2 Selvdrevne nullutslips-undervannsfarmer med ideelle forhold for plantevekst, er en revolusjonerene form for matproduksjon. Dette er Norge 6.0.
Innholdsfortegnelse Innholdsfortegnelse...3 Gruppemedlemmene...4 Forord...5 Oppgaveavgrensning...6 Forutsetninger...6 1 Beskrivelse av systemet...8 1.1 Innsikt...8 2 Selvforsyning av energi...9 3 Delene av undervannsfarmen...10 3.1 Biogass...10 3.2 Brenselcelle...10 3.3 Ekstra batteri...10 4 Beskrivelse av kulene...11 5 Vekstforhold...12 5.1 Fotoperiode...12 5.2 Muligheter...12 6 Automatisering...13 7 Tilgjengelighet for mennesker...14 8 Konklusjon...15 3
Gruppemedlemmene Detecht er satt sammen av fire jenter fra masterstudiene Kommunikasjonsteknologi og Industriell Design på NTNU. Alle medlemmene går i tredje klasse. Studentene fra Industriell Design er vant til korte tidsfrister og effektivt gruppearbeid. De er lært opp i å bruke designmetodikk som et verktøy for å løse store problemer og lærer mye om prosess fra idé til ferdig produkt. Generelt kan industridesignerne bidra med systemdesign, produktdesign, brukbarthetsevalueringer og idéskapning. Som student på Kommunikasjonsteknologi får man kunnskap om nettverk, nettverksbaserte løsninger og får kjennskap til automatisering av systemer. Kristine Larsen Strand Kristine (22) studerer Kommunikasjonteknologi og bidrar meg gode og kritiske spørsmål, detaljering og kunnskap om automatisering, algoritmer og logisk tenkning. Johanne Parelius Johanne (21) er også Industridesignstudent med fordypning i Interaksjonsdesign. Hun er flink til å igangsette kreative workshops og brenner for å gjøre komplekse systemer forståelige og brukbare. Marianne Kleveland Marianne (21) studerer industridesign med spesialisering i Interaksjonsdesign. Hun er strukturert, løsningsorientert og liker å skape orden der kaos rår. Anja Stedjeberg Hansen Anja (20) studerer også Industriell design, men med fordypning i Produksdesign. Dermed er Anja teamets produktdesigner/illustratør. Hun jobber alltid målbevisst og er ikke redd for å tenke utenfor boksen. 4
Forord Slik som oppgaven beskriver, antar vi at populasjonen på verdensbasis har steget til 9 milliarder og at jordas temperatur har steget med 1.7 grader. I dag forventes det at vi i framtiden kommer til å stå overfor en større matmangel både grunnet sterk befolkningsvekst og varmere klima 1. Hvis Norge kan lede an og finne en alternativ metode for å dyrke mat andre steder enn på land, vil det hjelpe en verden truet av overbefolkning ved å utnytte arealer som ennå ikke er utnyttet. Et første steg for Norge 6.0 vil være det å utvikle teknologi for i første omgang å kunne bli selvforskynte med grønnsaker og annen dyrket mat. Videre kan det tenkes at Norge både vil kunne selge teknologien til andre land, og være en videre driver av utviklingen av ny teknologi. I tillegg vil det åpne for muligheter for større eksport av matvarer. 1 http://forskning.no/landbruk-klima/2009/01/ advarer-mot-matmangel, http://www.agropub.no/id/2310? hidemenu=true&kap=kap1.3 Hvis matproduksjon flyttes til andre steder enn på land vil dette føre til et større dyrkingsareal, som vil være positivt fordi vi vil kunne få en generell økning av dyrkingsareal på verdensbasis, noe som vil være positivt med tanke på matmangel grunnet befolkningsvekst. I midlertid vil ikke økt areal alene hjelpe på matmangel. Vi må i tillegg finner en måte å regulere klimaet der maten dyrkes, slik at klimaendringer ikke blir en inntredende faktor. Det å lage lukkede, ideelle vekstområder for matproduksjon vil derfor være en potensiell løsning på disse problemene. Med andre ord vil utviklingen av undervannsfarmer med ideelle forutsetninger for plantevekst kunne være en potensielt stor inntektskilde for Norge i fremtiden, og derfor velger Detecht å utforske mulighetene rundt en slik undervannsfarm. Velkommen til Norge 6.0. 5
