Morskie wiatraki, węże i smoki

W oceanach kryje się najwięcej mocy ze wszystkich naturalnych źródeł energii. Do tego łatwo ją zlokalizować, a co istotniejsze, jest ona stała – nie zanika, jak ma to miejsce w przypadku energii promieni słonecznych i wiatru. Niestety jej efektywne wytwarzanie, wciąż nastręcza sporych trudności. Jednak w świetle ostatnich dokonań w tej dziedzinie, przyszłość energetyki morskiej rysuje się obiecująco.

Gdyby umiejętnie wykorzystać siłę prądów morskich, można by rozwiązać wiele energetycznych problemów świata. Jednak prądy morskie mają fundamentalne znaczenie dla klimatu. Według wielu specjalistów nawet nieznaczne „uszczuplenie” ich energii, mogłoby być fatalne w skutkach, prowadząc do nieobliczalnych zmian klimatycznych, a tym samym do ekologicznej katastrofy i prawdopodobnie do zagłady milionów ludzi. W tej sytuacji lepiej, żeby prądy morskie pozostały nietknięte. O wiele bezpieczniej jest czerpać energię z pływów i fal. Oba zjawiska są nieporównywalnie lepiej poznane.

ENERGIA PŁYWÓW

Morskie przypływy i odpływy to jedyna forma energii, której źródłem jest Księżyc. Z grawitacyjnego oddziaływania satelity Ziemi ludzie nauczyli się korzystać już ponad tysiąc lat temu. W okolicach Londynu młyny napędzane siłą przypływów i odpływów działały ponoć już w czasach rzymskich. Z kolei najstarszy istniejący młyn pływowy odkryto stosunkowo niedawno, bo w 1999 roku w Północnej Irlandii. Nendrum Monastery mill datuje się na koniec ósmego wieku naszej ery. W średniowieczu młyny pływowe szeroko się rozpowszechniły. Poza Wyspami Brytyjskimi zaczęto ich używać w dzisiejszej Francji, Hiszpanii i Portugalii, a także u wybrzeży Adriatyku oraz w Zatoce Perskiej, zawędrowały również do Ameryki Północnej. Młyny pływowe służyły przez wieki i zaczęły zanikać w tym samym czasie co młyny rzeczne, czyli wraz z rozpowszechnieniem energii elektrycznej. W Anglii kilka młynów pływowych przemieniono w muzea. Jeden z muzealnych młynów, Eling Tide Mill, wciąż jednak działa i to nie tylko na potrzeby turystów.

Pierwszą współczesną elektrownię pływową wybudowali Francuzi u ujścia rzeki Rance w Bretanii.

W 1966 roku uroczystego otwarcia dokonał sam Charles de Gaulle. W następnym roku elektrownię uruchomiono już z pełną mocą i włączono do sieci energetycznej. Spodziewano się wielkiego sukcesu, planowano nawet budowę następnych tego typu urządzeń. Szybko okazało się jednak, że elektrownia pływowa pomyślana na wzór zapory rzecznej, nie tylko poważnie utrudniła transport wodny, ale też stała się barierą nie do pokonania dla wielu gatunków ryb. W efekcie doszło do zaburzenia lokalnego ekosystemu i projekty budowy kolejnych takich obiektów zostały wstrzymane. Dzisiaj elektrownia Rance, osiągająca moc 240 MW, zaspokaja dwanaście setnych procenta francuskiego zapotrzebowania energetycznego. Niepowodzenie tego pionierskiego projektu nie oznacza jednak, że energii pływów nie da się wykorzystać w bardziej ekologiczny sposób.

Podwodne wiatraki wymyślono w połowie lat 90. Jako pierwsi testowali je Szkoci, ale dopiero Norwegowie osiągnęli zadowalające rezultaty. W 2003 roku do sieci energetycznej norweskiego miasteczka Hammerfest (za kołem podbiegunowym, w regionie Finnmark) podłączono, zakotwiczony do morskiego dna, podwodny wiatrak z turbiną o mocy 300 kW. Eksperyment okazał się sukcesem, dlatego szybko rozpoczęto budowę kolejnych mini-elektrowni tego typu.

