik det hydrostatiske trykket målt fra vannflaten H inne i stigerøret (2). Utvinnbar trykkdifferanse mellom de to manifoilene (3) og (4) er for alle praktiske formål likt trykkdifferansen mellom indre ytre trykk og indre trykk i stigerøret (2) ved vannivå H. H er i sin tur indirekte bestemt via kontrollsystemet (2.1) av trykkforløp av det osmotiske trykk som funksjon av dyp på lokasjonen.

Den ideelle verdi på H vil ha sesongmessige variasjoner i takt med naturlige salinitets og temperaturforandringer, men kan og variere over dager og uker, ja tidvis og over timer. Anlegget kan lett tilpasse seg disse variasjonene. Likeledes vil vannføringen av elven som sørger for tilførsel svinge. Det fører imidlertid til at ytelsen vil svinge noe omkring en middelverdi over året, men sammenliknet med f.eks. bølgekraft og vindkraft er den svært stabil.

Under lav vannføring er det gjerne aktuelt å deaktivere noen membranmoduler (9). Det gjøres ved at en ROV plasserer de-aktiveringslokket (9.9) på toppen av modulenhetene som skal deaktiveres. De-aktiveringslokket (9.9) stopper den osmotiske prosess i modulene (9) når det er på montert.

Generatorenheten (5) tar opp energien som representeres av trykkdifferansen mellom høytrykksmanifoilen (3) og lavtrykksmanifoilen (4) ganget med ferskvannstrømmen gjennom ferskvannstilførselen (1) og omgjør den til kraft som til sist eksporteres til nettet som elektrisk kraft med fratrekk av den energi som forbrukes i anlegget.

Vannet strømmer videre fra lavtrykksmanifoilen (4) til partikkel utskillingsenheten (7).

Oppholdstiden her er så lang at det aller meste av partikkelvolumet er felt ut fra vannvolumet før det går videre opp i stigerøret (2).

Vannet stiger så opp i stigerøret (2) til et nivå H som vi ønsker å ha kontroll på fordi det bestemmer trykket den osmotiske prosess jobber under. Det er kontrollsystemet som indirekte styrer forhold mellom vannstrøm inn i systemet og vannstrøm «pumpet» ut av systemet gjennom membranmodulene (5).

Fra stigerøret (2) strømmer vannet inn i distribusjonsinnretningen (8) og derfra videre til membranmodulene (9) hvor det diffunderer ut i saltvannet gjennom membranduken (9.4) mot trykkforskjellen som følge av den osmotiske prosess. Under stasjonære forhold vil vannivået H være konstant. Da vil vannstrømmen gjennom generatoren (5) være nøyaktig lik den vannstrømmen som diffunderer gjennom membranduken (9.4) i membranmodulene (9).

Men prosessen vil fra tid til annet forstyrres. Det kan dreie seg om temperaturforskjeller, som forandrer det osmotiske trykk noe, om naturlige salinitetsforandringer, om forandringer i membranmodulenes diffusjonsegenskaper på grunn av akkumulerte forurensinger, men og annet.

Da vil det oppstå en ubalanse og det indre nivå i stigerøret (2) vil stige eller synke som følge av det. Det vil i sin tur påvirke effekten som utvinnes, men og etter hvert også den mengde vann som diffunderer ut gjennom membranenheten (5). Dette er et tegn på at den osmotiske prosess selv «søker å ta styringen». Under de fleste forhold finner den selv en ny likevekt, men generelt sett ikke ved det trykk som gir maksimal utvinnbar energi under disse nye forhold. Under andre og ugunstige forhold vil ubalansen kunne bli selvforsterkende og om det ikke skjer inngrep da vil prosessen til slutt «krasje» og alt stopper opp.

Kontrollsystemet (2.1) som får signal fra sensorene (2.2) og flere målingsinnretninger (8.2) om nivå, salinitet og temperatur samt fra energi produksjonen i generatoren (5), har som oppgave å redde begge disse situasjonene og styre det hele tilbake i en stabil tilstand som samtidig representerer maksimal utbyttbar energiproduksjon.

Kontrollsystemet kontrollerer da vannstrøm inn i anlegget ved å regulere en innretning (5.1) som fortrinnsvis er plassert i generatorenheten (5), men som i noen anvendelser av oppfinnelsen og kan være plassert i vanninnløpet eller tilmed et annet sted i ferskvannskretsen. En forandring av vannstrømmen påvirker i sin tur nivået H og derved den osmotiske prosess. Et kontrollsystem som kan takle den oppgaven det er å håndtere dette, representerer ikke noen stor utfordring og ansees som svært velkjent teknologi i dag.

