GIG- Seagen

Prąd z... przypływów i fal. Elektrownie wkraczają na morza
Opracowano na podstawie materiałów firm Marine Current Technologies Ltd. i Ocean Power
Delivery
(„Energia Gigawat” – styczeń – luty 2008)
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 KsięŜyca. Słabsze oddziaływanie Słońca powoduje
rzadsze zmiany poziomu (co 14 dni). Największe róŜnice 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.
MoŜna je ustawiać w wodach przybrzeŜnych o wysokiej szybkości przepływu wody zarówno
dwustronnych przypływów/odpływów jak i morskich, ustalonych prądów. Ruchy tych wód są - w
odróŜnieniu od fal morskich lub wiatrów - przewidywalne i mało zaleŜne od warunków
pogodowych. PoniewaŜ woda jest 800 razy gęstsza od powietrza, dla uzyskania tej samej mocy
potrzeba znacznie mniejszych turbin i dodatkowo moŜna je rozmieszczać w mniejszych odstępach.
Przesłanki te przesądziły o rosnącym zainteresowaniu zwolenników energetyki odnawialnej tym
wciąŜ 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 wybrzeŜy Irlandii Płn.
To niewątpliwie wyjątkowe osiągnięcie techniczne poprzedziły lata Ŝmudnych 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 wybrzeŜy Devon.
Układ Seaflow zabudowany na jednym słupie osadzonym w dnie morskim, osiągnął znamionową
moc ze sprawnością wykorzystania energii mechanicznej około 45%, co przewyŜsza 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
przybrzeŜnych.
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
najniŜszym poziomem wody zapewnia zupełną swobodę dla Ŝeglugi. Ta nieco odmienna koncepcja
elektrowni pływowej pracuje od 2003 roku. Tymczasem dotychczasowa eksploatacja Seaflow (jej
demontaŜ przewidziano na przełom lat 2007/2008) potwierdziła słuszność wyboru wirnika turbiny
o przepływie osiowym. Unikalną zaletą tego rozwiązania okazała się moŜliwość podnoszenia
turbiny z przekładnią i generatorem po słupie ponad lustro wody, co pozwala na wykonywanie
remontów z pokładu statku zamiast pierwotnie rozpatrywanej opcji uŜycia 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 niŜ Seaflow. Obie turbiny
zamocowano na końcach poziomego wysięgnika przesuwanego po słupie wsporczym. Średnica
kaŜdego z dwóch wirników wynosi 16 m; łopatki wyposaŜono w regulację kąta ustawienia, co
zapewnia moŜliwość pracy turbiny przy ruchu mas wody w obu kierunkach czyli w czasie
przypływu i odpływu.
Wirnik SeaGen jest znacznie bardziej złoŜoną konstrukcją od Seaflow. Kształt łopatek zaczerpnięto
z turbin wiatrowych, jednak znacznie większe siły wywierane przez wodę wymusiły niezbędne
usprawnienia (m.in. jako materiał uŜyto włókno węglowe). Wirnik obracający się z prędkością
około 12 obr./min napędza generator przez przekładnię mechaniczną. Trójstopniowa przekładnia
(dwie planetarne i jedna zębata, przełoŜenie 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 montaŜu stanowi sprawdzoną technologię firmy Seacore
Ltd., głównego udziałowca w MCT. Prace budowlane posadowienia konstrukcji wraz z montaŜem
turbogeneratorów wykonuje się z pokładu specjalistycznego statku w ciągu dwóch tygodni.
Wewnątrz słupa umieszczono układy energoelektroniczne, transformator mocy a takŜe urządzenia
hydrauliczne do podnoszenia i opuszczania turbogeneratorów.
Obawy ekologów i rygorystyczne przepisy wymusiły podjęcie środków ochronnych dla Ŝycia fauny
morskiej. Firma MCT zrealizowała kosztem 2 mln funtów rozległy program monitoringu Ŝycia
zwierząt występujących w rejonie siłowni morskiej. W szczególności zwrócono uwagę na
zagroŜenia akustyczne dla fok wywoływane przez podwodne wirniki. Nie stwierdzono natomiast
Ŝadnego 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 równieŜ za granicą.
W ostatnim czasie firma MCT zawarła kontrakty na dostawę swojej technologii do Kanady.
Turbogeneratory SeaGen zostaną rozmieszczone zarówno na wschodnim wybrzeŜu 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 obniŜyć 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 juŜ następne morskie
siłownie. Dla przykładu na przybrzeŜnej 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, gdyŜ ruchy te
powstają dzięki przekazywaniu energii przez podmuchy powietrza nad powierzchnią wód. RównieŜ
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 juŜ planu realizacji na skalę
przemysłową. W 2008 r. na wodach przybrzeŜnych Wyspy Orkney zostanie uruchomiona pierwsza
w świecie przemysłowa instalacja zamiany energii mechanicznej fal na elektryczną duŜej mocy. W
tej nietypowej elektrowni zostaną wykorzystane cztery konwertery energii fal o nazwie Pelamis
nawiązującej do morskiego węŜa 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 węŜa. 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. KaŜdy z trzech segmentów
stanowi odrębną siłownię wyposaŜoną w dwa trójfazowe generatory asynchroniczne o mocy
jednostkowej 125 kW.
Generatory pracują na wspólne szyny o napięciu znamionowym 3x690 V, do których przyłączono
transformator podwyŜszający 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 złoŜonego układu pływaków i obciąŜników.
Jego stoŜkowa głowica jest stale naprowadzana na kierunek prostopadły do nadchodzących fal.
Zmienna siła fal wymusiła uŜycie układu gromadzenia energii we wspomnianych
hydroakumulatorach olejowych, co zapewnia stałą moc wyjściową generatorów. Wahania te są
kompensowane takŜe za pomocą automatycznie regulowanego oporu w mechanizmach
przegubowych „zawiasów”.
W bieŜącym roku rozpocznie się równieŜ budowa innej elektrowni morskiej z wykorzystaniem
konwerterów Pelamis. U wybrzeŜy Portugalii powstanie instalacja złoŜona 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, Ŝe koszty jednostkowe nowej technologii są
wyraźnie niŜsze niŜ w przypadku energetyki wiatrowej w podobnym czyli początkowym etapie
rozwoju oraz wciąŜ mniejsze niŜ w obecnej energetyce słonecznej. Porównanie to stanowi powaŜny
argument na rzecz wykorzystania energii fal morskich.
Wykorzystanie energii fal morskich od dawna zajmuje czołowe miejsce wśród perspektywicznych
segmentów energetyki odnawialnej. Oszacowano, Ŝe potencjał wytwórczy fal morskich Szkocji i
Irlandii sięga 75 kW/m linii brzegowej, a Wielka Brytania moŜe czerpać stąd około 87 TWh
„czystej” energii elektrycznej rocznie. W Szkocji zaś przyjęto załoŜenie, Ŝe energia fal morskich ma
w 2020 r. dostarczać aŜ 40% całkowitej generacji energii elektrycznej, zaś w tym nowym
segmencie energetyki odnawialnej powstanie 7000 nowych miejsc pracy.