21/11/11

Τι ειναι η κυματικη ενεργεια;

Το δυναμικό της ενέργειας από το θαλάσσιο κυματισμό  (κυματική ενέργεια) μπορεί να έχει αξιοσημείωτη συνεισφορά στην παραγωγή ενέργειας από
Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ), σε διεθνές επίπεδο.
 Η κυματική ενέργεια 
εκμεταλλεύεται διαφορετικούς τύπους θαλάσσιας ροής -  παλίρροιες,  ρεύματα,  οσμωτική πίεση  (τη διαφορά αλατότητας    μεταξύ γλυκού και θαλάσσιου νερού)  κ.α.-  και αποτελεί μια γιγαντιαία δεξαμενή ηλεκτρικής ενέργειας, της οποίας η πιθανή ετήσια παραγωγή θα μπορούσε  να  φθάσει τις

120.000 TWh. 


Όπως όλες οι μορφές ΑΠΕ, το διαθέσιμο κυματικό δυναμικό δεν είναι ίδιο στα
διάφορα μέρη του κόσμου.  Έτσι,  το κυματικό δυναμικό των ακτών της δυτικής Ευρώπης είναι ιδιαίτερα υψηλό, ενώ αντίθετα στις κλειστές θάλασσες όπως η Μεσόγειος το δυναμικό είναι μικρότερο.  

Έρευνες έχουν δείξει ότι η κυματική ενέργεια μπορεί να καλύψει το 10% της
ζήτησης σε ηλεκτρική ενέργεια στην Ευρώπη,  ως το 2030.  Η κυματική
ενέργεια παρουσιάζει όλα τα οφέλη των ΑΠΕ  -μηδενικές εκπομπές προϊόντων
καύσης (CO2),  απεξάρτηση από εισαγόμενα ορυκτά καύσιμα κ.λπ.-  αλλά και
ειδικότερα πλεονεκτήματα,  με σημαντικότερο αυτό της μεγάλης
πυκνότητας ενέργειας και της μικρής οπτικής όχλησης, ακόμα και αν οι
συσκευές εγκαθίστανται σε απόσταση που είναι ορατές από την ακτή, καθώς
το μεγαλύτερο μέρος τους είναι βυθισμένο στη θάλασσα.  
Αυτή τη στιγμή 5 ευρωπαϊκές χώρες με προεξάρχουσα τη Γαλλία λειτουργούν
μονάδες ισχύος 250  ΜW  συνολικά ενώ 3  ακόμη χώρες έχουν ξεκινήσει να
εγκαθιστούν νέες μικρές μονάδες. 

Οι συσκευές που χρησιμοποιούνται για την μετατροπή της κυματικής
ενέργειας σε ηλεκτρική είναι πολλών ειδών,  και μέχρι στιγμής δεν έχει
διαφανεί μια τεχνολογία η οποία να υπερισχύει των άλλων. Πέραν όμως των
συσκευών που σχεδιάζονται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας για την
τροφοδοσία του ηλεκτρικού δικτύου,  υπάρχουν πολλές συσκευές,  που
χρησιμοποιούν ως ενδιάμεσο προϊόν το θαλασσινό νερό υπό πίεση.  Αυτές παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τον ελληνικό χώρο, καθώς το προϊόν 
αυτό μπορεί να χρησιμοποιηθεί άμεσα σε διαδικασίες αφαλάτωσης και


παροχής γλυκού νερού κατάλληλου προς χρήση σε νησιωτικές και μη
περιοχές, όπου το γλυκό νερό είναι ελλειμματικό.  

