Free Press

Jeśli termin „energia odnawialna” przywodzi na myśl morze paneli słonecznych lub strzeliste turbiny wiatrowe, nie jesteś sam. Pozyskiwanie energii ze słońca i wiatru staje się coraz bardziej powszechne. Dzieje się tak dlatego, że te „czyste” źródła energii wytwarzają prąd bez zanieczyszczania naszego powietrza. Równie ważne jest to, że nie uwalniają one dwutlenku węgla do atmosfery. Ten gaz cieplarniany zatrzymuje ciepło słoneczne i przyczynia się do zmiany naszego klimatu.

Ale energia słoneczna i wiatrowa mają jeden duży minus: Nie zawsze są one dostępne. Słońce świeci tylko w ciągu dnia. Wiatr przychodzi i odchodzi. Jest bardzo niewiele miejsc, gdzie wiatr jest na tyle stały, aby generować energię elektryczną przez cały czas. I choć brzmi to łatwo, przechowywanie energii do późniejszego wykorzystania okazało się poważnym wyzwaniem.

Ale fale oceaniczne? Jak może powiedzieć każdy, kto przebywał w pobliżu plaży, fale uderzają o brzeg rano, w południe i w nocy. A to czyni je idealnymi do generowania energii przez całą dobę. Teraz naukowcy zastanawiają się, jak wiele energii mogą zaoferować fale.

Gdy wiatr wieje po powierzchni wody, tworzy fale. Jeśli kiedykolwiek widziałeś białe czapki na oceanie lub jeziorze w wietrzny dzień, widziałeś to w akcji. Wiatr powoduje, że woda na powierzchni kołysze się w górę i w dół. Nawet jeśli wydaje się, że woda przemieszcza się z jednego miejsca do drugiego, w rzeczywistości nie przemieszcza się zbyt daleko. Raczej porusza się w kółko – w górę, w górę, w górę aż do szczytu fali, a następnie w dół, w dół, w dół po drugiej stronie.

To prawda, przynajmniej, gdy woda jest bardzo głęboka, jak na przykład w oceanie. Te delikatnie kołyszące się fale nazywane są „swells”. Ale fale zmieniają się, gdy zbliżają się do brzegu.

Jak woda staje się płytsza, nie może już podróżować w kółko. Ziemia staje na przeszkodzie. Woda obija się o dno oceanu, zgniatając koło w owal. Podobnie jak osoba potykająca się o coś, woda „potyka się” o ziemię. Górna część fali mija dolną. Fala „pęka”, rozbijając się bliżej plaży.

Systemy energii falowej wykorzystują ruch wody do wytwarzania energii elektrycznej. Niektóre typy tych urządzeń wykorzystują siłę łamiących się fal. Inne wykorzystują falowanie. Jeszcze inne wykorzystują ciśnienie fal w pobliżu dna oceanu. Jednak wszystkie mają ten sam cel: przekształcić energię fal w energię elektryczną. Ta energia elektryczna może być wykorzystana do zasilania sieci elektrycznej. Jest to sieć kabli, które przesyłają energię elektryczną do domów i budynków, abyśmy mogli z niej korzystać.

Energia falowa jest ograniczona do obszarów w pobliżu oceanu. W końcu kable, które przenoszą energię elektryczną mogą być tylko tak długie. Ale 40 procent światowej populacji żyje w promieniu 100 kilometrów (60 mil) od oceanu. Oznacza to, że cała masa świateł, telewizorów i tabletów może być zasilana przez fale.

W związku z tą obietnicą dotyczącą energii fal, naukowcy testują, jak dobrze różne rodzaje generatorów przekształcają energię oceanu w energię elektryczną. Po drodze starają się upewnić, że życie morskie nie ucierpi w tym procesie.

Zasilanie tam, gdzie jest potrzebne

Pierwszy krok do stworzenia energii fal? Ustalenie najlepszego miejsca na umieszczenie tych konwerterów energii.

Nie wszystkie obszary przybrzeżne nadają się do generowania energii fal. Kształt lądu pod powierzchnią morza zmienia wielkość i kształt fal. Konwertery energii fal są również kosztowne. Najlepsze miejsca powinny mieć dużo działania fal, ale nie tak dużo, że konwertery mogą być uszkodzone w sztormie.

Aby dowiedzieć się najlepsze miejsca, naukowcy zwracają się do modeli komputerowych. Joao Morim Nascimento i Nick Cartwright są inżynierami środowiska w Australii. Obaj pracują na Uniwersytecie Griffith w Southport, Queensland. Inżynier środowiska pracuje nad redukcją zanieczyszczeń i odpadów. Para chciała znaleźć dobre miejsca dla przetworników energii fal wzdłuż południowo-wschodniego wybrzeża swojego kraju. Znajduje się tam kilka dużych australijskich miast. Ponieważ tak wielu ludzi mieszka w pobliżu wybrzeża, obszar ten może być świetny dla energii fal.

