Το μεγαλύτερο μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας που τροφοδοτεί τον βιομηχανικό κόσμο προέρχεται από επαγωγικές γεννήτριες. Το πρώτο ήρθε σε σύνδεση το 1896 και τροφοδοτήθηκε από τον καταρράκτη του νερού που πέφτει, δηλαδή τους καταρράκτες του Νιαγάρα. Οι περισσότερες σύγχρονες γεννήτριες επαγωγής κινούνται με ατμό, και τα καύσιμα επιλογής για τη θέρμανση του νερού ήταν από καιρό πηνίο, πετρέλαιο και φυσικό αέριο - τα λεγόμενα ορυκτά καύσιμα.
Από το 2011, τα ορυκτά καύσιμα προμήθευαν το 82% της παγκόσμιας ηλεκτρικής ενέργειας, αλλά τα στοιχεία συνεχίζουν να αυξάνονται για τις καταστροφικές επιπτώσεις που έχουν τα υποπροϊόντα της καύσης στο περιβάλλον. Από τον Οκτώβριο του 2018, οι επιστήμονες προειδοποιούσαν ότι η υπερθέρμανση του πλανήτη, στην οποία η καύση ορυκτών καυσίμων είναι πρωταρχικός συντελεστής, πλησίασε γρήγορα ένα μη αναστρέψιμο σημείο ανατροπής. Το αποτέλεσμα αυτών των προειδοποιήσεων είναι η μετάβαση από τα ορυκτά καύσιμα και προς ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, όπως φωτοβολταϊκά πάνελ, γεωθερμική ενέργεια και ανεμογεννήτριες.
Η κυματική ισχύς είναι μία από τις επιλογές στο τραπέζι. Οι ωκεανοί αντιπροσωπεύουν μια τεράστια δεξαμενή ανεκμετάλλευτης ενέργειας. Σύμφωνα με το Ερευνητικό Ινστιτούτο Ηλεκτρικής Ισχύος, η πιθανή ενέργεια κυμάτων γύρω από τις παράκτιες Ηνωμένες Πολιτείες, συμπεριλαμβανομένης της Αλάσκας, είναι περίπου 2.640 terawatt-ώρες / έτος. Αυτή είναι αρκετή ενέργεια για να τροφοδοτήσει 2,5 εκατομμύρια νοικοκυριά για ένα ολόκληρο έτος. Ένας άλλος τρόπος να το δούμε είναι ότι ένα μόνο κύμα έχει αρκετή ενέργεια για να τροφοδοτήσει ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο για εκατοντάδες μίλια.
Υπάρχουν τέσσερις κύριες τεχνολογίες για την αξιοποίηση της κυματικής ενέργειας. Κάποιοι εργάζονται κοντά στην ακτή, κάποιοι υπεράκτιοι και κάποιοι στη βαθιά θάλασσα. Οι μετατροπείς ενέργειας κυμάτων (WEC) έχουν σχεδιαστεί για να παραμένουν στην επιφάνεια του νερού, αλλά διαφέρουν ως προς το προσανατολισμοί των συλλεκτών στην κίνηση των κυμάτων και στις μεθόδους που χρησιμοποιούνται για τη δημιουργία ηλεκτρική ενέργεια. Οι τέσσερις τύποι γεννητριών ηλεκτρικής ενέργειας κυμάτων είναι απορροφητές σημείων, τερματιστές, συσκευές υπερπλήρωσης και εξασθενητές.
Από πού προέρχεται η κυματική ενέργεια;
Είτε το πιστεύετε είτε όχι, η κυματική ενέργεια είναι μια άλλη μορφή ηλιακής ενέργειας. Ο ήλιος θερμαίνει διαφορετικά μέρη του πλανήτη σε διαφορετικές εκτάσεις, και οι προκύπτουσες διαφορές θερμοκρασίας δημιουργούν τους ανέμους που αλληλεπιδρούν με το νερό του ωκεανού για να δημιουργήσουν κύματα. Η ηλιακή ακτινοβολία δημιουργεί επίσης διαφορές θερμοκρασίας στο ίδιο το νερό, και αυτά οδηγούν υποβρύχια ρεύματα. Μπορεί να είναι δυνατή η αξιοποίηση της ενέργειας αυτών των ρευμάτων στο μέλλον, αλλά προς το παρόν, το μεγαλύτερο μέρος της προσοχής της ενεργειακής βιομηχανίας έχει επικεντρωθεί στα επιφανειακά κύματα.
