Teori/forskning

Innledning

Et grunnleggende ønske og hovedmål for Norges Skiforbund og Norges Skiskytterforbund, sammen med sine mange partnere, er å bidra til at framtidens generasjon har mulighet til å oppsøke snø, og stå og gå på ski selv om den naturlige «villsnøen» bare faller i høyfjellet.

For å muliggjøre dette ønsket ble forskningsprosjektet «Snow for the future» starta i 2017, og spesielt markedsført igjennom Trondheim kommune sin ski-VM søknad. Prosjektet er ledet av SINTEF og NTNU, med finansiell støtte fra Kulturdepartementet. Fase I av prosjektet fokuserte på å kartlegge dagens teknologier for produksjon av kunstsnø (spesielt temperaturuavhengige teknologier), og mulig forbedringspotensial for disse.

Mer og detaljert informasjon om den første fasen av «Snow for the future» prosjektet kan leses i sluttrapporten for fase I.

Fase II av prosjektet ble finansiert i 2019, med mål om å forske fram teknologier som gjør snøproduksjon enda mer energi-effektivt, enklere og rimeligere. Det er deretter et mål å formidle kunnskapen og teknologien som kommer fra prosjektet – og derfor er Snøkompetansesenteret oppretta.

Snøkompetansesenteret er dog bare ett av de mange opprinnelige delmålene for «Snow for the future».

• Utvikle ny teknologi for effektiv og miljøvennlig temperaturuavhengig snøproduksjon med muligheter for midlertidig lagring i passende tilfeller
• Øke antall skidager i nærmiljøet og på sentrale arenaer slik at den norske og europeiske skitradisjonen kan bestå og utvikles
• Øke forutsigbarheten for arrangører, konkurranser og andre aktiviteter som foregår på snø og ski
• Sikre at ny teknologi er verdiskapende for, og opprettholder og øker interessen og mulighetene til å bruke eller besøke dagens skianlegg, skidestinasjoner og arenaer
• Etablere en platform for snøkunnskap, Snøkompetansesenteret, både for forskning og praktisk læring, som vil gi varig nytte og effekt både nasjonalt og internasjonalt
• Generere nye arbeidsplasser og øke befolkningens helse

I fase II er hovedmålet å utvikle ny teknologi for energi-effektiv produksjon av kunstsnø, inkludert snøproduksjon i plussgrader og uavhengig av utetemperaturen.  Prosjektet fokuserer på systemer og løsninger som sikrer en bærekraftig snøproduksjon med et begrenset miljøavtrykk. Varmepumpeteknologi basert på klimavennlige naturlige kjølemedia vil bli utviklet, med fokus på å anvende den kalde siden til snøproduksjon og den varme siden til oppvarmingsformål.

•  En mulighet er å bruke overskuddsvarmen fra snøproduksjon til oppvarming i nærliggende bygg, svømmehaller, etc. På motsatt vis er det også mulig å utnytte overskuddsvarme fra industrielle prosesser eller fjernvarmeanlegg i varmere perioder av året til snøproduksjon. Et slikt integrert system innbefatter også lagring og gjenbruk av snø.  
• I et kombinert system for snøproduksjon og utnyttelse av overskuddsvarme blir den produserte kunstsnøen et bi-produkt med minimal bruk av ekstra energi. Dette muliggjør kostnadseffektiv snøproduksjon i bynære områder. En illustrasjon av et integrert system med temperaturuavhengig snøproduksjon, lagring og gjenbruk av snø, og utnyttelse og leveranse av overskuddsvarme er vist i figuren nedenfor. 
  
  

1

Utnyttelse av overskuddsvarme til snøproduksjon

Følgende artikkel er skrevet av forsker Ole Marius Moen, Termisk Energi, SINTEF Energi AS. Forskningen er del av prosjektet «Snow for the future» ole.moen@sintef.no

Klimaendringene fører med seg varmere temperaturer og mindre snøfall. En konsekvens av dette er at det blir vanskeligere å utøve vintersportsidretter. Et eksempel er skibygda Meråker, hvor man nå er bekymret for at store deler av skisesongen skal forsvinne. Siden tradisjonell kunstsnøproduksjon fra lanser eller snøkanoner krever temperaturer under null grader vil mange steder, særlig i lavlandet, i liten grad ha muligheten til å benytte seg av denne metoden i framtiden.

