Japoński naukowiec chce zrobić elektrownię z morskich fal. Ma prosty patent

Morska fala jako mini elektrownia, która zasila domy i porty?

To już nie science fiction, tylko konkretne równania i symulacje.

Japoński badacz z Uniwersytetu w Osace przedstawił model urządzenia, które według obliczeń potrafi zamienić nawet połowę energii fal na prąd. Na razie tylko w świecie komputerowych symulacji, ale w planach są już pierwsze testy w prawdziwym morzu.

Energia z fal: ogromny potencjał wciąż prawie niewykorzystany

Oceany bez przerwy przenoszą gigantyczne ilości energii. Fale docierają do wybrzeży każdego dnia, niezależnie od pory doby czy pogody nad lądem. Dla energetyki to brzmi jak spełnione marzenie: stabilne, przewidywalne źródło zasilania blisko miejsc, gdzie mieszkają ludzie.

Mimo to energia fal rozwija się znacznie wolniej niż fotowoltaika czy wiatraki. Główny problem jest prozaiczny: morze bywa brutalne. Konstrukcje muszą wytrzymać sztormy, korozję, a do tego pracować efektywnie, gdy warunki zmieniają się co godzinę. Wiele projektów zakończyło się na etapie demonstratorów lub wraków na dnie.

Nowa koncepcja z Osaki dotyczy pływającego urządzenia z żyroskopem, które w sprytny sposób „łapie” ruch fal i zamienia go w energię elektryczną z wydajnością sięgającą teoretycznego maksimum.

Jak działa pływający generator z żyroskopem

Opisywany system nosi nazwę GWEC – gyroscopic wave energy converter, czyli konwerter energii fal z żyroskopem. W uproszczeniu to pływająca kapsuła, w której zamknięto ciężkie koło rozpędzone do dużej prędkości i połączone z generatorem.

Gdy fala przechodzi pod urządzeniem, konstrukcja się kołysze. Wirujące koło reaguje na to kołysanie w charakterystyczny sposób, związany z tzw. precesją. To zjawisko znane z fizyki – ten sam efekt widzimy, gdy wirujący bączek „ucieka” w bok pod wpływem szarpnięcia. W przypadku GWEC ta reakcja powoduje powstawanie momentu mechanicznego, który można przechwycić i wykorzystać do napędzania generatora.

Do tej pory podobne rozwiązania zawodziły z jednego powodu: były „sztywno” zaprojektowane na jeden typ fali. Jeśli zmieniała się wysokość lub częstotliwość falowania, konstrukcja zaczynała pracować bardzo nieefektywnie. Tak jakby postawić na dachu panel słoneczny na stałe w jednym kącie i liczyć, że całkowicie wykorzysta słońce o każdej porze dnia.

Nowy trik: urządzenie, które samo się dostraja

Japoński naukowiec przeanalizował zachowanie takiego pływającego żyroskopu matematycznie, korzystając z tzw. liniowej teorii fal. W tym podejściu fale opisuje się jak regularne, powtarzalne oscylacje, co pozwala bardzo dokładnie wyliczyć, jak reaguje na nie konkretna konstrukcja.

Na tej podstawie wyznaczył konfigurację, która w symulacjach wypada najlepiej. Kluczowe są dwa parametry, które urządzenie musi dynamicznie zmieniać:

• prędkość obrotowa koła zamachowego w środku kapsuły,
• opór generatora, czyli to, jak mocno „hamuje” on ruch żyroskopu.

Sterując tymi wartościami w czasie rzeczywistym, GWEC może dopasować się do aktualnych warunków na morzu. Według autora badań, taki system utrzymuje sprawność bliską 50% w szerokim zakresie typów fal – od spokojnego falowania po bardziej rozbujane morze.

Z obliczeń wynika, że przy sprytnym sterowaniu żyroskopem można teoretycznie zamienić w prąd aż połowę energii kinetycznej niosionej przez przechodzące fale.

Dlaczego granicą jest właśnie 50 procent

Wartość 50% nie wzięła się z powietrza. To granica narzucona przez prawa fizyki dla urządzeń tego typu, czyli takich, które kołyszą się na płaskiej powierzchni wody. Żadne z nich – nawet najbardziej zaawansowane – nie jest w stanie przechwycić więcej niż połowę energii zawartej w fali, która je mija.

Można to porównać do tzw. granicy Betza znanej z energetyki wiatrowej. Tam z kolei fizyka mówi, że pojedyncza turbina nie jest w stanie wyciągnąć z wiatru więcej niż 59% energii. Gdyby próbowała, przepływ powietrza zatrzymałby się przed łopatami, a turbina przestałaby pracować.

Osiągnięcie „sufitu” 50% dla wielu typów fal – a nie tylko jednego idealnego scenariusza – stanowi sporą różnicę względem dotychczasowych projektów. Tam wysoka sprawność pojawiała się tylko w wąskim zakresie warunków, a w praktycznym oceanie, pełnym chaotycznych fal, wyniki szybko się psuły.

Gdzie symulacja ściera się z prawdziwym oceanem

Badania z Osaki na razie istnieją wyłącznie w formie równań i modeli komputerowych. Ba, same fale w tych równaniach są mocno „wygładzone” – przyjmują ładne, przewidywalne kształty i powtarzalne parametry. Prawdziwe morze tak nie wygląda.

