Morze nasze morze

Od zarania dziejów człowiek stara się ujarzmić i wykorzystać siły natury. Jednym z żywiołów, który wykorzystujemy do swoich celów, jest woda. Opisywałem już wcześniej sposób i zakres jej wykorzystania na rzekach (patrz – BzG 1/2012). Czas sprawdzić, jakie możliwości daje nam woda mórz.
Stosunkowo mało o niej słychać na naszym rodzimym podwórku. Dlaczego i jakie są szanse na wykorzystanie energii morza w Polsce przedstawię w niniejszym artykule.

Odpowiedzmy sobie na zasadnicze pytanie, w jaki sposób ujarzmić tak nieokiełznany żywioł, jakim są morza i oceany, które pokrywają prawie trzy czwarte kuli ziemskiej?
Do tej pory energię drzemiącą w morskiej wodzie wykorzystuje się na trzy sposoby. Są to:

- energia pływów morza,

- energia fal morskich oraz

- energia cieplna mórz.

W przypadku tej pierwszej wykorzystywany jest cykliczny ruch mas wód. Powstaje on w wyniku grawitacyjnego oddziaływania Księżyca i Słońca na kulę ziemską. Gdy Ziemia, Księżyc i Słońce są ustawione w miarę w linii prostej występuje najsilniejsze oddziaływanie grawitacji, mamy wówczas do czynienia z najlepszymi możliwościami generowania energii z powodu najwyższych pływów. Cykl przypływ-odpływ wynosi 12 godzin i 27 minut i zależy od ukształtowania akwenu, a także pory roku oraz pory dnia, dlatego też nie da się wyznaczyć stałych godzin przypływu i odpływu w danym miejscu.

Energia pływów składa się z energii potencjalnej i kinetycznej. Energia pływów morskich na metr kwadratowy powierzchni wynosi: E = 1,4 h² [Wh], gdzie h to amplituda pływów w danym cyklu. Stąd, aby można było wykorzystać energię pływów, należy spełnić kilka warunków, a mianowicie: musi być to miejsce, w którym mamy odpowiednią prędkość wody, poruszająca się woda jest o znaczącej masie, wreszcie - ukształtowanie dna morskiego i jego głębokość pozwalają na posadowienie odpowiedniej liczby turbin, i na koniec - odległość od sieci energetycznej nie jest zbyt duża.

Gdzie znaleźć miejsca spełniające powyższe warunki? Niestety nie jest ich zbyt wiele. Tabela przedstawia przykładowe miejsca o najwyższych pływach.

*) Pływ syzygijny (pływ maksymalny) – zjawisko pływowe powstające, gdy Ziemia, Księżyc i Słońce znajdują się w linii prostej.

Jak widzimy, największe amplitudy pływów występują w cieśninach i zatokach. Dlatego najlepszymi miejscami pod lokalizację elektrowni pływowej są ujścia wąskich zatok oraz ujścia rzek, gdzie dodatkowo wykorzystuje się ich prądy.

W zależności od warunków topograficznych możliwe jest wykorzystanie pływów morza przy pomocy różnych typów instalacji, które mogą wytwarzać energię elektryczną pochodzącą z energii pływów morskich.

Po pierwsze - elektrownia pływowa wykorzystująca energię potencjalną wody. Do tego celu konieczne jest, by różnica poziomów wody podczas przypływu i odpływu wynosiła co najmniej 5 m. Dogodnymi na lokalizację tego typu elektrowni są ujścia rzek wpływających do morza, wąskie cieśniny i zatoki, gdzie wysokie brzegi umożliwiają budowę zapory pozwalającej na wpłynięcie wód morskich do zbiornika podczas przypływu i wypuszczenie ich poprzez turbiny wodne do morza podczas odpływu. Oprócz zapory w każdej elektrowni powinny znajdować się zamknięcia do regulacji przepływu wody, a także w razie konieczności do transportu. Elektrownia pływowa może być zaprojektowana na pracę w systemie pojedynczym lub podwójnym, co oznacza, że energia elektryczna może być wytwarzana zarówno podczas przypływu, jak i odpływu. W przypadku pracy w systemie pojedynczym turbiny pracują tylko podczas odpływu, co jest mniej efektywne, ale jest tańsze. Gdzie możemy znaleźć najlepsze lokalizacje dla tego typu elektrowni, przedstawiam poniżej.

Drugim typem elektrowni są turbiny w modułowych obudowach skrzynkowych ustawianych w poprzek przepływu pływu lub podwieszanych pod zakotwiczone platformy.