Temperaturuavhengig snøproduksjon

Et alternativ er å bruke teknologier som kan produsere snø i varmegrader, såkalt temperaturuavhengig snøproduksjon. Det finnes i dag flere leverandører av slik teknologi og det er allerede tatt i bruk på noen vinterdestinasjoner i Norge og i utlandet. Slike systemer er dyrere i innkjøp og krever at snøen kjøres ut siden snøproduksjonen skjer sentralt. Sammenlignet med tradisjonell kunstsnøproduksjon så er dette også opp til 50 ganger mer energikrevende, noe som fører til at høye strømkostnader til snøproduksjon kommer i tillegg.

En mulig løsning for å få ned kostnadene knyttet til strømforbruk er å erstatte strøm med varme som energikilde, gjennom å bruke varmedrevne kjøleteknologier som f.eks. absorpsjonskjølere. For å produsere snø med varme så kreves temperaturer på rundt 90-100°C. Sammenlignet med å bruke strøm så er varmedrevet kjøling relativt ineffektivt, da en stor del av energien i varmen ikke kan nyttiggjøres. En slik løsning er derfor avhengig av å kunne utnytte billig eller gratis overskuddsvarme for å være økonomisk. Dette vil også kunne bidra til å redusere klimaavtrykket fra snøproduksjon sammenlignet med å bruke strøm.  

Potensielle varmekilder

Kartleggingsstudier har vist at det er en betydelig mengde uutnyttet overskuddsvarme i Norge, særlig fra industri og avfallsforbrenning. Fra industrien er det spillvarmepotensial på opptil 10 TWh innenfor det riktige temperaturområdet, mens fra avfallsforbrenning så er det 1 TWh per år som ikke utnyttes til fjernvarme grunnet lav etterspørsel om sommeren. Utnyttelse av varme fra disse kildene er likevel ikke uten utfordringer. Lave temperaturer på fjernvarmen om sommeren kan gjøre det vanskelig å nyttiggjøre det til snøproduksjon, og utnyttelse av industriell overskuddsvarme er krevende, og i liten grad blitt gjennomført for å gi varme til eksterne mottakere. I alle tilfeller vil nødvendig infrastruktur knyttet til varmeveksling hos forbruker og leverandør, samt distribusjonsrør for transport av varme være kostbart.

Samlokasjon mellom anlegg og varmekilder

Ved varmedrevet snøproduksjon vil det være gunstig at det er kort avstand mellom varmekilden og vintersportsanlegget siden verken varme eller snø kan transporteres effektivt over lange avstander. Samlokasjonen mellom vintersportsanlegg hvor det utøves langrenn, skiskyting, hopp og alpint og potensielle varmekilder har derfor blitt kartlagt. Resultatet er at 76 av 168 kartlagte anlegg ligger i en kommune med enten fjernvarme eller industriell overskuddsvarme. For mange av disse anleggene vil ekstra kunstsnøproduksjon trolig føre til økt bruk da de enten befinner seg i tettbefolkede områder eller er populære vintersportsdestinasjoner fra før.

Basert på modellberegninger utført med Granåsen som eksempel vil et årlig forbruk av varme på 1,5 GWh til snøproduksjon kunne bidra til å forlenge snøfattige sesonger med over en måned ved å gi tilstrekkelig snødekke i stadionanlegget, hoppbakken og en 3km lang langrennssløyfe. Samtidig viste beregningene at ulike faktorer kan endre energibehovet betydelig. Regnestykket vil derfor være forskjellig for ulike anlegg.

