EXAMENSARBETE
Energieffektiv produktion och lagring av snö för skidtunnel
Utredning för applicering vid Lindbäcksstadion, Piteå
Henrik Fröjd 2014
Civilingenjörsexamen Hållbar energiteknik
Luleå tekniska universitet
Institutionen för teknikvetenskap och matematik
I
Förord
Jag vill i detta arbete inledningsvis rikta ett varmt tack min handledare vid LTU, Nina Lintzén, för kontinuerlig och konstruktiv feedback. Jag vill också tacka min examinator Sven Knutsson, LTU, samt projektets beställare Erik Lindbäck, Lindbäcks Bygg, för möjligheten att få utföra detta examensarbete.
Några andra personer som också har bidragit till genomförandet av detta projekt och därför förtjänar att omnämnas är Robin Nyman och Berndt Hortlund, Norconsult; Anders Knutsson, Demaclenko och Henrik Skoglund, Snowmakers. Avslutningsvis vill jag rikta ett stort tack även till personalen vid de skidtunnlar som besöktes under min studieresa i Finland, samt till Stefan Lottsson för resesällskap, fotografering och allmänt idéutbyte.
Luleå, juni 2014 Henrik Fröjd
II
Sammanfattning
Intresset för längdskidåkning är större än på länge. Samtidigt blir vintrarna allt varmare, vilket leder till minskad snötillgång och därmed också en förkortad skidsäsong. För att lösa detta problem planerar företaget Lindbäcks Bygg att uppföra en skidtunnel på Lindbäcksstadion i närheten av Piteå. På uppdrag av detta företag har examensarbetet syftat till att utforma olika metoder för att på ett energieffektivt vis tillgodose denna tunnels snöbehov.
Det huvudsakliga arbetet har utgjorts av dimensionering av system för snöproduktion och snölagring. Fyra olika alternativ för skidtunnelns snötillförsel har utretts: lagring och produktion av artificiell snö utomhus, lagring av natursnö samt produktion av snö direkt i skidtunneln eller i en extern lokal. Dessa lösningar har jämförts utifrån energiförbrukning, kostnader och driftrelaterad miljöpåverkan i form av växthusgasutsläpp.
Energiförbrukningen konstaterades vara avsevärt mycket högre vid snöproduktion inomhus än utomhus, främst beroende på den energi som åtgår för att avlägsna den värme som avges då det vatten som tillförs snökanonen fasomvandlas till is. För lagring och produktion av artificiell snö uppgår energitillförseln till 8,5 MWh, vilket ligger i paritet med energiförbrukningen för lagring och transport av natursnö. Motsvarande siffror för produktion av snö i skidtunneln alternativt i en extern produktionslokal beräknades till 1,5 respektive 1,1 GWh.
Även ur ett ekonomiskt perspektiv är snöproduktion utomhus att föredra. Den högsta investeringskostnaden föreligger för den externa produktionslokalen. Driftkostnaden är däremot högre för produktion i skidtunneln och signifikant lägre för de båda snölagringsalternativen.
Den driftrelaterade miljöpåverkan är för samtliga alternativ mycket låg förutsatt att elbehovet tillgodoses från förnyelsebara energikällor. De högsta växthusgasutsläppen uppkommer i detta fall för natursnöalternativet. Lagring av natursnö är dessutom förenat med högt klimatberoende och osäker snökvalitet, varför denna metod ej är lämplig att realisera.
Produktion och lagring av snö utomhus är mest gynnsamt med avseende på energiförbrukning, kostnader och miljöpåverkan och är därför det alternativ som i första hand rekommenderas för implementering på Lindbäcksstadion. Om det ställs mycket höga krav på snökvaliteten bör snö istället produceras inomhus i en kontrollerad miljö och då lämpligen i en extern produktionslokal.
III
Abstract
Today, there is a seldom seen interest for cross-country skiing. However, the winters are getting warmer, which causes lack of snow and hence a shortened skiing season. In order to solve this problem the company Lindbäcks Bygg plans to construct a ski tunnel at Lindbäcksstadion close to Piteå. At the request of this company, this master thesis aims to investigate different methods for an energy efficient supply of the tunnel’s snow demand.
The main part of this project has considered design of systems for snow production and snow storage. Four different alternatives for the supply of snow to the tunnel have been investigated: outdoor storage and production of artificial snow, storage of natural snow and production of snow directly inside the ski tunnel or an external facility. These methods have been compared regarding energy consumption, costs and operation-related environmental impact in the terms of greenhouse gas emissions.
It was found that the energy consumption was significantly higher for indoor than outdoor snow production, mainly because of the energy required for removal of the heat emitted when the water supplied to the snow gun changes phase into ice. The energy demand for storage and production of artificial snow was determined to 8.5 MWh, which is equivalent to the demand for storage and transport of natural snow. The corresponding values for snow production inside the ski tunnel and the external production facility were calculated to 1.5 and 1.1 GWh respectively.
From an economic perspective, outdoor snow production is also preferable. The highest investment cost is to be found for the external production facility. The operating costs are however higher for snow production inside the ski tunnel and notably lower for the two snow storage alternatives.
The environmental impact related to operation is very low for all the alternatives, provided that the electricity demand is supplied by renewable sources. The highest greenhouse gas emissions are related to the transport and storage of natural snow. This alternative is also associated with high climate dependency and uncertainties regarding the snow quality, and is thus not appropriate to realize.
Outdoor production and storage of snow is most favourable in regard to energy consumption, costs and environmental impact and is therefore the alternative that is primarily recommended for implementation at Lindbäcksstadion. If there are very high requirements on the snow quality, the snow should instead be produced in a controlled environment, preferably inside an external production facility.