Το ΚΑΠΕ είχε, παλαιότερα, συμμετάσχει σε πειραματικό έργο αξιοποίησης της
κυματικής ενέργειας,  ένα από τα δύο έργα κυματικής ενέργειας που
αναπτύχθηκαν στην Ελλάδα.  Στο πλαίσιο του κατασκευάστηκε και
εγκαταστάθηκε στη νήσο Ψυττάλεια μια διάταξη τεσσάρων πλωτήρων
συνδεδεμένων μεταξύ τους,  οι οποίοι κινούσαν μια γεννήτρια.  Η συσκευή
λειτούργησε για κάποιο χρονικό διάστημα και ελήφθησαν τα πρώτα
πειραματικά αποτελέσματα. Πλην όμως σε σύντομο χρονικό διάστημα είχε την
τύχη που είχαν σχεδόν όλες οι πρώτες προσπάθειες αξιοποίησης της
κυματικής ενέργειας,  που λειτουργούν στο σκληρό θαλάσσιο περιβάλλον. 
Καταστράφηκε από κακοκαιρία με ισχυρό νότιο άνεμο στον οποίο είναι
ιδιαίτερα εκτεθειμένη η Ψυττάλεια.      

Λόγω το ίδιου του θαλάσσιου περιβάλλοντος,  η κυματική ενέργεια  
αντιμετωπίζει ακόμα πολλές δυσκολίες,  ενώ    θέμα αποτελεί και το κόστος
παραγωγής.  Τα τελευταία χρόνια ωστόσο,  η ερευνητική πειραματική
διαδικασία σε τεχνικό επίπεδο έχει σημειώσει αξιοσημείωτη πρόοδο και το
πολιτικό και βιομηχανικό ενδιαφέρον αυξάνεται. Παραμένουν παρά ταύτα
αρκετά μη τεχνικά εμπόδια τα οποία πρέπει να διευθετηθούν και
ξεπεραστούν,  προκειμένου να επισπευσθεί η ανάπτυξη της νέας αυτής
αγοράς.  Το έργο WAVEPLAM, στο πλαίσιο του οποίου διοργανώνεται η
σημερινή ημερίδα,  έχει ως στόχο τον περιορισμό ή και την άρση των μη
τεχνολογικής φύσης εμποδίων,  που θα προκύψουν όταν μεγάλης κλίμακας
εφαρμογές των τεχνολογιών αυτών θα είναι έτοιμες προς εγκατάσταση. 
Το ΚΑΠΕ,  ευρισκόμενο συνεχώς στην αιχμή των τεχνολογικών εξελίξεων, 
δραστηριοποιείται εντατικά για την προώθηση, την αξιοποίηση και την επιτυχή
ενσωμάτωση στην ελληνική αγορά των ώριμων τεχνολογιών ΑΠΕ, αλλά και τη
διερεύνηση των δυνατοτήτων πρωτοποριακών και πολλά υποσχόμενων
τεχνολογιών, όπως η κυματική ενέργεια




Τα Οφέλη

Offshore κυματική ενέργεια έχει το δυναμικό να είναι μια από τις πιο ευνοϊκές προς το περιβάλλον μορφές παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με ελάχιστη οπτική επίδραση από την ακτή.
Παρά το γεγονός ότι η κυματική ενέργεια είναι μια μορφή συμπυκνωμένου αιολικής ενέργειας, όπως έχει συχνά ταξίδεψε σε μεγάλες αποστάσεις είναι τακτικά από τη φάση με τις τοπικές συνθήκες ανέμου. Κυματική ενέργεια μπορεί να συμβάλει έτσι στην ισορροπία μεταβλητότητα εξόδου από άλλες ανανεώσιμες πηγές και τη μεγιστοποίηση της αποτελεσματικής χρήσης των δικτύων ηλεκτρικής ενέργειας.Κυματική ενέργεια είναι επίσης πιο προβλέψιμη από ό, τι πολλές άλλες μορφές ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, όπως η αιολική ή η ηλιακή, και μπορούν να προβλέψουν με ακρίβεια μέχρι και πέντε ημέρες νωρίτερα.
Wave ενέργεια είναι καθαρή και ανανεώσιμη! Είναι ένα από τα τελευταία ανανεώσιμες μορφές ενέργειας που η ανθρωπότητα δεν έχει ακόμη αξιοποιήσει, και το δυναμικό του είναι τεράστια. Τα τεχνικά και οικονομικά αποδίδονται πόρων γύρω από το Ηνωμένο Βασίλειο μόνο έχει υπολογιστεί ότι κυμαίνεται μεταξύ 50-90TWh ανά έτος ή περίπου το 14-26% [1] της τρέχουσας ζήτησης ηλεκτρικής ενέργειας στο Ηνωμένο Βασίλειο.
Κυματική ενέργεια θα μπορούσε να διαδραματίσει σημαντικό ρόλο στις προσπάθειες του κόσμου για την καταπολέμηση της κλιματικής αλλαγής, ενδεχομένως εκτοπίζοντας 1 - 2.000.000.000 τόνους CO2 το χρόνο από τις συμβατικές πηγές ορυκτών καυσίμων παράγει. Οι εγκαταστάσεις αυτές θα παρέχουν επίσης πολλές ευκαιρίες απασχόλησης σε επιχειρήσεις κατασκευής και συντήρησης. Ως εγχώριος πόρος που ποτέ δεν θα εξαντληθεί, κυματική ενέργεια θα παρέχει το Ηνωμένο Βασίλειο με την ασφάλεια του εφοδιασμού.


