AAU Energi - problembaseret forskning

AAU ENERGI Problembaseret forskning A A L B O R G U N I V E R S I T et

Aalborg Universitet: din stærke vækstpartner på energiområdet 2 W I N D E N E R G Y R E S E A R C H A T A A U

Forord: Fra Aalborg Universitets grundlæggelse i 1974 og til i dag er fornybar, grøn og effektiv energi gået fra alternativ til mainstream på verdensplan. I det tidsrum har Aalborg Universitet været med til at fremme den grønne dagsorden og udvikle renere og mere effektive energiløsninger.

Aalborg Universitet vil også være dagsordensættende på det næste skridt, hvor grøn energi og energieffektivisering skal være driver for fremtidens vækst. I den proces er AAU en globalt orienteret partner, der tilbyder world-class forskning, unik tradition for innovativt samarbejde med lokale og internationale virksomheder og uddannelse af en ingeniør-arbejdskraft, der er nøje afstemt med erhvervslivets behov.

Energiforskningen på AAU er forankret i en lang række forskningsmiljøer med forskellige faglige kompetencer og traditioner. Forskningen i udvikling af fremtidens ikke-fossile energikilder har altid været en styrkeposition, men i de senere år er der kommet særligt fokus på optimering og forbedring af disse i takt med, at de er begyndt at fylde i landskabet som vindmøller, som solceller på hustagene eller som gylle i tankene. I det hele taget er effektivisering af energiforbruget – hvad enten det gælder for huse, brødristere eller på havet ud for vores afdeling i Esbjerg – et meget væsentligt formål for en stor del af den energiteknologiske forskning, ligesom forsyningssikkerhed og -stabilitet er ofte tilbagevendende parametre. Foruden selve energiteknologierne er deres medvirken

i et samlet energisystem omdrejningspunktet for AAU’s førende forskning i energiplanlægning – dvs. i hvordan nutidens energisystemer (på lokalt, nationalt eller europæisk niveau) kan bevæge sig mod et lavere og renere energiforbrug i fremtiden.

I de senere år er der på AAU foregået en intern organisering af alle disse fagligheder, som udmøntes i en række tværdisciplinære projekter, samarbejder og centre – ofte også på tværs af vores tre campuser (Aalborg, København og Esbjerg). Den tværgående tendens går hånd i hånd med den stigende efterspørgsel på sammenhængende løsninger, som vi oplever i vores daglige kontakt med erhvervslivet.

AAU er grundlagt på initiativ af det omkringliggende erhvervsliv. Det afspejles dels i den meget høje andel af Aalborg Universitets eksterne omsætning, som kommer fra de anvendelsesorienterede forsknings- og udviklingspuljer, hvor forskning og udvikling sker i samarbejde med – i stigende grad udenlandske - virksomheder. Dels i det faktum, at AAU konsekvent ligger i toppen af listen over andelen af publikationer, der er udarbejdet i samarbejde med virksomheder.

I sammenligning med andre universiteter er AAU’s forskning generelt meget anvendelsesorienteret og markedsnær, hvilket også ligger til grund for, at vores studerende tager ud

i virksomheder som led i deres uddannelse.

Gennem vores læringsdesign, Problem-Baseret Læring, oplæres de i problemløsning ved inddragelse af deres viden fra uddannelser i fx ”Energiplanlægning”, ”Vindmølleteknologi” eller ”Bygningers energidesign”. Den unikke problemorienterede tilgang har helt sikkert medvirket til at tiltrække så mange udenlandske studerende, at de i dag på flere af energiuddannelserne udgør over halvdelen af det samlede antal studerende.

Den globale orientering afspejles endvidere i det faktum, at vores forskere i stigende grad er engageret i de afgørende, internationale faglige netværk og rådgivende udvalg, både på europæisk og globalt plan, og AAU’s yderst prominente tilstedeværelse i det verdensomspændende forskningskredsløb fremgår fx af, at vi har 4 forskere med i HighlyCited’s nyeste top 250 over energiforskere.

Med denne folder, der viser en række af vores styrkepositioner på energiforskning, stiller vi os til rådighed som fremtidens vækstpartner på energiområdet.

Eskild Holm Nielsen I Dekan Det Teknisk-Naturvidenskabelige Fakultet

Problembaseret forskning

3

26

Biomasse

20

solenergi

30

offshore-sektoren

16

Bølgeenergi

6

vindenergi pĂĽ aau

36

smart energy systems

indhold:

40

grøn fremtid

44

vedvarende energi i danmark

8 Vindmølleindustrien 9 Bøttefundamenter 10 Vindmøller på slankekur 14 AAU forskning 15 Smartgrid 18 Elektrolyse 22 Bio-økonomi 24 Bio-olie 28 Bakteriernes hemmeligheder 34 Effektelektronik 38 Heat Roadmap Europe II 42 Bygninger sluger strøm og varme 46 Energiplanlægning 47 Energioptimering

U d g i v e r: Aalborg Universitet T ekst, L ayo u t o g T ry k: Conexia+PR st e d o g dato : Aalborg, 2014

Ledende forskning i vindenergi på AAU Der er mange penge på spil, når en vindmølle skal produceres, sættes op og i drift og forbindes til elnettet. På Aalborg Universitet (AAU) sidder 200 mennesker og forsker i, hvordan man bedst balancerer investeringerne i hele vindmøllens værdikæde.

En statistik fra EU-kommissionen viser, at Danmark er det europæiske land, som producerer den højeste andel vindenergi i forhold til det omtalte lands samlede elforbrug. I 2013 kom mere end 33 pct. af elektriciteten fra vindmøller, og 656 nye vindmøller blev sluttet til elnettet, hvoraf 307 var på land. Især Nordjylland er et levende laboratorium, når det kommer til vindenergi. Regionen huser både Siemens Wind Power med verdens største vindmøllevingefabrik og Bladt Industries, der er producent af havmøllefundamenter, samt AAU, der er et af verdens førende universiteter inden for energiforskning. AAU er også et globalt centrum for koordineret vindmølleforskning udført af forskergrupper organiseret under paraplyorganisationen EnergyVision.

- Aalborg Universitets vindteknologikompetencer er fordelt på fem institutter, hvor cirka 200 akademikere er involverede i energiforskning.

Vi har 80 PhD-studerende, resten er fastansat personale samt Post.Docs. og projektansatte akademikere, siger John Dalsgaard Sørensen, professor på Institut for Byggeri og Anlæg.

Overblik over vindteknologiforskning på AAU På Institut for Mekanik og Produktion forskes der i kompositter, herunder hvordan styrken af

6 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

vindmøllevinger kan beregnes. På Institut for Energiteknik fokuseres der bl.a. på effektelektronik, reguleringen af selve vindmøllen og af det overordnede elnet, mens der på Institut for Elektroniske Systemer, Sektionen for Automatisering, forskes i kontrol af bl.a. vinger og vindmølleparker.

- På Institut for Energiteknik arbejder forskerne med hele problematikken omkring nettilslutning og planlægger de overordnede rammer for, hvordan man får al energien ud til forbrugerne. Her kommer Institut for Planlægning ind i billedet. De arbejder både med miljøkravene for opstilling af vindmøller og med integration af vindmøllestrøm med andre energiformer. På Institut for Byggeri og Anlæg forsøger vi at dimensionere bl.a. fundamenter og vindmølletårne til at kunne klare de belastninger, naturkræfterne udsætter maskinerne for. Vi forsker i, hvilken sikkerhed og pålidelighed møllerne skal have. På Institut for Mekanik og Produktion forskes i løsning af de mange logistiske aspekter ved fremstilling, installation og drift, siger John Dalsgaard Sørensen.

Samarbejde med vindmølleindustrien De fem institutter har en række nationale og

internationale forskningsprojekter, bl.a. med medlemmer af vindmølleindustrien i Danmark. Forskningen finansieres af bl.a. EU, Forskningsrådene, Højteknologifonden, EUDP og af vindmølleindustrien direkte.

- Man kan næsten ikke få forskningsmidler, med mindre der er industri indblandet.

Virksomheden tager sig typisk af den kommercielle del, mens AAU leverer forskningen.

Jeg er i øjeblikket engageret i tre projekter med vinger, hvor Dong, Vattenfall og E.ON er involveret. Vi er også med i et nordjysk industrinetværk, Hub North, hvor AAU spiller en central rolle i at øge samarbejdet med små og mellemstore virksomheder, siger John Dalsgaard Sørensen.

∞ John Dalsgaard Sørensen | Professor

Institut for Byggeri og Anlæg Tlf : 2077 5805 Mail : jds@civil.aau.dk

Problembaseret forskning

7

Vindmølleindustrien:

50 % nedbringelse af Cost of Energy i 2020 Der er mange faktorer på spil, fra en vindmølle bliver produceret, og til den er sat op. Selve konstruktionen skal have en høj pålidelighed, så vindmøllen ikke går i stykker i første storm. Det er især udgifterne til vindmøllens levetidsomkostninger, der skal reduceres. Driftsomkostningerne udgør typisk 25-30 prc. af Cost of Energy.

Udgifterne til danske vindmøller er for høje. En rapport fra Megavind, et partnerskab mellem forskningsinstitutioner og industri i Danmark inden for vindenergi, påpeger, at Cost of Energy på vindmøller skal reduceres med 50 prc. fra 2010-2020. John Dalsgaard Sørensen, professor på Institut for Byggeri og Anlæg på Aalborg Universitet (AAU), forsker i risikoanalyse med fokus på håndtering af usikkerheder og pålidelighed af vindmøller og på metoder til estimering af driftsomkostningerne i vindmøllens levetid. Målet med forskningen er at finde strategier og løsninger på problemstillingen, der kan nedbringe Cost of Energy på danske vindmøller.

- Jo mere materiale, man kommer i konstruktionen, jo dyrere og mere sikker bliver vindmøllen generelt. Ser man på, hvor stor pålidelighed selve vindmøllen skal have kontra udgifterne til materialer og produktion, så skal man også tage hensyn til, at der kommer en driftsfase med udgifter til service, inspektioner og reparationer, hvis vindmøllerne ikke er pålidelige nok. Grundlæggende handler det om optimering af hvilket sikkerhedsniveau man skal kræve versus konsekvenserne af at få svigt i vindmøllekomponenterne, bl.a. vinger, tårn og fundament. Dertil kommer betydningen af pålideligheden af kontrolsystemet og alle de elektriske og mekaniske komponenter, der er inden i selve nacellen. Hvis de går i stykker, så stopper vindmøllen og kan ikke producere strøm. Det koster penge, siger John Dalsgaard Sørensen.

Statistik, sandsynlighedsregning og måleinstrumenter Målinger på bestemte lokationer og komplicerede matematiske formler baseret på statistik og sandsynlighedsregning anvendt i praksis skal sikre,

8 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

at fremtidens vindmøller bliver mere økonomiske. På Institut for Byggeri og Anlæg forskes der både i pålidelighed og risikovurdering, men også i at modulere vindforholdene.

- Når man ganger svigtsandsynligheden med konsekvensen i kroner, så har man det, man overordnet forstår ved risiko, hvilket man gerne vil minimere.

Ved siden af vores matematiske formler er der opsat mange måleinstrumenter på vindmøller for bl.a. at få et overblik over vindbelastningen.

Jo flere målinger man har, jo mindre sikkerhedsfaktorer behøver vi at anvende. Ser vi på problemstillingen med nedbringelse af Cost of Energy, så er en af de store udfordringer, at mange af de bedste pladser for offshore vindmøller er taget, så nu skal møllerne opsættes længere væk på endnu dybere vand, hvilket stiller endnu større sikkerhedsudfordringer. Det er en balance på en vægtstang, om man skal producere en billig vindmølle med relativt lille pålidelighed, hvor der kan komme store driftsomkostninger senere, eller om man skal bygge en mere pålidelig, men dyr vindmølle, der på længere sigt kan forventes at have små driftsudgifter. Det er nogle af de ting, vi forsker i lige nu, siger John Dalsgaard Sørensen.

