Nowy pomysł na prąd z fal: pływający żyroskop może zmienić energetykę
Fale morskie kojarzą się raczej z wakacjami niż z gniazdkiem elektrycznym.
Tymczasem pewien naukowiec chce, by zasilały całe miasta.
Badacz z Uniwersytetu w Osace stworzył koncepcję pływającego urządzenia z żyroskopem, które potrafi „wyczuć” każdą zmianę fal i zamienić nawet połowę ich energii ruchu w prąd. Na razie tylko w symulacjach, ale wyniki są na tyle obiecujące, że planowane są już pierwsze próby w prawdziwym morzu.
Jak zamienić kołysanie fal w elektryczność
Nowe urządzenie nosi nazwę GWEC, czyli żyroskopowy konwerter energii fal. W praktyce przypomina zamkniętą, unoszącą się na wodzie kapsułę, w której ukryto bardzo szybko obracające się koło zamachowe połączone z generatorem.
Gdy fale kołyszą platformą, żyroskop reaguje zjawiskiem zwanym precesją – przeciwstawia się zmianie położenia i „stawia opór” ruchowi. Ten opór mechaniczny można kontrolować i przekształcić w energię elektryczną.
Z matematycznych modeli wynika, że taki system da się tak zestroić, by odzyskiwał do 50% energii kinetycznej fal, które go poruszają.
To bardzo wysoki poziom. Dla porównania, w energetyce wiatrowej istnieje tzw. granica Betza – turbinie nie uda się wykorzystać więcej niż 59% energii wiatru, bo powietrze musi mieć możliwość dalszego przepływu. W przypadku fal podobny sufit pojawia się przy około połowie energii ruchu.
Dlaczego wcześniejsze maszyny na fale sobie nie radziły
Pomysł wykorzystania żyroskopu na morzu nie jest nowy. Konstrukcje tego typu powstawały już dwie dekady temu i były testowane głównie w rejonie Włoch. Problem w tym, że prototypy dobrze działały na „podręcznikowych” falach o w miarę stałej wysokości i częstotliwości. Takie warunki częściej spotkamy w basenie testowym niż na otwartym oceanie.
W prawdziwym akwenie fale zmieniają się bez przerwy:
- rosną i maleją w ciągu minut,
- nadchodzą z różnych kierunków,
- zderzają się, nakładają, załamują,
- mają różną długość i nachylenie.
Większość wcześniejszych urządzeń zachowywała się jak sztywno ustawiony panel słoneczny. Działały całkiem nieźle w wąskim zakresie warunków, a kiedy morze się zmieniało, wychwytywały tylko niewielką część dostępnej energii.
Sztuczka japońskiego badacza: elastyczny, sterowany w czasie rzeczywistym GWEC
Naukowiec z Osaki podszedł do tematu inaczej. Zamiast projektować urządzenie „na oko”, zaczął od matematycznego opisu zachowania fal i reakcji żyroskopu. Skorzystał z tzw. liniowej teorii fal, w której fala traktowana jest jak regularne drganie – dzięki temu da się policzyć, jak dokładnie konstrukcja poruszy się przy danej wysokości i częstotliwości kołysania.
Na tej podstawie wskazał konfigurację, która ma szansę utrzymać wysoką sprawność, mimo że morze zmienia się z minuty na minutę. Kluczowe są dwa parametry, które urządzenie musi regulować w czasie rzeczywistym:
Gdy fale rosną, system może przyspieszyć koło lub zmienić obciążenie, by lepiej zgrywać się z ich ruchem. Gdy morze się uspokaja – robi odwrotnie. W symulacjach taki dynamiczny GWEC utrzymuje sprawność bliską 50% znacznie częściej niż dotychczasowe rozwiązania.
Sednem koncepcji jest to, że urządzenie nie „biernie czeka” na fale, ale na bieżąco dostraja się do ich charakteru.
Fizyczny limit i zderzenie z rzeczywistością
Próg 50% nie wynika z braku wyobraźni inżynierów, tylko z samej fizyki. Każdy pływający, oscylujący układ na płaskiej powierzchni wody napotyka naturalną granicę ilości energii, jaką może zabrać fali, która przez niego przechodzi. Zbyt agresywne „wysysanie” energii po prostu zatrzymałoby ruch wody wokół – a wtedy maszyna też przestałaby pracować.
Osiągnięcie pułapu bliskiego tej granicy dla szerokiego zakresu fal jest dużym krokiem naprzód, ale symulacje zawsze wyglądają lepiej niż testy na wzburzonym morzu. Gdy model sprawdzono przy bardziej nieregularnych, zdeformowanych falach, wyniki nie były już tak imponujące. W mocno sztormowych warunkach sprawność wyraźnie spadła.
