ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ

Transcript

1 Τ.Ε.Ι. ΚΑΒΑΛΑΣ ΣΧΟΛΗ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΚΩΝ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ ΤΜΗΜΑ ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ STUDY OF THE OPERATION OF CONTEMPORARY DEVICES FOR THE EXPLOITATION OF OCEAN ENERGY Σπουδαστής: ΟΣΙΑΝΛΗΣ ΣΤ. ΓΕΩΡΓΙΟΣ ΑΕΜ: 4593 Επιβλέπουσα Καθηγήτρια: Κόγια Γρ. Φωτεινή Καβάλα, Ιούνιος 2012

2 ΠΡΟΛΟΓΟΣ Η εργασία αυτή αποτελεί την Πτυχιακή μου Εργασία στα πλαίσια των σπουδών μου στο Τμήμα Μηχανολογίας του Τ.Ε.Ι. Καβάλας. Η εκπόνησή της ξεκίνης ετον Ιανουάριο του 2012 και ολοκληρώθηκε τον Ιούνιο του 2012, 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 τη ΜΕΛΕΤΗ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΩΝ ΣΥΓΧΡΟΝΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΩΝ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ. 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. Αισθάνομαι την υποχρέωση να ευχαριστήσω θερμά την Καθηγήτρια 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 μου και στα δύο μου αδέρφια, για την εμπιστοσύνη τους στις δυνάμεις μου, για τη συνεχή συμπαράσταση και υποστήριξη που είχα 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 αναφερθώ στους καθηγητές και στους συμφοιτητές μου, για την προθυμία με την οποία μου παρείχαν τη βοήθειά τους, όποτε τη χρειάστηκα, καθώς επίσης και σε όλους αυτούς που ανήκουν στο φιλικό μου περιβάλλον, οι οποίοι μου συμπαραστάθηκαν και με ενθάρρυναν κατά την προσπάθεια πραγματοποίησης των στόχων μου. Καβάλα, Ιούνιος 2012

3 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΕΞΩΦΥΛΛΟ ΕΞΩΦΥΛΛΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΑΦΙΕΡΩΝΕΤΑΙ & ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ ΠΡΟΛΟΓΟΣ ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ i ii iii v vi ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΓENIKA 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΟΥ ΠΕΡΙΚΛΕΙΕΙ ΕΝΑ ΚΥΜΑ Η ΚΥΜΑΤΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ ΡΟΗΣ ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΤΟΥ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΤΗΣ ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΜΕΛΕΤΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΙΑΣ ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΑΛΙΡΡΟΙΑ Παλίρροια 20, ΑΠΟ ΤΗΝ ΙΣΤΟΡΙΑ Η ΕΞΗΓΗΣΗ 19

4 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ ΠΑΛΛΟΜΕΝΗ ΣΤΗΛΗ ΝΕΡΟΥ 23 Α. OCEANLINX 23 B. LIMPET ΥΠΕΡΚΑΛΥΠΤΟΜΕΝΗ ΔΙΑΤΑΞΗ 30 Α.WAVE DRAGON ΣΗΜΕΙΑΚΟΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗΡΑΣ 36 Α. AQUABUOY ΠΛΩΤΟ ΑΡΘΡΩΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ 41 Α.PELAMIS ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΠΑΛΙΡΡΟΙΩΝ ΣΤΡΟΒΙΛΟΙ ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ 46 Α. SEAGEN 47 Β. DELTA STREAM 47 Γ. ΠΑΛΙΡΡΟΪΚΗ ΤΟΥΡΜΠΙΝΑ OPEN HYDRO 49 Δ. VOITH HYDRO 49 E. DUCTED PROPELLER ΕΜΒΟΛΟΦΟΡΕΣ ΤΑΛΑΝΤΕΥΟΜΕΝΕΣ ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΠΑΛΟΙΡΡΟΙΑΚΩΝ ΡΕΥΜΑΤΟΝ 51 Α. Η ΔΙΑΤΑΞΗ WAVE ROLLER 51 Β. Η ΔΙΑΤΑΞΗ OYSTER ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΑ ΦΡΑΓΜΑΤΑ. 53 Α.ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΕΣ ΛΙΜΝΟΘΑΛΑΣΕΣ 53 Β. ΠΑΛΙΡΡΟΙΑΚΕΣ ΦΡΑΓΕΣ 54