Pumpen (3.1) er koplet til overtrykksmanifoilen (3.2) som og disse enhetene er felles for begge spylesystemene. Trykket i overtrykksmanifoilen (3.2) ligger noe høyere enn trykket i høytrykksmanifoilen som i sin tur er har et trykk om lag som i omliggende sjøvann. Spylevannet har således intet problem med å skylle ut ureinhetene i en ledning (7.4) som fører langt ut i de omliggende vannmassene. Trykket i overtrykksmanifoilen (3.2) styres av kontrollsystemet som logger trykket kontinuerlig og som ved hjelp av spylepumpen (3.1) og akkumulatoren (3.3) holder overtrykket i overtrykksmanifoilen (3.2) rimelig konstant.

Membranenheten med naturlig sirkulasjon.

Membranenheten (9) med naturlig sirkulasjon og som inngår i oppfinnelsen består av et ytre hus (9.1) som under normal drift fylles av ferskvann fra distribusjonsinnretningen (8). På utsiden av huset (9.1) ligger sjøvann hvor trykket er om lag halve det osmotiske trykk over trykket inne i huset (9.1). Inne i huset ligger det et stort antall vertikale staver (9.3) som er hule. De stikker gjennom begge endeveggene i (9.1) Saltvann fra sjø kan følgelig fritt renne gjennom og trykket der er i utgangspunktet likt trykket i sjøen.

Veggene i staven (9.3) består av osmotisk membranduk (9.4). Ferskvannet strømmer derfor gjennom veggen (9.2) mot mottrykket fra sjøen drevet av den osmotiske prosessen og fortynner saltvannet der.

Men fortynnet saltvann er lettere enn ufortynnet og det fører til en trykkubalanse mellom de to endene av stavene (9.3) gitt av lengden og diameteren på stavene og av salinitetsforskjellen mellom de to sidene av membranduken. Hastigheten av strømmen i staven (9.3) vil stige helt til det hydrauliske trykktapet gjennom staven (9.3) blir lik trykkubalansen. Derved har vi etablert en naturlig strøm av sjøvann som fortynnes noe på sin vei gjennom stavene og som på grunn av den vedvarende fortynningen vil fortsette å sirkulere så lenge trykket over membranene tillater positiv ferskvannsdiffusjon gjennom seg.

Det sier vel gjerne seg selv at med naturlig sirkulasjon trengs ingen pumper for saltvannsirkulasjonen. Derfor er det heller ingen sirkulasjonspumper i Figur 9 som man ser.

Matematisk simulering viser at saltvanns/ferskvannsforholdet; vannstrømsforholdet, varierer innen vide grenser når forholdet mellom stavlengden og stavens (9.3) diameter forandres og at store vannstrømsforhold kan realiseres. Noen kombinasjoner gir vannstrømsforhold rundt 20, mens de som synes greiest å håndtere praktisk sett gjerne ligger i området 5-7.

Under konstruksjonsprosessen er selvsagt geometrien låst og kan derfor ikke varieres under drift. Men vannstrømsforholdet kan like fullt reguleres ved å regulere ferskvannstrøm og trykk (H) slik beskrevet i beskrivelsen av kontrollsystemet..

Eksempler på andre typer anvendelser oppfinnelsen omfatter.

I andre anvendelser vil det være ønskelig å legge driften og de elektriske funksjoner, på land for eksempel dersom ferskvannskilden var avrenningen fra et vanlig vannkraftverk. Der ville det dessuten kanskje være hensiktsmessig å la kraftgeneratoren (5) pumpe høytrykksvann av samme trykk som vannkraft turbinene normalt arbeider med fra vannkraftmagasinene. Da kan man føre det vannet inn på eksisterende vannkraft turbiner, og således spare store investeringer.

Alle elementene beskrevet over kan finne sin anvendelse i et sådant anlegg som derved kan representere en anvendelse av oppfinnelsen.

I et stort anlegg i en lokalitet hvor service er lett tilgjengelig, som f.eks. nær en offshore base vil det kanskje lønne seg å legge hele anlegget på sjøbunnen fordi man relativt billig kan nytte offshore service fartøy som i korte tidsintervaller kan ha ledig tid. Det bryter ikke med oppfinnelsens hovedprinsipp så lenge man får til utluftingen (6.1).

