Japoński naukowiec chce zrobić z fal morskich wielką elektrownię

Kołyszące się fale, prosta pływająca konstrukcja i pomysł, który może odmienić rynek energii odnawialnej.

Badacz z Uniwersytetu w Osace zaproponował nowy sposób zamiany ruchu oceanu w prąd elektryczny. Według jego wyliczeń niewielka platforma z wbudowanym żyroskopem potrafi teoretycznie wychwycić nawet połowę energii fal, gdy odpowiednio dostosowuje się do warunków na morzu.

Jak zamienić falę w prąd: pomysł z Japonii

Za projektem stoi Takahito Iida, specjalista od architektury okrętowej z Uniwersytetu w Osace. Wyniki jego pracy ukazały się w czasopiśmie naukowym poświęconym mechanice płynów i już wywołały spore poruszenie w środowisku energetyki morskiej.

Klucz jest prosty w teorii: pływająca konstrukcja z wirującym kołem zamachowym, czyli tzw. konwerter energii fal z żyroskopem (w literaturze opisywany jako GWEC – Gyroscopic Wave Energy Converter). Urządzenie przypomina niewielką barkę lub boję, która unosi się na wodzie i reaguje na kołysanie wywołane falami.

Urządzenie ma, w warunkach idealnych, przekształcić około 50% energii ruchu fal w elektryczność – to granica, którą fizyka uznaje za absolutne maksimum dla tego typu systemów.

Na razie to wynik symulacji komputerowych i równań, nie testów na otwartym morzu. Mimo to model wyszedł na tyle obiecująco, że zespół już planuje próby w basenach testowych i, w kolejnym kroku, w prawdziwych warunkach oceanicznych.

Żyroskop na wodzie, czyli co właściwie ma pływać po oceanie

Sercem konstrukcji jest wirujące koło zamachowe umieszczone wewnątrz pływającej platformy. Koło obraca się z dużą prędkością i jest połączone z generatorem. Kiedy fala podnosi lub opuszcza platformę, żyroskop reaguje na to ruchem o innym kierunku – to efekt fizyczny nazywany precesją.

Ta reakcja nie jest abstrakcyjnym pojęciem z podręcznika, tylko konkretną siłą mechaniczną. Platforma próbuje się przechylić, żyroskop stawia opór, a powstające momenty obrotowe można przekierować do generatora. Z kołysania powstaje moment napędowy, a z niego energia elektryczna.

• fala zmienia położenie platformy,
• żyroskop reaguje na zmianę położenia, wytwarzając użyteczny moment obrotowy,
• generator zamienia go na energię elektryczną.

Podobne układy testowano już na świecie, między innymi w projektach rozwijanych od początku lat 2000. Te konstrukcje zwykle miały jedną wadę: dobrze działały tylko w określonych warunkach, przy bardzo konkretnym typie fal. Gdy zmieniała się wysokość, kierunek czy częstotliwość falowania, sprawność systemu gwałtownie spadała.

Elastyczny konwerter zamiast sztywnej boi

Właśnie tutaj pojawia się wkład japońskiego badacza. Zamiast projektować urządzenie pod „typową” falę, skupił się na tym, jak ma ono pracować w szerokim zakresie warunków. Zastosował teorię fal liniowych – w uproszczeniu traktując fale jak powtarzalne oscylacje – i stworzył model matematyczny całego systemu.

Według obliczeń kluczowa jest możliwość bieżącego sterowania dwoma parametrami: prędkością obrotu koła zamachowego i obciążeniem generatora. Dopiero wtedy urządzenie może efektywnie reagować na zmienność oceanu.

Model pokazuje, że jeżeli system na bieżąco reguluje:

to jest w stanie utrzymać sprawność blisko teoretycznej granicy 50% dla zaskakująco dużej liczby różnych typów fal. Można to porównać do paneli fotowoltaicznych z automatycznym trackerem, które cały dzień śledzą słońce, zamiast patrzeć sztywno w jedno miejsce.

Granica wyznaczona przez fizykę

W tle pojawia się pojęcie bariery fizycznej, która nie zależy już od sprytu inżyniera. Dla urządzeń falowych, które unoszą się na powierzchni, przyjmuje się, że maksymalnie można odebrać mniej więcej połowę energii przechodzącej przez nie fali. Gdyby system próbował „wyssać” więcej, fala przestałaby się swobodnie rozchodzić, a cała teoria działania takiej konwersji przestałaby mieć sens.

Podobnie działa znana z energetyki wiatrowej granica Betza: żadna klasyczna turbina nie wyciągnie z wiatru więcej niż około 59% zawartej w nim energii kinetycznej, bo zbyt silne hamowanie powietrza zablokowałoby przepływ. W przypadku fal ten pułap znajduje się jeszcze niżej, w okolicy 50%.

Gdzie teoria rozbija się o sztormową rzeczywistość

Nie wszystkie elementy badań brzmią równie optymistycznie. Symulacje bazowały w dużej mierze na falach regularnych, opisanych równaniami, które wygładzają realne zawirowania. Morze w rzeczywistości jest chaotyczne: fale nakładają się na siebie, wiatr zmienia kierunek, prądy morskie deformują cały układ.

