Artykuł opublikowany pod adresem:     http://gigawat.net.pl/article/articleprint/1151/-1/83/

Elektrownie wkraczają na morz. Prąd z... przypływów i fal
Informacje Numery Numer 01-02/2008

Autor: opr. red.

Data publikacji: 13.02.2008 02:16

Opracowano na podstawie materiałów firm Marine Current Technologies Ltd. i Ocean Power Delivery

Niezmierzona energia mechaniczna mórz i oceanów wzbudza coraz większe zainteresowanie naukowców i specjalistów energetyki odnawialnej.

Cykliczne (dwukrotnie na dobę) ruchy wód morskich zwane przypływami i odpływami są wywołane przyciąganiem grawitacyjnym Księżyca. Słabsze oddziaływanie Słońca powoduje rzadsze zmiany poziomu (co 14 dni). Największe różnice poziomu podczas przypływu i odpływu osiągają nawet 20 m. Ogromna moc niesiona przez stosunkowo powoli poruszające się masy wód od dawna skłaniała do poszukiwania sposobów jej wykorzystania dla potrzeb człowieka.

W końcu ubiegłego wieku naukowcy przystąpili do praktycznych badań zastosowania specjalnie zmodyfikowanych turbin w przyszłych elektrowniach pływowych.

Turbiny wykorzystujące energię pływów morskich pracują w zasadzie jak zanurzone wiatraki. Można je ustawiać w wodach przybrzeżnych o wysokiej szybkości przepływu wody zarówno dwustronnych przypływów/odpływów jak i morskich, ustalonych prądów. Ruchy tych wód są - w odróżnieniu od fal morskich lub wiatrów - przewidywalne i mało zależne od warunków pogodowych. Ponieważ woda jest 800 razy gęstsza od powietrza, dla uzyskania tej samej mocy potrzeba znacznie mniejszych turbin i dodatkowo można je rozmieszczać w mniejszych odstępach. Przesłanki te przesądziły o rosnącym zainteresowaniu zwolenników energetyki odnawialnej tym wciąż nie ujarzmionym źródłem darmowej energii. Milowym krokiem ku wykorzystaniu tej szansy ma okazać się uruchomienie pierwszej w skali przemysłowej elektrowni bazującej na energii przypływów i odpływów morskich.

Brytyjska firma Marine Current Technologies Ltd. realizuje obecnie budowę instalacji o nazwie SeaGen o mocy 1.2 MW u wybrzeży Irlandii Płn.

To niewątpliwie wyjątkowe osiągnięcie techniczne poprzedziły lata żmudnych badań i prób. Pierwszym prototypem była instalacja o mocy 15 kW zainstalowana w Loch Linne (Szkocja) w 1994 r. Była ona efektem prac w zakresie konwersji energii kinetycznej strumieni wodnych prowadzonych od 70. lat ubiegłego wieku przez Petera Fraenkela, twórcę technologii firmy MCT. Kolejne testy prowadzono od 2003 r. na maszynie Seaflow o mocy 300 kW u wybrzeży Devon. Układ Seaflow zabudowany na jednym słupie osadzonym w dnie morskim, osiągnął znamionową moc ze sprawnością wykorzystania energii mechanicznej około 45%, co przewyższa analogiczny wskaźnik dla turbin wiatrowych. Siłownia ta okazała się – zdaniem wynalazców - jedyną do tej pory przemysłową instalacją przetwarzającą energię pływów zdolną do ciągłej pracy na wodach przybrzeżnych.

Inna, reprezentująca konkurencyjną technologię, elektrownia tego rodzaju pracuje w Hammerfest Stroem (Norwegia). Norweska instalacja o mocy 300 kW została wykonana jako podwodny wiatrak usytuowany na dnie cieśniny. Zanurzenie turbiny (i całego słupa nośnego) kilkanaście metrów pod najniższym poziomem wody zapewnia zupełną swobodę dla żeglugi. Ta nieco odmienna koncepcja elektrowni pływowej pracuje od 2003 roku. Tymczasem dotychczasowa eksploatacja Seaflow (jej demontaż przewidziano na przełom lat 2007/2008) potwierdziła słuszność wyboru wirnika turbiny o przepływie osiowym. Unikalną zaletą tego rozwiązania okazała się możliwość podnoszenia turbiny z przekładnią i generatorem po słupie ponad lustro wody, co pozwala na wykonywanie remontów z pokładu statku zamiast pierwotnie rozpatrywanej opcji użycia płetwonurków.

