11 Vannkraft
VEILEDER I FORNYBAR ENERGI FOR LANDBRUKET
11 - Vannkraft
Norge har gode naturgitte forutsetninger for utbygging av vannkraft, med store høydeforskjeller og stedvis svært mye nedbør. Mange bønder er grunneiere med muligheter for å bygge ut små vannkraftverk.
Småkraftforeninga har beregnet at det er et potensial på 3000 nye mikrokraftverk i Norge. Dette kan gi opptil 1 TWh ekstra i strømproduksjon i året, som kommer godt med når energibehovet og -prisene øker.
Før du leser dette kapittelet om vannkraft, anbefaler vi at du leser gjennom veilederens kapittel 3 til 8. Der finner du informasjon som er relevant for en eventuell investering.
Dersom du – etter å ha lest gjennom disse artiklene – tenker at vannkraft kan være noe for deg, kan det jo være aktuelt å søke noe mer utdypende kunnskap fra andre kilder, det kan du lese mer om til slutt i denne artikkelen.
INNHOLD VANNKRAFT: Teknologi | Ressursgrunnlaget | Økonomiske faktorer | Rammevilkår | Fordypning
Teknologi
Vannkraftproduksjon er utnyttelse av stillingsenergien (potensiell energi) i vannet, ikke hastigheten i elva. Denne vannfallsenergien kan utnyttes til å produsere elektrisk energi ved hjelp av et vannkraftverk. Mange norske vannkraftverk har vannmagasiner, hvilket vil si at vann kan lagres i magasinene og kraften produseres når det er behov for den – altså regulerbar energi. Vannkraftverk uten magasin betegnes ofte som elvekraftverk, og dette er uregulerbar energi.
Små vannkraftverk
Små vannkraftverk kan deles inn i følgende kategorier etter størrelse:
- mikrokraftverk (under 100 kW)
- minikraftverk (100 kW – 1 MW)
- småkraftverk (fra 1 til 10 MW)
Vannkraftverk
Et vannkraftverk kan deles inn i tre hoveddeler; vanninntak, vannvei og stasjonsbygg som huser maskin- og elektroteknisk utstyr. Vanninntaket kan med fordel bygges på siden av bekken/elven, mens vannveien fra inntaket til turbinen utføres som åpen kanal, tunnel, rørledning eller trykksjakt, eller en kombinasjon av disse. For mikrokraftverk er rør den vanligste løsningen.
Vannets energi omdannes til mekanisk energi i turbinen, og den mekaniske energien omdannes til elektrisk energi i en generator. I tillegg er det nødvendig med en form for bygg for å skape et innemiljø for det elektromekaniske utstyret som er tørt, ikke for varmt under produksjon og ikke for kaldt under driftsstans. Denne byggkonstruksjonen kan være svært enkel i de tilfeller det er snakk om veldig små mikrokraftverk.
Vannturbiner
Det er tre hovedtyper av vannturbiner som er mest utbredt i markedet; Pelton-, Francis- og Kaplan-turbiner. Turbintypene har forskjellige egenskaper og bruksområder, og valg av riktig turbin er en viktig del av et prosjekt. Virkningsgraden for en turbin er avhengig av turbintype, men for små standardturbiner (særlig mikroturbiner) vil virkningsgraden også være leverandøravhengig.
Nedenfor kan du se en gjennomgang av de ulike turbinene. Kilde: Hordaland Rørteknikk AS.
Generatorer
Det finnes to hovedtyper av generatorer; synkrongenerator og asynkrongenerator. For generatorytelser opp til ca. 1000 kW installert effekt (mikro- og minikraftverk) og med nettforbindelse, anbefales asynkrongenerator. Asynkrongenerator er en generator som magnetiseres av et eksisterende strømnett, og elektrisk sett er den identisk med en asynkronmotor.
Leverandørmarkedet
Når det gjelder leverandørmarkedet for mikrokraftverk, så er dette ganske lite, men det finnes leverandører som har god kompetanse på området og som kan bistå med veiledning både før og underveis i en utbyggingsprosess. Man skal likevel være klar over at utstyrsleverandørene normalt bare tar ansvar for den elektromekaniske delen av anlegget, og ikke det totale systemansvaret for hele kraftverket med vanninntak, vannvei og bygg. Det er viktig for anleggets totale ytelse at alle delene fungerer godt sammen.