Oppgaveavgrensning Vi ønsker å lede veien for fremtidig matproduksjon ved å utforme et selvstyrt system uten behov for menneskelig innblanding i den daglige driften. Vi ønsker å utnytte til nå ubrukte arealer og å skape ideelle vekstforhold innenfor et lukket system. For å gjøre dette velger Detecht å heve blikket og jobbe med systemdesign. Dette går ut på å bryte noe komplekst ned i mindre, mer forståelige komponenter, analysere delene, for så å sette dem sammen i et fungerende system. Det er på denne måten vi ser for oss at nyskapning kan ta form. I denne oppgaven bør vi definere delene av systemet og forklare hvordan de interagerer med hverandre. Hovedproblemet vi må løse blir å finne sammenhenger og løsninger for å kunne sette delene sammen i et selvforsynt og sømløst system. Forutsetninger Vi forutsetter: at det vil utvikles sterkere materialer som kommer til å tåle vannslitasje og trykk. En driver for utviklingen av slike materialer er oppdrettsnæringen som det i Norge i dag satses stort på. Derfor mener vi at en antagelse om at sterkere og egnede materialer for vårt prosjekt i framtiden er en realistisk forutsetning. en utvikling av mer avanserte roboter som fører til at et helautomatisk system vil være realiserbart. at det vil utvikles mer robuste og smartere ROV-er som vil kunne utføre vedlikehold under vann. Dette mener vi vil kunne springe ut i fra oppdrettsnæringen, som allerede bruker ROV-er til overvåkning og mindre vedlikehold på fiskemerdene 1. at videre forskning på brenselceller vil fortsette og at det kommer til å utvikles mer og mer effektive høytemperatur brenselceller som forbrenner biogass. Dette er allerede under utvikling, så en slik antagelse mener vi vil være realistisk 2. at det vil utvikles sterkere materialer som kommer til å tåle vannslitasje og trykk. En driver for utviklingen av slike materialer er oppdrettsnæringen som det i Norge i dag satses stort på. Derfor mener vi at en antagelse om at sterkere og egnede materialer for vårt prosjekt i framtiden er en realistisk forutsetning. 1 http://neptunmarine.no/rov-inspeksjon/ 2 https://www.nho.no/siteassets/nhos-filer-og-bilder/filer-og-dokumenter/energiog-klima/oppdrag-energi-langversjon-for-web.pdf 6
4 3 1 1 Dyrkingskule som inneholder brenselcelle og batteri 2 Rørledning med biogass hentet fra Midtfjordkomplektset 3 Frakt til og fra undervannsfarmene 4 Vindmølle for ekstra tilførsel av fornybar energi 2
1 Beskrivelse av systemet For at planter og grønnsaker skal ha optimale vekstforhold forutsettes vann, karbondioksid, varme, lys og gjødsel. Vår tenkte undervannsfarm skal over tid bli selvdreven, og alle komponentene for ideell vekst skal på en eller annen måte komme fra prosesserer som i hovedsak foregår inne i de enkelte kulene i undervannsfarmen. Dyrkingen vil etterhvert skje i et lukket system hvor alle prosesser avhenger av hverandre. Tanken er at undervannsfarmen skal drives av biogass som hentes eksternt, SOFC brenselcelle 1 som befinner seg inne i hver enkelt kule, samt energi som hovedsakelig produseres av prosessene som skal foregår inne i hver enkelt kule. som kunne gi oss mer innsikt. 