IV
Innehållsförteckning
1 Introduktion ... 1
1.1 Bakgrund ... 1
1.2 Tidigare arbeten inom området ... 2
1.3 Syfte och mål ... 2
1.4 Avgränsningar ... 2
1.5 Metod ... 2
2 Inomhusanläggningar för längdskidåkning ... 4
2.1 Öppettider och besöksantal ... 4
2.2 Konstruktion ... 4
2.3 Kylsystem och inomhusklimat ... 6
2.4 Hantering, produktion och lagring av snö ... 7
2.5 Energiförbrukning och ekonomi ... 9
2.6 Problem och åtgärder ... 10
3 Lindbäcksstadion ... 11
3.1 Nuvarande utformning ... 11
3.2 Framtida utformning – Lindbäcksstadion vision 2017 ... 12
4 Snöns formation och egenskaper ... 16
4.1 Naturlig snö ... 17
4.2 Artificiell snö ... 21
5 Dimensionering av snöproduktions- och snölagringssystem ... 27
5.1 Utredning av olika snökanonmodeller ... 28
5.2 Snölager med utomhus produktion av snö ... 37
5.3 Lagring av natursnö ... 47
5.4 Produktion av snö direkt i skidtunneln ... 50
5.5 Extern produktionslokal ... 53
5.6 Jämförelse av de olika alternativen ... 57
6 Ekonomisk utredning ... 58
6.1 Investeringskostnader ... 58
6.2 Driftkostnader ... 58
7 Miljöpåverkan ... 62
7.1 Driftrelaterad påverkan ... 62
8 Diskussion ... 64
V
8.1 Snöproduktion ... 64
8.2 Lagring och transport av snö ... 66
8.3 Nedkylning av lokaler för inomhusproduktion ... 68
8.4 Ekonomi och miljö ... 68
8.5 Potentiella felkällor ... 69
8.6 Känslighetsanalys ... 70
8.7 Förslag på fortsatt arbete ... 70
9 Slutsatser ... 72
9.1 Rekommendationer ... 72
10 Litteraturförteckning ... 73
Bilagor ... 77
Bilaga A – Mätningar i finländska skidtunnlar ... 77
Bilaga B – Alternativa lösningar ... 81
Bilaga C – Klimatdata ... 84
Bilaga D – Vattenflöden för olika snökanoner ... 87
Bilaga E – Skidtunneldata från VIP-energy ... 88
Bilaga F – Produktionslokaldata från VIP-energy ... 92
Bilaga G – Flödesschema VIP-energy ... 95
VI
Variabellista
Symbol Beskrivning Enhet
Area m2
Radier m
Bredd m
Bränsleförbrukning l
Specifik värmekapacitet J/kg,K
Energi kWh
Latent värme J/kg
Höjd m
Kostnad SEK
Längd m
Massa kg
̇ Massflöde kg/h
Nederbörd m
Effekt W
Tryck bar
̇ Värmeflöde W
Relativ luftfuktighet %
Sträcka m
Temperatur °C
Tid h
Hastighet m/s
Volym m3
̇ Volymflöde l/min
Isoleringstjocklek m
Densitet kg/m3
Index
Förlust
Is
Investering
Isolering
Lager
Lastbil
Mark
Nederbörd
Producerad
Produktionslokal
Snö
Tunnel
Transport
Utomhus
Vatten
Wet bulb
Yta
Omgivning
Vissa mindre betydande variabler med tillhörande symboler och index har endast presenterats i sitt sammanhang utefter rapporten.
1
1 Introduktion
1.1 BakgrundI Sverige är intresset för skidåkning i allmänhet och längdskidåkning i synnerhet större än på länge. Detta avspeglas inte minst i och med att Vasaloppets 15 800 platser sålde slut inom loppet av 90 sekunder (Rämgård, 2014). Många skidanläggningar eftersträvar dessutom att förlänga säsongen och därmed öka besökarantalet.
På grund av klimatpåverkan är det sannolikt att vintrarna i framtiden kommer att bli mildare, vilket medför en tidigare avsmältning av snön samt en kortare period med varaktigt snötäcke.
Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) bedömer att den globala temperaturökningen för perioden 1990-2100 kommer att ligga mellan 1,8-4,0°C (SMHI, 2009). Regionalt förväntas skillnaderna vara än mer signifikanta, vilket illustreras i Figur 1.
Figur 1: Förväntad ökning av vintertemperatur (A) och årsnederbörd (B) för norra Europa.
Datan baseras på IPCC:s klimatscenarion (Koptyug, et al., 2006).
Många av dagens turistnärings- och idrottsverksamheter är beroende av snö och kommer därför att få problem om snötillgången minskar, något som avspeglas inte minst i form av en kortare skidsäsong. För enskilda vinteranläggningar blir därmed antalet besökare och kunder färre, vilket resulterar i mindre intäkter.
Snö- och skidsäsongen kan förlängas och förbättras med hjälp av ett antal olika metoder.
Artificiellt framställd snö används på ett stort antal anläggningar runt om i världen, men är i sig inte tillräckligt för att säkerhetsställa skidsäsongen eftersom produktionen är beroende av
2
ett kallt klimat. Genom säsongslagring av artificiell och/eller naturlig snö kan dock sannolikheten för en tillfredsställande skidsäsong ökas markant. Denna sannolikhet ökas ytterligare om skidspåren dessutom är konstfrusna. Skidtunnlar kombinerar dessa metoder med kylning av inomhusluften, varför skidåkning i vinterklimat kan garanteras året runt.
Med detta i åtanke planerar byggföretaget Lindbäcks Bygg AB att uppföra en skidtunnel på Lindbäcksstadion i Piteås närområde. På uppdrag av detta företag har examensarbetet inriktats på produktion och lagring av snö för denna skidtunnel.
Examensarbetet omfattar 30 högskolepoäng och utgör det sista momentet inom civilingenjörs- programmet Hållbar energiteknik med inriktning Bioenergi/Energieffektivisering vid Luleå tekniska universitet.
1.2 Tidigare arbeten inom området
Ett större antal utredningar har tidigare utförts beträffande skidtunnlar. Några exempel är Ceruts studie om Torsby Ski Tunnel (Westlindh, 2006) och Stockholm universitets utredning angående en potentiell skidtunnel i Lida (Ankre, et al., 2010). Mer ingående information relaterad till detta står att finna under avsnittet Inomhusanläggningar för längdskidåkning.
1.3 Syfte och mål
Examensarbetets huvudsakliga syfte är att identifiera aspekter för ett energieffektivt tillgodoseende av snöbehovet för en planerad skidtunnel på Lindbäcksstadion i Piteå. Målet är att ta fram en rekommendation för utformningen av skidtunnelns snöproduktions- och snölagringssystem samt bedöma energiåtgång och ekonomisk potential för dessa system.
1.4 Avgränsningar
Projektet är avgränsat geografiskt till Lindbäcksstadion i Piteå samt tekniskt till produktion och lagring av snö för den planerade skidtunneln i detta område. För snöproduktion fokuseras arbetet på optimering av drift samt val av utrustning. System för pumpning av vatten behandlas endast marginellt.
1.5 Metod
Inledningsvis utfördes en förundersökning i form av studiebesök på ett antal etablerade skidtunnlar i Finland. Under dessa studiebesök utreddes egenskaper relaterade till skidtunnlarnas konstruktion, kylsystem, inomhusklimat och snöhantering genom mätningar och intervjuer av personal vid respektive anläggning.
Det huvudsakliga arbetet har utgjorts av dimensionering av system för snöproduktion och snölagring. Ett antal lösningar för att tillgodose skidtunnelns snöbehov har utretts och diskuterats, med fokus på att finna en optimal lösning för aktuellt klimat och geografiskt läge.
Dessutom har olika metoder för artificiell snöproduktion behandlats. Slutligen har en rekommendation tagits fram baserat på energiförbrukning, kostnader samt driftrelaterad miljöpåverkan i form av växthusgasutsläpp för respektive alternativ.
