Projektet pågick mellan november 2023 och februari 2024.
Projektet avsåg att bidra till en biobaserad samhällsekonomi genom att använda ett biobaserat material, där huvudkomponenten är cellulosafibrer utvunna från träd, för att skapa nya vandringslösningar för fisk förbi vattenkraftverk. Elproduktionen från vattenkraft är i det närmaste fossilfri, men den akvatiska biodiversiteten påverkas negativt av kraftverk och dammar. Detta har lett till att vandringen av havsvandrande fisk till stor del har avstannat i flera av de svenska älvarna.
Vid ett antal vattenkraftverk finns redan tekniska lösningar för att underlätta uppströmsvandring, till exempel fisktrappor, på plats. Vid återvandring till havet finns många gånger ingen annan väg än den genom turbinerna, om de inte guidas till en säker passage förbi kraftverket. Vid vissa kraftverk finns galler installerade i intagskanalen, som fysiskt hindrar fisk från att simma in i turbinintagen. Dessa installationer är kostsamma och gallerna i sig orsakar fallförluster som signifikant reducerar elproduktionen. En metod för guidning av nedströmsvandrande fisk med hjälp av cellulosabaserade stavar skulle kunna minimera underhållskostnader och samtidigt bibehålla maximal elproduktion från vattenkraften.
Utifrån ett tydligt uttryckt behov från Vattenfall utvecklades initialt nanocellulosabaserade stavar som vandringslösning för fisk förbi vattenkraftverk. Dessa material utvärderades sedan i kontrollerade vattenflöden med avseende på mekaniska materialegenskaper och stavarnas rörelse i det aktuella flödet. Som fortsättning strävade detta projekt efter att tillverka dessa stavar på ett mer energi- och tidseffektivt sätt genom att testa olika typer av råmaterial, som cellulosafibrer och lignin, utan att negativt påverka de tidigare visade materialegenskaperna. Ambitionen var sedan att tillverka de optimerade stavarna i större dimensioner passande för ett fullskaleförsök i en fiskförsöksanläggning hos Vattenfall R&D. Genom projektets fullskaleförsök skulle projektparterna att få en större förståelse för materialets egenskaper samt hur denna lösning kan passa in i redan existerande anläggningar.
Deltagare
KTH, Cellufy AB och Vattenfall R&D.
Budget
Projektets budget var 2,2 MSEK.
Därför var detta viktigt
Projektet hade en tydlig industrirelevans då det nyttjade ett helt biobaserat material för att säkerställa fiskvandring samtidigt som det skulle leda till ökad energieffektivitet inom svensk vattenkraft, jämfört med dagens lösningar i form av metallgaller. Genom ett nära samarbete med Vattenfall kunde kontinuerlig och direkt återkoppling erhållas kring materialets prestation, vilket gav en unik möjlighet för att optimera tillverkning och egenskaper hos cellulosastavarna.
Förväntade resultat
Projektet hade en möjlighet att adressera en viktig marknad. Sett till Europa finns det över 20 000 vattenkraftverk i dagsläget, med ytterligare tusentals planerade eller under uppbyggnad. Kundvärdet inkluderar minskade installationskostnader, enklare underhåll och viktiga hållbarhetsaspekter som att använda biobaserade lösningar i vattenmiljö för att bibehålla fiskbestånd och biodiversitet i älvar och vattendrag. Ett ytterligare resultat skulle vara att de nya materialen kraftigt skulle kunna minska de energiförluster som orsakas av de metallgaller som är installerade idag.
Konkreta resultat
Hypotesen är bekräftad och arbetet har resulterat i två patentansökningar för att skydda innovationen. I steg 1 har projektet framgångsrikt utvecklat våtstabila skummaterial, baserat på cellulosafibrer eller lignin, med en imponerande flytkraft. Ett omfattande laboratoriearbete har utförts för att vidareutveckla och förbättra skumformuleringen och göra det slutgiltiga materialet mer kostnadseffektivt och lämpligt för industriell produktion. Därmed har mycket arbete lagts ned på att inkorporera nya råvaror som är billigare och tillgängliga i stora volymer för att de ska passa in i en storskalig produktion. Detta samtidigt som materialets prestanda har bevarats, vilket är avgörande för applikationens framgång som en mjuk barriär i vattenkraftverk. Här har projektet framgångsrikt ersatt den mycket energikrävande nanocellulosan med cellulosafibrer för att möjliggöra framtida uppskalning av cellulosa skummerna. Dessutom har projektet ökat dimensionerna på dessa material och genomfört tester i Vattenfalls stora testningsanläggning.
Vidare har tillverkningsprocessen finjusterats för att kunna bidra till en mer realistisk och skalbar produktion i större volymer. Vid en uppskalning förekommer mycket längre ledtider i varje steg av processen, och materialet utsätts för annan mekanisk påfrestning jämfört med prototyperna som utvecklats i laboratoriet med hjälp av laboratorieutrustning. Därmed har fokus kretsat kring att uppnå hög skumstabilitet och förbättra de mekaniska materialegenskaperna för att möta de specifika kraven i applikationen. Utvecklingen av materialets formulering i detta projekt har inneburit att skummet nu kan produceras i fullskalig storlek på grund av den förbättrade skumstabiliteten och mekaniska egenskaperna. Detta är avgörande för att säkerställa en framgångsrik och effektiv storskalig produktion i framtiden.