1.1 Innsikt Vi avtalte en samtale med Frode Seland, Førsteamanuensis ved Institutt for Materialteknologi, som i følge NTNUs nettsider er fremst på brenselceller. Han tok oss i mot og svarte på mange spørsmål vi hadde, samt ledet oss i retning av høytemperaturs brenselceller. Vi fikk også et telefonintervju med direktøren for Frevar KF, Fredrik Hellstrøm. Frevar KF eier og driver prosessanlegg for avløpsrensing, vannproduksjon, energigjenvinning og avfallshåndtering i Fredrikstad Kommune 2. 3 1 4 Ettersom gruppen ikke har sin kjernekompetanse innenfor prosesser som produksjon av biogass, kjemiske ligninger eller energiproduksjon, tok vi kontakt med to eksperter på hver sine områder Denne nye innsikten drev idéen videre og gav oss mulighet til å fortsette å utforske konseptet. 1 http://www.fornybar.no/andre-teknologier/ brenselceller/brenselcelleteknologier 8 2 http://www.frevar.no/om-frevar/ 2
2 Selvforsyning av energi Vi vil utnytte alt det biologisk nedbrytbare organiske avfallet som Midtfjordkomplekset avgir til produksjon av biogass. Hovedbestanddelen i biogass er metan og karbondioksid, andre eventuelle biprodukter kan brukes videre til energigjenvinning eller materialgjenvinning 1. Biogassen vil prosesseres i en høytemperatur brenselcelle. Reaktantene i prosessen vil være biogass og oksygen, produktene vi ender opp med blir vann, karbondioksid og energi. Energien går til lys, varme, vanningssystemer og drift av autonome enheter samt nettverksbasert kommunikasjon. Karbondioksidet og vannet brukes videre i fotosyntesen, hvor produktet av prosessen er glukose og oksygen (som igjen brukes til å drifte brenselcellen). 1 Etter samtale med Fredrik Hellstrøm Mat O 2 Vann og karbondioksid brukes i fotosyntese Energi H 2O CO 2 Midtfjord Oksygen produsert i fotosyntesen brukes i brenselcellen Vi vil at systemet (ved hjelp av Midtfjord) skal være selvforsynt med energi. I en ideell verden vil alle produktene i alle prosesser vi beskriver, Brukes i høytemperatur brenselcelle Avfall Biogass Prosesseres i Biogassanlegg bli brukt som reaktanter i nye prosesser, og vårt system vil ha tilnærmet nullutslipp. 9
3 Delene av undervannsfarmen Selve fokuset i prosjektet og utgangspunktet for oppgaven var hvordan man kunne opprettholde et økosystem med fotosyntese ved å tilføre så lite som mulig utenfra. Dette ønsker vi å få til ved å benytte oss av biogass som kan produseres av biologisk nedbrytbart avfall som matavfall etc. i forbindelse med Midtfjordkomplekset. 3.1 Biogass Biogassen kan, som nevnt, produseres i forbindelse med Midtfjordkomplekset. Dette er en prosess som er realtivt effektivisert allerede, og vi går ut i fra at vi vil få biogass til undervannsfarmen. Biogass egner seg fint til å fraktes i rør 1, dermed bør det gå greit at biogassen produseres ved Midtfjordkomplekset og deretter fraktes til konstruksjonene i undervannsfarmen. 1 http://www.biogassostfold.org/?page_id=177 3.2 Brenselcelle I vår undervannsfarm ønsker vi at hoveddelen av energien skal komme fra en høytemperaturs brenselcelle. Denne skal drives av biogass som blir fraktet i rør fra Midtfjordkomplekset. Grunnen til at vi mener at det er mest hensiktsmessig å bruke en høytemperaturs brenselcelle er at denne vil være mest effektiv, samtidig som den leverer jevnt med strøm. Denne kan drives på biogass og har blant annet CO2 som avfallsstoff. I følge Fredrik Hellstrøm, ved Frevar, blir CO2 normalt ikke brukt til noe (ved biogassproduksjon), men i vår undervannsfarm ser vi for oss at CO2 kan utnyttes i vårt lukkede system (undervannsfarmen) for å forsyne fotosyntesen med CO2 som reaktant. Ettersom undervannsfarmen vil være høyst automatsiert, vil vi kunne planlegge hvordan strømmen skal brukes i løpet av et døgn. Det er mulig å planlegge hvor mange prosesser som skal gå samtidig, når det skal vannes og hvordan plantenes døgn skal være. Dette blir nærmere forklart under punkt 4 Vekstforhold. 