Nowy pomysł na prąd z fal: żyroskop, który „ujeżdża” ocean
Chodzi o pływający na wodzie system z wirującym kołem zamachowym, który reaguje na kołysanie się na fali. Według autora koncepcji aż połowa energii ruchu fal może zostać zamieniona w prąd. Na razie istnieją tylko modele matematyczne i symulacje, ale planowane są testy w prawdziwym morzu.
Żyroskop na falach: jak ma działać nowy konwerter
Opisywany system to tzw. GWEC, czyli żyroskopowy konwerter energii fal. W uproszczeniu jest to zamknięta, pływająca konstrukcja z szybko wirującym kołem w środku, połączonym z generatorem. Gdy fala przechodzi pod urządzeniem, cała „kapsuła” zaczyna się kołysać i przechylać. Żyroskop stawia opór wobec tych ruchów, a ten opór można mechanicznie „wyłapać” i przekształcić w energię elektryczną.
Z modelu wynika, że dobrze sterowany żyroskop może teoretycznie zamienić w prąd nawet 50 procent energii niesionej przez falę.
Tego typu konstrukcje nie są nowością. Pierwsze projekty pojawiły się już w latach 2000, m.in. w pracach zespołów z politechniki w Turynie nad systemem ISWEC. Sporo obiecywano sobie po tego typu technologiach, ale większość projektów zatrzymała się na etapie demonstratorów lub małych instalacji pilotażowych.
Największy wróg: kapryśne morze
Główny problem dawnych konstrukcji polegał na tym, że były zaprojektowane pod w miarę stały typ fali. Tymczasem morze stale się zmienia. Wysokość fal, ich kierunek, częstotliwość i kształt potrafią różnić się z minuty na minutę. Urządzenia zoptymalizowane na „idealne” warunki w praktyce wykorzystywały jedynie niewielki ułamek dostępnej energii.
Przeczytaj również: Brazylijskie mokradła ukryte za Amazonią: cichy gigant magazynuje węgiel
Można to porównać do instalacji fotowoltaicznej, w której panele na stałe ustawiono pod słońce z jednego dnia w roku. Gdy słońce świeci inaczej, system szybko traci efektywność. Z konwerterami fal działo się coś podobnego – były „sztywne” i słabo reagowały na zmiany w zachowaniu oceanu.
Co nowego wnosi koncepcja badacza z Osaki
Takahito Iida, specjalista od architektury okrętowej z uniwersytetu w Osace, podszedł do problemu od strony teorii. Zbudował rozbudowany model matematyczny opisujący zachowanie pływającego żyroskopu na wzburzonej wodzie, korzystając z tzw. teorii liniowej fal. W takim ujęciu fala staje się uporządkowaną oscylacją, co pozwala dokładnie policzyć, jak urządzenie zareaguje na różne typy kołysania.
Przeczytaj również: Naukowcy „wskrzeszają” płytę CD: tysiąc razy więcej danych na krążku
Na tej podstawie badacz wyznaczył zestaw parametrów, przy których konwerter działa najwydajniej. Kluczowe są dwie rzeczy:
- prędkość obrotowa koła zamachowego – może być zwiększana lub zmniejszana w zależności od tego, jak silne i częste są fale,
- regulowana „twardość” generatora – czyli to, jak mocno generator stawia opór ruchowi żyroskopu.
Według obliczeń te dwa parametry trzeba korygować w czasie rzeczywistym, właściwie bez przerwy. Gdy morze zaczyna się uspokajać, system zmienia ustawienia w taki sposób, by wycisnąć z mniejszych fal jak najwięcej energii. Gdy nadciąga silniejsza fala, znów dopasowuje swoje działanie, tak by się nie „dławił” i nie tracił wydajności.
Przeczytaj również: Te dwa znaki zodiaku w marcu wraca do nich nierozwiązana sprawa
Symulacje sugerują, że przy takim dynamicznym sterowaniu konwerter może przez dłuższy czas utrzymywać sprawność bliską teoretycznej granicy 50 procent.
Fizyczny limit: czemu nie więcej niż połowa
W publikacji pada liczba 50 procent i nie jest ona przypadkowa. To nie wymysł konstruktorów, ale granica wynikająca z samej fizyki fal. Dla dowolnego urządzenia, które po prostu unosi się na powierzchni i porusza się razem z falą, obowiązuje zasada: nie uzyska z fali więcej niż połowę jej energii. Gdyby próbowało „zabrać” więcej, fala zaczęłaby się za bardzo załamywać albo wyhamowywać.
Można to porównać z tzw. limitem Betza w energetyce wiatrowej. Ta reguła mówi, że żadna turbina wiatrowa nie wykorzysta więcej niż ok. 59 procent energii niesionej przez wiatr, bo w przeciwnym razie zupełnie zablokowałaby przepływ powietrza. Dla fal na powierzchni wody istnieje podobna bariera.
| Rodzaj energii | Urządzenie | Teoretyczny limit sprawności |
|---|---|---|
| Wiatr | turbina wiatrowa | ok. 59% (limit Betza) |
| Fale morskie | konwerter na powierzchni | ok. 50% energii fali |
Osiągnięcie tego pułapu w szerszym zakresie warunków morskich byłoby więc sporym skokiem w porównaniu z dotychczasowymi prototypami, które zwykle działały sensownie tylko przy „idealnej” fali.
