Nový nápad na elektřinu z vln: gyroskop, který „zkrotí“ oceán

Gyroskop na vlnách: jak má fungovat nový konvertor energie

Představte si plovoucí zařízení s rychle rotujícím setrvačníkem uvnitř, které reaguje na pohupování mořských vln. Podle autora této myšlenky by mohla být přeměněna v elektřinu až polovina energie nesené vlnami. Zatím existují pouze matematické modely a počítačové simulace, ale plánují se skutečné testy na moři.

Popisovaný systém nese označení GWEC – gyroskopický konvertor vlnové energie. Jde o uzavřenou plovoucí konstrukci s rychle se otáčejícím kolem uprostřed, spojeným s generátorem. Když vlna prochází pod zařízením, celá „kapsle" se začne kývat a naklánět. Gyroskop klade tomuto pohybu odpor, a právě ten odpor lze mechanicky zachytit a přeměnit na elektrický proud.

Z modelu vyplývá, že dobře řízený gyroskop může teoreticky přeměnit v elektřinu až 50 procent energie nesené vlnou.

Podobné konstrukce nejsou úplnou novinkou. První projekty se objevily již kolem roku 2000 – mimo jiné v pracích týmů z Polytechniky v Turíně, které vyvíjely systém ISWEC. Od těchto technologií si hodně slibovalo, jenže většina projektů uvízla ve fázi demonstrátorů nebo malých pilotních instalací.

Největší nepřítel: nepředvídatelné moře

Hlavní slabinou dřívějších konstrukcí bylo to, že je navrhli pro relativně stabilní typ vlny. Moře se ale neustále mění. Výška vln, jejich směr, frekvence i tvar se mohou lišit ze minuty na minutu. Zařízení optimalizovaná pro „ideální" podmínky v praxi využívala jen zlomek dostupné energie.

Dá se to přirovnat k solárnímu panelu trvale natočenému ke slunci tak, jak svítilo jeden konkrétní den v roce. Jakmile slunce svítí jinak, systém ztrácí účinnost. S konvertory vln se dělo něco podobného – byly „tuhé" a špatně reagovaly na proměnlivé chování oceánu.

Co přináší nového výzkumník z Ósaky

Takahito Iida, odborník na námořní architekturu z Univerzity v Ósace, přistoupil k problému z teoretické strany. Sestavil propracovaný matematický model popisující chování plovoucího gyroskopu na rozbouřené vodě, přičemž využil takzvanou lineární teorii vln. V tomto pojetí se vlna stává uspořádanou oscilací, což umožňuje přesně vypočítat, jak zařízení zareaguje na různé typy pohupování.

Na základě těchto výpočtů vědec stanovil sadu parametrů, při nichž konvertor pracuje nejefektivněji. Klíčové jsou dvě věci:

• otáčky setrvačníku – lze je zvyšovat nebo snižovat podle toho, jak silné a časté vlny právě jsou,
• nastavitelný „odpor" generátoru – tedy to, jak silně generátor klade odpor pohybu gyroskopu.

Podle výpočtů je nutné oba parametry korigovat v reálném čase, prakticky nepřetržitě. Když se moře uklidňuje, systém změní nastavení tak, aby z menších vln vytěžil co nejvíce energie. Když přichází silnější vlna, opět přizpůsobí své fungování, aby se nezadusil a neztrácel výkon.

Simulace naznačují, že při takovém dynamickém řízení může konvertor po delší dobu udržovat účinnost blízkou teoretické hranici 50 procent.

Fyzikální limit: proč ne více než polovina

Číslo 50 procent, které se v publikaci objevuje, není náhodné. Nejde o konstruktérský výmysl, ale o hranici plynoucí přímo z fyziky vln. Pro jakékoli zařízení, které se prostě nese na hladině a pohybuje se spolu s vlnou, platí pravidlo: z vlny nezíská více než polovinu její energie. Kdyby se pokoušelo „vzít" více, vlna by se začala příliš lámat nebo zpomalovat.

Lze to přirovnat k takzvanému Betzovu limitu ve větrné energetice. Ten říká, že žádná větrná turbína nevyužije více než přibližně 59 procent energie větru, protože by jinak zcela zablokovala proudění vzduchu. Pro vlny na mořské hladině existuje obdobná bariéra.

Dosáhnout tohoto stropu v širším rozsahu mořských podmínek by tedy představovalo výrazný pokrok oproti dosavadním prototypům, které obvykle rozumně fungovaly jen při „ideální" vlně.

