Myśląc o odnawialnych źródłach energii, przed oczami mamy duże turbiny wiatrowe bądź panele fotowoltaiczne przetwarzające energię promieniowania słonecznego w energię elektryczną. Mało kto z nas kojarzy fale jako użyteczne źródło energii, lecz coraz śmielej po nie sięgamy, a jest po co sięgać! I to nawet pomimo ogromnych przeszkód technicznych takich jak korozyjne oddziaływanie wody czy sztormy, które niosą duże wyzwanie wytrzymałościowe przy projektowaniu urządzeń, co z kolei generuje duże koszty. Według International Energy Agency fale mogą wytwarzać aż od 8 000 do 80 000 TWh energii rocznie (w 2013 roku wyprodukowano 23 322 TWh energii elektrycznej na całym świecie ze wszystkich źródeł łącznie).
Fale powstają poprzez efekt oddziaływania na powierzchnie wody wiatru, który ma swoje źródło w energii słonecznej. Dla potrzeb energetycznych stosujemy podział na fale wód głębokich i płytkich. Fale jako nośnik energii odznaczają się relatywnie dużą mocą jednostkową. Na zdjęciu poniżej podane są wartości w danych regionach w kilowatach na metr długości grzbietu fali.
http://www.see.murdoch.edu.au/resources/info/Res/wave/
Wartość mocy jednostkowej obliczamy ze wzoru
P=164ρ⋅g2⋅H2⋅Tπ
ρ – gęstość wody (dla wody morskiej około 1025kg/m3 )
g – przyspieszenie grawitacyjne
H – wysokość fali
T – okres fali
Trzeba jednak pamiętać, że są to wartości teoretyczne, a rzeczywiste próby pozyskania energii póki co daleko od nich odbiegają.
Urządzenia służące do przetwarzania energii fal w energię elektryczną możemy podzielić na:
mechaniczne – powodowany falami ruch poszczególnych elementów względem siebie lub względem nieruchomej podstawy napędza generator.
pneumatyczne – stosowane są metody sprężania za pomocą fal powietrza napędzającego turbinę. Powierzchnia wody pełni rolę tłoka.
hydrauliczne – ruch fal powoduje napełnienie zbiornika wodą, która zasila turbinę.
indukcyjne – fale zapewniają ruch magnesów względem siebie
Historia okiełznania energii fal ma już ponad 200 lat i sięga 1799 roku, kiedy to Paryżanin Monsieur Girard wniósł patent na urządzenie, które miało zasilić sprzęty gospodarstwa domowego. Kolejnym godnym uwagi przedsięwzięciem był silnik stworzony w Redondo Beach w Kalifornii. Jego budowę rozpoczęto w 1907 roku. Był to duży projekt, który miał na celu dostarczenie energii dla sześciu hrabstw w stanie. Niestety ogromna maszyna upadła w 1909 roku z powodu awarii technicznej. Dzisiaj możemy ujrzeć już ponad 1000 różnych patentów coraz śmielszych konstruktorów.
Jak ciekawe potrafią być to rozwiązania, możemy zobaczyć tutaj:
https://www.youtube.com/watch?v=fYfs-qYGzvs
Jednym z urządzeń, które testowane są na szkockim i portugalskim wybrzeżu jest Pelamis, który nosi dumną nazwę węża morskiego. Urządzenie umiejscowione jest prostopadle do fali. Przeguby w wyniku ruchu falowego przesuwają się, przetłaczając płyn, który napędza generator. Prototypowa maszyna znajdująca się w Orkney (Szkocja) posiada 750 kW mocy, ma 120 metrów długości i 3,5 metra średnicy. Według producenta współczynnik wykorzystania mocy znamionowej wynosi od 25 do 40%
http://www.energie-tipp.de/neue-energie/wasser/3946313
Kolejnym wartym uwagi urządzeniem jest „Ostryga” firmy Aquamarine Power Ltd. Umieszczona jest paręnaście metrów pod powierzchnią wody. Zasada działania urządzenia oparta jest na poruszaniu się klapy wraz z nadchodzącymi falami. Klapa wprawia w ruch dwa tłoki, które sprężają i wypychają wodę, kierując ją na turbinę sprzężoną z generatorem na lądzie. Pierwszym prototypem była Ostryga 1, która miała moc 350 kW i została zamontowana w 2009 roku (Orkney, Szkocja). Pracowała 6000 godzin, zapewniając ciągłość pracy. W 2011 roku firma zamontowała kolejny model, posiadający 800 kW mocy. Aquamarine nie zamierza zwalniać i myśli o komercjalizacji urządzenia na zachodnim wybrzeżu USA i Irlandii oraz dalszy rozwój w Szkocji, twierdząc, że Ostryga ma potencjał do zainstalowania aż 64 GW łącznej mocy.
http://assets.inhabitat.com/wp-content/blogs.dir/1/files/2011/06/The-Oyster.jpg
Warto też wspomnieć o elektrowni falowej firmy Wave Star Energy. Jest to konstrukcja, która składa się z pływaków poruszanych przez fale. Prototyp został zbudowany w 2009 roku przez gdańską stocznię Odys. Znajduje się przy duńskim wybrzeżu Morza Północnego i niejednokrotnie przetrwał ciężki sztorm. Póki co posiada on 600 kW mocy i dostarcza energię dla 400 domostw. Firma aspiruje na lidera w branży i planuje w przyszłym roku wypuścić komercyjny model do sprzedaży, o mocy 1 MW, a w przyszłości jedna platforma ma posiadać 6 MW zainstalowanej mocy i zasilać 4000 domostw.