Utstyret bør være CE-merket og ha minst 2 (men helst 5) års garanti mot fabrikasjonsfeil, samt at utbyggeren kan få nye deler fra produsenten, selv om leverandørens/videreselgerens virksomhet i mellomtiden skulle opphøre. Dette gjelder først og fremst selve turbinen. Generatorene er standardiserte for de forskjellige fabrikatene, og ny generator i mikro-området kan vanligvis skaffes i løpet av et par dager.
Nøytrale råd og egeninnsats
I mikrokraftprosjektene er det generelt ikke økonomi til å dekke mye rådgiverassistanse, men både NVE og Småkraftforeninga foreslår at det kan være verdt å leie inn en uavhengig konsulent noen timer for å verifisere hoveddimensjonene og valg av utstyr, siden få leverandører vil ta totalansvar. Dette kan vise seg å lønne seg i lengden.
Jo mindre prosjektet er dess mer egeninnsats er det vanlig å legge inn, både i prosjekt- og utbyggingsfasen. Bonden kan i stor grad gjøre mye av arbeidet forbundet med bygging av et mikrokraftverk selv, men den elektriske tilkoplingen må alltid utføres av en autorisert installatør for lavspentinstallasjoner.
Småkraftforeninga
Småkraftforeninga er organisasjonen for småkraftnæringa og representerer de som eier småkraftressurser, har bygd ut eller ønsker å bygge ut, eller har spesiell interesse for småkraftnæringen.
Foreninga kan bl.a. være behjelpelig med å gi en oversikt over mulige leverandører og rådgivere innen småkraft.
Ressursgrunnlaget
Norge har gode naturgitte forutsetninger for utbygging av vannkraft. Landarealet kjennetegnes av høydeforskjeller, og stedvis kommer det svært mye nedbør. Gjennomsnittlig faller det rundt 1400 mm nedbør hvert år. Litt over 200 mm fordamper, mens resten renner ut i havet. Men nedbøren er ujevnt fordelt, og noen områder er mer egnet for småskala vannkraftverk enn andre.
De lokale forholdene er bestemmende for valg av tekniske løsninger og riktig dimensjonering, og det er derfor viktig med kunnskap om ressursgrunnlaget i det aktuelle vassdraget. Direkte målinger av vannmengden over flere år er den metoden som resulterer i det beste kunnskapsgrunnlaget, men dette er samtidig en metode som kan bli for dyr og omfattende med tanke på størrelsen på et mikrokraftprosjekt.
En annen fremgangsmåte er å ta kontakt med aktuelle leverandører av mikrokraftverk og be dem foreta en vurdering av de naturgitte forutsetningene i prosjektet, eventuelt som nevnt tidligere å leie inn en uavhengig konsulent med hydrologisk kompetanse til å foreta beregninger samt foreslå valg av utstyr.
Mange leverandører og konsulenter bruker analyseverktøyet EVINA for å vurdere ressursgrunnlaget for et vannkraftverk. NEVINA er et analyseverktøy der en kan beregne nedbørfelt, feltparametere, og flom- og lavvannsindekser for et fritt valgt punkt i vassdraget.
Hvordan beregnes effekten i vannfall?
Formelen for den teoretiske effekten i et vannfall:
P = Q x H x 9,81
P = effekten i Watt
Q = vannmengde i liter per sekund
H = høydeforskjell mellom inntak og undervann i meter
9,81 = konstantfaktor for massenes akselerasjon
Kommentar: I formelen mangler vannets spesifikke vekt som er 1000kg/m3 (men denne forkortes ofte bort) se NVEs veileder side 53.
Den teoretiske effekten er alltid større enn den effekten som et kraftverk faktisk kan yte. Dette skyldes både trykktap i turbinrøret og tap i turbin og generator.
Nettoeffekten som kan tas ut av generatoren er derfor avhengig av anleggets virkningsgrad. For et mikrokraftverk vil virkningsgraden vanligvis ligge på 60 – 70 prosent av den teoretiske effekten i vannfallet.
Økonomiske faktorer
Vi minner om følgende artikler som er relevante i denne sammenhengen:
Når en leverandør eller konsulent vurderer ressursgrunnlaget for et mikrokraftverk, er i tillegg en beregning av energiproduksjonspotensialet en viktig del av analysen. For å oppnå best mulig lønnsomhet i et prosjekt, er det viktig å velge en fornuftig dimensjonering av anlegget i forhold til den tilgjengelige vannmengden. Det er dårlig økonomi å installere en turbin som ikke er best mulig avpasset til vannføringsvariasjonene i elva.