Gdy ten sam model zastosowano do fal nieregularnych – o zmiennej wysokości, kierunku i częstotliwości, z asymetrycznymi grzbietami – sprawność urządzenia zauważalnie spadła. Najbardziej w warunkach silnej, poszarpanej fali, czyli właśnie wtedy, gdy energii w wodzie jest najwięcej, ale warunki są najtrudniejsze.

Drugi problem: żyroskop nie kręci się za darmo. Koło zamachowe trzeba bez przerwy rozpędzać i utrzymywać w ruchu, żeby system reagował tak, jak zakłada teoria. To wymaga energii, którą trzeba odjąć od bilansu zysków. Jeśli straty na tarciu i napędzaniu mechanizmu byłyby zbyt duże, ekonomiczny sens całej konstrukcji mógłby się rozmyć.

Realny bilans energetyczny poznamy dopiero wtedy, gdy ktoś zbuduje prototyp w skali zbliżonej do przemysłowej i sprawdzi go w długotrwałych testach na otwartym morzu.

Plany: od ekranu komputera do prawdziwej boi na falach

Mimo tych znaków zapytania, badacz z Osaki nie zamierza chować projektu do szuflady. Z zapowiedzi wynika, że trwają przygotowania do pierwszych fizycznych eksperymentów – najpierw zapewne w basenie falowym, a później w warunkach morskich.

Co ciekawe, w planach jest również inna wersja samego kształtu pływającej konstrukcji. Dotychczasowe systemy tego typu zwykle projektowano symetrycznie – prawa i lewa strona miały tę samą formę. Teraz naukowiec chce sprawdzić, jak zachowa się urządzenie celowo zaprojektowane asymetrycznie.

Według jego hipotezy taka niesymetryczna konstrukcja może wchodzić z falą w inny rodzaj interakcji i w części przypadków przekraczać granicę 50% sprawności. W teorii jest to możliwe, bo obecna bariera odnosi się właśnie do układów o określonej, symetrycznej geometrii.

Tu wchodzimy jednak w obszar czystych prognoz. Do czasu, aż pierwsza pełnowymiarowa boja z żyroskopem popracuje na morzu przez kilka miesięcy, nikt nie będzie w stanie odpowiedzialnie ocenić, czy koncepcja nadaje się do skali przemysłowej.

Co oznacza sukces takiej technologii dla energetyki

Jeśli GWEC lub podobne rozwiązania staną się opłacalne, energetyka przybrzeżna może się mocno zmienić. Porty, wyspy, nadmorskie miasta, platformy wydobywcze czy farmy wiatrowe offshore zyskałyby nowe, lokalne źródło zasilania, niewidoczne z brzegu i niepsujące krajobrazu.

Możliwy scenariusz to kombinacja kilku technologii: turbiny wiatrowe, pływające panele fotowoltaiczne i generatory fal na jednej „farmie” morskiej. Każde z tych źródeł pracuje najlepiej w innych warunkach, razem mogą tworzyć stabilniejszy miks, zmniejszając konieczność korzystania z elektrowni gazowych jako rezerwy.

Trzeba jednak brać pod uwagę koszty serwisowania i trwałość. Woda morska, sól i ciągłe obciążenia mechaniczne to zabójcze środowisko dla łożysk, uszczelek i elektroniki. To jeden z powodów, dla których inwestorzy do tej pory patrzyli na energetykę falową z dużym dystansem.

Dlaczego fale są tak kłopotliwe dla inżynierów

Dla laika fala to po prostu woda, która się podnosi i opada. Dla inżyniera to złożona kombinacja ruchów pionowych, poziomych, zmian ciśnienia i turbulencji. Na to nakładają się fale pochodzące z różnych kierunków i wiatr, który może błyskawicznie zmienić obraz tafli.

Każda konstrukcja pływająca ma swoje „ulubione” częstotliwości kołysania, czyli takie, przy których zaczyna wpadać w rezonans i porusza się z największą amplitudą. Dobry projekt próbuje tak dobrać parametry, by rezonans wypadł jak najbliżej typowych warunków w danym rejonie. Problem pojawia się, gdy chcemy, aby ten sam system dobrze pracował zarówno przy drobnej fali letniej, jak i przy zafalowaniu zimowym podczas sztormu.

W tym miejscu przewaga koncepcji z żyroskopem staje się szczególnie widoczna. Zamiast liczyć wyłącznie na „szczęśliwy” dobór kształtu, można aktywnie sterować odpowiedzią urządzenia, modyfikując obroty koła i charakterystykę generatora. Nie usuwa to wszystkich problemów, ale daje dodatkową „gałkę”, którą można kręcić, gdy ocean zmienia nastrój.

Dla osób śledzących rozwój energetyki odnawialnej w Polsce może się to wydawać dość odległe – Bałtyk nie jest najbardziej spektakularnym akwenem pod względem falowania. Mimo to w dłuższej perspektywie technologie takie jak GWEC mogą uzupełniać morskie farmy wiatrowe również na naszych wodach, szczególnie w miejscach, gdzie fale są bardziej regularne niż wiatr.