5 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 Ο ΜΕΤΑΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΩΚΕΑΝΙΑΣ ΘΕΡΜΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ (OTEC) 4.1 ΓΕΝΙΚΑ OTEC ΒΑΣΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ ΔΙΕΡΓΑΣΙΩΝ OTEC Η OTEC ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΕΝΑΛΛΑΚΤΙΚΕΣ ΛΥΣΕΙΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΤΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΤΗΣ OTEC ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ ΣΤΑ ΕΝΕΡΓΕΙΑΚΑ ΝΗΣΙΑ ΕΠΙΠΛΕΟΝ ΔΥΝΑΤΟΤΗΤΕΣ 62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 Ο ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ 5.1 ΣΤΑΔΙΟ ΚΑΤΑΣΚΕΥΗΣ ΣΤΑΔΙΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΚΑΙ ΣΥΝΤΗΡΗΣΗΣ ΟΙΚΟΛΟΓΙΑ ΤΩΝ ΟΙΚΟΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΓΗΙΝΟ ΚΑΙ ΘΑΛΑΣΣΙΟ ΤΟΠΙΟ ΘΟΡΥΒΟΣ (ΑΕΡΟΜΕΤΑΦΕΡΟΜΕΝΟΣ ΚΑΙ ΥΠΟΒΡΥΧΙΟΣ) ΘΑΛΑΣΣΙΟΣ ΒΥΘΟΣ, ΦΕΡΤΕΣ ΥΛΕΣ ΚΑΙ ΡΕΥΜΑΤΑ ΠΟΙΟΤΗΤΑ ΝΕΡΟΥ ΑΝΑΨΥΧΗ ΚΑΙ ΤΟΥΡΙΣΜΟΣ ΑΛΙΕΙΑ ΝΑΥΣΙΠΛΟΪΑ ΣΤΑΔΙΟ ΠΑΡΟΠΛΙΣΜΟΥ ΓΕΝΙΚΟΤΕΡΕΣ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΕΠΙΠΤΩΣΕΙΣ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΣ ΚΑΙ ΜΕΤΡΑ ΑΠΑΛΥΝΣΗΣ ΤΩΝ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟ-ΝΤΙΚΩΝ ΕΠΙΠΤΩΣΕΩΝ 75

6 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6 Ο ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΠΑΓΚΟΣΜΙΑΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ 6.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΜΟΡΦΕΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ ΠΛΗΜΝΗ ΚΥΜΑΤΩΝ Η ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ ΣΤΗΝ ΕΛΛΑΔΑ ΚΟΣΤΟΣ ΠΑΡΑΓΩΓΗΣ ΗΛΕΚΤΡΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΙΑΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ 81 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 7 Ο ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ 82 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 84

7 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Στην παρούσα πτυχιακή εργασία αναλύεται η λειτουργία όλων των σύγχρονων διατάξεων αξιοποίησης της θαλάσσιας ενέργειας. Η ενέργεια της θάλασσας απαντάται με τη μορφή της ενέργειας των κυμάτων, της ενέργειας των παλιρροιών και των ρευμάτων, της ενέργειας του θερμοκλινούς των ωκεανών και της ενέργειας λόγω βαθμίδας αλατότητας. Πολλές χώρες ανά τον κόσμο κατασκευάζουν τα τελευταία χρόνια, διάφορες διατάξεις οι οποίες χρησιμοποιούν την ενέργεια της θάλασσας για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. Αυτές οι διατάξεις στην παρούσα φάση δεν είναι οικονομικά συμφέρουσες αλλά γίνονται συνεχείς προσπάθειες για μεγαλύτερη μελλοντική απόδοση σε συνδυασμό με περιβαλλοντική προστασία. ABSTRACT In this project work the operation of all the new devices for the exploitation of sea energy is analyzed. The sea energy is found in the form of wave energy, energy of tides and currents, ocean thermal energy and salinity gradient energy. Many countries all over the world construct, the latter years, several devices which use the energy of the sea for electricity production. These devices in this phase are not affordable but all the efforts are for a better efficiency in the future combined with environmental protection.