Sposób ich działania jest prosty. Skrzydła sprzęgnięte z turbiną poruszają się pod naporem pchanej przypływem wody. Zaś w momencie, gdy zaczyna się odpływ, cały wiatrak obraca się o 180 stopni i jego skrzydła (lub jak kto woli – ramiona) ponownie napędzają turbinę z tą samą siłą. Technologia ta pozwala wyeliminować dwie z podstawowych wad elektrowni pływowych w rodzaju tej na rzece Rance. Po pierwsze, skrzydła wiatraków znajdują się na głębokości, która zapewnia bezpieczną żeglugę. Po drugie, obracają się na tyle wolno, że w żaden sposób nie zagrażają rybom. Nie bez znaczenia jest też to, że na ich funkcjonowanie nie mają wpływu warunki atmosferyczne.

Sukcesy Norwegów zachęciły innych. Do budowy podobnych urządzeń rychło przystąpili Brytyjczycy. Optymistyczne szacunki wskazują, że optymalne wykorzystanie energii odnawialnej pływów morskich mogłoby zapewnić Wyspom Brytyjskim nawet jedną czwartą energetycznego zapotrzebowania. Oczywiście diabeł jak zwykle tkwi w szczegółach. Budowa podwodnych wiatraków wymaga ogromnych nakładów i dlatego koszt wytwarzanej w ten sposób energii jest nawet trzykrotnie wyższy od tej uzyskiwanej metodami tradycyjnymi. Jednak mimo nieopłacalności tego typu projektów, kolejne inwestycje są wciąż realizowane. Nie ulega wątpliwości, że energia pływów to branża przyszłości. Rynek podwodnych wiatraków już wkrótce może być wart nawet kilka miliardów dolarów. Dlatego wiele firm energetycznych już dziś stara się sobie zapewnić przyszłe zyski.

W tej chwili na świecie testowanych jest grubo ponad 50 różnych opatentowanych sposobów na zamianę siły pływów morskich w energię elektryczną. Mało tego, można już mówić o swoistym globalnym wyścigu na zajęcie najlepszych pozycji do budowy farm pływowych. Jako idealne miejsca do inwestowania w energie pływów wymienia się, poza Wyspami Brytyjskimi, okolice Gibraltaru, cieśninę Bosfor, wybrzeża Nowej Zelandii, kilka miejsc w Australii, Indonezji, Korei, Rosji, Stanach Zjednoczonych, Kanadzie i Chile. Ponadto różne firmy energetyczne zgłaszają chęć budowy elektrowni pływowych w Argentynie, Meksyku i Indiach. Planowanych, ale także już działających prototypów takich urządzeń jest tak wiele, że nie sposób wszystkich opisać. Należy jednak wspomnieć o kilku najciekawszych.

Bodaj dwie największe elektrownie pływowe na świecie planuje się w Rosji. Tę większą na Morzu Ochockim w Zatoce Penżyńskiej, gdzie siła przypływów jest naprawdę imponująca. Drugą na Morzu Białym u ujścia rzeki Mezeń. O obydwu inwestycjach niewiele jednak wiadomo. O wiele bardziej zaawansowane i konkretne plany ma Nowa Zelandia. Do 2011 roku Nowozelandczycy planują wybudować w Zatoce Kaipara elektrownię pływową o mocy 200 MW. 15 metrów pod powierzchnią wody (w trakcie odpływu, 30 m w czasie przypływu) ma stanąć dwieście wiatrakowych turbin. Szacuje się, że rocznie wartość wytwarzanego przez nie prądu powinna przekraczać sto milionów dolarów. O kilka razy mniejszej elektrowni tego typu myślą władze San Francisco. Cieśnina Golden Gate ma jedne z najlepszych warunków do takich inwestycji w całych Stanach Zjednoczonych. Planowana w okolicach słynnego wiszącego mostu elektrownia ma dostarczać prąd do około 40 tysięcy domów. Natomiast w Nowym Jorku, u ujścia East River, od grudnia 2006 roku testuje się małe podwodne wiatraki. Kilka turbin firmy Verdant Power oświetla nieduży sklep spożywczy i parking samochodowy na pobliskiej Roosevelt Island. Jeśli eksperyment się powiedzie, liczba turbin ma wzrosnąć do dwustu, co pozwoli wytworzyć prąd dla 7,5 tysiąca domów.