3.3 Ekstra batteri Energien fra vindmøllen kan komme til nytte når man behøver egenskapene til en lavtemperaturs brenselcelle. En av hovedfordelene med en slik type brenselcelle er at den er veldig fleksibel/ dynamisk når det kommer til produsert energi. Den vil håndtere svingninger i energibehovet og levere energi raskere ved forhøyet behov, men er i snitt mindre effektiv. Ved å ha et ekstra batteri med fornybar energi fra f.eks en vindmølle får man potensielt det beste fra begge verdener. 10
4 Beskrivelse av kulene Undervannsfarmen tenkes å bestå av flere konstruksjoner som strekker seg fra havoverflaten og ned til havbunnen, hvor de er festet. Et antall dyrkingskuler skal omfavne hver konstruksjon, slik at konstruksjonen går gjennom sentrum av kulene som omfavner den. Dette designet er hensiktsmessig da det er både areal- og kostnadsbesparende, i den forstand at man vil trenge færre konstruksjoner per dyrkingskule. Hver dyrkingskule er designet etter termosprinsippet; de skal holde konstant temperatur innvendig uavhengig av temperaturen på vannet utenfor. Dette utføres i praksis ved at dyrkingskula er konstruert med to lag, hvor rommet i mellom er vakuum. På denne måten vil man få tilnærmet lik null varmeutveksling. Dyrkingskulene skal bestå av flere plan med dyrkingsareal med mulighet for ulike typer vekstforhold, og hvert plan skal være delt i sektorer. Sektorene på hvert plan bør etter en viss tid bytte vekster for å hindre næringsfattig jord. Hver dyrkingskule skal være utstyr med en egen høytemperatur brenselcelle. Vi ser det mest hensiktsmessig å oppbevare brenselcellene inne i kulene da alt som produseres i en slik brenselcelleprosess skal brukes i det selvdrevne økosystemet. Biogassen som skal prosesseres i brenselcellene skal fraktes i undervannsrør fra Midtfjord til bunnen av hver konstruksjon. Fra bunnen av konstruksjonene skal det være mulig å føre biogassen videre oppover til hver dyrkingskule, slik at den kan brukes i brenselcellene. 11
5 Vekstforhold Ettersom undervannsfarmen blir et lukket og isolert system, kan vi gjenskape ideelle vekstforhold for forskjellige planter ved å fullstendig overvåke og kontrollere lys, temperatur, vanning og mineraltilførsel til jorda (gjødsling). For å få mest mulig ut av en høytemperaturs brenselcelle kan det være gunstig at dyrkingskulene på samme konstruksjon oprerer i med forskjellige sykluser slik at de har dag/natt om hverandre og dermed utnytter fordelene av den jevne tilstrømningen av energi. 5.1 Fotoperiode En amerikansk studie fra 1920 1 viste at daglengde (fotoperiode) for planter er avgjørende for når en rekke planter blomstrer. Den ideelle fotoperioden er forskjellig fra art til art, men også nattlengden og skumringstid har en innvirkning. Dermed vil detaljert kunnskap om arters døgnrytme gjøre at man kan automatisere vanningssystemer, lyssykluser og temperaturforhold til det optimale for hver art og spesifisere dette i forskjellige plan, sektorer eller dyrkingskuler. 