∞ John Dalsgaard Sørensen | Professor

Institut for Byggeri og Anlæg Tlf : 2077 5805 Mail : jds@civil.aau.dk

bøttefundamenter:

Nedbringer omkostningerne med 30 % En ny type fundament til havvindmøller udviklet af Aalborg Universitet i samarbejde med en privat virksomhed er på vej til at revolutionere offshore-sektoren. Langt mindre miljøpåvirkning og en reduktion af installationsomkostningerne med op til en tredjedel er de væsentlige faktorer, som har sikret opfindelsen stor international opmærksomhed.

Mange danske og internationale medier har omtalt bøttefundamentet, som det er blevet døbt, og udviklingen af det kommercielle produkt følges med stor interesse flere steder i verden, særligt i den internationale vindmølle- og offshoreindustri. Det skyldes, at industrien er udfordret på navnlig to fronter i øjeblikket: dels et presserende behov for at reducere omkostningerne til installation og drift af havvindmølleparker, dels et ønske om at reducere branchens påvirkning af det maritime miljø, et emne som også er i det politiske søgelys. Af de store energiselskaber regnes bøttefundamentet for fremtidens.

Billigere og bedre Det skyldes, at bøttefundamentet bliver langt billigere end eksisterende fundamenttyper, fordi det består af mindre stål, hvilket også letter transporten ud til vindmølleparken. Derudover kan det genbruges. I princippet er der tale om en stor, enkeltstående stålbøtte, som er 43 m høj og måler 12 m i diameter. Fundamentet produceres på land og transporteres til havs, hvor det uden anvendelse af tungt maskineri selv ”suger” sig fast i havbunden vha. et kraftigt undertryk. Når fundamentet skal fjernes, kan

det afinstalleres vha. et overtryk. Traditionelle fundamenter sprænges væk, hvilket støjer og generer fisk og havdyr i området, dernæst efterlades de sprængte stålrester på havbunden.

- Udover kraftigt at nedbringe omkostningerne til produktion og installation, er bøttefundamentet mere miljøvenligt. I Tyskland er det f.eks. ikke længere tilladt at installere havvindmøllefundamenter vha. pælehammer, hvis støjniveauet overstiger en hvis grænseværdi, da det forstyrrer havmiljøet, forklarer professor Lars Bo Ibsen fra Institut for Byggeri og Anlæg på Aalborg Universitet. Han er en af opfinderne bag bøttefundamentet.

Fundamentet for fremtiden Projektet kom i stand, da en mindre privat virksomhed, Universal Foundation (dengang Marine Business Development) henvendte sig til AAU med idéen om bøttefundamentet. Det var i 2001, og siden er produktet udviklet til et punkt, hvor det er klar til storskalatest. Mindre testopsætninger har allerede fundet sted gennem årene og er forløbet planmæssigt. Bl.a. er der installeret et bøttefundament ud for Frederiks-

havn i 2001, som stadig fungerer upåklageligt.

I dag står projektet over for sit store kommercielle gennembrud. Den største udfordring lige nu er at geare virksomheden til at håndtere store ordrer på fundamenter til havvindmølleparker.

Det kræver både det rette udstyr til produktion, kapital og fintuning af produktionsprocesserne, men markedspotentialet er meget stort: - Når bøttefundamentet kan massefremstilles, vil det skabe mange danske arbejdspladser, for potentialet er enormt, vurderer Lars Bo Ibsen.

– Fundamentet udgør normalt op til 30 % af prisen på en havvindmølle eller ca. 15 mio. DKK. Et installeret bøttefundament kommer til at stå i ca. 10-12 mio. DKK. Lars Bo Ibsen forventer, at fundamentet vil kunne bruges i 90 % af samtlige havbundsforhold.

∞ Lars Bo Ibsen | Professor

Institut for Byggeri og Anlæg Tlf : 2257 0060 Mail : lbi@civil.aau.dk

Problembaseret forskning

9

VINDMØLLER PÅ SLANKEKUR:

Ned med vægten og op med styrken Længere, større, lettere – vindmøllen har konstant vokseværk, og designet bliver fortsat mere sofistikeret. På Aalborg Universitet forskes der intenst i design med kompositmaterialer, som vejer mindre, er stærkere og gør vindmøllen stadigt mere energieffektiv.

10 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

Vindmøllevinger er et yderst kompliceret produkt, som til stadighed udgør et stort optimeringspotentiale, der konstant forbedres for at producere vindmølleelektricitet, der kan konkurrere med det fossile energimarked. Målet er altid at gøre vindmøllevingerne længere og større for at producere mere energi, men samtidig er der fokus på vægten for at minimere belastningerne og prisen for hele vindmøllen. Derfor forsker man intenst i udvikling af nye materialesammensætninger, strukturelle designs og computerbaserede modeller, som gør konstruktionerne lettere, mens styrke og stivhed bevares eller forbedres.

Kompositmaterialer på højt niveau Forbruget af kompositmaterialer til vindmøllevinger har været støt stigende gennem de seneste år, og vingerne fremstilles i dag af lette kompositmaterialer såsom plastmaterialer, forstærket med glas- og kulfiber. Professor Erik Lund, Institut for Mekanik og Produktion på Aalborg Universitet, er verdenskendt inden for materialeoptimering med kompositmaterialer. Gennem computerbaseret mekanik forsker han i vindenergi og avanceret materialeoptimering til brug i bl.a. store vindmøllevinger.

- Materialeforbruget i fremtidens konstruktioner skal minimeres, mens konstruktionerne skal gøres lettere og stærkere. Den rette kombination af lethed, styrke og holdbarhed er en helt central konkurrenceparameter i industrien, og derfor bliver kompositkonstruktionernes egenskaber skubbet tættere og tættere på grænsen for, hvad materialerne kan holde til, siger Erik Lund.

Styrken sidder i detaljen Det er de små designdetaljer i samspil med hele vingestrukturen, som bestemmer styrken og levetiden af vindmøllevinger, hvilket kræver, at man arbejder på tværs af længdeskala fra det mikroskopiske materialeniveau til det strukturelle vingeniveau på for eksempel en 75 meter lang og 25 tons tung vinge.

- Vi laver mekaniske laboratorieforsøg i samspil med computerbaseret modeludvikling, hvor vi genskaber belastningssituationer på eksempelvis kritiske dele af vingekonstruktionen for bedre at kunne forstå og modellere årsagen til styrkesvigt. Herved kan vingen bedre optimeres og skræddersyes til en ønsket strukturel opførsel, forklarer Lars Chr. T. Overgaard, lektor ved Institut for Mekanik og Produktion og tidligere leder af vingeudvikling hos Siemens Wind Power.

Vindmøllevingen skal gentænkes Forskerne på Aalborg Universitet bliver hele tiden bedre til at designe vindmøllevinger bl.a. i samarbejde med forskellige vindmølleproducenter, som altid har et ønske om, at deres eksisterende modeller forbedres, og nye modeller etableres til at kunne forudsige styrken af

designdetaljer. Lars Chr. T. Overgaard mener, at det er på tide, at vindmølleindustrien gentænker vindmøllevingen.

- Det er en spændende tid for kompositmaterialer og -strukturer. Danmark har opbygget en enorm viden i fremstillingen af verdens største kompositstrukturer gennem de sidste årtier samtidig med, at de computerbaserede modeller er blevet væsentligt bedre end tidligere. Ikke desto mindre har det strukturelle vingedesign ikke ændret sig væsentligt i årtier. Det er derfor naturligt, i min optik, at vi konsoliderer vores viden i nytænkte fremstillingsmetoder og vingedesign i stedet for fortsat at bygge oven på eksisterende metoder og designs. Men det er selvfølgelig både udfordrende og bekosteligt, og samtidig er der så megen fart over vindmøllefeltet i dag, at der ikke er tid til at gentænke. Det binder os og producenterne til at fremstille, som vi altid har gjort.

Vægten skal ned Der er ikke længere tvivl om, at vindenergi i Danmark spiller en central rolle i overgangen fra fossile brændstoffer til vedvarende energikilder.

Men for at vindenergi kan slå de fossile brændstoffer i energiproduktion, skal vingerne gøres lettere og mere effektive.

- På de bedste onshore-lokationer kan prisen på vindmølleenergi faktisk godt konkurrere med det generelle elmarked, men desværre er mange af disse steder allerede optaget af eksisterende vindmøller. Derfor er energiselskaberne ofte henstillet til at placere vindmølleparker på lavvindsområder eller offshore, hvilket gør, at der til stadighed er stor forskel på kostprisen på produceret energi sammenlignet med fossile brændstoffer. Her spiller vindmøllevingernes vægt og deres strukturelle opførsel en vital rolle, og derfor skal vi have vægten ned med bibeholdt eller forbedret styrke, og energiproduktionen skal op, slutter Lars Chr. T. Overgaard.

∞ Erik Lund | Professor

Institut for Mekanik og Produktion Tlf : 9940 9312 Mail : el@m-tech.aau.dk

∞ Lars Chr. T. Overgaard | Lektor

Institut for Mekanik og Produktion Tlf : 9940 3047 Mail : lcto@m-tech.aau.dk

Problembaseret forskning

11

12 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

For at få mest muligt ud af vores energi skal der gribes ind på to grundlæggende områder: Effektivisering – hvordan vi forbruger mindst mulig strøm og optimering – hvordan vi får mest ud af den energi, som vi producerer.

Professor Frede Blaabjerg, Institut for Energiteknik

De mange vindmøller producerer mere strøm, end vi kan bruge, og den udfordring skal bl.a. løses ved at samtænke el- og varmeproduktionen.

Professor Henrik Lund, Institut for Planlægning

Problembaseret forskning

13

AAU Forskning:

Offshore Vindmølleteknologi De store landvindinger i vindindustrien sker i de store offshore vindmølleparker. Men selvom området er lovende, skal megen forskning og udvikling endnu til, før sektoren når sit fulde potentiale som en effektiv, stabil, sikker, forudsigelig og kontrollerbar energikilde.

Vindenergi er et centralt forsknings- og uddannelsesområde på AAU. Et af målene med forskning i vindmølleteknologi er at reducere omkostningerne til produktion af vindenergi og at gøre vindmølleparker til en primær energikilde i elsystemet.

- Vi foretager nogle analyser af detaljeret vindmøllestyring vha. effektelektroniske konvertere og vinklen på vingerne for at reducere belastningen på møllen og forbedre ydeevnen. Dernæst arbejder vi med styring af vindmølleparker for at fremme hele parkens effektivitet og minimere strømtabet, siger Zhe Chen, professor og PhD, Institut for Energiteknik, AAU. International forskning i vindteknologi Zhe Chen arbejder i øjeblikket på et EU-projekt, INNWIND, der undersøger nye systemer til produktion af vindenergi. Han er desuden ledende forsker på følgende projekter finansieret af det Strategiske Forskningsråd: Dynamic Wind Turbine Model - From Wind to Grid og Research on DC Network Connection with a Novel Wind Power Generator System.

- I det første projekt udvikler vi en overordnet model for vindmøllesystemer og formulerer nogle strategier for styring, der skal reducere belastningen på møllen og forbedre strømkvaliteten. I det andet projekt udvikler vi nye generator- og effektelektroniske systemer til offshore vindmølleparker og offshore grids. En drejelig vindmølle påvirkes af variationerne i vindstyrken og -retningen. Belastningen på en vindmøllevinge har betydning for strømproduktionen, som påvirkes af den retning, møllen er drejet i.

I de ovennævnte projekter anvender vi en detaljeret model af vindmølle-

14 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

systemer og udvikler en ny metode til at styre den enkelte mølles vinkel for at reducere udsving i strømproduktionen, forhindre træthed i konstruktionen og forbedre strømkvaliteten, forklarer Zhe Chen.

Offshore-møller skal forbedres Offshore-vindmøller skal være mere pålidelige end onshore-møller, fordi omkostningerne til drift af offshore-møllerne er betydeligt højere. Men offshore-møllerne har større effekt i i elsystemet end de onshore-møller, der står rundt om i dag.

- For at udvikle en overordnet, optimal kontrol, der maksimerer opsamlingen af strøm og reducerer belastningen og tab af vindmølleparker, forsker vi i det optimale design, den optimale drift og kontrol såvel som fejlprognoser for offshore-vindmøller. I fremtiden vil teknologi til lagring af energi være en løsning, der kan sikre et stabilt flow i strømforsyningen.

Men en kosteffektiv metode til lagring af energien er endnu ikke udviklet, siger Zhe Chen.