Trzecim typem są turbiny otwarte pionowe lub poziome, wykorzystujące energię kinetyczną wody. Stają się one coraz bardzie popularne ze względu na niższe koszty i mniejszy wpływ na środowisko naturalne niż w przypadku tradycyjnych elektrowni pływowych. Turbiny te są zbliżone budową do turbin wiatrowych, mają jednak znacznie wyższe moce.
Przy gęstości wody morskiej 832 razy większej od gęstości powietrza, energia kinetyczna przepływu o prędkości 2,57 m/s jest równoważna energii wiatru wiejącego z prędkością 270 km/h. Stąd, otwarta turbina wodna może produkować około 180 razy więcej energii niż turbina wiatrowa o tej samej powierzchni. Dodatkową zaletą tych turbin jest ich stała praca zarówno podczas przypływu, jak i odpływu. Najlepiej sprawdzają się w miejscach koncentracji przepływu, np. wschodnim i zachodnim wybrzeżu Kanady, Cieśninie Gibraltarskiej, Bosforze, a także w południowo-wschodniej Azji i Australii.

Do zalet wykorzystywania pływów morskich należą:

• energia pływów jest całkowicie przewidywalna i nie jest uzależniona od czynników atmosferycznych,
• turbiny są lokowane na dnie morskim, więc nie są ani widoczne, ani ich nie słychać.

W elektrowniach pływowych mogą być wykorzystywane hydroagregaty kapsułowe o dwustronnym przepływie wody (rewersyjne), hydroagregaty o jednokierunkowym przepływie wody, poziome turbiny o nastawianych łopatkach oraz turbiny poprzeczno-strumieniowe zwane także ortogonalnymi. Turbiny te są ustawione poziomo, prostopadle do strumienia wody i nie zmieniają kierunku obrotów przy zmianie kierunku przepływu (z przypływu na odpływ morza i odwrotnie), co stanowi cenną zaletę eksploatacyjną. W przypadku tradycyjnych konstrukcji pozbawionych tej cechy przy zmianie kierunku przepływu wody konieczne jest zatrzymanie maszyny, przestawienie łopatek i następnie jej ponowne uruchomienie. Technologie i urządzenia w elektrowniach pływowych są wciąż udoskonalane. Celem obniżenia kosztów instalacyjnych wprowadza się konstrukcje umożliwiające swobodne spoczywanie na dnie morza bez potrzeby kotwiczenia systemu.

Niestety Polska ma złe warunki topograficzne na lokalizację tego typu hydroelektrowni – poziom wody w Morzu Bałtyckim podczas przypływu podnosi się zaledwie o kilka centymetrów.

Turbina SeaGen w Północnej Irlandii działa od 2008 roku

(© Źródło: SeaGen, autorzy, licencja CC-BY-SA 3.0 Deed)

To skoro nie energię pływów morza, to może energię fal morskich dałoby się wykorzystać w polskich warunkach?
I w tym przypadku nie mamy zbyt lekko, największe problemy stwarza zmienność fal oraz wytrzymałość elektrowni.

W jaki więc sposób można dokonać konwersji energii fal na elektryczną? Znanych jest kilka typów elektrowni, wśród których należy wymienić:

- mechaniczne, które wykorzystują siłę wyporu wody do poruszania się prostopadle do dna, co powoduje obracanie się połączonego z prądnicą wirnika turbiny,

- pneumatyczne, w których fale wymuszają ruch powietrza napędzającego specjalne turbiny,

- indukcyjne, gdzie do wytwarzania energii elektrycznej wykorzystuje się ruch pływaków (poprzez zastosowanie cewek poruszających się wraz z pływakami w polu magnetycznym),

- hydrauliczne, w których przez ścianki nieruchomego zbiornika przelewają się jedynie szczyty fal, a woda wypływająca ze zbiornika napędza turbinę. W przypadku tych elektrowni istnieją dwa rozwiązania wykorzystania energii fal morskich napędzających albo turbinę wodną, albo powietrzną. W pierwszym rozwiązaniu woda morska pchana kolejnymi falami wpływa zwężającą się sztolnią do położonego na górze zbiornika. Gdy w zbiorniku tym jest wystarczająca ilość wody, wówczas przelewa się ona przez upust i napędza turbinę rurową Kaplana sprzężoną z generatorem. Po przepłynięciu przez turbinę woda wraca do morza. Wykorzystana jest więc przemiana energii kinetycznej fal morskich w energię potencjalną spadu. W drugim rozwiązaniu zbiornik jest zbudowany na platformach na brzegu morza. Fale wlewają się na podstawę platformy i wypychają powietrze do górnej części zbiornika. Sprężone przez fale powietrze wprawia w ruch turbinę Wellsa, która napędza generator.

Oprócz tych rozwiązań znane są jeszcze tzw. „kaczki” i „tratwy”, które wykorzystują pionowy i poziomy ruch wody morskiej. „Tratwa” zbudowana jest z trzech części połączonych między sobą zawiasami, które poruszają się na falach. Fale poruszają tłoki pomp w środkowej części „tratwy”. Woda napędza turbinę, która jest sprężona z generatorem.