Κίνηση ενός σωματιδίου σε ένα κύμα στον ωκεανό. 
A = Σε βαθιά νερά. Η τροχιακή κίνηση των υγρών σωματιδίων μειώνεται ραγδαία με την αύξηση του βάθους κάτω από την επιφάνεια. 
Β = Σε ρηχά νερά (Ocean πάτωμα είναι τώρα στο Β). Η ελλειπτική κίνηση ενός σωματιδίου υγρό ισοπεδώνει με τη μείωση βάθους. 
1 = διεύθυνση διάδοσης. 
2 = Wave λοφίο. 
3 = γούρνα Wave.


Τύποι κυματικής ενέργειας 

Σε βαθιά νερά, όπου το βάθος του νερού είναι μεγαλύτερη από το μισό του μήκους κύματος , το κύμα ροή της ενέργειας είναι
P = \ frac {\ rho g ^ 2} {64 \ pi} {H_ m0} ^ 2 Τ \ περίπου \ left (0,5 \ frac {\ κείμενο kW {}} {\ κείμενο {m} ^ 3 \ cdot \ κείμενο {s}} \ right) H_ m0 {} ^ 2 \? T,
P με τη ροή της ενέργειας των κυμάτων ανά μονάδα μήκους κύματος-CREST, m0 το σημαντικό ύψος κύματος , T το κύμα περίοδο , το νερό ρ πυκνότητα και g η επιτάχυνση της βαρύτητας . 

Τα παραπάνω αναφέρει ότι η φόρμουλα ενέργειας των κυμάτων είναι ανάλογη με την περίοδο κύμα και να το τετράγωνο του ύψους κύματος. Όταν το σημαντικό ύψος κύματος αναφέρεται σε τετραγωνικά μέτρα, και η περίοδος κύματος σε δευτερόλεπτα, το αποτέλεσμα είναι η κυματική ενέργεια σε κιλοβάτ (kW) ανά μέτρο μετώπου κύματος μήκους. 
Παράδειγμα: Έστω μέτρια πρήζεται ωκεανό, σε βαθιά νερά, λίγα χιλιόμετρα από μια ακτή, με ύψος κύματος 3 μέτρα και μία περίοδο κύματος από 8 δευτερόλεπτα. Χρησιμοποιώντας τον τύπο για να λύσουμε για την εξουσία, θα έχουμε
P \ περίπου 0,5 \ frac {\ κείμενο kW {}} {\ κείμενο {m} ^ 3 \ cdot \ κείμενο {s}} (3 \ cdot \ κείμενο {m}) ^ 2 (8 \ cdot κείμενο \ {s} ) \ Περίπου 36 \ frac {\ κείμενο kW {}} {\ κείμενο {m}},
έννοια υπάρχουν 36 κιλοβάτ δυναμικό ισχύος ανά μέτρο μήκους της ακτογραμμής.
Στις μεγάλες καταιγίδες, η μεγαλύτερη offshore κύματα είναι περίπου 15 μέτρα ύψος και να έχουν μια περίοδο περίπου 15 δευτερόλεπτα. Σύμφωνα με τον ανωτέρω τύπο, όπως τα κύματα μεταφέρουν περίπου 1,7 MW ισχύος σε κάθε μέτρο μετώπου κύματος.
Μια αποτελεσματική συσκευή ενέργειας από τα κύματα καταγράφει όσο το δυνατόν της ροής ενέργειας από τα κύματα. Ως αποτέλεσμα τα κύματα θα είναι χαμηλότερο ύψος της περιοχής πίσω από τη συσκευή ενέργειας από τα κύματα.