Gdy model sprawdzono dla fal nieregularnych i asymetrycznych, sprawność urządzenia spadła – szczególnie w bardzo niespokojnej wodzie. To oznacza, że projekt może najlepiej sprawdzać się na akwenach umiarkowanych lub okresowo spokojniejszych, a przy silnych sztormach trzeba liczyć się z mniejszym uzyskiem.

Symulacje nie uwzględniły jeszcze jednego ważnego składnika bilansu energetycznego: energii potrzebnej do utrzymania żyroskopu w ruchu.

Koło zamachowe nie wiruje za darmo. Energia elektryczna musi najpierw napędzić żyroskop, aby ten potem mógł stabilnie pracować i reagować na fale. W obliczeniach pominięto koszty związane z tarciem, sterowaniem czy stabilizacją obrotów. Jeżeli pochłoną zbyt dużą część energii uzyskanej z fal, cała konstrukcja może okazać się mniej opłacalna, niż wskazują pierwsze liczby.

Od równań do prawdziwej boi na oceanie

Mimo tych zastrzeżeń Iida nie zamierza zatrzymać się na komputerowych symulacjach. Zespół szykuje testy w kontrolowanych warunkach, najpierw w zbiornikach testowych, a później na otwartych wodach. Dopiero takie próby pokażą, czy regulacja prędkości żyroskopu i obciążenia generatora jest możliwa w praktyce i czy urządzenie wytrzyma długotrwałą eksploatację.

Ciekawy jest także kierunek rozważań dotyczących samego kształtu konwertera. Większość dotychczasowych projektów opierała się na symetrycznych obudowach, co ułatwia obliczenia i budowę. Badacz sugeruje, że asymetryczna konstrukcja – inny kształt z każdej strony – mogłaby zachowywać się wobec fal zupełnie inaczej.

Z matematycznych analiz wynika, że taka obudowa miałaby szansę w pewnych warunkach „obejść” wspomnianą granicę sprawności, choć to nadal bardziej spekulacja niż gotowy produkt. Aby to potwierdzić, potrzeba szeregu eksperymentów i nowego zestawu modeli numerycznych. Na razie priorytetem pozostaje w ogóle uruchomienie pierwszego prototypu w realnym morzu.

Dlaczego energia z fal tak kusi inżynierów

Energia fal od lat przyciąga uwagę firm i instytutów badawczych, ale ma za sobą serię rozczarowań. Powód jest prozaiczny: morze działa całą dobę, niezależnie od pory dnia i roku, co kusi wizją stabilnej produkcji prądu, ale tą samą cechą utrudnia budowę urządzeń, które wytrzymają w agresywnym środowisku przez lata.

Jeżeli system żyroskopowy okaże się wystarczająco wytrzymały i efektowny energetycznie, może uzupełnić wiatraki i fotowoltaikę na morzu. Dla krajów dysponujących długimi liniami brzegowymi – w tym dla Polski nad Bałtykiem – takie technologie mogą w przyszłości stać się ważnym elementem miksu energetycznego.

Co może z tego mieć zwykły odbiorca energii

Na razie projekt z Osaki pozostaje na etapie badań, a do komercyjnych instalacji dzieli go wiele lat. Mimo to kierunek, w którym zmierza, pokazuje kilka ciekawych wątków, istotnych dla przeciętnego odbiorcy prądu.

Po pierwsze, energia fal może stabilizować sieć wtedy, gdy fotowoltaika traci moc, czyli wieczorami i w pochmurne dni. W rejonach o łagodniejszym klimacie fale są obecne praktycznie cały rok, więc stanowią przyzwoite uzupełnienie dla energii słonecznej i wiatrowej.

Po drugie, rozwój takich technologii zmusza energetykę do myślenia o magazynowaniu energii i elastycznym zarządzaniu popytem. Skoro urządzenia na morzu działają w sposób zmienny, operatorzy sieci muszą rozwijać systemy sterowania, które sprawniej reagują na skoki produkcji – a to później przekłada się na bardziej odporną infrastrukturę w całym kraju.

Wreszcie warto pamiętać, że sama idea żyroskopowego konwertera może znaleźć zastosowanie także w mniejszej skali, na przykład przy zasilaniu autonomicznych boi pomiarowych czy morskich stacji badawczych. Tam nie jest potrzebna ogromna moc, tylko niezawodne i samowystarczalne źródło prądu. Pływająca konstrukcja z żyroskopem, zdolna do dopasowania się do fal, może tu okazać się szczególnie przydatna.

Taka praca badawcza nie jest gotową receptą na tani prąd z morza, ale przesuwa granice tego, co da się sensownie policzyć i przetestować. Jeśli kolejne lata przyniosą prototypy na wodzie i twarde dane z rzeczywistych warunków, energetyka falowa może wrócić do gry z zupełnie nowym arsenałem argumentów.