Jest jeszcze jeden, bardzo przyziemny problem: samo koło zamachowe trzeba utrzymywać w ruchu. To wymaga energii, bo występują tarcie, opory w łożyskach, straty w napędzie. W obliczeniach wstępnych tę „wewnętrzną” konsumpcję pominięto, więc realny bilans energetyczny może okazać się mniej korzystny.
Jeżeli żyroskop zużyje zbyt dużo prądu na podtrzymanie własnego obrotu, cała instalacja przestanie mieć sens ekonomiczny, nawet jeśli matematycznie wygląda świetnie.
Od symulacji do pływającego prototypu
Mimo tych znaków zapytania, japoński badacz planuje przejść do testów fizycznych. Najpierw w kontrolowanych akwenach doświadczalnych, a później na otwartym morzu. Tu dopiero wyjdzie na jaw, jak urządzenie radzi sobie z realną mieszanką fal, prądów, wiatru i korozji.
Naukowiec zapowiada też, że zamierza sprawdzić zupełnie inną geometrię obudowy. Dotychczas większość takich urządzeń projektowano symetrycznie – prawa i lewa strona wyglądały tak samo. Teraz prowadzący projekt myśli o kształcie celowo niesymetrycznym, który w teorii mógłby wchodzić w bardziej złożone interakcje z falami.
W modelach matematycznych pojawia się śmiała sugestia: przy odpowiedniej formie kapsuły być może udałoby się przekroczyć granicę 50% odzyskiwanej energii. Oczywiście to czysta spekulacja – liczne założenia mogą się rozminąć z realnymi warunkami, a sam limit wynika z podstawowych praw fizyki, więc wiele zespołów patrzy na takie zapowiedzi z dużym dystansem.
Dlaczego fale kuszą energetyków bardziej niż kiedykolwiek
Mimo wątpliwości coraz więcej ośrodków badawczych wraca do tematu energii fal. Na tle wiatru i słońca, ruch wody ma kilka atrakcyjnych cech:
| Czynnik | Fale | Wiatr / słońce |
|---|---|---|
| Przewidywalność | Zmienne, ale w krótszej skali czasu bywają bardziej stabilne | Wiatr i nasłonecznienie potrafią gwałtownie spadać |
| Gęstość energii | Duża na niewielkiej powierzchni | Często potrzeba dużych farm |
| Kolizja z zabudową | Instalacje daleko od lądu | Farmy wiatrowe i fotowoltaiczne zajmują tereny lądowe |
| Sezonowość | Zimą fale bywają silniejsze, gdy rośnie zużycie prądu | Latem więcej słońca, ale też mniejsze zapotrzebowanie na ogrzewanie |
Nadmorskie państwa – w tym kraje bałtyckie czy Skandynawia – coraz uważniej przyglądają się takim technologiom. Fale mogłyby stanowić uzupełnienie farm wiatrowych na morzu, zapewniając bardziej zrównoważony „mix” odnawialnych źródeł energii.
Szanse i ryzyka dla morskiej energetyki fal
Żeby rozwiązania w rodzaju GWEC wyszły poza sferę prototypów, muszą poradzić sobie z kilkoma bardzo przyziemnymi kwestiami:
- korozją i zużyciem sprzętu w słonej wodzie,
- skrajnymi zjawiskami pogodowymi, takimi jak sztormy,
- wpływem na żeglugę i rybołówstwo,
- kosztem serwisowania konstrukcji wielokilometrów od brzegu.
Z drugiej strony każdy, kto choć raz stał nad otwartym morzem w wietrzny dzień, widzi ogrom energii marnującej się w postaci rozbijających się o siebie fal. Dlatego rządy i firmy coraz chętniej finansują prace, które mają szansę tę energię ujarzmić choćby częściowo.
W tle pozostaje jeszcze jedna kwestia: sposób włączania takich instalacji do sieci elektroenergetycznej. Fale nie są tak regularne jak elektrownia jądrowa, ale ich zmienność różni się od zachowania wiatru czy słońca. Gdyby technologia żyroskopowa rzeczywiście utrzymywała sprawność blisko fizycznego limitu w szerokim zakresie warunków, ułatwiłaby planowanie pracy sieci i magazynowanie nadwyżek w bateriach lub w postaci wodoru.
Dla krajów nadmorskich, także tych nad Bałtykiem, takie koncepcje mogą za kilka lat stać się elementem realnej układanki energetycznej. Warunek jest prosty: pływający żyroskop musi wytrzymać nie tylko obliczenia w komputerze, ale i pierwszą poważniejszą zimową wichurę na otwartym morzu. Jeśli przejdzie ten test, fale mogą stać się ważniejszym graczem w wyścigu o czystą energię, niż wielu dziś zakłada.