∞ Zhe Chen | Professor

Institut for Energiteknik Tlf : 9940 9255 Mail : zch@et.aau.dk

Smartgrid:

Fremtidens intelligente elnet Inden 2020 skal halvdelen af Danmarks energiforbrug dækkes af strøm fra vindmøller, og det åbner for en hel række udfordringer. For det første er det danske elforbrug stigende, ikke mindst fordi der kommer flere og flere elbiler og varmepumper. En elbil eller en varmepumpe bruger nemlig hver især den samme mængde el som en gennemsnitlig dansk husstand. Dernæst blæser vinden ikke altid på de tidspunkter, hvor danskerne bruger mest strøm. Så den strøm, der produceres, skal anvendes så hensigtsmæssigt som muligt.

Fleksible elpriser på vej Typisk er der de største mængder el til rådighed om natten, for da blæser det mest, men det er selvsagt ikke her, danskerne bruger mest strøm. Kunne man imidlertid flytte den mest strømslugende og samtidig mest fleksible del af danskernes elforbrug – nemlig opladning af elbiler og brug af varmepumper - til om natten, er grundstenen lagt for, at forbrugerne kan spare penge, mens elnettet belastes mere jævnt. Det er i alles interesse, for alternativet er dyre udbygninger af elnettet rundt om i Danmark for at imødekomme den stigende efterspørgsel i spidsbelastningsperioderne.

Selvom kun ganske få elselskaber i dag kan fakturere forbrugerne på baggrund af timemålinger, så vil fleksible elpriser blive en realitet for alle danske forbrugere inden for en ganske kort årrække. I dag er det kun elkunder med et strømforbrug på mere end 100.000 kwh om året (typisk industri), der timeaflæses, og som kan vælge at betale fleksible elpriser afhængig af udbud og efterspørgsel. Men inden for 5-10 år er man klar med en løsning til også helt

almindelige forbrugere, som betyder, at vi kommer til at betale mere for strømmen, når der er mere rift om den – og mindre, når der er mere el til rådighed.

Smartgrid kræver samarbejde De mange varmepumper og elbiler forventes i løbet af 10 til 15 år at fordoble eller tredoble danskernes elforbrug. Én løsning vil være at udvide elnettet betragteligt, men den intelligente løsning vil være at tilpasse vores forbrug, så presset tages af nettet i spidsbelastningsperioderne. Lykkes det, er der penge at spare, og en fremtid, hvor danskernes energiforbrug dækkes uden fossile brændsler, er rykket et skridt nærmere.

Derfor er der brug for intelligent styring af elnettet i Danmark, det man kalder et smartgrid.

Der er flere bud på, hvordan det skal skrues sammen, men sikkert er det, at det kræver mange forskellige faglige og forskningsmæssige kompetencer at knække koden til det ideelle smartgrid. Hvis Danmarks smartgriddrøm skal gå i opfyldelse, må forskere på tværs

af institutter og universiteter derfor samarbejde, også med erhvervsliv og industri, f.eks. it-specialister og IKT-eksperter.

- På Aalborg Universitet har intensiv forskning i fremtidens smartgrid ført til mange samarbejder på tværs af institutter og mellem forskere med speciale i bl.a. energiteknik, telekommunikation, energiplanlægning, datalogi osv. Det betyder, at når vi arbejder med en idé, så kan vi få den belyst fra alle vinkler og undgår f.eks. dermed, at vi bruger for meget tid på noget, der ikke kan realiseres, fordi eksperter fra andre områder kan bidrage med deres viden, udregninger og undersøgelser, siger Birgitte Bak-Jensen, som er lektor ved Institut for Energiteknik.

∞ Birgitte Bak-Jensen | Lektor

Institut for Energiteknik Tlf : 9940 9274 Mail : bbj@et.aau.dk

Problembaseret forskning

15

Bølgeenergi:

Gigantiske energimængder i bølgerne 16 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

Hele verden kan blive forsynet med strøm fra havets bølger, men det er en videnskab at få energien ud af bølgerne. Forskerne på Aalborg Universitet kender hemmeligheden bedre end de fleste.

Vi kender det fra stranden om sommeren, når en stor bølge er ved at vælte én omkuld. Der er masser af kraft i bølgen, og lægger man alle verdenshavenes bølger sammen, er mængden af energi næsten uudtømmelig. Alene i den danske del af Nordsøen er energimængden beregnet til ca. 30 TWh pr. år. For at give en ide om størrelsesforholdet kan det nævnes, at det samlede danske elforbrug er på ca. 33 TWh om året.

- Problemet med at udnytte dette store potentiale er, at der er rigtig mange parametre og samspillet mellem dem, der skal vurderes, førend det vil blive teknisk og økonomisk muligt at udnytte energien, siger lektor Jens Peter Kofoed fra forskningsgruppen for Bølgeenergi.

Det drejer sig bl.a. om hvilke kombinationer af bølgehøjder, bølgelængder og bølgeretninger, der er lige det sted, hvor bølgekraftanlæggene placeres. Det drejer sig også om bølgekraftanlæggenes virkningsgrad, altså hvor stor en del af bølgernes energi, anlæggene kan udnytte, og ikke mindst om, hvordan anlæggene kan overleve de ekstreme belastninger under orkan.

Et anlæg, der står i havet ud for Hanstholm, er helt sikkert ikke magen til det anlæg, der står ud for Californiens kyst, fordi bølgerne ikke opfører sig ens. Forskningen over de sidste 15 år har

meget været rettet mod anvendt forskning, hvor udviklere af bølgeanlæg er kommet med ideer, som videnskaben har kunnet hjælpe på vej - eller pænt fortælle, at anlægget ikke er realistisk. Nu er forskningen suppleret af generiske projekter, hvor der udvikles metoder og værktøjer til optimering af anlæg, men også forskning i, hvordan bølger i kombination med vind eller solenergi kan bidrage til at opretholde spændingen i strømforsyningen til forbrugerne.

- Den store udfordring for den ikke-fossile energi er, at elværkerne ikke kan styre, ikke skrue op og ned på produktionen af strøm på samme måde, som man kan styre, hvor meget kul, man putter i ovnen. Her kan vi bidrage med modeller til, hvordan bølger i kombination med sol eller vind kan sikre større forudsigelighed i produktionen, forklarer Jens Kofoed. Han vurderer, at bølgekraft om nogle år - og mange forskningstimer - kan blive Danmarks næste store energifyrtårn.

∞ Jens Peter Kofoed | Lektor Institut for Byggeri og Anlæg

Tlf : 9940 8474 Mail : jpk@civil.aau.dk

Problembaseret forskning

17

ELEKTROLYSE:

En nøgle til fremtidens energisystem Der synes ikke længere megen tvivl om, at brint og brændselsceller kommer til at spille en central rolle i fremtidens energiforsyning. Teknologien indeholder nemlig svaret på to essentielle problemstillinger ved vedvarende energikilder: Lagring af energi samt fremstilling af et effektivt drivmiddel.

Brint og brændselsceller nævnes ofte i sammenhæng, men der er egentlig tale om to forskellige og uafhængige ting med hver deres anvendelsesområder. Brint gør det muligt at lagre overskudsstrøm fra vedvarende energikilder, fx vind. Energien fra vindmøllen bruges til at spalte vand i ilt og brint, og brinten kan efterfølgende lagres på gasform eller, endnu mere relevant, anvendes til fremstilling af syntetisk metan eller flydende brændstoffer. Disse brændstoffer kan anvendes på et senere tidspunkt, eksempelvis på dage, hvor det ikke blæser.

Brændselsceller kan sammenlignes med et batteri, men i modsætning til batterier skal en brændselscelle ikke lades op. Den skal blot have tilført en tilstrækkelig mængde brint eller brintholdigt brændsel som fx metanol, hvorefter ilt og brint omsættes til el og rent vand. En brændselscelle udleder kun ikke-skadelige stoffer; den støjer ikke og er meget energieffektiv.

- Brændselscellerne er en yderst attraktiv teknologi, fordi de kan omsætte kemisk bundet energi til elektricitet. Samtidig har de en høj effektivitet sammenlignet med andre teknologier, eksempelvis forbrændingsmotorer, lyder det fra Søren Knudsen Kær, professor ved Institut for Energiteknik på Aalborg Universitet og programleder for brændselscelleog batterisystemer.

Brint kan også laves til metanol Den helt centrale udfordring ved overgangen til vedvarende energikilder er en stabil og pålidelig lagringsteknologi, som sikrer, at vores energisystem i fremtiden kan bestå 100 % af vedvarende energi. Her brillerer brint, fordi det kan lagres i ugevis, men brint har også andre egenskaber, som kan vise sig nyttige:

18 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

- Udover lagring har brint den strålende fordel, at det kan forarbejdes videre til andre gasser, fx metan eller syntetiske brændstoffer som metanol, hvilket baner vejen for produktion af et brændstof, der nemt lader sig transportere og distribuere i det eksisterende system for henholdsvis naturgas eller benzin og diesel. Elektrolyse bliver en nøgleteknologi, og vi kommer slet ikke uden om, at brint vil spille en meget central rolle, forklarer Søren Knudsen Kær.

Teori og praksis i konstant samspil Gennem de sidste 15 år har Institut for Energiteknik fået en international førerposition inden for forskning i modellering af LTPEM-brændselsceller og HTPEM-teknologien og har skabt iøjnefaldende resultater. Lige nu forskes der intenst i at finde ud af, hvordan man kan forbedre holdbarheden af brændselscellerne og dermed forstå hvilke mekanismer, der forårsager degradering af cellernes ydelse over tid. Det sker både i laboratoriet og i samspil med forskellige virksomheder.

- Virksomhederne spiller tilbage til os med deres problemstillinger, som vi så arbejder videre ud fra. Det gør os enormt skarpe på definition af relevante forskningsprojekter, som virkelig gør en forskel i udviklingen af teknologien, siger Søren Knudsen Kær.

Erhvervslivet tiltrækkes Forskningen med brint og brændselsceller har bl.a. banet vejen for en spin-off-virksomhed, Serenergy i Aalborg, som anvender forskningen til at fremstille højteknologiske produkter, der afsættes i både ind- og udland. Serenergy er dermed et af de mange konkrete eksempler på, hvordan verdensklasseforskning på Aalborg Universitet har ledt til vækst og jobskabelse i Nordjylland, og Søren Knudsen Kær kan sagtens forestille sig, at dette nicheområde kommer til at vokse yderligere i regionen:

- Aktiviteter skaber aktiviteter, og jeg kan godt forestille mig, at der kommer endnu flere spillere til Nordjylland. For når teknologien udvikles skridt for skridt, og vi fortsat markerer os internationalt, vil der komme flere firmaer, der tager teknologien til sig og begynder at lave produkter, som for eksempel erstatter batterier og generatorer. Det er jeg helt overbevist om.

Han tilføjer desuden, at Region Nordjylland har været gode til at støtte op omkring området gennem finansiering af aktiviteter og faciliteter, hvilket har medvirket til at løfte niveauet.

Brint og brændselsceller i dag Allerede i dag er der adskillige områder, hvor brændselsceller fungerer som et yderst succesfuldt alternativ til dieseldrevne nødstrømsgeneratorer. Det gælder fx i områder, hvor elnettet er meget ustabilt – der findes områder fx i Afrika, som er helt uden elnet, og hvor brændselsceller anvendes til at producere strøm. Et andet område kan være, hvor el er kritisk, eksempelvis på sygehuse, som skal have et pålideligt back-upsystem. Brændselsceller anvendes også i mikrokraftvarmeanlæg, der leverer både el og varme i private hjem. Derudover går der ikke mange år, før brændselscellebiler for alvor begynder at rulle ud på vejene.

∞ Søren Knudsen Kær | Professor Institut for Energiteknik

Tlf : 9940 3300 Mail : skk@et.aau.dk

Problembaseret forskning

19

Solenergi:

Den største vedvarende energikilde Fotovoltaisk solenergi er den hurtigst voksende energiteknologi og den tredjestørste vedvarende energikilde efter hydro- og vindenergi – med tæt på 140 GW installeret kapacitet på verdensplan.

På Aalborg Universitet forsker man i alle de væsentligste aspekter af det fotovoltaiske system med det mål at udvikle et paradigme-skifte i fotovoltaiske enheders ydeevne.

