Większość energii elektrycznej, która zasila świat przemysłowy, pochodzi z generatorów indukcyjnych. Pierwsza pojawiła się w sieci w 1896 roku i była zasilana przez spadającą kaskadę wody, czyli Wodospad Niagara. Większość nowoczesnych generatorów indukcyjnych jest jednak napędzana parą, a paliwami z wyboru do podgrzewania wody od dawna są wężownice, ropa naftowa i gaz ziemny – tak zwane paliwa kopalne.
W 2011 r. paliwa kopalne dostarczały 82 procent światowej energii elektrycznej, ale wciąż istnieją dowody na niszczycielski wpływ produktów ubocznych spalania na środowisko. Od października 2018 r. naukowcy ostrzegali, że globalne ocieplenie, którego głównym czynnikiem jest spalanie paliw kopalnych, szybko zbliża się do nieodwracalnego punktu krytycznego. Rezultatem takich ostrzeżeń jest odejście od paliw kopalnych w kierunku odnawialnych źródeł energii, takich jak panele fotowoltaiczne, energia geotermalna i turbiny wiatrowe.
Moc fal to jedna z opcji na stole. Oceany stanowią ogromny rezerwuar niewykorzystanej energii. Według Electric Power Research Institute potencjalna energia fal wokół wybrzeża Stanów Zjednoczonych, w tym na Alasce, wynosi około 2640 terawatogodzin rocznie. To wystarczająca ilość energii, aby zasilić 2,5 miliona gospodarstw domowych przez cały rok. Innym sposobem spojrzenia na to jest to, że pojedyncza fala ma wystarczająco dużo energii, aby zasilić samochód elektryczny na setki mil.
Istnieją cztery główne technologie służące do wykorzystania energii fal. Niektórzy pracują przy brzegu, inni na morzu, a jeszcze inni na głębokim morzu. Przetwornice energii fal (WEC) są zaprojektowane tak, aby pozostawały na powierzchni wody, ale różnią się orientacji kolektorów względem ruchu fal oraz metod wykorzystywanych do generowania Elektryczność. Cztery rodzaje falowych generatorów energii elektrycznej to pochłaniacze punktowe, terminatory, urządzenia przewyższające i tłumiki.
Skąd pochodzi energia fal?
Wierzcie lub nie, ale moc fal to kolejna forma energii słonecznej. Słońce ogrzewa różne części globu w różnym stopniu, a wynikające z tego różnice temperatur tworzą wiatry, które oddziałują z wodą oceaniczną, tworząc fale. Promieniowanie słoneczne powoduje również różnice temperatur w samej wodzie, które napędzają prądy podwodne. Być może w przyszłości możliwe będzie okiełznanie energii tych prądów, ale na razie większość uwagi przemysłu energetycznego skupia się na falach powierzchniowych.
Strategie konwersji energii fal
W tamie hydroelektrycznej energia spadającej wody bezpośrednio obraca turbiny wytwarzające prąd przemienny. Ta zasada jest stosowana prawie niezmieniona w niektórych formach generowania fal, ale w innych energia wznosząca się i opadająca woda musi przejść przez inne medium, zanim będzie mogła wykonać pracę wirowania turbina. Tym medium jest często powietrze. Powietrze jest zamknięte w komorze, a ruch fal kompresuje je. Sprężone powietrze jest następnie przepuszczane przez mały otwór, tworząc strumień powietrza, który może wykonać niezbędną pracę. W niektórych technologiach energia fal jest przenoszona na energię mechaniczną przez tłoki hydrauliczne. Z kolei tłoki napędzają turbiny, które wytwarzają energię elektryczną.