Tabellen under sammenligner typisk energibehov for de ulike snøproduksjonsteknologiene:

Teknologi	Energibehov per m3 snø produsert	Begrensninger
Tradisjonell kunstsnøproduksjon i kuldegrader (f.eks: lanser, kanoner)	Ca 0.5-6 kWh (elektrisitet)	Snøproduksjon kun mulig ved temperaturer under -2°C
Temperaturuavhengig snøproduksjon (f.eks: vakuum, issørpe, flakis teknologi)	Ca 7-35 kWh (elektrisitet)	Energikrevende, høye drifts- og investeringskostnader
Varmedrevet snøproduksjon (f.eks: absorpsjonkjøling)	Ca 80-220 kWh (varme)	Krever nærhet til varmekilder med høy temperatur >90°C, f.eks: fjernvarme eller industriell spillvarme. Høye investeringskostnader

Videre arbeid

I det videre arbeidet foreslås det å ta utgangspunkt i de største anleggene hvor det er finnes varmekilder i nærheten. Tekno-økonomiske analyser for å konkretisere potensialet for det enkelte anlegg kan gi svar på om varmedrevet snøproduksjon er en praktisk, økonomisk og bærekraftig løsning for fremtidens vintersport.

2

Plateismaskiner til snøproduksjon – påfrysning av plater og forbedringsmuligheter

Dette arbeidet går i dybden på platefryseteknologi, som ble utpekt til å være en god kandidat for kunstig snøproduksjon i SINTEF sin «State of the Art» analyse. Platefryseteknologi fungerer ved å fryse en vannfilm som renner nedover vertikale plater som kjøles ned fra innsiden. Isplatene hentes ut i en syklisk prosess ved å varme opp platene slik at islaget faller ned i en knuser.

Det ble laget en energiberegning som identifiserer energibruken til hver av komponentene i plateismaskinen, basert på termodynamiske beregninger og driftsdata fra leverandør. Det ble også laget en påfrysningssmodell, som predikerer islagets tykkelse over tid, basert på en variabel fordampningstemperatur.

Avriming

Avriming ble identifisert som en «lavthengende frukt», både for energireduksjon og kapasitetsøkning. Metoden som benyttes er varmgassavriming, som bruker gassen fra kompressorutløpet direkte inn i fryseplatene. Varigheten er tidsinnstilt uten noe feedback fra prosessen. Avrimingen utgjør i dag en kapasitetsreduksjon på ca 8% og står for 6% av den totale energibruken. Ulike tiltak ble foreslått for å endre strategi for avriming for på den måten å kunne øke produksjonshastigheten og senke energiforbruket.

Forfatter er Espen Halvorsen Verpe. Forskningsrapporten er utgitt i 2021. Forskningen er del av prosjektet «Snow for the future». Kontaktperson: Cecilia Gabrielii (cecilia.gabrielii@sintef.no).

3

Iskrem-maskinen – Snøproduksjon gjennom direkte ekspansjon av CO₂

De eksisterende temperaturuavhengige snøproduksjonsteknologiene har høyt energibehov og er svært kostnadskrevende. Det finnes også andre muligheter som kan brukes for å produsere snø mer effektivt, også over frysepunktet. CO₂ får stadig mer oppmerksomhet som et miljøvennlig kjølemedium i varmepumper og kjølemaskiner, og kan også gi muligheter innenfor snøproduksjon.

Direkte ekspansjon av karbondioksid

Dette arbeidet evaluerte et flash-frysesystem for snøproduksjon som utnytter ekspansjon av CO₂ under høyt trykk, som originalt ble brukt til å produsere iskrem. Systemet ble sammenlignet med eksisterende temperaturuavhengige snøproduksjonssystemer. Et alternativt system ble også presentert, med formålet å ytterligere senke energiforbruket ved å bruke spillvarme fra andre prosesser.

Konklusjon

Løsningene som ble presentert hadde høyere COP-verdier og lavere energiforbruk enn de eksisterende teknologiene. Hovedløsningen oppnådde en teoretisk COP på 5, mens de eksisterende teknologiene ved samme temperaturnivå har verdier rundt 2. Energiforbruket oppnådd av hovedmodellen var omtrent halvparten av de eksisterende teknologiene, med den alternative løsningen med spillvarmebruk med enda lavere verdier.