„Kaczki” w odróżnieniu od „tratw” wykorzystują poziomy ruch wody morskiej. Tak umieszczone „kaczki”, podskakując na falach, wprowadzają niezależnie od siebie tłoki pomp w ruch. To rozwiązanie cechuje mała moc, więc stosuje się je do oświetlania np. boi.

Ciekawym rozwiązaniem wydaje się być projekt zastosowania pływających elektrowni. W tym celu wykorzystano by statki z instalacją specjalnych boi. W momencie kiedy statek osiągnie odpowiednią pozycję na morzu, boje byłyby opuszczane na specjalnych wysięgnikach zamontowanych na burtach statku. Ruch fal w górę i w dół powodowałby produkcję energii elektrycznej w bojach, która magazynowana byłaby w akumulatorach umieszczonych na pokładzie. Po przybyciu do portu zmagazynowana elektryczność byłaby oddawana do sieci. Projekt zakłada instalację na statkach akumulatorów o pojemności 20 MWh, więc do pełnego ich naładowania statek musiałby przebywać na morzu 20 godzin.
W odróżnieniu od konwencjonalnych elektrowni fal morskich, okręty nie muszą być projektowane tak, by przetrwały sztorm. Wystarczy, że odpłyną w miejsce, w którym pogoda będzie lepsza, bądź zostaną w porcie. W porównaniu do istniejących elektrowni fal morskich, system taki byłby też dużo tańszy, ponieważ nie zakłada kosztownej instalacji kabli elektrycznych na dnie morza. Koszty można obniżyć jeszcze bardziej, instalując wysięgniki z bojami na istniejących okrętach, które przy okazji można by wyposażyć w silniki elektryczne.

Niestety i dla tego typu elektrowni nie ma miejsca w naszym kraju… Choć może jest szansa na ich powstanie. Póki co możemy w internecie znaleźć informację o zaakceptowaniu do wsparcia projektu pn. „Innowacyjne absorbery falowe – energia elektryczna i ochrona wybrzeża dzięki elektrowniom falowym”. Projekt, który chce wprowadzić w życie firma Skotan, ma kosztować około 39 mln zł. Program badawczy jest rozłożony na trzy lata i zakłada budowę ośmiu pływaków, które razem będą składały się na małą farmę energetyczną. Pierwszy prototyp ma stanąć w okolicach Wyspy Sobieszewskiej. Ciekawe, jak będzie wyglądała realizacja projektu (oby nie spoczął na dnie Bałtyku), gdyż z wnioskowanych 28,7 mln zł dofinansowania kwotę zmniejszono do 13,8 mln zł.

Na zakończenie - wykorzystanie energii cieplnej mórz (jej eksploatacja na pewno nam nie grozi). Technologia konwersji oceanicznej energii cieplnej wykorzystuje zmiany temperatury wód morskich na różnych głębokościach. Umożliwia ona zamianę energii promieniowania słonecznego pochłoniętego przez te wody na energię elektryczną. Technologię tę można zastosować przy różnicy temperatur warstw wody minimum 20°C. Dotychczas skonstruowano trzy typy układów: otwarty cykl, zamknięty cykl i cykl mieszany.
W układzie otwartym cieplejsza woda morska w pobliżu powierzchni, będąca czynnikiem roboczym, ulega odparowaniu w komorze próżniowej. Powstała para napędza turbinę niskiego ciśnienia sprzężoną z generatorem. Para wylotowa z turbiny skrapla się w kondensatorze wytwarzając odsoloną wodę. Kondensator chłodzony jest zimną wodą morską czerpaną z głębszych warstw. Do następnego cyklu używana jest nowa ilość wody morskiej. Zaletą tej technologii jest połączenie wytwarzania energii elektrycznej z odsalaniem wody morskiej.
W zamkniętym cyklu konwersji czynnikiem roboczym jest ciecz o niskiej temperaturze wrzenia. Ciepła woda morska powoduje odparowanie czynnika roboczego, którego pary napędzają turbinę niskiego ciśnienia. Zimna woda morska powoduje skroplenie par w kondensatorze, po czym skropliny te są użyte do następnego cyklu przemiany. Czynnikiem takim jest amoniak, freon lub propan.

Z technologią tą naukowcy wiążą duże nadzieje, gdyż zapewnia odsalanie wody na dużą skalę. Duże ilości energii dostarczane przez te układy umożliwią hodowlę niektórych cennych roślin i zwierząt w wodach oceanicznych. Innym zastosowaniem układów konwersji oceanicznej energii cieplnej może być dostarczanie energii niezbędnej do uzyskiwania licznych cennych pierwiastków i związków śladowych zawartych w wodach morskich.


W jaki jeszcze sposób można by wykorzystać potencjał morsko-oceaniczny, jak zwykle pokaże czas.