Alle øvrige elementene beskrevet over kan finne sin anvendelse i et slikt anlegg som derved kan representere en egen anvendelse av oppfinnelsen.

Det finnes dessuten en eksotisk anvendelse hvor det ikke dreier seg om naturlig ferskvann og naturlig sjøvann i osmoseprosessen, men om sterk saltlake og naturlig sjøvann.

Saltlaken kan skrive seg fra av sol-avdampet sjøvann i egne saltlakebasseng i f.eks. i ørkenstrøk. Ferskvannet på ferskvannsiden erstattes av sjøvann som nå blir den væsken med lavest salinitet og som derfor for (nesten) alle praktiske formål vil fungere akkurat slik ferskvannet gjør i alle PRO anlegg.

Men enda mer interessant for et land som Norge, er det om saltlaken utvinnes fra tømte offshore oljekilder hvor de tomme reservoarene er dannet rundt geologiske saltdomer i kombinasjon med vanlig sjøvann, men nå brukt på ferskvannssiden av membranet.

Slike reservoar finnes det flere av f.eks. i Nordsjøen, men og andre steder og da er det gjerne rimelig lett å omkonfigurere eksisterende brønner til det som trengs for å produsere saltlake etter hvert som reservoarene går tomme for olje eller gass.

Da kan man bygge seg en innretning som simulerer sjøen i oppfinnelsen og som legges på og under sjøbunnen. Innretningen fylles med produsert saltlake i stedet for sjøvann. Man kommer dessverre ikke unna å gjeninnføre den ene snublesteinen som hadde med transporttap av saltvann å gjøre fordi man aktivt må pumpe sjøvann ned i omkonfigurerte olje/gass brønner for å få opp saltlake. Men det osmotiske trykket i saltlaken vil normalt være svært stort, ja så stort at denne gangen er marginene så gode at kan man leve godt med de tilhørende tapene.

På produksjonsplattformene er det smått med plass. Men anlegget legges på sjøbunnen der det er plenty plass, Serviceflåten (10) utgjøres av produksjonsplattformer eller flytere som allerede er på plass.

Foruten de få nye elementene beskrevet over, kan alle elementene i oppfinnelsen over anvendes for å realisere et slikt anlegg som derved kan representere den mest eksotiske anvendelsen av oppfinnelsen. Tilpassingene gjør at et slikt anlegg basert på oppfinnelsen vil se en god del annerledes ut enn det vi har skissert i eksempelanlegget på figur 10, men alle elementene i oppfinnelsen finnes igjen i anlegget og tilpassingene vil uansett bestå av kjent teknologi.

I noen av de geologiske strukturene som finnes, og som oppfyller de krav et slikt saltkraftverk stiller, er energien i saltdomene mangfoldige ganger den energien oljen som reservoaret representerte. Offshore brønner som ellers må plugges når reservoaret er tomt og plattformer eller flytere som ellers må fjernes kan drives i nye 50 år eller mer. Og denne gangen er det grønn energi som produseres.

Sammenlikning av trekk ved oppfinnelsen og trekk ved SHEOPP konseptet Men hvordan forholder trekk og karakteristikk i vår oppfinnelse seg i forhold til SHEOPP konseptet som i sin grunnform ifølge de skjematiske skisser også er ment å befinne seg dypt nok under vann til at forenklinger i forhold til tradisjonelle PRO anlegg er mulig?

Likheten ved oppfinnelsen og SHEOPP er at de begge plasserer de aktive elementene på et dyp hvor trykket i vannmassene er stort nok til at den osmotiske prosess teoretisk sett kan gå uten ytterligere trykkstøtte.

Oppfinnelsen vår begrenser seg ikke kun til denne problemstillingen, men gjør akkurat dette ved å plassere de aktive elementene vått direkte ute i omgivende vann, mens SHEOPP grunnkonsept plasserer dem tørt i gigantiske undervanns hus med åpning til vannet på det aktuelle dyp.

Spiller så dette noen rolle prinsipielt, eller er denne delen av oppfinnelsen ekvivalent med SHEOPP? La oss da se på hvilken erfaring subsea oljeproduksjon har gjort seg om denne problemstillingen.