Gdzie kończy się teoria, a zaczyna morze
Wszystko, o czym mowa, na razie żyje w komputerze i w równaniach. Symulacje opierały się na falach uznanych za w miarę regularne i ładnie ukształtowane, co w naturze zdarza się rzadko i zwykle tylko przez krótkie okresy. Gdy badacz zapuścił swój model na bardziej szarpanych, nieregularnych falach, sprawność systemu spadła. Szczególnie wyraźnie przy bardzo silnej, chaotycznej fali, jaka pojawia się np. przy sztormach.
Drugi kłopot to energetyczny „koszt własny” urządzenia. Żyroskop nie kręci się za darmo. Trzeba dostarczyć mu prąd, by zrównoważyć tarcie w łożyskach czy opór powietrza wewnątrz obudowy. W symulacjach ten koszt na razie pominięto. W realnym urządzeniu trzeba będzie go policzyć co do wata, bo w skrajnej sytuacji bilans energetyczny mógłby wyjść na zero albo wręcz na minus.
Ostateczna opłacalność konwertera zależy od różnicy między tym, ile prądu wygeneruje, a ile sam „zje”, by utrzymać swoją pracę.
Mimo tych znaków zapytania zespół planuje eksperymenty w skali fizycznej – najpierw zapewne w basenach do badań hydrodynamicznych, gdzie można w kontrolowany sposób tworzyć różne typy fal. Kolejnym krokiem byłyby testy na otwartym akwenie, choć to już znacznie większe wyzwanie logistyczne i finansowe.
Czy da się przebić barierę 50 procent
Ciekawym wątkiem jest pomysł, by odejść od konstrukcji symetrycznej. Autor koncepcji sugeruje, że urządzenie o nierównomiernym kształcie – z jednej strony „grubsze” czy wyższe, z drugiej „chudsze” – mogłoby w specyficzny sposób współpracować z falą. Taka asymetria może wprowadzać dodatkowe zjawiska hydrodynamiczne, które nie mieszczą się w prostym modelu „pływającego pudełka”.
Według wstępnych analiz właśnie symetryczny kształt częściowo stoi za granicą 50 procent. Gdyby udało się ją „obejść” poprzez bardziej złożoną geometrię, być może dałoby się odzyskać z fali jeszcze większą część energii. Na razie to dość śmiała hipoteza i sam naukowiec podkreśla, że bez prototypu i testów w prawdziwej wodzie nie sposób niczego przesądzać.
Dlaczego energia fal w ogóle kogoś interesuje
Fale morskie to jedno z najgęstszych źródeł energii spośród wszystkich odnawialnych. Na porównywalnej powierzchni mogą „nieść” więcej mocy niż przeciętny wiatr. W dodatku w wielu rejonach Ziemi – jak zachodnie wybrzeża Europy czy Ameryki Południowej – fale są stosunkowo stabilne przez dużą część roku. To duży atut w porównaniu z fotowoltaiką, która w nocy nie działa wcale, a w pochmurny dzień mocno słabnie.
Dlatego od lat trwają próby ujarzmienia energii fal, choć do tej pory żadna technologia nie wyszła na masową skalę. Większość projektów zatrzymała się na etapie drogich, skomplikowanych instalacji wymagających częstych przeglądów i napraw. Agresywne środowisko morskie, sól, korozja, uderzenia fal i dryfujące szczątki potrafią bardzo szybko zniszczyć zaawansowaną mechanikę.
Co może pójść dobrze, a co źle przy żyroskopowym konwerterze
Jeśli koncepcja GWEC w wersji z dynamicznym sterowaniem się sprawdzi, nad morzem pojawi się nowy typ farm energetycznych. Zamiast wież wiatrowych zobaczymy rzędy pływających „skrzynek”, które korzystają z kołysania się wody. Z perspektywy systemu energetycznego takie źródło miałoby kilka ciekawych zalet:
- wysoka gęstość energii na jednostkę powierzchni w porównaniu z wiatrem,
- bardziej przewidywalne fale na wielu akwenach niż zmienny wiatr,
- możliwość łączenia z istniejącą infrastrukturą morską, np. farmami wiatrowymi.
Są też realne ryzyka. Każdy pływający element może stanowić przeszkodę dla żeglugi czy rybołówstwa. Trzeba będzie przeanalizować wpływ takich instalacji na ekosystem: od hałasu generowanego przez mechanikę, przez potencjalne kolizje z ssakami morskimi, po zmiany w lokalnej cyrkulacji wody.
Z perspektywy inwestora duże znaczenie będzie miało też to, jak złożony okaże się system sterowania. Konieczność ciągłego korygowania parametrów żyroskopu wręcz prosi się o zaawansowane algorytmy i sporą ilość elektroniki. Im bardziej skomplikowany system, tym większe ryzyko awarii i wyższe koszty serwisowania, zwłaszcza w trudnodostępnych lokalizacjach na otwartym morzu.
Dla zwykłego odbiorcy energii najistotniejsze jest jedno: czy taki konwerter dostarczy prąd taniej niż istniejące technologie, po doliczeniu wszystkich kosztów budowy, utrzymania i napraw. Jeśli tak się stanie, energia fal przestanie być egzotycznym tematem konferencji i trafi na listę realnych filarów transformacji energetycznej. Jeśli nie, żyroskopowe kapsuły dołączą do długiej listy obiecujących, lecz niedoszłych cudów inżynierii morskiej.