För dimensionering av snölager samt beräkningar relaterade till snöproduktion har Microsoft Excel använts, medan energibalanser för skidtunneln och en extern snöproduktionslokal har
3
utförts i Strusoft VIP-Energy. I övrigt involverar detta examensarbete en litteraturstudie, liksom datainsamling relaterad till skidtunnelns egenskaper och klimatdata för området.
Arbetet redovisas i form av denna tekniska rapport och en muntlig slutpresentation på Luleå tekniska universitet samt för berörda parter involverade i Lindbäcksstadion och dess utveckling.
4
2 Inomhusanläggningar för längdskidåkning
I dagsläget finns det åtminstone åtta stycken inomhusanläggningar för längdskidåkning (hädanefter benämnda ”skidtunnlar”) i drift i världen, samtliga belägna i norra Europa. Den första av dessa, Vuokatti Ski Tunnel i mellersta Finland, invigdes år 1997 (Pelkonen &
Ahtava, 2014). Sedan dess har ytterligare fem liknande anläggningar konstruerats i Finland.
Dessutom finns det en skidtunnel i Sverige, Torsby Ski Tunnel, samt en i Tyskland, DKB Skisport-HALLE i Oberhof. Ett flertal nya skidtunnlar planeras också på en rad håll i världen.
Förutom Lindbäcksstadion i Piteå finns långt gångna planer även i exempelvis Bräcke (Mid Sweden Ski Park, 2013) och Lida utanför Stockholm (Ankre, et al., 2010). Det bör också nämnas att det i dagsläget dessutom existerar ett större antal inomhusanläggningar för alpin skidåkning, bland annat på en rad olika platser i Holland (Lintzén, 2013) samt i Dubai (Ski Dubai, 2014).
För att erhålla en inledande förståelse för skidtunnlarnas uppbyggnad, tekniska system och övriga funktioner genomfördes en studieresa i Finland under februari 2014. Under denna resa besöktes skidanläggningarna i Vuokatti, Leppävirta, Paimio och Uusikaupunki. Vid dessa anläggningar utfördes intervjuer av den tekniskt ansvariga personalen liksom mätningar av temperaturer, relativ luftfuktighet, luftflöde och ljudnivåer inuti skidtunnlarna. Resultaten från dessa mätningar finns presenterade i Bilaga A – Mätningar i finländska skidtunnlar.
Den information som följer i detta avsnitt baseras om inget annat anges på studiebesöket i Finland och fortsatt kontakt via mail med anläggningarnas personal. Mer specifikt avses Vuokatti Ski Tunnel (Pelkonen & Ahtava, 2014), Vesileppis Skiing Arena i Leppävirta (Lantto & Tirkkonen, 2014), Finnfoam Paippi i Paimio (Pärnä, 2014) och Vahterusring i Uusikaupunki (Ihala, 2014).
2.1 Öppettider och besöksantal
Beroende på faktorer såsom klimat och befolkningstäthet i området förekommer vissa skillnader vad gäller skidtunnlarnas besöksantal och öppethållande. Exempelvis kan det nämnas att Vuokatti Ski Tunnel årligen har 25 000-30 000 besökare, varav merparten anländer under högsäsongen i november-december. Denna anläggning har öppet dagligen juni-december, och även januari-april om det råder brist på snö eller om utomhustemperaturen understiger -15°C.
Ett liknande mönster kan ses för de övriga skidtunnlarna i Finland. Ett undantag är Finnfoam Paippi, som från och med detta år planeras vara öppet året runt. De första säsongerna var detta fallet även för Vesileppis Skiing Arena och Vahterusring, men bristande lönsamhet till följd av låga besöksantal och hög energianvändning har föranlett att dessa anläggningar numera är avstängda sommartid.
2.2 Konstruktion
Under studieresan kunde tre olika konstruktionstyper för skidtunnlar noteras:
underjordskonstruktioner, ovanjordskonstruktioner samt utnyttjande av befintliga bergrum.
Gemensamt för samtliga skidtunneltyper är användandet av markisolering, i merparten av fallen cellplast. Under isoleringsskiktet har marken jämnats ut, och i vissa fall täckts av en
5
betongsula. I de flesta tunnlarna har ett skikt av fint grus eller sand placerats ovanpå isoleringen för att den inte ska ta skada under snöläggningsprocessen. I de anläggningar som begagnar sig av markkylning innehåller detta skikt även kylslingor. Ett exempel på bottenskiktets uppbyggnad står att finna nedan i Figur 2.
Figur 2: Uppbyggnad av Torsby Ski Tunnels bottenskikt (Isover, 2006). De olika lagren utgörs nedifrån och upp av en betongsula, cellplastisolering samt finmakadam i vilket kylslingor finns integrerade.
2.2.1 Underjordskonstruktioner
Med underjordskonstruktioner avses skidtunnlar som har täckts med stora jordmassor, dels för att minska värmeöverföringen från omgivningen men också för att smälta in bättre i naturen.
Exempel på sådana tunnlar är Vuokatti Ski Tunnel och Torsby Ski Tunnel. Båda dessa skidtunnlar är halvcirkelformade och till största delen konstruerade i betong.
De två ovan nämnda skidtunnlarna är synnerligen snarlika även i fråga om geometriska dimensioner och höjdprofil. Diametern uppgår för båda konstruktionerna till 8 m, vilket innebär en takhöjd på 4 m vid den högsta punkten. Skidtunneln i Vuokatti är 1200 m lång och har en ackumulerad stigning på 51 m för ett varv fram och tillbaka genom tunneln.
Motsvarande värden för Torsby Ski Tunnel är 1287 m längd respektive 25 m stigning (Torsby Ski Tunnel, 2014).
2.2.2 Ovanjordskonstruktioner
Skidtunnlar belägna ovan jord skiljer sig signifikant åt vad gäller materialval för tak och väggar. Finnfoam Paippi har en stomme i betong, och har utöver detta isolerats med ett 30 cm tjockt lager cellplast för att minska energiförbrukningen. Vahterusring är däremot konstruerad av stål samt ett isolerande skikt av mineralull. Den totala väggtjockleken uppgår i detta fall till endast 10 cm, vilket innebär att värmeutbytet med omgivningen blir relativt högt. Detta
6
motverkas dock till viss del av att en utanpåliggande löp- och cykeltunnel fungerar som en luftspalt och därmed förbättrar skidtunnelns isoleringsförmåga.
Vahterusring är en cirkelformad tunnel med längden 1000 m, bredden 5 m, en takhöjd på cirka 4 m samt en total ackumulerad stigning per varv på 16 m. Finnfoam Paippi är 725 m lång, varav 500 m utgörs av en rundslinga med bredden 6 m och resterande del av en 12 m bred sektion där spåren möts . Stigningen är 11 m per varv, och tunnelns höjd varierar mellan 5 och 7 m, där den lägre höjden återfinns för rundslingan.
