Free Press

Jos termi ”uusiutuva energia” tuo mieleen meren aurinkopaneeleita tai korkealle kohoavia tuulivoimaloita, et ole yksin. Auringosta ja tuulesta saatavan energian talteenotto on yleistymässä. Tämä johtuu siitä, että nämä ”puhtaat” energialähteet tuottavat sähköä saastuttamatta ilmaa. Yhtä tärkeää on, että ne eivät vapauta hiilidioksidia ilmakehään. Tämä kasvihuonekaasu sitoo auringon lämpöä ja vaikuttaa osaltaan muuttuvaan ilmastoon.

Aurinko- ja tuulivoimalla on kuitenkin yksi suuri haittapuoli: Niitä ei ole aina saatavilla. Aurinko paistaa vain päivisin. Tuuli tulee ja menee. On hyvin harvoja paikkoja, joissa tuuli on tarpeeksi jatkuvaa tuottaakseen sähköä koko ajan. Ja niin helpolta kuin se kuulostaakin, energian varastointi myöhempää käyttöä varten on osoittautunut suureksi haasteeksi.

Mutta meren aallot? Kuten jokainen rannan lähellä oleskellut voi kertoa, aallot törmäävät rantaan aamuin, päivin ja öin. Siksi ne ovat ihanteellisia energian tuottamiseen ympäri vuorokauden. Nyt tutkijat selvittävät, kuinka paljon energiaa aallot voisivat tarjota.

Kun tuuli puhaltaa veden pinnalla, se synnyttää aaltoja. Jos olet koskaan nähnyt merellä tai järvellä tuulisena päivänä valkoisia lakkeja, olet nähnyt tämän toiminnassa. Tuuli saa veden pinnalla olevan veden heilumaan ylös ja alas. Vaikka näyttääkin siltä, että vesi liikkuu paikasta toiseen, se ei todellisuudessa kulje kovin kauas. Pikemminkin se liikkuu ympyrää – ylös, ylös, ylös aallon huipulle, sitten alas, alas, alas, alas toiselle puolelle.

Tämä pitää paikkansa ainakin silloin, kun vesi on hyvin syvällä, kuten esimerkiksi valtameressä. Näitä hellästi keinuvia aaltoja kutsutaan ”aallokoksi”. Mutta aallot muuttuvat, kun ne tulevat lähelle rantaa.

Veden mataloituessa se ei voi enää kulkea ympyrää. Maa tulee tielle. Vesi törmää merenpohjaan, jolloin ympyrä litistyy soikeaksi. Aivan kuten ihminen kompastuu johonkin, vesi ”kompastuu” maahan. Yläosa syöksyy pohjan ohi. Aalto ”murtuu” ja syöksyy lähemmäs rantaa.

Aaltoenergiajärjestelmät käyttävät veden liikettä sähkön tuottamiseen. Jotkin näistä laitteista hyödyntävät murtuvien aaltojen voimaa. Toiset hyödyntävät aallokkoa. Toiset taas käyttävät merenpohjan lähellä olevien aaltojen painetta. Kaikilla on kuitenkin sama tavoite: muuntaa aaltoenergia sähköenergiaksi. Tätä sähköä voidaan käyttää sähköverkkoon. Se on kaapeliverkko, joka siirtää sähköä koteihin ja rakennuksiin, jotta voimme käyttää sitä.

Aaltovoima rajoittuu alueille, jotka ovat lähellä merta. Loppujen lopuksi sähköä kuljettavat kaapelit voivat olla vain niin pitkiä. Mutta 40 prosenttia maailman väestöstä asuu 100 kilometrin (60 mailin) säteellä merestä. Se tarkoittaa, että aaltovoima voisi antaa virtaa monille valoille, televisioille ja tableteille.

Tutkijat testaavat, miten hyvin erityyppiset generaattorit muuttavat merienergian sähköksi. Samalla he yrittävät varmistaa, että meren elämää ei vahingoiteta prosessin aikana.