Forfatter er Lars Borg Anderson. Forskningsrapporten er utgitt i 2019. Forskningen er del av prosjektet «Snow for the future». Kontaktperson: Cecilia Gabrielii (cecilia.gabrielii@sintef.no).

4

Rammeverk for evaluering av teknologier for snøproduksjon

Beregning av det totale miljøfotavtrykket for produksjon av snø ved bruk av temperaturuavhengig eller temperaturavhengig teknologi (snøkanoner/lanser) er vist i dette arbeidet. Modellen er en videreutvikling av en Excel-basert modell for snøproduksjonsplanlegging som er utviklet i prosjektet.  Beregningsmetoden inkluderer klimagassutslipp fra forbruk av elektrisitet og varme, lekkasje av kjølemedium, produksjon av materialer og transport av snø, i tillegg til utslippsreduksjon gjennom eksport av overskuddsvarme.

Modellen er demonstrert gjennom beregning av eksempler fra Granåsen skianlegg, og er tenkt brukt videre for å evaluere bruk av ulik snøproduksjonsmetoder og miljøpåvirkninger fra disse med vektlegging på klimagassutslipp.

Tema

Beregning av det totale miljøfotavtrykket for en bestemt snøproduksjonsteknologi inkluderer i dette arbeidet fem bidrag som vist i figuren under: 1) CO₂ intensiteten til forbrukt elektrisitet, 2) CO₂ intensiteten til forbrukt varme, 3) lekkasje av kjølemedium, 4) Produksjon av materialer, og 5) transport av snø

Beregningene har tatt utgangspunkt i CO₂ intensiteten til elektrisitetsmix for Midt-Norge, elektrisitetsforbruket ved temperaturavhengig snøproduksjon (dvs. tradisjonell snøproduksjon), beregning av daglig CO₂ utslipp fra elforbruk for både temperatur-avhengig og temperatur -uavhengig snøproduksjon, i tillegg til beregning av transportrelaterte utslipp i tilfeller hvor snøproduksjon skjer ved eksterne lokasjoner.

Den utviklede modellen og mulighetene den gir har blitt demonstrert gjennom noen eksempler med utgangspunkt i Granåsen skianlegg.  Fem ulike scenario, hvor den ene er dagens situasjon, og hvor lav, normal og høy CO₂ intensitet til elektrisiteten ble lagt inn for de ulike scenarier.

Konklusjon

Resultatene viser at ved å eksportere overskuddsvarme fra snøproduksjon til en lokal sluttbruker eller bruke overskuddsvarme til varmedreven snøproduksjon ved en ekstern lokasjon, vil en redusere CO₂ utslippene sammenliknet med normal drift ved skianlegget.

Eventuelt videre arbeid

Videre kan modellen benyttes til å vurdere ulike metoder for å sikre stabil snø til bestemte arrangement, f.eks. Ski-VM i 2025.

Forfatter er Vidar Torarin Skjervold. Forskningsrapporten er utgitt i 2020. Forskningen er del av prosjektet «Snow for the future». Kontaktperson: Ole Marius Moen (ole.moen@sintef.no).

5

Temperaturuavhengig snøproduksjon – hva finnes i dag?

Formålet med dette arbeidet var å lage grunnlag for videre arbeid med energieffektiv og miljøvennlig snøproduksjon ved å kartlegge hva som finnes i dag, og hvordan det kan forbedres. Påliteligheten til naturlig snø, og antallet dager det er mulig å produsere med tradisjonelt snøproduksjonsutstyr synker på grunn av et varmere klima. Dette gjelder spesielt i lavlandet. Bruken av temperaturuavhengig snøproduksjonsutstyr øker på grunn av dette, og effektivisering av utstyret vil være viktig for å få ned energibruken.

