Kako se energija valova koristi za proizvodnju električne energije?

Glavnina električne energije koja pokreće industrijski svijet dolazi od indukcijskih generatora. Prvi se pojavio na mreži 1896. godine, a pokretala ga je padajuća kaskada vode koja je slap Niagara. Većina modernih indukcijskih generatora pogonjena je na paru, a odabir goriva za zagrijavanje vode odavno su zavojnica, nafta i prirodni plin - takozvana fosilna goriva.

Od 2011. godine fosilna goriva opskrbljuju 82 posto svjetske električne energije, ali i dalje se pojačavaju dokazi o razornim učincima nusprodukata izgaranja na okoliš. Od listopada 2018. znanstvenici su upozoravali da se globalno zagrijavanje, kojem glavno pridonosi izgaranje fosilnih goriva, brzo približavalo nepovratnoj prekretnici. Rezultat takvih upozorenja je pomicanje s fosilnih goriva prema obnovljivim izvorima energije, poput fotonaponskih panela, geotermalne energije i vjetroagregata.

Snaga valova jedna je od mogućnosti na tablici. Oceani predstavljaju ogromni rezervoar neiskorištene energije. Prema istraživanju Instituta za električnu energiju, potencijalna energija valova oko obalnih Sjedinjenih Država, uključujući Aljasku, iznosi oko 2.640 teravat-sati godišnje. To je dovoljno energije za napajanje 2,5 milijuna kućanstava tijekom cijele godine. Drugi način na koji se može gledati je da jedan val ima dovoljno energije za pogon električnog automobila stotinama kilometara.

Postoje četiri glavne tehnologije za iskorištavanje energije valova. Neki rade blizu obale, neki u moru, a neki u dubokom moru. Valni pretvarači energije (WEC) dizajnirani su da ostanu na površini vode, ali se razlikuju po orijentacije kolektora na kretanje valova i na metode korištene za stvaranje struja. Četiri vrste valnih generatora električne energije su točkasti apsorberi, završavači, uređaji za prevrtanje i prigušivači.

Vjerovali ili ne, snaga valova je još jedan oblik sunčeve energije. Sunce zagrijava različite dijelove svijeta u različitoj mjeri, a rezultirajuće temperaturne razlike stvaraju vjetrove koji u interakciji s oceanskom vodom stvaraju valove. Solarno zračenje također stvara temperaturne razlike u samoj vodi, a one pokreću podvodne struje. Možda će biti moguće iskoristiti energiju tih struja u budućnosti, ali za sada je većina pažnje energetske industrije usmjerena na površinske valove.

U hidroelektrani, energija pada vode izravno vrti turbine koje generiraju izmjeničnu struju. Ovaj se princip koristi gotovo nepromijenjen u nekim oblicima stvaranja valova, ali u drugima, energija voda koja raste i pada mora proći kroz drugi medij prije nego što može obaviti posao predenja turbina. Ovaj medij je često zrak. Zrak je zatvoren u komori, a gibanje valova ga komprimira. Komprimirani zrak se zatim probija kroz mali otvor stvarajući mlaz zraka koji može obaviti potreban posao. U nekim se tehnologijama energija valova prenosi na mehaničku energiju hidrauličkim klipovima. Klip zauzvrat pokreće turbine koje proizvode električnu energiju.

Snaga valova je još uvijek u velikoj mjeri u eksperimentalnoj fazi, a patentirano je na stotine različitih dizajna, iako je samo jedan dio njih zapravo razvijen. Ona koja je opskrbljivala komercijalnom energijom djelovala je na obalama Portugala 2008. i 2009. godine, a škotska vlada prati razvoj velikog projekta u gostionici uzburkane vode Sjevernog mora. Sličan projekt planiran je i na obali Australije. Trenutno postoje četiri glavne vrste generatora valova:

Točkasti apsorber prvenstveno je uređaj za duboko more. Ostaje usidreno na svom mjestu i skače gore-dolje na valovima koji prolaze. Sastoji se od središnjeg cilindra koji slobodno pluta unutar kućišta, a kako val prolazi, cilindar i kućište pomiču se jedan prema drugom. Kretanje pokreće elektromagnetski indukcijski uređaj ili hidraulički klip, koji stvara energiju potrebnu za pogon turbine. Budući da ti uređaji apsorbiraju energiju, mogu utjecati na karakteristike valova koji dopiru do obale. To je jedan od razloga zašto se koriste na mjestima udaljenim od mora.

Oscilirajući vodeni stupac (OWC) određena je vrsta točkastih apsorbera. Izgleda i poput plutače, ali umjesto slobodno plutajućeg unutarnjeg cilindra ima stupac vode koji se s valovima diže i spušta. Kretanje vode potiskuje komprimirani zrak kroz otvor za pogon klipa.

Terminatori se mogu nalaziti na obali ili blizu obale. U osnovi su dugačke cijevi i kad se raspoređuju u moru, vodu hvataju kroz podzemne otvore luka. Cijevi su usidrene kako bi se protezale u smjeru gibanja valova, a uspon i pad površine oceana gura stupac zarobljenog zraka kroz mali otvor za pogon turbine. Kada se nalaze na kopnu, valovi koji padaju na plažu pokreću postupak, pa su otvori smješteni na krajevima cijevi. Svaki terminator može generirati snagu u rasponu od 500 kilovata do 2 megavata, ovisno o uvjetima vala. To je dovoljno snage za cijelo susjedstvo.

Poput terminatora, atenuatori su dugačke cijevi koje su postavljene okomito na valno kretanje. Oni su usidreni na jednom kraju i građeni u segmentima koji se pomiču jedan u odnosu na drugi kako val prolazi. Pokret pokreće hidraulički klip ili neki drugi mehanički uređaj smješten na svakom segmentu, a energija pokreće turbinu koja zauzvrat proizvodi električnu energiju.

Uređaji za preljev su dugi i protežu se okomito na smjer gibanja valova. Oni čine barijeru, sličnu morskom zidu ili brani, koja skuplja vodu. Razina vode raste sa svakim prolaznim valom, a kako opet pada, pokreće turbine koje proizvode električnu energiju. Sveukupno djelovanje otprilike je isto kao ono koje se koristi u hidroelektranama. Turbine i oprema za prijenos često su smještene na obalnim platformama. Uređaji za preusmjeravanje također se mogu napraviti na kopnu kako bi uhvatili energiju valova koji se sruše na plažu.

Unatoč očitom obećanju snage valova, razvoj daleko zaostaje za onim solarne i vjetrene energije. Komercijalne instalacije velikih razmjera i dalje su stvar budućnosti. Neki energetski stručnjaci uspoređuju stanje valovite električne energije sa sunčevom i vjetrovnom prije 30 godina. Dio razloga za to svojstven je prirodi oceanskih valova. Oni su neredoviti i nepredvidivi. Visina valova i njihovo razdoblje, odnosno prostor između njih, mogu se razlikovati od dana do dana ili čak od sata do sata.

Drugi problem je prijenos snage. Snaga vala ne može imati nikakvu svrhu dok se ne prenese na obalu. Većina WEC-a sadrži transformatore za pojačavanje napona za učinkovitiji prijenos duž podvodnih dalekovoda. Ti se dalekovodi obično oslanjaju na morsko dno, a njihova instalacija značajno pridonosi troškovima valne stanice za proizvodnju električne energije, posebno kada se stanica nalazi daleko od obale. Štoviše, postoji određena količina gubitka snage povezana s bilo kojim prijenosom električne energije.