Τύποι κυμάτων ενέργειας και κυματική ροή της ενέργειας

Σε μια κατάσταση της θάλασσας , η μέση ενεργειακή πυκνότητα ανά μονάδα επιφάνειας των κυμάτων βαρύτητας στην επιφάνεια του νερού είναι ανάλογη με το ύψος κύματος τετράγωνο, σύμφωνα με την γραμμική θεωρία των κυμάτων: 
E = frac \ {1} {16} \ rho g H_ m0 {} ^ 2, 
όπου E είναι η μέση πυκνότητα της ενέργειας των κυμάτων ανά μονάδα οριζόντιας επιφάνειας (J / m 2), το ποσό των κινητική και δυναμική ενέργεια πυκνότητα ανά μονάδα οριζόντιας επιφάνειας. Το δυναμικό ενεργειακή πυκνότητα είναι ίση με την κινητική ενέργεια,  οι δύο συνεισφέρει το μισό της ενέργειας των κυμάτων E πυκνότητα, όπως μπορεί να αναμένεται από το θεώρημα ισοκατανομή . Σε κύματα του ωκεανού, τα αποτελέσματα της επιφανειακής τάσης είναι αμελητέα για τα μήκη κύματος πάνω από μερικά δεκατόμετρα .
Όπως τα κύματα διαδίδονται, την ενέργειά τους μεταφέρεται. Η ταχύτητα μεταφοράς ενέργειας είναι η ταχύτητα ομάδας . Ως αποτέλεσμα, η ενέργεια κυμάτων ροή , μέσα από ένα κατακόρυφο επίπεδο κάθετο πλάτος της μονάδας προς την κατεύθυνση διάδοσης κυμάτων, είναι ίση με: 
P = E \, c_g, \, \
με γ ζ η ομαδική ταχύτητα (m / s). Λόγω της σχέση διασποράς για τα κύματα του νερού υπό την επίδραση της βαρύτητας, η ταχύτητα ομάδας εξαρτάται από το μήκος κύματος λ, ή ισοδύναμα, για το κύμα περιόδου T. Επιπλέον, η σχέση διασποράς είναι συνάρτηση του h βάθος του νερού. Ως αποτέλεσμα, η ταχύτητα ομάδας συμπεριφέρεται διαφορετικά στα όρια του βαθιά και ρηχά νερά, και σε ενδιάμεσα βάθη: 


Pelamis πρωτότυπο μηχανής στο EMEC, Σκωτία το 2004.


Ποσειδώνας φαίνεται από τα ανωτέρω σε Onsevig, Δανία. Το εργοστάσιο είναι 37 μέτρα 
πλάτος και 25 μέτρα μήκος. 
Δεν μπορεί να οικοδομηθεί έως 230 μέτρα πλάτος, ανάλογα με το ύψος κύματος στην 
περιοχή. Φωτογραφία: Πλωτή μονάδα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας




Τα σταθερά συστήματα τα οποία τοποθετούνται στις ακτές ή στα ρηχά νερά έχουν σημαντικά πλεονεκτήματα έναντι των πλωτών συστημάτων και συγκεκριμένα στον τομέα της συντήρησης.