Temperaturavhengig snøproduksjon

Omtrent 90% av alle skianlegg produserer kunstig snø, og mange anlegg baserer seg fullt og helt på kunstsnø i deler av sesongen. Tradisjonell temperaturavhengig snøproduksjon baserer seg på å fryse små vanndråper når de sprutes ut i kald luft fra en dyse. Metoden krever temperaturer under omtrent -2 °C for å fungere. Jo lavere temperatur det er i omgivelsene, jo bedre effektivitet har utstyret. Kunstsnø produsert på denne måten har en tetthet som er omtrent fire ganger høyere enn naturlig snø, noe som gjør at den er mer slitesterk.

Temperaturuavhengig snøproduksjon

Flere skianlegg rundt omkring i verden har allerede installert utstyr for temperaturuavhengig snøproduksjon. Denne typen snø produseres ved å lage små iskorn, noe som kan gjøres på flere måter. Flakis, plateis, skrapis-slurry og vakuum-is er noen metoder, hvor flakis er den mest vanlige.

Flakis: Flakis produseres ved å påføre vann på overflaten til en nedkjølt trommel. Isen blir vanligvis fjernet ved å skrape den av, og kommer da ut i tørre underkjølte flak. Flakismaskiner opererer normalt med en temperatur på -20 til -25 °C, noe som er lavere enn de andre systemene. Dette gjør at systemet krever mer energi enn andre system, men gir til gjengjeld en høy produksjonskapasitet.

Plateis: I plateismaskiner renner vann over avkjølte loddrette plater og fryser på platene. Temperaturen inne i platene ligger normalt på -7 til -21 °C. Isen fjernes ved å varme opp platene i en avrimings-syklus, slik at isplatene faller ned i en knuser. Plateismaskiner har normalt høyere energieffektivitet enn flakismaskiner på grunn av en høyere temperatur på kald side.

Skrapis-slurry: Skrapis er for øyeblikket den mest brukte metoden for å produsere is-slurry, det vil si en blanding av små ispartikler og kaldt vann. Prosessen består av at vann kjøles ned eller fryses på en overflate, og skrapes av med en skrue eller stang. Dette danner en slurry, som igjen kan skilles ut i en våt snøfraksjon. Ved hjelp av salt er det mulig å få dette til å danne en god snøkonsistens. Energieffektiviteten til denne typen anlegg er enda bedre enn både plateis og flakis, da de opererer ved temperaturer rundt frysepunktet.

Vakuum-is: Dette er den mest effektive metoden å produsere is-slurry på. Teknikken går ut på å senke trykket i et kammer slik at vannet fryser, og det dannes en is-slurry. Disse systemene kan lages store, og er også energieffektive i forhold til de andre. Det er også mulig å drive disse systemene med varme, slik at f.eks. spillvarme fra fjernvarme eller annen industri kan benyttes som en driver.

Forbedringspotensiale

Kjølesystemer blir normalt målt på COP (effektfaktor) som sier hvor mye kjøleeffekt som leveres av systemet per energienhet inn i systemet (normalt strøm). Carnot-COP sier noe om hvor mye en ideell maskin kan levere, mens omtrent 50% av Carnot-COP er det som normalt er oppnåelig. I figuren under er de ulike systemene som leveres i dag tegnet inn i et diagram med 50% av Carnot-COP tegnet i en linje. Avstanden fra de ulike systemene og opp til linja sier dermed noe om forbedringspotensialet for systemene. Som figuren viser har alle systemene store forbedringspotensialer når det kommer til energieffektivitet.

Figure 1: COP vs. condenser temperature for the different snowmakers. Ice production technology is stated and capacity in m3/24 hrs as well as the condenser temperature/temperature lift is given inside the parenthesis (capacity m3/24 hrs – condenser temperature/temperature lift ℃)

Konklusjon

Temperaturuavhengig snøproduksjon er en mulig vei å gå for å sikre snø i perioder med utetemperaturer over frysepunktet. Systemene som finnes i dag bruker mye strøm, noe som gir en dertil høy kostnad på strømmen. Eksempelvis vil et av dagens temperaturuavhengige systemer bruke omtrent 22.8 kWh/m³ snø produsert, mens temperaturavhengige lanser ligger rundt 1,42 kWh/m³. Arbeidet viste også at det er store forskjeller mellom de ulike systemene, og at alle systemene har vesentlige forbedringspotensialer.

