Πτυχιακή εργασία. Διατάξεις Αξιοποίησης της Ενέργειας των Θαλάσσιων Ρευμάτων Παρούσα Κατάσταση και Δυνατές Μελλοντικές Εφαρμογές στην Ευρώπη

Transcript

1 ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΟ EΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟ ΙΔΡΥΜΑ ΚΑΒΑΛΑΣ Σχολή Τεχνολογικών Εφαρμογών Τμήμα Μηχανολογίας Πτυχιακή εργασία Διατάξεις Αξιοποίησης της Ενέργειας των Θαλάσσιων Ρευμάτων Παρούσα Κατάσταση και Δυνατές Μελλοντικές Εφαρμογές στην Ευρώπη Provisions harnessing the energy of ocean currents - Current Status and Possible Future Applications in Europe Λουκά Γεώργιος Α.Ε.Μ.: 4846 Παπακωνσταντίνου Νικόλαος Α.Ε.Μ.: 4717 Επιβλέπουσα Καθηγήτρια: Κόγια Γρ. Φωτεινή

2 Καβάλα, Μάιος 2013 ii

3 Πρόλογος Η εργασία αυτή αποτελεί την Πτυχιακή μας Εργασία στα πλαίσια των σπουδών μας στο Τμήμα Μηχανολογίας του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η εκπόνησή της ξεκίνησε τον Νοέμβριο του 2012 και ολοκληρώθηκε τον Ιούνιο του 2013, υπό την επίβλεψη της Καθηγήτριας καςκόγιαγρ. Φωτεινής, Καθηγήτριας Εφαρμογών του Τομέα Φυσικής, του Γενικού Τμήματος Θετικών Επιστημών, της Σχολής Τεχνολογικών Εφαρμογών, του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η παρούσα εργασία, είχε ως σκοπό τις Διατάξεις Αξιοποίησης Της Ενέργειας Των Θαλάσσιων Ρευμάτων Παρούσα Κατάσταση Και Δυνατές Ο τελικός στόχος αυτής ήταν η συγκέντρωση στοιχείων, η διατύπωση παρατηρήσεων και η εξαγωγή συμπερασμάτων τα οποία πιθανό να φανούν χρήσιμα στη μελλοντική ευρεία αξιοποίηση της θαλάσσιας ενέργειας. Είμαστε υποχρεωμένοι να ευχαριστήσουμε θερμά την Καθηγήτρια μας κα Κόγια Φωτεινή, τόσο για την ανάθεση του θέματος, όσο και για το αμείωτο ενδιαφέρον και την προθυμία της στην εξεύρεση πληροφοριών, για τις εύστοχες υποδείξεις σχετικά με τον τρόπο χειρισμού του θέματος, καθώς επίσης και για την αμέριστη βοήθεια, καθοδήγηση και συμπαράσταση που μου παρείχε όλο αυτό το διάστημα. Η συμβολή της στην πραγματοποίηση αυτής της εργασίας ήταν καθοριστική. Ένα μεγάλο ευχαριστώ στους γονείς μας και στους δικούς μας ανθρώπους, για την εμπιστοσύνη τους στις δυνάμεις μας, για τη συνεχή συμπαράσταση και υποστήριξη που είχαμε από μέρους τους καθώς και για την υπομονή και κατανόηση που μου έδειξαν ιδιαίτερα κατά τη διάρκεια των σπουδών μου. Τελειώνοντας, θα ήταν παράλειψή μου να μην αναφερθούμε στους καθηγητές και στους συμφοιτητές μας, για την προθυμία με την οποία μας παρείχαν τη βοήθειά τους, όποτε τη χρειαστήκαμε. Καβάλα, Μάιος 2013

4 ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ ΠΙΝΑΚΑΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΩΝ... 2 Κεφάλαιο 1 ο Γενικά Η Παραγωγή Ενέργειας από την θάλασσα Η Κυμματική Ενέργεια Ενέργεια Παλιρροιών Θερμοκλινές των ωκεανών Βαθμίδα Αλατότητας Ενέργεια των Θαλάσσιων Ρευμάτων Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Γενικά Ρεύµατα µε τριβή Ανεµογενή ρεύµατα - Σπιράλ του Εκµαν Το φαινόμενο της Άντλησης (upwelling) Ρεύματα χωρίς τριβή Γεωστροφικά Ρεύματα Ρεύματα αδράνειας Γενικά χαρακτηριστικά της παγκόσμιας ωκεάνιας κυκλοφορίας Ενίσχυση των ρευμάτων στα δυτικά περιθώρια των ωκεάνιων λεκανών Η θερμόαλος κυκλοφορία Η παγκόσμια ζώνη μεταφοράς (conveyor belt) Αρχή Λειτουργίας των Διατάξεων της Ενέργειας των Ρευμάτων Συστήματα Κίνησης

5 3.1 Ρύθμιση Ισχύος Γεννήτριες Γενικά Παλιροιακοι Στόβιλοι Nereus και Solon Διάταξη Αξιοποίησης Ρευμάτων Stingray Στρόβiλος Gorlov ( Gorlov Helical Turbine) Στρόβιλος Hammerfest Storm Παλοιρριακός Στρόβιλος Lunar Παλιρροιακός Στρόβιλος Seagen Παλιρροιακός Στρόβιλος Evopod Παλιροιακός Στρόβιλος Open-Hydro Διάταξη Ενέργειας των Ρευμάτων Pulse Hydrofoil Παλιρροιακος Στροβιλος Tidel Παλιρροιακός Στρόβιλος Delta Stream Παλιρροιακός Στρόβιλος Free Flow Επιπτώσεις της Ενεργειακής Εξαγωγής που χρησιμοποιούν οι Θαλάσσιες Τρέχουσες Ενεργειακές Συσκευές Επιπτωσείς στο Περιβάλλον Κόστος διατάξεων συσκευών θαλάσσιων ρευμάτων Ανάλυση κόστους ενός θαλάσσιου στροβίλου Εκτιμήσεις Κόστους Γενικά Η συμβολή των Ευρωπαϊκών Κυβερνήσεων των χωρών στην ανάπτυξη της Ενέργειας των Ρευμάτων Οργανισμοί και Πανεπιστήμια στην Ευρώπη που ασχολούνται με την ανάπτυξη της τεχνολογίας των θαλάσσιων ρευμάτων

6 7.2 Το Θαλάσσιο Ρεύμα του Κόλπου (Gulf Stream) Το Ευρωπαϊκό Κέντρο Θαλάσσιας Ενέργειας (EMEC) Εισαγωγή Βόρεια Ευρώπη Νορβηγία Ισλανδία Ανατολική Ευρώπη Ρωσία Νότια Ευρώπη Ιταλία Βουλγαρία Eλλάδα Δυτική Ευρώπη Γαλλία Ηνωμένο Βασίλειο Ουαλία Σκωτία Ιρλανδία Συμπεράσματα

7 Περίληψη Στην πτυχιακή εργασία αυτή παρουσιάζεται μια καινούρια ανανεώσιμη πηγή ενέργειας η οποία βρίσκεται κρυμμένη στα νερά των θαλασσών αλλά και των ποταμών της Ευρώπης. Αναφέρεται το μέγεθος της διαθέσιμης αυτής ενέργειας μέσα από ελληνική και περισσότερο ξένη βιβλιογραφία. Παρουσιάζονται οι λόγοι για τους οποίους αυτή η ενέργεια θα αναπτυχθεί πολύ περισσότερο όπως και το κόστος των εγκαταστάσεων και τα προβλήματα ή μειονεκτήματα τα οποία παρατηρούνται. Αναφέρεται περισσότερο στις καινούριες μεθόδους οι οποίες έχουν δημιουργηθεί και θα δημιουργηθούν όπως ακόμα και σε ποιές χώρες της Ευρώπης βρίσκονται εγκατεστημένες οι περισσότερες διατάξεις. Abstract In the thesis, we provide a new source of renewable energy which is hidden in the waters of the seas and rivers of Europe. Indicate the amount of available energy that through Greek and more foreign literature. Presents the reasons why this will expand much more as the cost of the facilities and the problems and disadvantages which are observed. Refers more to the new methods that have been created and will be created as even in which countries of Europe are located most of the provisions 5

8 Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή Κεφάλαιο 1 ο Εισαγωγή 1.1 Γενικά Η κατανάλωση ενέργειας θα αυξηθεί δραματικά κατά τις επόμενες δεκαετίες σε ολόκληρο τον πλανήτη. Μία ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, η οποία μέχρι σήμερα ελάχιστα έχει αξιοποιηθεί, είναι η ενέργεια της θάλασσας. Οι θαλάσσιες μάζες καλύπτουν το 75% της επιφάνειας του πλανήτη και μπορούν να θεωρηθούν ένα κολοσσιαίο, «παγκόσμιο» ενεργειακό ρεζερβουάρ. 1.2 Η Παραγωγή Ενέργειας από την θάλασσα Η ιδέα για την εκμετάλλευση του θαλάσσιου κυματισμού δεν είναι νέα. Η πρώτη ευρεσιτεχνία χρονολογείται στα 1799, ενώ πλήθος άλλων τεχνολογιών επινοήθηκε και λειτούργησε σε μικρή κλίμακα μέχρι τα μέσα του περασμένου αιώνα. Η συντονισμένη όμως έρευνα στον τομέα αυτό ξεκίνησε στη δεκαετία του 1970, μετά τη μεγάλη πετρελαϊκή κρίση. Σήμερα πλέον οι προσπάθειες των προηγούμενων δεκαετιών έχουν αρχίσει να αποδίδουν καρπούς. 6

9 Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή Εικόνα 1.1 Θάλασσα Οι μορφές θαλάσσιας ενέργειας είναι πολλές και οι ποσότητες ενέργειας οι οποίες μπορούν να αξιοποιηθούν τεράστιες. Η θαλάσσια επιφάνεια απορροφά τεράστιες ποσότητες ηλιακής και αιολικής ενέργειας, η οποία εμφανίζεται στη θάλασσα σε διάφορες μορφές, όπως κύματα ή ρεύματα (wave energy). Επιπλέον, διάφορες άλλες πηγές ενέργειας στο θαλάσσιο περιβάλλον είναι το φαινόμενο της παλίρροιας (tidal energy), το θερμικό δυναμικό μεταξύ των ανώτερων (θερμότερων) και των κατώτερων (ψυχρότερων) θαλάσσιων στρωμάτων (ocean thermal energy), ή οι μεταβολές πυκνότητας σε θαλάσσια στρώματα διαφορετικής αλατότητας (salinity power). Κοινή ιδιότητα των μορφών θαλάσσιας ενέργειας είναι η υψηλή ενεργειακή πυκνότητα, η οποία είναι η υψηλότερη μεταξύ των ανανεώσιμων. Σήμερα, διάφορες τεχνολογίες κυματικής και παλιρροιακής ενέργειας έχουν φτάσει σε τέτοιο τεχνικό στάδιο, ώστε η μαζική 7

10 Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή αξιοποίηση της θάλασσας για παραγωγή καθαρής και φτηνής ενέργειας να θεωρείται πλέον εφικτή. Η παραγωγή ενέργειας από τη θάλασσα ενδιαφέρει άμεσα την Ελλάδα, με τον μεγάλο αριθμό νησιών, αλλά και την τεράστια ακτογραμμή της (13700 km), η οποία είναι η μακρύτερη στην Ε.Ε. Το Αιγαίο Πέλαγος διαθέτει αξιοποιήσιμο θαλάσσιο ενεργειακό δυναμικό, το υψηλότερο της Μεσογείου, με την εκμετάλλευση του οποίου θα μπορούσε να καλυφθεί σημαντικό ποσοστό των ενεργειακών αναγκών μας. 1.3 Η Κυματική Ενέργεια Η ενέργεια του θαλάσσιου κυματισμού είναι, όπως όλες οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ανεξάντλητη. Υπολογίζεται ότι η αξιοποίηση του 1% του κυματικού δυναμικού του πλανήτη μας θα κάλυπτε στο τετραπλάσιο την παγκόσμια ενεργειακή ζήτηση. Παρουσιάζει μεταξύ των ανανεώσιμων την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα. Για παράδειγμα, σε ημερήσια βάση, η ενέργεια κυματισμού ύψους 1 m μπορεί σε μέτωπο πλάτους μόλις ενός m να ξεπεράσει τις 300 kwh. Από την ενέργεια αυτή θα μπορούσε να μετατραπεί σε ηλεκτρισμό τουλάχιστον το 5-10%, δηλαδή kwh ημερησίως. Συγκριτικά αναφέρεται ότι μία τετραμελής οικογένεια καταναλώνει κατά μέσον όρο 10 kwh ημερησίως. Μεταξύ των διάφορων μορφών κυματισμού, τα ανεμογενή κύματα, που δημιουργούνται από την αλληλεπίδραση του ανέμου με τη θαλάσσια επιφάνεια, παρουσιάζουν το μεγαλύτερο ενδιαφέρον για ενεργειακή εκμετάλλευση. Τα υψηλότερα επίπεδα κυματικής ενέργειας στον Πλανήτη μας εμφανίζονται μεταξύ του 30 ου και 60 ου παράλληλου και στα δύο ημισφαίρια. Στις δυτικοευρωπαϊκές ακτές επικρατεί ιδιαίτερα ισχυρός κυματισμός με μέση ισχύ της τάξης των kw ανά μέτρο μετώπου κύματος. Το κυματικό δυναμικό της Ελλάδας είναι το υψηλότερο της 8

11 Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή Μεσογείου, με μέση ισχύ η οποία σε ορισμένες περιοχές του Αιγαίου ξεπερνάει τα 15 kw/m. Η τεχνικά εκμεταλλεύσιμη ενέργεια από τα κύματα για τα κράτη της Ε.Ε. υπολογίζεται συνολικά σε TWh/έτος, από τα οποία περίπου 5 TWh/έτος αντιστοιχούν στις Ελληνικές θάλασσες. Το ποσό αυτό αντιστοιχεί περίπου στο 10% της κατανάλωσης ηλεκτρισμού στην Ελλάδα. Εικόνα 1.2 Κυματική Ενέργεια Η παραγωγή ενέργειας από τα κύματα συγκεντρώνει τα πλεονεκτήματα των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας και επιπλέον σε αντίθεση με άλλες ανανεώσιμες, οι εγκαταστάσεις κυματικής ενέργειας δεν δεσμεύουν γη, ενώ η οπτική και ακουστική όχληση είναι μηδαμινή. Οι 9

12 Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή τεχνολογίες που αναφέρονται πιο κάτω μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ηλεκτροδότηση παράκτιων περιοχών, νησιών κ.λπ. Εικόνα 1.3 Διάταξη Pelamis σε λειτουργία Οι παραπάνω τεχνολογίες έχουν ήδη αποδείξει την αξιοπιστία τους στην ανοικτή θάλασσα. Το ηλεκτροπαραγωγικό κόστος παραμένει συγκριτικά υψηλό (0,08-0,10 Ευρώ/kWh), διπλάσιο από τη μέση τιμή του ηλεκτρισμού σήμερα στην Ευρωπαϊκή Ένωση, ωστόσο η περαιτέρω τεχνολογική εξέλιξη αναμένεται να οδηγήσει στη μείωσή του. 1.4 Ενέργεια Παλιρροιών Οι τεχνολογίες παλιρροιακής ενέργειας αξιοποιούν την αυξομείωση της θαλάσσιας στάθμης κατά την παλίρροια. Οι παλίρροιες έχουν σταθερές περιόδους περίπου 12,5 και 24 ωρών, και για το λόγο αυτό είναι προβλέψιμες. 10