Kde končí teorie a začíná skutečné moře

Vše, o čem je řeč, zatím existuje pouze v počítači a v rovnicích. Simulace vycházely z vln považovaných za víceméně pravidelné a pěkně tvarované, což v přírodě nastává vzácně a obvykle jen na krátké chvíle. Když vědec spustil svůj model na chaotičtějších, nepravidelných vlnách, účinnost systému klesla. Obzvláště výrazně při velmi silné a turbulentní vlně, jaká se objevuje třeba při bouřích.

Druhý problém představuje energetická „vlastní spotřeba" zařízení. Gyroskop se netočí zadarmo. Je třeba mu dodávat proud, aby se kompenzovalo tření v ložiscích nebo odpor vzduchu uvnitř pouzdra. V simulacích byl tento náklad zatím opominut. V reálném zařízení bude nutné ho spočítat na každý watt, protože v krajním případě by energetická bilance mohla vyjít na nulu nebo dokonce do mínusu.

Výsledná rentabilita konvertoru závisí na rozdílu mezi tím, kolik elektřiny vyrobí, a kolik sám „spotřebuje" k udržení svého chodu.

Navzdory těmto otazníkům tým plánuje fyzické experimenty – nejprve pravděpodobně v hydrodynamických bazénech, kde lze kontrolovaně vytvářet různé typy vln. Dalším krokem by byly testy na otevřené vodě, i když to je already výrazně větší logistická a finanční výzva.

Lze překonat hranici 50 procent

Zajímavým námětem je myšlenka opustit symetrický tvar konstrukce. Autor konceptu naznačuje, že zařízení s nesouměrným profilem – z jedné strany „silnější" nebo vyšší, z druhé „štíhlejší" – by mohlo specifickým způsobem spolupracovat s vlnou. Taková asymetrie může vyvolávat hydrodynamické jevy, které se do jednoduchého modelu „plovoucí krabice" nevejdou.

Podle předběžných analýz právě symetrický tvar částečně stojí za onou hranicí 50 procent. Pokud by se ji podařilo „obejít" díky složitější geometrii, bylo by možné z vlny získat ještě větší podíl energie. Zatím jde o poměrně odvážnou hypotézu a sám vědec zdůrazňuje, že bez prototypu a testů ve skutečné vodě nelze nic rozhodně tvrdit.

Proč vůbec někoho energie vln zajímá

Mořské vlny patří k nejhustším zdrojům energie ze všech obnovitelných. Na srovnatelné ploše mohou „nést" více výkonu než průměrný vítr. Navíc v mnoha oblastech světa – jako jsou západní pobřeží Evropy nebo Jižní Ameriky – jsou vlny po velkou část roku relativně stabilní. To je velká výhoda oproti fotovoltaice, která v noci nefunguje vůbec a v oblačný den výrazně slábne.

Proto se roky vedou pokusy o zkrocení energie vln, i když dosud žádná technologie nedosáhla masového nasazení. Většina projektů uvízla ve fázi drahých, komplikovaných instalací vyžadujících časté revize a opravy. Agresivní mořské prostředí, sůl, koroze, nárazy vln a unášené trosky dokáží velmi rychle zničit sofistikovanou mechaniku.

Co může dopadnout dobře a co špatně u gyroskopického konvertoru

Pokud se koncept GWEC s dynamickým řízením osvědčí, objeví se u moře nový typ energetických farem. Místo větrných věží uvidíme řady plovoucích „krabiček" využívajících kolébání vody. Z pohledu energetického systému by takový zdroj přinesl několik zajímavých výhod:

• vyšší hustota energie na jednotku plochy v porovnání s větrem,
• předvídatelnější vlny na mnoha mořských oblastech oproti proměnlivému větru,
• možnost propojení s existující mořskou infrastrukturou, například s větrnou farmou.

Existují však i reálná rizika. Každý plovoucí prvek může představovat překážku pro lodní dopravu nebo rybolov. Bude nutné analyzovat vliv takovýchto instalací na ekosystém: od hluku generovaného mechanikou přes potenciální srážky s mořskými savci až po změny v lokální cirkulaci vody.

Z pohledu investora bude také zásadní, jak složitý se ukáže řídicí systém. Nutnost neustálého upravování parametrů gyroskopu přímo volá po pokročilých algoritmech a značném množství elektroniky. Čím složitější systém, tím větší riziko poruchy a vyšší náklady na servis – zvláště na těžko dostupných místech na volném moři.

Pro běžného odběratele energie je nejdůležitější jediná otázka: zda takovýto konvertor dodá elektřinu levněji než stávající technologie, po zahrnutí všech nákladů na výstavbu, provoz a opravy. Pokud ano, energie vln přestane být exotickým tématem konferencí a ocitne se na seznamu skutečných pilířů energetické transformace. Pokud ne, gyroskopické kapsle doplní dlouhý seznam slibných, ale nenaplněných zázraků námořního inženýrství.