20 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

Solenergi er potentielt en nærmest ubegrænset ressource. På et enkelt minut producerer solen nok energi til at forsyne hele kloden i et år. Men at omdanne denne ressource til kosteffektiv elektricitet er besværligt. På verdensplan stiger energiforbruget, og det betyder, at strømkapaciteten og vores evne til at distribuere strømmen skal fordobles inden for de næste 20 år. Strømproduktionen er i gang med at blive omlagt fra konventionelle, fossile kilder til vedvarende energikilder. Derfor er der akut behov for innovative koncepter og teknologer, der kan forbedre de fotovoltaiske systemers generelle effektivitet og nedbringe omkostningerne til den strøm, de producerer.

- På Institut for Fysik og Nanoteknologi arbejder vi med Thin-Film Si solceller og anvender nanoteknologi til at forbedre ydeevnen. På Institut for Energiteknik forsker vi i effektelektroniske konvertere og deres kontrol- og elsystemintegration. På kort til mellemlangt sigt

har den fotovoltaiske energiteknologi et kæmpe potentiale for at vokse, men anvendelsen i energisystemet vil sandsynligvis begrænses af solenergiens fluktuerende karakter. Vores tilgang er på systemniveau, og vores mål er at skabe et solcelleanlæg, der opfører sig som et almindeligt kraftværk, hvad angår forudsigelighed og produktionens tilgængelighed og dermed imødegår de begrænsninger, som denne uregelmæssighed medfører, siger Dezso Sera, Lektor ved Institut for Energiteknik.

Dansk forskning og teknologiudvikling Traditionelt har Danmark været frontløber inden for vindenergi, mens solenergi først for nylig har vundet betydning. På Danmarks Tekniske Universitet er organisk fotovoltaisk energi et vigtigt forskningsområde, mens både Aarhus Universitet og Aalborg Universitet er aktive inden for thin-film fotovoltaisk forskning. Gennem det seneste årti har Institut for Energiteknik på AAU været førende inden for

udvikling af algoritmer, der skal sikre stabil og sikker forbindelse af fotovoltaiske invertere til nettet, optimal strømudnyttelse fra de fotovoltaiske opstillinger og endelig diagnostik og fejlfinding i fotovoltaiske paneler. Danfoss Solar Inverters A/S er blevet en af de største spillere på markedet for fotovoltaiske invertere. Senest har virksomheden slået sig sammen med SMA, den største producent af fotovoltaiske invertere.

- En række af danske virksomheder sigter efter at udvikle nye fotovoltaiske systemer og teknologier, og jeg håber, de kan få deres internationale gennembrud. I løbet af de næste 5-10 år tror jeg, at fotovoltaiske systemer bliver billigere, og at de vil blive implementeret i meget stort antal i europæiske bygninger såvel som på jordarealer. Det bliver sandsynligvis i forbindelse med anlæg til energilagring, hvilket er en nøgleteknologi, ikke blot inden for sol-, men også vindenergi, siger Dezco Sera.

Et nyt elektrisk paradigme Forskere på AAU arbejder målrettet på at optimere den eksisterende teknologi kaldet microgrid. Konceptet er det nye elektriske paradigme, idet det udgør rammen for fremtiden inden for fotovoltaiske energiressourcer.

- Flere og flere solpaneler vil blive installeret I Danmark og Europa i fremtiden. Brugen af microgrids sikrer smartgrid-stabilitet og sørger for, at vi kan undgå overbelastningsproblemer. I lande som Kina medfører installeringen af fotovoltaiske microgrids muligheden for at tilføre energilagringssystemer såsom batterier og forbindelse til distributionsnettet. Her er Europa ikke nået til endnu, men takket være kinesisk-danske samarbejder forsøger Aalborg Universitet at lære af disse erfaringer og at implementere microgrid-systemet i fremtidens danske smartgrid, siger Josep Guerrero, professor ved Institut for Energiteknik.

∞ Dezso Sera | Lektor

Institut for Energiteknik Tlf : 9940 3307 Mail : des@et.aau.dk

∞ Josep Guerrero | Professor

Institut for Energiteknik Tlf : 9940 9726 Mail : joz@et.aau.dk

E N E R G I i fremtiden

21

22 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

bio-økonomi:

Enzymer til et bæredygtigt samfund Biomasse kan omdannes til meget mere end blot varme og el. Det kan også bruges til en række formål med meget større værdi: biobrændstof til transport, biomaterialer, biokemikalier, foder, fødevareingredienser, jordforbedring og biogas.

I København sidder en gruppe forskere ved Aalborg Universitet på jagt efter de bedste svampeenzymer. Enzymer, som kan være med til at gøre Danmark og resten af verden til et mere bæredygtigt samfund, helt i tråd med de politiske mål i Folketingets energiaftale frem mod 2020 og EU’s vision i ”Horizon 2020”.

- Projekterne i vores gruppe er eksempler på grundforskning og anvendt forskning, der er med til at øge forståelsen af, hvordan biomasse-omdannelse finder sted i naturen, og hjælpe med at udvælge de mest egnede nye enzymer til brug for opgradering af værdi fra biomasse. Vi bygger enzym-discovery på nye bioinformatik-metoder, der med stor sikkerhed kan forudsige enzymets funktion direkte fra genets/proteinets sekvens, siger Lene Lange, professor og forskningsdirektør.

Forskergruppens fokus er at finde nye proteiner og enzymer fra svampe og bakterier, der har andre evner end de kendte til at omdanne biologisk materiale til andre materialer. Målet er at finde, forstå og udvikle de rigtige processer til at omdanne organiske restprodukter til nye produkter af højere værdi. Det kan være som erstatning for fossile energikilder eller til igen at indgå i fødekæden som foder eller fødevareingredienser eller til at lave nye funktionelle materialer såsom bioplastik.

Lene Lange ser store potentialer i forskningen og teknologiudviklingen.

Den har vist, at det kan lade sig gøre både at mindske affaldsmængden

og at skabe øget værdi fra affald og rest-strømme. Omdannelsen til merværdi bliver også kaldt Waste2Value, W2V. Danmark har i flere årtier været synlig og berømmet for sin affaldsbehandling. Det nye i W2V-tænkningen er, at Danmark - og resten af verden med - fremover ikke kun skal brænde affaldet af for at producere el og varme. Vi skal også genanvende og recirkulere mere. Ud over dette skal vi opgradere affaldet, så det får højere værdi. - Alt i alt er det GRO-Princippet, der følges: Genanvendelse, Recirkulering og Opgradering. Ideen er at se affald som en ressource, en råvare, der kan danne basis for en ny værdikæde, forklarer Lene Lange.

Her kan forskningen på Aalborg Universitet bidrage med nye enzymer, der optimerer den bæredygtige udnyttelse af naturens og det industrielle samfunds store mængder af biomasse. Forskerne finder enzymer, der bliver mere og mere velegnede til at virke effektivt som basis for at optimere udbyttet af verdens vigtige biologiske materialer. Dermed skabes både øget bæredygtighed og forbedret ressourceeffektivitet, alt i alt merværdi i forhold til den traditionelle værdikæde med brug af biomasse til kun el og varme.

Forskerne har bl.a. udviklet en ny metode, hvor de med stor sikkerhed kan forudsige enzymets funktion direkte baseret på proteinets sekvens. Det gør hele processen med at finde nye og bedre enzymer meget hurtigere.

Det bliver realistisk at finde enzymer til effektiv omdannelse af en bred vifte af biomasser, ikke kun halm, men også grønne biomasser, fiskeaffald, husholdningsaffald etc. I fremtiden, der er om ikke så længe, drejer det sig om produkter med endnu større værdi: brændstof, biomaterialer, biokemikalier, foder, fødevareingredienser, jordforbedring og biogas.

∞ Lene Lange | Professor Institut for Kemi og Bioteknologi

Tlf : 9940 2584 Mail : lla@adm.aau.dk

Problembaseret forskning

23

bio-olie:

Bæredygtige Biobrændstoffer Aalborg Universitet har en strategisk satsning på infrastructure-ready bæredygtige biobrændstoffer. Ved hjælp af termokemisk processering har forskerne produceret bio-olie af en lang række organiske affaldsmaterialer som spildevandsslam, gylle, halm og grene.

En af de såkaldte grand challenges globalt er at skabe en bæredygtig platform for transportsektoren. Udfordringen handler både om reducerede CO2-emissioner og om ikke at påvirke tilgængeligheden af fødevarer for verdens befolkning. En del af løsningen for trafikken i luften, på vandet og den tunge landtrafik vil være baseret på enorme mængder af flydende biobrændstof.

Det stiller store krav til ressource- og energieffektiviteten af den proces, der bruges til at producere biobrændstoffet. Ved Institut for Energiteknik er professor Lasse Rosendahl og hans gruppe fokuseret på hydrothermal liquefaction, der er en teknologi, som ved højt tryk og mellemhøje temperaturer (ca 300 bar, 400

24 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

grader Celcius) udnytter en katalytisk proces i vand til at nedbryde biomassen og producere en bio-råolie med lavt iltindhold og højt energiindhold. Forventningen er, at mindst 80 % af varmen kan genbruges ved intern varmeveksling, hvilket vil bidrage til at gøre processen hydrothermal liquefaction særdeles energieffektiv.

- Formålet er at gøre denne olie kompatibel med den fossile rå-olie, så den kan iblandes i højere og højere andel, efterhånden som der kan produceres mere og mere af den – dette er essensen af et infrastructure-ready biobrændstof, fortæller Lasse Rosendahl. Som led i et offentligt-privat partnerskab har Institut for Energiteknik etableret verdens formentlig mest avancerede forskningsplatform til at udvikle

processen bestående af et avanceret, kontinuert procesanlæg samt et analyselaboratorie til karakterisering af såvel biomasser som bioråolie. Endvidere er der faciliteter til egentlig raffinering til færdig brændstofkvalitet samt test i diesel- og jetmotorer.

- Vi har arbejdet benhårdt på dette i mange år, og som forsker er det en drøm, der går i opfyldelse, når vi kan være med til et så banebrydende projekt med store positive konsekvenser for mennesker og miljø, siger Lasse Rosendahl.

Det har store perspektiver på verdensplan, hvis dette kan bringes til at fungere på et kommercielt niveau. Helt indlysende er de samfunds- og tidsmæssige besparelser ved at implementere

bæredygtige biobrændstoffer uden at skulle investere i ny infrastruktur helt frem til slutbrugsteknologien. Med udgangspunkt i træ som repræsentant for såkaldte ligno-cellulosiske biomasser (ikke-spiselige som halm, visse græsser, skovbrugsaffald) er særdeles lovende og verdensførende resultater opnået: iltprocent på ned til 5 % (mod typisk max 2 % i fossil råolie) og energiindhold på op til 42 MJ/kg (mod ca 45 MJ/kg i fossil råolie).

Hvor klassen af ligno-cellulosiske biomasser (ved, træ o.lign.) dækker størsteparten af jordens ikke-spiselige biomasseressourcer, er der stor variation i de enkelte typer, og samtidig er der på regionalt og lokalt plan organisk restmateriale, som vil være interessant – både økonomisk og samfundsmæssigt – at kunne omdanne til bio-råolie. Det er f.eks. spildevandsslam, agro-industrielt affald som gylle o.lign. og på længere sigt alger og tang.

- Vi er meget optagede af, at forskningen retter sig mod dels at nå det sidste stykke for at komme så tæt på fossile specifikationer som muligt, dels mod kontinuerligt at optimere processen mht. energiforbrug samt at udvide biomassespektret, fortæller Lasse Rosendahl.

- Derfor ligger der en stor udfordring i at kunne identificere ”samproduktionspotentialet”, altså den mængde af disse andre biomasser, der kan samproduceres med træ uden at gå på kompromis med oliekvaliteten og processens effektivitet, siger Lasse Rosendahl.

I et kortere perspektiv arbejdes der endvidere med at kunne producere et bæredygtigt og svovlfrit alternativ til marinesektorens brug af bunkerfuel, som er et lavkvalitetsprodukt fra olieraffinering. Stramme regulativer ift. skibes udledning af svovl driver en udvikling, hvor bioråolie produceret på træ vil være et særdeles velegnet alternativ.