Voimaa sinne, missä sitä tarvitaan

Ensimmäinen askel aaltovoiman luomiseksi? Selvitetään paras paikka energiamuuntimien sijoittamiselle.

Eivät kaikki rannikkoalueet sovellu aaltovoiman tuottamiseen. Meren alla olevan maan muoto muuttaa aaltojen kokoa ja muotoa. Aaltoenergiamuuntimet ovat myös kalliita. Parhailla paikoilla pitäisi olla runsaasti aallokkoa, mutta ei niin paljon, että muuntimet voisivat vaurioitua myrskyssä.

Tutkijat turvautuvat tietokonemalleihin selvittääkseen parhaat paikat. Joao Morim Nascimento ja Nick Cartwright ovat ympäristöinsinöörejä Australiassa. Molemmat työskentelevät Griffithin yliopistossa Southportissa, Queenslandissa. Ympäristöinsinööri työskentelee saastumisen ja jätteiden vähentämiseksi. Kaksikko halusi löytää hyviä paikkoja aaltoenergiamuuntamoille maansa kaakkoisrannikolla. Siellä sijaitsee useita Australian suuria kaupunkeja. Koska rannikon lähellä asuu niin paljon ihmisiä, tämä alue voisi soveltua erinomaisesti aaltovoiman hyödyntämiseen.

Tutkijat lähtivät liikkeelle olemassa olevasta tietokonemallista nimeltä SWAN. (Nimi tulee sanoista Simulating WAves Nearshore.) SWANin ovat kehittäneet hollantilaisen Delftin yliopiston tutkijat. Se ennustaa valtameren aaltoenergian voimakkuutta ja sijaintia. Tätä varten se ottaa huomioon muun muassa tuulen, merenpohjan ominaispiirteet ja useiden aaltojen väliset vuorovaikutukset.

Morim Nascimento ja Cartwright mukauttivat SWANin sovellettavaksi Kaakkois-Australiaan. He lisäsivät tiedot veden syvyydestä 50 kilometrin (31 mailin) päähän rannasta. He lisäsivät myös tietoja alueen tuulista ja aalloista. Sitten he testasivat mallia käyttämällä meressä olevien poijujen tietoja. Insinöörit virittivät mallia, kunnes se ennusti tarkasti poijujen tallentaman aaltoenergian määrän.

Malli auttoi ryhmää löytämään ”kuumia pisteitä” – paikkoja, joissa on Cartwrightin kuvauksen mukaan ”runsaasti aaltoenergiaa”. Kukin paikka sijaitsee enintään 5 kilometrin (3 mailin) etäisyydellä rannasta enintään 22 metrin (72 jalan) syvyisessä vedessä. Ne ovat ihanteellisia, hän selittää, koska näissä paikoissa on helpompaa ja halvempaa saada sähköä rantaan kuin kauempana sijaitsevissa paikoissa.

”Meressä on enemmän kuin tarpeeksi luonnollista energiaa”, hän sanoo. ”Haasteena on valjastaa ja muuntaa siitä riittävästi energiaa”, jota ihmiset voivat käyttää. Osa tästä haasteesta on valtameri itse. Aallot iskevät jatkuvasti laitteisiin. Laitteisto voi myös kokea äärimmäisiä sääolosuhteita. Cartwrightin mukaan hyvin suuret myrskyaallot voivat vahingoittaa muuntimia. Hän lisää, että suolainen merivesi syövyttää tai hajottaa metalliosat.

Merimatto

Tiedemiehet ja insinöörit kokeilevat monia erilaisia tapoja voittaa nämä haasteet. Heidän ideansa ovat johtaneet monenlaisiin malleihin. Jotkut muuntimet kelluvat pinnalla, ja ne on kiinnitetty merenpohjassa oleviin aaltogeneraattoreihin. Toisissa taas toinen pää on ankkuroitu merenpohjaan, ja toinen pää kääntyy vapaasti puolelta toiselle, kun aallot huuhtovat sen yli. Toiset taas käyttävät ilman tai veden painetta sähkön tuottamiseen.