Forfatter er Stian Trædal. Forskningsrapporten er utgitt i 2017. Forskningen er del av prosjektet «Snow for the future». Kontaktperson: Stian Trædal (stian.tradal@sintef.no)

6

Generell teori om snø

Fysiske egenskaper

Sett fra en mekanisk side, så er snø et komplekst materiale.  De forskjellige snøtypene er ofte karakterisert ut i fra sine mekaniske egenskaper.  For eksempel, så har nysnø mye mindre motstand mot trykk enn preparert snø.  Snø deformeres under sin egen vekt, avhengig av temperatur og tetthet. Snøens viskositet øker også med kulde og ved økende tetthet.

Fra den optiske siden, så absorberer snøen bare en liten del av kortbølge-strålingen fra solen. Nysnø, for eksempel, reflekterer 95% av solens stråler.  Albedo (mål på refleksjonen) er avhengig av snøens overflate (størrelse og form på snøkornet, vanninnholdet og hvor forurenset snøen er).  Skitten snø har lav albedo og vil smelte raskere.

Snøens termiske egenskaper framkommer tydelig når temperaturforskjellen mellom snølagene i stor grad påvirker metamorfosen (omdanning på grunn av temperatur og trykk).  Temperaturforskjellene er størst ved overflaten og minst ved bakken.

Det er stor forskjell på egenskapene for kunstsnø og natursnø.  Forskjellen kommer fra at natursnø fryser fra vanndamp, mens kunstsnø fryser fra vanndråper der vanndråpene fryser fra utsiden først. De ulike termiske egenskapene medvirker også til at kompimert natursnø holder seg kaldere enn tilsvarene kunstsnø (som lettere smelter og fryser på overflaten).

• Komprimert natursnø holder seg ca – 3 til -5 °C kaldere enn kunstsnø under like forhold på vinteren

Meteorologiske faktorer

Solstråling varierer igjennom året, tiden på dagen, helningen på terrenget og høyden over havet.  I desember, så vil terreng med 30 grader helling motta omtrent to og en halv gang mer solstråling enn flatt terreng.

Vind forårsaker en rask termisk utveksling av varme mellom snøen og den omliggende luften – dess mer vind dess mer utveksling.  Varm vind akselererer avsmeltingen og kald vind akselererer frysingen.

Når den omliggende luften er varmere enn snøens overflate, så vil snøens temperatur øke. Ved høytrykk eller forurenset luft, så kan den kalde luften synke (kald luft er tyngre enn varm luft) og danne et stabilt luftlag som reduserer varmeutvekslingen.

Når luftfuktigheten er høy så kondenseres vanndamp på snøens overflate og vann akkumuleres.  Ved veldig lav luftfuktighet så kan luft absorbere mer vanndamp fra snøens overflate.  Ved fordamping så kjøles snøen ned.  Lav luftfuktighet er derfor gunstig for nedkjøling av snøoverflaten.

I tørr luft avkjøles også snøen på grunn av sublimasjon der snøen omdannes direkte til vanndamp.

Regn og fallende snø vil overføre varme til snøens overflate, avhengig av temperaturen på nedbøren.  Vann (regn eller våt snø) vil øke temperaturen på snøens overflate, og forårsake avsmelting.  Regn har dog ikke like mye effekt på avsmeltingen som vind.   Om det regner 10 mm og dette regnet blir avkjølt til 5 °C i snøen, vil ikke dette føre til smelting av mer enn 0,6 mm snø (fra Wikipedia).

Når snø ved null grader absorberer energi, så vil snø-kornene/krystallene smelte  i hjørnene og avrundes, kjernen vil fylles og det tynne laget av vann rundt snø-kornene vil øke.  Ved økende smelting vil porene i mellom snø-kornene fylles med vann.  Når vanninnholdet er høyt vil båndet mellom snø-kornene svekkes og snøen blir myk.  I en frys og tine syklus (for eksempel ved kalde netter og varme dager) så vil vannet mellom snø-kornene fryse om natten og skape sterke bånd igjen.

7