Japoński naukowiec chce zrobić z fal morskich gigantyczną „elektrownię”

Taką wizję rozwija badacz z Uniwersytetu w Osace. Twierdzi, że w sprzyjających warunkach jego koncepcja może przechwycić nawet połowę energii niesionej przez fale. Na razie to liczby z symulacji, ale ich skala sprawia, że branża energetyczna patrzy na ten projekt z rosnącą ciekawością.

Nowy sposób myślenia o energii z fal

Japoński naukowiec Takahito Iida zajmuje się architekturą okrętową. Zamiast projektować kolejne statki, pochylił się nad tym, jak sprawić, by ruch fal wreszcie zaczął realnie zasilać sieć energetyczną. Efekt jego pracy trafił do prestiżowego czasopisma naukowego poświęconego mechanice płynów.

Sercem pomysłu jest pływający konwerter energii fal oparty na żyroskopie. W literaturze funkcjonuje skrót GWEC – Gyroscopic Wave Energy Converter, czyli konwerter energii fal z wykorzystaniem żyroskopu. Urządzenie ma formę unoszącej się na wodzie konstrukcji, w której wnętrzu obraca się masywne koło zamachowe połączone z generatorem prądu.

Silnie rozpędzone koło zamachowe reaguje na kołysanie fal stawiając opór, a ten opór można przekształcić w energię elektryczną.

Fale przechylają całą konstrukcję, a żyroskop dzięki zjawisku precesji „broni się” przed zmianą położenia. Powstaje moment mechaniczny, który da się z kolei zamienić w pracę generatora. Z zewnątrz to po prostu pływający moduł, w środku – złożony układ sterowania i magazynowania energii.

Dlaczego wcześniejsze urządzenia tego typu nie dały rady

Sam pomysł użycia żyroskopu do pozyskiwania energii z fal nie jest nowy. Pierwsze projekty powstawały już na początku lat 2000, chociażby w zespole z politechniki w Turynie, który rozwijał koncepcję ISWEC (Inertial Sea Wave Energy Converter). Mimo sporych nakładów i prototypów, żaden z tych systemów nie przebił się do skali przemysłowej.

Największym przeciwnikiem okazało się samo morze. Fale rzadko są powtarzalne. Zmienna wysokość, kierunek, częstotliwość, a nawet kształt sprawiają, że urządzenia zaprojektowane na „typową” falę w realnych warunkach pracują daleko od optymalnych parametrów.

Można to porównać do paneli słonecznych na stałej ramie. Jeśli zawsze „patrzą” w jedno miejsce na niebie, wykorzystają tylko część dostępnego światła. Systemy wcześniejszej generacji działały dobrze jedynie przy wąskim zestawie parametrów fal. Gdy akwen stawał się bardziej niespokojny albo wręcz przeciwnie – zbyt spokojny – sprawność szybko spadała.

Badania terenowe pokazywały, że klasyczne konstrukcje wychwytują tylko niewielki ułamek energii faktycznie przenoszonej przez falowanie.

Co wnosi projekt z Osaki

Iida postanowił podejść do problemu „od deski kreślarskiej”. Zamiast szybko budować kolejną boję, skupił się na precyzyjnym opisie zachowania urządzenia przy zmieniających się falach. Wykorzystał przy tym tak zwaną liniową teorię fal, w której fale traktuje się jak regularne oscylacje o przewidywalnych parametrach.

Taki model upraszcza chaotyczną rzeczywistość oceanu, ale za to pozwala sprawdzić bardzo wiele konfiguracji w symulacjach komputerowych. Dzięki temu badacz mógł „przeklikać” wirtualne wersje swojego urządzenia i szukać ustawień, które zawsze utrzymują wysoką efektywność.

Dwa parametry, które wszystko zmieniają

Z modelu wynika, że klucz nie tkwi w samym istnieniu żyroskopu, lecz w możliwości jego ciągłego dostrajania. Urządzenie, które opisuje Iida, powinno reagować na bieżąco na warunki panujące na wodzie i zmieniać co najmniej dwa elementy:

• prędkość obrotową koła zamachowego,
• opór stawiany przez generator, czyli w praktyce „siłę hamowania” żyroskopu.

Im bardziej zaawansowany system sterowania, tym lepiej można zgrać reakcję urządzenia z aktualną falą. Według obliczeń taki dynamiczny GWEC jest w stanie teoretycznie utrzymać sprawność blisko 50% w szerokim zakresie warunków morskich – tam, gdzie starsze konstrukcje „gubiły” większość energii.

Symulacje sugerują, że dobrze sterowane urządzenie z żyroskopem może zamienić w energię elektryczną około połowy energii ruchu fal, co zbliża je do fundamentalnej granicy teoretycznej.

Magiczna granica 50 procent

Liczba 50% w tym kontekście nie jest przypadkowa. To nie cel wymyślony przez inżynierów, lecz ograniczenie wynikające z fizyki. Dla systemów, które kołyszą się na powierzchni płynu i chcą przechwycić energię nadchodzącej fali, istnieje górna granica sprawności. Taki konwerter nie może „wyjąć” z fali więcej niż około połowę jej energii.