8 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1.1 ΓΕΝΙΚΑ Η μεγαλύτερη ποσότητα Ενέργειας που χρησιμοποιείται σήμερα στον κόσμο, περισσότερο από 80%, προέρχεται από κοιτάσματα ορυκτών καυσίμων όπως ο άνθρακας, το πετρέλαιο, το φυσικό αέριο ή από ουράνιο. Αυτά τα κοιτάσματα, βρίσκονται σήμερα σε περιορισμένη ποσότητα, ενώ εξαντλούνται συνεχώς. Στην πραγματικότητα τα ορυκτά καύσιμα δεν έχουν να κάνουν μόνο με τον κίνδυνο εξάντλησης, ούτε με την ανησυχία της ανασφάλειας του ανεφοδιασμού, αλλά υπάρχουν και άλλοι λόγοι, κυρίως περιβαλλοντικοί, που ωθούν στην ανάπτυξη των Α.Π.Ε. τον 21 ο αιώνα. Σε αντίθεση με τα συμβατικά καύσιμα, η ενέργεια που προέρχεται από τον Ήλιο, τον άνεμο, τους καταρράκτες, την ανάπτυξη των φυτών, τις παλίρροιες, τη θερμότητα της Γης είναι ανανεώσιμη. Η πυρηνική ενέργεια δε συμβάλλει στο φαινόμενο του θερμοκηπίου, αλλά γνωρίζουμε καλά το φόβο που μας εμπνέει η ασφάλεια των πυρηνικών σταθμών, η τύχη των πυρηνικών αποβλήτων και ο κίνδυνος της εξάπλωσης των πυρηνικών όπλων. Σύμφωνα με πολλούς ερευνητές, τα αποθέματα πετρελαίου και φυσικού αερίου του πλανήτη αναμένεται να έχουν εξαντληθεί πριν τα μέσα του αιώνα που διανύουμε. Συγκεκριμένα προβλέπεται η εξάντληση των γνωστών μέχρι σήμερα κοιτασμάτων πετρελαίου μέχρι το έτος 2037, με τα σημερινά αποθέματα πετρελαίου του Ισλαμικού φονταμενταλισμού, έχει ενταθεί περαιτέρω η ενεργειακή ανασφάλεια των ανεπτυγμένων χωρών σχετικά με τις μη Α.Π.Ε. Η τρίτη κρίση μπορεί να αποδειχτεί και η οικονομική κρίση. Η ανάγκη για εργασία είναι μεγαλύτερη από ποτέ εφόσον τα κεφάλαια και η πίστωση περιορίζονται. Οι επενδύσεις στην πράσινη τεχνολογία θα μεταφράζονται σε χιλιάδες 1

9 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ νέες θέσεις εργασίας ανακουφίζοντας την οικονομία και δίνοντας μια διέξοδο στο πρόβλημα. Ήδη αρκετές χώρες προωθούν την πράσινη τεχνολογία ως λύση στα σοβαρά προβλήματα της απασχόλησης να υπολογίζονται σε ένα κόμμα δύο (1,2) τρισεκατομμύρια βαρέλια. Παρόμοιες είναι οι εκτιμήσεις και για τα αποθέματα φυσικού αερίου στη Γη, που αναμένεται να εξαντληθούν σε περίπου πενήντα (50) χρόνια. Σχετικά με τα Παγκόσμια αποθέματα σε κάρβουνο που είναι οικονομικά και τεχνολογικά διαθέσιμα, αυτά επαρκούν για περίπου εκατόν πενήντα (150) χρόνια σύμφωνα με το σημερινό ρυθμό εξόρυξης και χρήσης. Οι υψηλές τιμές του πετρελαίου, η μείωση της προσφοράς καυσίμων και οι αυξανόμενες πιέσεις για τον έλεγχο του φαινόμενου του θερμοκηπίου καθιστούν ιδιαίτερα δημοφιλή την προοπτική της θαλάσσιας ενέργειας τόσο στις εθνικές κυβερνήσεις όσο και στις Εταιρείες παροχής υπηρεσιών κοινής ωφέλειας. Η πρόκληση σήμερα έγκειται στην επιτυχή εκμετάλλευση της συσσωρευμένης πλέον γνώσης, η οποία δεν κατέστη εφικτή τα προηγούμενα χρόνια. Ουδείς υποστηρίζει ότι η εκμετάλλευση της κίνησης των κυμάτων για την παραγωγή ενέργειας, δεν αποτελεί μια καλή ιδέα. Στο κάτω - κάτω, το «καύσιμο» αυτό θα παράγεται δωρεάν και συνεχώς, ενώ η διαδικασία της παραγωγής δεν είναι ρυπογόνος. Η ενέργεια από τη θάλασσα είναι προφανώς αξιοπρόσεκτη, αλλά είναι αρκετά διασκορπισμένη και επομένως πολύ δύσκολη ως προς τη συλλογή της. Επίσης βρίσκεται συνήθως μακριά από τους τόπους κατανάλωσης. Η μόνη μορφή που έχει ως τώρα αποτελέσματα και είναι συγκεντρωμένη σε ορισμένες περιοχές της Γης, είναι η ενέργεια των παλιρροιών. Άλλες μορφές οι οποίες βρίσκονται σε πλήρη εξέλιξη και εφαρμόζονται σήμερα σε μικρή κλίμακα, αλλά έχουν μεγάλες προοπτικές εξέλιξης, είναι η ενέργεια των κυμάτων, η θερμική ενέργεια των ωκεανών και η ενέργεια λόγω της διαφοράς αλατότητας του γλυκού από το θαλασσινό νερό. Ενώ τα αποθέματα των συμβατικών μορφών ενέργειας φαίνεται να αποκτούν με τον καιρό ημερομηνία λήξης, οι Ανανεώσιμες Πηγές Ενέργειας (ΑΠΕ) ανανεώνονται μέσω του κύκλου της φύσης και θεωρούνται πρακτικά ανεξάντλητες. Εξάλλου οι τελευταίες ήταν και οι πρώτες μορφές ενέργειας που χρησιμοποίησε ο άνθρωπος μέχρι τις αρχές του 20 ου αιώνα, οπότε και εντατικοποιήθηκε η χρήση του 2