Badacze zaczęli od istniejącego modelu komputerowego o nazwie SWAN. (Nazwa ta jest skrótem od Simulating WAves Nearshore). SWAN został opracowany przez naukowców z Uniwersytetu w Delft w Holandii. Przewiduje on siłę i lokalizację energii fal oceanicznych. Aby to zrobić, uwzględnia takie czynniki jak wiatr, cechy dna oceanicznego i interakcje między wieloma falami.

Morim Nascimento i Cartwright przystosowali SWAN do zastosowania w południowo-wschodniej Australii. Dodali szczegóły na temat głębokości wody do 50 kilometrów (31 mil) od brzegu. Dodali również dane na temat wiatrów i fal w tym regionie. Następnie przetestowali model przy użyciu danych z boi na oceanie. Inżynierowie udoskonalili model, dopóki nie przewidział on dokładnie ilości energii fal zarejestrowanych przez boje.

Model pomógł zespołowi znaleźć „hotspoty” – miejsca z tym, co Cartwright opisuje jako „obfitość energii fal”. Każde miejsce znajduje się w odległości do 5 kilometrów (3 mil) od brzegu w wodzie o głębokości nie większej niż 22 metry (72 stopy). Są to idealne miejsca, wyjaśnia, ponieważ łatwiej i taniej jest dostarczyć energię do brzegu z tych miejsc niż z bardziej odległych. „Wyzwaniem jest wykorzystanie i przekształcenie jej w energię”, którą ludzie mogą wykorzystać. Częścią tego wyzwania jest sam ocean. Fale nieustannie uderzają w sprzęt. Sprzęt może również doświadczać ekstremalnych warunków pogodowych. Bardzo duże fale sztormowe mogą uszkodzić konwertery, mówi Cartwright. Dodaje on również, że słona woda morska powoduje korozję lub uszkodzenie wszelkich metalowych części. Niektóre z nich pływają na powierzchni (1, 2, 4) lub przerzucają się z boku na bok (3). Inny typ wykorzystuje energię z fal rozbijających się o brzeg (5). Jeszcze inne siedzą blisko dna morskiego (6).

Dywan morski

Naukowcy i inżynierowie próbują wielu różnych sposobów, aby pokonać te wyzwania. Ich pomysły doprowadziły do powstania wielu typów konstrukcji. Niektóre konwertery unoszą się na powierzchni, przywiązane do generatorów fal na dnie oceanu. Inne mają jeden koniec zakotwiczony do dna morza, a drugi może swobodnie obracać się z boku na bok, gdy fale omywają go. Jeszcze inne wykorzystują ciśnienie powietrza lub wody do generowania energii elektrycznej.

Jeden z najnowszych systemów wygląda trochę jak płaski dywan. Mohammad-Reza Alam i jego zespół z Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley zaprojektowali konwerter tak, aby naśladował błotniste dno morskie. Miejsca z dużą ilością błota dobrze pochłaniają napływające fale, wyjaśnia Alam. Rybacy na płytkich morzach często kierują się w stronę błotnistych obszarów, gdy nadchodzi sztormowa pogoda. Łodzie wiszące tam są chronione przed dużymi falami, gdy jeżdżą po burzy.

Jeśli błoto może wchłonąć tyle energii, Alam rozumował, to konwerter energii, który działa jak błoto, powinien zrobić to samo. To uczyniłoby go niezwykle wydajnym w zbieraniu energii fal.

Część „dywanowa” jego konwertera jest wykonana z gładkiego arkusza gumy. Spoczywa on blisko dna morskiego, gdzie może się zginać i wyginać wraz z falami. Gdy porusza się w górę i w dół, wpycha i wypycha powietrze z pompy tłokowej. Pompa przetwarza ruch tłoka na energię elektryczną, która następnie wędruje kablem do sieci elektrycznej.

Dywan jest w stanie usunąć prawie całą energię z fal, mówi Alam. I będzie w stanie zasilić wiele domów. Mówi on, że w każdej godzinie „każdy metr kwadratowy dywanu może uzyskać około 2,5 kilowata z wody w pobliżu wybrzeża Kalifornii”. To dwa razy więcej niż ilość energii elektrycznej zużywanej co godzinę przez typowy amerykański dom

„Jeśli chcemy uzyskać tę samą moc z energii słonecznej”, mówi Alam, „potrzebujemy 14 metrów kwadratowych paneli słonecznych”. To 14 razy więcej! Mówi, że pełnowymiarowy dywan falowy miałby prawdopodobnie około 10 metrów (33 stóp) szerokości na 20 metrów (66 stóp) długości. Tak więc powinien być w stanie wygenerować 500 kilowatów energii elektrycznej na godzinę – wystarczająco dużo, aby zasilić ponad 400 domów – przez całą dobę.

Inne lokalizacje, takie jak północna Europa, mają bardziej energetyczne fale. Alam zauważa, że dywan falowy mógłby tam generować więcej energii elektrycznej. Z drugiej strony, słabsze fale w miejscach takich jak Zatoka Meksykańska nie mogłyby pompować tyle energii elektrycznej do sieci energetycznej.

