Store muligheter for solenergi i Arktis

Solcelleteknologien har de siste årene gått igjennom en utrolig teknologiutvikling og kostnadsreduksjon og er allerede nå den billigste teknologien for kraftproduksjon mange steder i verden. Men hvordan virker teknologien i polare strøk? Dette er tema for doktorgradsarbeidet til Iver Frimannslund og veiledere ved NMBU, UNIS og Multiconsult.

I polare strøk har solcellepaneler lenge blitt brukt for strøm til off-grid tekniske installasjoner som f.eks. værstasjoner, fyrlykter og telekommunikasjonstårn, og de har over tid vist at dette er en svært driftssikker løsning. I tillegg har man fått øynene opp for bygningsmonterte anlegg hvor man dekker både tak og fasader med solcellepaneler. Dette har krevd lite tilpasning fra lavere breddegrader til polare klima og er klart som en potensiell bidragsyter for økt andel av fornybar energiforsyning i Longyearbyen. Men bygningsmonterte solkraftverk har sine begrensninger. Himmelretningen og vinklingen på panelene dikteres av byggets orientering og arkitektur og ikke alle steder på et bygg får like god soleksponering. Det er også en naturlig størrelsesbegrensning ved bygningsmonterte solkraftverk og montering av slike anlegg krever en grad av skreddersøm til bygningens overflater. Avinors solkraftverk på Svalbard Lufthavn er et eksempel på solkraftverk som er formet av bygningskroppen hvor størrelsen av anlegget begrenses av de tilgjengelige overflatene.

Derfor er det ønskelig å utforske mulighetene for større bakkemonterte solkraftverk i polare områder. Her kan systemet optimaliseres for energiproduksjon, størrelsen på anlegget vil ikke være prisgitt de tilgjengelige bygningsoverflatene, og anlegget kan utvides over tid. Storskala bakkemonterte solkraftverk er i økende grad vanlig på sørligere breddegrader, men hva skjer om man benytter samme utforming på solkraftverk i polare klima? Hvilke prinsipper for design av solkraftverk lar seg overføre fra læreboka og hvilke nye klimapåkjenninger må tas hensyn til?

Feltoppsettet i Adventdalen

Det var noe av bakgrunnen når NMBU (Norges miljø- og biovitenskapelige universitet) og UNIS gikk sammen for å installere et lite bakkemontert solkraftverk i Adventdalen ved den gamle Nordlysstasjonen. I oppstart av prosjektet var det klart at de klimatiske påkjenningene ville være annerledes slik at det må utvikles ny kunnskap for riktig design av slike installasjoner. En av de største spørsmålene var knyttet til etablering av snøfonner i anlegget og ble et naturlig fokusområde for studiet. Må man endre prinsippene for design av solcelleanlegg i arktiske strøk, sammenlignet med designprinsippene man kjenner fra før? Hvordan snøfonner dannes avhenger hovedsakelig av formen på solkraftverket heller enn materialet, og derfor ble det valgt å bygge et «mock-up» solkraftverk av treverk i Adventdalen. Enkelt forklart består anlegget av fire rader med eksponerte flater som vender mot solen i en gitt vinkel.

I tillegg til å forske på klimapåkjenningen på solkraftverk var også produksjonspotensialet av interesse. Det eksisterer ingen bakkemonterte anlegg på tilsvarende breddegrader og et studie i ytelsen er nytt for forskningsfeltet. Av spesiell interesse er potensialet for bruk av tosidige solcellepaneler som produserer strøm fra begge sidene av panelet. Slike paneler kan utnytte den reflekterte strålingen fra bakken og er spesielt gunstig der snøen ligger lenge. Av denne grunn ble det installert solcellepaneler som vender både himmelen og bakken på anlegget. Anlegget ble designet i tråd med tradisjonelle prinsipper for design av solkraftverk og har en vinkel på 30 grader og panelflaten er hevet 1 meter over bakken.