10 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 Ο ΕΙΣΑΓΩΓΗ άνθρακα και των υδρογονανθράκων, με δυσμενείς για το περιβάλλον συνέπειες, γεγονός που αντιμετωπίζουμε σήμερα σε μεγαλύτερη πλέον κλίμακα. Η χρήση ΑΠΕ, όχι μόνο δεν επιφέρει περιβαλλοντικές αλλαγές αλλά η αξιοποίησή τους μπορεί να αποφέρει και οικονομικά οφέλη σε αυτόν που θα δεσμεύσει το ενεργειακό τους δυναμικό. Απαραίτητη προϋπόθεση αποτελεί η αξιόπιστη σύνδεση μεταξύ της υπάρχουσας τεχνολογίας και των ΑΠΕ, ώστε να αποφέρουν το μεγαλύτερο δυνατό ενεργειακό κέρδος, όπου αυτό είναι εφικτό. Μεγάλο πλήθος χωρών έχει ενσωματώσει τις ΑΠΕ στη λίστα με τις σημαντικότερες εγχώριες πηγές ενέργειας, ποσά της οποίας είτε δύναται να απορροφηθούν σε τοπικό επίπεδο είτε να διοχετευθούν στο ευρύτερο εθνικό δίκτυο. Η συνεισφορά τους αλλάζει το μέχρι πρότινος ενεργειακό ισοζύγιο αφού με τη χρήση τους μειώνεται αισθητά η εξάρτηση από το πετρέλαιο, καύσιμο προερχόμενο, ως επί το πλείστον, από χώρες της Σαουδικής Αραβίας και παράλληλα ιδιαιτέρως ευαίσθητο σε αυξομειώσεις τιμών. Στη χρήση του πετρελαίου και των υπολοίπων συμβατικών καυσίμων αποδίδεται το 95% της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, καθιστώντας έτσι τον ενεργειακό τομέα πρωταρχικό υπεύθυνο για τη ρύπανση του περιβάλλοντος. Η Ελλάδα ανάμεσα στο σύνολο των χωρών διαθέτει αξιόλογο δυναμικό ΑΠΕ, οι οποίες μπορούν να προσφέρουν μια πραγματική εναλλακτική λύση για την κάλυψη των ενεργειακών μας αναγκών. 3