Ponieważ większość tego typu projektów jest jeszcze w fazie prób, nie wiadomo, czy bardziej efektywne okażą się właśnie małe turbiny, czy może te największe, jakie wkrótce staną w Irlandii Północnej. Właśnie tam, w zatoce Strangford Lough, pod koniec zeszłego roku miało dojść do uruchomienia największego na świecie urządzenia do wytwarzania prądu z ruchu pływów morskich.
Z powodu awarii premiera pełno wymiarowego prototypu nazwanego SeaGen została jednak przesunięta. Mimo to, warto bliżej przyjrzeć się temu projektowi. Urządzenie firmy Marine Current Turbines, jest imponujących rozmiarów i według zapowiedzi ma mieć również imponującą moc – aż 1.2 MW. Dwa gigantyczne, bliźniacze wirniki, zamocowane na wbitym w dno i wystającym ponad wodę stalowym słupie, mają zapewnić czystą energię elektryczną około tysiącu domom.

Mimo wielu zalet i olbrzymich możliwości, zjawisko pływów z pewnością nie będzie jedną z głównych gałęzi energetyki odnawialnej. Powody są oczywiste – z „księżycowej energii” można korzystać w niewielu miejscach na świecie. Oblicza się, że w grę wchodzi jedynie około 20 regionów na kuli ziemskiej. W Polsce rzecz jasna nie mamy szans wykorzystać tego potencjału. Być może jednak przyjdzie czas, że zaczniemy wytwarzać prąd z innej formy energii morskiej.

ENERGIA FAL

Opracowano już bardzo wiele teoretycznych metod konwersji energii falowania w energię elektryczną. Od teorii do praktyki droga jednak daleka. Na świecie działa dopiero kilka tego typu urządzeń i zdecydowana ich większość, to na razie tylko eksperymentalne prototypy.

Pierwsza – podłączona do lokalnej sieci energetycznej – komercyjna elektrownia falowa została uruchomiona pod koniec 2006 roku na wodach Atlantyku w Portugalii, nieopodal miejscowości Póvoa de Varzim. Urządzenie opatentowane i skonstruowane przez szkocką firmę Ocean Power Delivery (OPD) dostało nazwę „Pelamis”, po grecku „wąż morski”. Każdy z trzech, zacumowanych 5 km od brzegu, węży mierzy 120 metrów długości i składa się z kilku cylindrów połączonych specjalnymi przegubami. Fale wprawiają stalową konstrukcję w wężowy ruch, co powoduje nieustanne zmiany położenia poszczególnych modułów względem siebie. Za pomocą specjalnego układu hydraulicznego, ruch ten zamieniany jest w energię elektryczną. Ta z kolei trafia na brzeg poprzez ułożony na morskim dnie kabel przesyłowy. Łączna moc trzech szkockich węży wynosi około 2,2 MW. W związku z sukcesem portugalskiego projektu firma OPD realizuje już kolejne inwestycje. Wkrótce w Szkocji ma dojść do otwarcia o wiele większej tego typu elektrowni, w której swoje siły połączy nawet kilkadziesiąt stalowych węży morskich.Falowy potencjał energetyczny samego portugalskiego rynku fachowcy oceniają bardzo wysoko. Ich zdaniem w ciągu 10 najbliższych lat będzie on wart ponad miliard dolarów. Szacuje się, że ogólna ilość energii możliwej do eksploatowania u wybrzeży Portugalii jest ponoć wystarczająca, aby zaspokoić jedną piątą zapotrzebowania energetycznego kraju. Nic więc dziwnego, że planuje się tam budowę kolejnych elektrowni na falach. Ocean Power Delivery ma już zamówienie na ponad 30 swoich węży. Konkurencja nie zasypia jednak gruszek w popiele.

Kanadyjska firma Finavera już wkrótce zamontuje na portugalskich falach elektrownię, opartą na diametralnie innej technologii. W przyszłym roku ma zostać uruchomiony wstępny projekt o mocy 2 MW. Jeśli się sprawdzi, jego moc zostanie zwiększona do 100 MW. Patent firmy z Vancouver nazywa się „Aqua Buoy” i wykorzystuje efekt „skakania na falach”. Połączone w jeden system, unoszące się na powierzchni wody boje czerpią energię z wertykalnego ruchu fal. [Tu można zobaczyć film, objaśniający działanie „Aqua Buoy” - http://www.finavera.com/en/wavetech/aquabuoymovie ]. Każda boja kanadyjskiej firmy ma około 3 metrów średnicy i sięga 20 metrów w głąb wody. W podwodnej części urządzenia znajduje się pompa, która wykorzystując ruch fal tłoczy wodę w kierunku zamontowanej u góry turbiny.

