Geniální plovoucí gyroskop z Japonska má vyrábět elektřinu z vln

Na hladině se houpe nenápadná kapsle, uvnitř se točí ocelové kolo

Vlny houpají celou konstrukcí a kabelem teče proud. Zní to jako sci-fi, ale je to skutečný směr výzkumu na Ósacké univerzitě. Japonský vědec prokázal, že dobře navržený plovoucí gyroskop by mohl přeměňovat energii mořských vln na elektřinu s účinností dosahující až poloviny jejich celkové energie. Zatím jde pouze o simulace, ale výsledky jsou natolik přesvědčivé, že projekt se chystá opustit počítače a vyplout na otevřené moře.

Vlnící se oceán jako obří elektrárna

Energie vln láká inženýry již léta jako nevyčerpatelný a čistý zdroj elektřiny. Vítr a slunce už využíváme poměrně dobře, ale moře a oceány přitom stále z velké části leží ladem. Hlavní důvody jsou dva: chaos na vodní hladině a velmi náročné provozní podmínky – sůl, koroze, bouře a proměnlivé proudy.

Nový koncept, popsaný v renomovaném vědeckém časopise, se soustředí na zařízení typu GWEC – Gyroscopic Wave Energy Converter, tedy plovoucí měnič energie vln s gyroskopem uvnitř. Nejde o úplnou novinku – podobné myšlenky rozvíjeli například výzkumníci z Politechniky v Turíně v rámci projektu ISWEC. Japonský vědec však navrhuje radikálně odlišný přístup k řízení takového systému.

Jak funguje plovoucí gyroskop

Zjednodušeně řečeno, GWEC je plovoucí konstrukce – něco mezi plovákovou bójí a malou barkou – v níž je uzavřeno těžké setrvačníkové kolo otáčející se vysokou rychlostí. S tímto kolem je spojen generátor, který vyrábí elektřinu.

Když vlna zařízení zdvihne a opět spustí, celá konstrukce se nakloní. Gyroskop v souladu s principem precese „brání" změně své orientace v prostoru a klade odpor. Tento odpor má velmi konkrétní podobu: jde o mechanický moment, který lze zachytit a přeměnit na elektrickou energii.

Plovoucí GWEC mění houpání vln v uspořádaný pohyb gyroskopu – a ten následně v proud, který lze odeslat do sítě.

Dosavadní konstrukce však trpěly jednou zásadní slabinou: byly pevně navrženy pro určitý typ vlny. Jakmile se podmínky na moři změnily – vlna byla vyšší, nižší, strmější nebo přicházela z jiného směru – jejich účinnost prudce klesala. Lze to přirovnat k pevně natočeným solárním panelům: fungují slušně pouze v úzkém rozsahu podmínek.

Klíč: zařízení, které se samo „ladí" podle vln

Takahito Iida, výzkumník z Ósakské univerzity, se rozhodl k problému přistoupit jinak. Místo jednoho „tuhého" systému sestavil velmi přesný matematický model a simuloval reakci zařízení na celou škálu různých vln. Použil k tomu takzvanou lineární teorii vln, která je popisuje jako pravidelné, předvídatelné oscilace.

Je to zjednodušení oproti skutečnému chaotickému oceánu, ale poskytuje silný nástroj: umožňuje testovat tisíce variant v bezpečném digitálním prostředí a zjistit, které parametry konstrukce jsou nejvýhodnější.

Na základě těchto výsledků dospěl vědec k závěru, že GWEC musí být schopen dynamicky, v reálném čase regulovat alespoň dva klíčové prvky:

• otáčky setrvačníkového kola,
• odpor generátoru, tedy „brzdnou sílu" přeměňovanou na elektřinu.

Takový systém by fungoval podobně jako aktivní odpružení v automobilu: místo jednoho pevného nastavení elektronika neustále přizpůsobuje chod systému aktuálním podmínkám. Vlna roste – roste i zatížení. Moře se uklidňuje – zařízení přechází do „lehčího" režimu.

Simulace ukazují, že při správném řízení se může gyroskopický měnič přiblížit teoretické hranici přibližně 50 % zachycené energie vlny.

Proč je 50 % vůbec fyzikální limit

Ve srovnání se sny o „téměř stoprocentní účinnosti" to zní skromně, jenže fyzika je neúprosná. Pro zařízení houpající se na vodní hladině existuje pevná hranice: žádný takový měnič nedokáže z vlny vytěžit více než zhruba její polovinu – jinak by vlna před zařízením jednoduše zanikla.

Jde o podobnou situaci jako v energetice větrné, kde platí takzvaný Betzův limit: větrná turbína nemůže zachytit více než přibližně 59 % energie proudícího vzduchu, má-li vítr dál procházet. Žádný sebelepší konstruktér tuto bariéru bez porušení zákonů přírody nepřekoná.