To podobna sytuacja jak w energetyce wiatrowej, gdzie obowiązuje tak zwana granica Betza. Opisuje ona fakt, że żadna turbina wiatrowa nie zamieni w energię mechaniczną więcej niż 59% energii niesionej przez wiatr, bo zbyt silne wyhamowanie przepływu sprawiłoby, że powietrze zaczęłoby omijać łopaty.

Z tego punktu widzenia wizja urządzenia, które potrafi regularnie zbliżać się do pułapu 50% w różnych warunkach na morzu, jest dla branży morskim odpowiednikiem turbiny pracującej prawie na granicy Betza.

Słabe punkty: od idealnych fal do kosztów własnych

Symulacje Iidy bazują w dużej części na idealizowanych falach. W modelach przyjmuje się, że mają one regularny okres, wysokość i kształt. Rzeczywisty ocean bywa znacznie mniej łaskawy – fale nakładają się, załamują, zderzają pod różnymi kątami.

Kiedy badacz wprowadził do obliczeń bardziej nieregularne i asymetryczne kombinacje fal, sprawność systemu rzeczywiście spadła, zwłaszcza przy bardzo silnej fali. Nie oznacza to, że koncepcja przestaje działać, ale już widać, że w praktyce wynik zbliżony do 50% nie będzie gwarantowany w każdej sytuacji.

Druga kwestia jest jeszcze bardziej przyziemna: żeby koło zamachowe w ogóle się kręciło, trzeba je zasilać. Żyroskop zużywa energię na pokonanie tarcia w łożyskach i utrzymanie zadanej prędkości obrotowej. Na obecnym etapie ten „koszt własny” nie został w pełni wliczony do bilansu energetycznego.

Jeśli okaże się, że sama obsługa żyroskopu „zjada” znaczną część produkowanego prądu, cały system stanie się mniej atrakcyjny dla inwestorów. W najbardziej pesymistycznym scenariuszu bilans mógłby wręcz wyjść na zero, czyli urządzenie zużywałoby prawie tyle energii, ile generuje.

Od symulacji do prawdziwej boi na oceanie

Mimo tych zastrzeżeń Iida nie zamierza się zatrzymać na etapie równania w komputerze. Z jego wypowiedzi wynika, że kolejnym krokiem będą testy w skali fizycznej – najpierw w basenie doświadczalnym, a następnie w morzu. Tylko tam da się sprawdzić, jak system reaguje na realne sztormy, zmiany prądów czy długotrwałe wystawienie na działanie soli.

Co ciekawe, naukowiec rozważa także odejście od idealnie symetrycznego kształtu urządzenia. Zgodnie z klasycznym podejściem konwertery fal mają możliwie regularną budowę, tymczasem on chce sprawdzić, czy asymetryczny kadłub nie będzie lepiej „chwytał” energii nadchodzących fal z różnych kierunków.

Badacz sugeruje, że odejście od symetrii może pozwolić w pewnych warunkach przekroczyć dzisiejszą teoretyczną granicę sprawności, choć na razie to tylko hipoteza wymagająca weryfikacji w realnych próbach.

Co z tego może wyniknąć dla energetyki

Jeśli testy prototypów wypadną pomyślnie, pływające konwertery z żyroskopem mogą stać się uzupełnieniem dla morskich farm wiatrowych. Fale utrzymują się nawet wtedy, gdy wiatr słabnie, więc taki system mógłby wygładzać wahania produkcji energii. W połączeniu z magazynami energii pozwoliłoby to operatorom sieci lepiej planować dostawy.

Istnieją też potencjalne zastosowania lokalne. Małe moduły GWEC mogłyby zasilać boje pomiarowe, morskie farmy rybne, autonomiczne platformy badawcze albo częściowo wspierać infrastrukturę przybrzeżną na wyspach, gdzie dostęp do sieci przesyłowej jest ograniczony.

Tego typu rozwiązania niosą jednak także ryzyka. Każda nowa konstrukcja wprowadzona na akwen to ingerencja w środowisko – od możliwego wpływu na szlaki migracyjne zwierząt, przez ryzyko zderzeń ze statkami, aż po pytania o hałas generowany przez pracujące urządzenia. Wymagają więc nie tylko analiz technicznych, lecz również ocen oddziaływania na ekosystem.

Dla odbiorcy energii cała ta dyskusja sprowadza się w praktyce do jednego pytania: czy takie systemy pomogą obniżyć rachunki i ustabilizować ceny prądu. Jeśli żyroskopowe konwertery fal rzeczywiście osiągną wysoką sprawność przy akceptowalnych kosztach, mogą stać się kolejnym filarem miksu energetycznego obok fotowoltaiki i wiatru. Droga od symulacji na ekranie do pływającej „elektrowni” jest jednak długa i wyboista, a każda kolejna seria testów dopiero pokaże, ile z tych obietnic wytrzyma zderzenie z prawdziwym oceanem.