∞ Lasse Rosendahl | Professor Institut for Energiteknik

Tlf : 9940 9263 Mail : lar@et.aau.dk

Problembaseret forskning

25

biomasse:

Fra biomasse til biogas Det drejer sig om at forstå, hvordan fermenteringsprocessen i et biogasanlæg bliver optimeret, hvis biogassen for alvor skal bryde igennem som konkurrencedygtigt alternativ i hele energisystemet. Både som transportmiddel for busser og biler, men især som supplement til det eksisterende naturgasnet.

26 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

På Aalborg Universitets afdeling i Esbjerg sidder en håndfuld mennesker og prøver at få dybere indsigt i fermenteringsprocessens gåder i biogasanlæg. De analyserer både på input og output i et biogasanlæg. Det er nemlig af afgørende betydning for anlæggets ydeevne, hvordan forholdet er mellem f.eks. husdyrgødning, halm og andre bæredygtige biomasseprodukter.

- Udfordringen er, at man har masser af husdyrgødning, men det er i sig selv ikke ret godt til at producere gas af. Der skal blandes mere og flere billige kulstofkilder i for at optimere forholdet i biomasseblandingen. Billige kulstof-kilder er en vigtig terminologi at forstå, det er primært rest- og biprodukter fra landbruget og naturplejearealer, fortæller Jens Bo Holm-Nielsen, leder af Institut for Energitekniks afdeling i Esbjerg.

En stor del af forskningen handler også om at monitorere, hvad der sker inde i biogasanlæggets fermenteringsstanke. Hvordan er fedtsyresammensætningen (VFA, volatile fatty acids) og forholdet mellem organisk tørstof (VS) og samlet mængde tørstof (TS). Det har stor betydning for hvilken mængde og kvalitet gas, som et biogasanlæg kan producere.

Det er vigtigt, at forskerne finder optimale blandinger og sammensætninger, fordi Folketinget har besluttet, at antallet af biogasanlæg i Danmark skal udbygges markant i de kommende år for at supplere de andre vedvarende energiformer. - Vores forskning kredser om, at vi bliver nogle af de bedste til at detaljestyre biogasanlæg på et højt niveau og optimere processerne med bæredygtige biomasser i områder, hvor vi har meget gylle og animalsk produktion og efterfølgende optimere gassen, så den kan bruges i byer og transportmidler, hvor der er brug for energien, forklarer Jens Bo Holm-Nielsen. På Universitetet er man opmærksomme på at bruge ”bæredygtige” biomasser, hvilket betyder, at det er organiske (rest)produkter, der ikke bliver brugt

til fødevarer. Dette er modsat meget udbredt, tilladt og understøttet i Tyskland, hvor der dyrkes store arealer af majs til biogasanlæg. Derfor går noget af forskningen på en omfattende GIS-kortlægning af naturgræsarealer og landbrugsgræsarealer. Ved at høste græsset hjælper man også naturen til større biodiversitet.

Et stort uudnyttet biomassepotentiale, der har store afledte værdier, er ved at tage sin begyndelse Den mest effektive måde at integrere biogas på er ved at opgradere biogas til naturgaskvalitet og integrere det i naturgasnettet. Et velfungerende biogasanlæg kan i dag ud af 50.000 tons biomasse af rette sammensætning producere ca. 8 m3 biogas. Det kan omsættes til, hvad en by med omkring 3700 husstande bruger i el og varme om året. - Vi er glade for, at energiforliget fra 2012 har åbnet op for begge anvendelsesformer af biogas, dels til lokal kraftvarmeproduktion og dels som biometan i naturgasnettet. Det har meget store perspektiver i Europa, siger Jens Bo Holm-Nielsen.

Sideløbende med forskningen i biogasanlæg er afdelingen involveret i bioraffinaderiprojekter, hvor det handler om at udvinde højværdiprodukter af biomasse. Det kan f.eks. dreje sig om at fermentere græssafter om til højværdiproteiner, der kan bruges til foderblandinger i landbruget. Med begrebet bioraffinaderier er mulighederne uendelige, og Jens Bo Holm-Nielsen ser store udfordringer for studerende og forskningen på området.

∞ Jens Bo Holm-Nielsen | Lektor Institut for Energiteknik

Tlf : 2166 2511 Mail : jhn@et.aau.dk

Problembaseret forskning

27

Afsløring af bakteriernes hemmeligheder De 30 mænd og kvinder på Aalborg Universitets Center for Mikrobielle Samfund er nogle af de bedste i verden til at forstå, hvordan bakterier opfører sig og dermed til at få bakterierne til at rense spildevandet bedre og til at producere mere gas i biogasanlægget. Helt i tråd med Folketingets energiaftale frem mod 2020.

Der findes en verden uden for vores normale synsfelt beboet af millioner, ja måske milliarder af forskellige arter. Fællesbetegnelsen er bakterier, og for 99 procent af dem kender vi meget lidt til deres opførsel, andet end at de er afgørende for vi menneskers ve og vel og naturens stofkredsløb.

Bakterier gror i naturen sjældent som enkelte celler, men danner næsten altid mikrobielle samfund i form af aggregater eller fasthæftet til overflader, såkaldte biofilm.

- Bakterier er uundværlige i menneskets tarmsystem, men giver problemer ved infektionssygdomme og er dermed afgørende for menneskers sundhed og sygdom, fortæller professor Per Halkjær Nielsen, der leder Universitetets Center for Mikrobielle Samfund.

Bakterierne udfører enkeltvis eller sammen en række processer, som er vigtige for mennesker. Bakterierne er mindst lige så vigtige for stofkredsløbet i naturen og er ansvarlige for omsætningen i jord, sø og hav. Samtidig kan de udføre nyttigt arbejde i biologiske anlæg til vandrensning eller i forbindelse med omsætning af affald til biogas.

Komplekse samfund Forskerne er så småt begyndt at forstå kompleksiteten af disse bak-

28 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

teriesamfund. Det er forståelsen af denne kompleksitet, som forskerne i Aalborg forstår bedre end de fleste, og som rummer et uudtømmeligt potentiale, hvor bakterier og andre mikroorganismer via blandt andet bioteknologien kan hjælpe til at sikre en fremtidig bæredygtig udvikling på jorden.

Problemet har hidtil været, at man ikke har kunnet isolere de enkelte bakterier og studere dem. Mere end 99 procent af arterne er utilgængelige.

- Vi har derfor vendt det lidt på hovedet: Vi studerer dem enkeltvis ”in situ”, altså mens de befinder sig i deres naturlige miljø sammen med deres normale ”legekammerater”. Det er et af de store, nye felter inden for mikrobiologien, da der er meget viden at hente ved at undersøge disse mere naturlige miljøer, siger Per Halkjær Nielsen.

Denne nye form for studier kræver mere avancerede og indirekte metoder.

De nye teknikker tillader, at bakterier kan studeres uden forudgående isolation og dyrkning. Med avanceret mikroskopi og fluorescerende markører kan de enkelte bakterieceller undersøges direkte i den biofilm, hvor de sidder. Med nye smarte metoder kan man også studere deres arvemasse, deres DNA, som sladrer detaljeret om, hvad de hver især kan gøre. Således kan man få et ganske godt overblik over, hvad forskellige medlemmer af et mikrobielt samfund gør.

- Forståelsen af disse processer og de enkelte bakteriers funktioner kan vi omsætte til brugbar viden. Eksempelvis til gavn for den ambitiøse udbygning af biogasanlæg, som Folketinget lægger op til med sin Energiaftale frem til 2020, fortæller Per Halkjær Nielsen. Det vil altså sige, at Per Halkjær Nielsen og hans kolleger kan få biogasanlæg til at producere mere og renere gas ved at ”skrue lidt på knapperne” i de bakteriesystemer, der findes i anlæggene.

Et andet fokusområde er at optimere renseanlæg til ikke blot at rense spildevandet bedre, men også til at udnytte og genbruge de reststoffer, der bliver tilbage, som f.eks. fosfor. Det kommercielle potentiale er enormt med de mange nye biogasanlæg, der er på vej og de hundredtusinde store renseanlæg, der findes rundt om på kloden.

∞ Per Halkjær Nielsen | Professor Institut for Kemi og Bioteknologi

Tlf : 9940 8503 Mail : phn@bio.aau.dk

Problembaseret forskning

29

Danske farvande bliver i stigende omfang skueplads for vigtige aktiviteter på energiområdet, men offshore-sektorens akilleshæl er de høje omkostninger forbundet med at etablere og drive olie-, gas- og vindmølleaktiviteterne til havs.

Institut for Byggeri og Anlæg ser bl.a. nærmere på mulighederne for at nedbringe omkostningerne og derved øge sektorens konkurrenceevne.

∞ Anders Schmidt Kristensen | Lektor

Institut for Byggeri og Anlæg, Esbjerg Tlf : 4218 0842 Mail : ask@civil.aau.dk

30 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

Energisektoren har de seneste år været med til at skabe mange danske arbejdspladser, og energi er et vigtigt forretningsområde for danske virksomheder. Det gælder f.eks. udvikling af avanceret teknologi, produktion af udstyr og værktøj og selvfølgelig en unik viden og know-how om grønne løsninger, som er en dansk spidskompetence. Den helt store vækst har de senere år ligget på offshore-området, og der er grund til at tro, at den tendens vil fortsætte. Men en hæmsko for væksten er de store udgifter forbundet med offshore-aktiviteter.

Holdbarheden en vigtig faktor I dag opstilles langt de fleste nye vindmøller på havet, hvor de kan bygges højere og dermed mere effektive. Men drift og vedligehold af havvindmøller udgør op til 25-30 % af prisen på den el, de leverer. Omkostninger til installation såvel som service på havet er nemlig i høj grad afhængig af vejrgudernes luner og de såkaldte vejrvinduer. Samtidig er sikkerhed et evigt tema på havet, hvor der ikke kan tages nogen chancer med liv og førlighed.

- Generelt er byggeri, transport og reparationer til havs dyre at udføre, dels fordi konstruktionerne er svært tilgængelige, dels fordi det er vejret, der sætter dagsordenen. Og taxameteret tikker for hver time, en havvindmølle, en boreplatform eller et rørsystem er ude af drift. Samtidig kræver energimarkedets største aktører, at prisen på energi skal nedbringes.

Derfor taler hele energisektoren om COE – Cost Of Energy, forklarer Anders Schmidt Kristensen, lektor, fra Institut for Byggeri og Anlæg i Es-

Offshore-sektoren:

Omkostninger er den helt store udfordring

bjerg og fortsætter: - Etablering af f.eks. rørsystemer til olie- eller gasformål eller fundamenter til havvindmøller og boreplatforme er dyrere og vanskeligere end lignende konstruktioner på land, fordi vejret spiller en afgørende rolle, og der skal anvendes specielt udstyr. Endelig er der nogle unikke krav til sikkerheden, som yderligere komplicerer arbejdet.

Derfor har det også stor betydning f.eks. hvilket materiale, man anvender, og hvor lang holdbarhed, der kan kalkuleres med.

Virtuelle tests Institut for Byggeri og Anlæg forsker bl.a. i offshore-strukturer, dvs. f.eks. de bærende dele af platforme til boring efter olie eller gas, men også havvindmøllekonstruktioner og forskellige typer af transportfartøjer.

Instituttet er specialiseret i avancerede beregninger af belastninger og levetid og har indgående kendskab til materialer, deres egenskaber og hvordan de opfører sig under belastning.

En spidskompetence er computerbaserede simuleringer, hvor bl.a. data om belastninger og forskellige vejr- og bølgeforhold indgår. Simuleringerne kan anvendes som en slags test forud for konstruktionen af komplekse konstruktioner til havs, hvor det er af afgørende betydning, at både sikkerheden og holdbarheden er i orden. De computerbaserede beregninger bliver i stigende grad anvendt som værktøj til at simulere forskellige løsninger og nedsætter dermed behovet for dyre tests såvel som risikoen for at vælge den forkerte løsning. Der er flere eksempler på projekter, hvor Institut for Byggeri og Anlæg i Esbjerg har samarbej-

det med industrien om beregninger, som har gjort en afgørende forskel.