I en tidlig fase i utviklingen av subsea petroleumsteknologi ble utstyr inne i atmosfæriske kamre anvendt og prøvd ut fordi man var skeptisk til å sette så komplisert og potensielt risikabelt utstyr ut i åpent vann. Mange mente at dette var den eneste måte for å holde systempålitelighetene på et akseptabelt nivå. System som baserte seg på undervanns atmosfæriske hus, fikk betegnelsen «tørre» system i motsetning til dem uten atmosfæriske hus som fikk betegnelsen «våte» system.

Det viste seg at de tørre systemene fikk store driftsproblem og lav systempålitelighet.

De delene som viste seg å slå beina under systempåliteligheten til de tørre systemene tilhørte i all overveiende grad undervannshuset eller operasjonen av det. I dag er det våte system som dominerer fullstendig. Da settes enhetene åpent ut i vannet og er selvsagt tilpasset miljøet. Systempåliteligheten er fullt ut på høyde, og vel så det, med dem som er plassert på tørt land i landbasert oljeproduksjon.

Erfaringen viser at våte løsninger fungerer svært mye bedre enn tørre og at de dessuten også er suverent overlegen økonomisk sett. Det er ingen grunn til at å tro at dette forholder seg annerledes selv om anvendelsen nå er saltkraft om man bare legger den samme velutviklede og velkjente subsea teknologien til grunn.

Oppfinnelsen vår er som nevnt basert på en neddykket våt løsning. Det valget er gjort bevisst fordi det erfaringsmessig har klare fordeler framfor tørre system som alle er i klassen SHEOPP reflektert i trekk og karakteristika som ikke kan matches av tørre system.

Likheten mellom de to system stopper derfor ved at de i teorien begge kan nyttiggjøre seg fordelen av å legge anlegget på passe dyp under vann.

Går vi videre inn i materien viser det seg at den foreliggende oppfinnelse klarer å nyttiggjøre seg fordelen av å ligge dypt og mer til, mens konsept av SHEOPP klassen ikke gjør det i særlig grad. Det er i hovedsak valget av en våt strategi som utgjør forskjellen.

Konsept av SHEOPP klassen kommer i to versjoner, grunnkonseptet med atmosfærisk trykkammer og fjellhallkonseptet, hvor det atmosfæriske kammer er erstattet med en fjellhall. Begge konseptene er vist på figur 3.

SHEOPP som vist på figur 3b baserer seg på en membrandesign som ikke kan realiseres basert på standard RO membraner, men sier intet om hvordan den kan realiseres. Det gjelder og konseptet beskrevet i D5. Den kan således ikke realiseres av en fagmann basert på bekrivelsen alene.

Vår oppfinnelse derimot spesifiserer en membrandesign som en integrert del av oppfinnelsen og en fagmann kan realisere den ved å følge oppskriften i patentbeskrivelsen.

SHEOPP som vist på figur 3b spesifiserer en membrandesign som kan realiseres ved Standard RO membraner. Konseptet gjeninnfører imidlertid delvis et problem som det da deler med alle PRO konsept anlagt ved havoverflaten, og som grunnkonseptet nesten helt har kvittet seg med; nemlig saltvannstransportproblemet.

Alle kjente konsept i SHEOPP klassen har ifølge beskrivelsene en fast trykkdifferanse over den osmotiske membran. Derfor kan ingen av dem tilpasse seg naturlige variasjoner i salinitet.

Den foreliggende oppfinnelse har et stigerør der vannivået H bestemmer trykkdifferanse over den osmotiske membranen. Nivået H kan reguleres fritt og driftsvirkningsgraden kan derfor tilpasses naturlige variasjoner i salinitet.

Dette trekket mangler i alle konsept i SHEOPP klassen. De nærmer seg derved tradisjonelle PRO konsept ved havoverflaten med hensyn på utnyttelse av teoretisk tilgjengelig energi.

Alle PRO anlegg må kunne kvitte seg med akkumulerte salter, kjemikalier og partikler som måtte komme inn som komponenter i naturlig ferskvann på saltvannsiden. Det gjøres ved at en viss andel av ferskvannet i de fleste anlegg dreneres ut på kontinuerlig basis. Kjente konsept i SHEOPP klassen mangler ferskvannsfiltrering. Derfor må dreneringsvolumet for dreneringen; «flushingen»: av membranene i SHEOPP klassen være større enn f.eks. i Toft anlegget som har filtrering.

