Hur används vågenergi för att generera elektricitet?

Huvuddelen av el som driver industrivärlden kommer från induktionsgeneratorer. Den första kom online 1896 och drevs av den fallande vattenkaskaden som är Niagarafallen. De flesta moderna induktionsgeneratorer är dock ångdrivna, och de bränslen som valts för att värma upp vattnet har länge varit spole, petroleum och naturgas - så kallade fossila bränslen.

Från och med 2011 levererade fossila bränslen 82 procent av världens el, men det finns fortfarande bevis för de förödande effekterna som förbränningsprodukterna har på miljön. Från och med oktober 2018 varnade forskare för att den globala uppvärmningen, som förbränning av fossila bränslen är en viktig bidragsgivare till, snabbt närmade sig en oåterkallelig tipppunkt. Resultatet av sådana varningar är en förskjutning från fossila bränslen och mot förnybara energikällor, såsom solcellspaneler, geotermisk energi och vindkraftverk.

Vågkraft är ett av alternativen på bordet. Haven representerar en stor reservoar av outnyttjad energi. Enligt Electric Power Research Institute är den potentiella vågsenergin runt USA, inklusive Alaska, cirka 2640 terawattimmar / år. Det är tillräckligt med energi för att driva 2,5 miljoner hushåll under ett helt år. Ett annat sätt att titta på det är att en enda våg har tillräckligt med energi för att driva en elbil i hundratals mil.

Fyra huvudsakliga tekniker finns för att utnyttja vågens energi. Vissa arbetar nära stranden, andra till havs och andra i djuphavet. WEC-omvandlare (WEC) är konstruerade för att förbli på vattenytan, men de skiljer sig åt i samlarnas inriktning på vågarnas rörelse och i de metoder som används för att generera elektricitet. De fyra typerna av våggeneratorer är punktabsorbenter, terminatorer, överhoppningsanordningar och dämpare.

Tro det eller ej, vågkraft är en annan form av solenergi. Solen värmer olika delar av världen i olika omfattning, och de resulterande temperaturskillnaderna skapar vindarna som interagerar med havsvattnet för att skapa vågor. Solstrålning skapar också temperaturskillnader i själva vattnet, och dessa driver undervattensströmmar. Det kan vara möjligt att utnyttja energin i dessa strömmar i framtiden, men för närvarande har energiindustrins uppmärksamhet mest fokuserats på ytvågor.

I en vattenkraftsdamm snurrar energin från fallande vatten direkt turbinerna som genererar växelström. Denna princip används nästan oförändrad i vissa former av våggenerering, men i andra är energin i stigande och fallande vatten måste passera genom ett annat medium innan det kan utföra arbetet med att snurra turbin. Detta medium är ofta luft. Luften är förseglad i en kammare och vågarnas rörelse komprimerar den. Tryckluften tvingas sedan genom en liten bländare och skapar en luftstråle som kan göra nödvändigt arbete. I vissa tekniker överförs vågens energi till mekanisk energi med hydrauliska kolvar. Kolvarna driver i sin tur turbinerna som genererar el.

Vågkraft är fortfarande till stor del i experimentfasen, och hundratals olika mönster har patenterats, även om endast en bråkdel av dessa faktiskt har utvecklats. En som levererade kommersiell kraft drivs utanför Portugals kust 2008 och 2009, och den skotska regeringen tittar på utvecklingen av ett stort projekt i Nordsjöens hackiga vatten. Ett liknande projekt planeras utanför Australiens kust. Fyra huvudtyper av våggeneratorer finns för närvarande:

En punktabsorbent är främst en djuphavsanordning. Det förblir förankrat på plats och snurrar upp och ner på de passerande vågorna. Den består av en central cylinder som flyter fritt inuti ett hus, och när vågen passerar rör sig cylindern och huset relativt varandra. Rörelsen driver en elektromagnetisk induktionsanordning eller en hydraulisk kolv, vilket skapar den energi som krävs för att driva en turbin. Eftersom dessa enheter absorberar energi kan de påverka egenskaperna hos vågorna som når stranden. Det är en anledning till att de används på platser långt utanför havet.

En oscillerande vattenpelare (OWC) är en speciell typ av punktabsorberare. Det ser också ut som en boj, men i stället för en fritt flytande inre cylinder har den en vattenpelare som stiger och faller med vågorna. Vattnets rörelse skjuter tryckluft genom en öppning för att driva en kolv.

Terminatorer kan placeras på stranden eller nära strandlinjen. De är i grund och botten långa rör, och när de distribueras till havs fångar de vatten genom hamnöppningar under marken. Rören är förankrade för att sträcka sig i riktning mot vågrörelse, och havsytans uppgång och nedgång skjuter en kolonn med fångad luft genom en liten öppning för att driva en turbin. När de är belägna på land driver vågorna som kraschar på stranden processen, så öppningarna är placerade i rörändarna. Varje terminator kan generera effekt inom ett intervall från 500 kilowatt till 2 megawatt, beroende på vågförhållandena. Det räcker för en hel stadsdel.

Liksom terminatorer är dämpare långa rör som är placerade vinkelrätt mot vågrörelsen. De är förankrade i ena änden och konstruerade i segment som rör sig relativt varandra när vågen passerar. Rörelsen driver en hydraulisk kolv eller någon annan mekanisk anordning som ligger vid varje segment, och energin driver en turbin som i sin tur producerar elektricitet.

Överhoppningsanordningar är långa och sträcker sig vinkelrätt mot riktningen för vågrörelsen. De bildar en barriär, ungefär som en sjövägg eller damm, som samlar vatten. Vattennivån stiger med varje våg som går och när den sjunker igen driver den turbiner som genererar el. Den totala åtgärden är ungefär densamma som den som används i vattenkraftsdammar. Turbinerna och överföringsutrustningen är ofta inrymda i offshore-plattformar. Överhoppningsanordningar kan också konstrueras på land för att fånga energin från vågor som kraschar på stranden.

Trots det uppenbara löftet om vågkraft ligger utvecklingen långt efter sol- och vindkraft. Storskaliga kommersiella installationer hör fortfarande till framtiden. Vissa energikexperter liknar tillståndet för vågelektricitet med sol- och vindelektricitet för 30 år sedan. En del av orsaken till detta är inneboende i havsvågarnas natur. De är oregelbundna och oförutsägbara. Vågarnas höjd och deras period, som är utrymmet mellan dem, kan variera från dag till dag eller till och med timme till timme.

Ett annat problem är kraftöverföring. Vågkraft kan inte tjäna något syfte förrän den överförs till stranden. De flesta WEC har transformatorer för att öka spänningen för effektivare överföring längs kraftledningar under vatten. Dessa kraftledningar vilar vanligtvis på havsbotten och att installera dem ökar avsevärt kostnaden för en vågkraftverk, särskilt när stationen ligger långt från stranden. Dessutom finns det en viss effektförlust i samband med överföring av elektrisk energi.