Proto fakt, že ósacký model dosahuje hodnot kolem 50 % pro širokou sadu pravidelných vln, odborníky skutečně zaujal. Znamená to zařízení, které se v teorii pohybuje blízko maximálních možností daných samotnou přírodou.

Kde končí matematika a začíná problém

Simulace jsou simulace, ale oceán si žije vlastním životem. Jakmile vědec do modelu „vpustil" nepravidelné, asymetrické vlny podobné těm na otevřeném moři, účinnost začala klesat. Nejvíce právě při velké, neuspořádané vlně – tedy přesně tehdy, kdy je energetický potenciál vody nejvyšší.

Vynořuje se také jiná, velmi praktická otázka: napájení samotného gyroskopu. Setrvačníkové kolo se netočí věčně a bez tření. Je třeba mu pravidelně dodávat energii, aby si udrželo vysoké otáčky a překonávalo mechanické odpory.

Pokud se energie spotřebovaná na pohon gyroskopu ukáže příliš vysoká, může spolknout podstatnou část zisku z vln – a v krajním případě udělat z celé konstrukce energeticky ztrátový projekt.

Autor studie zatím plně nezahrnul takzvané „vlastní spotřeby" systému do svých výpočtů. Skutečné zhodnocení ekonomické výhodnosti bude možné teprve tehdy, až inženýři sestaví prototyp, napájí jeho elektroniku, spustí převodovky a vše sečtou v kilowatthodinách.

Od algoritmů k první bóji na moři

Navzdory těmto výhradám tým z Ósaky nehodlá zůstat u počítačových čísel. Probíhají přípravy na stavbu a testování fyzického prototypu. První fáze nejspíše zahrnuje zkoušky v menším měřítku ve vlnových bazénech, kde lze přesně řídit tvar a frekvenci vln. Dalším krokem bude vyplutí na testovací akvatorium s opravdovým, nevyzpytatelným mořem.

Vědec chce také prověřit méně intuitivní myšlenku: místo dokonale symetrické konstrukce zvažuje plovák záměrně asymetrického tvaru. Cílem je, aby zařízení reagovalo odlišně na vlny přicházející z různých stran a v různém rytmu. Podle předběžných analýz by takový „nerovný" tvar mohl obejít část omezení tradičních modelů a posunout praktický strop účinnosti mírně nad dosavadní hranici.

Zatím jde pouze o hypotézu – teprve testy ukážou, zda má tento přístup smysl, nebo skončí řadou nákladných pokusů bez výraznějšího výsledku.

Srovnání s ostatními zdroji energie

Šance a rizika vlnové energetiky

Pokud taková zařízení začnou fungovat v praxi, přímořské regiony mohou získat zcela nový nástroj pro napájení měst, přístavů nebo průmyslových areálů. Vlny jsou ve srovnání s větrem v delším časovém měřítku mnohem předvídatelnější a na rozdíl od slunce nemizí na celou noc. V kombinaci s mořskými větrníky a pevninskou fotovoltaikou lze sestavit mix, v němž jeden zdroj doplňuje druhý.

Rizik je ale nemálo: od nákladů na instalaci a servis až po dopad na mořské ekosystémy. I kdyby jediná bóje měla malou ekologickou stopu, celé pole takových zařízení může měnit místní podmínky pro ryby, mořské savce nebo lodní trasy. K tomu přistupuje ryze pragmatická otázka: zda investoři při současných cenách skladování energie a výstavby větrných farem vůbec uznají, že se vyplatí vsadit na složitější vlnové systémy.

Co to může znamenat pro běžného odběratele energie

Pokud technologie jako GWEC proniknou do hlavního proudu, průměrný spotřebitel to možná ani nezaznamená – kromě jednoho efektu: větší stability dodávek energie z obnovitelných zdrojů. Vlny mohou pracovat tehdy, když vítr zrovna ustane a nad městem se zatáhne oblačností. Pro provozovatele sítí je to cenné „vyplnění mezer", které snižuje potřebu spouštět záložní plynové nebo uhelné bloky.

Dobrým referenčním bodem jsou země, jež silně sázely na moře – například Dánsko či Velká Británie v oblasti větrné energie. V budoucnu by se k takovým větrným parkům mohla přidat pole plovoucích vlnových měničů zásobující část přístavní infrastruktury, odsolovací stanice nebo lokální mikroelektrizační sítě na ostrovech. Pokud výsledky z Ósaky prokáží skutečnou rentabilitu a odolnost gyroskopického systému, mohly by jej jednou vzít v potaz i energetické projekty v českém a středoevropském kontextu.