Ώστόσο, ο αριθμός των διαθέσιμων περιοχών κατάλληλες για σταθερά συστήματα είναι περιορισμένος. Οι ταλαντώσεις που συντελούνται στην στήλη νερού του συστήματος μετατρέπουν την κυματική ενέργεια σε ηλεκτρική.
Η διαδικασία που ακολουθείται γίνεται σε δύο στάδια. Καθώς το νερό εισέρχεται στο εσωτερικό του συστήματος αναγκάζει τον αέρα που υπάρχει να μετατοπιστεί προς το επάνω μέρος και να θέσει σε λειτουργία την τουρμπίνα η οποία μετατρέπει την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική.
  Η διαδικασία μετατροπής περιγράφεται σχηματικά στην εικόνα. 


Η έρευνα που συντελείται στον τομέα αυτό τα τελευταία χρόνια έχει επικεντρώσει το επιστημονικό ενδιαφέρον της στον σχεδιασμό και την ανάπτυξη στηλών νερού που απαιτούν λιγότερους περιορισμούς στην εγκατάσταση και συντήρηση. 


Το σύστημα TAPCHAN
    Ένα σημαντικό σύστημα είναι το λεγόμενο TAPCHAN (Tapered channel systems), πρόκειται δηλαδή για σύστημα με χρήση βαθμιαίων καναλιών σε δεξαμενή. Καθώς το νερό εισέρχεται στην δεξαμενή τα κανάλια συμβάλουν στην αύξηση του ύψους των κυμάτων και στην συνέχεια κινούν έναν άξονα τοποθετημένο παράλληλα σε αυτά. Η κίνηση του άξονα μετατρέπει την κινητική ενέργεια σε ηλεκτρική και στην συνέχεια την διοχετεύει σε ηλεκτρικό δίκτυο ή αποθηκεύεται σε μπαταρίες. Η ιδέα του συστήματος αυτού υιοθετεί αρχές παραδοσιακού υδροηλεκτρικού συστήματος, συλλέγει νερό, αποθηκεύει νερό και μετατρέπει αυτό μέσω της κίνησης σε ηλεκτρική ενέργεια.

Τα συστήματα αυτά έχουν χαμηλό κόστος συντήρησης, μεγάλη αξιοπιστία και επιπρόσθετα ότι η δεξαμενή έχει την δυνατότητα να παράγει ενέργεια όταν απαιτηθεί κάτι που δύσκολα επιτυγχάνεται με άλλα συστήματα. Δυστυχώς όμως τα συστήματα τύπου TAPCHAN δεν είναι κατάλληλα για εφαρμογή σε όλες τις παράλιες περιοχές. Ιδανικές περιοχές είναι εκείνες με σταθερό ρυθμό κυμάτων, με καλό μέσο ποσό κυματικής ενέργειας και με ύψος κυμάτων μικρότερο του 1 μέτρου, καθώς και παράλιες περιοχές με βαθιά νερά και έκταση για την εγκατάσταση δεξαμενής.


Τα πλωτά συστήματα:

Salter Duck, Clam και Archimedes
Τα πλωτά συστήματα, που είναι περισσότερο γνωστά στην ερευνητική κοινότητα είναι τα Salter Duck, Clam και Archimedes. Τα πλωτά συστήματα σε αντίθεση με τα σταθερά παράγουν ενέργεια από την αρμονική κίνηση του πλωτού τμήματος του συστήματος και όχι από την κίνηση της σταθερής τουρμπίνας στο εσωτερικό. Στα συστήματα αυτά οι οδηγοί ανεβαίνουν και κατεβαίνουν ανάλογα με την κίνηση του κύματος και η ηλεκτρική ενέργεια παράγεται μέσω της κίνησης αυτής.



