Injera, som du kanskje kjenner fra etiopiske restauranter også i Norge, er en slags lefse som er en viktig del av kostholdet i Etiopia. Afrikanske og norske forskere samarbeider nå for å utvikle lagring av solvarme, slik at ovnen også kan brukes om kvelden. (Foto: Asfafaw Tesfay, Ethiopia Institute of Technology Mekelle)
Injera, som du kanskje kjenner fra etiopiske restauranter også i Norge, er en slags lefse som er en viktig del av kostholdet i Etiopia. Afrikanske og norske forskere samarbeider nå for å utvikle lagring av solvarme, slik at ovnen også kan brukes om kvelden. (Foto: Asfafaw Tesfay, Ethiopia Institute of Technology Mekelle)

Solsteker lefse i skumringen

Lagret solvarme skal erstatte helsefarlig osing fra ovner i Afrika, også når sola går ned.

Publisert

Nytt Norad-prosjekt

Norads program for samarbeid innen høyere utdanning og forskning, Energi og Petroleum (EnPe) har bevilget tolv millioner kroner til prosjektet som Mulu Bayray Kahsay leder.

Prosjektet skal gå fra 2015 til 2018 og involverer universiteter i Etiopia, Tanzania, Uganda og Mosambik. Det er en fortsettelse av et tidligere samarbeid innenfor EnPe-, Nufu- og Noma-programmene, der fokuset har vært på forskning og utdanning innenfor fornybar energi.

Virksomheten ved NTNU har fått støtte fra Forskningsrådet og har omfattet både tekniske og sosiale studier rundt utvikling og anvendelse av småskala solenergisystemer.

Prosjektet skal resultere i et nytt masterprogram i Mosambik. Åtte doktorgradsstipendiater vil arbeide ved de afrikanske universitetene og ha forskningsopphold ved NTNU-laboratoriene innenfor områdene solenergi, vindturbiner og vannkraft.

(Kilde: Ole Jørgen Nydal, NTNU)

– Folk på landsbygda bruker trekull og ved for å koke eller steke. Røyken gir luftveisplager. Vi vil vise hvordan de kan bruke varmen fra sola isteden, sier Mulu Bayray Kahsay fra Ethiopia Institute of Technology Mekelle.

Han leder et prosjekt som skal utvikle solovner. Disse solovnene er ikke som andre solovner. Vanligvis samler slike ovner sollyset med store speil og varmer mat eller vann i brennpunktet, der og da.

– Disse solovnene skal også lagre varmen til seinere bruk, for eksempel for å bake injera om kvelden, sier Mulu til forskning.no.

 Injera er en pannekake, eller lefse om du vil, som de fleste spiser daglig i Etiopia. Lefsa er underlag for godt krydrede grønnsaker eller kjøttsauser. Å steke injera krever høy temperatur. Sollyset må fanges inn og konsentreres med speil.

Injera med tilbehør. (Foto: Asfafaw Tesfay, Ethiopia Institute of Technology Mekelle)
Injera med tilbehør. (Foto: Asfafaw Tesfay, Ethiopia Institute of Technology Mekelle)

Gjør det enkelt

Her starter problemene for Mulu og kollegene hans ved andre universiteter i Mosambik, Uganda, Tanzania og Sør-Afrika, og norske NTNU.

Den første oppgaven er å få speilet til å følge solas ferd over himmelen, omtrent som kronbladene til en blomst.

Her har ingeniørelever fra Høgskolen i Sør-Trøndelag også hjulpet til. De har utviklet et enkelt system. Ett av dem klarer seg til og med uten elektronikk.

Det består bare av to solceller som peker hver sin vei. Når sola flytter seg, faller lyset på en av cellene. Den lager strøm, som driver en motor. Motoren beveger speilet inntil cellene igjen står i skyggen og speilet er i fokus. Da stopper motoren på grunn av mangel på strøm.

Dilemma

– Dette er et godt eksempel på utfordringene og dilemmaene i dette prosjektet, sier Ole Jørgen Nydal. Han er professor ved Institutt for energi- og prosessteknikk på NTNU og leder den norske innsatsen.

– Hvis denne ovnen skulle lages og brukes i Norge, ville vi brukt sensorer og mikroprosessorer for styring av motorer, sier Nydal.

– Nå må vi bruke enklere teknologier. Belønningen får vi når folk kommer til universitetet i Mekelle og får se hvordan sola på tilsynelatende magisk vis tenner opp varmen i en kokeplate, fortsetter han.