Yksi uusimmista järjestelmistä näyttää hieman litteältä matolta. Mohammad-Reza Alam ja hänen ryhmänsä Kalifornian yliopistossa Berkeleyssä suunnittelivat muuntimen jäljittelemään mutapohjaista merenpohjaa. Paikat, joissa on paljon mutaa, vaimentavat hyvin saapuvia aaltoja, Alam selittää. Kalastajat suuntaavat matalilla merialueilla usein mutaisille alueille, kun kova sää yllättää. Siellä roikkuvat veneet ovat suojassa suurilta aalloilta myrskyn kestäessä.

Jos muta pystyy vaimentamaan niin paljon energiaa, Alam päätteli, niin mutamaisesti toimivan energiamuuntimen pitäisi tehdä samoin. Se tekisi siitä erittäin tehokkaan keräämään aaltovoimaa.

Hänen muuntimensa ”matto-osa” on tehty sileästä kumilevystä. Se lepää lähellä merenpohjaa, jossa se voi taipua ja taipua aivan aaltojen mukana. Kun se liikkuu ylös ja alas, se työntää virkaa sisään ja ulos mäntäpumpusta. Pumppu muuntaa männän liikkeen sähköksi, joka sitten kulkee kaapelia pitkin sähköverkkoon.

Matto pystyy poistamaan lähes kaiken energian aalloista, Alam sanoo. Ja se pystyisi syöttämään sähköä moniin koteihin. Joka tunti, hän sanoo, ”jokainen neliömetri mattoa voi saada noin 2,5 kilowattia vedestä lähellä Kalifornian rannikkoa”. Se on kaksi kertaa enemmän sähköä kuin mitä tyypillinen amerikkalainen koti käyttää tunnissa

”Jos haluamme saada saman verran tehoa aurinkoenergiasta”, Alam sanoo, ”tarvitsemme 14 neliömetriä aurinkopaneeleita”. Se on 14 kertaa enemmän! Hänen mukaansa täysikokoinen aaltomatto olisi luultavasti noin 10 metriä (33 jalkaa) leveä ja 20 metriä (66 jalkaa) pitkä. Sen pitäisi siis pystyä tuottamaan 500 kilowattia sähköä tunnissa, mikä riittäisi yli 400 kodin sähkönsyöttöön ympäri vuorokauden.

Muissa paikoissa, kuten Pohjois-Euroopassa, on energisempiä aaltoja. Joten siellä aaltomatto voisi tuottaa enemmän sähköä, Alam toteaa. Toisaalta Meksikonlahden kaltaisissa paikoissa heikommat aallot eivät voisi pumpata yhtä paljon sähköä sähköverkkoon.

Merenpohjaan ankkuroituna koko rakenne sijaitsee aivan merenpohjan yläpuolella. Se on siis täysin näkymättömissä. Se on tärkeää monille ihmisille, jotka viettävät aikaa rannalla. He eivät halua nähdä suuria energiaa tuottavia rakenteita (kuten tuulivoimaloita) uidessaan tai purjehtiessaan. Itse asiassa monet tuulivoimalat sijaitsevat kaukana rannasta, jotta rannalla viihtyvät ihmiset eivät näe niitä. Aaltomatto voi kuitenkin olla lähellä rantaa. Se tarkoittaa, että sähköä verkkoon kuljettavat kaapelit voivat olla paljon lyhyempiä. Ja aaltomatolla tuotetun sähkön pitäisi siksi maksaa vähemmän.

Hyvää ympäristölle?

Ei ole epäilystäkään siitä, että uusien uusiutuvien energialähteiden löytäminen on hyväksi ympäristölle. Vähemmän saasteita ja vähemmän kasvihuonekaasuja on hyväksi ihmisille, kasveille ja eläimille. Mutta puhtaat energialähteet voivat silti aiheuttaa ongelmia.