11 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΘΑΛΑΣΣΑΣ 2.1 ΓΕΝΙΚΑ Η ιδέα για την εκμετάλλευση του θαλάσσιου κυματισμού δεν είναι νέα. Η πρώτη ευρεσιτεχνία χρονολογείται το 1799, ενώ πλήθος άλλων Τεχνολογιών επινοήθηκαν και λειτούργησαν σε μικρή κλίμακα, μέχρι τα μέσα του περασμένου αιώνα. Η συντονισμένη όμως έρευνα στον τομέα αυτόν, ξεκίνησε τη δεκαετία του 1970, μετά τη μεγάλη πετρελαϊκή κρίση. Αν και η συστηματική έρευνα στην εκμετάλλευση κυματικής ενέργειας, έχει ξεκινήσει από δεκαετίες, οι σχετικές Τεχνολογίες δεν έχουν περιέλθει στο στάδιο της εμπορικής εκμετάλλευσης. Ο κύριος λόγος είναι το αντίξοο περιβάλλον για την εγκατάσταση και λειτουργία των διατάξεων αξιοποίησης της θαλάσσιας ενέργειας, το οποίο έχει σαν αποτέλεσμα και το υψηλό κόστος παραγωγής ενέργειας, το οποίο οδηγεί προς το παρόν, σε μια ανασταλτική ανάπτυξη. Ωστόσο οι προσπάθειες που έχουν γίνει, έχουν αρχίσει να αποδίδουν καρπούς. 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. 4

12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Σήμερα, διάφορες τεχνολογίες κυματικής και παλιρροιακής ενέργειας, έχουν φτάσει σε τέτοιο τεχνικό στάδιο, ώστε η μαζική αξιοποίηση της θάλασσας για παραγωγή «καθαρής» και «φθηνής» ενέργειας να θεωρείται πλέον εφικτή. Η παραγωγή ενέργειας από τη θάλασσα ενδιαφέρει άμεσα την Ελλάδα, με το 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. Εικόνα 2.1 Ενέργεια της θάλασσας 2.2 ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΠΟΥ ΠΕΡΙΚΛΕΙΕΙ ΕΝΑ ΚΥΜΑ Η ισχύς των κυμάτων αναφέρεται στην ενέργεια των ωκεάνιων κυμάτων επιφάνειας και τη σύλληψη αυτής της ενέργειας για την παραγωγή χρήσιμου έργου, συμπεριλαμβανομένων της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, της αφαλάτωσης και της άντλησης του νερού σε δεξαμενές. Τα κύματα παράγονται από τον άνεμο που περνά πάνω από τη θάλασσα. Καθόσον τα κύματα διαδίδονται με μικρότερη ταχύτητα από την ταχύτητα του αέρα 5

13 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ που κινείται ακριβώς πάνω από τα κύματα, υπάρχει μια μεταφορά ενέργειας από τον αέρα προς τα πιο ενεργητικά κύματα. Και οι διαφορές πίεσης αέρα ανάμεσα στην αντίθετη στον άνεμο πλευρά και στην υπήνεμη πλευρά ενός κυματικού λόφου, καθώς επίσης και η τριβή στην επιφάνεια του νερού από τη διατμητική τάση του ανέμου, προκαλούν το θέριεμα των κυμάτων. Το ύψος των κυμάτων αυξάνεται με την αυξανόμενη ταχύτητα του ανέμου. Γενικά, τα μεγάλα κύματα περικλείουν μεγαλύτερη ισχύ. Συγκεκριμένα, η κυματική ισχύς καθορίζεται από το ύψος του κύματος, την ταχύτητα του κύματος, το μήκος του κύματος και την πυκνότητα του νερού. Το μέγεθος του κύματος καθορίζεται από την ταχύτητα και την ευρύτητα του αέρα (η απόσταση καθόλην την έκταση της οποίας ο αέρας διεγείρει τα κύματα) και από το βάθος και την τοπογραφία του θαλάσσιου πυθμένα (που μπορεί να συγκεντρώσει ή να διασκορπίσει την ενέργεια των κυμάτων). Μια δεδομένη ταχύτητα αέρα έχει ένα πρακτικά ταιριαστό όριο πέρα από το οποίο ο χρόνος ή η απόσταση δε θα παραγάγουν μεγαλύτερα κύματα. Αυτό το όριο καλείται «πλήρως αναπτυγμένη θάλασσα». Η ταλαντωτική κίνηση είναι η ύψιστη στην επιφάνεια και μειώνεται εκθετικά με το βάθος. Εντούτοις, για τα στάσιμα κύματα κοντά σε μια ανακλώσα ακτή, η ενέργεια των κυμάτων εμφανίζεται και πάλι σα διακυμάνσεις πίεσης σε μεγάλο βάθος, παράγοντας μικροσεισμούς. Αυτές οι διακυμάνσεις πίεσης σε μεγαλύτερο βάθος είναι πάρα πολύ μικρές για να είναι ενδιαφέρουσες από άποψη κυματικής ισχύος. Εικόνα 2.2Κύματα 6