Στρατηγικές μετατροπής ενέργειας κυμάτων
Σε ένα υδροηλεκτρικό φράγμα, η ενέργεια του νερού που πέφτει περιστρέφει άμεσα τους στροβίλους που παράγουν εναλλασσόμενο ρεύμα. Αυτή η αρχή χρησιμοποιείται σχεδόν αμετάβλητη σε ορισμένες μορφές παραγωγής κυμάτων, αλλά σε άλλες, η ενέργεια του Το νερό που ανεβαίνει και πέφτει πρέπει να περάσει από ένα άλλο μέσο πριν μπορέσει να κάνει το έργο της περιστροφής του τουρμπίνα. Αυτό το μέσο είναι συχνά αέρας. Ο αέρας σφραγίζεται σε θάλαμο και η κίνηση των κυμάτων τον συμπιέζει. Ο πεπιεσμένος αέρας στη συνέχεια πιέζεται μέσω ενός μικρού ανοίγματος, δημιουργώντας μια πίδακα αέρα που μπορεί να κάνει την απαραίτητη εργασία. Σε ορισμένες τεχνολογίες, η ενέργεια των κυμάτων μεταφέρεται σε μηχανική ενέργεια με υδραυλικά έμβολα. Τα έμβολα με τη σειρά τους οδηγούν τους στροβίλους που παράγουν ηλεκτρισμό.
Η κυματική ισχύς βρίσκεται ακόμη σε μεγάλο βαθμό στην πειραματική φάση και εκατοντάδες διαφορετικά σχέδια έχουν κατοχυρωθεί με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας, αν και μόνο ένα μέρος αυτών έχει αναπτυχθεί. Μία εταιρεία που παρείχε εμπορική ενέργεια λειτουργούσε στα ανοικτά των ακτών της Πορτογαλίας το 2008 και το 2009, και η κυβέρνηση της Σκωτίας παρακολουθεί την ανάπτυξη ενός μεγάλου έργου στο πανέμορφο νερό της Βόρειας Θάλασσας. Ένα παρόμοιο έργο σχεδιάζεται στα ανοικτά των ακτών της Αυστραλίας. Υπάρχουν τέσσερις κύριοι τύποι γεννητριών κυμάτων:
1 - Οι απορροφητές σημείου μοιάζουν με σημαντήρες
Ο απορροφητής σημείων είναι κυρίως μια συσκευή βαθέων υδάτων. Παραμένει αγκυροβολημένο στη θέση του και βυθίζει πάνω και κάτω στα κύματα που περνούν. Αποτελείται από έναν κεντρικό κύλινδρο που επιπλέει ελεύθερα μέσα σε ένα περίβλημα, και καθώς το κύμα περνά, ο κύλινδρος και το περίβλημα κινούνται το ένα το άλλο. Η κίνηση οδηγεί μια ηλεκτρομαγνητική επαγωγική συσκευή ή ένα υδραυλικό έμβολο, το οποίο δημιουργεί την απαραίτητη ενέργεια για την κίνηση ενός στροβίλου. Επειδή αυτές οι συσκευές απορροφούν ενέργεια, ενδέχεται να επηρεάσουν τα χαρακτηριστικά των κυμάτων που φτάνουν στην ακτή. Αυτός είναι ένας λόγος για τον οποίο χρησιμοποιούνται σε τοποθεσίες που βρίσκονται πολύ μακριά.
Μια στήλη ταλαντευόμενου νερού (OWC) είναι ένας συγκεκριμένος τύπος απορροφητή σημείου. Μοιάζει επίσης με έναν σημαντήρα, αλλά αντί για έναν εσωτερικό κύλινδρο ελεύθερης πλεύσης, έχει μια στήλη νερού που ανεβαίνει και πέφτει με τα κύματα. Η κίνηση του νερού ωθεί τον πεπιεσμένο αέρα μέσω ενός ανοίγματος για να οδηγήσει ένα έμβολο.
2 - Οι εξολοθρευτές παράγουν κυματική ηλεκτρική ενέργεια από πεπιεσμένο αέρα
Οι εξολοθρευτές μπορούν να βρίσκονται στην ακτή ή κοντά στην ακτή. Είναι βασικά μεγάλοι σωλήνες και όταν αναπτύσσονται υπεράκτια, συλλαμβάνουν νερό μέσω ανοιγμάτων θυρών κάτω από την επιφάνεια. Οι σωλήνες είναι αγκυροβολημένοι για να εκτείνονται προς την κατεύθυνση της κίνησης των κυμάτων, και η άνοδος και η πτώση της επιφάνειας του ωκεανού ωθούν μια στήλη συλλαμβανόμενου αέρα μέσω ενός μικρού ανοίγματος για την οδήγηση ενός στροβίλου. Όταν βρίσκονται στην ξηρά, τα κύματα που συντρίβουν στην παραλία οδηγούν τη διαδικασία, έτσι τα ανοίγματα βρίσκονται στα άκρα των σωλήνων. Κάθε τερματιστής μπορεί να παράγει ισχύ από 500 κιλοβάτ έως 2 μεγαβάτ, ανάλογα με τις συνθήκες κύματος. Αυτή είναι αρκετή δύναμη για μια ολόκληρη γειτονιά.
