Většina zařízení na vlnovou energii selhává, jakmile se moře zkomplikuje. Japonský vědec z Ósaky ale vyvinul systém s gyroskopem, který dokáže reagovat na každou změnu vln v reálném čase.
Výzkumník z Univerzity v Ósace vytvořil koncept plovoucího zařízení s gyroskopem, které umí „vycítit“ každou změnu vln a přeměnit až polovinu jejich pohybové energie na elektřinu. Zatím jen v simulacích, ale výsledky jsou natolik slibné, že se už plánují první zkoušky v reálném moři.
Japonský vědec nejde zažitou cestou. Namísto tvorby prototypu na základě intuice začal matematickým popisem chování vln a reakce gyroskopu. Využil takzvanou lineární teorii vln, ve které se vlna chápe jako pravidelné kmitání – díky tomu lze spočítat, jak přesně se konstrukce pohne při dané výšce a frekvenci vlnění.
Tento přístup umožňuje navrhnout systém, který se přizpůsobuje podmínkám moře průběžně. Zatímco starší zařízení fungovala dobře jen při stabilních vlnách, nový koncept počítá s tím, že každá vlna je jiná. Proto musí plovoucí stanice neustále upravovat svůj provoz podle aktuální situace.
Jak funguje gyroskopový konvertor energie vln
Nové zařízení nese označení GWEC, tedy gyroskopový konvertor energie vln. V praxi připomíná uzavřenou kapsli vznášející se na vodě, uvnitř které se skrývá velmi rychle rotující setrvačník spojený s generátorem.
Když vlny houpou platformou, gyroskop reaguje jevem zvaným precese – klade odpor změně polohy a „brání se“ pohybu. Tento mechanický odpor lze řídit a přeměnit na elektrickou energii. Z matematických modelů vyplývá, že takový systém se dá naladit tak, aby získával až 50 procent kinetické energie vln, které jej pohánějí.
Jde o velmi vysokou úroveň. Pro srovnání, ve větrné energetice existuje takzvaná Betzova mez – turbíně se nepodaří využít víc než 59 procent energie větru, protože vzduch musí mít možnost dále proudit. V případě vln se podobný strop objevuje kolem poloviny pohybové energie.
Klíčové jsou dva parametry, které zařízení musí regulovat v reálném čase. Jde o rychlost otáčení setrvačníku a sílu brzdění generátoru, tedy elektrické zatížení. Když vlny rostou, systém může zrychlit kolo nebo změnit zatížení, aby lépe ladil s jejich pohybem. Když se moře uklidňuje, dělá opak.
Proč dřívější stroje na vlny selhávaly
Nápad využít gyroskop na moři není nový. Konstrukce tohoto typu vznikaly už před dvěma dekádami a testovaly se hlavně v oblasti Itálie. Problém byl v tom, že prototypy dobře fungovaly na „učebnicových“ vlnách s poměrně stálou výškou a frekvencí. Takové podmínky najdeme spíš v testovací nádrži než na otevřeném oceánu.
V reálných vodách se vlny mění neustále. Rostou a klesají během minut, přicházejí z různých směrů, srážejí se, překrývají, lámou se a mají různou délku i sklon. Většina dřívějších zařízení se chovala jako pevně nastavený solární panel.
Fungovala celkem slušně v úzkém rozsahu podmínek, ale jakmile se moře změnilo, zachytila jen malou část dostupné energie. Japonský badatel z Ósaky k tématu přistoupil jinak. Podstatou jeho koncepce je to, že zařízení nepasivně čeká na vlny, ale průběžně se přizpůsobuje jejich charakteru.
V simulacích takový dynamický GWEC udržuje účinnost blízkou 50 procentům výrazně častěji než dosavadní řešení. To představuje zásadní posun oproti starším systémům, které selhávaly při sebemenší změně stavu moře.
Fyzikální limit a střet s realitou
Práh 50 procent nevyplývá z nedostatku představivosti inženýrů, ale ze samotné fyziky. Každý plovoucí oscilující systém na hladině naráží na přirozenou hranici množství energie, kterou může vlně odebrat. Příliš agresivní vysávání energie by jednoduše zastavilo pohyb vody kolem – a pak by přestala pracovat i samotná stanice.