2 5.2 Muligheter En mulighet som åpner seg ved at man fokuserer på et lukket system er genmodifisering. Genteknologiloven, som ble vedtatt i 1993, regulerer blant annet bruk av genmodifiserte organismer i industriproduksjon 3. Loven skal sørge for at bruken av GMO foregår uten skadevirkninger på helse og miljø. Det forskes i dag på bruk av GMO i lukkede anlegg. Om vi antar at det i løpet av de neste 40 årene gjøres mye forskning på hvordan optimalisere produksjon ved hjelp av genmodifisering på en sikker måte, kan et lukket system som vår undervannsfarm representere et sikkert system for matproduksjon ved bruk av GMO. Ettersom systemet er lukket, vil det i tillegg ikke påvirke økosystemer rundt. 1 W.W. Garner og H.A. Allard, http://www.mn.uio. no/ibv/tjenester/kunnskap/plantefys/plfys/vekst/ 2 http://www.mozzaick.com/1mpyqvqpz/ 3 https://snl.no/bioteknologi%2flovgivning 12
6 Automatisering For å kunne regulere alle prosesser og sørge for ideelle vekstforhold i det selvdrevne økosystemet, må undervannsfarmen helautomatiseres. Når fotosyntesen og dyrkingen går av seg selv, trengs teknisk utstyr for å regulere dyrkingskulenes miljø, dette i form av belysning, vanning og gjødsel. Tanken er å programmere roboter til å sondere dyrkingsarealene på hvert plan i hver kule, med sensorer som måler luftfuktighet, temperatur, lysforhold, vanningsforhold, jord- og luftsammensetning. Hver robot programmeres til å måle forholdene på et spesifikt plan for å kunne regulere miljøet i forhold til vekstbetingelsene i dette planet. er klart for å høste. Når jordsammensetningen for en spesifikk vekst måles til å nærme seg næringsfattig vil høstingsrobotene flytte sektor ved neste avling. I tillegg til å hindre næringsfattig jord, hjelper inndeling i sektorer til enklere programmering av ferdselen til sonderingsrobotene. I tillegg til sonderingsroboter trengs roboter til planting og innhøsting av grønnsaker. I motsetning til sonderingsrobotene ser vi ikke for oss at høstingsrobotene trenger å være tilstede på hvert plan til enhver tid. Vi ser heller at de hentes ved kall fra sonderingsrobotene som kan registrere når det 13 Over: Side view av dyrkingskule som viser inndeling i dyrkningsplan. Til venstre: Top view av dyrkningsplan som viser sektorinndeling.
7 Tilgjengelighet for mennesker Dyrkingskulen vil være et ideelt miljø for planter, og er ikke ment for menneskelig kontakt. Systemet er ikke designet for at mennesker skal være der, siden målet er at det skal være helautomatisert. Grønnsakene føres ut av dyrkingskulene via en heis som er integrert i bærekonstruksjonen. Slik får bærekonstruksjonen en ekstra funksjon som vareheis. Høsterobotene vil høste grønnsakene og sende dem opp med vareheisen til en plattform på overflaten. Her vil kassene med varer hentes av skip som tar maten med til oppbevaring og konsumering på Midtfjordkomplekset. Vi ser for oss at vi fortsatt må ha mulighet til å overvåke og kontrollere systemet fra et kontrollrom fra Midtfjordkomplekset, og at eventuelle problemer løses der. Hvis det imidlertid trengs menneskelig tilstedeværelse inne i dyrkingskulene vil man kunne bruke vareheisen til å frakte mennesker ut og inn. Ettersom kulen er utformet for ideelle vekstforhold for planter, og ikke for mennesker, må menneskene som går ned til dyrkingsarealet bruke ekstern tilførsel av luft når de oppholder seg der nede.
8 Konklusjon Ved å se på spesifikasjonene til hver av delene i systemet mener vi at vi har kunnet knytte dem sammen slik at avfall og restenergi utnyttes på en bærekraftig måte. Systemet består av raffinering av avfallsstoffer fra Midtfjordkomplekset til biogass og bruk av denne i brenselceller slik at vi kan utnytte energien til å skape en kunstig fotosyntese og et ideelt vekstmiljø for fremtidig matproduksjon. Vi ser at teknologien som finnes i dag utvikles i en retning som gjør dette systemet til en mulighet i fremtiden. 15