13 Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή Οι αυξομειώσεις της θαλάσσιας στάθμης κατά την παλίρροια είναι συνυφασμένες με παλιρροιακά ρεύματα, οριζόντιες μετατοπίσεις θαλάσσιας μάζας, οι οποίες έχουν περίπου την ίδια περιοδικότητα. Τα ρεύματα είναι ισχυρά, και θεωρούνται ιδιαίτερα κατάλληλα για ενεργειακή αξιοποίηση, επειδή εμφανίζονται σε σχετικά μικρά βάθη. Η εκμετάλλευση της δυναμικής ενέργειας της παλίρροιας γίνεται με την κατασκευή ενός φράγματος στην είσοδο ενός κόλπου ή θαλάσσιου διαύλου, δημιουργώντας έτσι μία φυσική δεξαμενή. Κατά την άνοδο της παλίρροιας το νερό εισέρχεται στη φυσική αυτή δεξαμενή μέσα από υδατοφράκτες, οι οποίοι κλείνουν όταν η παλίρροια φτάσει στο ζενίθ. Οι υδατοφράκτες ανοίγουν πάλι στο ναδίρ της παλίρροιας, επιτρέποντας την έξοδο του νερού διά μέσου υδροστροβίλων. Η τεχνολογία αυτή μπορεί να θεωρηθεί «ώριμη». Ωστόσο, λίγοι σταθμοί αυτού του τύπου έχουν κατασκευασθεί ανά τον κόσμο - ο μεγαλύτερος, συνολικής ισχύος 240 MW, κατασκευάστηκε τη δεκαετία του 1960 στη γαλλική πόλη La Rance, και λειτουργεί από τότε με επιτυχία. 11

14 Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή Εικόνα 1.4 Ο σταθμός στη La Rance Τα παλιρροιακά ρεύματα θεωρούνται ιδιαίτερα αποδοτική πηγή ενέργειας. Την τελευταία δεκαετία πολλοί ευρωπαϊκοί οργανισμοί και τεχνικές εταιρείες έχουν εστιάσει τις δραστηριότητές τους σε αυτόν τον τομέα. Οι τεχνολογίες είναι παρόμοιες προς αυτές της αιολικής ενέργειας, χρησιμοποιούν δηλαδή στροβίλους οριζόντιου ή κατακόρυφου άξονα, πλωτούς ή πακτωμένους στον θαλάσσιο πυθμένα. Λόγω της πολύ μεγαλύτερης πυκνότητας του ύδατος, το μέγεθος ενός στροβίλου παλιρροιακού ρεύματος είναι πολύ μικρότερο, περίπου το 1/4, από αυτό μίας ανεμογεννήτριας της ίδιας ηλεκτρικής ισχύος. Επιπλέον, η οπτική και ακουστική όχληση από στροβίλους παλιρροιακών ρευμάτων είναι μηδαμινή. Στην Ευρώπη, αξιοποιήσιμα παλιρροιακά ρεύματα εντοπίζονται στα στενά της Μάγχης και στη νότια Ιρλανδία. Επίσης σημαντικά ρεύματα 12

15 Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή απαντώνται στην περιοχή της Μεσσίνας στην Ιταλία, καθώς και στο Αιγαίο Πέλαγος, με γνωστότερο το ρεύμα του Ευρίπου. Αν και η συστηματική έρευνα στον τομέα αυτό ξεκίνησε την τελευταία δεκαετία, ήδη στην Ευρώπη έχουν εγκατασταθεί και λειτουργούν με επιτυχία αρκετοί πιλοτικοί σταθμοί. Για το κοντινό μέλλον προγραμματίζονται μεγάλες εγκαταστάσεις ισχύος αρκετών MW. Ο πιο πρόσφατος εγκατεστημένος σταθμός είναι το SeaGen Tidal System στο Strangford Lough της Β. Ιρλανδίας, 400 m από την ακτή. Είναι το μεγαλύτερο στον κόσμο σύστημα παραγωγής ενέργειας από παλιρροιακά ρεύματα (στο είδος του), με δυναμικότητα 1,2 MW. 13

16 Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή Εικόνα 1.5 Σταθμός πριν την βύθιση του στο νερό Η μονάδα ζυγίζει 1000 t και τοποθετήθηκε στον πυθμένα στις 2 Απριλίου το Έχει 4 γεννήτριες που θα λειτουργούν ώρες την ημέρα και θα παράγουν ενέργεια για 1000 νοικοκυριά. Στην Εικόνα 1.8 φαίνεται ο σταθμός πριν τη βύθιση στο νερό. 1.5 Θερμοκλινές των ωκεανών Θερμοκλινές ονομάζουμε το βάθος του στρώματος όπου έχουμε την μέγιστη θερμοκρασία στο μέγιστο βάθος. Στον ωκεανό, το Θερμοκλινές μπορεί να θεωρηθεί ως αόρατο κάλυμμα που χωρίζει το ανώτερο μικτό στρώμα από τα κάτω ήρεμα βαθιά νερά. Το βάθος στρώματος αυξομειώνετε ανάλογα με την περιοχή, τον καιρό και κυρίως την εποχή. 14

17 Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή Θερμοκλινές μπορεί να είναι ένα ημιμόνιμο χαρακτηριστικό γνώρισμα του σώματος του νερού στο οποίο εμφανίζονται, η μπορούν να διαμορφώσουν προσωρινά σε απάντηση στα φαινόμενα όπως η ακτινοβολία θέρμανσης, ψύξη νερού στην επιφάνεια του κατά την μέρα και νύχτα. Οι παράγοντες που έχουν επιπτώσεις στο βάθος και το πάχος ενός θερμοκλινές περιλαμβάνουν τις εποχιακές καιρικές παραλλαγές, γεωγραφικό πλάτος, και τοπικές περιβαλλοντικές συνθήκες, όπως οι παλίρροιες και τα ρεύματα. Το Θερμοκλινές μπορεί επίσης να παρατηρηθεί στις λίμνες. Στα πιο κρύα κλίματα, αυτό οδηγεί σε ένα φαινόμενο αποκαλούμενο στρωματοποίηση. Κατά την διάρκεια του καλοκαιριού, το νερό θερμαίνεται, δημιουργώντας ένα στρώμα που εμφανίζεται στο ενδιάμεσο του πυκνότερου βαθύτερου νερού με του λιγότερου επιφανειακού νερού. Επειδή το νερό εκτίθεται στον ήλιο κατά την διάρκεια της μέρας, υπάρχει ένα σταθερό σύστημα και πολύ λίγη μίξη του θερμού νερού, και του κρύου νερού εμφανίζεται ιδιαίτερα στον ήρεμο καιρό. 1.6 Βαθμίδα Αλατότητας Σημαντική έρευνα έλαβε χώρα από το 1975 ως το 1985 και μικρής κλίμακας προσπάθειες παραγωγής ενέργειας λόγω βαθμίδας αλατότητας έγιναν στην Ιαπωνία, στο Ισραήλ και στις Ηνωμένες Πολιτείες. Η αρχή στην οποία βασίζεται η παραγωγή ενέργειας λόγω της βαθμίδας αλατότητας είναι η εκμετάλλευση της εντροπίας της ανάμιξης γλυκού νερού με αλμυρό νερό. Η διαφορά στην αλατότητα μεταξύ του νερού της Θάλασσας και του γλυκού νερού δημιουργεί μια διαφορά πίεσης. Εάν στο όριο μεταξύ του νερού της Θάλασσας και του γλυκού νερού τοποθετηθεί μια ημιπερατή μεμβράνη, το γλυκό νερό θα διαπεράσει αργά διαμέσου της εξαιτίας της όσμωσης. 15

18 Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή Μπορεί να εξαχθεί Ενέργεια με την εκμετάλλευση της διαφοράς πίεσης. Το ποσό Ενέργειας που εξάγεται είναι ανάλογο προς αυτήν τη διαφορά πίεσης. Αυτή η πηγή Ενέργειας δεν είναι εύκολο να γίνει κατανοητή γιατί δε γίνεται απευθείας αισθητή στη φύση με τη μορφή θερμότητας, καταρρακτών, ανέμου, κυμάτων ή ακτινοβολίας. Η ενέργεια λόγω της βαθμίδας αλατότητας είναι από τις μεγαλύτερες Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας η οποία είναι ακόμη ανεκμετάλλευτη. Η εκμεταλλεύσιμη Ενέργεια είναι μεγάλη και αντιστοιχεί σε 2,6 MW για κάθε m 3 /s γλυκού νερού που αναμιγνύεται με θαλασσινό νερό. Σχήμα1.1 Αρχή λειτουργίας διατάξεων αξιοποίησης της ενέργειας λόγω βαθμίδας αλατότητας Υπολογίζεται ότι η εκμετάλλευση της ενέργειας αυτής σε Παγκόσμια κλίμακα θα έδινε 2000 TWh/y. Το κόστος εκμετάλλευσης της ενέργειας από αυτήν την πηγή είναι υψηλότερο από την πλέον παραδοσιακή υδροηλεκτρική πηγή ισχύος, αλλά 16

19 Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή είναι συγκρίσιμο με άλλες μορφές Ανανεώσιμης ενέργειας που ήδη παράγονται σε εγκαταστάσεις πλήρους κλίμακας. Έχουν προταθεί διάφορες μέθοδοι για την εξαγωγή αυτής της ενέργειας. Η πλέον υποσχόμενη μέθοδος είναι η χρήση ημιπερατών μεμβρανών. 1.7 Ενέργεια των Θαλάσσιων Ρευμάτων Όπως και με τις εγκαταστάσεις περιορισμού των παλιρροιακών υδάτων, οι τεχνολογίες των Θαλάσσιων ρευμάτων βασίζονται στις παλίρροιες που δημιουργούνται από τη βαρυτική έλξη της σελήνης και του ηλίου επί των θαλασσών. Η κατακράτηση χρησιμοποιεί την άνοδο και την κάθοδο της στάθμης της θάλασσας και την δυναμική ενέργεια του ύψους πτώσης των υδάτων που εγκλωβίζονται σε μια λεκάνη, ενώ το παλιρροιακό ρεύμα χρησιμοποιεί την κινητική ενέργεια των ρευμάτων που εισρέουν και εκρέουν από τις παλιρροιακές περιοχές. Στα περισσότερα μέρη, οι κινήσεις των θαλάσσιων υδάτων είναι πολύ αργές και η διατιθέμενη ενέργεια δεν είναι συγκεντρωμένη για να επιτρέψει την πρακτική εκμετάλλευση της ενέργειας. Η δύναμη των θαλάσσιων ρευμάτων που δημιουργούνται από την παλίρροια διαφέρει ανάλογα με τη θέση ενός τόπου στη Γη, τη μορφή της ακτογραμμής και την βαθυμετρία. Κατά μήκος ευθέων ακτογραμμών και στο μέσο των βαθέων ωκεανών, το παλιρροιακό εύρος και τα θαλάσσια ρεύματα είναι συνήθως μικρά. Γενικά, η δύναμη των ρευμάτων σχετίζεται άμεσα με το παλιρροιακό ύψος της τοποθεσίας. Επιπλέον, υπάρχουν μερικά σημεία όπου τα ύδατα ρέουν διαρκώς μόνο προς μία κατεύθυνση, και η δύναμή τους ως επί το πλείστον είναι ανεξάρτητη από τη φάση της σελήνης. Τα ρεύματα αυτά εξαρτώνται από τις κινήσεις μεγάλων θερμικών μαζών και, σε γενικές γραμμές, ρέουν από τον ισημερινό προς τις ψυχρότερες περιοχές. Τα πλέον εμφανή παραδείγματα είναι το Ρεύμα του Κόλπου και τα Στενά του Γιβραλτάρ, 17

20 Κεφάλαιο 1ο Εισαγωγή όπου στο ανώτερο στρώμα, μια συνεχής ροή υδάτων εισέρχεται στη λεκάνη της Μεσογείου από τον Ατλαντικό. 18

21 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Κεφάλαιο 2ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων 2 Γενικά Η επιφάνεια των ωκεανών βρίσκεται συνέχεια κάτω από την επίδραση των ατμοσφαιρικών συνθηκών, δηλαδή της τριβής που ασκεί ο άνεµος στην επιφάνεια, και παρασύρει τις θαλάσσιες µάζες, και της ηλιακής ενέργειας, της εξάτµισης και των κατακρημνισμάτων που µμεταβάλλουν τοπικά την πυκνότητα του θαλασσινού νερού. Η συσσώρευση θαλασσίων μαζών σε µια περιοχή (π.χ. παρασυρόμενες από τον άνεµο) και η διαφοροποίηση της πυκνότητας οδηγούν σε οριζόντιες διαφορές πίεσης στο εσωτερικό, µε αποτέλεσµα τη ροή μαζών για την αποκατάσταση αυτή της ισορροπίας. Οι κινήσεις θα ήταν απλές αν η γη ήταν ακίνητη. Η περιστροφή της γης προσθέτει την παράµετρο Coriolis (2ΩVηµφ) η οποία τροποποιεί την κίνηση ανάλογα µε το γεωγραφικό πλάτος φ και την ταχύτητα V του ρεύµατος (το Ω είναι η γωνιακή ταχύτητα της γης και είναι σταθερή). Η πορεία των ρευµάτων εκτρέπεται προς τα δεξιά στο βόρειο ηµισφαίριο και προς τα αριστερά στο νότιο. Ο Ισηµερινός αποτελεί ένα όριο στο οποίο µμηδενίζεται η δύναµη Coriolis και όλο το σύστηµα της ωκεάνιας κυκλοφορίας αναπτύσσεται σχεδόν συµµετρικά βόρεια και νότια αυτού του νοητού ορίου, παρά του ότι οι ωκεάνιες λεκάνες δεν παρουσιάζουν κανένα φυσικό όριο στην περιοχή αυτή. Η ωκεάνια κυκλοφορία µπορεί να χωριστεί σε δύο βασικές κατηγορίες Στην επιφανειακή κυκλοφορία, όπου κύρια γενεσιουργός αιτία των 19

22 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων ρευµάτων είναι οι ατµοσφαιρικές συνθήκες. Και στην κυκλοφορία των βαθιών και πυθµένιων νερών που ονοµάζεται θερµόαλος κυκλοφορία γιατί κυρίως οδηγείται από διαφορές θερµοκρασίας και αλατότητας και έχει σηµαντική κατακόρυφη συνιστώσα. Η επιφανειακή κυκλοφορία περιλαμβάνει δύο κύριες κατηγορίες ρεύματων: Τα ρεύματα από την τριβή του ανέμου ή ανεμογενή ρεύματα Και τα ρεύματα χωρίς τριβή που προκαλούνται από οριζόντιες διάφορες πιέσεις. Στην πράξη οι δύο κατηγορίες αλληλεξαρτώνται γιατί η συρροή θαλάσσιων μαζών από τον άνεμο δημιουργεί συσσωρεύσεις όγκων σε κάποια ωκεάνια περιοχή με αποτέλεσμα µεταβολή της στάθµης και κατά συνέπεια οριζόντιες διαφορές πίεσης στο εσωτερικό. Για διδακτικούς λόγους εξετάζουµε την κάθε κατηγορία χωριστά. 2.1 Ρεύµατα µε τριβή Ανεµογενή ρεύµατα - Σπιράλ του Εκµαν. Ο άνεµος, εκτός από τα κύµατα που δηµιουργεί και τα οποία θα εξετάσουµε σε επόµενο κεφάλαιο, παρασύρει το επιφανειακό νερό µε την τριβή που ασκεί στην επιφάνεια της θάλασσας. Η διεύθυνση της κίνησης του νερού, δεν ταυτίζεται µε τη διεύθυνση του ανέµου. Η τριβή του ανέµου σε συνδυασµό µε τη δύναµη Coriolis παρασύρουν τα νερά, και τα εκτρέπουν προς τα δεξιά στο βόρειο ηµισφαίριο. Καθώς η κίνηση µεταδίδεται σε βάθος, το κάθε στρώµα παρασύρει µε τριβή το επόµενο. Αυτό έχει σαν αποτέλεσµα τη συνεχή εκτροπή προς τα δεξιά της κίνησης των βαθύτερων στρωµάτων, µε ταυτόχρονη εκθετική µείωση της 20