Baking av injera på solovn med varmelagring. (Foto: Asfafaw Tesfay, Ethiopia Institute of Technology Mekelle)
Baking av injera på solovn med varmelagring. (Foto: Asfafaw Tesfay, Ethiopia Institute of Technology Mekelle)

Lagring i tre trinn

Å få speilet til å følge sola er kanskje den enkleste delen av oppgaven. Her finnes mekaniske løsninger fra før, blant annet ved storstilte prosjekter i India.

Den krevende oppgaven er energilagringen. Hvordan lager du et enkelt, sikkert, pålitelig system som kan lagre solvarmen for seinere bruk og med minst mulig tap?

Denne oppgaven kan grovt sett deles i tre. For det første må du frakte varmen vekk fra brennpunktet i speilet.

For det andre må du dumpe denne varmen i en eller annen form for lager. For det tredje må du kunne hente varmen ut igjen fra lageret i kontrollerte mengder, slik at injerapannekakene blir passe stekt.

Varmelagring fra solspeil krever enkel, robust, men samtidig effektiv teknologi. Særlig varmelageret er en utfordring for forskerne i Afrika og Norge. (Foto: (Figur: Ole Jørgen Nydal, NTNU, oversatt fra engelsk av forskning.no))
Varmelagring fra solspeil krever enkel, robust, men samtidig effektiv teknologi. Særlig varmelageret er en utfordring for forskerne i Afrika og Norge. (Foto: (Figur: Ole Jørgen Nydal, NTNU, oversatt fra engelsk av forskning.no))

Frakter varme med vanndamp

Den første overføringen av varme fra brennpunktet kan gjøres med luft, olje eller vann. Mulu har størst tro på vann.

– Vann er billig og lett tilgjengelig. Oljen må være av en spesiell type som tåler høy temperatur, og er brannfarlig, sier han.

Luft har mindre tetthet enn væsker og frakter mindre varme. Derfor trengs vifter. Det er vanskelig å lage vifter som er billige og effektive ved høye temperaturer, slik at luft kan frakte like mye varme som olje eller vann.

Uten pumpe

Et system med vann har også en annen fordel: Det kan sirkulere uten pumpe. Vannet koker i brennpunktet til solspeilet og stiger av seg selv i et rør til varmelageret.

Der gir dampen fra seg varmen, blir vann igjen og renner tilbake til brennpunktet.

Å bruke vann er likevel ikke helt problemfritt. Dampen må holdes under høyt trykk for å få høy nok temperatur til neste trinn: å lagre varmen.

– Det er mye eksperimentering som gjenstår, bekrefter Mulu.

Solovn der varmen overføres fra speilet til lageret ved hjelp av damp under høyt trykk. (Foto: Asfafaw Tesfay, Ethiopia Institute of Technology Mekelle)
Solovn der varmen overføres fra speilet til lageret ved hjelp av damp under høyt trykk. (Foto: Asfafaw Tesfay, Ethiopia Institute of Technology Mekelle)

Varm stein

Neste oppgave er å lagre varmen. Også her dukker dilemmaet opp: Det enkleste er ikke det mest effektive.

I tidligere samarbeidsprosjekter har forskerne prøvd ut to materialer i varmelageret. Det første er stein.

Småstein i en beholder er en enkel og billig løsning. Ulempen er at lageret av småstein må fylles helt opp med varme før det kan brukes. Det vil ta lang tid.

Mer varme, men ikke varmere

Solsalt er en annen mulighet. Solsalt brukes til å lagre varme i store solkraftverk, for eksempel i Spania og USA. Solsaltet har den samme fordelen som kokende vann: Du kan tilføre mer varme, men temperaturen stiger ikke.

Alle som har kokt vann på en kjele, har opplevd dette. Du skrur opp varmen på komfyren, og hva skjer? Vannet blir aldri varmere enn hundre grader. Dampen holder også hundre grader, så lenge det er vann i kjelen.

Varmen fra kokeplata lagres altså ikke som økning i temperaturen. Den lagres ved at vann går fra en fase eller tilstand til en annen, fra vann til damp.

220 grader

I solsaltet skjer overgangen mellom fast og flytende stoff, men prinsippet er det samme. Ved om lag 220 grader smelter solsaltet. Da vil temperaturen i det flytende solsaltet holde seg på 220 grader til alt er smeltet. Det er en perfekt temperatur for baking og steking, for eksempel av injera.