Men i motsetning til PRO-anlegg anlagt på overflaten som kvitter seg med drenasjevannet mot et rimelig lavt sirkulasjonstrykk, må dette skje mot et stort overtrykk for kjente konsept i SHEOPP klassen. Det representer nok et tap som bringer kjente konsept i SHEOPP klassen enda nærmere de tradisjonelle PRO-anleggene med hensyn på utnyttelse av teoretisk tilgjengelig energi.

Den foreliggende oppfinnelse har ikke kontinuerlig drenasje, men det spyles fra tid til annet. Spylevannet kommer imidlertid fra overtrykksmanifoilen (3.2) som kun har et overtrykk i forhold til omgivende vann i på i størrelsesorden noe over det de tradisjonelle PRO-anleggene har i forhold til sin omgivelse på ferskvannsiden.

Trykktapet i den foreliggende oppfinnelse forbundet med spylingen er derfor sammenliknbar med de tradisjonelle PRO-anleggene. Men siden det ikke spyles kontinuerlig, er den akkumulerte energien som forbrukes til dette langt lavere enn for de tradisjonelle PRO-anleggene, og derved selvsagt svært mye lavere enn for kjente konsept i SHEOPP klassen som vist på figur 3.

Litt enkelt sagt kan man si at kjente konsept i SHEOPP klassen, på sin vei mot et anlegg som virker i praksis, har valgt seg trekk som blokkerer for å utnytte et potensiale som kanskje kunne ha blitt ivaretatt bedre. De forholdene plasser konsept i SHEOPP klassen i samme klasse som tradisjonell PRO med hensyn på driftsvirkningsgrad og økonomi.

Den foreliggende oppfinnelse fokuserer på det samme potensialet for forbedring, men løser det på et vis som avviker sterkt fra type SHEOPP konsept.

Vår oppfinnelse letter og løser problemstillinger som gjelder for PRO-anlegg generelt og som kjente konsept i SHEOPP klassen hverken adresserer eller inneholder løsning på.

De viktigste av disse består av trykk-kontroll, membraneffektivitet, ytre/indre sirkulasjonstap og vannstrømsforhold, men listen stopper slett ikke med disse.

SHEOPP konseptene mangler således essensielle trekk som den foreliggende oppfinnelse dreier seg om har, men som vi heller ikke kan finne i noen andre kjente senere konsept.

BESKRIVELSE AV ET EKSEMPEL PÅ UTFØRSEL AV OPPFINNELSEN

Figur 10 viser deler av den tidlige datamodellen for ett konsept for et 10 MW anlegg i en bestemt lokasjon i en norsk fjord. Ett av formålene med dette konseptet har vært å få belyst hvilke utfordringer av undervanns teknologisk art oppfinnelsen representerer.

Det fremgår av ingeniørstudiet rundt eksempelutførelsene at det ikke trengs ny teknologi for å utføre de undervannstekniske oppgavene oppfinnelsen dreier seg om, kun tekniske tilpassinger av kjent teknologi.

Vi anser derfor at det er tilstrekkelig basis for å konkludere med at den våte strategi generelt sett kan realiseres for alle tenkelige anvendelser med velkjent undervannsteknologi utviklet og kvalifisert for offshore petroleumsproduksjon over en årrekke.

Dette utgjør selvsagt et likevel et kostelement som man ikke har ved tradisjonell teknologi. Fordelene ved å gå under vann er imidlertid så betydelige at de langt overveier ulempene.

Hovedenhetenes tallbetegnelser i eksempelanvendelsen er som i andre figurer og er angitt på figuren.

Figur 11 viser detaljer av det samme anlegget sammen med deler av den skjematiske skissen brukt for å beskrive oppfinnelsen.

Figur 10 og figur 11 er en av flere eksempler for litt forskjellige anvendelser basert på oppfinnelsen. Det finnes ingen snublesteiner i form av undervanns teknologisk art i forbindelse med installasjon, vedlikehold og drift.

Måten disse oppgavene er løst på i eksempelanvendelsen av oppfinnelsen vil være typisk for også andre praktiske anvendelser av oppfinnelsen.

Et viktig element er at de utskiftbare modulene skal kunne skiftes ut utenat det trenger sjøvann inn hverken i lavtrykksvolum eller i høytrykksvolumene og forurense ferskvannsiden.