Senest har instituttet i samarbejde med Rambøll Olie og Gas fundet en erstatning for et rørsystem, der skulle udskiftes hvert andet år med store omkostninger til følge. I dag er der etableret en rørledning, som ifølge den computerbaserede model vil kunne holde i 25 år.

Udstyr skal genbruges En anden årsag til omkostninger i offshore-branchen er udstyr og værktøj. Af sikkerhedsmæssige årsager kasseres store mængder udstyr efter at have været brugt bare en enkelt gang, og selvom det foregår på forsvarlig vis, så der ikke er miljømæssige uhensigtsmæssigheder, udgør omkostninger til udstyr en stadigt voksende post i budgettet for offshore-virksomheder. Derfor arbejder Institut for Byggeri og Anlæg på metoder til genbrug af udstyr, og her hjælper de computerbaserede beregninger med at afgøre, hvad der kan lade sig gøre uden at kompromittere sikkerheden. I beregningerne indgår f.eks. data om bølgepåvirkninger og deraf følgende belastninger af det udstyr, der fastholder havvindmølledele under sejlads.

- I bilindustrien er man gode til at genbruge produktionsapparatet, og vi vil gerne overføre den tankegang til offshore-sektoren. Her er udfordringen, at de sikkerhedsmæssige overvejelser er nogle helt andre, så vi kasserer udstyr, der ikke er slidt, blot fordi vi ikke ved, hvilken tilstand det er i, når det har været brugt. Det er voldsomt fordyrende for processerne og værd at undersøge nærmere, siger Anders Schmidt Kristensen.

Problembaseret forskning

31

Det giver ingen mening, at vi får flere elbiler i Danmark, hvis de kører på el, der er produceret ved afbrænding af kul. Omvendt giver det heller ikke mening, at vi bygger for mange vindmøller, hvis der ikke er efterspørgsel på strømmen, f.eks. til elbiler. Så hvor skal investeringerne lægges først?

Lektor Poul Alberg Østergaard, Institut for Planlægning

Effektivisering sker ved at udnytte de tilgængelige ressourcer lokalt. Det betyder, at man erstatter traditionelle råstoffer som olie med de lokale energiressourcer såsom vind, sol, biomasse, geotermi og måske bølgekraft.

Adjunkt Karl Sperling, Institut for Planlægning

32 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

Problembaseret forskning

33

Overgang til vedvarende energi afhænger af effektelektronik Når elforsyningen inden for en overskuelig fremtid udelukkende skal komme fra vedvarende energikilder, skal vi have fokus på to ting: At bruge mindst muligt strøm samt at få mest muligt ud af vores energiproduktion. Det kræver effektelektronik på højeste niveau.

Vores hverdag bliver fortsat mere baseret på elektricitet, og i hjemmet ser vi bl.a. hvordan antallet af smartphones, computere og andre enheder, der oplades via batterier, stiger støt.

Samtidig bruger fx ventilation, aircondition og køling også en meget stor mængde energi, og bilen får efterhånden flere og flere elektroniske funktioner. I den moderne industri foregår en høj grad af automatiseringen via el, og transportsektoren bliver gradvist mere elektronisk.

ufatteligt mange anvendelser på energiomsætning, hvor effektelektronik er en absolut nødvendighed. Det gælder både energi fra vindmøller og solceller, som skal effektivt tilsluttes elnettet, og computere, motorer og andre apparater, hvor strømmen skal tilpasses belastningen. Vi regner faktisk med, at omkring 70-80 % af vores samlede elforbrug bliver omsat via effektelektronik, forklarer Frede Blaabjerg, som er professor på Institut for Energiteknik.

El, el og atter el Fællesnævneren for alle disse er, at deres strømforbrug er blevet omdannet fra én form til en anden: En computer, som skal lades op med strøm fra elnettet, kræver en lader, der kan omdanne vekselstrøm til jævnstrøm. En solcelles energiproduktion, som oprindeligt er jævnspænding, skal omdannes til vekselstrøm, før den kan tilføres elnettet. Denne omdannelse hedder effektelektronik. - I vort samfund er der

Han er overbevist om, at over de næste 20 år vil denne procentdel af elektrisk baseret energi stige endnu mere, og derfor er det nødvendigt, at vi formår at styre den elektriske energi effektivt og smart. Her spiller effektelektronikken en meget klar nøglerolle.

34 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

Helt central for hele energiområdet På Aalborg Universitet forskes der intenst på at videreudvikle effektelektronik. Det sker både

i tæt samspil med en række industrier, hvor apparaters og komponenters egenskaber skal forbedres ift. strømforbrug og holdbarhed samt ift. produktion af el via bæredygtige energikilder som fx vindmøller og solceller.

- For at få mest muligt ud af vores energi skal der gribes ind på to grundlæggende områder: Effektivisering – hvordan vi forbruger mindst muligt strøm, og optimering – hvordan vi får mest muligt ud af den energi, som vi producerer.

Det har vi omkring 75 Ph.d.-studerende, der ser nærmere på – både på komponent-, apparat- og systemniveau, fortæller Frede Blaabjerg.

Effektelektronik er således en teknologi, som er essentiel for energiforskning og hele overgangen til vedvarende energikilder: - Effektelektronik bliver svær at komme uden om, for netop denne teknologi muliggør mange,

hvis ikke alle, af de energiområder, der forskes i på Aalborg Universitet. For hvis ikke vi formår at omdanne en given energi til anvendelig strøm til elnettet, så kommer vi ikke ret langt i implementeringen af vedvarende energi, siger Frede Blaabjerg.

Gennembruddet sker med elbilen Han mener desuden, at det helt store gennembrud for effektelektronikken sker, når elbilen for alvor gør sit indtog i transportsektoren. En elbil er spækket med effektelektronik både i motoren, som kræver vekselspænding, i batteriet, som skal oplades, og ikke mindst i det store antal elektroniske funktioner, som efterhånden forventes i en moderne bil.

- Meget afhænger af elbilen. Bare tænk på, at der kører cirka 1 milliard biler rundt i verden, som stort set alle anvender fossile brændstoffer. Men elbilen begynder så småt at vinde

indpas i Californien, og jeg tror ikke, der går mange år, før vi ser det samme ske i Danmark og Europa, siger Frede Blaabjerg.

Verden ser mod Aalborg Over de sidste tyve år har Aalborg Universitet bygget et verdensklassenavn op inden for effektelektronik, og Frede Blaabjerg vurderer, at selvom konkurrencen fra andre internationale universiteter skærpes, så hører Aalborg Universitet til den absolutte top på verdensplan, hvad angår effektelektronik: - Der er ingen tvivl om, at Aalborg Universitet er meget langt fremme på dette område, og at interessenter verden over holder tæt øje med, hvad vi foretager os. Det skyldes især vores markante samspil med virksomheder, hvilket gør forskningen utroligt virkelighedsnær, og at vores publikationsvolumen er meget høj.

Derudover har vi en stor forskningskapacitet

med verdensførende forskere og topmoderne faciliteter.

Institut for Energiteknik har flere strategiske tiltag i pipeline, bl.a. på faciliteterne, hvor laboratoriet skal udvides markant over de kommende år, og inden for nye forskningsområder som fx elektronisk pålidelighed, hvilket er et meget vigtigt udviklingsområde i disse år, især blandt virksomheder.

∞ Frede Blaabjerg | Professor Institut for Energiteknik

Tlf : 2129 2454 Mail : fbl@et.aau.dk

Problembaseret forskning

35

Smart energy systems:

Vi skal op i helikopteren På Institut for Planlægning på Aalborg Universitet arbejder professor Henrik Lund og hans kolleger på en model for et energisystem baseret på 100 % vedvarende energikilder som vind, sol og bølger. Derfor har man udviklet konceptet Smart Energy Systems, der samtænker el- og varmeforsyningen såvel som transportsektoren.

- Smart energy systems er en holistisk tankegang, hvor man ikke tænker isoleret i undersektorer som el, varme og transport, men samtænker samfundets energibehov i ét sammenhængende system.

Målet er bedre og billigere løsninger til at integrere vedvarende energi, siger Henrik Lund.

Ifølge Henrik Lund kan et dansk energisystem baseret på 100 % vedvarende energi være realiserbart allerede i 2050. Mange af forudsætningerne er allerede på plads eller planlagt, men det er også nødvendigt med yderligere investeringer.

Laver el som vinden blæser En væsentlig udfordring i et energisystem baseret på 100 % vedvarende energi (og som det er planen i Danmark, primært vindenergi) er, at energiproduktionen ikke er konstant, som den er ved afbrænding af kul eller olie. Vinden blæser nogle gange mere end andre. Når vi opsætter flere vindmøller, skaber vi derfor samtidig behov for mere regulering af forsyningssystemet. - Allerede ved integration af 20 % vindenergi i elproduktionen ramte Danmark et punkt, hvor kraft- og kraftvarmeværkerne måtte begynde at regulere deres produktion efter vejrudsigten, siger Henrik Lund. - I dag har vi 30 % vindenergi i elproduktionen, og vi nærmer os et punkt, hvor der skal andre og flere initiativer til for at opnå balance i energiproduktionen. De mange vindmøller producerer mere el, end vi kan bruge, og den udfordring skal bl.a. løses ved at samtænke el- og varmeproduktionen.

El og varme – to sider af samme sag Strøm er besværlig og dyr at lagre, og samtidig er der relativt meget spild ved lagring af strøm. I dag løses problemet med overskydende vindmøllestrøm de mest progressive steder ved at bruge strøm-

36 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

men til at opvarme vand i elkedler. Varmt vand kan anvendes til opvarmning af boliger, og har man for meget, er det nemmere og billigere at lagre det varme vand end strømmen. Men en anden og mere effektiv mulighed er at anvende varmepumper, der kan lave strømmen om til varme.

- I Danmark kunne vi med fordel i langt højere grad anvende varmepumper, siger Henrik Lund. - I de områder, hvor det ikke kan betale sig at lægge fjernvarmerør, kan der installeres individuelle varmepumper i den enkelte bygning eller bolig som erstatning for naturgas- eller oliefyr, som jo skal udfases, hvis vi vil have et energisystem baseret på 100 % vedvarende energi. I fjernvarmeområder kan større varmepumper indsættes og kobles til forsyningsnettet. En varmepumpe har et større output end input, dvs. at den producerer mere varme, end den bruger strøm, forklarer Henrik Lund.

Når vi i 2020 når målet om 50 % vindkraft i elforsyningen, skal der selvfølgelig produceres mindre el på kul- og naturgasfyrede kraftværker og kraftvarmeværker. Men det vil så betyde, at kraftvarmeværkerne kan levere mindre varme til forsyningsnettet. Men med varmepumper har man en fleksibel løsning, der kan bevare brændselseffektiviteten og integrere mere vindkraft. Igen er man dog nødt til at tænke el- og varmeproduktion sammen, hvis løsningen skal realiseres. Det er hovedtanken i smart energy systems.

Transporten skal med Hvis man vil opnå et energisystem helt uden fossile brændsler, kommer man dog ikke uden om transportsektoren. Det vil – i hvert fald i teorien – være relativt simpelt at omlægge persontransporten til vindenergi vha. elbiler. Men større lastbiler og fly kan ikke drives af el. Den udfordring kan løses ved at fremstille gas eller flydende brændsel, f.eks. metan (naturgas) eller metanol (træsprit), på biomasse. Biomasse er imidlertid en bæredygtig, men ikke vedvarende energikilde, og der er ikke biomasse nok i verden, eller i Danmark isoleret set, til at drive transportsektoren.

- Man er nødt til tænke el- og gasproduktionen sammen, hvis løsningen skal realiseres. Igen en idé, der er bærende for konceptet smart energy systems, nemlig at de billigste og bedste løsninger er at finde, når hele systemet samtænkes, siger Henrik Lund. - Et kæmpe buzzword lige nu er derfor ”power to gas”, idéen om at bruge el til at booste produktionen af flydende brændstof vha. elektrolyse. Vi opnår herved de samme fordele som ved at anvende el i varmeforsyningen, nemlig en større fleksibilitet, for lagring af flydende brændstof eller gas er nemmere og billigere end lagring af el, slutter Henrik Lund.