I sammanhanget bör DKB Skisport-HALLE också nämnas. Även denna skidtunnel är uppbyggd av betong, som i detta fall har prefabricerats och därefter satts ihop tillsammans med isoleringspaneler. Tunnelns utformning är av mer avancerad karaktär än tidigare nämnda tunnlars, och inkluderar en hallbyggnad såväl som tre loopar av olika längd anslutna till denna byggnad. Den totala åkbara längden är 1754 m, vilket genererar en ackumulerad stigning på 25 m. Skidtunnelns golvarea uppgår till 10 000 m2 (DKB Skisport-HALLE, 2014).
2.2.3 Anpassning av bergrum
Om ett befintligt utrymme såsom ett bergrum eller dylikt finns att tillgå är förutsättningarna goda för att etablera en inomhusanläggning för längdskidåkning. För detta utrymme blir påverkan från yttre faktorer såsom vind, sol och utomhustemperatur negligerbar, och värmeutbyte sker i princip enbart med den omgivande berggrunden.
Ett exempel på en sådan anläggning är Vesileppis Skiing Arena, där ett gammalt skyddsrum beläget 35 m under markytan har förstärkts med bultar, armerade stålstänger och sprutbetong.
Dessutom har en bred tunnel som ansluter till den större hallen vid två punkter grävts ut för att ge upphov till viss kupering längs spårets sträckning. Den totala spårlängden blir på så sätt cirka 1000 m, utbrett över en yta på närmare 8000 m2.
2.3 Kylsystem och inomhusklimat
Den grundläggande principen för en skidtunnel är att bevara ett komfortabelt inomhusklimat för besökarna trots varierande utomhusförhållanden. Detta innebär att temperaturen i lokalen bör hållas mellan 0 och -10°C, och den relativa luftfuktigheten omkring 80 %. Därmed måste tunneln kylas under stora delar av året, undantaget de dagar då det är tillräckligt kallt för att istället cirkulera utomhusluft i tunneln. Om utomhustemperaturen understiger den nedre komfortgränsen är det erforderligt att värma upp den luft som tas in, något som i allmänhet dock endast sker ett par dagar per säsong.
Skidtunnlar kyls generellt både genom ventilationssystemet och kylslingor i marken. Ett undantag är Vuokatti, där ingen apparatur för markkylning finns installerat utan endast luftkylning används.
Med hjälp av kompressorkylmaskiner pumpas en köldbärare, exempelvis glykol, runt i kylslingorna som därmed kyler marken och slutligen snön. På ett likartat vis kyls även den tilluft som blåses in i tunneln med hjälp av ventilationssystemet. Kylsystemen är vanligen uppdelade i ett antal ekvivalenta sektioner som styrs separat för att hålla ett enhetligt inomhusklimat i hela skidtunneln. På vissa anläggningar används dessutom avfuktare för att sänka den relativa luftfuktigheten ned till komfortabla nivåer.
7
Utöver luftens temperatur och relativa fuktighet är luftflöde, ljudnivåer och snötemperatur betydelsefulla parametrar för skidåkarnas upplevelse och komfort inuti tunneln.
2.4 Hantering, produktion och lagring av snö
För detta arbete är snöproduktion och snölagring essentiella beståndsdelar. Dessutom är hantering och bearbetning av snön nära relaterat till dessa processer och har därför också stor betydelse.
2.4.1 Snöproduktion
Traditionellt sett används natursnö eller konstsnö som producerats utomhus för att tillgodose snöbehovet för ett skidspår. Så är även fallet för merparten av de skidtunnlar som studerats, med undantag av Vuokatti Ski Tunnel och DKB Skisport-HALLE där snön produceras inomhus i tunneln respektive en stor hallbyggnad.
2.4.1.1 Utomhus
Både Vesileppis Skiing Arena och Vahterusring ligger nära snökällor i form av en sjö respektive havet, och tillgodoser därför stora delar av sitt snöbehov med natursnö som transporteras från dessa platser. Oftast kompletteras detta med konstsnö som produceras i närheten av skidtunnlarna. Finnfoam Paippi använder däremot endast artificiell snö som produceras i direkt anslutning till anläggningen.
En alternativ metod är att använda isskrap från hockey- och bandyplaner, något som utförs bland annat i Åbo och Söderhamn men inte har utretts vidare i detta arbete.
2.4.1.2 Inomhus
Vuokatti Ski Tunnel använder sig under säsongen uteslutande av konstnö producerad av 10 stycken specialdesignade snökanoner inuti tunneln. Snöproduktion utförs en gång varje månad, varvid skidtunneln stängs av för allmänheten under en period av 2 dagar och ett nytt snötäcke, omkring 3 cm djupt, produceras. Under denna period sänks temperaturen i tunneln till -10°C för att optimera snöproduktionen.
Som nämnt produceras snö inomhus även i DKB Skisport-HALLE, i detta fall i den 8 meter höga centrala hallen. En för anläggningen specifik typ av snömaskiner får vatten att avdunsta samtidigt som det blandas med trycksatt luft vid låg temperatur; -22°C. Därefter sprayas blandningen ut genom munstycken i taket av hallen och faller ned mot marken, varvid snö bildas (DKB Skisport-HALLE, 2014).
2.4.2 Snölagring
De anläggningar som studerats använder ett antal olika metoder för snölagring. Anledningen till att snö lagras är att snöstrukturen slits ut samt att snön smutsas ned och därför behöver bytas ut med jämna mellanrum, vilket finns mer utförligt beskrivet i avsnittet 2.4.3 Snöhantering och spårdragning.
Vad gäller Finnfoam Paippi lagras snö utpistat och jämnt fördelat längs skidspåren inuti tunneln, vilket dock påverkar spårkvaliteten negativt eftersom kylslingorna inte klarar av att kyla igenom hela det förtjockade snötäcket.
8
En mer vanligt förekommande lagringsmetod är att lagra snö i en hög, lämpligen täckt med någon typ av isoleringsmaterial för att minska värmetillförseln från omgivningen. Vissa material, bland annat träflis, stimulerar dessutom avdunstningen av vatten och bidrar därmed till att snöhögen kyls ned.
I Vesileppis Skiing Arena lagras snö inomhus i det ena hörnet av arenadelen. Cirka 30 % extra snö jämfört med det initiala behovet lagras årligen för att kontinuerligt kunna byta ut det översta skiktet av snötäcket. Uppenbarligen kan snö även lagras utomhus, men då med större värmeutbyte med omgivningen och därmed ökade avsmältningsförluster. I Vuokatti lagras ingen snö för skidtunneln, men däremot anordnas varje år i oktober ett skidspår utomhus längs rullskidbanan för vilket snö lagras i en hög täckt med ett cirka 40 cm tjockt sågspånslager. På ett liknande vis lagras även snö för Torsby Ski Tunnel (Lintzén, 2013), samt för Vahterusring - i det sistnämnda fallet med torv som isoleringsmaterial.
Figur 3: Snölager för utomhusskidspår.