23 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων ταχύτητας.το φαινόµενο αυτό µελετήθηκε από τον Ekman, ο οποίος προσδιόρισε την κίνηση κάθε στρώµατος στο βάθος. Το αποτέλεσµα γίνεται εµφανές αν κατασκευάσουµε ένα τρισδιάστατο σχήµα και τοποθετήσουµε σε ένα κάθετο άξονα, τα ανύσµατα της ταχύτητας του νερού στα διάφορα βάθη, τότε αυτά σχηµατίζουν ένα σπιράλ. Το επιφανειακό τµήµα του σπιράλ είναι μεγαλύτερο και βαίνει µειούµενο εκθετικά µε το βάθος, ώσπου σβήνει. Το σπιράλ αυτό ονοµάζεται σπιράλ του Ekman και περιγράφεται µε εξισώσεις ως εξής: 0 2 f D p E D E 2 f u E v 4 0 z D E e z DE V 0 4 z D E e z DE όπου V0 είναι η ταχύτητα του επιφανειακού στρώµατος του νερού, DE είναι το βάθος επίδρασης της τριβής στο σπιράλ του Ekman. Το Αz είναι το κινηµατικό ιξώδες περιδίνησης (kinematic eddy viscosity) στην κατακόρυφη διεύθυνση. Η δύναµη Coriolis είναι το F και τα ue (V2=uE2+vE2). 21

24 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Στο σπιράλ του Ekman, το πρώτο επιφανειακό στρώµα νερού παρασύρεται µε απόκλιση 45ο προς τα δεξιά του ανύσµατος του επιφανειακού ανέµου. Καθώς τα ανύσµατα περιστρέφονται, υπάρχει κάποιο βάθος στο οποίο η διεύθυνση του ανύσµατος της ταχύτητας είναι αντίθετη µε την φορά του ανέµου. Στην πράξη όµως µετά την αποκατάσταση ισορροπίας στη ροή του νερού, επικρατεί µια µέση διεύθυνση µεταφοράς. Αν υπολογίσουµε το µέσο όρο της διεύθυνσης της κίνησης των νερών στα διάφορα στρώµατα ως το µέγιστο βάθος που φθάνει το σπιράλ του Ekman τότε προκύπτει ότι (για το βόρειο ημισφαίριο) η µέση διεύθυνση µμεταφοράς είναι 90ο προς τα δεξιά της ταχύτητας του ανέµου. ηλαδή αν για παράδειγµα φυσά άνεµος βόρειας συνιστώσας τα νερά θα παρασυρθούν προς τα δυτικά στο βόρειο ηµισφαίριο, και προς τα ανατολικά στο νότιο. Η µμεταφορά των θαλασσίων µαζών µε τον τρόπο αυτό ονοµάζεται µμεταφορά Ekman. 22

25 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Σχήμα 2.1 Το σπιράλ του Έκμαν Η μεταφορά Ekman για να είναι όντως 90ο προς τα δεξιά της διεύθυνσης του ανέμου πρέπει να ισχύουν τα προβλεπόμενα από την θεωρία στοιχεία δηλαδή: Το βάθος του νερού να είναι επαρκές και να ξεπερνά το βάθος ανάπτυξης του σπιράλ του Ekman. Σαν διεύθυνση του ανέμου θεωρείται η διεύθυνση που έχει ο άνεμος ακριβώς στην επιφάνεια του νερού. Κάτι αντίστοιχο όμως με το φαινόμενο Ekman συμβαίνει και στα χαμηλά στρώματα της ατμόσφαιρας. Έτσι η τριβή του ανέμου στην επιφάνεια του νερού προξενεί απόκλιση της διεύθυνσης των χαμηλών στρωμάτων σε σχέση με τα ανώτερα, με αποτέλεσμα ο γεωστροφικός άνεμος (ο άνεμος που προκύπτει από τους χάρτες καιρού) να μην είναι της 23

26 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων ίδιας διεύθυνσης με τον άνεμο στην επαφή της ατμόσφαιρας με τη θάλασσα. Η απόκλιση του επιφανειακού ανέμου γίνεται προς τα αριστερά της κίνησης του γεωστροφικού ανέμου, γιατί η τριβή προκαλεί επιβράδυνση (το αντίθετο δηλ. με το φαινόμενο Ekman στο νερό, για το Β. ημισφαίριο). Στην πράξη ένας παρατηρητής στην επιφάνεια του νερού, βλέπει τα επιφανειακά νερά να παρασύρονται με την προβλεπόμενη απόκλιση (45ο) ως προς τη διεύθυνση του επιφανειακού ανέμου. Αν όμως γίνει συσχέτιση με τον άνεμο, την πραγματική δηλαδή κίνηση των αερίων μαζών σε ύψος μεγαλύτερο από 10 m από την επιφάνεια της θάλασσας, τότε η απόκλιση είναι μικρότερη. Αυτό συμβαίνει γιατί η τριβή του ανέμου στην επιφάνεια του νερού εκτρέπει προς τα αριστερά τα τελευταία μέτρα του επιφανειακού ανέμου τα οποία τελικά εφάπτονται στην επιφάνεια της θάλασσας με λίγο διαφορετική γωνία από ότι ο άνεμος σε μεγαλύτερο ύψος (Σχήμα 2.2). Παρόμοια συμπεριφορά συμβαίνει και όταν το βάθος του νερού είναι μικρό και δεν μπορεί να αναπτυχθεί πλήρως το σπιράλ του Ekman. Η τριβή του νερού στον πυθμένα προξενεί επιβράδυνση, με αποτέλεσμα την προς τα αριστερά απόκλιση της κίνησης των βαθύτερων στρωμάτων και αναστροφή του σπιράλ (στο βόρειο πάντα ημισφαίριο). Έτσι στα ρηχά νερά η μέση διεύθυνση της κίνησης του νερού έχει πολύ μικρή απόκλιση από τη διεύθυνση του ανέμου. 24

27 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Σχήμα 2.2 Σχέση μεταξύ του επιφανειακού ανέμου και του σπιράλ του Έκμαν Το φαινόμενο της Άντλησης (upwelling) Η άντληση, ή upwelling όπως είναι διεθνώς γνωστή, είναι ένα πολύ σημαντικό φαινόμενο για την επαύξηση της ζωής στις περιοχές που συμβαίνει και συνίσταται στην εξαναγκασμένη άνοδο ψυχρών και πλούσιων σε θρεπτικά συστατικά νερών από τα βαθύτερα στρώματα στην επιφάνεια. Στην ελληνική βιβλιογραφία συναντάται και σαν ανάδυση ή ανάβλυση. Θεωρούμε πιο πετυχημένο το όρο άντληση γιατί πρόκειται για εξαναγκασμένη άνοδο νερών από το βάθος. Το φαινόμενο αυτό συμβαίνει σε συγκεκριμένες παράκτιες περιοχές αλλά και στον ανοικτό ωκεανό, κυρίως στην ζώνη του ισημερινού. Οι ψυχρές θαλάσσιες μάζες που έρχονται στην επιφάνεια επηρεάζουν επίσης και το κλίμα των γειτονικών περιοχών. Η ζωή στα βαθύτερα στρώματα της θάλασσας είναι πιο περιορισμένη από ότι στην επιφάνεια. Έτσι τα θρεπτικά 25

28 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων συστατικά βρίσκονται σε σχετική αφθονία γιατί δεν υπάρχουν αρκετοί οργανισμοί να τα καταναλώσουν. Όταν λοιπόν τα νερά αυτά με το φαινόμενο της άντλησης έρθουν στην επιφάνεια τροφοδοτούν με θρεπτικά το βιολογικό κύκλο, με αποτέλεσμα τη μεγάλη παραγωγικότητα των περιοχών αυτών. Το μεγαλύτερο ποσοστό της παγκόσμιας αλιείας προέρχεται από περιοχές όπου συμβαίνει upwelling παρά του ότι αντιπροσωπεύουν μόνο το 3% της επιφάνειας των ωκεανών. Ένας από τους πιο σημαντικούς παράγοντες που προκαλούν το φαινόμενο της άντλησης στις παράκτιες περιοχές είναι η μεταφορά Ekman. Όπως είδαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο 2.1 όταν υπάρχει επαρκές βάθος για να αναπτυχθεί το σπιράλ του Ekman η μέση μεταφορά των θαλασσίων μαζών γίνεται 90ο προς τα δεξιά της φοράς του ανέμου (Β. ημισφ.). Αν για παράδειγμα άνεμος βόρειας συνιστώσας πνέει σε παράκτια περιοχή παράλληλα στην ακτογραμμή και έχει στα αριστερά του την χέρσο, τότε τα νερά θα παρασυρθούν προς τα δεξιά. Αυτό δημιουργεί μια ταπείνωση στην επιφάνεια της θάλασσας κοντά την ακτή. Τότε για να αποκατασταθεί η ισορροπία αντλούνται νερά από τα βαθύτερα στρώματα προς την επιφάνεια. Τα νερά που αντλούνται δεν προέρχονται από πολύ μεγάλο βάθος αλλά από τα 300 ως τα 500m (Σχήμα 2.3). 26

29 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Σχήμα 2.3 Άντληση νερού σε παράκτια περιοχή σαν συνέπεια της μεταφοράς Έκμαν Μια παρόμοια περίπτωση με το παραπάνω παράδειγμα αποτελούν οι περιοχές του Αιγαίου και του Ιονίου πελάγους τους θερινούς μήνες που πνέουν τα μελτέμια -άνεμοι Β συνιστώσας-. Οι παράκτιες ζώνες κατά μήκος των ακτών της Μικράς Ασίας, στο ανατολικό Αιγαίο και της Δυτικής Ελλάδας, στο Ιόνιο, αποτελούν περιοχές στις οποίες αντλούνται ψυχρά νερά από τα βαθύτερα στρώματα. Το φαινόμενο αυτό φαίνεται χαρακτηριστικά στη θερμική δορυφορική εικόνα του σχήματος

30 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Σχήμα 2.4 Θερμική δορυφορική εικόνα της Ελλάδας όπου φαίνονται με σκούρο χρώμα οι περιοχές άντλησης ψυχρών νερών κατά την διάρκεια των ανέμων βόρειας κατευθύνσεως Μια από τις πιο χαρακτηριστικές περιοχές άντλησης, με τον τρόπο αυτό, αποτελούν οι ακτές του Περού στη Λατινική Αμερική, με σημαντική σημασία για την παγκόσμια αλιευτική παραγωγή. Οι ΝΑ αληγείς του Ν. ημισφαιρίου απομακρύνουν τις θαλάσσιες μάζες προς τα δυτικά (μεταφορά προς τα αριστερά του ανέμου - Νότιο ημισφαίριο), δημιουργώντας τις προϋποθέσεις άντλησης. Εξασθένιση των ανέμων λόγω του φαινομένου El-Niño σταματά την άντληση και περιορίζονται δραματικά τα αλιεύματα, με τεράστιες οικονομικές συνέπειες. Το φαινόμενο της άντλησης δεν προξενείται μόνο από τη μεταφορά Ekman στις παράκτιες ζώνες. Άντληση συμβαίνει και στις παρακάτω περιπτώσεις: Σε περιοχές που βρίσκονται στο εσωτερικό μιας ωκεάνιας λεκάνης, σε ζώνη όπου ξεκινούν αντίθετα κινούμενα ρεύματα. Η απομάκρυνση 28

31 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων θαλασσίων μαζών από τη ζώνη αυτή εξισορροπείται με την άντληση νερών από βαθύτερα στρώματα (σχήμα 2.5). Σχήμα 2.5 Άντληση από μεταφορά Έκμαν στην περιοχή του Ισημερινού Σε πολικές περιοχές όπου μετά το σχηματισμό πάγου δημιουργείται ψυχρό και αλμυρό νερό. Το νερό αυτό έχει μεγάλη πυκνότητα, βυθίζεται και εκτοπίζει το λιγότερο πυκνό νερό από το βάθος, το οποίο ανεβαίνει στην επιφάνεια (σχήμα 2.6). Σχήμα 6.6 Άντληση λόγω Διαφόρων Πυκνοτήτων 29

32 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Σε παράκτιες περιοχές όπου ρέει ένα μόνιμο θαλάσσιο ρεύμα και τοπικά κάποιο εμπόδιο προξενεί ένα στροβιλισμό. Το ρεύμα παρασύρει μαζί του τα επιφανειακά νερά που στροβιλίζονται δημιουργώντας τοπικά μια πτώση στάθμης και έτσι αντλούνται νερά από το βάθος (σχήμα 2.7). Σχήμα 6.7 Άντληση από παρεμβολή εμποδίου (χέρσου) στην ροή επιφανειακού ρεύματος 30

33 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Σχήμα 2.8 Δημιουργία υβρώματος στο κέντρο Ωκεάνιας λεκάνης από μεταφορά Έκμαν 2.2 Ρεύματα χωρίς τριβή Γεωστροφικά Ρεύματα Τα γεωστροφικά ρεύματα είναι ρεύματα που αναπτύσσονται από οριζόντιες διαφορές πίεσης με ταυτόχρονη την επίδραση της δύναμης Coriolis. Ο άνεμος, η μεταφορά Ekman, η εξάτμιση, και άλλοι παράγοντες προξενούν αποκλίσεις στην πραγματική στάθμη της θάλασσας από τη στάθμη ισορροπίας που είναι η επιφάνεια του γεωειδούς. Πρέπει να σημειωθεί ότι για διδακτικούς λόγους η στάθμη ισορροπίας θα θεωρηθεί σαν επίπεδη επιφάνεια. Στην πράξη δεν υπάρχει επίπεδο με τη γεωμετρική έννοια, γιατί οι διαστάσεις των ωκεάνιων λεκανών είναι τέτοιες που η καμπυλότητα της γης αλλά και η πραγματική επιφάνεια του γεωειδούς 31

34 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων είναι σημαντικές. Στον παρατηρητή όμως που εξετάζει τις οριζόντιες διαφορές πίεσης η επιφάνεια του γεωειδούς φαίνεται σαν επίπεδο. Αντί λοιπόν να μιλάμε για οριζόντια επίπεδα πιο σωστό είναι να αναφερόμαστε σε γεωδυναμικές επιφάνειες (geopotential surfaces). Μια γεωδυναμική επιφάνεια είναι μια επιφάνεια επάνω στην οποία η ύλη δεν παρουσιάζει διαφορά δυναμικής ενέργειας. Οι αποκλίσεις που συμβαίνουν στην επιφάνεια της θάλασσας από τη γεωδυναμική επιφάνεια είναι της τάξεως μερικών δεκάδων εκατοστών ανά 1000Km. Μπορεί να φαίνονται αμελητέες, είναι όμως σημαντικές στη δημιουργία των ρευμάτων. Σε μια ωκεάνια λεκάνη π.χ. το βόρειο Ατλαντικό συνήθως επικρατούν μόνιμα συστήματα ανέμων όπως είναι οι Δυτικοί και οι Αληγείς του βόρειου ημισφαιρίου. Με τη μεταφορά Εκμαν τα δύο συστήματα ανέμων μεταφέρουν στο κέντρο της ωκεάνιας λεκάνης του βόρειου Ατλαντικού σημαντικές ποσότητες νερών και δημιουργούν ένα ύβωμα (σχήμα 2.8). Συγχρόνως οι θαλάσσιες μάζες οι οποίες μεταφέρονται είναι θερμότερες και ελαφρύτερες γιατί το νερό που παρασύρεται είναι το επιφανειακό. Πόσο όμως μπορεί να αυξάνεται σε ύψος το ύβωμα στο κέντρο του Ατλαντικού; Δημιουργούνται οριζόντιες διαφορές πίεσης του κέντρου προς την περιφέρεια και τείνουν να μετακινηθούν θαλάσσιες μάζες για την αποκατάσταση της ισορροπίας. Ταυτόχρονα επιδρά η δύναμη Coriolis που περιστρέφει δεξιόστροφα τις κινούμενες μάζες. Τότε ολόκληρο το ύβωμα περιστρέφεται με τέτοιο τρόπο ώστε κάθε μόριο νερού να έχει το λόφο στα δεξιά της διεύθυνσης κίνησης (στο βόρειο ημισφαίριο) (σχήμα 2.9). Η δύναμη Coriolis αποκτά μέτρο ίσο με τη βαροβαθμίδα. 32