Η ανάπτυξη των συστημάτων αυτών ξεκίνησε την δεκαετία του '80 και η καθυστέρηση αυτή οφείλεται σε λάθος υπολογισμούς που έγιναν όσον αφορά το κόστος παραγωγής ενέργειας. Τα τελευταία χρόνια με την ανάπτυξη της τεχνολογίας τα λάθη κατανοήθηκαν και η έρευνα και ανάπτυξη ξεκίνησε και πάλι. Όμως οι ρυθμοί ανάπτυξης γίνονται με αργό ρυθμό λόγω μειωμένων ερευνητικών κονδυλίων και κυβερνητικών επιδοτήσεων. Εξαίρεση αποτελούν κάποια ερευνητικά ιδρύματα στην Ευρώπη και φωτεινό παράδειγμα η Σκανδιναβία με το να πρωτοστατεί πλέον στο τομέα αυτό.

Παρακάτω, προσπάθεια γίνεται στο να περιγράψουμε τα πιο αξιόπιστα συστήματα κυματικής ενέργειας ερευνητικών προγραμμάτων. 


Το σύστημα Mighty Whale 



Αποτελεί το ερευνητικό πρόγραμμα Ιαπώνων επιστημόνων με την ονομασία Mighty Whale, όπως το όνομα προδίδει πρόκειται για κινητό σύστημα κυματικής ενέργειας που εξωτερικά το περίβλημα θυμίζει μικρή φάλαινα..
Το σύστημα Mighty Whale μετατρέπει την κυματική ενέργεια σε ηλεκτρική με την χρήση κάθετης στήλης νερού που περικλείεται στο εσωτερικό του. Καθώς το σύστημα κινείται στην επιφάνεια της θάλασσας, το νερό εισέρχεται στην κάθετη στήλη και κινεί την τουρμπίνα παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια.








Όπως φαίνεται στην εικόνα δεξιά το νερό εισέρχεται από το στόμιο του Mighty Whale και αυξάνει την στάθμη του νερού εσωτερικά, ο αέρας κινείται προς τα επάνω και κινεί την τουρμπίνα. Η διαδικασία θυμίζει αυτής των σταθερών συστημάτων, με την διαφορά ότι το σύστημα στην περίπτωση αυτή κινείται. 

To σύστημα Wave Dragon



Ένα παρόμοιο σύστημα είναι αυτό με την ονομασία Wave Dragon. To σύστημα αυτό είναι πλωτό και κάνει χρήση μεγάλης θαλάσσιας επιφάνειας. Τα κύματα εγκλωβίζονται από δύο πλωτές πλατφόρμες από μπετόν τοποθετημένες η μία απέναντι από την άλλη σε απόσταση 227 μ. Η πλωτή δεξαμενή στην οποία καταλήγει το κύμα καταλαμβάνει όγκο χωρητικότητας 2.600 κ.μ.. 



Το νερό εισέρχεται στην πλωτή δεξαμένη και κινεί τις τουρμπίνες με ταχύτητα 100 κ.μ. το δευτερόλεπτο. 
Το σύστημα αυτό είναι το μοναδικό πρόγραμμα της Δανίας που συμμετέχει στο Ευρωπαικό Πρόγραμμα Κυματικής Ενέργειας. 
Είναι τυχαίο άραγε το γεγονός ότι η Ελλάδα δεν εκπροσωπεί κανένα πρόγραμμα και απουσιάζει εντελώς; μάλλον όχι, αφού ο ερευνητικός τομέας στην Ελλάδα έχει τα χαμηλότερα ποσοστά συμμετοχής στην Ευρώπη.


To σύστημα Swan DK3


Ένα άλλο πρωτοποριακό πλωτό σύστημα αποτελεί το Swan DK3, αρχικά αναπτύχθηκε από την Ιαπωνία, έλλειψη κονδυλίων οδήγησε στο να αναπτυχθεί από την συνεργασία της Κίνας με την Δανία. Στο σύστημα αυτό περιλαμβάνεται ένας αγωγός σε σχήμα L στο κάτω μέρος και το νερό εισέρχεται στον αγωγό και ο αέρας κινεί την τουρμπίνα στο επάνω μέρος παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια. Μοντέλα εξομοίωσης και πειράματα έχει προγραμματίσει το Ινστιτούτο Υδραυλικής της Δανίας στην Βόρεια θάλασσα για τα επόμενα χρόνια.