Utfordringer og potensialet i det polare klima

Kort tid etter at anlegget var montert i Adventdalen kunne man se at det begynte å dannes snøfonner på lesiden av solkraftverket. Snøfonnene økte gradvis i størrelse og ble på sitt største 1.8 m høye og mer enn 50 m lange. Snøfonnene vokste ikke bare vekk fra, men også mot anlegget hvor en rad omsider ble delvis begravd. Resultatene fra feltforsøket viser at for at bakkemonterte solkraftverk skal være bærekraftig i områder med mye snødriv, så kreves det tilpasninger.

Kraftproduksjonen fra solcellepanelene ga mer oppløftende resultater. Panelet som var vendt mot himmelen produserte 10prosent mer enn teoretiske produksjonsberegninger. Det kan bety at de etablerte beregningsverktøyene for solkraft ikke er like nøyaktige i arktiske strøk som i sørlige strøk. Det kan skyldes feil i innstrålingsmålinger, strålingsspekter, temperatur eller noe annet. Solceller blir varme når de produserer strøm, noe som bidrar lavere spenning og dermed lavere virkningsgrad for solcellene. I forsøket logget vi temperaturen på solcellepanelet som viste seg å holde seg svært lav gjennom forsøket. Dette er selvfølgelig et kjent fenomen, men forsøket antyder at nedkjølingen av solcellepanelet i det vindutsatte klima gir økt ytelse og kan være undervurdert i simuleringene.

Panelet som var vendt mot bakken produserte hele 45% av panelet som vendte himmelen før snødekke smeltet. Etter snødekket smeltet dalte produksjonen ned til 13% av det himmelvendte panelet, og tydeliggjør det positive bidraget snødekke har på produksjon til tosidige paneler. Steder hvor snøen ligger enda lengre enn Adventdalen kan bruk av tosidige paneler være svært gunstig. Et annet interessant fenomen var at solcellene som var vendt mot bakken fikk en liten produksjonstopp av midnattssola på sommeren. Polarsommeren kan dermed gi solkraft døgnet rundt.

Klima i polare områder har altså flere fordelaktige karakteristikker for solkraftproduksjon, men forutsetter at vi kan løse de nye utfordringene som klima bringer. For å unngå snøfokk er snøgjerder til å avsette snøen før den kommer inn i anlegget en mye brukt løsning. En annen tilnærming er å endre utformingen på anlegget selv slik at enten ingen snø samler seg, eller at man bruker utformingen av anlegget til å avsette snø der hvor man ønsker det. Solkraftverk er fleksible i utformingen og det er mange forskjellige måter man kan tilpasse designet hvor man minker risikoen for snøfonndannelse på uønskede steder.

Spennende fremtid for polare solkraftverk

Mulighetene for å tilpasse solkraftverk til det polare klima er altså mange og det er en utfordring som kan løses. Ut ifra det vi vet nå så medfører polare solkraftverk en ekstra risiko knyttet til klimapåkjenningene, men avkastningen kan være tilsvarende. Det videre arbeidet ligger nå i å utforske hvilken effekt utformingen av solkraftverk har på snøfonndannelsen og hvilken strategi som er mest hensiktsmessig å bruke for å realisere økonomiske og miljømessig bærekraftige solkraftverk i polare klima. Kunnskapen som utvikles gjennom forskningsprosjektet vil forhåpentligvis kunne bidra til at det etableres polare, bakkemonterte solkraftverk med høy ytelse, lave kostnader og liten risiko for at det tøffe klimaet reduserer anleggets levetid. Polare solkraftverk kan være en relevant løsning for Longyearbyen, og også for mange andre bosettinger i Arktis og Antarktis.

Forfatterne takker så langt for støtte fra Svalbards miljøvernfond, velvilje fra Lokalstyret, hjelp fra Avinor og Power Controls AS.

Forfatterne: Iver Frimannslund (NMBU/UNIS), Thomas Thiis (NMBU), Arne Aalberg (UNIS), Bjørn Thorud (Multiconsult).