35 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Σχήμα 2.9 Δυνάμεις που συμμετέχουν στην δημιουργία γωστροφικών ρεύματων Επομένως γεωστροφικά ονομάζονται τα ρεύματα που έχουν τέλεια εξισορρόπηση μεταξύ της δύναμης Coriolis και της βαροβαθμίδας (δηλ. της δύναμης που αναπτύσσεται από οριζόντιες διαφορές πίεσης). Στην περίπτωση αυτή: Coriolis βαροβαθμίδα V 2 1 Όπου το V είναι η ταχύτητα του ρεύματος, το φ είναι το γεωγραφικό πλάτος, το Ω η γωνιακή ταχύτητα της γης, το ρ η πυκνότητα και το δp/δx η οριζόντια μεταβολή της πίεσης p. Το (1/ρ) είναι επίσης ο ειδικός όγκος α, επομένως: 33

36 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων V 1 L 2 Η ποσότητα αδp ορίζεται ως δυναμικό ύψος και συμβολίζεται με ΔΦ. Η πλήρης έκφρασή του είναι: adp Το δυναμικό ύψος έχει μονάδες m2/sec2 και αποτελεί μια ποσότητα μπορεί να υπολογιστεί από μετρήσεις της κατανομής της πυκνότητας με το βάθος στο πεδίο. Συστηματικές τέτοιες μετρήσεις σε κάναβο σε μια θαλάσσια περιοχή επιτρέπουν την κατασκευή χαρτών με ισαριθμητικές καμπύλες της κατανομής του δυναμικού ύψους. Από τέτοιους χάρτες είναι μετά δυνατός ο υπολογισμός των θαλάσσιων ρευμάτων ως εξής: Αν δύο περιοχές Α και Β, που απέχουν απόσταση L, έχουν δυναμικό ύψος ΔΦΑ και ΔΦΒ αντίστοιχα, τότε η μέση ταχύτητα V του γεωστροφικού ρεύματος μεταξύ των σημείων Α και Β θα είναι: V 1 L2 Η πραγματική διαφορά υψομέτρου μεταξύ των σημείων Α και Β είναι: H g Οι υψομετρικές διαφορές πρέπει να υπενθυμίσουμε ότι στην ουσία είναι αποκλίσεις θετικές ή αρνητικές από τη στάθμη ισορροπίας. Η τάξη 34

37 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων μεγέθους τους είναι μερικές δεκάδες εκατοστά του μέτρου ανά 1000Km. Οι αναταράξεις από τα κύματα και τις παλίρροιες είναι κατά πολύ μεγαλύτερες και μέχρι πριν λίγα χρόνια δεν ήταν δυνατό να μετρηθούν από τον άνθρωπο αυτές οι υψομετρικές διαφορές. Την τελευταία όμως δεκαετία ένας δορυφόρος που υποστηρίζεται από άλλα συστήματα επίγεια και δορυφορικά έχει την δυνατότητα να καταγράφει τέτοιες υψομετρικές διαφορές. Το δορυφορικό αυτό σύστημα ονομάζεται TOPEX-POSEIDON και είναι αποτέλεσμα Αμερικανο-Γαλλικής συνεργασίας. Τα πρώτα 4-5 χρόνια της λειτουργίας του το σύστημα αυτό συνέλλεγε πληροφορίες που σε συνδυασμό με επίγειες βαρυτικές μεθόδους καθόρισαν την επιφάνεια του γεωειδούς της γης, ειδικά επάνω από τις ωκεάνιες περιοχές. Χρησιμοποιώντας το γεωειδές σαν αναφορά είναι πλέον δυνατό να μετρηθούν αποκλίσεις μερικών εκατοστών οι οποίες δεν οφείλονται σε μικρής περιόδου μεταβολές όπως είναι τα κύματα και οι παλίρροιες. Οι διαφορές αυτές είναι η δυναμική τοπογραφία και μπορούν να αναπαρασταθούν με τη μορφή ψηφιακού χάρτη. Αυτό έγινε δυνατό τα τελευταία 3-4 χρόνια και είναι η πρώτη φορά που ο άνθρωπος έχει τη δυνατότητα σε καθημερινή βάση να έχει πληροφόρηση για τη δυναμική τοπογραφία απευθείας και όχι με έμμεσες μεθόδους όπως είναι οι συστηματικές μετρήσεις της θερμοκρασίας και αλατότητας. 35

38 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Σχήμα 2.10 Ανάλυση των δυνάμεων που εξασκούνται στην κεκλιμένη επιφάνεια της θάλασσας που προξενούν τα γεωστροφικά ρεύματα Πως όμως θα γίνει αριθμητικός υπολογισμός των ρευμάτων από την κλίση που παρουσιάζει η επιφάνεια της θάλασσας; Στο σχήμα 2.10 φαίνονται οι δυνάμεις που ενεργούν σε μια κεκλιμένη επιφάνεια με γωνία κλίσης i που βρίσκεται σε γεωστροφική ισορροπία. Σε μια στοιχειώδη μάζα νερού επενεργούν η βαρύτητα g και η πίεση p. Η βαρύτητα είναι κατακόρυφη και η πίεση είναι κάθετη στην επιφάνια. Τη πίεση p την αναλύουμε σε δύο συνιστώσες, μία κάθετη (pz=pσυνi) και μία οριζόντια (px=pημi). Η κάθετη συνιστώσα εξισορροπείται από την βαρύτητα g επομένως: p z g p i p g i Η οριζόντια συνιστώσα εφόσον υπάρχει γεωστροφική ισορροπία εξισορροπεί πλήρως με την Coriolis: p p i V 2 αντικαθιστώντας το p από την προηγούμενη εξίσωση έχουμε: 36

39 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων g i V 2 i g i V 2 V g i 2 Έτσι από την κλίση της επιφάνειας i γνωρίζοντας το γεωγραφικό πλάτος φ και τη γωνιακή ταχύτητα της γης Ω μπορούμε να υπολογίσουμε την ταχύτητα V του γεωστροφικού ρεύματος. Τα σχήματα 2.11 & 2.12 είναι χάρτες από το σύστημα TOPEX-POSEIDON της δυναμικής τοπογραφίας και των γεωστροφικών ρευμάτων που προκύπτουν. Σχήμα 2.11 Δυναμική τοπογραφία της επιφάνειας των ωκεανών, όπωε προκύπτει από το δορυφόρο Topex Poseidon. 37

40 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Σχήμα 2.12 Γεωστροφικά ρεύματα και δυναμική τοπογραφία από το δορυφόρο Topex Poseidon Ρεύματα αδράνειας Όταν σταματήσουν οι δυνάμεις που επενεργούν σε κάποια κινούμενη μάζα νερού π.χ. ανεμογενές ρεύμα ή αν κάποια μάζα νερού διαφύγει από το πεδίο επενέργειας των δυνάμεων που προξενούν το κυρίως θαλάσσιο ρεύμα, τότε η μάζα εξακολουθεί να κινείται εξαιτίας της αδράνειάς της. Στην κίνηση επιδρά μόνο η δύναμη Coriolis με αποτέλεσμα τη συνεχή περιστροφή της θαλάσσιας μάζας και τη διαγραφή κυκλικής τροχιάς. Η περίοδος περιστροφής T, με την οποία η θαλάσσια μάζα στροβιλίζεται, είναι συνάρτηση του γεωγραφικού πλάτους φ: 2 2 R 2 V όπου V η γωνιακή ταχύτητα στροβιλισμού και R η ακτίνα της περιστροφής. Επίσης: 38

41 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων V R 2 Η ακτίνα στροβιλισμού R έχει την ελάχιστη τιμή στους πόλους και είναι άπειρο στον ισημερινό. Η περίοδος στροβιλισμού μεταβάλλεται από ώρες στους πόλους, σε ώρες σε 45ο Γ.Π. και σε άπειρο στον ισημερινό. 2.3 Γενικά χαρακτηριστικά της παγκόσμιας ωκεάνιας κυκλοφορίας Για να γίνει κατανοητή, η συνοπτική περιγραφή της παγκόσμιας ωκεάνιας κυκλοφορίας, πρέπει να λάβουμε υπόψη μας τα παρακάτω: Την κατανομή των ανέμων στη γη. Την κατανομή της δύναμης Coriolis και κυρίως το μηδενισμό της στον ισημερινό. Τα παγκόσμια συστήματα των ανέμων αναπτύσσονται σχεδόν συμμετρικά στα δύο ημισφαίρια και είναι: Σε γεωγραφικό πλάτος >60ο Βόρειο, βρίσκονται οι Πολικοί Βορειοανατολικοί άνεμοι. Σε γεωγραφικό πλάτος μεταξύ 60ο και 30ο Βόρειο βρίσκονται οι Δυτικοί Βορείου Ημισφαιρίου άνεμοι. Σε γεωγραφικό πλάτος μεταξύ 30ο και 2ο Βόρειο, βρίσκονται οι ΒΑ Αληγείς άνεμοι. 39

42 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Λίγο βορειότερα από τον ισημερινού (8ο Β.Γ.Π.), βρίσκονται οι άνεμοι Doldrums, που είναι επίσης δυτικοί αλλά με μικρότερη ένταση από τους Αληγείς. Οι άνεμοι αυτοί δεν υπάρχουν στο νότιο ημισφαίριο. Σε γεωγραφικό πλάτος μεταξύ 30ο και 0ο Νότιο, βρίσκονται οι ΝΑ Αληγείς άνεμοι. Σε γεωγραφικό πλάτος μεταξύ 30ο και 60ο Νότιο, βρίσκονται οι Δυτικοί Νοτίου Ημισφαιρίου άνεμοι. Σε γεωγραφικό πλάτος >60ο Νότιο, βρίσκονται οι Πολικοί Νοτιοοανατολικοί άνεμοι. Η κατανομή των ανέμων στη γη φαίνεται στο σχήμα Σχήμα 2.13 Παγκόσμια κατανομή των ανέμων Αρχίζοντας την περιγραφή των ρευμάτων από τον ισημερινό διαπιστώνουμε ότι δημιουργείται μια ζώνη κατά μήκος της ευρύτερης 40

43 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων περιοχής του ισημερινού, σε κάθε ωκεανό, που μεταφέρει θαλάσσιες μάζες από τα ανατολικά περιθώρια της λεκάνης προς τα δυτικά. Έτσι δημιουργούνται το Βόρειο Ισημερινό Ρεύμα και το Νότιο Ισημερινό Ρεύμα. Αυτό συμβαίνει γιατί οι θαλάσσιες μάζες παρασύρονται κατά τη διεύθυνση του ανέμου και δεν εκτρέπονται από τη δύναμη Coriolis. Συσσωρεύονται λοιπόν σημαντικού όγκου θαλάσσιες μάζες στις δυτικές παρυφές των ωκεάνιων λεκανών, δημιουργώντας μια ανύψωση στην περιοχή αυτή. Ακριβώς στον ισημερινό (0ο Γ.Π.) υπάρχουν ανατολικής συνιστώσας άνεμοι, οι οποίοι παρασύρουν στα ανατολικά επιφανειακές θαλάσσιες μάζες. Η οριζόντια διαφορά πίεσης όμως από τις συσσωρευμένες μάζες στο δυτικό άκρο της λεκάνης, προξενεί ένα υποεπιφανειακό ρεύμα που μεταφέρει νερό προς τα ανατολικά, βοηθώντας την υδροστατική εξισορρόπηση. Το αντίθετο αυτό ρεύμα ονομάζεται Υποεπιφανειακό Ισημερινό Αντίρευμα. Το Υποεπιφανειακό Ισημερινό Αντίρευμα δεν είναι το μόνο που μεταφέρει αντίθετα θαλάσσιες μάζες. Στην ζώνη όπου επικρατούν οι άνεμοι Doldrums εξαιτίας της μικρότερης έντασης τους, σε σχέση με τους γειτονικούς Αληγείς, δημιουργείται ένα πεδίο εξασθενημένων επιφανειακώντάσεων που βοηθούν στη δημιουργία ενός επιφανειακού αντιρεύματος που μεταφέρει σημαντικές θαλάσσιες μάζες προς τα ανατολικά. Το ρεύμα αυτό ονομάζεται Βόρειο Ισημερινό Αντίρευμα. Ξεφεύγοντας από τη ζώνη του ισημερινού, τα θαλάσσια ρεύματα κινούνται με τέτοιο τρόπο ώστε τα νερά κάθε ωκεάνιας λεκάνης να στροβιλίζονται δεξιόστροφα στο βόρειο ημισφαίριο και αριστερόστροφα στο νότιο. Έτσι βλέπουμε να υπάρχει ένα αόρατο όριο στον ισημερινό, γύρω από το οποίο αναπτύσσεται σχεδόν συμμετρικά η ωκεάνια κυκλοφορία. Τα επιμέρους ρεύματα σε κάθε ωκεάνια λεκάνη φαίνονται στο σχήμα

44 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Σχήμα 2.14 Παγκόσμια κατανομή των ρευμάτων με τις κυριότερες ονομασίες τους, όπου με κόκκινο είναι τα θερμά και με μπλε τα ψυχρά ρεύματα. 2.4 Ενίσχυση των ρευμάτων στα δυτικά περιθώρια των ωκεάνιων λεκανών Παρατηρώντας τη γεωγραφική κατανομή των ρευμάτων βλέπουμε ότι σημαντικά και ισχυρά ρεύματα όπως το ρεύμα του Κόλπου και το ρεύμα Κούρο-Σίβο βρίσκονται κοντά στις ανατολικές ακτές των ηπείρων δηλαδή στις δυτικές παρυφές του Ατλαντικού και του Ειρηνικού αντίστοιχα. Το γεγονός αυτό είναι απόρροια ενός μηχανισμού που επικρατεί σε όλες τις μεγάλες ωκεάνιες λεκάνες και στα δύο ημισφαίρια και έχει σαν συνέπεια στα δυτικά περιθώρια των ωκεανών να βρίσκονται ρεύματα με μεγάλες ταχύτητες, που έχουν στενά και σαφή όρια, ενώ στις ανατολικές πλευρές των ωκεανών τα ρεύματα έχουν μικρές ταχύτητες τα όριά τους είναι 42

45 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων ασαφή και καταλαμβάνουν σημαντικές εκτάσεις της ωκεάνιας λεκάνης. Το φαινόμενο αυτό συμβαίνει τόσο στο βόρειο όσο και στο νότιο ημισφαίριο και πάντα από τη δυτική πλευρά της λεκάνης. Η αιτιολογία είναι σύνθετη και περιλαμβάνει διάφορα αίτια που δρουν ταυτόχρονα. Είναι συνδυασμός τριών κυρίως αιτίων. Στη μεταβολή της Coriolis από ελάχιστη, στη ζώνη του ισημερινού, σε μέγιστη, σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη. Στην κατανομή των ανέμων στις ωκεάνιες λεκάνες και Στην τριβή στα όρια της λεκάνης. Η σημαντικότερη όμως αιτία είναι η μεταβολή της Coriolis. Για παράδειγμα στον βόρειο Ατλαντικό, τα συστήματα των αληγών ανέμων στα χαμηλά Γ.Π. (10-25ο) προξενούν ρεύματα παράλληλα στον Ισημερινό γιατί η Coriolis είναι ασθενής και δεν εκτρέπονται σημαντικές ποσότητες θαλάσσιων μαζών προς βορρά. Οι συσσωρευμένες θαλάσσιες μάζες στα δυτικά της λεκάνης τελικά εκτρέπονται προς βορρά απότομα, όταν φτάσουν στο δυτικό όριο της λεκάνης. Τότε ρέουν με μεγάλη ταχύτητα και σε στενά όρια κατά μήκος του ωκεάνιου περιθωρίου σχηματίζοντας το περίφημο Ρεύμα του Κόλπου (Gulf stream). Το ρεύμα του Κόλπου διασχίζει τον Ατλαντικό προς τα ΒΑ, οδηγούμενο από τη γεωστροφική ισορροπία την οποία προξενεί η δημιουργία ενός υβώματος στο κέντρο του βόρειου Ατλαντικού. Στη ζώνη μεταξύ 40-60ο οι Δυτικοί άνεμοι του Β. ημισφαιρίου υποχρεώνουν τις θαλάσσιες μάζες να εκτραπούν νότια κάτω από την επίδραση της Coriolis. Σε αυτά όμως τα γεωγραφικά πλάτη η Coriolis είναι πολύ ισχυρή έτσι η εκτροπή προς νότο γίνεται σε μια πολύ πλατιά ζώνη στα ανατολικά της λεκάνης. Έτσι σχηματίζεται το ρεύμα των Καναρίων Νήσων που είναι ένα ασθενές ρεύμα αλλά με πολύ μεγάλο πλάτος και επιστρέφει τα νερά στη ζώνη του ισημερινού. 43