14 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Τα κύματα διαδίδονται στην επιφάνεια του ωκεανού και η κυματική ενέργεια μεταφέρεται επίσης οριζόντια με την ταχύτητα ομάδας. Το μέσο ποσοστό μεταφοράς της κυματικής ενέργειας διαμέσου ενός κάθετου επιπέδου μοναδιαίου πλάτους, παράλληλου σε ένα λόφο κύματος, καλείται ροή κυματικής ενέργειας (ή κυματική ισχύς, η οποία δε θα πρέπει να συγχέεται με την πραγματική ισχύ που παράγεται από μια διάταξη κυματικής ισχύος). Στα μεγάλα θαλάσσια βάθη, εάν το βάθος του νερού είναι μεγαλύτερο από το μισό μήκος κύματος, η ροή κυματικής ενέργειας είναι: (kw/m), όπου P H m0 2 g 2 kw 2 P H m0 T 1,0 H m0 T 32 3 m s (2.1) είναι η ροή κυματικής ενέργειας ανά μονάδα μήκους λόφου κύματος είναι το σημαντικό ύψος κύματος (m), που ορίζεται σαν το τετραπλάσιο της τυπικής απόκλισης της στιγμιαίας μετατόπισης από τη μέση επιφάνεια της θάλασσας, όπως μετρήθηκε από τους σημαντήρες των κυμάτων και προβλέφτηκε από πρότυπα κυματικών μοντέλων. Εξ ορισμού το H m0 τυπικής απόκλισης της ανύψωσης της επιφάνειας του νερού T είναι η περίοδος του κύματος (s) είναι η πυκνότητα του νερού (kg/m 3) και είναι το τετραπλάσιο της g είναι η επιτάχυνση που οφείλεται στη βαρύτητα (m/s 2 ) Η εξίσωση (2.1) εκφράζει ότι η κυματική ισχύς είναι ανάλογη προς την περίοδο του κύματος και προς το τετράγωνο του ύψους του κύματος. Όταν το σημαντικό ύψος του κύματος δίνεται σε m και η περίοδος του κύματος σε sec, το αποτέλεσμα που προκύπτει από την εξίσωση (2.1) είναι η κυματική ισχύς σε kw ανά m μήκους μετώπου κύματος. Σε σημαντικές καταιγίδες τα μεγαλύτερα παράκτια κύματα έχουν περίπου δεκαπέντε (15) m ύψος και έχουν περίοδο περίπου δεκαπέντε (15)sec. Σύμφωνα με την εξίσωση (2.1) η οποία αναφέρεται σε βαθύ νερό, τέτοια κύματα μεταφέρουν περίπου 3,2 MW/m ισχύος κατά πλάτος κάθε m μετώπου κύματος. 7

15 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Σε συνθήκες λίγο ταραγμένης θάλασσας, για ένα ύψος κύματος περίπου τριών (3) m και μια περίοδο κύματος οκτώ (8) sec, η κυματική ισχύς θα έχει μια κατά μέσον όρο ροή πολύ λιγότερη από την προηγούμενη, περίπου 70 kw/m. Μια αποτελεσματική διάταξη κυματικής ισχύος συλλαμβάνει όση περισσότερη γίνεται από τη ροή κυματικής ενέργειας. Σαν αποτέλεσμα τα κύματα θα είναι χαμηλότερου ύψους στην περιοχή πίσω από τη διάταξη εκμετάλλευσης της κυματικής ισχύος. Στον πίνακα 2.1 φαίνεται ο χαρακτηρισμός της θαλάσσιας κατάστασης βάσει του παγκοσμίως χρησιμοποιούμενου κώδικα θαλάσσιας κατάστασης. Στον πίνακα 2.2 φαίνονται τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα της φουσκοθαλασσιάς σε σχέση με τον κώδικα του πίνακα Η ΚΥΜΑΤΙΚΗ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ Η ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ ΡΟΗΣ Σε μια θαλάσσια κατάσταση, η ενέργεια ανά μονάδα επιφάνειας των βαρυτικών κυμάτων στην επιφάνεια του νερού, είναι ανάλογη προς το τετράγωνο του ύψους του κύματος, σύμφωνα με τη γραμμική κυματική θεωρία: 1 2 E g H m0 8 (2.2) όπου Ε είναι η μέση κυματική ενέργεια ανά μονάδα οριζόντιας επιφάνειας (J/m 2 ) και ισούται με το άθροισμα της κινητικής ενέργειας και της δυναμικής ενέργειας. Η δυναμική ενέργεια είναι ίση με την κινητική ενέργεια, συνεισφέροντας και οι δύο κατά το ήμισυ στην κυματική ενέργεια Ε, καθώς αναμένεται από το θεώρημα της Ισοκατανομής. 8

