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

Gyroskop na vlnách: jak má nový konvertor fungovat

Představte si plovoucí zařízení s rychle rotujícím setrvačníkem uvnitř, které reaguje na houpání mořských vln. Celý systém se nazývá GWEC – gyroskopický konvertor vlnové energie. Když vlna projde pod zařízením, hermeticky uzavřená „kapsle" se začne kývat a naklánět. Gyroskop klade tomuto pohybu odpor a právě tento odpor lze mechanicky přeměnit na elektřinu.

Z matematického modelu plyne, že dobře řízený gyroskop dokáže teoreticky přeměnit na elektrický proud až 50 procent energie obsažené ve vlně.

Podobné konstrukce nejsou úplnou novinkou. První projekty se objevily již kolem roku 2000 – mimo jiné v pracích týmů z turínské polytechniky na systému ISWEC. Přestože od těchto technologií bylo hodně očekáváno, většina projektů skončila ve fázi demonstrátorů nebo malých pilotních instalací.

Největší nepřítel: nevypočitatelné moře

Hlavní slabina starších konstrukcí spočívala v tom, že byly navrženy pro přibližně stálý typ vln. Moře se však neustále mění. Výška, směr, frekvence i tvar vln se mohou lišit doslova z minuty na minutu. Zařízení optimalizovaná na „ideální" podmínky v praxi využívala jen zlomek dostupné energie.

Dá se to přirovnat k fotovoltaické instalaci, kde jsou panely trvale natočeny podle polohy slunce z jediného dne v roce. Jakmile slunce svítí jinak, systém rychle ztrácí výkon. Konvertory vln trpěly stejným problémem – byly příliš „tuhé" a špatně reagovaly na proměnlivé chování oceánu.

Co přináší koncept vědce z Ósaky

Takahito Iida, odborník na lodní architekturu z Ósacké univerzity, přistoupil k problému z teoretické strany. Sestavil komplexní matematický model popisující chování plovoucího gyroskopu na rozbouřené vodě pomocí takzvané lineární teorie vln. Vlna se v tomto rámci stává uspořádanou oscilací, což umožňuje přesně vypočítat, jak zařízení zareaguje na různé typy houpání.

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 zrovna jsou,
• nastavitelný „odpor" generátoru – tedy to, jak silně generátor brzdí pohyb 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 se přiblíží silnější vlna, opět přizpůsobí svůj chod, aby se „nezadávil" 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 není náhodné. Nejde o konstruktérský výmysl, ale o hranici vyplývající přímo z fyziky vln. Jakékoli zařízení, které se prostě vznáší na hladině a pohybuje se spolu s vlnou, se řídí jednoduchým pravidlem: z vlny nezíská více než polovinu její energie. Pokud by se o to pokoušelo, vlna by se začala příliš lámat nebo zpomalovat.

Lze to přirovnat k takzvanému Betzově limitu ve větrné energetice. Tento princip 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 analogická bariéra.

Dosáhnout tohoto stropu v širokém rozsahu mořských podmínek by byl výrazný pokrok oproti dosavadním prototypům, které fungovaly rozumně pouze při „dokonalé" 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 relativně pravidelné a hezky tvarované – což se v přírodě stává jen zřídka a obvykle jen po krátkou dobu. Když vědec spustil svůj model na chaotičtějších, nepravidelných vlnách, účinnost systému poklesla. Nejmarkantnější propad nastal při velmi silné, bouřlivé vlně, jaká se vyskytuje například při bouřích.

Druhým problémem jsou vlastní energetické „náklady" zařízení. Gyroskop se netočí zadarmo. Musí mu být dodávána elektřina, aby se kompenzovalo tření v ložiscích nebo odpor vzduchu uvnitř pouzdra. V simulacích byl tento náklad prozatím vynechán. V reálném zařízení bude nutné ho spočítat do posledního watu, 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", aby udržel svůj provoz.

Přes tyto otazníky tým plánuje fyzikální experimenty – nejprve pravděpodobně v hydrodynamických bazénech, kde lze řízeně vytvářet různé typy vln. Dalším krokem by byly testy na otevřeném vodním tělese, což je ovšem výrazně větší logistická i finanční výzva.

Lze překonat hranici 50 procent

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

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

Proč vůbec někoho energie vln zajímá

Mořské vlny patří mezi nejhustší zdroje energie ze všech obnovitelných zdrojů. Na srovnatelné ploše mohou „nést" více výkonu než průměrný vítr. Navíc v mnoha oblastech světa – například na západních pobřežích Evropy nebo Jižní Ameriky – jsou vlny po velkou část roku relativně stabilní. To je velká výhoda oproti fotovoltaice, která v noci nepracuje vůbec a za oblačného dne výrazně slábne.

Proto se od řady let vedou pokusy zkrotit energii vln, přestože žádná technologie dosud nedosáhla masového nasazení. Většina projektů zůstala u drahých a složitých instalací vyžadujících časté kontroly a opravy. Agresivní mořské prostředí, sůl, koroze, nárazy vln a unášející se trosky dokážou velmi rychle zničit sofistikovanou mechaniku.

Co může vyjít dobře a co špatně u gyroskopického konvertoru

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

• vysoká hustota energie na jednotku plochy ve srovnání s větrem,
• předvídatelnější charakter vln na mnoha lokalitách oproti proměnlivému větru,
• možnost propojení s existující mořskou infrastrukturou, například s větrným parky.

Existují však i reálná rizika. Každý plovoucí prvek může představovat překážku pro lodní dopravu nebo rybolov. Bude nutné analyzovat dopad takových instalací na ekosystém – od hluku generovaného mechanikou přes možné srážky s mořskými savci až po změny v místní cirkulaci vody.

Z pohledu investora bude klíčové, jak složitý se ukáže řídicí systém. Nutnost neustálého korigování parametrů gyroskopu přímo volá po pokročilých algoritmech a značném množství elektroniky. Čím komplikovanější systém, tím vyšší riziko poruch a náklady na servis – zejména na těžko dostupných místech na otevřeném moři.

Pro běžného odběratele energie je nejpodstatnější jediná věc: zda takový konvertor dodá elektřinu levněji než stávající technologie, po započtení všech nákladů na výstavbu, provoz a opravy. Pokud ano, energie vln přestane být exotickým tématem konferencí a dostane se na seznam skutečných pilířů energetické transformace. Pokud ne, gyroskopické kapsle přibudou k dlouhému seznamu slibných, ale nenaplněných zázraků mořského inženýrství.