∞ Henrik Lund | Professor Institut for Planlægning

Tlf : 9940 8309 Mail : lund@plan.aau.dk

Problembaseret forskning

37

Ved at satse på fjernvarme kan Europa skabe over 200.000 arbejdspladser på kort sigt med kendt teknologi og samtidig reducere omkostningerne ved at realisere de ambitiøse CO2-mål for 2050.

∞ Brian V. Mathiesen | Professor

Institut for Planlægning, KBH Tlf : 9940 7218 Mail : bvm@plan.aau.dk

∞ David Connolly | Lektor

Institut for Planlægning Tlf : 9940 2483 Mail : david@plan.aau.dk

38 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

Institut for Planlægning på Aalborg Universitet har, i samarbejde med Halmstad Universitet og den rådgivende ingeniørvirksomhed PlanEnergi, udarbejdet to rapporter, Heat Roadmap Europe I og II, som giver konkrete anbefalinger til, hvordan de ambitiøse klimamål kan nås og en række gavnlige ”bivirkninger” samtidig opnås. Arbejdet er en del af arbejdet med Smart Energy Systems ved Forskningsgruppen for Energiplanlægning.

- Ved at analysere på mulige energibesparelser og -effektiviseringer, ved at undersøge de lokale forhold og ved at foretage energisystem-analyser er vi i stand til at identificere en balance mellem varmebesparelser og nøgleinvesteringer i infrastruktur til energiforsyning. Det er helt essentielt at nedbringe energiforbruget i vores bygninger. Men i vores forslag kombinerer vi varmebesparelser i bygninger med en bedre energieffektivitet ved at udvide eksisterende fjernvarmeløsninger i fremtidens europæiske varmeforsyning, siger David Connoly, lektor ved Institut for Energiplanlægning på Aalborg Universitet.

Store besparelser er mulige EU’s mål er at reducere CO2-udledningen med 80 % inden 2050. Heat Roadmap Europe II (HRE-II), den seneste rapport fra parterne bag undersøgelsen, viser, hvordan en generel satsning på fjernvarme i Europa markant kan reducere omkostningerne ved at nå dette mål.

- Rapporten er baseret på en omfattende kortlægning af varmebehovet i Europa såvel som en detaljeret analyse af mulighederne for besparelser.

EU har tidligere udgivet et ”Effektiviseringsscenarie”. Sammenlignet med dette scenarie giver anbefalingerne i HRE-II mulighed for at reducere de

Heat Roadmap Europe II:

Fjernvarme skaber jobs og hjælper Europas CO2-mål forventede investeringer med 170 mia. EUR årligt, mens de foreslåede ekstra investeringer i mere fjernvarme og vedvarende energi kun koster ca. 70 mia. EUR årligt, forklarer professor Brian Vad Mathiesen fra Institut for Planlægning og fortsætter: - Dette er et eksempel på vores forskning i smart energy systems (det intelligente energisystem). Det koncept, som vi her har udviklet, handler om at udnytte synergierne ved at se på tværs af sektorer, bruge infrastruktur og lagring på tværs og dermed åbne for lavere omkostninger og et mere brændselseffektivt system. HRE-II er et klokkeklart eksempel på, at vi kan spare samfundet penge og samtidig sætte ambitiøse mål for miljø og klima.

Fjernvarme og vedvarende energi Besparelserne skal nås ved i højere grad at installere fjernvarme. Det vil nemlig give mulighed for at spare brændsel ved bedre udnyttelse af kraftvarmeproduktionen, der skal suppleres med varmepumper og udnyttelse af industriel overskudsvarme. Derudover skal der inddrages flere vedvarende ressourcer som geotermi, solvarme og affaldsforbrænding.

Endelig sætter rapporten tal på, hvordan fjernvarme med varmelagre kan øge integrationen af vindkraft i Europa, et centralt omdrejningspunkt.

Konkret anbefaler rapporten, at fjernvarmen i Europa udvides fra at dække 12 % til 50 % af varmebehovet.

Sverige, Island, Frankrig og Danmark er i front, når det kommer til at have de bedste fjernvarme- og kølingssystemer i verden. Rørsystemer leder varmt eller koldt vand mellem bygninger i byer og deler dermed energien

mellem husene. Ifølge HRE-II kan dette system med fordel overføres til andre europæiske lande.

Vi skal deles om varmen - Hvis vi kan implementere disse fjernvarme- og kølingssystemer i alle europæiske byer, kan vi spare store mængder fossile brændsler, særligt i form af importeret naturgas. I stedet for at spilde overskudsvarme fra industrien, kan energien genbruges i et fjernvarmesystem. I stedet for individuel opvarmning kan vi dele enhederne, og det er billigere, at vi deler infrastrukturen med hinanden. Hvis vi ser på fremtidens Europa, vil vi gerne opnå fossilfri energisystemer. I fremtiden vil energien derfor primært komme fra kilder uden CO2-udledning såsom vind og sol, siger David Connoly.

- Det er dog en afgørende pointe, ligesom i vores arbejde med Varmeplan Danmark for nogle år siden, at varmebesparelser og fjernvarme går hånd i hånd. Kun herved kan vi høste de mange gevinster, der vil være, supplerer Brian Vad Mathiesen.

Flere jobs uden ekstra omkostninger Rapportens måske mest spændende konklusion er, at Europa ved at satse på fjernvarme kan skabe op til 200.000 arbejdspladser her og nu uden at øge omkostningerne til energi.

- Derfor anbefaler vi, at EU inddrager fjernvarmen mere aktivt i såvel analyserne af de fremtidige muligheder som i tilrettelæggelsen af kommende politiske initiativer på energi- og miljøområdet – der er nemlig både penge og arbejdspladser at hente, slutter Brian Vad Mathiesen.

Problembaseret forskning

39

Strategisk energiplanlægning skal sikre grøn fremtid Fremtidens energiscenarier tegner godt, hvis staten, regionerne og kommunerne i fællesskab kan implementere et nyt grønt energisystem i Danmark. Kommunal strategisk energiplanlægning handler om at udvikle kompetencer til at tænke langsigtet og på tværs af sektorer, så man kan få et energisystem, der kan skabe udvikling lokalt og regionalt.

40 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

Energistyrelsens formål med kommunal strategisk energiplanlægning er at få et mere fleksibelt system med mindre forbrug og mere vedvarende energi.

Institut for Planlægning på AAU bidrager med sparring ud fra tre spidskompetencer; energisystemanalyse (herunder GIS), samfundsøkonomisk analyse samt analyse og udvikling af offentlig regulering på energiområdet. Det er både store regioner som Hovedstaden, men også nordjyske kommuner som Frederikshavn og Mariagerfjord, der benytter sig af instituttets indspark til udvikling.

- En omlægning af energisystemet er både en teknologisk og organisatorisk forandringsproces. Det er ikke kun en kommunal opgave, men en proces, der skal løftes i fællesskab mellem staten, regionerne og andre aktører, fx lokale borgere og industrivirksomheder, siger Karl Sperling, adjunkt på Institut for Planlægning.

Energikommunen Frederikshavn I første omgang tænkte parterne i projektet ”Energibyen Frederikshavn” energiplanlægning i Frederikshavn by. I processen indså byrådet og kommunen, at man energimæssigt måtte inddrage hele oplandet.

Det førte til et igangsat forskningsprojekt, ”Princip”, der satte fokus på hele kommunen som energisystem.

- Energiscenarierne, som vi udarbejdede, er tænkt som konkrete eksempler på, hvordan et fossilfrit energisystem i kommunen kan se ud i 2030. Projektet skal gerne understøtte udviklingen af en fælles kommunal vision og handlingsplan for energisystemet.

Scenarierne bygger på besparelse, effektivisering og omlægning til lokale vedvarende energiressourcer som hovedpunkter. Besparelse handler om, at man fokuserer på energibesparelser, som nedbringer energibehovet og brændselsforbruget i energisystemet. Fx kan man nedbringe energibehovet i bygninger og private boliger ved at gennemføre en energirenovering, siger Karl Sperling.

- Effektivisering sker ved at udnytte de tilgængelige ressourcer lokalt på en bedre måde ved fx at reducere nettab og udnytte spildvarme. Rent strategisk betyder det, at man erstatter traditionelle råstoffer som olie, fossile brændstoffer, naturgas og afbrænding af affald med de lokale energiressourcer, man har til rådighed såsom vind, sol, biomasse, geotermi og måske bølgekraft.

Tungindustrikommunen Mariagerfjord Mariagerfjord er en industritung kommune, som er udfordret på at få dækket energibehovene med lokale ressourcer. Hvis Mariagerfjord også skal have et grønt energimærke, må det store forbrug af industrielt brændsel nedbringes og erstattes med vedvarende energi. Det er ikke en let opgave, fordi biomasseressourcerne ikke er ligeligt fordelt over landet.

- Mariagerfjord er et godt eksempel på en kommune, hvor man må tænke på tværs af kommunerne for, at en strategisk energiplanlægning kan effektueres.

I 2010 brugte Mariagerfjord ca. en milliard kroner på at købe brændstof. Store dele af disse penge får kommunen sandsynligvis aldrig igen. Kunne man i stedet forsyne sig af naturlige, lokale ressourcer eller fx opsætte lokalt og kommunalt ejede vindmøller, genererer man penge, som i større grad bliver i kommunen. Ved at udvikle lokale energiscenarier, som skal implementeres ved hjælp af lokale investeringer, giver det på sigt større gevinst til hele lokalsamfundet, siger Karl Sperling.

∞ Karl Sperling | Adjunkt

Institut for Planlægning Tlf : 9940 7219 Mail : karl@plan.aau.dk

Reduktion af energiforbruget i vores boliger og bygninger kræver videreudvikling af teknologier på flere forskellige niveauer. Materialer, installationer, integrerede bygningskoncepter og ikke mindst hele den elektriske infrastruktur skal optimeres for at leve op til kravene i et moderne energisystem.

Forbruget skal koordineres Arne Skou, lektor på Institut for Datalogi, deltager i et team af forskere, der arbejder på at udvikle et planlægningssystem til bygninger, så energien udnyttes til fulde. Der er især fokus på udvikling af en it-infrastruktur, hvor man kan styre samtlige enheder og koordinere dem, således at apparaterne bruger mindst muligt strøm, og intet går til spilde. Det sker med fokus på to områder: ›

›

1. Enheder, fx varmevekslere og hårde hvidevarer, som bruger energi, eller solceller og jordvarme, der producerer energi 2. Energiforbrug over tid, hvilket kræver udvikling af intelligente værktøjer, som udregner og koordinerer, hvornår de forskellige enheder skal køre, alt efter det mest oplagte tidspunkt

- Det er en teknologisk udfordring, fordi vi efterhånden har så mange forskellige apparater i vores bygninger, som spiller en stor rolle i husets energisystem. Vi bliver nødt til at have et intelligent planlægningssystem, så forbruget koordineres og minimeres, forklarer Arne Skou.

Et intelligent planlægningssystem inkluderer både infrastrukturen i det enkelte hus, men også det generelle elnet, som skal kunne klare den store belastning.

- Vores strømforbrug stiger og stiger, og tænk bare på, hvor højt niveauet bliver, når 15 ud 20 danskere i en forholdsvis nær fremtid har elbiler, som skal lades op. Det eksisterende net vil ikke kunne klare belastningen, hvis alle lader

42 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

op på samme tid. Derfor skal den fremtidige energiinfrastruktur henvende sig både til den enkelte forbruger, til det enkelte hus og til det samlede forsyningssystem. Dette kræver også avancerede værktøjer til analyse af de enorme mængder af måledata, der vil blive genereret.

Gælder både nyt og gammelt Hvor Institut for Datalogi forsker i fremtidens it-infrastruktur og systemer, ser Institut for Byggeri og Anlæg nærmere på, hvordan nye koncepter og teknologier for bygninger kan ændre deres energiforbrug. Instituttet forsker på fire niveauer: › Komponent: Udvikling af nye byggematerialer og komponenter, fx vinduer, ventilation eller isolering › System: Udvikling af innovative facadeløsninger › Koncept: Udvikling af totalløsninger, der kombinerer konstruktion, tekniske installationer og vedvarende energi › Proces: Forskning i projekteringsprocesser, når både komponenter, systemer og koncepter skal gå op i en højere enhed Denne forskning angår ikke kun nybyggeri, men henvender sig i høj grad også til det eksisterende byggeri: - Hvis vi på sigt skal reducere energiforbruget i vores bygninger med 50 %, er det helt essentielt, at vi også udvikler løsninger til det eksisterende byggeri, som jo udgør langt størstedelen af vores bygninger, forklarer Per Heiselberg, professor på Institut for Byggeri og Anlæg.