Przedsięwzięcie Seaflow kosztowało 3,4 mln funtów, przy czym 60% tej kwoty wyasygnowały rząd brytyjski i Unia Europejska.

W oparciu o rezultaty tych badań skonstruowano układ SeaGen o dwóch turbinach (2 x 600 kWe), który firma nazwała przemysłową demonstracją wynalazku. Realizacja tego nowego projektu firmy MCT pochłonie 8,5 mln funtów (połowę wydatków pokryje rząd). Maszyna zostanie zainstalowana z początkiem roku 2008 w cieśninie Strangford Lough w Irlandii Północnej, a jej okres eksploatacji ma potrwać 5 lat. Wynalazcy technologii SeaGen podwoili liczbę turbin zabudowanych na jednym słupie wsporczym w porównaniu z jej poprzednikiem tj. Seaflow. Dzięki temu siłownia ta wykorzystuje dwa razy większą energię kinetyczną mas wody niż Seaflow. Obie turbiny zamocowano na końcach poziomego wysięgnika przesuwanego po słupie wsporczym. Średnica każdego z dwóch wirników wynosi 16 m; łopatki wyposażono w regulację kąta ustawienia, co zapewnia możliwość pracy turbiny przy ruchu mas wody w obu kierunkach czyli w czasie przypływu i odpływu.

Wirnik SeaGen jest znacznie bardziej złożoną konstrukcją od Seaflow. Kształt łopatek zaczerpnięto z turbin wiatrowych, jednak znacznie większe siły wywierane przez wodę wymusiły niezbędne usprawnienia (m.in. jako materiał użyto włókno węglowe). Wirnik obracający się z prędkością około 12 obr./min napędza generator przez przekładnię mechaniczną. Trójstopniowa przekładnia (dwie planetarne i jedna zębata, przełożenie prędkości 69,8:1), stanowiąca innowacyjne rozwiązanie produkcji firmy Wikov, odznacza się zwartą budową i stosunkową niewielką masą (12.2 t). Osobnym osiągnięciem technicznym jest słup wsporczy o średnicy 3 m wykonany z materiału kompozytowego, wzmocnionego włóknem szklanym. Słup osadzany jest w otworze wywierconym w dnie morskim. Sposób montażu stanowi sprawdzoną technologię firmy Seacore Ltd., głównego udziałowca w MCT. Prace budowlane posadowienia konstrukcji wraz z montażem turbogeneratorów wykonuje się z pokładu specjalistycznego statku w ciągu dwóch tygodni. Wewnątrz słupa umieszczono układy energoelektroniczne, transformator mocy a także urządzenia hydrauliczne do podnoszenia i opuszczania turbogeneratorów.

Obawy ekologów i rygorystyczne przepisy wymusiły podjęcie środków ochronnych dla życia fauny morskiej. Firma MCT zrealizowała kosztem 2 mln funtów rozległy program monitoringu życia zwierząt występujących w rejonie siłowni morskiej. W szczególności zwrócono uwagę na zagrożenia akustyczne dla fok wywoływane przez podwodne wirniki. Nie stwierdzono natomiast żadnego ryzyka kolizji zwierząt morskich z wolno obracającymi się łopatami. Te bowiem poruszają się wolniej od ryb i ssaków.

Osiągnięcia brytyjskich konstruktorów elektrowni pływowych zyskały uznanie również za granicą. W ostatnim czasie firma MCT zawarła kontrakty na dostawę swojej technologii do Kanady. Turbogeneratory SeaGen zostaną rozmieszczone zarówno na wschodnim wybrzeżu tego kraju, w Zatoce Nowa Szkocja oraz na zachodnim w Kolumbii Brytyjskiej.

Projektanci MCT upatrują drogi dalszego rozwoju technologii SeaGen w budowie zestawów podobnych turbin mocowanych na wspólnym poziomym wsporniku. Moc pojedynczych turbin jest ograniczona przez maksymalną średnicę wirnika, która wynika z głębokości akwenu. Ekspansja układu SeaGen drugiej generacji będzie zatem odbywać się dosłownie „wszerz”. Siłownia przyszłości licząca 6 turbin o średnicy wirnika 24 m powinna dostarczać moc ponad 8 MW. Unifikacja konstrukcji ma z kolei znacznie skrócić czas i obniżyć koszty budowy elektrowni pływowych, następców Seaflow i SeaGen, z obecnych pięciu do jednego miliona funtów na megawat mocy zainstalowanej. W oparciu o te przesłanki Brytyjczycy planują już następne morskie siłownie. Dla przykładu na przybrzeżnej farmie Anglesey mają w 2015r. pracować podwodne wiatraki o łącznej mocy 500 MW.