2.4.3 Snöhantering och spårdragning
Snötäckets tjocklek i skidtunnlarna varierar beroende på årstid samt i de fall natursnö används även på snötillgång. I allmänhet är snötäcket som tjockast, omkring 50 cm, i slutet av vintern då snö har producerats för att täcka påfyllningsbehovet under sommarhalvåret.
Som regel fylls snö på månatligen för att täcka över det strukturellt nedbrutna och eventuellt nedsmutsade ytskiktet. Ett antal gånger per år plogas de översta 5-10 centimeterna av snötäcket bort av pistmaskinen ytskiktet bort på grund av att snöstrukturen brutits ned alltför mycket. En alternativ metod brukas I Torsby Ski Tunnel, där det som regel inte sker någon kontinuerlig snöpåfyllning, utan det anses tillräckligt att endast skrapa bort snötäckets ytskikt med jämna mellanrum.
Den resterande snömassan i skidtunnlarna byts ut då merparten av snön bearbetats till den grad att strukturen brutits ned och därmed skidspårens kvalitet blir lidande. Detta inträffar 1-2 gånger per tvåårsperiod beroende på bland annat personbelastningen i respektive tunnel. I Vuokatti byts snön aldrig ut helt och hållet, utan ett decimetertjockt lager av isliknande, tätpackad snö lämnas efter varje säsong för att grunden ska hållas stabil.
Pistning och spårdragning sker generellt dagligen under högsäsong, samt ett par gånger per vecka under lågsäsong. Eftersom pistmaskiner genererar avgaser utförs pistningen under
9
kvällstid så att ventilationssystemet hinner återställa luftkvaliteten till normalt tillstånd innan besökarna anländer.
2.5 Energiförbrukning och ekonomi
En skidtunnel kräver stora mängder energi för att kunna tillgodose kylbehovet. För samtliga besökta anläggningar utförs detta med hjälp av eldrivna kompressorkylmaskiner, som tillsammans med cirkulationspumpar och fläktar står för merparten av anläggningarnas totala energiförbrukning.
Energiförbrukningen för de besökta skidtunnlarna samt Torsby Ski Tunnel och DKB Skisport-HALLE finns tillsammans med andra i sammanhanget betydande parametrar presenterade i Tabell 1.
Tabell 1: Olika skidtunnlar samt motsvarande energiförbrukning och kostnader fördelat över åkytan i respektive tunnel.
Byggår
Åkbar area [m2]
Energiförbrukning [kWh/år,m2]
Energikostnad [SEK/år,m2]
Investerings- kostnad [SEK/m2] Vuokatti Ski
Tunnel 1997 9600 63* 61 3144
Vesileppis
Skiing Arena 2004 8000 55 54 5727
Vahterusring 2005 5000 73 71 4642
Finnfoam
Paippi - 4350 230 226 -
Torsby Ski
Tunnel 2006 10400 - - 5885
DKB Skisport-
HALLE 2009 10000 - - 14870
För att erhålla en så rättvis jämförelse som möjligt har energiförbrukningen samt energi- och investeringskostnaderna fördelats över den åkbara arean för respektive tunnel, vilket Tabell 1 illustrerar. Investeringskostnaderna har omvandlats från euro till SEK enligt genomsnittliga valutakurser för respektive år (Sveriges Riksbank, 2014). Motsvarande omvandling för energikostnaden har utförts enligt rådande valutakurs maj 2014. För Vuokatti Ski Tunnel fanns ingen konkret data över energianvändningen fanns att tillgå. Vid besöket uppgavs det dock att skidtunneln förbrukar elektricitet motsvarande cirka 100 villor, vilket skulle motsvara ungefär 600 MWh/år vid full drift baserat på elförbrukningen för en genomsnittlig svensk villa (Energimyndigheten, 2012).
Från tabellen framgår det att energiförbrukningen och därmed även den årliga energikostnaden är lägre för de två underjordiska anläggningarna. Den höga energiförbrukningen för Finnfoam Paippi motiverar föreståndarens önskan om ökad isoleringstjocklek. Vad som är inkluderat i energiförbrukningen för de olika tunnlarna är dock oklart, varför de presenterade värdena endast bör ses som indikativa. Den totala driftkostnaden påverkas förutom av energiförbrukningen även av faktorer såsom personalkostnad och underhåll. Exempelvis är den årliga energikostnaden för Vuokatti Ski
10
Tunnel cirka 0,60 MSEK, medan den totala driftkostnaden uppgår till drygt 3 MSEK (Lintzén, 2013).
Intäkter erhålls från spårkortsförsäljning, skiduthyrning och andra kringaktiviteter samt mat och logi i de fall anläggningen erbjuder det. Merparten av anläggningarna lyckas därför gå med en viss vinst, i synnerhet under de år då förutsättningarna för skidåkning utomhus är ogynnsamma.
Investeringskostnaden varierar signifikant mellan de olika anläggningarna, delvis beroende på vilket år respektive anläggning konstruerades men också på den tekniska utformningen och funktionaliteten. Både inflation och byggkonjunktur är orsaker till att investeringskostnaden varierar och överlag ökar år för år. Till exempel uppgav föreståndaren för Vuokatti Ski Tunnel att anläggningen skulle kosta ungefär tre gånger mer att bygga idag jämfört med år 1997 då tunneln uppfördes. Noterbart är att investeringskostnaden för DKB Skisport-HALLE var mer än dubbelt så hög som för någon annan tunnel, både totalt och per areaenhet.
Finnfoam Paippi köptes år 2011 från ett konkursat företag och hade därför inga uppgifter om anläggningens investeringskostnad.
2.6 Problem och åtgärder
Under årens gång har anläggningarna stött på diverse problem och utfört åtgärder i olika grad.
Vissa problem är relaterade till utformningen av respektive tunnel och är därför svåra att lösa i efterhand. Bland annat uppgav personalen vid de tunnlar som saknar arenadel att ytor för teknikträning, lekar och skidskytte vore önskvärt.
För Vuokatti Ski Tunnel har det observerats att vid ihållande regnperioder blir både snön och luften i tunneln fuktigare, vilket det delvis kan kompenseras för med ökad luftomsättning och lägre temperatur på tilluften, något som även innebär en ökning av energikostnaderna (Lintzén, 2013). Sedan invigningen har temperaturen har sänkts från 0°C till -7°C för att förbättra skidåkningsförhållandena, vilket även det har inneburit ökade energikostnader till följd av ökat kylbehov. Detta har dock till viss del kompenserats av kontinuerliga förbättringar och uppgraderingar av kylsystemet.
I Vesileppis Skiing Arena har cirkulationsfläktar installerats för att förbättra ventilationen, avlägsna fukt och möjliggöra att hallen kan drivas vid kallare temperaturer om nödvändigt.
Tunneln har genom åren drabbats av ett antal läckage från kylslingorna, främst på grund av att trycket i ledningarna är för högt. Detta har i sin tur orsakats av att kompressorerna är placerade på marknivå 35 meter ovanför arenan, vilket de inte är dimensionerade för.