For de minste kraftverkene anslår NVE en økonomisk levetid på 40 år. Med økonomisk levetid menes tidspunktet for når det er lønnsomt å skifte ut en anleggsdel fordi en ny del vil ha bedre virkningsgrad og/eller fungere bedre. Rent teknisk kan man likevel anta at et mikrokraftverk vil kunne vare enda lenger.
Rammevilkår som går på fritak fra forbruksavgiften og muligheten til å bygge eget nett uten konsesjon er også økonomisk relevante faktorer. Mer om disse unntaksbestemmelsene under ‘Relevante rammevilkår’ lenger ned i teksten.
Andre viktige økonomiske forhold er:
1) Investeringskostnader - hovedelementer:
Elektromekaniske komponenter: Turbin, generator.
Annet nødvendig utstyr: Eksempelvis rør.
Bygningsmessige arbeider: Eksempelvis vannvei og bygg. Samtidig er det slik at en god del egeninnsats er vanlig i byggingen av et mikrokraftverk, dette bidrar til å dra ned de direkte kostnadene. NB: Finnes det adkomstmuligheter til der det skal bygges? Hvis ikke må dette medtas i beregningen. Husk å avklare relevante forhold med eventuelle grunneiere som blir berørt.
Nettilknytning: Hvilken løsning ender man opp med her, og til hvilken pris?
I mange prosjekter vil det være nødvendig med en ny trafo og kraftlinje slik at kraftproduksjonen kommer fram til nærmeste eksisterende nettanlegg. Omfanget av dette må avklares med det lokale nettselskapet. Nettselskapet tar seg normalt av byggingen av den nødvendige tilknytningen, men bonden må betale anleggsbidrag.
Det mest økonomiske er om energiproduksjonen til eget forbruk på gården går via en privat kabel fra mikrokraftverket til gården - slik unngår man å betale nettleie for bruk av denne strømmen (ref. bygge eget nett uten konsesjon under «Relevante rammevilkår»). Avstanden mellom produksjonssted og forbrukssted må være akseptabel, normalt ikke lenger enn rundt 2-300 meter, men dette må regnes på i hvert enkelt tilfelle. Dersom egen kabel ikke er mulig, slipper man fremdeles forbruksavgift på strøm til eget forbruk selv om kraften går via det vanlige strømnettet, men man slipper da altså ikke nettleie.
Et mikrokraftverk på opptil ca. 30 kW og ca. 100A, der det er rimelig avstand til forbruksstedet, kan ofte koples direkte til gårdens sikringsskap (hvis hovedsikringen er stor nok). Derved unngås trafo-kostnader for å kople anlegget til strømnettet.
2) Drift og vedlikehold:
For mikrokraftverk er det i utgangspunktet få kostnader eller oppgaver forbundet med drift og vedlikehold så sant utstyret som installeres er enkelt, robust og gjennomprøvd. Men det er viktig at leverandøren av utstyret overleverer dokumentasjon som beskriver eventuelle nødvendige rutiner. Det må også gis informasjon om når man kan forvente at det må gjøres en rehabilitering eller utskiftning av anleggsdeler.
En typisk vedlikeholdsoppgave forbundet med småkraftverk, er rensk av varegrinden (risten) i inntaket til kraftverket. Inntakets funksjon er med minst mulig falltap å få vannet inn i vannveien uten at uønskede elementer som for eksempel rask eller is føres med vannet og inn i turbinen. Inntaket utstyres derfor med en varegrind og et stengeorgan (vanligvis en luke). I visse perioder av året vil det kunne være mye tilførsel av kvist, løv etc., og da må det regnes med en ekstra innsats i form av hyppig rensk av varegrinden for å hindre at den tettes igjen.
Bønders egne erfaringer
Vi har snakket med flere bønder om deres erfaringer med lokal strømproduksjon, og med fagfolk om interessante temaer innen fornybar energi.
Artiklene og podcastene med disse intervjuene finner du på nettsiden til prosjektet “Erfaringer med fornybar strømproduksjon på gården” (støttet av Landbruksdirektoratet gjennom klima- og miljøprogrammet).
Relevante rammevilkår
Vannressursloven er loven som regulerer hvordan landets vannressurser skal brukes og forvaltes. Råderetten over vannet tilhører eieren av den grunn som vannet dekker (§ 13), men retten har begrensninger slik at de allmenne interessene i vassdraget ikke blir skadelidende i nevneverdig grad.