Działanie polega na stałym poruszaniu pływaków poprzez fale, dzięki czemu możliwe jest przetłoczenie oleju pod wysokim ciśnieniem. Czynnik, uzyskując dane ciśnienie, napędza silnik hydrauliczny, który jest połączony z generatorem prądu elektrycznego.
http://eandt.theiet.org/magazine/2011/04/images/640_future-machine.jpg
W krajach takich jak Norwegia, Portugalia, Szkocja, Irlandia czy USA istnieje ogromny potencjał do przetwarzania energii z fal i w tych miejscach można się spodziewać rozwoju tych technologii. Jak możemy wyczytać w projekcie SUBMARINER Instytutu Morskiego w Gdańsku, teoretyczny potencjał energetyczny dla Europy wynosi 300 GW (jest to ~2600 TWh, dla porównania według CIA w 2014 w UE produkcja energii elektrycznej wyniosła 3 166 TWh), a współczynnik wykorzystania mocy wynosi około 30-40% (w energetyce wiatrowej ~20%). Ogromną nadzieję upatruje w tym źródle energii Szkocja ze względu na potencjał wytwórczy sięgający aż 75 kW/metr czoła fali i planuje dostarczanie z tego źródła aż 40% energii elektrycznej do roku 2020.
Jak w tym wszystkim wygląda Polska? Według opracowań Instytutu Morskiego w Gdańsku moc jednostkowa fal na Morzu Bałtyckim oceniana jest w przedziale 1,3-2,8 kW/m lub od 1,7 do 7,2 kW/m2. Przyrównując tę wartość do liczb charakteryzujących strefę przybrzeżną Irlandii czy Szkocji, nie wygląda to zbyt imponująco, lecz konfrontując z gęstością mocy wiatru (0,7 kW/m2), wciąż jest to źródło, które warto rozpatrzyć. Wspomniana wyżej firma Odys Stocznia Sp. z o.o. próbowała dostać dofinansowanie na zrealizowanie swojego projektu absorbera energii fal morskich AEFM służącego do ochrony brzegów i wytwarzania energii elektrycznej. Projekt miał być sfinansowany przez Polską Agencję Rozwoju Przedsiębiorczości, lecz proponowana kwota nie była wystarczająca, aby w pełni opłacić projekt. Jak możemy wyczytać na stronie firmy, prowadzone są badania, w które angażuje się Politechnika Gdańska, Instytut Budownictwa Wodnego PAN i Instytut Elektrotechniki. Działania te mają na celu optymalizację i wdrożenie projektu.
Można przypuszczać, że wykorzystanie energii fal znajdzie zastosowanie w nadmorskich wyspach oraz instalacjach morskich. Biorąc pod uwagę fakt, że ponad 70% powierzchni Ziemi zajmują morza i oceany, co wiąże się z ogromnymi zasobami energetycznymi oraz to, że ponad 60% ludzi mieszka w promieniu 60 km od brzegu, co z kolei zmniejsza problemy przesyłowe, nie dziwią postępujące próby testowania i wdrażania zróżnicowanych prototypów. Mimo że jeszcze żadna elektrownia tego typu nie pracuje komercyjnie, sugerując się wysokim poziomem zaawansowania wielu badań i przychylną polityką państw takich jak Szkocja czy Dania, z pewnością niedługo ujrzymy parę tego typu rozwiązań w pełnej skali.
Autor: Piotr Kleinschmidt
Źródła:
1. Mikielewicz J., Cieśliński J.T.: Niekonwencjonalne urządzenia i systemy konwersji energii. Wrocław, Warszawa, Kraków: PAN Zakład Narodowy im. Ossolińskich, 19992/
2.Lewandowski W.M.: Proekologiczne źródła energii odnawialnej, Warszawa: Wydawnictwo Naukowo – Techniczne, 2001,2012
3.http://www.iea.org/publications/freepublications/publication/KeyWorld_Statistics_2015.pdf
4.IEA-OES 2007 Annual Report
5.http://www.przegladbudowlany.pl/2015/03/2015-03-PB-43-48_Siewiera.pdf
6.http://www.odys-yard.com/uslugi-eksperckie,52,pl.html
7.http://biznes.trojmiasto.pl/Jest-szansa-na-budowe-elektrowni-falowej-w-Gdansku-n69516.html
9.http://www.aquamarinepower.com/
10.Zdzisław Krzemień: Prace instytutu elektrotechniki, zeszyt 262, 2013
11.http://im.gda.pl/images/Aktualnosci/kompedium/Submariner2013_PL.pdf
