Japoński naukowiec chce zamienić fale morskie w gigantyczne elektrownie

Od lat mówi się o energii z fal, ale dopiero teraz pojawia się koncepcja, która może wycisnąć z nich naprawdę dużo prądu.

Badacz z Uniwersytetu w Osace zaproponował pływające urządzenie z żyroskopem, które według obliczeń potrafi zamienić nawet połowę energii fal w elektryczność. Na razie istnieje tylko w modelach matematycznych, ale idea już elektryzuje branżę energetyczną.

Fale jako niewykorzystana elektrownia

Energia morza od dawna kusi inżynierów. Fale są przewidywalne w skali roku, nie zależą od pory dnia jak słońce ani nie znikają nagle jak wiatr. Problem w tym, że ocean jest chaotyczny z minuty na minutę: fale różnią się wysokością, długością, kierunkiem i częstotliwością. Klasyczne urządzenia do pozyskiwania energii fal działały dobrze tylko w wąskim zakresie warunków, a w realnym morzu traciły większość potencjału.

Nowa koncepcja z Japonii próbuje podejść do sprawy inaczej: zamiast projektować konstrukcję pod „idealną falę”, zakłada dynamiczne dopasowywanie się do tego, co akurat dzieje się na powierzchni wody.

Przeczytaj również: Tajemniczy sygnał z kosmosu trwał siedem godzin. Astronomowie mają dwie zaskakujące hipotezy

Jak działa żyroskopowy „zbieracz” energii fal

Proponowany system to pływająca konstrukcja, wewnątrz której znajduje się szybko wirujące koło zamachowe połączone z generatorem. Taki typ urządzenia funkcjonuje w literaturze jako gyroscopic wave energy converter, w skrócie GWEC.

Zasada jest zaskakująco prosta: fale kołyszą platformę, a żyroskop — z powodu zjawiska zwanego precesją — stawia opór ruchowi. Ten opór to mechaniczna energia, którą generator może przekształcić w prąd.

Przeczytaj również: Młody talent kolarstwa budzi podejrzenia dopingowe. Ekspert mówi: „To za dużo”

Urządzenie wykorzystuje naturalną „upartość” wirującego koła, które nie chce zmieniać swojego położenia i zamienia to zachowanie w użyteczną elektryczność.

Koncepcja nie jest całkowicie nowa. Podobne systemy badano już w pierwszej dekadzie XXI wieku, m.in. w projektach z włoskiej politechniki w Turynie. Wtedy też pojawiły się pierwsze komercyjne przymiarki do wykorzystania energii fal w tej formie. Przeszkodą okazała się sztywność konstrukcji: urządzenia projektowano pod określony typ fal, więc gdy warunki się zmieniały, sprawność spadała drastycznie.

Co wnosi japońskie podejście

Naukowiec z Osaki postanowił najpierw dokładnie opisać zachowanie takiego systemu w modelu matematycznym. Skorzystał z tzw. liniowej teorii fal, która traktuje powierzchnię morza jak regularnie oscylującą powierzchnię. To uproszczenie, ale pozwala dość precyzyjnie policzyć, jak pływająca konstrukcja z żyroskopem reaguje na różne typy fal.

Przeczytaj również: Malownicza perełka Bretanii, w której turyści zakochują się od razu

Z tych obliczeń wynikł jeden kluczowy wniosek: aby maksymalnie wykorzystywać energię, urządzenie nie może być „ustawione na sztywno”. Musi w czasie rzeczywistym zmieniać dwa parametry:

• prędkość obrotową koła zamachowego,
• opór stawiany przez generator, czyli to, jak „mocno” hamuje on ruch systemu.

Jeżeli te dwie wielkości są inteligentnie sterowane, symulacje pokazują, że GWEC może zbliżyć się do granicy około 50% wykorzystania energii fal. Dla porównania wcześniejsze projekty znacząco traciły wydajność, gdy tylko charakter fal się zmieniał.

W modelu teoretycznym dobrze sterowany konwerter z żyroskopem potrafi wykorzystać mniej więcej połowę energii kinetycznej fal, które go mijają.

Dlaczego akurat 50% i skąd ta granica

Ta wartość nie wzięła się znikąd. Z fizyki fal wynika, że urządzenie, które kołysze się na płaskiej powierzchni wody, nie ma możliwości przechwycenia więcej niż mniej więcej połowy energii fali przechodzącej przez jego obszar. Gdy próbowałoby zabrać więcej, zaburzałoby ruch wody tak bardzo, że fala praktycznie by się zatrzymała.

Można to porównać do tzw. granicy Betza znanej z energetyki wiatrowej. Tam również obowiązuje reguła, że turbina nie jest w stanie „wyssać” z wiatru więcej niż pewien procent jego energii, bo wtedy przepływ praktycznie by zanikł.