46 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Αυτό που περιγράφηκε για το βόρειο Ατλαντικό σε γενικές γραμμές συμβαίνει και στον Ειρηνικό με το Ρεύμα Κούρο-Σίβο ανοικτά της Ιαπωνίας, αλλά και στο Νότιο ημισφαίριο. Εκεί όμως τα δυτικά όρια των λεκανών δεν είναι τόσο σαφή από γεωγραφικής άποψης, έτσι το φαινόμενο επισκιάζεται και δεν είναι τόσο ισχυρό. Οι μεγάλες ταχύτητες των ρευμάτων των δυτικών περιθωρίων δημιουργούν αστάθεια τόσο στην ίδια τη ροή όσο και στα όρια του ρεύματος, με αποτέλεσμα το ρεύμα να μαιανδρίζει και να δημιουργούνται στρόβιλοι οι οποίοι αποσπώνται και περιφέρονται για πολλούς μήνες στην ωκεάνια λεκάνη. Οι στρόβιλοι αυτοί έχουν μελετηθεί ιδιαίτερα για το ρεύμα του Κόλπου και αποτελούν ένα πολύ σημαντικό κομμάτι στη μεταφορά θερμικής ενέργειας. Στο σχήμα 2.15 είναι τρεις χαρακτηριστικές θερμικές δορυφορικές εικόνες του ρεύματος του Κόλπου η εικόνα α αποτελεί στιγμιαία κατάσταση και εμφανίζει όλους τους στροβίλους και τους μαιανδρισμούς του ρεύματος. Η εικόνα β είναι αποτέλεσμα του μέσου όρου ενός μήνα. Εδώ φαίνεται ο μαιανδισμός του ρεύματος, αλλά οι στρόβιλοι έχουν εξομαλυνθεί. Η εικόνα γ αποτελεί τον μέσο όρο ετήσιων καταγραφών και φαίνεται η μέση πορεία του ρεύματος. 44

47 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Σχήμα 2.15 Θερμικές δορυφορικές εικόνες του ρεύματος του κόλπου.α) ημερίσια κατανομή, Β) μέση μηνιαία κατανομή, γ) μέση ετήσια κατανομή 45

48 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων 2.5 Η θερμόαλος κυκλοφορία Η ωκεάνια κυκλοφορία όπως την γνωρίσαμε ως τώρα λαμβάνει χώρα στο επιφανειακό στρώμα των ωκεανών δηλαδή ως το θερμοκλινές. Η ψύξη στις πολικές περιοχές εκτός του ότι παράγει πολύ ψυχρό και πυκνό νερό παράγει και πολύ αλμυρό νερό ιδίως στις ζώνες που σχηματίζεται επιφανειακός πάγος. Το αλάτι που απελευθερώνεται στη διαδικασία πήξης σχηματίζει ψυχρό και αλμυρό νερό το οποίο διεισδύει σε πολύ μεγάλα βάθη ως τον πυθμένα των λεκανών. Επίσης η εξάτμιση σε κλειστές λεκάνες όπως η Μεσόγειος και Ερυθρά θάλασσας παράγουν αλμυρό και πυκνό νερό το οποίο ρέει προς τη γειτονική ωκεάνια λεκάνη από τα βαθύτερα σημεία των εγκάρσιων ράχεων που διαχωρίζουν τις περιφερειακές αυτές θάλασσες (τον Ατλαντικό και τον Ινδικό, αντίστοιχα). Το υποεπιφανειακό νερό που ρέει από τη Μεσόγειο προς τον Ατλαντικό είναι θερμότερο από τα αντίστοιχα νερά του Ατλαντικού αλλά πολύ αλμυρότερο. Η πυκνότητά του είναι τέτοια που για να ισορροπήσει βυθίζεται σε πολύ μεγάλα βάθη μέσα στον Ατλαντικό και εισέρχεται στη βαθιά κυκλοφορία. Σχήμα 2.16 Μοντέλο της παγκόσμιας αλοθερμικής κυκλοφορίας του Stomel 46

49 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Η κυκλοφορία των βαθιών νερών που καθορίζεται κυρίως από διαφορές στην πυκνότητα με πολύ έντονες κατακόρυφες και οριζόντιες μετακινήσεις σε βάθος ονομάζεται θερμόαλος κυκλοφορία. Πρώτος ο Stomel το 1958 καθόρισε ένα μοντέλο της θερμόαλου κυκλοφορίας με έντονη τη ροή από Β προς Ν στα δυτικά περιθώρια των λεκανών. Το μοντέλο του Stomel σχ 2.16 σε γενικές γραμμές έχει επαληθευτεί και σήμερα με τα σύγχρονα μέσα παρατήρησης. 2.6 Η παγκόσμια ζώνη μεταφοράς (conveyor belt) Την τελευταία δεκαετία έλαβε χώρα ένα από τα μεγαλύτερα ερευνητικά προγράμματα παγκόσμιας συνεργασίας για τη μεταφορά θερμικής ενέργειας στην ατμόσφαιρα και στους ωκεανούς. Το πρόγραμμα γνωστό σαν WOCE (Word Ocean Circulation Experiment) έδωσε σημαντικά στοιχεία για την παγκόσμια κυκλοφορία και τη μεταφορά θερμικής ενέργειας σε παγκόσμια κλίμακα. Τα αριθμητικά στοιχεία έχουν αποκαλύψει ότι υπάρχει μια παγκόσμια ζώνη που μεταφέρει ενέργεια από την επιφάνεια στο βάθος και ξανά στην επιφάνεια κάνοντας ένα κύκλο σε όλους τους ωκεανούς του κόσμου Σχήμα

50 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων Σχήμα 2.17 Η παγκόσμια ζώνη μεταφοράς νερού και θερμικής ενέργειας Το ταξίδι ξεκινά στο βόρειο Ατλαντικό και στη Θάλασσα της Νορβηγίας όπου οι εξαιρετικά ψυχρές ατμοσφαιρικές συνθήκες ψύχουν τις επιφανειακές θαλάσσιες μάζες τόσο πολύ που αποκτούν μεγάλη πυκνότητα ικανή να τις βυθίσει ως τον πυθμένα. Από εκεί ξεκινούν ένα ταξίδι Νότια κατά μήκος του δυτικού περιθωρίου του Ατλαντικού. Στα ενδιάμεσα ενώνονται με κάποια μικρή ποσότητα από τα πυκνά νερά της Μεσογείου τα οποία έχουν ήδη τροποποιηθεί και συνεχίζουν νότια στο δυτικό περιθώριο. Όταν φτάσουν στο Νότιο Ατλαντικό στρέφονται ανατολικά και ρέουν στον πυθμένα της Ανταρκτικής όπου ενώνονται με ψυχρά και πυκνά νερά που έχουν διεισδύσει σε βάθος από την Ανταρκτική. Κατόπιν εισέρχονται στον Ινδικό και στον Ειρηνικό. Όταν εισέλθουν στον Ειρηνικό και στον Ινδικό βαθμιαία αντλούνται στην επιφάνεια και συνεχίζουν σαν επιφανειακά ρεύματα το ταξίδι προς τον Ατλαντικό, τον οποίο διασχίζουν από νότο προς βορρά για να καταλήξουν στη Νορβηγική θάλασσα και να ξαναβυθιστούν. Ο βόρειος Ατλαντικός παρουσιάζει έλλειμμα στο ισοζύγιο 48

51 Κεφάλαιο 2 ο Ενέργεια Θαλάσσιων Ρευμάτων του νερού του, ενώ ο Ειρηνικός παρουσιάζει πλεόνασμα και είναι πιο γλυκός στην επιφάνεια από τον Ατλαντικό. Οι διαφορές αυτές είναι που οδηγούν τη ροή στην παγκόσμια ζώνη μεταφοράς. Η κυκλοφορία κατά μήκος της παγκόσμιας αυτής ζώνης μεταφοράς εκτιμάται ότι διαρκεί περίπου 1000 χρόνια. Η ροή αυτή είναι πολύ αργή, σε σχέση με τα επιφανειακά ρεύματα και γίνεται παράλληλα με αυτά. Τα επιφανειακά ρεύματα στροβιλίζουν το νερό εντός των ορίων μιας λεκάνης, κάποια μικρή ποσότητα νερού όμως, ξεφεύγει από τον στροβιλισμό αυτό, βυθίζεται σε βάθος (αφού έχει αποβάλλει στην ατμόσφαιρα τη θερμότητά της) και ταξιδεύει από ωκεανό σε ωκεανό σε ολόκληρη τη γη. Αυτή είναι και η κυριότερη αιτία οξυγόνωσης των βαθιών νερών. χαρακτηριστικό ότι τα βαθιά νερά του Ατλαντικού είναι τα πλέον οξυγονωμένα και μάλιστα με φθίνουσα διαβάθμιση από βορά προς νότο. Τα πλέον φτωχά σε οξυγόνο είναι τα βαθιά νερά του Ειρηνικού καθώς είναι τα τελευταία στα οποία φθάνει η παγκόσμια ζώνη μεταφοράς. Η κυκλοφορία αυτή είναι πολύ σημαντική για την κατανομή της ζωής στα μεγάλα βάθη. 49

52 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 3 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Κεφάλαιο 3 ο Αρχή Λειτουργίας των Διατάξεων της Ενέργειας των Ρευμάτων 3 Συστήματα Κίνησης Τα κιβώτια ταχυτήτων χρησιμοποιούνται για να μετατρέψουν τις σχετικά αργές περιστροφικές ταχύτητες και την υψηλή ροπή αξόνων στην υψηλή περιστροφική ταχύτητα και τη χαμηλή ροπή, η οποία είναι καταλληλότερη για την είσοδο της γεννήτριας. Η αποκατάσταση της ταχύτητας παραγωγής ενός MCT προσθέτει τη μηχανική περιπλοκή στο γενικό σύστημα. Ένα ιδανικό σύστημα εργαλείων πρέπει να σχεδιαστεί για να εργαστεί ομαλά και ήσυχα ακόμη και υπό τους σκληρούς όρους φόρτωσης. Για την αίτησή τους σε MCTs, το μέγεθος του κιβωτίου ταχυτήτων είναι επίσης ένας κρίσιμος παράγοντας. Ένα χαρακτηριστικό κιβώτιο ταχυτήτων μπορεί να περιέχει τα αρχικά σκηνικά πλανητικά εργαλεία και τα δευτεροβάθμια δύο-οργανωμένα εργαλεία κεντρισμάτων για να αυξήσει την ταχύτητα αξόνων στην επιθυμητή ταχύτητα παραγωγής αξόνων. 50

53 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 3 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Εικόνα 3.2 Κιβώτιο ταχυτήτων SeaGen Τα γρανάζια είναι σχεδιασμένα βάσει της διάρκειας και της διανομής των φορτίων στη μεμονωμένη οδόντωση. Η κατανομή του φορτίου και το σχέδιο διάρκειας, υπό ορισμένες θαλάσσιες τρέχουσες συνθήκες της ενέργειας πρέπει να αναλυθούν. Τα αποτελέσματα μπορούν στη συνέχεια να επεκταθούν για τη διάρκεια ζωής των γραναζιών για την επίτευξη του τελικού σχεδιασμού. Τα αριθμητικά εργαλεία μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για το χαρακτηρισμό της δυναμικής απόκρισης των γραναζιών του MCT ή άλλων συστημάτων σύνδεσης. 51

54 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 3 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Εικόνα 3. 3 Τρόπος σχεδίασης. Αισθητήρες μετακινήσεις πτερυγίων στο δυνατότερο σημείο ροής θαλάσσιου ρεύματος 3.1 Ρύθμιση Ισχύος Ο κανονισμός δύναμης επιτυγχάνεται πρώτιστα με τον προσδιορισμό θέσης των λεπίδων ενός MCT και χρησιμοποιείται για είτε να περιορίσει τη μέγιστη παραγωγή δύναμης, για να μεγιστοποιήσει την παραγωγή δύναμης είτε έναν συνδυασμό και οι δύο, καθώς επίσης και επιτρέποντας τη λειτουργία της συσκευής και στις δύο κατευθύνσεις. Η δύναμη που παράγεται από ένα MCT ρυθμίζεται από τον ρυθμιστή ταχύτητας-απώλειας στήριξης ή τον ρυθμιστή δύναμης. Η ρύθμιση ταχύτητας για MCTs αποτελείται από διάφορες λεπίδες που συνδέονται με την πλήμνη σε μια σταθερή γωνία προσβολής (δεν μπορεί 52

55 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 3 ο και Ποταμών Παγκοσμίως να τοποθετηθεί). Οι λεπίδες σχεδιάζονται υδροδυναμικά έτσι ώστε όταν υπερβαίνει η θαλάσσια τρέχουσα ταχύτητα το μέγιστο όριο λειτουργίας η γωνία της κλίσης του υδροολισθητήρα αναγκάζει τη ρευστή ροή να διαχωριστεί. Αυτό εμφανίζεται στην πλευρά της λεπίδας που δεν αντιμετωπίζει τη ρευστή ροή. Το αποτέλεσμα αυτής της επίδρασης είναι μια μείωση της ροπής, και ως εκ τούτου τη μείωση παραγωγής ταχύτητας της συσκευής. Η κλίση απαιτεί ρύθμιση τις λεπίδας για να ριχτεί με τέτοιο τρόπο έτσι ώστε η ισχύς εξόδου να παραμένει σταθερή όταν επιτυγχάνεται η σχεδιασμένη ικανότητα δύναμης. Αυτή η μέθοδος ρυθμίζει ενεργά τη ροπή που παράγεται από ένα MCT. Αυτά τα συστήματα κλίσης είναι συνήθως βασισμένα σε ένα υδραυλικό σύστημα ή στις ηλεκτρονικά ελεγχόμενες ηλεκτρικές μηχανές, οι οποίες ρυθμίζουν την κλίση στις λεπίδες. Όταν η συσκευή υπερβαίνει τη σχεδιασμένη δυναμικότητα της ισχύς οι λεπίδες δύνανται να τοποθετηθούν για να αυξήσουν τη γωνία της κλίσης και συνεπώς τον περιορισμό της ισχύς εξόδου. Αυτή η μέθοδος ρύθμισης προσφέρει ένα σημαντικό πλεονέκτημα πέρα από την ρύθμιση ταχύτητας λόγω μιας μείωσης της ώθησης στη συσκευή και τη δομή υποστήριξής της. 53