Eksempelvis spyles koblingsinnretningene i eksempelanvendelsen rene for alle rester av saltvann som måtte befinne seg i åpningsvolumene og som innestenges når koplingene som for eksempel (8.1)/(9.10) og (3.3)/(9.11) i membranmodulene lukkes, ved hjelp av vann fra overtrykksmanifolen. Først etter at denne spyleprosessen er ferdig og alt vann i åpningsvolumene består av ferskvann fra overtrykksinnretningen (3.2) åpnes ventilene i koblingsinnretningene mellom den nyinstallerte membranmodulen og fordelingsinnretningen (8). Likeledes stenges de samme ventilene før koplings klammeret åpnes under utskifting av en modul og ventil-deaktivatoren (9.15) opphever lukkemekanismen i membrankoplingene, mens tilbakeslagskoplingene (9.16) forblir aktive.

Figur 12 er tatt fra en stilistisk visualiseringsfigur i eksempelanvendelsen av oppfinnelsen og viser prinsippene for hvordan membranmodulen kan utformes på et vis som er tilpasset prosedyren beskrevet over. Venstre underfigur viser detaljene slik de ville se ut om landingskrybbe strukturen var usynlig. Høyre når den er usynlig.

ROVen (ikke vist) har en «landingsstruktur» på toppen og den passer nøyaktig i landingskrybben nedenfra. Når ROVen truster fullt opp inne i ROV landingskrybbe, er verktøypakken nøyaktig i posisjon, slik at alle operasjoner kan pre programmeres.

Operatøren vil se hva som skjer både på ROVens TV system og på kontrollsystemets parameter skjermer og kan overstyre alt.

Men dette er ikke den eneste måten dette kan gjøres på. Detaljene i hvordan man velger å gjøre dette gjøre dette på vil kunne variere noe avhengig av detaljkonstruksjonen av overtrykksinnretningen (3.2) utforming som kan variere fra anvendelse til anvendelse og mellom membranmoduler (9) og generatormoduler (5) på samme anvendelse, men prinsippene for dette er alltid den samme.

De aktive element i denne prosessen ligger alltid i den opptagbare modulen, ikke i de faste installasjonene. Men også de faste installasjonsdetaljene som velges blant komponenter med en dokumenterbar middeltid mellom feil rundt anlegges levetid, kan feile og må kunne vedlikeholdes. Eksempelvis består hele membranmodulen av 8 separate seksjoner som alle kan isoleres hydraulisk fra resten om slike feil oppstår.

Anlegget kan da produsere med 87.5 % kapasitet under slike vedlikeholdsoppdrag som gjøres av ROV. For feil på generatormodulen er det og 8 seksjoner, men her er det kun lagt opp til isolasjon av deler av høytrykksmanifoil (3) og lavtrykksmanifoil (4) fordi kostnadene med ytterligere seksjonering er forholdsvis høy samtidig som antall komponenter som kan feile er langt lavere enn i distribusjonsmanifoilen (8) med sine svært mange slike koplinger.

Antallet membranmoduler (9) er som vi ser av figur 11 stort.

Vi ser imidlertid konturene av en framtidig utvikling av membranduken som kan øke effektiviteten slik at antallet moduler kan reduseres sterkt når den tid kommer. Legger vi til grunn at membranene med høy effektivitet kommer gjennom industrialiseringsprosessen med godt resultat, kan man bygge et svært så kompakt anlegg som vil være svært konkurransedyktig på pris.

Produksjon og Første gangs installasjon

Ingen teknisk innretning er ferdigkonstruert før den er satt sammen og installert. Det sier seg selv at produksjon og installasjon av den foreliggende oppfinnelse er avhengig av detaljene i hver enkelt anvendelse av Oppfinnelsen. Denne beskrivelsen gjelder derfor for eksempelanlegget, men den vil ikke skille seg vesentlig for de fleste anvendelser i

sjø.

De utskiftbare modulene bygges på et eget verksted egnet for dette. Anlegget for øvrig består av seksjoner som alle gjerne bygges på et mekanisk egnet verksted. Seksjonene består av Utfellingstank, manifoil koplingsseksjon, høytrykksmanifoil systemet (3), Lavtrykks manifoilsystemet (4), Distribusjonssystemet (8), et sett stigerørsseksjoner (2) og et sett trykklikningsseksjoner (6). Etter produksjon skal de enkelte delene testes og kontrollmonteres sammen for å avdekke eventuelle konstruksjonsfeil. Den prosessen tar flere måneder.

Deretter utstyres manifoilseksjonene (3) og (4) og distribusjonsseksjonen (8) med flytemidler, sjøsettes og taues til flytende horisontalt installasjonsstedet der service flåten allerede er oppankret. Utfellingstanken (7) likeså. Men den taues liggende. Stigerørsseksjonene (2) og utlikningsseksjonene (6) fraktes til senterflåten (10) som er ankret på plass på lokasjonen av egnede skip.

