Ha a “megújuló energia” kifejezésről napelemek tengere vagy tornyosuló szélturbinák jutnak eszünkbe, nem vagyunk egyedül. Egyre elterjedtebbé válik a napból és a szélből származó energia kinyerése. Ez azért van így, mert ezek a “tiszta” energiaforrások a levegő szennyezése nélkül termelnek áramot. Ugyanilyen fontos, hogy nem bocsátanak ki szén-dioxidot a légkörbe. Ez az üvegházhatású gáz csapdába ejti a nap hőjét, és hozzájárul a változó éghajlatunkhoz.
A nap- és szélenergiának azonban van egy nagy hátránya: Nem mindig állnak rendelkezésre. A nap csak nappal süt. A szél jön és megy. Nagyon kevés olyan hely van, ahol a szél elég állandó ahhoz, hogy állandóan áramot termeljen. És bármennyire is egyszerűnek hangzik, az energia tárolása későbbi felhasználásra komoly kihívásnak bizonyult.
De az óceáni hullámok? Bárki, aki valaha is tartózkodott tengerpart közelében, elmondhatja, hogy a hullámok reggel, délben és éjjel a partra csapódnak. És ez teszi őket ideálissá arra, hogy éjjel-nappal energiát termeljenek. A tudósok most azt vizsgálják, hogy a hullámok mennyi energiát nyújthatnak.
Amikor a szél végigfúj a víz felszínén, hullámokat kelt. Ha láttál már fehér sapkákat az óceánon vagy valamelyik tavon egy szeles napon, akkor láttad ezt működés közben. A szél hatására a víz a felszínen fel-le hullámzik. Bár úgy tűnik, mintha a víz egyik helyről a másikra haladna, valójában nem jut messzire. Inkább körbe-körbe mozog – fel, fel, fel a hullám tetejére, majd le, le, le, le a másik oldalra.”
Tanárok és szülők, iratkozzanak fel a Puskázó lapra
Heti frissítések, amelyek segítenek a Tudományos hírek diákoknak a tanulási környezetben
Ez legalábbis akkor igaz, ha a víz nagyon mély, például kint az óceánban. Ezeket a finoman hullámzó hullámokat “hullámoknak” nevezzük. De a hullámok megváltoznak, amikor közelednek a parthoz.
Amint a víz sekélyebbé válik, már nem tud körbe-körbe haladni. A talaj az útjába kerül. A víz nekicsapódik az óceánfenéknek, és a körből oválisra préselődik. Hasonlóan ahhoz, ahogy az ember megbotlik valamiben, a víz is “megbotlik” a talajban. A felső rész elhalad az alsó mellett. A hullám “megtörik”, és közelebb csapódik a parthoz.
A hullámenergia-rendszerek a víz mozgását használják fel áramtermelésre. Ezen eszközök egyes típusai a hullámtörés erejét hasznosítják. Mások a hullámverést használják ki. Megint mások az óceánfenék közelében lévő hullámok nyomását használják. Mégis mindegyiknek ugyanaz a célja: a hullámenergiát elektromos energiává alakítani. Ez az elektromosság felhasználható az elektromos hálózat működtetésére. Ez az a kábelhálózat, amely az áramot az otthonokba és az épületekbe továbbítja, hogy azt használhassuk.
A hullámenergia az óceánhoz közeli területekre korlátozódik. Hiszen az elektromosságot szállító kábelek csak ilyen hosszúak lehetnek. A világ lakosságának 40 százaléka azonban az óceán 100 kilométeres körzetében él. Ez azt jelenti, hogy rengeteg lámpát, tévét és táblagépet lehetne a hullámok segítségével működtetni.
A hullámenergia ígérete miatt a kutatók azt tesztelik, hogy a különböző típusú generátorok milyen jól alakítják át az óceáni energiát elektromos árammá. Eközben próbálnak megbizonyosodni arról, hogy a tengeri élővilág nem sérül a folyamat során.
Elégáram ott, ahol szükség van rá
A hullámerőművek létrehozásának első lépése? Az energiaátalakítók legjobb helyének kitalálása.
Nem minden tengerparti terület alkalmas a hullámenergia előállítására. A tenger alatti szárazföld alakja megváltoztatja a hullámok méretét és alakját. A hullámenergia-átalakítók is költségesek. A legjobb helyeknek sok hullámmozgással kell rendelkezniük, de nem annyira, hogy a konverterek egy viharban megsérüljenek.
A legjobb helyek kitalálásához a tudósok számítógépes modellekhez fordulnak. Joao Morim Nascimento és Nick Cartwright környezetvédelmi mérnökök Ausztráliában. Mindketten a Queensland állambeli Southportban található Griffith Egyetemen dolgoznak. Egy környezetvédelmi mérnök a környezetszennyezés és a hulladék csökkentésén dolgozik. A páros jó helyeket akart találni a hullámenergia-átalakítók számára országuk délkeleti partvidékén. Ott található több ausztrál nagyváros. Mivel nagyon sok ember él a part közelében, ez a terület kiválóan alkalmas lehet a hullámenergia hasznosítására.