56 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 3 ο και Ποταμών Παγκοσμίως 3.2 Γεννήτριες Εικόνα 3.3 Τομή γεννήτριας. Μια γεννήτρια είναι μία συσκευή, η οποία μετατρέπει τη μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια με τη χρήση της μαγνητικής επαγωγής. Οι γεννήτριες μπορούν να ταξινομηθούν σε δύο κύριες κατηγορίες: εναλλασσόμενο ρεύμα (AC) γεννήτριες (σύγχρονης και ασύγχρονης) και συνεχούς ρεύματος (DC) γεννήτριες που περιγράφονται παρακάτω. 54

57 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 3 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Εικόνα 3. Γεννήτρια συνεχούς ρεύματος. Η σύγχρονη γεννήτρια αποτελείται από έναν στάτορα που περιέχει ένα τριφασικό τύλιγμα με κάθε μια από τις μεμονωμένες φάσεις σε γωνία 120 ο ανά μέρος, και ένα ρότορα που περιέχει ένα τύλιγμα πεδίου το οποίο μαγνητίζεται από συνεχές ρεύμα. Το ρεύμα αυτό μπορεί να προέρχεται είτε από βούρτσα διεγέρτη,(καρβουνάκια-ψήκτρες), χωρίς ψήκτρες διεγέρτη,(μια συσκευή που εγκαθίσταται στον άξονα της μηχανής) είτε από το δίκτυο. Ο ρότορας περιστρέφεται από το στρόβιλο η οποία επάγει τάσεις στις περιελίξεις του στάτη. Το σημαντικότερο πλεονέκτημα μιας σύγχρονης γεννήτριας είναι η δυνατότητα να ελέγχει τα αντιδραστικά χαρακτηριστικά ισχύος της και η ακριβής ρύθμισης της ταχύτητάς της. Ως εκ τούτου, η χρήση αυτών των γεννητριών μπορούν να παρέχουν άεργο ισχύ παρά την απορρόφηση της. Επομένως, οι σύγχρονες γεννήτριες είναι γενικά πιο ακριβές απ ότι οι ασύγχρονες γεννήτριες. 55

58 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 3 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Εικόνα 3.5 Σύγχρονη γεννήτρια. Εικόνα3.6 Ασύγχρονη γεννήτρια 56

59 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 3 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Η ασύγχρονη ή γεννήτρια επαγωγής είναι βασικά ένας κινητήρας που οδηγείται πάνω από τη σύγχρονη ταχύτητά του (ταχύτητα του περιστρεφόμενου μαγνητικού πεδίου) η οποία χαρακτηρίζεται βασικά από την συχνότητα τροφοδοσίας και τον αριθμό των πόλων εντός του κινητήρα. Ο στάτης της γεννήτριας αυτής αποτελείται από έναν αριθμό των περιελιγμένων πηνίων που τοποθετούνται μέσα στις αυλακώσεις του για έναν καθορισμένο αριθμό των σπειρών, ανάλογα με την απαιτούμενη ταχύτητα. Αυτός ο τύπος γεννήτριας δεν είναι αυτο-διέγερσης (ο στάτης πρέπει να μαγνητιστεί από το πλέγμα), και απαιτούν μια εξωτερική πηγή για την παραγωγή της μαγνητικής ροής. Όταν ο ρότορας περιστρέφεται ταχύτερα από τον ρυθμό ροής του περιστρεφόμενου δρα σαν μία γεννήτρια. Το κύριο πλεονέκτημα των ασύγχρονων γεννητριών είναι το σχετικά χαμηλό κόστος, η τραχύτητα και αυτοπροστασία ενάντια στις σοβαρά υπερφορτώσεις και βραχυκυκλώματα. Το κύριο μειονέκτημα είναι η κατανάλωση άεργης ισχύος και η κακή ρύθμιση τάσης υπό διάφορες στροφές του ρότορα. Η ανάπτυξη των στατικών μετατροπέων ισχύος έχει διευκολύνει την ρύθμιση της τάσης εξόδου. 57

60 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 3 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Εικόνα 3.7 Συνεχείς γεννήτρια Οι γεννήτριες συνεχόμενου ρεύματος αποτελούνται από περιστρεφόμενο επαγώγιμο μέρος που φέρνει τους αγωγούς σε ένα μαγνητικό πεδίο (προκαλώντας μια ηλεκτροκινητήρια δύναμη στους αγωγούς), ένα συλλέκτη για τη διατήρηση του ρεύματος σε μία κατεύθυνση διαμέσου του εξωτερικού κυκλώματος και βούρτσες για να μεταφέρουν το ρεύμα από τον συλλέκτη στο εξωτερικό κύκλωμα. Οι συνεχείς γεννήτριες είναι σχετικά ακριβές και απαιτούν τακτική συντήρηση. Για τις υπεράκτιες τεχνολογίες, οι γεννήτριες συνεχούς ρεύματος μπορούν να παίξουν καλά έναν ρόλο λόγω των πλεονεκτημάτων της συνεχούς μετάδοσης (που περιγράφεται πιο κάτω). Επομένως, αυτή τη στιγμή, είναι δημοφιλέστερο να χρησιμοποιηθούν οι γεννήτριες εναλλασσόμενου ρεύματος και έπειτα να μετατρέπετε σε συνεχές ρεύμα με τους στερεάς κατάστασης ανορθωτές από το να χρησιμοποιούν γεννήτριες συνεχόμενου ρεύματος. Μελλοντικά μικρό αυτόνομα συστήματα μπορεί να είναι εξοπλισμένα με γεννήτριες συνεχούς ρεύματος. 58

61 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 3 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Εικόνα 3.3 Εναλλασόμενη Γεννήτρια 59

62 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Κεφάλαιο 4 ο Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών και Ποταμών Παγκοσμίως 4 Γενικά Στο παρόν Κεφάλαιο παρουσιάζονται οι πλέον σύγχρονες διατάξεις αξιοποίησης της ενέργειας των ρευμάτων. Ανά το παγκόσμιο έχουν κατασκευαστεί πολλές διατάξεις αξιοποιήσεις των ρευμάτων, των παλιρροιών και των ποταμών. Πιο κάτω θα δούμε αρκετές από αυτές τις διατάξεις μαζί με τα χαρακτηριστικά τους. 4.1 Παλιρροιακοί Στρόβιλοι Nereus και Solon Από την προσφορά 2 εταιρειών σχεδιαστριών στροβίλων, η Atlantis κατάφερε να αναπτύξει την σωστή τουρμπίνα για την σωστή θέση όπου υπάρχουν οι καταλληλότεροι παλιρροιακοί πόροι, έτσι οι 2 στρόβιλοι να έχουν την βέλτιστη σύνδεση και την καλύτερη απόδοση μεταξύ τους. Ο παλιρροιακός στρόβιλος Nereus είναι ένας οριζόντιος άξονας περιστροφής εξαιρετικά δυνατός. Ο παλιρροιακός στρόβιλος Nereus είναι ένας στρόβιλος ο οποίος διοχετεύεται σε ρηχά νερά και μπορεί να τοποθετηθεί ακόμα και σε ποτάμια. Οι τουρμπίνες και οι πτερωτές χρησιμοποιούν ένα πολύ δυνατό υλικό το οποίο ονομάζεται aguafolis για να μπορούν να αντέχουν τα πολλά χτυπήματα από τα διάφορα συντρίμμια που φέρνει μαζί του το νερό. Ο Nereus έχει δοκιμαστεί με επιτυχία στα 400 kw και συνεχίζεται η βελτιστοποίηση του για μεγαλύτερα φορτία. 60

63 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Εικόνα 4.1 Παλιρροιακός στρόβιλος Nereus Ο Solon είναι ένας στρόβιλος οριζοντίου άξονα και έχει κατασκευαστεί για πολύ μεγάλα βάθη (κάτω από 40έτρα) και μπορεί να αντέξει και να ρυθμιστεί ανάλογα με την δύναμη των ρευμάτων που θα συναντήσει. Είναι η πρώτη διάταξη η οποία έχει σχεδιαστεί από ηλεκτρονικό υπολογιστή. Μετά από δοκιμές που διενεργήθηκαν το 2008 οη διάταξη Solon ίσως να είναι η αποτελεσματικότερη στον κόσμο. Έχει δοκιμαστεί για φορτία των 500 kw. 61

64 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Εικόνα 4.2 Παλιρροιακός στρόβιλος Solon 62

65 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Εικόνα 4.3 Οι διατάξεις αξιοποίησης της ενέργειας Nereus (κάτω δεξιά) και Solon (πάνω αριστερά) 4.2 Διάταξη Αξιοποίησης Ρευμάτων Stingray Το έργο Stingray είναι το αποκορύφωμα όσο αφορά την αξιοποίηση της παλιρροιακής ενέργειας των ρευμάτων. Το Stingray έχει κατασκευαστεί από την εταιρία Engineering Business Ltd. 63

66 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Σχήμα 4.1 Σκιαγράφημα της διάταξης ρευμάτων Stingray Είναι ένα σύστημα σχεδιασμένο για να εξάγει την χρησιμοποιήσιμη ηλεκτρική ενέργεια από παλιρροϊκά ρεύματα. Διαφέρει από τις άλλες προτεινόμενες συσκευές στο ότι χρησιμοποιεί κίνηση ταλάντευσης αντί για περιστροφή για να συλλάβει την ενέργεια από την παλιρροϊκή ροή. Το βασικό συστατικό του Stingray είναι ότι η πτερωτή του που μοιάζει με υδροπλάνο. Αυτό συνδέεται με ένα πλαίσιο υποστήριξης από έναν κινητό βραχίονα. Το πρόγραμμα ξεκίνησε το 1997 ως μια γεννήτρια στήλης νερού η οποία στην συνέχεια ονομάστηκε Stingray. Τo 2001 εγκαταστάθηκε στις Νήσους Shetland και η λειτουργία του ήταν στα 150 kw. 64

67 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Εικόνα 4.4 Διάταξη Stingray στους νήσους Shetland πριν την εγκατάσταση της 4.3 Στρόβiλος Gorlov ( Gorlov Helical Turbine) H διάταξη Gorlov είναι η εξέλιξη της διάταξης Darieus. H διαφορά που υπάρχει από τις άλλες διατάξεις είναι ότι ο ελικοειδής άξονας του προσανατολίζεται από την ροή του νερού. Ο άξονας του είναι τοποθετημένος κατακόρυφα και όχι οριζόντια όπως τις άλλες τουρμπίνες. Όπως και ο άνεμος έτσι και τα ρεύματα αλλάζουν κατευθύνσεις. Με τον κατακόρυφο άξονα μπορεί να παίρνει όλες τις κατευθύνσεις και αυτό είναι το μεγαλύτερο του πλεονέκτημα. 65

68 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Σχήμα 4.2 Λειτουργία του Στροβίλου Gorlov Οι δοκιμές που έχουν γίνει την τελευταία δεκαετία είναι ελπιδοφόρες, αλλά κάπως αργές. Το 2002, ωστόσο, η Δημοκρατία της Κορέας άρχισε δοκιμές του στροβίλου στις ταχείες παλίρροιες των Στενών Uldolmok. Τα επιτυχή αποτελέσματα έχουν οδηγήσει σε μια νέα φάση του έργου, στο οποίο μια τουρμπίνα 'θα παράγει kw για ένα κοντινό νησί. Αν αυτό πάει καλά και όλες οι ενδείξεις είναι εντάξει η κυβέρνηση της Κορέας σχεδιάζει να εγκαταστήσει επαρκή αριθμό Gorlov στο στενό για την παραγωγή mw ηλεκτρικής ενέργειας, το οποίο θα ισούται με 4 ππυρηνικές ηλεκτροπαραγωγικές εγκαταστάσεις. 66

69 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Εικόνα 4.4 Στρόβιλος Gorlov πριν την βύθιση του του στα στενά της Κορέας 4.4 Στρόβιλος Hammerfest Storm Έχει κατασκευαστεί από την Νορβηγική εταιρία Hammerfest Storm η οποία του έχει δώσει και το ίδιο όνομα. Με την περιστροφή των πτερυγίων του έλικα γύρω από τον άξονά τους σε χαλαρό νερό όταν οι τρέχουσες στροφές είναι χαμηλές, ο μύλος είναι έτοιμος για την αντιστροφή ρεύματος διατηρώντας την φορά της ατράκτου όπου έχει καθορισθεί. Κάθε έλικας είναι συνδεδεμένος με μία γεννήτρια από την οποία η ηλεκτρική ενέργεια που παράγεται τροφοδοτείται μέσω ενός καλωδίου σύνδεσης στην ακτή σε ένα μετασχηματιστή και και στη συνέχεια μέσα στο δίκτυο. 67

70 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Σχήμα 4.3 Τα μέρη λειτουργίας του στροβίλου Hammerfest Storm Οι στρόβιλοι είναι σχεδιασμένοι να είναι χωρίς απαιτήσεις συντήρησης για τρία χρόνια, αλλά δύτες μπορούν να πάνε κάτω, αν χρειαστεί. Το πρωτότυπο είχε εγκατασταθεί στις 17 Σεπτεμβρίου στο Kvalsundet λίγο έξω από το Hammerfest στην Βόρεια Νορβηγία και σε βάθος 50 m. Η λειτουργία του έφτανε μέχρι 300 kw. 68

71 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Εικόνα 4.5 Στρόβιλος Hammerfest Storm 4.5 Παλοιρριακός Στρόβιλος Lunar Αυτή η διάταξη έχει σχεδιαστεί όσο πιο απλή μπορεί να είναι αλλά και όσο το δυνατό πιο ισχυρή. Η Lunar Energy στην προσπάθεια της αυτή να κάνει τον στρόβιλο όσο πιο απλό αυτό σήμαινε στην μείωση του κόστους εγκατάστασης και αγοράς αλλά και την δαπανηρή συντήρηση. Η διάταξη Lunar μπορεί να στερεωθεί στο βυθό της θάλασσας και τα πτερύγια στροφείου έχουν σχεδιαστεί να λειτουργούν σε οποιαδήποτε κατεύθυνση παλίρροιας υπάρχει, χωρίς την ανάγκη να περιστρέφεται ολόκληρη η 69

72 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως μονάδα, ή το βήμα των λεπίδων όταν η παλίρροια αλλάζει. Ο αγωγός (σχήμα Βεντούρη) χρησιμοποιείται για την καθοδήγηση και την επιτάχυνση του παλιρροιακού ρεύματος προς τον δρομέα. Με τη χρήση ενός αγωγού, περισσότερη ενέργεια μπορεί να εξαχθεί από την ίδια ποσότητα νερού με μικρότερα πτερύγια ρότορα διατηρώντας έτσι το κόστος κατασκευής και συντήρησης κάτω. Περαιτέρω, ακόμη και αν η παλιρροϊκή ροή φθάνει έως 40 ο σε σχέση με τις λεπίδες του ρότορα στροβίλου, ο αγωγός ανακατευθύνει το νερό έτσι ώστε να φθάνει κάθετα προς τις λεπίδες με αποτέλεσμα την μεγιστοποίηση της παραγωγής. Δοκιμές μέχρι 1 MW έχουν γίνει στο Ευρωπαϊκό Κέντρο θαλάσσιας Ενέργειας στο Stromness, Okney τα οποία έχουν ολοκληρωθεί με επιτυχία το Μέχρι το 2011 η Lunar Energy έχει καταφέρει να αναπτύξει το πρώτο εμπορικό τομέα RTT. Σχήμα 4.1 Τα μέλη τα οποία αποτελείται ένας στρόβιλος Lunar Energy 70

73 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως 4.6 Παλιρροιακός Στρόβιλος Seagen Ο SeaGen είναι το πρώτο πιο μεγάλο έργο σε κλίμακα όσον αφορά την εμπορική παλιρροιακή παραγωγή ρεύματος. Είναι τέσσερις φορές πιο ισχυρή από την οποιαδήποτε άλλη διάταξη παραγωγής ενέργειας από τα ρεύματα. Ο Seagen ζυγίζει περίπου 300 τόνους. Στην κάθε γεννήτρια που υπάρχει, υπάρχει και ένα κιβώτιο ταχυτήτων όπως και στις ανεμογεννήτριες. Οι τουρμπίνες αυτές είναι πατενταρισμένες έτσι ώστε τα πτερύγια τους έχουν την ικανότητα να αλλάζουν κατά 180 ο για να μπορούν να παράγουν ενέργεια απ όλες τις κατευθύνσεις της ροής του νερού. 71