Metoden for sammenkopling og installasjon er best illustrert ved at vi tenker oss at det hele kun besto av stigerørseksjoner.

Stigerør (2) samt trykkutlikningsseksjonene (6) er seksjonert i passe lengder.

Seksjonene kan settes sammen under service flåten (10) ved den første senkes vertikalt under senter flåten (10) til toppen av stigerørsseksjonen (2) er flush med moonpool dekket i senter av flåten. Neste seksjon skjøtes så på den og de to senkes ned med en lengde tilsvarende en seksjon. Så følger neste seksjon og så videre om lag som man håndterer borestrenger ved boreoperasjoner i forbindelse med oljeboring.

Men vi starter i stedet med utlikningstanken (7) som vi fyller med vann, snur og fyller vann i, slik at den henger vertikalt under to hjelpefartøy. Deretter bukserer vi den under service flåten, henger den av tett under moompooldekket i senter av service flåten (10). Toppen ligger da på litt under lag 20 m dyp. Så senker vi den første stigerørseksjonen (2) vertikalt ned i moopolseksjonen. Dykkere går ned og flenser den til toppen av utlikningstanken (7). De flenser og på de rør som senere skal koples til lavtrykksmanifoilen. Så flenser vi på nye stigerørseksjoner (2) som beskrevet i forrige avsnitt, til vi kommer til det punkt at modulseksjonene (8), (4) og (3) skal på plass. Den delen av anlegget som nå er satt sammen henges av til side for moonpool området og distribusjonsseksjonen (8) senkes og bukseres på plass i moonpool området på samme vis som utfellingstanken (7) ble satt på plass.

Anlegget bukseres deretter under denne og løftes opp helt under distribusjonsseksjonen (8).

Dypet for kopling er nå om lag 30 m og dykkere flenser dem sammen hvoretter man gjentar det hele med lavtrykksmanifoilseksjonen (4), hvor vi også flenser inn forbindelsesrørene til utfellingstanken (7). Deretter følger høytrykksmodulen (3) etter samme prosedyre, deretter er det stigerørseksjonenes (2) tur igjen, og for hver runde senkes det ferdige anlegget dypere og dypere. Til slutt er det trykkutlikningsseksjonene (6) som skal på plass avsluttet av utligningsinnretningen (6.1), men prosedyren er den samme. Inne i mellom disse sekvensene er vekten av anlegget hengt opp i løfteliner som er festet til vinsjer lengre ute i service flåten. Den faste del av anlegget er nå montert sammen og er på plass, og montert sammen som den skal, men er fylt med sjøvann helt til topps av trykkutlikningsseksjonene (6).

Tilførselsledningene (1) for ferskt vann er allerede koplet til ferskvannsinntaket og er lagt ut på sjøbunnen med sine tilkoblingsinnretninger. Ferskvannet er ikke tilkoplet i (1.1).

Deretter løfter vi opp en og en av tilførselsledningene (1) og de koples til tilkoplingsstokken på høytrykksmodulen (3) ved hjelp av ROV. Så setter vi på generatormodulene (5) og membranmodulene (9) slik tidligere beskrevet.

Membranmodulene (7) er fylt med ferskvann, men ventilene som åpner til distribusjonsinnretningen (8) er ikke aktivert. Vi legger et de-aktiveringslokk (9.9) over alle membranmodulene. Det lokket vil hindre saltvannssirkulasjonen å komme i gang i modulene og raskt stoppe den osmotiske prosess.

Så åpner vi ferskvannsinntaket (1.1), setter spenning på generatorene og kjører dem som de var pumper. Ferskvannet fra reservoaret (1.1) vil da pumpes inn i anlegget og blande seg med saltvannet. Like mye vann som pumpes inn i anlegget må og ut fordi det jo er helt vannfylt. Det vannet, som i begynnelsen består av saltvann lar vi renne over kanten i utligningsinnretningen (6.1) og til sjøs ned i moonpoolen. Men etter hvert som det pumpes mer og mer ferskvann inn blir overrenningsvannet ferskere og ferskere. Etter at det har passert et ferskvannsvolum ca. 10 ganger volumet av anlegget inn i anlegget og tilsvarende ut, vil saliniteten inne i anlegget være praktisk talt null, med unntak av i distribusjonsmodulen som ikke har hatt gjennomstrømning. Nå starter vi pumpene (3.1) og åpner spylevenderen (9.8), men vi stenger for spylevannet ut i spylerøret (7.4) ved hjelp av deaktiveringsinnretningene (9.15) i koplingene.

