Elektrownie wykorzystujące falowanie

Wstęp

Fale oceaniczne są ważnym źródłem energii odnawialnej, które w przypadku intensywnej eksploatacji może znacząco przyczynić się do zaopatrzenia w energię elektryczną krajów nadmorskich, lub wyspiarskich. Ocenia sie, że dostępna energia falowania na oceanach ziemskich waha się pomiędzy 8-80PWh (źr. International Energy Agency. Implementing Agreement on Ocean Energy Systems. Annual Report 2007). Dla porównania, całkowita produkcja energii elektrycznej na świecie wyniosła w 2019 r. około 27 PWh.

Energia fal związana jest bezpośrednio z wiatrem, zmianami ciśnienia atmosferycznego oraz częściowo z fazami Księżyca i jego grawitacyjnym oddziaływaniem. Fale mogą być też skutkiem podwodnych trzęsień ziemi lub wybuchów wulkanów, ale zjawiska takie są incydentalne. 

Wielkość energii fal można wyznaczyć ze wzoru:

gdzie: ρ – jest gęstością wody morskiej (w przybliżeniu 1025 kg/m3); g – przyspieszenie ziemskie 9,81 m/s2 ; Hf – to wysokość fali, a Tf – jej okres [s]

Wyznaczona według wzoru energia fal jest czystą teorią. W praktyce udaje się zwykle uzyskać tylko jej część.

Sposoby pozyskiwania energii fal

Energia falowania może być konwertowana na energię elektryczną za pomocą różnych rozwiązań, z których najpopularniejsze, zastosowane w praktyce, to:

  • OWC, (ang. oscillating water column) oscylacyjne kolumny wodne, wykorzystujące energię fal do sprężania powietrza w pionowej kolumnie, które następnie napędza turbinę. Ze względu na zasadę działania, nazywane też elektrowniami pneumatycznymi
  • systemy pływakowe – stosujące w swoich rozwiązaniach specjalne konstrukcje pływające, przekształcające energię fal na energię mechaniczną, a następnie elektryczną
  • elektrownie przelewowe – w których wykorzystuje się energię fal do napełniała zbiornika wody, a następnie grawitacyjnie opróżnia zbiornik napędzając tym turbinę
  • Salter’s duck (Kaczka Saltera) – znana również jako kiwająca się kaczka lub pod oficjalną nazwą kaczka edynburska, to urządzenie, w którym energia fali morskiej indukuje obracanie się żyroskopów umieszczonych wewnątrz gruszkowatej „kaczki”, a generator elektryczny przetwarza ten obrót na energię elektryczną z ogólną wydajnością dochodzącą do 90%

To tylko podstawowe rozwiązania, oprócz których można spotkać kilkanaście innych, spektakularnych, jak np.: „wąż morski”, „ostryga”, itp. 

OWC

Rozwiązanie powyższe wykorzystuje energię falowania do sprężania powietrza zamkniętego w  kolumnie, do której istnieje swobodny dostęp w spodniej części. Woda wpychana do kolumny w wyniku falowania, powoduje na przemian sprężanie i rozprężanie powietrza, które może być następnie wykorzystane do napędzania turbiny rewersyjnej. Turbiny takie działają w obu kierunkach przepływu powietrza, generując prąd.

Po raz pierwszy rozwiązanie to zaproponował Yoshio Masuda, japoński oficer marynarki wojennej. Opracował on boję nawigacyjną napędzaną energią fal, wyposażoną w turbinę powietrzną (rys. 1), którą faktycznie nazwano później (pływającą) OWC lub WEC (wave energy converter). Takie boje były masowo komercjalizowane w Japonii od 1965 roku (a później w USA) i były pierwszymi urządzeniami wykorzystującymi energię fal. Boje nawigacyjne firmy Masuda wyposażone były w konwencjonalną, jednokierunkową turbinę powietrzną i wymagały specjalnego układu zaworów zwrotnych, przełączających kierunek przepływu powietrza

Rys.1 Boja sygnałowa wykorzystująca do oświetlenia energię falowania, projekt Masuda.