A kutatók egy meglévő számítógépes modellel, a SWAN-nal kezdték. (Ez a név a Simulating WAves Nearshore rövidítése.) A SWAN-t a hollandiai Delft Egyetem kutatói fejlesztették ki. Előre jelzi az óceáni hullámenergia erősségét és helyét. Ehhez olyan dolgokat vesz figyelembe, mint a szél, az óceánfenék jellemzői és a több hullám közötti kölcsönhatások.
Morim Nascimento és Cartwright a SWAN-t Délkelet-Ausztráliára adaptálta. Hozzáadták a víz mélységére vonatkozó adatokat a parttól számított 50 kilométeres távolságig (31 mérföld). A régió szél- és hullámviszonyaira vonatkozó adatokat is beillesztették. Ezután az óceánban lévő bóják adatai alapján tesztelték a modellt. A mérnökök addig finomítottak a modellen, amíg az pontosan meg nem jósolta a bóják által rögzített hullámenergia mennyiségét.
A modell segített a csapatnak megtalálni a “forró pontokat” – azokat a helyeket, ahol Cartwright szerint “bőséges a hullámenergia”. Mindegyik helyszín a parttól 5 kilométeren belül van, legfeljebb 22 méter (72 láb) mély vízben. Ezek ideálisak, magyarázza, mert ezekről a helyekről könnyebb és olcsóbb a partra juttatni az energiát, mint távolabbról.
“Az óceánban több mint elegendő természetes energia van” – mondja. “A kihívás az, hogy elég energiát hasznosítani és átalakítani belőle”, hogy az emberek használni tudják. Ennek a kihívásnak egy része maga az óceán. A hullámok folyamatosan ütik a berendezéseket. A berendezéseket szélsőséges időjárás is sújtja. Cartwright szerint a nagyon nagy viharhullámok károsíthatják az átalakítókat. Hozzáteszi, hogy a sós tengervíz megrozsdásítja vagy lebontja a fém alkatrészeket.
Sea carpet
A tudósok és mérnökök sokféle módon próbálkoznak e kihívások leküzdésével. Ötleteik sokféle kialakításhoz vezettek. Egyes átalakítók a felszínen lebegnek, az óceán fenekén lévő hullámgenerátorokhoz kötve. Mások egyik vége a tengerfenékhez van rögzítve, míg a másik szabadon átfordulhat egyik oldalról a másikra, amikor a hullámok átmossák. Megint mások a levegő vagy a víz nyomását használják az áramtermeléshez.
A legújabb rendszerek egyike kicsit úgy néz ki, mint egy lapos szőnyeg. Mohammad-Reza Alam és csapata a Berkeley-i Kaliforniai Egyetemen úgy tervezte az átalakítót, hogy az iszapos tengerfeneket utánozza. A sok iszappal borított helyek jól elnyelik a beérkező hullámokat – magyarázza Alam. A halászok a sekély tengereken gyakran keresik fel az iszapos területeket, ha zord időjárás éri őket. Az ott lógó csónakok védve vannak a nagy hullámoktól, miközben átvészelik a vihart.
Ha az iszap képes ennyi energiát elnyelni, gondolta Alam, akkor egy olyan energiaátalakítónak, amely úgy viselkedik, mint az iszap, ugyanezt kell tennie. Ez rendkívül hatékonnyá tenné a hullámenergia kinyerésében.
A konverter “szőnyeg” része egy sima gumilapból készült. A tengerfenék közelében nyugszik, ahol a hullámokkal együtt tud hajlani és hajlítani. Ahogy felfelé és lefelé mozog, egy dugattyúszivattyúból oszlopokat tol be és ki. A szivattyú a dugattyú mozgását elektromossággá alakítja, amely aztán egy kábelen keresztül az elektromos hálózatba jut.
A szőnyeg képes a hullámok szinte teljes energiáját elvonni, mondja Alam. És rengeteg otthon áramellátására lenne képes. Minden órában, mondja, “a szőnyeg minden négyzetmétere körülbelül 2,5 kilowattot tud kivonni a vízből Kalifornia partjainak közelében”. Ez kétszer annyi áram, mint amennyit egy átlagos amerikai otthon óránként elhasznál
UC Berkeley/YouTube
“Ha ugyanezt az energiát napenergiából szeretnénk kinyerni”, mondja Alam, “14 négyzetméternyi napelemre lenne szükségünk”. Ez 14-szer annyi! Szerinte egy teljes méretű hullámszőnyeg valószínűleg körülbelül 10 méter (33 láb) széles és 20 méter (66 láb) hosszú lenne. Így képes lenne óránként 500 kilowatt áramot termelni – ami több mint 400 háztartás áramellátására lenne elég – éjjel-nappal.
Más helyeken, például Észak-Európában, sokkal energikusabbak a hullámok. Így egy ottani hullámszőnyeg több áramot tudna termelni, jegyzi meg Alam. A másik oldalról viszont az olyan helyeken, mint a Mexikói-öböl, a gyengébb hullámok nem tudnának annyi áramot pumpálni az elektromos hálózatba.