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Πίνακας 2.1 Κώδικας και χαρακτηρισμός θαλάσσιας κατάστασης ΚΩΔΙΚΑΣ ΘΑΛΑΣΣΙΑΣ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗΣ ΣΗΜΑΝΤΙΚΟ ΥΨΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ (m) ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ έως 0,1 2 0,1 έως 0,5 Ήρεμη θάλασσα (καθρέφτης) Ήρεμη θάλασσα (με ελαφρύ κυματισμό ) Ακύμαντη θάλασσα (κυματάκια) 3 0,5 έως 1,25 Ελαφρά κυματιστή θάλασσα 4 1,25 έως 2,5 Μέτρια κυματιστή θάλασσα 5 2,5 έως 4 Αγριεμένη θάλασσα 6 4 έως 6 Πολύ αγριεμένη θάλασσα 7 6 έως 9 Υψηλός κυματισμός 8 9 έως 14 Πολύ ψηλός κυματισμός 9 Πάνω από 14 Εκπληκτικός κυματισμός 9

17 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Πίνακας 2.2 Χαρακτηριστικά γνωρίσματα της φουσκοθαλασσιάς ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΦΟΥΣΚΟΘΑΛΑΣΣΙΑΣ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΟ ΓΝΩΡΙΣΜΑ - 0. Κανένα Χαμηλή 1. Μικρή ή μέση 2. Μεγάλη 3. Μικρή Μέτρια 4. Μέση 5. Μεγάλη 6. Μικρή Υψηλή 7. Μέση 8. Μεγάλη - 9. Συγκεχυμένη Πίνακας 2.3Γενικές ιδιότητες των βαρυτικών κυμάτων (ανεξάρτητες από το βάθος) πάνω στην επιφάνεια του νερού, σύμφωνα με τη Γραμμική Κυματική Θεωρία ΜΕΓΕΘΟΣ ΣΥΜΒΟΛΟ ΜΟΝΑΔΕΣ ΕΞΙΣΩΣΗ ΥΠΟΛΟΓΙΣΜΟΥ ΠΥΚΝΟΤΗΤΑ ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ E J 2 m 1 2 g H 8 m0 ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΡΟΗ ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ P W m E cg ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΓΩΝΙΑΚΗ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑ rad s 2 T ΚΥΜΑΤΑΡΙΘΜΟΣ k rad m 2 10

18 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Πίνακας 2.4 Ιδιότητες των βαρυτικών κυμάτων πάνω στην επιφάνεια βαθιού νερού, ρηχού νερού και σε ενδιάμεσα βάθη σύμφωνα με τη Γραμμική Κυματική Θεωρία ΜΕΓΕΘΟΣ ΜΟΝΑ- ΒΑΘΥ ΡΗΧΟ ΕΝΔΙΑΜΕΣΟ ΒΑΘΟΣ ΣΥΜΒΟΛΟ ΔΕΣ ΝΕΡΟ ΝΕΡΟ (για όλα τα λ και τα h) ( λ< ½ h) ( λ> 10 h ) ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΦΑΣΗΣ c p T k m s g T 2 g h g 2 h tanh 2 ΤΑΧΥΤΗΤΑ ΦΑΣΗΣ c 2 p c g c p k m s g T 4 g h 1 4 h 1 c p h sinh ΠΟΣΟΣΤΟ cg - c p h h sinh ΜΗΚΟΣ ΚΥΜΑΤΟΣ m g 2 T 2 T g h για δεδομένη περίοδο Τ, η λύση της: g 2 h tanh T 11