Pierwszym WEC na dużą skalę, który został rozmieszczony na morzu, był Kaimei, kolejne dzieło Yoshio Masudy, zbudowane dla Japońskiego Centrum Nauki i Technologii Morskiej (JAMSTEC). Kaimei była dużą barką (80×12 m, 820 ton), która miała trzynaście komór OWC z otwartym dnem wbudowanych w kadłub, każda o powierzchni wlotu 42,50 m2 (Fot. 1). Barka została umieszczona na morzu u zachodnich wybrzeży Japonii w latach 1978-80.

Fot.1 Barka Kaimei.

W Europie badania nad WEC na dużą skalę rozpoczęto około 1973 r., krótko po kryzysie naftowym. Ambitny program rządowy rozpoczął się w Wielkiej Brytanii w 1975 roku, a jego celem była duża elektrownia wykorzystująca falowanie o mocy 2 GW. Sfinansowano rozwój kilku typów WEC, w tym OWC. National Engineering Laboratory (NEL) w Szkocji badało różne koncepcje dużej elektrowni OWC.  W tym czasie Alan Wells opracował turbinę rewersyjną (zwaną od nazwiska twórcy turbiną Wellsa), która nie zmieniała kierunku obrotów, mimo dwukierunkowego przepływu powietrza. (rys.2)

Rys.2 Po prawej turbina Wellsa

Turbiny te wykorzystywane są w różnej, zmodyfikowanej formie do dzisiaj. Program energetyczny Britishwave został nagle zakończony w 1982 roku, bez skonstruowania żadnego pełnowymiarowego prototypu.

Sytuację w Europie radykalnie zmieniła decyzja podjęta w 1991 roku przez Komisję Europejską. o włączeniu energii fal do programu badawczo-rozwojowego w zakresie energii odnawialnych. Doprowadziło to do podstawowych badań, a następnie zaprojektowania i budowy dwóch pełnowymiarowych elektrowni OWC o stałej konstrukcji. Oba były wyposażone w turbiny Wellsa. Elektrownia Pico o mocy znamionowej 400 kW została ukończona w 1999 roku i nadal działa. Została zbudowana, stojąc na dnie morskim, w sąsiedztwie pionowego klifu (ryc. 10) [25]. Elektrownia u wybrzeży wyspy Islay (Szkocja), ukończona w 2000 roku i o mocy znamionowej 500 kW, została zbudowana we wnęce wykutej w skalistym klifie, otoczonej żelbetowa komorą. Ta ostatnia konstrukcja często pokazywana jest, jako klasyczny OWC.

Fot.2 Elektrownia OWC u wybrzeży szkockiej wyspy Isla o mocy 500kW. (u góry na rys. przekrój)

Od początku lat 80. XX wieku stwierdzono, że proces pochłaniania energii fal można usprawnić poprzez rozbudowę struktury komory o wystające (naturalne lub sztuczne) ściany w kierunku falowania. Utworzony w ten sposób sztuczny brzeg stanowi przeszkodę dla fali, która wyhamowując oddaje swoją energię. Koncepcja ta została zastosowana w niektórych wczesnych prototypach OWC. Prototyp typu nearshore, którego konstrukcja została wykonana ze stali, został przetestowany w Port Kembla w Australii w 2005 r. (Fot.3).

Fot.3 Elektrownia OWC w Australii wybudowana w 2005r.   

Jeszcze innym wyzwaniem dla projektantów elektrowni OWC było zintegrowanie konstrukcji z falochronem. Po raz pierwszy rozwiązanie takie zastosowano w Japonii, w porcie Sakata (fot.4), gdzie jeden z kesonów tworzących falochron miał specjalny kształt, aby pomieścić OWC. 

Fot.4 OWC w porcie Sakata w Japonii o mocy 60kW. Konstrukcja oddana do użytku w 1990r

 Podobne rozwiązanie zostało zastosowane w falochronie zbudowanym w porcie Mutriku w północnej Hiszpanii (2008-10), z 16 komorami i 16 turbinami Wellsa o mocy 18,5 kW każda.

Fot.5 Falochronu wybrzeży Hiszpanii w Mutriku, po prawej zastosowana konstrukcja OWC.

W tym ostatnim przypadku komora robocza ma inny kształt niż w elektrowni LIMPET i przypomina literę U. Turbina Wellsa umieszczona jest tutaj pionowo. Ten sam układ komory zastosowano później na falochronie we Włoszech, w porcie Civitavecchia niedaleko Rzymu.