Samspil på tværs af kompetencer Energieffektivt byggeri er en mangesidet indsats, som involverer en bred vifte af forskellige kompetencer. AAU er det universitet i Danmark, som har flest aktiviteter og det bredeste kompetenceniveau på området. Udvikling af energieffektivt byggeri sker således på tværs af institutterne:

- Institut for Byggeri og Anlæg forsker eksempelvis i nye komponentløsninger inden for vinduer, ventilation eller isolering, mens Datalogi har kompetencerne til at lave it-infrastrukturen til smarte energisystemer. Forskning i energieffektivt byggeri inddrager på den måde mange alsidige kompetencer fra forskellige forskningsteams.

Prisen spænder ben Det er dog ikke innovative løsninger, som er den største udfordring inden for energieffektivt byggeri i dag: - Helt grundlæggende er det faktisk ikke udvikling af holdbare teknologier, som er vores største udfordring lige nu. Det er nærmere økonomien, fordi renoveringsomkostningerne og energibesparelserne endnu ikke hænger sammen rent økonomisk. Energieffektive løsninger skal gøres billigere, men vi skal også sætte mere fokus på de andre kvaliteter, som også motiverer til renovering, fx at større vinduer giver mere lys og luft i et rum, slutter Per Heiselberg.

Både Institut for Datalogi og Institut for Byggeri og Anlæg arbejder tæt sammen med danske og udenlandske virksomheder for at optimere eksisterende løsninger og udvikle nye, intelligente teknologier inden for energieffektivt byggeri.

∞ Arne Skou | Lektor Institut for Datalogi

Tlf : 9940 8851 Mail : ask@cs.aau.dk

∞ Per Heiselberg | Professor Institut for Byggeri og Anlæg

Tlf : 2023 4660 Mail : ph@civil.aau.dk

Vores bygninger sluger strøm og varme Omkring en tredjedel af det samlede energiforbrug i Danmark går til boliger og bygninger, hvilket gør byggesektoren til et oplagt område at sætte ind med energioptimering.

Problembaseret forskning

43

PĂĽ Institut for PlanlĂŚgning udvikles konkrete virkemidler og forslag til, hvordan samfundet kan omstille fra de fossile brĂŚndsler til 100 % vedvarende energi og energibesparelser.

44 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

På vej mod 100 % vedvarende energi i Danmark Forskningsgruppen for Energiplanlægning kommer med konkrete forslag både teknisk og mht. til energipolitik til det politiske system på Christiansborg, offentligheden og den række embedsmænd i stat og kommuner, der er med til at formulere og udmønte den danske energi- og klimapolitik.

renoveringslån med en fast rente på under 3 % p.a.. Dette skal ske i kombination med et 10-15 % tilskud frem til 2020, såfremt energirenoveringen er anbefalet og ”synet” af en energikonsulent. Finansieringen skal energi- og varmeforsyningsselskaberne, og ikke statskassen, stå for.

- Vi anviser teknologiske løsninger og politiske virkemidler, vi mener er nødvendige for at gennemføre en økonomisk effektiv og socialt afbalanceret omstilling til vedvarende energi, siger Frede Hvelplund, professor på Institut for Planlægning.

En udfordring for en mere effektiv planlægning er, hvordan man opnår en effektiv koordinering mellem investeringer i el-, transport- og varmesektorerne. Her findes også en række institutionelle barrierer i overgangen fra fossile brændstoffer til vedvarende energi, som fx teknologier baseret på fossile brændsler.

Forskningsgruppen for Energiplanlægning består af både unge og erfarne forskere på tværs af Aalborg Universitets mange faglige kompetencer på energiområdet. Frede Hvelplund har siden 1975 studeret emnet, og han opfatter det som nødvendigt for forskere at komme med meget konkrete forslag både på det tekniske og det politiske område. Et centralt spørgsmål i denne forbindelse er balancen mellem markedets rolle og statens planlægning og regulering. Når f.eks. mange energianlæg og infrastrukturer, herunder bygninger, har lang levetid, bør staten øge sin rolle med langsigtet, samfundsmæssig planlægning og regulering.

- For tiden er en omfattende energirenovering af bygningsmassen et udtalt energipolitisk ønske, men den nødvendige politik føres ikke, siger Frede Hvelplund.

Frede Hvelplund giver som eksempel, at afhængigt af varmeselskab er mellem 1/3 og 2/3 af varmeregningen en tarif, der er uafhængig af forbruget. Det betyder, at det i mange tilfælde ikke kan betale sig for husholdninger at energirenovere husene. Målsætningen om at halvere varmeforbruget frem til 2050 realiseres derfor ikke med den nuværende politik.

- Vi foreslår derfor en lovgivning, der sikrer, at varmetarifferne er 100 % forbrugsafhængige, siger Frede Hvelplund. Desuden foreslår Frede Hvelplund, at varmeforsyningsselskaberne kautionerer for 30-årige energi-

En anden barriere i Danmark er Finansministeriets krav om brug af et forrentningskrav svarende til 7 % p.a. i forbindelse med planlægning af fremtidige offentlige investeringer i blandt andet energianlæg. I dag anvender lande som Tyskland, Storbritannien, Norge og Sverige diskonteringsrater mellem 3-3,5 %, hvorefter den for mange lande gradvist falder til 1 % for lange tidshorisonter. Det danske rentabilitetskrav svarer til en markedsrente på ca. 7 % p.a., samtidig med at man i 2014 kan få 30-årige lån til fast rente til under 3 % procent p.a. Finansministeriets forrentningskrav forhindrer derfor, at der investeres i en række både grønne og klart samfundsøkonomiske projekter, som både kan give vækst og beskæftigelse, og som har et væsentligt højere afkast end markedsrenten. For yderligere detailoplysninger om forskningsgruppens forslag på teknologi- og politikområdet se CEESA-projektet på www.ceesa.plan.aau.dk.

∞ Frede Hvelplund | Professor Institut for Planlægning

Tlf : 9940 8380 Mail : hvelplund@plan.aau.dk

Problembaseret forskning

45

Energiplanlægning:

Flere vindmøller, flere udfordringer Hvordan skal fremtidens energisystem se ud? Hvor skal investeringerne lægges? Hvad gør vi, når det blæser for lidt eller for meget, og vores mange vindmøller producerer for lidt eller for meget strøm? Hvilke teknologier skal vi satse på? Hvad kan i det hele taget bedst betale sig? Det er nogle af de spørgsmål, man arbejder med på Institut for Planlægning på Aalborg Universitet. Her opstilles scenarier for fremtidens energisystem, så beslutninger om Danmarks energimæssige fremtid kan træffes på et oplyst grundlag.

- Nogle gange går der ”hønen eller ægget” i vores arbejde, siger lektor Poul Alberg Østergaard fra Institut for Planlægning. – Det giver f.eks. ingen mening, at vi får flere elbiler i Danmark, hvis de kører på el, der er produceret ved afbrænding af kul. Omvendt giver det heller ingen mening, at vi bygger for mange vindmøller, hvis der ikke er efterspørgsel på strømmen, f.eks. til elbiler. Så hvor skal investeringerne lægges først?

Det er den type spørgsmål, der rejses, når instituttet foretager beregninger og opstiller scenarier til hjælp for samfundets beslutningstagere, der skal træffe afgørelser om energiplanlægning. Det er et komplekst felt, hvor mange faktorer griber ind i hinanden, og hvor den mindste ubalance kan få store konsekvenser.

Et meget presserende spørgsmål er, hvordan vi bedst og billigst når vores mål om at integrere 50 % vindenergi i Danmarks energisystem. Generelt er der to udfordringer med vindmøller: nogle gange blæser det for lidt til, at Danmarks strømbehov kan dækkes, somme tider blæser det for meget, og så skal vi af med strømmen.

46 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g

Enten skal den eksporteres ud af landet, eller også skal strømmen lagres eller bruges, f.eks. til at producere noget, der kan lagres.

- Når det blæser for lidt, skal vi have et alternativt system, der kan producere den el, vi skal bruge. Det kan f.eks. være vores kraft- og kraftvarmeværker, men det helt store spørgsmål er, om de overhovedet skal eksistere i fremtiden.

Hvis de skal det, skal vi i hvert fald sikre, at de økonomiske forudsætninger er til stede for, at det kan betale sig at drive værkerne. Ellers forsvinder de jo. Og sker det, skal vi være klar med andre alternativer til at supplere vindmøllerne, når vinden ikke blæser, siger Poul Alberg Østergaard.

Den udfordring findes der flere potentielle løsninger på, og på Institut for Planlægning jonglerer man med dem i forskellige scenarier for at afdække muligheder og begrænsninger.

- Der er mange forskellige knapper og håndtag, vi kan dreje på for at regulere in- og output i energisystemet, forklarer Poul Alberg Østergaard.

- F.eks. kan man arbejde på et mere fleksibelt elforbrug ved at skabe incitamenter for, at man vasker tøj, bruger sine varmepumper og lader sine elbiler, når vinden blæser. Man kan også overveje at lægge større dele af transportsektoren over på el, f.eks. togdriften og persontransporten i form af elbiler, siger Poul Alberg Østergaard og fortsætter: - Elbiler har i det hele taget stort potentiale for at bidrage positivt til et samfund baseret på store mængder vindmøllestrøm, fordi batteriet i en elbil kan lagre store mængder strøm, og hvis man kunne ”tappe” den strøm til andre formål, når der er vindstille, var der spændende perspektiver i det.

∞ Poul Alberg Østergaard | Lektor Institut for Planlægning

Tlf : 9940 8424 Mail : poul@plan.aau.dk

Energioptimering:

Grønnere skibe i bølgen blå Der er masser af forurening at spare og masser af penge at spare, når Aalborg Universitets forskere lykkes med at optimere og effektivisere forbruget af energi på skibe.

Emma Maersk, som var verdens største containerskib, da det blev bygget i 2006, bruger - afhængigt af farten - hvert døgn lige så meget tung olie som en større dansk provinsbys samlede forbrug. Derfor gør det en forskel, når forskningen fra lektor Kim Sørensen og hans kolleger på Institut for Energiteknik kan finde få promiller eller måske procenter i effektiviseringer og optimeringer af skibenes motorer og fremdrivningssystemer.

- Målet er jo, at vi viser veje til at få mere energieffektive og mindre forurenende skibe til at transportere varer rundt i verden, siger lektor Kim Sørensen, Institut for Energiteknik.

Forskningen involverer de fleste elementer på et skib, som har betydning for dets forbrug eller udledning. Enten hvor effektivt skibets anlæg udnytter den tilførte energi, eller hvor meget skibets røgudledninger forurener omgivelserne.

- Forskningen er en blanding af teori og praksis. Vi kan den ene dag sidde med nørdede matematiske modeller og udregninger og den næste dag have snavsede fingre dybt begravet i en skibsmotor, forklarer Kim Sørensen, Det seneste projekt handler om, hvordan energien i motorenes udstødningsgasser udnyttes optimalt til at hæve den samlede virkningsgrad.

Næsten al forskningen er foregået i nært samarbejde med virksomheder, som har problematikkerne konkret inde på livet, når de skal levere produkter til skibsfarten. Det er virksomheder som Alfa Laval, MAN Diesel, Mærsk og Haldor Topsøe.

- Skibsfarten er og bliver i de kommende år udsat for nye miljøkrav, som betyder større krav til effektiviteten af udstyret om bord. Det forplanter sig til den maritime industri, som har behov for løsninger, der kan være med til imødekomme de nye krav, siger Kim Sørensen.

Senest har Aalborg Universitet indgået en flerårig samarbejdsaftale med professionsskolen Martec for at være med til at styrke uddannelse, knowhow og viden i den maritime branche.

∞ Kim Sørensen | Lektor Institut for Energiteknik

Tlf : 9940 3813 Mail : kso@et.aau.dk

Problembaseret forskning

47

48 P r o b l e m b a s e r e t f o r s k n i n g