Poważną zaletą kanadyjskiego patentu jest wytrzymałość na warunki atmosferyczne. Boje do wytwarzania prądu są bowiem skonstruowane tak, jak nawigacyjne boje morskie, które wytrzymują przecież największe nawet sztormy. Pod koniec zeszłego roku, walory tej technologii docenił rząd w Waszyngtonie, przyznając kanadyjskiej firmie, licencję na budowę pierwszej elektrowni falowej w Stanach Zjednoczonych. W tej chwili Finavera wdraża swój produkt na wschodnim i zachodnim wybrzeżu USA, we wspomnianej już Portugalii, u siebie w Vancouver oraz w Republice Południowej Afryki.

Omawiając różne typy urządzeń do wytwarzania energii ze zjawiska morskich fal, nie można pominąć projektu, w którym biorą udział także polscy naukowcy. Od kilku lat zespół prof. Mariana Kaźmierkowskiego z Politechniki Warszawskiej pracuje nad przekształtnikiem energii fal morskich w prototypie pływającej elektrowni – „Wave Dragon”. „Falowego Smoka” wymyślił Duńczyk, inż. Erik Friis-Madsen. Pomysł wpadł mu do głowy, kiedy obserwował ruch wody wewnątrz atolu na Pacyfiku. Zauważył wówczas, że zbierająca się w atolu woda, odpływała przez nieszczelności rafy, powodując silny prąd, który byłby zdolny napędzić turbinę. Friis-Madsen postanowił więc zbudować sztuczny atol. Od pomysłu do realizacji upłynęło 17 lat, w końcu jednak, w 2003 roku, pierwszy prototyp gotowy był do prób na wodzie. Umiejscowiono go na Morzu Północnym w pobliżu duńskiego wybrzeża. Po roku efekty były na tyle zadowalające, że projekt uzyskał wsparcie Unii Europejskiej.

Rozpoczęły się prace nad budową o wiele większego (180 na 300 metrów) sztucznego atolu na wodach terytorialnych Walii. Uruchomienia urządzenia planuje się na 2009 rok. Testy maja trwać od trzech do pięciu lat. W planach jest także budowa „Falowego Smoka” w Chinach.

Przedstawione powyżej trzy koncepcje elektrowni falowych, choć znacząco różnią się od siebie, należą do jednej kategorii. Wszystkie unoszą się na powierzchni wody. Tymczasem równolegle rozwijają się technologie oparte na urządzeniach przytwierdzonych do dna lub instalowanych na morskich brzegach. I tym razem pierwsi byli Norwegowie.

Już w 1985 roku wybudowali elektrownię falową na małej wyspie w pobliżu miejscowości Bergen. Jej moc jest nieduża (około 350 kW), ale w sam raz aby zapewnić prąd lokalnej społeczności, czyli około 40 domom. Zasada działania technologii TAPCHAN (skrót od Tapered Channel) jest bardzo prosta i opiera się na tradycyjnych rozwiązaniach hydroelektrycznych. Spiętrzone fale przez zwężającą się sztolnię wpychają wodę do dużego zbiornika, znajdującego się powyżej powierzchni morza. Gdy ilość wody jest wystarczająco duża, wówczas otwiera się zawór na dnie zbiornika i woda pchana siłą grawitacji wraca do morza, przy okazji napędzając zainstalowaną w odpływie turbinę. Mimo, że ta metoda jest wyjątkowo prostym sposobem na wytworzenie prądu z energii fal, to ze względu na wymagania związane z ukształtowaniem terenu, może mieć zastosowanie w niewielu miejscach na świecie.

Innego rodzaju nabrzeżną elektrownię falową wymyślili Szkoci. Osiem lat temu na wyspie Islay, w zachodniej Szkocji, uruchomiono system LIMPET (Land-Installed Marine-Powered Energy Transformer), wykorzystujący ruch morskich fal do spiętrzania powietrza, które z kolei napędza turbinę, sprzężona z generatorem. Moc tej elektrowni to około 500 kW. Kiedy fala wpada do, wbudowanej w nabrzeże, pustej komory, wypycha znajdujące się w niej powietrze do góry w kierunku turbiny. Gdy fala się cofa, powietrze jest z powrotem zasysane do komory i ponownie napędza turbinę. Uzyskaną w ten sposób energię wykorzystuje się między innymi w elektrycznym autobusie, jeżdżącym po wyspie Islay. Jest to pierwszy (i być może wciąż jedyny) autobus napędzany jedynie ruchem fal.