OWC o strukturze pływającej

Energia fal przy morskim brzegu jest duża, ale pod warunkiem silnego wiatru. W skali roku, w wielu miejscach globu średnia wartość takiej energii jest znikoma. Znacznie większe jej wartości występują na pełnym morzu i oceanach. Poniżej, na mapce, uwidoczniono kolorystycznie obszary o różnej wartości energetycznej falowania, podaną w kW/m. Jak widać, najbardziej energetyczne obszary, to tzw. ryczące 40-tki występujące na półkuli południowej w okolicach 50-ego stopnia. Energia fal przyjmuje tam średnie wartości >100kW/m. W strefie europejskiej, najsilniejsze wiatry pojawiają sie w trójkącie WB-Islandia- Grenlandia. Możemy się tam spodziewać średniej energii dochodzącej do 80 kW/m.  Pozostałe obszary globu nie są już tak atrakcyjne, a strefa przybrzeżna wręcz niskoenergetyczna. Powstał z tego powodu cały szereg rozwiązań elektrowni o pełnomorskiej, pływającej konstrukcji. Powyżej opisywałem już rozwiązania Japońskiego inżyniera Masudy, min. barkę Kaimei i boje sygnalizacyjne.  

Rys. Energia fal w kW/m w różnych miejscach globu. (rys. https://www.mdpi.com/2073-4441/13/1/13)

Obecnie skupię sie na nowszych projektach, a jest ich naprawdę dużo. Po pozytywnych doświadczeniach japońskich, zainteresowanie technologia pływająca OWC rozpoczęło się w USA, Europie, Korei południowej, Chinach i Indiach. W Europie testowano model wykonany w skali 1:4 w zatoce Galway w Irlandii (fot.6)

Fot.6 Model elektrowni  pływającej  typu BBDB, w skali 1:4 z turbiną Wellsa. 

Kolejny pływający konwerter OWC, o nazwie Mighty Whale, opracowany został przez Japan Marine Science and Technology Center. Urządzenie składało się z konstrukcji pływającej w kształcie wieloryba (długość 50 m, szerokość 30 m, zanurzenie 12 m, wyporność 4400 ton), która posiadała trzy komory powietrzne umieszczone z przodu obok siebie, oraz zbiorniki wypornościowe (rys. poniżej).

Rys. OWC coverter Mighty Whale (potężny wieloryb), testowany na zatoce Gokasho Bay w Japonii.


Każda komora powietrzna była połączona z turbiną powietrzną Wellsa. Całkowita moc znamionowa wynosiła 110 kW. Urządzenie zostało rozmieszczone w pobliżu ujścia zatoki Gokasho Bay w prefekturze Mie w Japonii w 1998 roku i testowane przez kilka lat.

Boje drzewcowe (spar-buoy) były dalszym etapem udoskonalania boi sygnalizacyjnej. Badania modelowe rozwiązania wykazały, że rura zwężająca się w dolnej części boi pozwala na większą produkcję energii niż rura cylindryczna.

Ryc. Spar-buoy. Boja drzewcowa w symulacji komputerowej i jako gotowe rozwiązanie, wykonane w skali 1:16, testowane w NAREC w WB, w 2012 roku.

Urządzenie o nazwie U-Gen, to kolejny przykład wykorzystania boi pływakowej do produkcji energii. W odróżnieniu do poprzednich rozwiązań zastosowano tutaj system zbiornik w zbiorniku,  w wyniku czego zamocowany wewnątrz boi  OWC nie ma bezpośredniego kontaktu z wodą morską.

Rys. U-Gen model cyfrowy.

Całe urządzenie wykonane jest w postaci asymetrycznej boi (rys. po prawej), wewnątrz której znajduje się zamknięty zbiornik wody w kształcie litery U. Zbiornik u góry połączony jest kanałem z zamocowaną w środku turbiną Wellsa. W czasie falowania wody morskiej cała boja wykonuje ruchy wahadłowe powodując przelewanie się wody wewnątrz zbiornika. Unosząca, lub opadająca na przemian woda wewnątrz zbiornika U, spręża/rozpręża powietrze napędzając turbinę. Model w skali 1:16 o długości 1,25 m był testowany w 2010 roku w zbiorniku falowym IFREMER w Breście we Francji.