A tengerfenékhez rögzítve az egész szerkezet közvetlenül a tengerfenék felett fekszik. Így teljesen láthatatlan. Ez sok ember számára fontos, akik a tengerparton töltik az idejüket. Nem szeretik látni a nagy energiatermelő szerkezeteket (mint a szélturbinák), amikor úszni vagy vitorlázni mennek. Valójában sok szélerőműpark a parttól távol helyezkedik el, hogy a strandolók ne lássák őket. A hullámszőnyegek azonban közel lehetnek a parthoz. Ez azt jelenti, hogy az áramot a hálózatba szállító kábelek sokkal rövidebbek lehetnek. És a hullámszőnyeg által termelt villamos energia ezért kevesebbe kerülhet.
Jót tesz a környezetnek?
Kétségtelen, hogy a megújuló energiaforrások feltárása jót tesz a környezetnek. A kevesebb szennyezés és a kevesebb üvegházhatású gáz jót tesz az embereknek, a növényeknek és az állatoknak. A tiszta energiaforrások azonban még mindig okozhatnak problémákat.
A szélturbinák például útban lehetnek a vonuló madaraknak és denevéreknek. (Egyes becslések szerint évente több százezer ilyen állat pusztulhat el a hatalmas forgó lapátokkal való ütközéstől). A hullámenergia-átalakítók alacsonyabb magassága azt jelenti, hogy valószínűleg nem zavarják a vonuló állatokat. De “gondosan meg kell fontolnunk a tengeri környezettel való kölcsönhatásukat” – mondja Deborah Greaves. Ő az angliai Plymouthi Egyetem óceánmérnöke.
Az egyik aggodalom a beérkező hullámok energiájának elnyeléséből származó összes energia ökológiai hatásaival kapcsolatos. (Végül is így termelnek áramot – a hullámenergia elektromos energiává alakításával.) A hullámokból megcsapolt energia csökkenti azt, hogy mennyi energia marad meg, amikor a hullámok tovább haladnak a part felé. Kisebbek lesznek, legalábbis egy bizonyos távolságra. A kisebb hullámok a tápanyagok kisebb mértékű keveredéséhez vezethetnek a vízoszlopon belül (ez a víz az óceánfenék egy adott része és a felszín között). Ez pedig hatással lehet az ott élő fajokra, mondja Greaves. “De előnyös is lehet” – teszi hozzá. Hiszen “a hullámenergia-átalakítók az erózió csökkentése révén segíthetnek némi partvédelmet biztosítani”.
Az elektromos generátorok hatással lehetnek az élővilág kölcsönhatására is. Sok madár és tengeri emlős vadászik halakra olyan területeken, amelyek ideális helyszínek lehetnek a hullámátalakítók számára. Lehetséges, hogy a konverterek még a halakat is odavonzhatják, ha az általuk elfogyasztott kisebb jószágok ott keresnek menedéket. Ez pedig vonzhatja az éhes ragadozókat. Ez segíthet a tengeri élet fellendítésében a térségben. A halak, fókák és más állatok azonban belegabalyodhatnak a felszínen úszó energiaátalakítókat rögzítő hosszú kábelekbe is. A kutatóknak tehát meg kell vizsgálniuk, hogy hová akarják telepíteni ezeket a konvertereket, hogy megbizonyosodjanak arról, hogy azok nem károsítják a helyi ökoszisztémákat.
Egy másik aggály: A konverterek zajt fognak csapni. Ez problémát jelenthet a halak, delfinek és más állatok számára, amelyek a hangokra támaszkodnak táplálékkeresésük vagy kommunikációjuk során. A hajók mély morajlása és a hangos szonár hangos pingelése mindenféle problémát okoz az óceáni állatoknak. Ezek az állatok nehezen találnak táplálékot, vagy zavarttá válhatnak. Greaves szerint azonban a hullámátalakítók valószínűleg nem okoznak nagy zajszintet. A legzajosabb rész akkor történne, amikor a konvertereket kezdetben telepítik valamelyik helyszínen. Amint működésbe lépnek, meglehetősen csendesnek kell lenniük.
A pozitív oldalon a konverterek egy mesterséges zátony alapjává válhatnak, ha algák, kagylók, kagylók, kagylóhéjak vagy korallok megragadják a szerkezetet, és növekedni kezdenek. Az ilyen zátonyok védelmet nyújtanak a halak és más tengeri élőlények számára. Ez növelheti a tengeri élővilág sokféleségét a területen. Hasznosak lehetnek, amíg ezek az élőlények nem zavarják a hullámátalakító mozgását.
“Az óceán hatalmas erőforrásaiból a hullámenergia hatalmas mértékben hozzájárulhat a jövő tiszta energiaszükségleteihez” – mondja Greaves. De – figyelmeztet – “ezt fenntartható módon, a tengeri környezettel összhangban kell megvalósítani.”