3 - Οι εξασθενητές είναι μετατροπείς ενέργειας πολλαπλών τμημάτων κυμάτων
Όπως οι τερματιστές, οι εξασθενητές είναι μεγάλοι σωλήνες που αναπτύσσονται κάθετα στην κίνηση των κυμάτων. Αγκυροβολούνται στο ένα άκρο και κατασκευάζονται σε τμήματα που κινούνται το ένα με το άλλο καθώς περνάει το κύμα. Η κίνηση οδηγεί ένα υδραυλικό έμβολο ή κάποια άλλη μηχανική συσκευή που βρίσκεται σε κάθε τμήμα και η ενέργεια οδηγεί έναν στρόβιλο, ο οποίος με τη σειρά του παράγει ηλεκτρισμό.
4 - Οι υπερτιθέμενες συσκευές είναι σαν μίνι υδροηλεκτρικά φράγματα
Οι υπερκατασκευαστικές συσκευές είναι μεγάλες και εκτείνονται κάθετα προς την κατεύθυνση της κίνησης των κυμάτων. Σχηματίζουν ένα φράγμα, σαν ένα θαλάσσιο φράγμα ή φράγμα, που συλλέγει νερό. Η στάθμη του νερού αυξάνεται με κάθε κύμα που περνά, και καθώς πέφτει ξανά, οδηγεί τους στροβίλους που παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Η συνολική δράση είναι περίπου η ίδια με αυτή που χρησιμοποιείται σε υδροηλεκτρικά φράγματα. Οι στρόβιλοι και ο εξοπλισμός μετάδοσης συχνά στεγάζονται σε υπεράκτιες πλατφόρμες. Υπερβολικές συσκευές μπορούν επίσης να κατασκευαστούν στην ξηρά για να συλλάβουν την ενέργεια των κυμάτων που συντρίβουν στην παραλία.
Προβλήματα με την παραγωγή ισχύος κυμάτων
Παρά την προφανή υπόσχεση της κυματικής ισχύος, η ανάπτυξη είναι πολύ πίσω από αυτήν της ηλιακής και της αιολικής ενέργειας. Οι μεγάλης κλίμακας εμπορικές εγκαταστάσεις εξακολουθούν να αποτελούν αντικείμενο του μέλλοντος. Ορισμένοι ειδικοί στον τομέα της ενέργειας παρομοιάζουν την κατάσταση της ηλεκτρικής ενέργειας κυμάτων με αυτήν της ηλιακής και αιολικής ενέργειας πριν από 30 χρόνια. Μέρος αυτού του λόγου είναι εγγενής στη φύση των κυμάτων του ωκεανού. Είναι ακανόνιστα και απρόβλεπτα. Το ύψος των κυμάτων και η περίοδος τους, που είναι ο χώρος μεταξύ τους, μπορεί να ποικίλλει από μέρα σε μέρα ή ακόμη και από ώρα σε ώρα.
Ένα άλλο πρόβλημα είναι η μετάδοση ισχύος. Η κυματική ισχύς δεν μπορεί να εξυπηρετήσει κανένα σκοπό έως ότου μεταδοθεί στην ακτή. Τα περισσότερα WEC ενσωματώνουν μετασχηματιστές για να αυξήσουν την τάση για πιο αποτελεσματική μετάδοση σε υποβρύχιες γραμμές ισχύος. Αυτές οι γραμμές ηλεκτρικής ενέργειας συνήθως στηρίζονται στον πυθμένα της θάλασσας και η εγκατάστασή τους αυξάνει σημαντικά το κόστος ενός σταθμού ηλεκτροπαραγωγής κυμάτων, ειδικά όταν ο σταθμός βρίσκεται μακριά από την ακτή. Επιπλέον, υπάρχει ένα ορισμένο ποσό απώλειας ισχύος που σχετίζεται με οποιαδήποτε μεταφορά ηλεκτρικής ενέργειας.