Fiński patent na wykorzystanie energii morza nazywa się „WaveRoller”.

Choć prace nad nim trwają od 1999 roku, wciąż jeszcze są w fazie testów. Urządzenie zapowiada się jednak na tyle obiecująco, że wdrażająca je firma AW-Energy nie ustaje w wysiłkach. „WaveRoller” ma czerpać energię z fal przydennych, dlatego jego montaż planuje się niedaleko od brzegów, w stosunkowo płytkich miejscach. Całość przypomina rozłożoną na dnie stalową sieć, do której przymocowane są „ruchome tablice”, poruszające się wahadłowo zgodnie z ruchem fal. Do każdej tablicy przytwierdzony jest hydrauliczny tłok, którego ruchy wytwarzają energię. Ta z kolei przekazywana jest do generatora, stojącego na brzegu. Producenci „WaveRollera” twierdzą, że uzyskiwana dzięki tej technologii energia będzie znacznie tańsza od energii wiatrowej, a z czasem także od tej uzyskiwanej z surowców kopalnych – szczególnie, gdy weźmie się pod uwagę koszty wynikające z nadmiernej emisji gazów cieplarnianych.

PODSUMOWANIE

Na koniec, warto jeszcze zwrócić uwagę na zjawisko, które być może kiedyś także stanie się źródłem morskiej energetyki odnawialnej. Każdy, kto miał okazję nurkować w morzu, przekonał się, że wraz z głębokością spada temperatura wody. Słońce nieustannie ogrzewa powierzchniowe wody mórz i oceanów. W ten sposób powstaje olbrzymi rezerwuar zmagazynowanego ciepła. Z kolei różnicę w temperaturach wód głębinowych i powierzchniowych można wykorzystać do produkcji energii elektrycznej.

Jako pierwszy wykorzystanie tego naturalnego zjawiska zaproponował w 1881 roku francuski fizyk Jacques Arsene d’Arsonval. Pierwsze eksperymenty przeprowadzono 50 lat później na Kubie, a potem w Brazylii. W latach 50. ubiegłego wieku naukowcy francuscy pracowali bez powodzenia nad elektrownią tego typu w dzisiejszej Republice Wybrzeża Kości Słoniowej. W czasie kryzysu naftowego, sprawą zainteresowali się Amerykanie, tworząc specjalne laboratorium na Hawajach. Zaś Japończycy na początku lat 80. uruchomili elektrownię o mocy około 120 kW. Jednak aż 90 kW zużywała sama elektrownia. Pozostałe 30 wysyłano do pobliskiej szkoły. Jak na razie jest to największy sukces w wykorzystaniu termalnej energii oceanów. Mimo, że pomysł zrodził się w XIX wieku, do tej pory nie udało się wynaleźć technologii, która byłaby efektywna. Najbliższa przyszłość należy więc niewątpliwie do urządzeń wykorzystujących energię pływów i fal.

Omówione powyżej prototypy i elektrownie już działające to jedynie wierzchołek góry lodowej. Wciąż bowiem pojawiają się nowe technologie. Nieustannie przybywa też firm, które chcą inwestować na tym polu. Z kolei małymi przedsiębiorstwami, które już zaistniały na rynku, zaczynają interesować się najwięksi energetyczni potentaci.

Według ekspertów energetyka morska jest dziś w tym miejscu, gdzie 25 lat temu była energetyka wiatrowa. Jednak z tą różnicą, że dzięki doświadczeniom w budowaniu wiatraków, prace nad ulepszaniem podwodnych turbin, pójdą o wiele szybciej. Ocenia się, że już za 10 lat elektrownie pływowe i falowe mogą wytwarzać więcej energii niż wszystkie światowe elektrownie wiatrowe. Warto zdać sobie sprawę z prostego faktu – woda jest nawet do tysiąca razy gęstsza od powietrza. Dlatego wiatrak podmorski jest w stanie wyprodukować nawet kilkadziesiąt razy więcej energii, niż tej samej wielkości wiatrak naziemny.

Arkadiusz Bartosiak