Z tego punktu widzenia dojście do okolic 50% w szerokim zakresie typów fal byłoby poważnym krokiem naprzód. Oznaczałoby, że technologia zbliża się do fizycznego maksimum, a nie przegrywa z chaotyczną naturą oceanu.

Co jeszcze nie gra w tym układzie

Na razie cała koncepcja żyje w symulacjach komputerowych. To z jednej strony zaleta, bo można szybko przetestować wiele konfiguracji, ale także pułapka, bo matematycznie „ładne” fale mało przypominają prawdziwe, poszarpane morze.

Gdy badacz wprowadził do modelu fale bardziej nieregularne i asymetryczne, sprawność rzeczywiście spadła, zwłaszcza przy bardzo dużej fali. Takie warunki są kluczowe dla realnych instalacji, bo to właśnie w okresach silnej aktywności morza pojawia się najwięcej energii do przechwycenia, ale również największe obciążenia mechaniczne.

Drugi problem jest czysto energetyczny: koło zamachowe nie kręci się samo. Trzeba je stale zasilać, aby pokonać tarcie i utrzymać odpowiednią prędkość obrotową. W obecnych obliczeniach ta „wewnętrzna” konsumpcja energii nie została w pełni uwzględniona. Jeżeli okaże się zbyt duża, może zjeść znaczną część wyprodukowanego prądu.

Bilans netto musi pozostać dodatni: jeżeli utrzymanie żyroskopu pochłonie zbliżoną ilość energii, cała koncepcja straci sens gospodarczy.

Od symulacji do prób na morzu

Mimo ograniczeń autor badań nie zamierza zatrzymywać się na etapie komputerowych modeli. Trwają przygotowania do fizycznych testów urządzenia w kontrolowanych warunkach, a następnie na otwartym morzu. Te eksperymenty mają pokazać, czy wyliczenia rzeczywiście da się przełożyć na działającą technologię.

Co ciekawe, w planach jest także alternatywna wersja konstrukcji. Zamiast klasycznej, symetrycznej platformy, badacz rozważa kształt asymetryczny. Według jego szacunków takie urządzenie mogłoby wchodzić w bardziej złożoną interakcję z falami i częściowo ominąć teoretyczną granicę około 50% sprawności, która odnosi się głównie do obiektów o symetrycznej geometrii.

Na razie to odważna hipoteza, ale pokazuje, że w projektowaniu przetworników energii fal wciąż jest miejsce na nietypowe pomysły, nie tylko na kosmetyczne poprawki znanych koncepcji.

Jak ta technologia mogłaby wyglądać w praktyce

Jeśli technologia dojrzeje, może łączyć się z innymi źródłami odnawialnymi. Fale często są najsilniejsze w innym czasie niż wiatr czy nasłonecznienie. To oznacza naturalne „wygładzanie” produkcji energii w skali doby i sezonu. Dla operatorów sieci oznaczałoby to mniej gwałtownych wahań i mniejszą potrzebę używania drogich magazynów energii.

Ryzyka, koszty i realne perspektywy

Każda nowa technologia morskiej energetyki niesie też zestaw wyzwań. Platformy z żyroskopami muszą wytrzymać sztormy, korozję i uderzenia dryfujących obiektów. Konstrukcje zanurzone i kotwiczenia wpływają na dno morskie, mogą także zmieniać lokalne prądy i warunki życia organizmów wodnych. Te aspekty trzeba zbadać równie starannie, jak samą sprawność energetyczną.

Kolejna kwestia to ekonomia skali. W energetyce wiatrowej ogromny spadek kosztów przyniosła seryjna produkcja turbin i standardowe komponenty. Tutaj wciąż mówimy o jednostkowych, eksperymentalnych konstrukcjach. Aby pływające konwertery fal stały się realnym źródłem taniej energii, muszą dać się produkować masowo i serwisować w rozsądnych kosztach, najlepiej z udziałem już istniejącej floty statków serwisowych z projektów offshore.

Dla wielu krajów, w tym nadbałtyckich, energia fal nie zastąpi wiatru na morzu czy fotowoltaiki. Może natomiast stać się ważnym uzupełnieniem, które zwiększy niezawodność całego systemu. Fale nie „gasną” w jednej chwili, a ich energia wygładza chwilowe spadki innych źródeł odnawialnych.

Z polskiej perspektywy ciekawy może być zwłaszcza segment mniejszych instalacji przybrzeżnych oraz systemów hybrydowych z farmami wiatrowymi na Bałtyku. Nawet jeżeli żyroskopowe konwertery fal nie trafią szybko do masowego użytku, już dziś pokazują kierunek: od sztywnych, jednowymiarowych konstrukcji w stronę sprytnych, sterowanych w czasie rzeczywistym urządzeń, które potrafią „dogadywać się” z kapryśnym morzem zamiast usiłować je na siłę ujarzmić.