74 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Σχήμα 4.3 Σχέδιο κατασκευής στροβίλου Seagen O Seagen μπορεί να αναδύεται πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας για να γίνεται ευκολότερη η συντήρηση του. Η πρώτη διάταξη Seagen εγκαταστάθηκε στο Stangford και Portaferry στην Βόρεια Ιρλανδία τον Απρίλιο του 2008 και συνδέθηκε με το δίχτυο τον Ιούλιο του Παράγει 1,2 MW μεταξύ 18 και 20 ωρών εργασίας την ημέρα. Ο κύριος κατασκευαστής του Seagen ήταν η εταιρία Marine Current Turbine. Εικόνα 4.6 Η διάταξη Seagen κατά την ανάδυση της 72

75 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως 4.7 Παλιρροιακός Στρόβιλος Evopod O Evopod είναι μια μοναδική συσκευή παλιρροικής ενέργειας η οποία κατασκευάστηκε την εταιρεία Oceanflow Energy Ltd. Μπορεί να λειτουργήσει σε βαθειά νερά και αντέχει σε πολύ δυνατά ρεύματα. Στο Pentland (Ηνωμενό Βασίλειο) όπου έγιναν δοκιμές το βάθος των νερών είναι 60 m και οι δυνάμεις των ρευμάτων φτάνουν μέχρι και τα 6m/s. Η διάταξη είναι διαφορετική από τις άλλες στην κατασκευή. Ο στρόβιλος είναι συναρμολογημένος σε ένα πλωτό, ημιβυθισμένο σώμα το οποίο είναι δεμένο με τον θαλάσσιο βυθό. Ο εξοπλισμός παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας είναι παρόμοιος με της ανεμογεννήτριας και βρίσκεται στο υδατοστεγή κυλινδρικό σχήμα της διάταξης. Το 2008 με κλίμακα 1/10 προς το κανονικό μέγεθος της διάταξης εγκαταστάθηκε και δοκιμάστηκε στο Stangford, Βόρεια Ιρλανδία, για ένα χρονικό διάστημα περισσότερο από 2 χρόνια όπου συλλέχτηκαν αρκετά δεδομένα. Το 2011 η διάταξη αναβαθμίστηκε έτσι ώστε να μπορεί να παράγει περισσότερη ενέργεια. 73

76 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Εικόνα 4. 7 Διάταξη Evopod πριν από την βύθισης της στο νερό 4.8 Παλιροιακός Στρόβιλος Open-Hydro Ο παλιρροιακός στρόβιλος Open-Hydro είναι από τις πρώτες παλιρροιακές τεχνολογίες οι οποίες έχουν κατασκευαστεί και βρίσκεται στο στάδιο ανάπτυξης μόνιμης εγκατάστασης στην θάλασσα. Με την πάροδο του χρόνου η διάταξη αναπτύσσεται έτσι περισσότερη ενέργεια να παράγεται. Η πρώτη μονάδα η οποία έχει εγκατασταθεί είχε μέγεθος 6 m και είναι αρκετή για περίπου 150 σπίτια για ένα μέσο Ευρωπαίο, η οποία μπορεί να σώσει 150 t CO2 κάθε χρόνο. Το πρώτο πάρκο της διάταξης Open-Hydro έχει εγκατασταθεί στην Ιρλανδία. Πρόσφατα η Open-Hydro έχει ανακοινώσει συμφωνία στη Ευρώπη και στην Αφρική για 4 πάρκα τα 74

77 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως οποία τα 2 έχουν εγκατασταθεί τέλος του 2011 και τα άλλα 2 βρίσκονται υπό κατασκευή. Εικόνα 4.8 Στρόβιλος Open-hydro κατά την ανάδυση του για συντήρηση 4.9 Διάταξη Ενέργειας των Ρευμάτων Pulse Hydrofoil H διάταξη Pulse Hydrofoil έχει κατασκευαστεί από την εταιρεία Pulse Tidal η οποία βρίσκεται στο Sheffield (Ηνωμένο Βασίλειο). Η συσκευή στηρίζεται σε έναν οριζόντιο άξονα, έτσι ώστε αφού η ροή των περισσότερων ρευμάτων είναι μπρος πίσω να μην χρειάζεται να κάνει οποιαδήποτε περιστροφή για να παίρνει την ενέργεια των ρευμάτων. Επειδή η διάταξη μπορεί να εγκατασταθεί και σε ποτάμια τα πτερύγια πάντοτε είναι βυθισμένα κάτω από το νερό έτσι ώστε να προφυλάσσονται από τα 75

78 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως διάφορα συντρίμμια. Οι εταιρίες Pulse Tidal και It Power κατασκεύασαν το πρωτότυπο το 2008 το οποίο είχε ισχύ 100 Kw και το είχαν εγκαταστήσει στην εκβολή Humber στο Ηνωμένο Βασίλειο. Εικόνα 4.9 Πάρκο διάταξης Ρευμάτων Pulse Hydrofoil 4.10 Παλιρροιακος Στροβιλος Tidel O παλιρροιακός στρόβιλος Tidel έχει κατασκευαστεί από την εταιρία SMD η οποία εδρεύει στο Ηνωμένο Βασίλειο. Το σύστημα Tidel αποτελείται από 2 αντίθετα περιστρεφόμενους στροβίλους 500 Kw οι οποίοι είναι τοποθετημένοι σε μια εγκάρσια δοκό και είναι δεμένοι με τον πυθμένα της θάλασσας. Οι στρόβιλοι είναι ελεύθεροι να επιπλέουν με αποτέλεσμα να ρυθμίζονται και να ευθυγραμμίζονται από μόνοι τους σε όποια κατεύθυνση είναι η ροή του ρεύματος. Οι πρώτοι παλιρροιακοί στρόβιλοι Tidel είχαν 76

79 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως εγκατασταθεί το 2003 στο Malton (Ηνωμένο Βασίλειο) και μέχρι σήμερα έχουν εγκατασταθεί στην Σιγκαπούρη και στο Macae (Βραζιλία). Εικόνα 4.10 Πάρκο διάταξης Ρευμάτων Tidel 4.11 Παλιρροιακός Στρόβιλος Delta Stream H Διάταξη παλιρροϊκών ρευμάτων Delta stream έχει κατασκευαστεί από την εταιρεία Tidal Energy Ltd (Ηνωμένο Βασίλειο). Η εταιρεία εκτιμά ότι ο η κάθε μονάδα παράγει 1,2 Mw. Αποτελείται από τρείς στροβίλους οι οποίοι τοποθετούνται σε ένα ευρύ τριγωνικό πλαίσιο το οποίο ζυγίζει 250 t. Αυτά τα πλαίσια έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε να μην απαιτείται κάποια συγκεκριμένη θέση τοποθέτησης τους αλλά να μπορούν να τοποθετούνται σε όποιο σημείο κριθεί ότι είναι κατάλληλο. Για τους κατασκευαστές του Delta Stream το ιδανικότερο βάθος βύθισης του είναι τα 20 m. H Πρώτη 77

80 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως μονάδα Delta Stream έχει τοποθετηθεί με επιτυχία στο Sound Ramsey (Ουαλία) όπου με τα ρεύματα τα οποία υπάρχουν η μονάδα μπορεί να ικανοποιεί αυτή την στιγμή μέχρι και 1000 σπίτια. Εικόνα 4.11 Το τριγωνικό πλαίσιο delta Stream 4.12 Παλιρροιακός Στρόβιλος Free Flow O στρόβιλος παλιρροϊκών ρευμάτων Free Flow έχει κατασκευαστεί από την εταιρεία Verdant Power Ltd. H Κεντρική συνισταμένη του συστήματος είναι η αξονικής ροής τουρμπίνα η οποία είναι εξοπλισμένη με 3 λεπίδες οι οποίες είναι σχεδιασμένες για υψηλής ταχύτητας ρεύματα. Οι στρόβιλοι περιστρέφονται αργά και σταθερά (35 rpm) από τα φυσικά ρεύματα των θαλασσών και των ποταμών. Η κίνηση αυτή μπορεί να παράγει ενέργεια και με την βοήθεια των υποβρυχίων καλωδίων οδηγείται στην γεννήτρια. Η πρώτη μονάδα έχει τοποθετηθεί από το 2007 στο East River (Νέα Υόρκη). Τώρα η εταιρεία μετά από μελέτες που έκανε προσπαθεί να κάνει 78

81 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως ένα καινούριο πάρκο από στροβίλους free Flow στο St.Laurence River (Νέα Υόρκη). Οι μελέτες είχαν αρχίσει από τον Απρίλιο του Εικόνα 4.12 Πάρκο στροβίλων Free Flow 79

82 Διατάξεις Θαλάσσιων Ρευμάτων, Παλιρροιών Κεφάλαιο 4 ο και Ποταμών Παγκοσμίως Σχήμα 4.2 Τα μέρη του στροβίλου Free Flow 80

83 Παρούσα Κατάσταση των Διατάξεων των Κεφάλαιο 5 ο Θαλάσσιων Ρευμάτων Κεφάλαιο 5 ο Περιβαλλοντικές Επιπτώσεις 5 Επιπτώσεις της Ενεργειακής Εξαγωγής που χρησιμοποιούν οι Θαλάσσιες Τρέχουσες Ενεργειακές Συσκευές Η θαλάσσια τρέχουσα ενεργειακή συσκευή θεωρείται η πιο περιβαλλοντικά καλοκάγαθος όλων των τεχνολογιών εξαγωγής παλιρροιακής ενέργειας [68]. Αυτές οι συσκευές θεωρούνται ως φιλικές προς το περιβάλλον εντούτοις, όμως δεν είναι απαλλαγμένες από τις εκπομπές εξ ολοκλήρου. Η παραγωγή για κάθε ένα από τα μέρη, και η μεταφορά των υλικών απαιτεί την κατανάλωση ενέργειας. Επομένως οι εκπομπές παράγονται εφόσον οι πόροι ενέργειας βασίζονται στα απολιθωμένα καύσιμα [69-74]. 81

84 Παρούσα Κατάσταση των Διατάξεων των Κεφάλαιο 5 ο Θαλάσσιων Ρευμάτων Εικόνα Συναρμολόγηση τουρμπίνας Seagen Η δημόσια αποδοχή από τις θαλάσσιες τρέχουσες ενεργειακές συσκευές είναι πιθανό να οφείλεται στο χαμηλό υψόμετρο και στους μηδέν ευδιάκριτους θορύβους διαφάνειας. Αντίθετα από τα παλιρροιακά φράγματα, οι θαλάσσιες τρέχουσες ενεργειακές συσκευές δεν εμποδίζουν τους κόλπους ή τις εκβολές και δεν διακόπτουν τις μετακινήσεις των ψαριών η να αλλάζουν την υδρολογία.[51]. Προσφέρουν επίσης μια σχετικά μεγάλη δυνατότητα παραγωγικής ικανότητας χωρίς τα ακραία αποτελέσματα στο οικοσύστημα που θα αντιμετωπιζόταν με τη χρήση ενός παλιρροιακού φράγματος. Η πρόσφατη έρευνα στην εξαγωγή παλιρροιακής ενέργειας στρέφεται κυρίως στη θαλάσσια τρέχουσα ενεργειακή εξαγωγή που χρησιμοποιεί η θαλάσσια τρέχουσα ροή παρά τη σειρά στο ύψος των παλιρροιών. Αυτές οι θαλάσσιες τρέχουσες ενεργειακές συσκευές μπορούν να τοποθετηθούν στις περιοχές όπου δεν έχουν επιπτώσεις στη μετανάστευση των θαλάσσιων θηλαστικών και των ψαριών. Η μετακίνηση των λεπίδων η των υδρολισθητήρων των συσκευών 82

85 Παρούσα Κατάσταση των Διατάξεων των Κεφάλαιο 5 ο Θαλάσσιων Ρευμάτων αναμένεται να είναι αρκετά αργή για να μειώσει την θνησιμότητα των ψαριών. Εικόνα Μετακίνηση λεπίδων ή των υδρολισθητήρων των συσκευών. Κατά την εξέταση, η επέκταση από τις θαλάσσιες τρέχουσες ενεργειακές συσκευές πρέπει να εξεταστούν τα ακόλουθα πιθανά ζητήματα: Τα θαλάσσια θηλαστικά μπορούν να μπουν σε επαφή με αυτές τις συσκευές με τις πιθανές συγκρούσεις. Αυτό το ζήτημα ερευνάται για την εγκατάσταση και τη λειτουργία των συσκευών, καθώς επίσης και άλλες εγκαταστάσεις ανοικτής θαλάσσης. Τα αποτελέσματα στα ψάρια μπορεί να είναι θετικά η αρνητικά. Από την άποψη της αλιείας η δομή και η τηλεγράφηση μπορεί να έχει μια επίδραση στα αποθέματα ψαριών και στους βιότοπους τους. Η επίδραση που μπορεί να έχει μια περιοχή στην οποία εγκαθίστανται οι θαλάσσιες τρέχουσες ενεργειακές συσκευές. Υποβρύχια αρχαιολογία. Μια πλήρης αξιολόγηση της περιοχής μπορεί να απαιτηθεί προτού να εγκατασταθεί η συσκευή. 83

86 Παρούσα Κατάσταση των Διατάξεων των Κεφάλαιο 5 ο Θαλάσσιων Ρευμάτων Η επίδραση στις ψυχαγωγικές δραστηριότητες. Η σημαντικότερη περιβαλλοντική επίπτωση των θαλασσίων τρεχουσών ενεργειακών συσκευών από την άποψη της ρύπανσης είναι η χρήση των υδραυλικών συστημάτων. Μερικές από τις συσκευές που αναφέρθηκαν νωρίτερα χρησιμοποιούν υδραυλικά συστήματα για να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Η πιθανή διαρροή από το υδραυλικό λάδι θα ήταν καταστρεπτικό στο γύρο περιβάλλον. Εικόνα Συσκευή θαλάσσιων ρευμάτων με υδραυλικό σύστημα. 5.1 Επιπτωσείς στο Περιβάλλον Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα των διατάξεων παλιρροιακών (θαλάσσιων) ρευμάτων είναι ότι καθ όλη τη διάρκεια της λειτουργίας τους δεν εκπέμπουν αέρια του θερμοκηπίου και φαίνεται απίθανο να προκαλούν ρύπους. Οι διατάξεις παλιρροιακού ρεύματος μπορούν να εγκατασταθούν σε διάφορες τοποθεσίες και σε διαφορετικό εύρος κλίμακας, από μια μεμονωμένη διάταξη έως ένα πάρκο από 30 ή περισσότερες διατάξεις ή 84

87 Παρούσα Κατάσταση των Διατάξεων των Κεφάλαιο 5 ο Θαλάσσιων Ρευμάτων ένα πλήθος τέτοιων πάρκων σε μια περιοχή. Είναι πιθανό να δούμε στο μέλλον την εγκατάσταση ενός αριθμού τέτοιων πάρκων μέσα σε μια σχετικά μικρή περιοχή για τη μεγιστοποίηση της χρήσης του διαθέσιμου παλιρροιακού πόρου. Πράγμα που σημαίνει ότι το επίπεδο των περιβαλλοντικών επιπτώσεων που προκύπτουν από την ενέργεια παλιρροιακών ρευμάτων είναι πιθανόν να αυξηθεί σταδιακά με τον χρόνο και οι αθροιστικές επιπτώσεις πολλών πάρκων που λειτουργούν σε μια περιοχή μπορεί να καταστούν σημαντικές. Επιπλέον, οι τύποι του περιβάλλοντος που θα επηρεαστούν θα αλλάξει κι αυτός με το χρόνο, αφού οι τεχνολογικές βελτιώσεις και οι οικονομικές απαιτήσεις οδηγούν στη μεταφορά των παλιρροιακών πάρκων από τα ρηχά ύδατα σε βαθύτερα ύδατα και τανάπαλι. Εικόνα Διαταραχές μετανάστευσης των ψαριών από την αναταράξεις της ροής του νερού. Επί του παρόντος, αν και γίνονται διάφορες προβλέψεις, λίγα είναι στην ουσία γνωστά για τις περιβαλλοντικές επιπτώσεις των διατάξεων παλιρροιακού ρεύματος (δεν είναι διαθέσιμη καμία μελέτη περιβαλλοντικών επιπτώσεων για διατάξεις παλιρροιακού ρεύματος). Συνεπώς, είναι δύσκολο να προβλεφθεί το μέγεθος των αθροιστικών επιπτώσεων στο 85