Dosažení stropu blízkého této hranici pro široký rozsah vln je velkým krokem vpřed. Simulace však vždy vypadají lépe než testy na rozbouřeném moři. Když badatel model ověřil při nepravidelnějších, deformovaných vlnách, výsledky už nebyly tak působivé.
V silně bouřlivých podmínkách účinnost výrazně poklesla. Existuje ještě jeden velmi prozaický problém – samotný setrvačník je třeba udržovat v pohybu. To vyžaduje energii, protože se vyskytuje tření, odpory v ložiskách a ztráty v pohonu. Ve vstupních výpočtech tuto vnitřní spotřebu vynechali, takže skutečná energetická bilance může být méně příznivá.
Pokud gyroskop spotřebuje příliš elektřiny na udržení vlastní rotace, celá instalace přestane dávat ekonomický smysl, i kdyby matematicky vypadala skvěle. Vědci z Ósaky si tento problém uvědomují a plánují jej řešit při fyzických testech.
Od simulací k plovoucímu prototypu
Navzdory těmto otazníkům japonský badatel plánuje přejít k fyzickým testům. Nejprve v kontrolovaných experimentálních vodách, později na otevřeném moři. Teprve tam vyjde najevo, jak si zařízení poradí s reálnou směsicí vln, proudů, větru a koroze.
Vědec také oznamuje, že chce vyzkoušet úplně jinou geometrii krytu. Dosud se většina takových zařízení navrhovala symetricky – pravá a levá strana vypadaly stejně. Nyní vedoucí projektu uvažuje o tvaru záměrně nesymetrický, který by v teorii mohl vstupovat do složitějších interakcí s vlnami.
V matematických modelech se objevuje odvážná domněnka – při odpovídajícím tvaru kapsle by se možná podařilo překročit hranici 50 procent získané energie. Samozřejmě jde o čistou spekulaci. Četné předpoklady se mohou minout s reálnými podmínkami a samotný limit vyplývá ze základních zákonů fyziky, takže mnoho týmů se na takové předpovědi dívá s velkým odstupem.
Nadmořské státy – včetně zemí u Baltského moře nebo Skandinávie – se takovým technologiím věnují stále pozorněji. Vlny by mohly tvořit doplněk větrných farem na moři a zajistit vyváženější mix obnovitelných zdrojů energie.
Proč vlny lákají energetiky více než kdykoliv předtím
Navzdory pochybnostem se stále více výzkumných středisek k tématu vlnové energie vrací. Oproti větru a slunci má pohyb vody několik atraktivních vlastností:
- hustší energie než vzduch – voda je osmsetkrát těžší
- předvídatelnější průběh než sluneční svit
- funguje i v noci a při zatažené obloze
- menší vizuální dopad než větrné turbíny
- využití pobřežních oblastí s trvalým vlněním
- možnost kombinace s větrnou energií na moři
- stabilnější výroba elektřiny během roku
- nezávislost na denní době
Aby řešení typu GWEC vyšla za hranice prototypů, musí se vypořádat s několika velmi praktickými věcmi. Jde o korozi a opotřebení techniky ve slané vodě, extrémní povětrnostní jevy jako bouře, vliv na lodní dopravu a rybolov a náklady na servis konstrukcí desítky kilometrů od pobřeží.
Na druhou stranu každý, kdo alespoň jednou stál u otevřeného moře ve větrný den, vidí obrovské množství energie mařící se v podobě vln narážejících na sebe. Proto vlády a firmy stále ochotněji financují práce, které mají šanci tuto energii zkrotit alespoň částečně.
Lze vlnovou energii skutečně zapojit do sítě
V pozadí zůstává ještě jedna otázka – způsob zapojování takových instalací do elektrizační soustavy. Vlny nejsou tak pravidelné jako jaderná elektrárna, ale jejich proměnlivost se liší od chování větru či slunce. Kdyby gyroskopová technologie skutečně udržovala účinnost blízko fyzického limitu v širokém rozsahu podmínek, usnadnila by plánování provozu sítě a skladování přebytků v bateriích nebo ve formě vodíku.
Pro námořní země, i ty u Baltského moře, mohou takové koncepce za několik let tvořit část reálné energetické skládanky. Podmínka je prostá – plovoucí gyroskop musí vydržet nejen výpočty v počítači, ale i první pořádnou zimní vichřici na otevřeném moři. Pokud tento test projde, vlny se mohou stát důležitějším hráčem v závodě o čistou energii, než dnes mnoho lidí předpokládá.