Tuulivoimalat voivat olla esimerkiksi muuttolintujen ja lepakoiden tiellä. (Joidenkin arvioiden mukaan satojatuhansia näistä eläimistä voi kuolla vuosittain törmätessään massiivisiin pyöriviin lapoihin.) Aaltoenergiamuuntamoiden matalampi korkeus tarkoittaa, että ne eivät todennäköisesti häiritsisi muuttavia eläimiä. Meidän on kuitenkin harkittava huolellisesti niiden vuorovaikutusta meriympäristön kanssa, Deborah Greaves sanoo. Hän on meri-insinööri Plymouthin yliopistossa Englannissa.

Yksi huolenaiheena ovat ekologiset vaikutukset, joita voi aiheutua, jos kaikki saapuvien aaltojen energia imetään. (Sitenhän ne tuottavat sähköä – muuntamalla aaltoenergiaa sähköenergiaksi). Aalloista otettu energia vähentää sitä, kuinka paljon energiaa jää jäljelle, kun aallot jatkavat matkaansa kohti rantaa. Niistä tulee pienempiä ainakin jonkin matkan ajan. Pienemmät aallot voivat johtaa ravinteiden vähäisempään sekoittumiseen vesipatsaassa (eli tietyn merenpohjan ja sen yläpuolella olevan pinnan välissä olevassa vedessä). Se voi vaikuttaa siellä eläviin lajeihin, Greaves sanoo. ”Mutta siitä voi olla myös hyötyä”, hän lisää. Loppujen lopuksi ”aaltoenergiamuuntimet voivat auttaa tarjoamaan jonkin verran rannikon suojelua” vähentämällä eroosiota.

Sähkögeneraattoreilla voisi olla vaikutusta myös villieläinten vuorovaikutukseen. Monet linnut ja merinisäkkäät metsästävät kalaa alueilla, jotka voisivat olla ihanteellisia paikkoja aaltomuuntamoille. On mahdollista, että muuntimet voisivat jopa houkutella kaloja niiden luokse, jos niiden syömät pienemmät otukset hakeutuvat sinne suojaan. Tämä puolestaan voisi houkutella nälkäisiä saalistajia. Tämä voisi auttaa lisäämään alueen merielämää. Mutta kalat, hylkeet ja muut eläimet saattavat myös sotkeutua pitkiin kaapeleihin, jotka ankkuroivat pinnalla uivia energiamuuntimia. Tutkijoiden on siis tutkittava, minne muuntimet halutaan asentaa, jotta varmistetaan, etteivät ne vahingoita paikallisia ekosysteemejä.

Toinen huolenaihe: Muuntimet aiheuttavat melua. Tämä voi olla ongelma kaloille, delfiineille ja muille eläimille, jotka ovat riippuvaisia äänestä löytääkseen ruokaa tai kommunikoidakseen. Veneen syvä jyrinä ja kaikuluotaimen kovaääninen pingaus aiheuttavat kaikenlaisia ongelmia merieläimille. Näillä eläimillä voi olla vaikeuksia löytää ruokaa tai ne voivat hämmentyä. Greavesin mukaan aaltomuuntimet eivät kuitenkaan todennäköisesti aiheuta suurta melua. Meluisinta olisi, kun aaltomuuntimet alun perin asennetaan johonkin paikkaan. Kun ne alkavat toimia, niiden pitäisi olla melko hiljaisia.

Plussapuolella aaltomuuntimista voi tulla keinotekoisen riutan pohja, jos levät, simpukat, simpukat tai korallit ottavat kiinni rakenteeseen ja alkavat kasvaa. Tällaiset riutat tarjoavat suojaa kaloille ja muille meren eliöille. Tämä voisi lisätä merielämän monimuotoisuutta alueella. Niistä voisi olla hyötyä, kunhan nämä otukset eivät häiritse aaltomuuntimen liikettä.

”Meren valtavista resursseista aaltoenergialla on potentiaalia antaa valtava panos tulevaisuuden puhtaan energian tarpeisiimme”, Greaves sanoo. Hän varoittaa kuitenkin, että ”se on tehtävä kestävällä tavalla, sopusoinnussa meriympäristön kanssa.”