88 Παρούσα Κατάσταση των Διατάξεων των Κεφάλαιο 5 ο Θαλάσσιων Ρευμάτων περιβάλλον από την χρήση των παλιρροιακών διατάξεων και πάρκων σε όλες τις περιοχές όπου υπάρχουν πόροι παλιρροιακών ρευμάτων. Το επίπεδο των επιπτώσεων θα προσδιοριζόταν, μεταξύ άλλων, από την ποσότητα των εγκατεστημένων μονάδων και την πυκνότητά τους. Μερικά ειδικά θέματα που αφορούν στην αλληλεπίδραση των διατάξεων παλιρροιακών ρευμάτων με το περιβάλλον είναι τα εξής: Τεχνολογία: Η τεχνολογία που χρησιμοποιείται για τη στερέωση του στροβίλου στον πυθμένα μπορεί κι αυτή να έχει διαφορετικές επιπτώσεις. Για παράδειγμα, οι προτεινόμενοι κυματικοί στρόβιλοι πρώτης γενιάς χρησιμοποιούν μονό πυλώνα ο οποίος θα μπορούσε να διαταράξει το φυσικό περιβάλλον του πυθμένα κατά την εγκατάσταση. Οι διατάξεις δεύτερης γενιάς θα μπορούσαν να χρησιμοποιούν συστήματα αγκυροβόλησης, τα οποία έχουν μικρότερες επιπτώσεις στη ζωή του πυθμένα ενώ, παράλληλα, παρέχουν τη δυνατότητα λειτουργίας των στροβίλων σε βαθύτερα ύδατα. Πυκνότητα εγκατάστασης: Το πόσο πυκνά γίνεται η εγκατάσταση των μονάδων μπορεί κι αυτό να επηρεάσει τις επιπτώσεις στο περιβάλλον. Για παράδειγμα, εάν πρόκειται να τοποθετηθεί ένας αριθμός στροβίλων διαμέτρου 16 μέτρων κάθετα στην παλιρροιακή ροή, οι στρόβιλοι θα πρέπει να τοποθετηθούν σε απόσταση 60 μέτρων ο ένας από τον άλλο. Αυτό θα άφηνε ένα ελάχιστο κενό 44 μέτρων από το άκρο του ενός πτερυγίου έως το άκρο του άλλου πτερυγίου. Οι στρόβιλοι θα τοποθετούνταν 1000 μέτρα ο ένας κατάντη του άλλου, προκειμένου να μειωθούν οι αρνητικές επιπτώσεις στην απόδοση που προκαλούνται από την τύρβη και για την αποκατάσταση των παλιρροιακών ρευμάτων. Η οριζόντια και η αξονική απόσταση θα κατέληγε σε μία πυκνότητα εγκατάστασης 18 μονάδες ανά km 2, που θα επέτρεπε στο παλιρροιακό ρεύμα, τα ψάρια και τα μεγαλύτερα θηλαστικά να διέρχονται χωρίς καμιά επίπτωση. Διάταξη: Η διάταξη των συστοιχιών των θαλάσσιων στροβίλων θα μπορούσε κι αυτή να έχει επιπτώσεις. Για παράδειγμα, οι σειρές από 86

89 Παρούσα Κατάσταση των Διατάξεων των Κεφάλαιο 5 ο Θαλάσσιων Ρευμάτων στροβίλους που βρίσκονται η μία δίπλα από την άλλη μπορεί να λειτουργήσουν ως μεγαλύτερο φράγμα για το επερχόμενο παλιρροιακό ρεύμα σε σχέση με τα πάρκα όπου οι στρόβιλοι εγκαθίστανται σε διάσπαρτες συστοιχίες. Εικόνα Διάταξη παλιρροιακού πάρκου σε σειρά. Βάθος: Θα χρησιμοποιηθούν ύδατα βάθους από 20 έως 80 μέτρα (χαρτογραφικής βάσης). Συνεπώς, τα θαλάσσια είδη ή οι θαλάσσιες δραστηριότητες που χρησιμοποιούν τα ύδατα με βάθη εκτός αυτού του εύρους δεν θα επηρεάζονται άμεσα. 87

90 Κεφάλαιο 6 ο Ρευμάτων Κόστος Διατάξεων των Θαλάσσιων Κεφάλαιο 6 Ο Κόστος Διατάξεων των Θαλάσσιων Ρευμάτων 6 Κόστος διατάξεων συσκευών θαλάσσιων ρευμάτων Υπάρχουν τρεις διαφορετικοί τρόποι κόστους ενός MCED: το κόστος ανά εκτιμημένη δύναμη της συσκευής (cost/mw), το κόστος ανά μέγεθος μονάδων της συσκευής (περιοχή δαπανών/μονάδων), και το κόστος ανά μονάδα της ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται (κόστος/kwh). Ο απλούστερος τρόπος να εκφραστεί το κόστος ενός MCED είναι το κόστος ανά εκτιμημένη δύναμη. Η βασική μέθοδος για αυτό το κόστος αποτελεί τα εξής: Κύριες δαπάνες που μπορούν να χωριστούν στη συσκευή και την περιοχή, συγκεκριμένες δαπάνες οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν για την ανάπτυξη ενός νέου θαλάσσιου τρέχοντος ενεργειακού αγροκτήματος. Οι δαπάνες συσκευών αποτελούνται από τις δαπάνες στροβίλων, δομικές δαπάνες, δαπάνες ηλεκτρικών μηχανημάτων, δαπάνες συστημάτων ελέγχου, δαπάνες ιδρύματος ή πρόσδεσης, τις δαπάνες παράδοσης και τις δαπάνες συνελεύσεων. Οι δαπάνες περιοχής αποτελούνται από τις δαπάνες σχεδίου και προδιαγραφών, δαπάνες σύνδεσης πλέγματος, που τηλεγραφούν τις 88

91 Κεφάλαιο 6 ο Ρευμάτων Κόστος Διατάξεων των Θαλάσσιων δαπάνες, τις δαπάνες εγκαταστάσεων, τις δαπάνες αδειών και τις δαπάνες ανάθεσης. Τρέχουσες δαπάνες που αποτελούνται από τη λειτουργία και τη συντήρηση. Αυτές είναι ετήσιες τρέχουσες δαπάνες φτιαγμένες επάνω από συντήρηση, ασφάλεια, τηλεπικοινωνίες, φόρους και διοίκηση. Χρηματοδότηση που είναι το κόστος,τα δάνεια από τις τράπεζες και τους επενδυτές. Οι επιστροφές δανείου μπορούν να απαιτηθούν και εάν το πρόγραμμα χρηματοδοτείται εν μέρει από έναν επενδυτή αυτοί μπορούν επίσης να απαιτήσουν μια επιστροφή στην επένδυσή τους. 6.1 Ανάλυση κόστους ενός θαλάσσιου στροβίλου Το LCCs (life-cycle costing - κοστολόγηση του κύκλου ζωής) έχει υπολογιστεί σε μια έκθεση που δημοσιεύεται από το τμήμα Εμπόριο και Βιομηχανία στο Ηνωμένο Βασίλειο που έχει το δικαίωμα οικονομικής βιωσιμότητας μιας απλής παλιρροιακής ενέργειας ρευμάτων, συλλαμβάνει τη συσκευή για σταθερές εγκαταστάσεις παραγωγής ενέργειας άξονα MCT (μεταβλητός πισσών οριζόντιες 30 στροβίλων), κάθε ένας έχει την ικανότητα 1 MW και σύσταση από δύο στροφείς ανά δομή υποστήριξης, κατά τη διάρκεια μιας περιόδου ζωής 25 ετών. 89

92 Κεφάλαιο 6 ο Ρευμάτων Κόστος Διατάξεων των Θαλάσσιων Σχήμα 1: Σύγκριση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιώντας διάφορες τεχνολογίες εκτός του κόστους εκπομπών CO 2. Το κόστος της σύνδεσης με το δίκτυο υπολογίστηκε σε MW, ικανότητα στο Ηνωμένο Βασίλειο. Ωστόσο, το κόστος της σύνδεσης με το δίκτυο μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με το μέγεθος του συστήματος και την τοποθεσία. Σύμφωνα με τις εκτιμήσεις αυτές οι LECs είναι πάνω από μια περίοδο 10 ετών 174 MWh και 188 MWh για σταθερό και μεταβλητό βαθμό εντάσεως ενός σταθμού MCT αντίστοιχα. Οι δαπάνες για τη μείωση 94 MWh και 104 MWh, αντίστοιχα, κατά την διάρκεια 15 ετών. Μπορεί να φανεί ότι σε μια μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, το κόστος παραγωγής της ηλεκτρικής ενέργειας μειώνεται σημαντικά. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει πραγματική μονάδα παραγωγής ενέργειας παλιρροιακού ρεύματος σε λειτουργία και μόνο μερικά δοκιμαστικά μοντέλα που είναι συνδεδεμένα σε ένα εθνικό δίκτυο, δεν θα ήταν λάθος να σημειωθεί ότι η τεχνολογία μετατροπής ενέργειας παλιρροιακού ρεύματος βρίσκεται ακόμα στην αρχή (Rourke, Boyle, & Reynolds, 2009). Αυτό είναι σημαντικό να αναγνωριστεί, δεδομένου ότι προσφέρει μεγάλα οικονομικά οφέλη για εκείνους που βρίσκονται στην πρώτη γραμμή αυτής της ταχύτατα εξελισσόμενης τεχνολογίας. Ωστόσο, είναι εξίσου σημαντικό 90

93 Κεφάλαιο 6 ο Ρευμάτων Κόστος Διατάξεων των Θαλάσσιων να αναφέρουμε ότι στο TPP δεν θα υπάρξει μια λύση για όλες τις τοποθεσίες και τις καταστάσεις, έτσι θα υπάρχει χώρος για διαφορετικές εκδόσεις της τεχνολογίας για την αξιοποίηση των ωκεανών κινητική ενέργεια. Η παλιρροιακή ενέργεια έχει τα ίδια χαρακτηριστικά όπως οι πόροι δημιουργίας παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στην Ιρλανδία, υδροηλεκτρική και γεωθερμική ενεργεία όπου είναι πολύ χαμηλό το κόστος καυσίμου, αλλά την ίδια στιγμή νέα τεχνολογία τείνει να έχει μεγαλύτερο κόστος συντήρησης. Αυτό σημαίνει, επίσης, ότι όταν μια ανανεώσιμη μονάδα παραγωγής ενέργειας του είδους αυτού είναι κατασκευασμένη, οι κοινωνία προπληρώνει αποτελεσματικά για τα επόμενα 20 με 40 χρόνια παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας που παρέχει και μπορεί να υποδεικνύουν ότι η μακροπρόθεσμη χρηματοδότηση θα είναι κατάλληλη και φαίνεται δίκαιο (Heal, 2009). Αυτό επίσης θα επηρεαστεί από το οικονομικό περιβάλλον για κάθε περίσταση και γενικά, η χρηματοδότηση είναι πιο πιθανό να είναι συντονισμένη με τα αναμενόμενα έσοδα από το εργοστάσιο, με στόχο την οικονομική ισορροπία για το έργο στο σύνολό του και των φορέων της. 91

94 Κεφάλαιο 6 ο Ρευμάτων Κόστος Διατάξεων των Θαλάσσιων Εικόνα 1: Υδροηλεκτρικό εργοστάσιο Όπως με τις περισσότερες τεχνολογίες ανανεώσιμης ενέργειας, MCEDs απαιτούν πρόσβαση σε ένα αξιόπιστο δίκτυο ηλεκτρικής ενέργειας κοντά στην περιοχή, έτσι ώστε η παραγόμενη ηλεκτρική ενέργεια να μπορεί διοχετευθεί άμεσα. Οι τεχνολογίες ανανεώσιμης ενέργειας, ειδικά MCEDs, προσφέρουν έναν ιδανικό προμηθευτή φορτίου βάσης. Η απαίτηση ηλεκτρικής ενέργειας ποικίλλει με το χρόνο καθ' όλη τη διάρκεια της ημέρας, με τη μέγιστη ζήτηση που εμφανίζεται σε ορισμένα διαστήματα. Αντιστοιχία της προσφοράς με τη ζήτηση είναι μια σημαντική πτυχή της ενσωμάτωσης των τεχνολογιών ανανεώσιμης ενέργειας. Η θαλάσσια τρέχουσα ενέργεια έχει το πλεονέκτημα να είναι προβλέψιμη και αξιόπιστη, σε αντίθεση με άλλες ανανεωμένες πηγές ενέργειας. Για την οικονομική εκμετάλλευση της θαλάσσιας τρέχουσας ενέργειας, ένα αξιόπιστο δίκτυο είναι ουσιαστικό. Η κακή σταθερότητα του δικτύου μπορεί να οδηγήσει σε σημαντικές απώλειες. Αυτή η ανεπάρκεια θα μπορούσε να περιορίσει την παραγωγική ικανότητα ακόμη και των σημαντικότερων προσδιορισμένων περιοχών. Αυτό θα γίνει κρισιμότερο εάν το ποσοστό διείσδυσης είναι υψηλό. Για το φορτίο MCEDs η απαίτηση δεν είναι ποτέ κοντά στον ανανεώσιμο πόρο, και επομένως, οι απώλειες μετάδοσης είναι αναπόφευκτες. Μια απόφαση πρέπει επίσης να ληφθεί εάν η βαθιά ενίσχυση απαιτείται αντί μιας ρηχής σύνδεσης. Η βαθιά ενίσχυση είναι βασικά το πρόσθετο υλικό που απαιτείται στο προς τα κάτω δίκτυο ως συνεπεία της προσθήκης της πρόσθετης ικανότητας παραγωγής. 6.2 Εκτιμήσεις Κόστους Δεδομένου ότι δεν υπάρχουν εμπορικές στροβιλογεννήτριες σε λειτουργία σήμερα, είναι δύσκολο να εκτιμηθεί το κόστος της ενέργειας που δημιουργείται από το ρεύμα των ωκεανών, και την ανταγωνιστικότητά 92

95 Κεφάλαιο 6 ο Ρευμάτων Κόστος Διατάξεων των Θαλάσσιων της με άλλες πηγές ενέργειας. Οι αρχικές μελέτες δείχνουν ότι για την οικονομική εκμετάλλευση, ταχύτητες τουλάχιστον 2 m / s (4 κόμβοι) θα απαιτείται, (ένα ρεύμα 5 κόμβους έχει την κινητική ενέργεια ισοδύναμη του ανέμου σε περισσότερα από 100 mph), αν και είναι δυνατόν να παράγουν ενέργεια από ταχύτητες τόσο χαμηλά όσο 1 m / s. Σημαντικό κόστος αυτών των συστημάτων θα είναι τα καλώδια για τη μεταφορά της ηλεκτρικής ενέργειας με το δίκτυο στη γη (Βλέπε σχήμα 2 πιο κάτω). Σχήμα 2: Το κόστος των ωκεάνιων ρευμάτων πραγματικό έργο σε διαφορετική κατάσταση. 93