För Vahterusring har det framlagts önskemål om en bredare tunnel med mindre snäva kurvor för att underlätta omkörningar och minimera risken för olyckor.
Föreståndaren vid Finnfoam Paippi uppgav vid besöket att mer isolering är nödvändigt för att minimera energikostnaderna. Av denna anledning har de flesta fönstren fyllts igen med isolering, och dessutom har tak och dörrar tilläggsisolerats. En planerad åtgärd relaterad till energiförbrukningen är att måla om det i nuläget svarta taket till vitt under sommaren för att minska värmeabsorptionen.
11
3 Lindbäcksstadion
3.1 Nuvarande utformningLindbäcksstadion är en året runt-anläggning belägen på Vallsberget, 7 km väster om Piteå.
Vintertid erbjuds utförsåkning för åkare av alla nivåer i form av tre nedfarter och två liftar, fun park, skicrossbana samt barnbacke med rullbandslift och pulkbacke. För längdåkning finns det spår preparerade både för skate och klassisk åkning i längder upp till 19 km, samt belysta slingor i längder mellan 0,7 och 2,8 km i stadions närområde. Dessutom finns en skidskyttearena med 20 skjutmål. Sommartid är det möjligt att åka rullskidor längs en 2,9 km lång bana. Möjligheter till skytte, promenader och jogging, bärplockning samt orientering på fasta kontroller föreligger också, liksom vandring längs den 5,5 km långa Pilgrimsleden (Piteå kommun, 2011). I området arrangeras dessutom aktiviteter såsom svampplockarturer och bilbingo (Lindbäcksstadion, 2014).
Figur 4: Vy över längdskidstadion.
3.1.1 Produktion och lagring av snö
Vid ett besök till Lindbäcksstadion konstaterades det att den nuvarande verksamheten vid skidbacken begagnar sig av ett antal snökanoner, bland annat av modellerna FA540, Ventus och Northwind från tillverkaren Demaclenko. Enligt Tomas Lindbäck, driftansvarig för alpinanläggningen, äger Lindbäcksstadion idag tre fläktkanoner av modellen SMI Standard PoleCat, medan övriga kanoner vid anläggningen är endast är demomaskiner (Lindbäck, 2014). Längdskidanläggningen på området använder sig av lansar av typen Top Gun 3 från JL Toppteknik AB (Skoglund, 2014). Snökanonerna förses med vatten som pumpas från den närbelägna Svensbyfjärden.
Under somrarna 2012 och 2013 lagrades snö på Lindbäcksstadion för att garantera en tidig start på skidsäsongen samt för att kunna genomföra tävlingen BDX-sprinten i månadsskiftet
12
oktober-november (Lintzén, 2012), (Trygg, 2013). Av samma anledningar lagras snö även inför sommaren 2014. Snö från den gångna vintern samlades ihop och övertäcktes i slutet av april med en viraduk samt ett barklager. Snöhögen var vid denna tidpunkt omkring 50 meter lång, 12 meter bred och 5 meter hög, vilket innebär att uppemot 3000 m3 snö lagrats (Nilsson
& Pajala, 2014).
3.1.2 Energianvändning
Energianvändningen i form av el för Lindbäcksstadion uppgick år 2013 till 248 MWh (Hortlund, 2014). Den månatliga fördelningen illustreras nedan i Figur 5.
Figur 5: Månatlig energianvändning vid Lindbäcksstadion år 2013.
Som synes i Figur 5 var energianvändningen som högst i januari månad och närmast negligerbar under sommarmånaderna. Ett liknande mönster uppvisas även för effektanvändningen, som även den var som högst i januari, både sett till max- och medeleffekt. Den maximala effekten var för denna månad 319 kW, och genomsnittet 83 kW.
3.2 Framtida utformning – Lindbäcksstadion vision 2017
Den data som presenteras i detta avsnitt härrör om inget annat anges från de möten som hölls med planeringsgruppen för stadion under våren 2014 samt Norconsults underlag för energi- och effektberäkningar (Hortlund, 2014).
I slutet av år 2017 planeras en signifikant utökning av anläggningen i form av en satsning omfattande 450 MSEK, varav uppskattningsvis 80 MSEK åtgår till konstruktion av en skidtunnel för längdskidåkning. Förutom denna tunnel inkluderas i satsningen även två hotell, en stugby, en restaurang, en campinganläggning, en ny lift samt en skidtunnel för alpin skidåkning (Svensson, 2013). Utöver detta föreligger mindre konkretiserade planer på att inrätta en så kallad Snöakademi för snörelaterad forskning och samröre med det lokala utbildningsväsendet.
0 10 000 20 000 30 000 40 000 50 000 60 000 70 000
Jan Feb Mar Apr Maj Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dec
Energianvändning [kWh]
13
Dessutom är tanken att anläggningen ska vara självförsörjande på energi. Fokus ligger på att använda förnyelsebar energi från vindkraftverk, solceller och solfångare. Anläggningens eventuella över- och underskott i elproduktion kommer då att balanseras ut med hjälp av elnätet.
Figur 6: Översiktsskiss för Lindbäcksstadion enligt visionen för år 2017 (Gkiafi, 2014).
Inledningsvis fokuseras arbetet på infrastruktur i form av vatten, avlopp, vägar, parkering och campinganläggning. Längdskidtunneln inklusive en större tillhörande servicebyggnad beräknas stå klar i slutet av år 2015. Simultant pågår byggnation av vindkraftverk, solenergisystem samt hotellet vid toppen av backen, vilket uppskattas vara färdigställt under år 2016. Därefter följer konstruktion av den alpina skidtunneln samtidigt som stugbyn, det nedre hotellet och restaurangen utformas. Dessa två processer planeras vara klara i början respektive slutet av år 2017.
3.2.1 Längdskidtunneln
Tunneln för längdskidåkning planeras bli 1800 m lång, 10 m bred och 3 m hög, vilket i skrivande stund innebär att den blir världens längsta i sitt slag. Den kommer på samma sätt som många andra liknande tunnlar att delas in i sektioner, i detta fall 100 m långa sådana.
Skidtunneln kommer dessutom att följa den naturliga kuperingen, vilket medför en varierande höjdprofil, inte minst i och med att bansträckningen inkluderar en större backe i den bortre delen av tunneln.
Skidtunneln kommer att ligga helt ovan jord, där det översta skiktet av marken utgörs av ett 10 cm tjockt gruslager. Väggar och tak planeras att byggas i solitt trä med en tjocklek av 200
14
mm samt en diffunderande, fuktsäker linisolering av tjockleken 100 mm. Ett alternativ utan tilläggsisolering togs också fram, men sannolikheten att det kommer att användas är låg på grund av den markant förhöjda energiförbrukning som detta alternativ medför.