Ferskvann med overtrykk vil nå strømme inn i distribusjonsmodulen (8) i motsatt retning av ved normaloperasjon og tvinge saltvannet foran seg til stigerøret (2).

Etter lang nok tid er igjen stigerøret saltfritt. Anlegget er vil da være fylt med ferskvann helt opp til moonpool dekket.

Da stopper vi pumpene, og generatoren som inntil nå har gått som pumper. Vi setter ventilstatus i alle membranmodulene til standard operasjonsposisjon og fjerner deaktiveringslokket (9.9).

Den osmotiske prosess i membranmodulene starter da opp, og den prosessen vil nå begynne å «pumpe ut» ferskvannet gjennom membranduken i membranmodulene. Nivået i stigerøret faller. Etter hvert vil nivået i stigerøret H nå det nivå vi ønsker og vi har nå fått etablert den rette trykkforskjell mellom lavtrykksmanifoilen (4) og høytrykkmanifoilen (3). Da åpner vi vannstrømmen gjennom generatorene (5), som nå vil produsere energi, og som styrt av kontrollsystemet (2.1) og vil slippe inn akkurat så mye vann at nivået forblir om lag konstant.

Vi er da i gang med det anlegget er ment å gjøre; nemlig å produsere energi. Vi har brukt om lag 2 uker fra installasjonen starter til produksjon av energi er i gang.

Selve produksjonen av enkeltkomponentene før installasjonen i forskjellige verksted rundt om tar selvsagt svært mye lengre tid enn selve installasjonen.

Claims (8)

PATENTKRAV

1. Et undervannssaltkraftverk (K), der undervannssaltkraftverket (K) omfatter et stigerør (2), hvor en øvre del av stigerøret (2) er fylt med luft og hvor den øvre delen av stigerøret (2) via en trykkutligningsforbindelse (6) er i kommunikasjon med luft over en vannoverflate i en vannmasse (W), mens nedre del av stigerøret (2) er fylt med ferskvann, der den nedre delen av stigerøret (2) er i kommunikasjon med en ferskvannskilde via en tilførselsledning (1) for ferskvann, minst en generatorenhet (5) forbundet med minst en lavtrykksmanifoil (4) og minst en høytrykksmanifoil (3), hvor i det minste en membranmodul (9) og i det minste en fordelingsmanifoil (8) videre er forbundet med den nedre delen av stigerøret (2), der stigerøret (2) videre er avhengt i en forsyningsflåte (10) flytende i vannmassen (W).

2. Et undervannssaltkraftverk (K) ifølge krav 1, karakterisert ved at lavtrykksmanifoilen (4) videre er forbundet med en partikkelutskillingsenhet (7) som er i kommunikasjon med stigerøret (2).

3. Et undervannssaltkraftverk (K) ifølge krav 1, karakterisert ved at den membranmodulen (9) omfatter en saltvannside og en ferskvannside, der fordelingsmanifoilen (8) er forbundet med ferskvannsiden av membranmodulen (9).

4. Et undervannssaltkraftverk (K) ifølge krav 3, karakterisert ved at saltvannsiden av membranmodulen (9) er åpen mot vannmassen (W).

5. Et undervannssaltkraftverk (K) ifølge krav 3, karakterisert ved at ferskvannsiden i den membranmodulen (9) videre er forbundet med en spylepumpe (3.1), overtrykksmanifoil (3.2) og en akkumulator (3.3).

6. Et undervannssaltkraftverk (K) ifølge krav 1, karakterisert ved at undervannssaltkraftverket (K) videre omfatter et kontrollsystem (2.1).

7. Et undervannssaltkraftverk (K) ifølge krav 1, karakterisert ved at den membranmodulen (9) omfatter et ytre hus (9.1), i hvilket ytre hus (9.1) et antall vertikale, hule staver (9.3) er anordnet, der antallet vertikale, hule staver (9.3) forløper gjennom det ytre huset (9.1).

8. Et undervannssaltkraftverk (K) ifølge krav 7, karakterisert ved at veggen (9.2) i en vertikal, hul stav (9.3) omfatter en osmotisk membranduk (9.4).