Moc fal jest nadal w dużej mierze w fazie eksperymentalnej i opatentowano setki różnych konstrukcji, chociaż tylko część z nich została faktycznie opracowana. Jeden, który dostarczał energię komercyjną, działał u wybrzeży Portugalii w 2008 i 2009 roku, a szkocki rząd przygląda się rozwojowi dużego projektu na wzburzonych wodach Morza Północnego. Podobny projekt planowany jest u wybrzeży Australii. Obecnie istnieją cztery główne typy generatorów fal:
1-punktowe absorbery przypominające boje
Absorber punktowy to przede wszystkim urządzenie głębinowe. Pozostaje zakotwiczony w miejscu i podskakuje w górę i w dół na falach. Składa się z centralnego cylindra, który swobodnie unosi się w obudowie, a gdy fala przechodzi, cylinder i obudowa poruszają się względem siebie. Ruch napędza elektromagnetyczne urządzenie indukcyjne lub tłok hydrauliczny, który wytwarza energię niezbędną do napędzania turbiny. Ponieważ urządzenia te pochłaniają energię, mogą wpływać na charakterystykę fal docierających do brzegu. To jeden z powodów, dla których są używane w lokalizacjach daleko od brzegu.
Oscylacyjny słup wody (OWC) jest szczególnym rodzajem pochłaniacza punktowego. Wygląda też jak boja, ale zamiast swobodnie pływającego wewnętrznego cylindra ma słup wody, który unosi się i opada wraz z falami. Ruch wody przepycha sprężone powietrze przez otwór, aby napędzać tłok.
2 - Terminatory generują energię elektryczną fal ze sprężonego powietrza
Terminatory mogą znajdować się na brzegu lub w pobliżu linii brzegowej. Są to w zasadzie długie rurki, a po rozmieszczeniu na morzu przechwytują wodę przez podpowierzchniowe otwory portowe. Rury są zakotwiczone tak, że rozciągają się zgodnie z kierunkiem ruchu fal, a podnoszenie się i opadanie powierzchni oceanu wypycha kolumnę przechwyconego powietrza przez mały otwór, napędzając turbinę. Gdy znajduje się na brzegu, fale uderzające o plażę napędzają proces, więc otwory znajdują się na końcach rur. Każdy terminator może generować moc w zakresie od 500 kilowatów do 2 megawatów, w zależności od warunków falowych. To wystarcza na całą okolicę.
3 — Tłumiki to wielosegmentowe konwertery energii fal
Podobnie jak terminatory, tłumiki są długimi rurkami, które są rozmieszczone prostopadle do ruchu fali. Są zakotwiczone na jednym końcu i zbudowane w segmentach, które poruszają się względem siebie podczas przechodzenia fali. Ruch napędza tłok hydrauliczny lub inne urządzenie mechaniczne znajdujące się przy każdym segmencie, a energia napędza turbinę, która z kolei wytwarza energię elektryczną.
4 - Urządzenia przewyższające są jak mini tamy hydroelektryczne
Urządzenia nakrywające są długie i rozciągają się prostopadle do kierunku ruchu fal. Tworzą barierę, podobnie jak falochron lub tamę, która gromadzi wodę. Poziom wody podnosi się z każdą przechodzącą falą, a gdy ponownie opada, napędza turbiny wytwarzające energię elektryczną. Ogólne działanie jest mniej więcej takie samo jak w przypadku zapór hydroelektrycznych. Turbiny i urządzenia przesyłowe są często umieszczane na platformach morskich. Na lądzie można również konstruować urządzenia przewyższające, aby przechwytywać energię fal, które rozbijają się o plażę.
Problemy z wytwarzaniem energii fal
Pomimo oczywistej obietnicy energii fal, rozwój pozostaje daleko w tyle za energią słoneczną i wiatrową. Instalacje komercyjne na dużą skalę to wciąż przyszłość. Niektórzy eksperci ds. energii porównują stan elektryczności fal do stanu elektryczności słonecznej i wiatrowej sprzed 30 lat. Częściowo jest to związane z naturą fal oceanicznych. Są nieregularne i nieprzewidywalne. Wysokość fal i ich okres, czyli odległość między nimi, może zmieniać się z dnia na dzień, a nawet z godziny na godzinę.
Kolejnym problemem jest przenoszenie mocy. Moc fal nie może służyć żadnemu celowi, dopóki nie zostanie przekazana na brzeg. Większość WEC zawiera transformatory zwiększające napięcie w celu wydajniejszej transmisji wzdłuż podwodnych linii energetycznych. Te linie energetyczne zwykle opierają się na dnie morskim, a ich instalacja znacznie zwiększa koszty elektrowni falowej, zwłaszcza gdy stacja znajduje się daleko od brzegu. Ponadto istnieje pewna strata mocy związana z każdym transferem energii elektrycznej.