För varje 100-meterssektion avses det finnas glasfönster med en area av 100 m2, det vill säga 1/6 den totala väggarean. Därmed finns det goda förutsättningar för att erhålla en inbjudande inomhusmiljö med naturligt ljus. Dock medför denna design att värmeöverföringen från omgivningen och därmed också energiförbrukningen blir relativt hög.
Figur 7: Planerat utseende för infarten mot Lindbäcksstadion med längdskidtunneln i en utmärkande position (Gkiafi, 2014).
Snödjupet i skidtunneln har valts till 50 cm och stämmer väl överens med uppgivna data från andra skidtunnlar (se kapitel 2 Inomhusanläggningar för längdskidåkning).
Inomhustemperaturen -3°C eftersträvas i tunneln, men under kalla dagar tillåts temperaturen gå ned till som lägst -8°C innan uppvärmning av luften sker. Den relativa luftfuktigheten regleras för att som mest uppgå till 85 %.
Eventuellt kommer en del av tunneln att utnyttjas för däcktestning under sommarhalvåret, vilket i så fall kräver ökad ventilation samt att tunneln utvidgas geometriskt. För detta arbete har det dock antagits att tunneln endast utformas och används för längdskidåkning.
15 3.2.1.1 Energi- och effektanvändning
Eftersom Norconsults beräkningar för skidtunneln baserats på längden 1300 meter och den planerade längden för tunneln uppgår till 1800 meter, utfördes en korrigering av energibehovet enligt
(1)
där är den korrigerade energiförbrukningen för skidtunneln [MWh], tillika den energiförbrukning som använts för fortsatta beräkningar, och den okorrigerade energiförbrukningen [MWh]. Ekvation (1) förutsätter att energiförbrukningen är proportionell mot tunnelns längd, vilket också hävdats av Norconsult (Nyman, 2014). Samma antagande har även gjorts för eleffektanvändningen.
Efter korrigering kunde den totala årliga energianvändningen för skidtunneln bestämmas till 2531 MWh och motsvarande effektanvändning till 2096 kW. Närmare 70 % av effekten åtgår till kompressorer och fläktar, medan resterande 30 % krävs för belysning och uppvärmning av fönster. En mer utförlig beskrivning av energibehovet för skidtunneln står att finna i avsnittet 5.4 Produktion av snö direkt i skidtunneln.
16
4 Snöns formation och egenskaper
Snö består av en blandning av vatten och luft, där merparten av vattnet befinner sig i fruset tillstånd, det vill säga is (Bergman, 2013). Snö kan framställas både på naturlig och artificiell väg. Dessa två processer är fundamentalt olika, varför även den resulterande produkten, det vill säga snön, har varierande egenskaper. Formation av naturlig snö, även kallat natursnö, är en tidskrävande process som resulterar i komplexa kristallstrukturer, vilket gör snön svår att packa och därmed ger upphov till en relativt låg densitet (Andersson, 2009). Artificiell snö, även benämnt konstsnö, bildas däremot inom loppet av ett antal sekunder. Dessutom fryser konstsnö i motsats till natursnö utifrån och in, vilket tillsammans med den korta formationstiden genererar en avrundad, lätt trubbig struktur. Denna struktur är ur packningssynpunkt betydligt gynnsammare, vilket också avspeglas i form av en högre densitet.
När snön har fallit till marken och bildat ett snötäcke påbörjas en process där dess geometri såväl som dess fysiska och mekaniska egenskaper förändras. Till följd av framför allt trycket från ovanliggande lager av snö bryts strukturen ned ytterligare, varvid tomrummen mellan snökristallerna minskar och snötäckets densitet därmed ökar. Denna process, kallad metamorfos eller omformning, pågår tills snötäcket har smält eller omvandlats till is (Bergman, 2013). Därmed kommer snöns egenskaper att skilja sig signifikant beroende inte bara på omgivningens förhållanden, utan också på tiden snön har lagrats. En implikation av detta är att natursnö efter en viss tids metamorfos kommer att ha samma struktur och egenskaper som konstsnö.
Densiteten är av hög relevans både för lagring och transport av snö. Då snö lagras är en hög densitet att föredra, eftersom det medför att den erforderliga snövolymen minskar och därmed mindre isoleringsmaterial och lagringsutrymme krävs. Av samma anledning erfordras en längre total transportsträcka för en given snömassa då densiteten är låg, vilket medför implikationer såsom ökad bränsleförbrukning och därmed ökade kostnader och miljöpåverkan. En sammanställning av snöns densitet vid olika förutsättningar har därför sammanställts i enlighet med Tabell 2.
Tabell 2: Olika typer av snö och motsvarande densiteter (Brandt, et al., 1999).
Snötyp Densitet [kg/m3]
Mycket fluffig nysnö < 30
Nyfallen torr nysnö 30-100
Våt nysnö 100-200
Vindpackad snö 200
Packad senvintersnö 200-300
Vårsnö under avsmältningens slutskede 400
Is vid 0°C (Fransson, 2009) 917
Artificiell snö (Knutsson, 2014) 350
Såsom Tabell 2 indikerar påverkas snöns densitet till stor del av vattenhalten, vilket manifesteras genom det faktum att densiteten för nysnö varierar mellan nivåer under 30 kg/m3 för mycket fluffig nysnö och uppemot 200 kg/m3 för våt nysnö. För de beräkningar som har utförts i detta examensarbete har densiteten 100 kg/m3 använts för nysnö. Eftersom densiteten
17
för vatten vid 0°C är 1000 kg/m3 innebär detta att en decimeter nyfallen snö då den smälter motsvarar en centimeter vatten (Lundberg, 2000).
Eftersom vatteninnehållet i artificiell snö kan varieras kommer även densiteten att göra det.
Det i tabellen angivna värdet bör därför ses främst som en indikation.
En annan fördel med artificiell snö är att den påverkas mindre av milt väder och regn än natursnö, dels tack vare den kompaktare strukturen men också till följd av att natursnö innehåller orenheter som påskyndar avsmältningen.
Mer ingående beskrivningar av hur naturlig och artificiell snö bildas samt påverkas av yttre faktorer står att finna i följande två avsnitt.
4.1 Naturlig snö
Den primära förutsättningen för att snö ska skapas på naturlig väg är att luften mättats med vattenånga och därmed format vattendroppar, vilka i sin tur ansamlats till ett moln (Bergman, 2013).
Iskristaller kan därefter bildas genom antingen homogen eller heterogen kärnbildning. Den huvudsakliga skillnaden är att heterogen kärnbildning kräver förekomst av iskärnor; det vill säga partiklar såsom damm, bakterier och andra iskristaller (Ahrens, 2009).
Den information som presenteras i följande avsnitt om homogen och heterogen kärnbildning samt snökristallernas tillväxt och klassificering är såvida inget annat anges baserad på boken Meteorology Today (Ahrens, 2009).