Takket være faseovergangen fra fast til flytende kan solsaltet ta opp minst fire ganger så mye varme som tilsvarende mengde stein.

Det betyr også at temperaturen kan holdes mer konstant, rundt 220 grader. Det er en perfekt temperatur for etiopiske injera og annen steking og baking.

Så kommer dilemmaets skyggeside: Solsalt er ikke så lett å skaffe i Etiopia, og det er dyrere. Det er et stoff som er laget med tanke på store, sentraliserte solkraftverk.

Den store beholderen til venstre inneholder småstein som lagrer varmen fra solspeilet. I dette forsøksanlegget overføres varmen fra speilet til lageret med luft. (Foto: Asfafaw Tesfay, Ethiopia Institute of Technology Mekelle)
Den store beholderen til venstre inneholder småstein som lagrer varmen fra solspeilet. I dette forsøksanlegget overføres varmen fra speilet til lageret med luft. (Foto: Asfafaw Tesfay, Ethiopia Institute of Technology Mekelle)

Nye dilemma

Den siste utfordringen er å hente varmen ut igjen fra varmelageret. Her kan du kjøre prosessen fra første trinn i revers, for eksempel med vann, olje eller luft.

Heller ikke dette er bare-bare. Varmen må kunne kontrolleres, akkurat som vi trenger å skru kokeplata opp eller ned.

Også her dukker dilemmaene opp. Du kan lage reguleringsmekanismer, men de krever ofte pumper, sensorer og regulatorer.

Forskerne har testet en løsning som virker bra for steking av injera i Etiopia. Den består av en kokeplate med finner som leder varme. Finnene er stukket ned en smelte av solsalt.

Endre vaner

For at solovnene skal bli til nytte, må folk på landsbygda ta dem i bruk. Forskere i et annet prosjekt har arbeidet med nettopp dette.

– Vi må ta hensyn til vanene til folk når vi utvikler nye systemer. Å endre kokevaner er et hinder vi må over, medgir Mulu. Det er også noen år til ovnene er klar for produksjon i stor skala.

– For tida arbeider vi med prototyper. Så må vi gjøre dem billigere å produsere, fortsetter han.

Først når det er gjort, kan de rulles ut over grisgrendte strøk i Etiopia og andre afrikanske land. Selv da vil de kreve investeringer.

– Vi må tenke mye på hvordan vi kan lage systemet rimelig nok til at folk vil kjøpe det, sier Mulu.

Hvis ikke teknologien har støtte i befolkningen, kan den lett ende opp som her. (Foto: Ole Jørgen Nydal)
Hvis ikke teknologien har støtte i befolkningen, kan den lett ende opp som her. (Foto: Ole Jørgen Nydal)

Etiopia satser på forskning og teknologi

Tross disse problemene er prosjektet nyttig på flere måter, her og nå. Det bidrar til å styrke universitetene som samarbeider om prosjektet.

– Folk fra våre universitet kommer til Norge og gjennomfører masteroppgaver og doktorgradsoppgaver. Slik får vi faglig utvikling også i Afrika, sier Mulu.

– De tidligere prosjektene har vært koordinert fra oss, men denne videreføringen styres nå fra sør, sier Ole Jørgen Nydal fra NTNU.

– Det også positivt at myndighetene i Etiopia satser sterkt på vitenskap og teknologi. Universitetene i Etiopia har vært i eksplosiv vekst, forteller Nydal.

– Forskning på solovner med varmelager er i seg selv veldig viktig, med potensial for å forbedre livet til svært mange mennesker, sier han.

Fra småskala til storskala

Solkokeren kan også være starten på noe mye større. Om ti eller tjue år kan flere av landene i Afrika ha gjort store teknologiske sprang.

– De tekniske utfordringene som denne solkokeren gir, er grunnleggende de samme som for et stort solkraftverk. De som jobber med dette i småskala, kvalifiserer seg for framtidig utvikling av solenergi i storskala med mer avansert teknologi, poengterer Nydal.

Lenker:

School of Mechanical and Industrial Engineering Wins Second Round EnPe Program Funding, nyhetsmelding på nettsidene til Ethiopia Institute of Technology Mekelle

A Presentation of EnPe 2013-2019, informasjon fra NORAD (pdf)

Small scale concentrating solar energy system with heat storage, final report, January 30, 2013 (pdf)