Vernede vassdrag og meldeplikt
Stortinget har vedtatt at en del vassdrag skal vernes mot vannkraftutbygging, men har allikevel åpnet for at kraftverk med installert effekt opp til 1 MW (mikro- og minikraftverk) kan bygges i vernede vassdrag. Forutsetningen er at eventuelle utbygginger ikke skal svekke verneverdiene i vassdragene. En planlagt kraftutbygging i et vernet vassdrag skal alltid meldes til NVE for videre vurdering. Du kan lese mer om kraftutbygging i vernede vassdrag her.
Ikke vernede vassdrag og konsesjonsplikt
I vassdrag som ikke er vernet mot kraftutbygging, må en utbygger vurdere om prosjektet er konsesjonspliktig. Ifølge loven skal det ikke iverksettes tiltak i et vassdrag som kan være til nevneverdig skade eller ulempe for noen allmenne interesser i vassdraget uten at det er gitt tillatelse (konsesjon) til dette på forhånd. Dersom du er i tvil om tiltaket er konsesjonspliktig eller ikke, kan du be NVE avgjøre dette. Dette gjør du ved å sende meldeskjema for konsesjonspliktvurdering.
Bygging av mikrokraftverk i et vassdrag som ikke er vernet og hvor utbyggingen ikke medfører konsesjonspliktige tiltak, er i utgangspunktet fritatt for meldeplikt til NVE. Det har likevel utviklet seg en praksis over tid hvor så godt som alle utbygginger meldes. En melding behandles betydelig raskere enn en søknad om konsesjon. Dersom det er helt åpenbart at prosjektet er konsesjonspliktig, lønner det seg å utarbeide konsesjonssøknad uten at en går veien om melding.
Dersom prosjektet ikke er konsesjonspliktig, så er det kommunen som vil behandle saken etter plan- og bygningsloven. Om tiltaket er mindre enn 1 MW og konsesjonspliktig, så er det kommunen som har vedtaksmyndighet etter vannressursloven i de aller fleste tilfeller, men det er noen unntak. Søknaden skal sendes NVE for avklaring av hvilken myndighet som skal behandle søknaden. Mer informasjon om konsesjonstematikken finner du her.
Andre relevante rammevilkår for bygging av mikrokraftverk
Elektrisk kraft som er produsert i generator som har merkeytelse mindre enn 100 kVA og leveres direkte til sluttbruker, er fritatt for avgift på elektrisk kraft (§ 3-12-12). I praksis betyr dette at for å unngå avgift på elektrisk kraft for eget forbruk er største generator som standard asynkrongenerator på 75 kW. Neste størrelse, 90 kW, vil utløse krav om avgift slik bestemmelsen er per i dag.
Bygge eget nett: Lavspenningsanlegg som eies og bare brukes av denne kunden selv, og som befinner seg inne på denne kundens eiendom (kundespesifikke anlegg), er unntatt konsesjonsplikt. Dette betyr at lavspenningsanlegg inne på kundens eget gårdstun og lignende, ikke trenger konsesjon. Et lavspenningsanlegg som er kundespesifikt, men går over arealer som eies av andre enn kunden, er ikke fritatt fra konsesjonsplikt.
Kilder til fordypning
Det er mange aspekter ved en vannkraftutbygging det kan være nyttig å ha god innsikt i før man setter i gang med et prosjekt. Norges vassdrags- og energidirektorat (NVE) har derfor laget en veileder rettet mot ikke-profesjonelle utbyggere i planlegging, bygging og drift av små vannkraftverk. NVE sin veileder gir en gjennomgang av temaer som hydrologi, produksjon, teknisk planlegging, prosjektorganisering, m.m.
NVE-veilederen er fra 2010 og er dermed ikke helt oppdatert på for eksempel regelverk, men den er fremdeles relevant lesning på flere områder. Samtidig er NVE-veilederen mer rettet mot de som ønsker å bygge større kraftverk enn det som er målgruppen for Norges Vels fornybarveileder. Det kan derfor være lurt å snakke med for eksempel leverandører av mikrokraftverk (under 100 kW), samt bønder som selv har gått til anskaffelse av et mikrokraftverk, for å lære mer om teknologi og erfaringer forbundet med bygging av de minste vannkraftverkene.