4.1.1 Homogen kärnbildning
Homogen kärnbildning innebär att fullständigt rent vatten fryser spontant. Denna process sker uteslutande vid väldigt låga temperaturer och främjas av att även den relativa luftfuktigheten är låg. Exempelvis krävs en temperatur på omkring -40°C eller lägre för att en ren vattendroppe med diametern 25 μm ska frysa. Vid denna temperatur rör sig vatten- molekylerna ytterst långsamt, och därmed är sannolikheten hög för att ett större antal av dessa molekyler ansamlas i ett specifikt mönster och därmed formar en mikroskopisk isstruktur; ett så kallat isembryo. När isembryot har uppnått en viss storlek börjar det fungera som en iskärna. Omgivande vattenmolekyler fortsätter därefter att fästa sig vid isembryot tills dess att en iskristall har bildats.
18
Figur 8: Cirrusmoln. Dessa moln återfinns på höjder mellan 5 och 13 km, där temperaturen understiger -30°C. Därmed utgörs dessa moln ofta i princip enbart av iskristaller (Weather Online, 2014).
4.1.2 Heterogen kärnbildning
När det finns iskärnor att tillgå kan iskristaller bildas vid temperaturer uppemot 0°C. Detta kallas heterogen kärnbildning och är en betydligt vanligare process tack vare det högre temperaturspann som den kan förekomma inom. Dock är det långt ifrån alla partiklar som kan fungera som iskärnor. Partiklarnas geometri bör överensstämma relativt väl med iskristallens för att någon tillväxt ska ske. Antalet iskärnor i atmosfären beror dessutom på temperaturen. Vid -10°C är förekomsten låg, men ju lägre temperaturen är desto fler partiklar aktiveras och befrämjar frysning.
Ett moln kan innehålla ett flertal olika typer av iskärnor. Dessa delas in i två övergripande kategorier: sublimationskärnor och fryskärnor. Sublimationskärnor tillåter vattenånga att fasomvandlas direkt till is utan att genomgå flytande form. Detta sker i kall, mättad luft genom att vattenångan fryser till is direkt på sublimationskärnans yta. Fryskärnor är iskärnor som påverkar underkylda vattendroppar till den grad att de fryser. Detta kan ske huvudsakligen på två olika sätt: genom att vattendropparna kolliderar med fryskärnorna i en process kallad kontaktfrysning, samt genom att fryskärnan innesluts i en vattendroppe och fryser den inifrån.
4.1.3 Snökristallernas tillväxt och klassificering
Tillgången till vatten från molnet möjliggör en snabb tillväxt av iskristallerna. Vid en viss punkt blir varje enskild iskristall tillräckligt tung för att överkomma uppåtgående vindar inuti molnet, varför kristallen börjar falla nedåt.
Beroende på molnets temperatur kan iskristallerna bete sig på olika sätt. I relativt varma moln är sannolikheten hög för att iskristallerna ska kollidera med de underkylda vattendropparna.
Vid kollisionen fryser vattendropparna till is och fastnar i iskristallen, vars volym och massa därmed ökar. Den isiga materia som skapas genom denna process kallas för graupel-partiklar.
19
När graupel-partiklarna fortsätter sitt fall nedåt och kolliderar med ytterligare vattendroppar kan de splittras till mindre ispartiklar som i sin tur kan växa till nya graupel-partiklar, varvid processen återupprepas.
I kallare moln är det vanligare att iskristallerna kolliderar med varandra och därmed bryts upp i ett större antal mindre ispartiklar som genom kontakt kan frysa hundratals underkylda vattendroppar, vilket därmed även det ger upphov till en kedjereaktion.
När iskristallerna faller och kolliderar med varandra finns det också en chans att de fastnar ihop. Om tillräckligt många kristaller klumpas samman bildas en snöflinga. Beroende på temperaturen längre ned i atmosfären kommer denna snöflinga antingen att smälta och fortsätta sitt fall i form av en regndroppe, eller bevaras och nå jorden i form av snö. Detta innebär att en stor del av det regn som faller vid nordliga latituder initialt utgörs av snö, även på sommaren.
Figur 9: Formation av snö från iskristaller (Ahrens, 2009).
a) Fallande iskristaller får underkylda vattendroppar att frysa fast på dem vid kontakt och bildar därmed större ispartiklar.
b) Fallande iskristaller kolliderar med varandra, varvid de splittras i ett flertal mindre ispartiklar.
c) Fallande iskristaller kolliderar och fastnar i varandra, vilket genererar snöflingor.
En förutsättning för att iskristaller ska växa sig stora nog för att skapa nederbörd är att det finns god tillgång på vattendroppar i molnet. Generellt måste antalet vattendroppar vara mellan 100 000 och 1000 000 gånger fler än antalet iskristaller för att detta ska ske. För få iskristaller leder till att dessa kristaller växer sig stora och faller ut ur molnet utan att påverka någon större del av det, vilket resulterat i väldigt sparsamma mängder nederbörd. Om det å andra sidan finns för många iskristaller har varje enskild kristall endast några få vattendroppar att tillgå, varför ingen signifikant tillväxt kan ske. Därmed skapas många små ispartiklar, alla för små för att falla till marken utan att smälta om de ens tar sig ut ur molnet, och ingen nederbörd uppstår.
20
Beroende på de rådande väderförhållandena, i synnerhet temperatur och luftfuktighet, får snökristallerna signifikant olika utseende i enlighet med Figur 10.
Figur 10: Morfologiskt diagram för snökristaller. Diagrammet beskriver olika typer av snökristaller vilka bildas vid atmosfärstryck, som funktion av temperatur och vattenångans övermättning relativt is (Libbrecht, 2005).
Såsom Figur 10 illustrerar är snökristallernas basala geometri starkt beroende på den omgivande temperaturen. För temperaturer i intervallen 0 till -5°C samt -10 till -20°C bildas plattformade kristaller, medan övriga temperaturer ger upphov till pelarformade kristaller.
Strukturernas komplexitet är däremot i hög grad beroende på övermättningsgraden och därmed den relativa luftfuktigheten snarare än temperaturen. Hög övermättning resulterar i mer avancerade strukturer. Det bör dock poängteras att detta morfologiska diagram snarare återspeglar tillväxten av enskilda iskristaller än naturliga snökristaller, eftersom de sistnämnda ofta är av polykristallin karaktär (Libbrecht, 2005).
21
4.2 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 tillsatser som fungerar som kärnbildare (Tetra Tech, 2002). För att åstadkomma detta krävs tillförsel av trycksatt vatten, som generellt sett pumpas till snökanonen från en extern källa såsom en sjö eller en älv. Ett antal snökanontyper är dessutom beroende av att luft tillförs, även denna vid högt tryck.
Hur stor snömassa som kan produceras vid en given tidpunkt såväl som snöns kvalitet påverkas av förhållandet mellan andelen vatten och luft som tillförs, vilket tryck luften och 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 [%].