Inny rodzaj energetycznych zasobów mórz i oceanów jest utajony w falach powierzchniowych. Energia mechaniczna fal morskich jest w istocie zmagazynowaną energią wiatrową, gdyż ruchy te powstają dzięki przekazywaniu energii przez podmuchy powietrza nad powierzchnią wód. Również i po ten niewyczerpalny potencjał czystej energii ludzkość zaczyna sięgać coraz śmielej.

Opracowana w końcu XX wieku przez szkocką firmę Ocean Power Delivery unikalna technologia wykorzystania energii mechanicznej fal morskich doczekała się już planu realizacji na skalę przemysłową. W 2008 r. na wodach przybrzeżnych Wyspy Orkney zostanie uruchomiona pierwsza w świecie przemysłowa instalacja zamiany energii mechanicznej fal na elektryczną dużej mocy. W tej nietypowej elektrowni zostaną wykorzystane cztery konwertery energii fal o nazwie Pelamis nawiązującej do morskiego węża Pelamis platurus, występującego w morzach tropikalnych. Badania nad tą technologią prowadzono od roku 2001 z pomocą finansową rządu brytyjskiego oraz organizacji europejskich. Urządzenie Pelamis o długości 150 m, szerokości 3.5 m i masie 700 ton przypomina kształtem wieloczłonowego, zanurzonego do połowy węża. Posiada cztery cylindryczne segmenty połączone „zawiasami” o dwóch stopniach swobody. Wywołany przez napór fal ruch przegubów tłoczy olej pod wysokim ciśnieniem do akumulatorów (zasobników). Zasilane stąd silniki hydrauliczne napędzają generatory elektryczne. Każdy z trzech segmentów stanowi odrębną siłownię wyposażoną w dwa trójfazowe generatory asynchroniczne o mocy jednostkowej 125 kW.

Generatory pracują na wspólne szyny o napięciu znamionowym 3x690 V, do których przyłączono transformator podwyższający napięcie. Moc jest przesyłana pojedynczym giętkim kablem do złącza zabudowanego na dnie morza, a stąd na ląd - konwencjonalną podmorską linią kablową. Pelamis jest utrzymywany na powierzchni wody za pomocą złożonego układu pływaków i obciążników. Jego stożkowa głowica jest stale naprowadzana na kierunek prostopadły do nadchodzących fal. Zmienna siła fal wymusiła użycie układu gromadzenia energii we wspomnianych hydroakumulatorach olejowych, co zapewnia stałą moc wyjściową generatorów. Wahania te są kompensowane także za pomocą automatycznie regulowanego oporu w mechanizmach przegubowych „zawiasów”.

W bieżącym roku rozpocznie się również budowa innej elektrowni morskiej z wykorzystaniem konwerterów Pelamis. U wybrzeży Portugalii powstanie instalacja złożona z trzech konwerterów tego typu o łącznej mocy 2,25 MW. W następnym etapie rozbudowy tej farmy morskiej zaplanowano rozmieszczenie kolejnych 38 urządzeń tego typu. Budowa tej siłowni o docelowej powierzchni 1 km2 pochłonie 70 mln euro. Mimo bardzo wysokich nakładów finansowych zwolennicy energetyki odnawialnej zwracają uwagę, że koszty jednostkowe nowej technologii są wyraźnie niższe niż w przypadku energetyki wiatrowej w podobnym czyli początkowym etapie rozwoju oraz wciąż mniejsze niż w obecnej energetyce słonecznej. Porównanie to stanowi poważny argument na rzecz wykorzystania energii fal morskich.

Wykorzystanie energii fal morskich od dawna zajmuje czołowe miejsce wśród perspektywicznych segmentów energetyki odnawialnej. Oszacowano, że potencjał wytwórczy fal morskich Szkocji i Irlandii sięga 75 kW/m linii brzegowej, a Wielka Brytania może czerpać stąd około 87 TWh „czystej” energii elektrycznej rocznie. W Szkocji zaś przyjęto założenie, że energia fal morskich ma w 2020 r. dostarczać aż 40% całkowitej generacji energii elektrycznej, zaś w tym nowym segmencie energetyki odnawialnej powstanie 7000 nowych miejsc pracy.




| Powrót |

Artykuł opublikowany pod adresem:     http://gigawat.net.pl/article/articleprint/1151/-1/83/

Copyright (C) Gigawat Energia 2002