Artificiell snö

Artificiell snö bildas genom att snöproduktionsmaskiner (hädanefter benämnda ”snökanoner”) imiterar den naturliga formationsprocessen med hjälp av kall luft, vatten och i vissa fall vattnet har samt yttre faktorer relaterade till rådande väderlek (Lintzén, 2013).

Automatiserade snöproduktionssystem är relativt vanligt förekommande. Genom att anpassa systemet efter varierande väderförhållanden kan effektiviteten ökas och energikostnaderna minimeras, bland annat till följd av att överflödig pumpning av vatten och dito komprimering av luft undviks (Tetra Tech, 2002).

4.2.1 Olika typer av snökanoner

I snökanonerna pumpas vatten vid högt tryck genom munstycken. Med hjälp av trycksatt luft eller eldrivna fläktar finfördelas vattnet till små droppar som sprids i luften, varefter blandningen av vatten och luft fryser och bildar snöflingor. Ju längre tid blandningen exponeras för den kalla luften desto större andel av den hinner frysa innan den når marken.

Av denna anledning placeras snökanoner ofta i ställningar upphöjda över marken (Lintzén, 2013).

Det finns två huvudsakliga typer av snökanoner: fläktbaserade kanoner och tornbaserade högtryckskanoner, även kallade lansar. Produktionsmetoden skiljer sig distinkt åt mellan de olika kanontyperna, vilket leder till olika karaktäristiska för- och nackdelar associerade med respektive kanontyp såsom följande avsnitt beskriver.

4.2.1.1 Fläktkanoner

Såsom namnet indikerar använder denna kanontyp en fläkt för att sprida ut vattendropparna i luften.

Ett stort antal spraymunstycken av varierande storlek finns placerade runt om fläktens utblås.

Genom dessa munstycken tillförs vatten, som blandas med luft från fläkten och enligt ovan nämnda procedur bildar snö (Energy & Resource Solutions, 2004).

Beroende på rådande väderlek och önskat vätskeinnehåll i snön kan kastlängden och därmed tiden vattendropparna kyls av den omgivande luften varieras. I vissa fall kan snön sprutas så långt som 60 meter från snökanonen (Knutsson, 2014).

Fläktkanoner har i allmänhet inbyggda kompressorer som trycksätter luften innan den når munstyckena. Vattnet tillförs från en extern källa genom trycksatta ledningar (Energy &

Resource Solutions, 2004).

Några fördelar med denna typ av kanon är den höga produktionskapaciteten, låga vindkänsligheten samt den relativt okomplicerade installationsprocessen (TechnoAlpin,

22

2014). Dock förekommer även nackdelar såsom hög investeringskostnad, hög vikt och därmed mer komplicerad förflyttning, samt extra energiförbrukning i form av eltillförsel till fläkten.

Figur 11: Snöproduktion med fläktkanoner av modellen SMI Standard PoleCat upphöjda med hjälp av ställningar för att öka kastlängden (SMI Snowmakers, 2012).

4.2.1.2 Lansar

Lansar utnyttjar fallhöjd snarare än kastlängd för att producera snö, varför en lans kan vara upp till 10 meter hög (Lintzén, 2013). I korthet kan det sägas att lansar använder det vertikala avståndet för att få vattnet att frysa, medan fläktkanoner istället nyttjar det horisontella avståndet (Knutsson, 2014).

Lansar kan delas in i intern- och externmixningssystem. Intern mixning innebär att trycksatt luft och dito vatten mixas i en intern kammare i snökanonens munstycke. Denna mix lämnar munstycket i underkyld form, varvid små vattendroppar fryser till iskärnor och agerar som kärnbildningsplatser för större, ofrusna droppar vilka slutligen utvecklas till snöflingor (Tetra Tech, 2002).

Vid extern mixning sprutas vatten och luft ut ur separata öppningar och mixas utanför snökanonen. När den trycksatta luften expanderar underkyls ett antal små vattendroppar från vattenmunstycket och fryser därmed till iskärnor, varefter snö bildas på samma sätt som vid intern mixning.

23

Figur 12: Principskiss över extern mixning (Bächler Top Track AG, 2008). Bilden har modifierats.

Sprayen som sprutas ut av externmixningssystem har relativt låg fart, varför denna typ av system i ännu högre grad är beroende av hög fallhöjd för att snöflingor ska kunna formas (Tetra Tech, 2002).

Lansar har lägre vikt än fläktkanoner och är därmed lätta att förflytta, men begränsas förutom av dragningen av vattenledningar även av tillgången till tryckluft. Luften trycksätts vanligen av stora kompressorer i en extern lokal och pumpas på samma sätt som vattnet till kanonen (Energy & Resource Solutions, 2004).

Figur 13: Snöproduktion med lansen Top Gun 3 (JL Toppteknik AB, 2014).

Eftersom ingen fläkt används blir kastlängden kort och vindkänsligheten hög (TechnoAlpin, 2014). I och med att snön sprids över en relativt liten yta är sannolikheten hög för att en viss andel av snön inte hinner frysa innan mer vatten/snö landar ovanpå den, varför en del av snön återgår till vätskeform. Detta gäller framför allt vid höga temperaturer och leder till en låg verkningsgrad.

24

Från -10°C och kallare är lansar dock i allmänhet lika effektiva som fläktkanoner. Vad gäller själva kanonmodulen har lansar generellt en betydligt lägre investeringskostnad än fläktkanoner, men sett till det kompletta systemet inkluderat vattentillförsel blir investeringskostnaden ungefär densamma för de två respektive systemen, medan driftkostnaden per producerad kubikmeter snö blir högre med lanssystem (Skoglund, 2014).