Zakotwiczona do dna morskiego, cała struktura leży tuż nad dnem morskim. Jest więc całkowicie niewidoczna. Jest to ważne dla wielu ludzi, którzy spędzają czas na plaży. Nie lubią oni widzieć dużych struktur generujących energię (takich jak turbiny wiatrowe), gdy są na plaży, aby popływać lub pożeglować. W rzeczywistości, wiele farm wiatrowych jest zlokalizowanych daleko od brzegu, tak że osoby korzystające z plaży nie widzą ich. Dywan falowy może jednak znajdować się blisko brzegu. Oznacza to, że kable doprowadzające energię elektryczną do sieci mogą być znacznie krótsze. Energia elektryczna generowana przez dywan powinna zatem kosztować mniej.

Dobro dla środowiska?

Nie ma wątpliwości, że znalezienie nowych źródeł energii odnawialnej jest dobre dla środowiska. Mniejsze zanieczyszczenie i mniej gazów cieplarnianych są dobre dla ludzi, roślin i zwierząt. Ale czyste źródła energii mogą nadal powodować problemy.

Turbiny wiatrowe mogą przeszkadzać migrującym ptakom i nietoperzom, na przykład. (Niektóre szacunki mówią, że setki tysięcy tych zwierząt może zginąć każdego roku w wyniku kolizji z masywnymi wirującymi łopatami). Mniejsza wysokość konwerterów energii fal oznacza, że prawdopodobnie nie będą one przeszkadzać migrującym zwierzętom. Jednak „musimy dokładnie rozważyć ich interakcję ze środowiskiem morskim” – mówi Deborah Greaves. Jest ona inżynierem oceanicznym na Uniwersytecie w Plymouth w Anglii.

Jedną z obaw są wszelkie ekologiczne skutki pochłaniania całej tej energii z fal przychodzących. (W końcu to właśnie w ten sposób generuje się energię elektryczną – poprzez przekształcanie energii fal w energię elektryczną). Energia pobrana z fal zredukuje ilość energii, która pozostanie, gdy fale będą dalej płynąć w kierunku brzegu. Będą one mniejsze, przynajmniej na pewnym dystansie. Mniejsze fale mogą prowadzić do mniejszego mieszania się składników odżywczych w słupie wody (to jest wody pomiędzy określonym fragmentem dna oceanu a powierzchnią nad nim). A to może mieć wpływ na gatunki, które tam żyją – mówi Greaves. „Ale może to być również korzystne,” dodaje. W końcu „konwertery energii fal mogą pomóc w zapewnieniu pewnej ochrony wybrzeża” poprzez zmniejszenie erozji.

Generatory elektryczne mogą również wpływać na interakcje dzikich zwierząt. Wiele ptaków i ssaków morskich poluje na ryby na obszarach, które mogą być idealnymi miejscami dla konwerterów fal. It’s possible that converters could even attract fish to them if the smaller critters they eat seek refuge there. To z kolei może przyciągnąć głodne drapieżniki. Może to pomóc w ożywieniu życia morskiego w tym rejonie. Ale ryby, foki i inne zwierzęta mogą również zaplątać się w długie kable, które kotwiczą pływające na powierzchni konwertery energii. Więc naukowcy muszą zbadać, gdzie chcą zainstalować te konwertery, aby upewnić się, że nie zaszkodzą lokalnym ekosystemom.

Inna obawa: Konwertery będą powodować hałas. To może być problem dla ryb, delfinów i innych zwierząt, które polegają na dźwięku, aby znaleźć pożywienie lub do komunikowania się. Głęboki huk łodzi i głośny ping sonaru powodują wszelkiego rodzaju problemy dla zwierząt oceanicznych. Zwierzęta te mogą mieć trudności ze znalezieniem pożywienia lub stać się zdezorientowane. Jednak, jak mówi Greaves, jest mało prawdopodobne, aby konwertery fal powodowały wysoki poziom hałasu. Najgłośniej będzie, gdy konwertery zostaną początkowo zainstalowane w jakimś miejscu. Kiedy zaczną działać, powinny być dość ciche.

Na plus, konwertery mogą stać się podstawą sztucznej rafy, jeśli algi, małże, pąkle lub koralowce chwycą się struktury i zaczną rosnąć. Takie rafy zapewniają ochronę rybom i innym organizmom morskim. Mogłoby to zwiększyć różnorodność życia morskiego w danym obszarze. Mogą one być pomocne, o ile te stworzenia nie zakłócają ruchu przetwornika fal.

„Dzięki ogromnym zasobom oceanu, energia fal ma potencjał, aby wnieść ogromny wkład w nasze przyszłe potrzeby w zakresie czystej energii” – mówi Greaves. Ale, jak ostrzega, „należy to zrobić w sposób zrównoważony, w harmonii ze środowiskiem morskim.”

.