Allt detta möjliggjorde att skummstavarna kunde tillverkas i fullskalig storlek (metersdimensioner) från de initiala skummstavarna som tillverkades i laboratorie-skala i centimeterdimensioner. Vid det första pilotförsöket producerades sex fullstora prototyper med en slutgiltig diameter på cirka 10 cm och en längd på ungefär 2.5 m. Vid det andra pilotförsöket ökades antalet producerade fullstora prototyper till 30 stycken där den slutgiltiga diametern var cirka 7 cm och längderna sträckte sig uppemot 2 m. Testerna utfördes i ett stort strömvattenakvarium vid Vattenfalls laboratorium i Älvkarleby. Strömvattenakvariumet rymmer 650 m3 vatten och är utformat med två parallella 25 m långa testsektioner med bredd 4 m, djup 2 m och ett flöde på 4-8 m3/s. I denna anläggning kan kontrollerbara flöden skapas vilka motsvarar verklighetsnära förhållanden inom vattenkraft.
Vid testningen hos Vattenfall studerades främst materialets mekaniska egenskaper med den tänkta tillämpningen i fokus. Materialet bör vara tillräckligt mjukt för att möjliggöra rörelse av flödet, ha tillräcklig flytkraft för att skapa en vinkel mot flödet och vara tillräckligt hållbart för att klara höga vattenhastigheter (upp till 0.5-1 m/s) för att fungera som en barriär som är lämplig för att guida fisk. Vid testerna uppfyllde majoriteten av de skumstavar som provades samtliga kriterier medan en mindre andel ansågs ha mindre lämpliga egenskaper, förmodligen till följd av defekter som har uppkommit i tillverkningsprocessen.
Genom att introducera receptoptimering samt en ny tillverkningsprocess i projektet har projektparterna framgångsrikt demonstrerat att materialen har potential att skalas upp från laboratorie-skala i centimeterdimensioner till en betydligt större skala i metersdimensioner, samtidigt som de viktiga materialegenskaperna bibehålls. På labbskala har projektet även lyckats tillverka skummerna med lignin som råvara, vilket är den näst största biopolymeren på jorden och en betydande biprodukt från pappersmassatillverkning. Detta är särskilt viktigt för innovationen, då lignin vanligtvis idag förbränns för energiproduktion. Olika produktionsprocesser har även jämförts för att få bättre förståelse för hur produkten bäst kan produceras på ett kostnadseffektivt vis med stora volymer.
Ett av dem mest betydande resultaten från detta projekt är den utökade potentialen för materialens applikationsområden. Det har framkommit att de skummade materialen kan användas för att skapa helt biobaserade flytöar. Dessa flytöar kan användas för att förbättra vattenkvaliteten och bevara biodiversiteten i sjöar och vattendrag. Detta är särskilt intressant eftersom de flesta befintliga flytöarna på marknaden idag tillverkas av plast. Därmed har Hypotesprövning steg 1 inte bara möjliggjort nya applikationsområden utan även introducerat unika skummaterial från cellulosafibrer samt lignin, vilket ökar skogens förädlingsvärde.
Extern synlighet
Detta projekt har fått väldigt mycket extern synlighet via olika kanaler på några få månader, då mycket arbete har lagts på att presentera projektet i sociala medier. I och med lanseringen av de biobaserade skummaterialen har detta projekt fått synlighet på LinkedIn med över 50 000 tusen visningar. Projektet har även presenterats på Cellufy:s hemsida3, där sidan fått över 2000 st besök under perioden 25 januari till 28 februari 2024, både från nationella och internationella besökare. KTH innovation har också publicerat ett inlägg om projektet på Linkedin som har fått 56 453 visningar. Tech News Weekly har omnämnt dessa skummaterial i en publicering på deras hemsida. Vattenfall har även publicerat en intern artikel om detta projekt som 19 000 medarbetare har tillgång till.
Nästa steg
De mycket goda resultaten från Hypotesprövning steg 1 tyder på att materialen har god potential att framgångsrikt skalas upp och produceras i fullskalig storlek genom användning av bulkmaterial från skogsindustrin, samtidigt som materialets egenskaper för den avsedda applikationen bevaras. Projektets nya innovativa tillämpning för materialet i form av flytande öar, har stor potential att skapa hela små flytande ekosystem och ska absolut undersökas vidare. Denna lovande applikation förtjänar särskild uppmärksamhet, speciellt på grund av den betydande marknadspotentialen, och bör studeras noggrant i nästa fas som ett komplement till fiskbarriärerna. Dock, för att föra produkterna till marknaden är det nödvändigt att verifiera dess prestanda i verklig miljö med fisk. Detta steg är kritiskt för att påvisa att dessa material kan fungera både som biobaserade flytande öar och som effektiva barriärer för att leda fisk genom säkra passager förbi vattenkraftverk.
I nästa steg måste produktionsvolymerna öka för att möjliggöra omfattande storskaliga tester och utvärdering av produkterna i en verklig miljö med fisk, där behovet sträcker sig till hundratals stavar och kvadratmeterstora flytande öar. För att uppnå detta krävs en övergång från dagens satsvisa produktion till en mer kontinuerlig process med en betydligt lägre produktionskostnad än fas 1. Projektet måste tydligt demonstrera att materialet kan produceras på ett kontinuerligt, effektivt och skalbart sätt för att övertyga kunder som söker stora volymer om att detta material är ett realistisk alternativ till nuvarande skyddsgaller och plastbaserade flytöar. Dessutom bör receptet optimeras ytterligare för att förbättra materialets mekaniska egenskaper och flytkraft, för att göra materialet tillämpbart i den tillkomna applikationen som flytande öar. Därtill måste projektparterna säkerställa en resurseffektiv användning av råvarorna och garantera leveranser av råvarorna i tillräckliga mängder för produktion, där samtliga råvaror är helt biobaserade. En framgångsrik implementering av dessa steg kommer att vara avgörande för att säkra materialets position som ett hållbart och praktiskt alternativ på marknaden.