4.2.2 Vattenpumpningssystem

En grundläggande förutsättning för att snö ska kunna produceras är tillgången till vatten, exempelvis från en närliggande sjö eller älv. Om ingen naturlig källa finns att tillgå kan vatten från det kommunala ledningsnätet användas, vilket dock är förenat med relativt höga kostnader.

Ett alternativ är att anlägga en reservoar, lämpligen på en så kort vertikal och horisontell distans som möjligt från snöproduktionssystemet för att minimera pumparnas erforderliga effekt och energiförbrukning. Uppenbarligen måste även en reservoar fyllas med vatten, vilket sker dels genom tillrinning av smältvatten från anläggningen efter säsongens slut, men till stor del måste tillgodoses genom säsongsbaserad pumpning från en naturlig källa eller tillförsel från det kommunala ledningsnätet (Energy & Resource Solutions, 2004). Fördelen jämfört med att pumpa vatten direkt till snöproduktionssystemet under vintern är att processen kan planeras till tidpunkter då elpriset är lågt, vilket generellt är fallet under sommartid. Detta resonemang kan även appliceras för användning av kommunalt vatten.

Figur 14: Reservoar och ledningssystem för snöproduktion till längdskidspår vid Bolleberget, Bollnäs.

Det pumpsystem som förser snökanonerna med vatten är generellt indelat i en hög- och en lågtrycksdel, där lågtrycksdelen står för filtrering och uppmätning av vatten, medan högtrycksdelen höjer vattentrycket till erforderlig nivå och därefter pumpar vattnet till snökanonerna (Andersson, 2009). Det bör också noteras att på grund av faktorer såsom friktion mellan vatten och ledning, samt böjar och anslutningar i ledningarna, uppstår tryckförluster som måste kompenseras av en högre pumpeffekt.

Vattenledningarna är oftast lagda minst 50-70 cm under markytan för att inte frysa under vintern. Höga tryck, uppemot 40 bar, måste hållas i ledningarna för optimal snöproduktion (Koptyug, et al., 2006).

25 4.2.2.1 Vattenkylning

Ur en energimässig och ekonomisk aspekt kan det i många fall vara gynnsamt att kyla vattnet innan det tillförs snökanonerna, framförallt om vatten från det kommunala ledningsnätet används.

Sådan kylning utförs bland annat med hjälp av spraykylningssystem och kyltorn, och ökar till en viss grad snöproduktionssystemets effektivitet. Detta beror dels på att en mindre andel av vattnet avdunstar när det sprutas ut från kanonerna, men också på att det krävs mindre energi för att omvandla en vattendroppe till en ispartikel om temperaturen på vattnet är nära fryspunkten. Därmed tar det också kortare tid för ett visst antal ispartiklar att bildas, vilket innebär att snöflingorna får en längre lufttid och således ökar sannolikheten för att de ska hinna frysa ihop innan de når marken. Användning av kallt vatten minskar dessutom risken för att det tillförda vattnet smälter många av de små ispartiklar som redan har hunnit bildas.

Det kan därmed konstateras att en lägre vattentemperatur leder till att en större andel av vattnet fryser och att mer snö således kan produceras (Tetra Tech, 2002).

För att avgöra om vattenkylning är lönsamt bör kylenergianvändningen jämföras med snöproduktionssystemets minskade energibehov. En beskrivning av det tillförda vattenflödet och den producerade snömassan vid olika vattentemperaturer finns beskrivet för olika snökanonmodeller i avsnittet 5.1.1 Vattenflöde och producerad snömassa.

Det bör i detta läge poängteras att beräkningar relaterade till vattenpumpningssystem ligger utanför detta arbetes ramar, och att den dimensionering av olika snöproduktionslösningar som utförts därför endast beaktar den del av systemet som utgörs av snökanonen.

4.2.3 Tillsatser

Genom att tillsätta naturliga substanser med struktur liknande en iskristall kan temperaturgränsen då snöproduktion är möjligt flyttas uppåt. Ett exempel på en sådan substans är protein från bakterien Pseudomonas Syringae, vilket kommersialiserats under namnet Snomax (Andersson, 2009).

På samma sätt som den heterogena kärnbildning som förekommer i molnen agerar dessa substanser som iskärnor, till vilka vattenmolekyler fäster sig och växer ifrån. Därigenom ökar sannolikheten för att en vattendroppe ska innehålla en iskärna och därmed även andelen vattendroppar som fryser ihop innan de når marken. Om vattnet som tillförs snökanonerna innehåller ett tillräckligt stort antal naturliga orenheter finns det däremot ingen konkret anledning att använda denna typ av tillsatser (Tetra Tech, 2002).

4.2.4 Väderpåverkan

Hur stor snömassa som kan produceras vid en given tidpunkt beror till stor del på omgivningens klimat, och i synnerhet på våttemperaturen, vilken i sin tur är relaterad till luftfuktigheten och den torra temperaturen, det vill säga den temperatur som uppmäts av en vanlig termometer. I korthet kan det konstateras att snöproduktion gynnas av låg relativ luftfuktighet och temperatur. Dessutom krävs en viss vindhastighet för att ny luft kontinuerligt ska kunna tillföras snökanonen.

26

Våttemperaturen är den adiabatiska mättnadstemperaturen och anger indirekt hur mycket vattenånga som luften kan innehålla vid rådande väderförhållanden. I detta arbete har våttemperaturen beräknats utifrån det empiriska sambandet beskrivet enligt följande ekvation (Stull, 2011):

[ ( ) ] [ ] [ ] [ ] [ ] (2)

där är våttemperaturen [°C], omgivningens temperatur [°C] och den relativa luftfuktigheten [%].

27