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Σχήμα 2.1 Τροχιά σωματιδίου στην επιφάνεια του νερού Το βαθύ νερό αντιστοιχεί με μήκη κύματος μικρότερα από δύο φορές το βάθος του νερού, το οποίο είναι η κοινή κατάσταση στη θάλασσα και τον ωκεανό. Στα μεγάλα θαλάσσια βάθη, τα κύματα μακρύτερης περιόδου διαδίδονται γρηγορότερα και μεταφέρουν την ενέργειά τους ταχύτερα. Η ταχύτητα ομάδας του βαθιού νερού είναι το μισό της ταχύτητας φάσης. Στο ρηχό νερό, για μήκη κύματος μεγαλύτερα από δέκα φορές το βάθος του νερού, γεγονός που συμβαίνει αρκετά συχνά κοντά στην ακτή, η ταχύτητα ομάδας είναι ίση με την ταχύτητα φάσης. Όταν ένα σωματίδιο ανεβοκατεβαίνει πάνω σε ένα κυματάκι στην επιφάνεια του νερού, οδηγείται να διαγράψει μια ελλειπτική τροχιά όπως φαίνεται στο σχήμα 2.1. Στο σχήμα 2.2 φαίνεται η κίνηση ενός μορίου του ρευστού μέσα σε ένα ωκεάνιο κύμα. Το σημείο Α αναφέρεται σε βαθύ νερό. Η τροχιακή κίνηση των σωματιδίων του ρευστού ελαττώνεται ταχέως κάτω από την επιφάνεια. Το σημείο Β αναφέρεται σε ρηχό νερό. Ο ωκεάνιος πυθμένας τώρα βρίσκεται στο σημείο Β. Η ελλειπτική κίνηση ενός μορίου του ρευστού γίνεται πιο πεπλατυσμένη καθώς πλησιάζουμε προς τον πυθμένα. Το βέλος 1 δείχνει την κατεύθυνση διάδοσης του κύματος. Το σημείο 2 δείχνει ένα λόφο κύματος. Το σημείο 3 δείχνει ένα κοίλο κύματος. 12

20 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Σχήμα 2.2 Διαφοροποίηση ελλειπτικής τροχιάς για περίπτωση βαθιάς και ρηχής θάλασσας Σχήμα 2.3 Μορφή τροχιάς ταλαντευόμενου σωματιδίου σε πολύ βαθύ και σε πολύ ρηχό νερό 13

21 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Στο σχήμα 2.3 φαίνεται η μορφή της τροχιάς ενός ταλαντευόμενου σωματιδίου σε πολύ βαθύ και σε πολύ ρηχό νερό. Στο πολύ βαθύ νερό η τροχιά του σωματιδίου είναι κυκλική με ακτίνα που φθίνει με το βάθος. Στο πολύ ρηχό νερό η τροχιά είναι ελλειπτική με αύξουσα πλάτυνση με το βάθος. 2.4 ΑΠΟΤΙΜΗΣΗ ΤΟΥ ΜΕΓΕΘΟΥΣ ΤΗΣ ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Η ενέργεια των κυμάτων είναι τεράστια. Ακόμα και το μέρος των κυμάτων που μπορεί να αξιοποιηθεί αυτήν τη στιγμή, από τεχνολογικής πλευράς, αντιστοιχεί σε ενέργεια που μπορεί να συγκριθεί με την παγκόσμια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σήμερα. Στην αξιολόγηση του παγκόσμιου συμβουλίου ενέργειας το 2001, αναφέρεται ότι η κυματική ενέργεια μπορεί να καλύψει παγκοσμίως 2 ΤW ενώ στην Ευρώπη μπορούν να καλυφθούν ανάγκες λίγο πιο πάνω από το 50% της συνολικής ενεργειακής ζήτησης. Η κυματική ενέργεια μετράται σε kw/m. Στο Ηνωμένο Βασίλειο, για παράδειγμα, τα πιο ενδιαφέροντα μέρη για την παραγωγή ενέργειας από τα θαλάσσια κύματα, βρίσκονται στις βορειοδυτικές ακτές της Σκωτίας. H δυνατότητα παραγωγής ενέργειας πλησιάζει τα 14 GW και μπορεί να παρέχει 45 TWh ετησίως. Tο δυναμικό από παλιρροιακά ρεύματα είναι της τάξης των 7,5 GW και μπορεί να παρέχει 33,5 TWh ετησίως. 2.5 ΜΕΛΕΤΕΣ ΓΙΑ ΤΗΝ ΑΞΙΟΠOΙΗΣΗ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΙΑΣ ΚΥΜΑΤΙΚΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Το μεγαλύτερο δυναμικό κυματικής ενέργειας εμφανίζεται εκεί που πνέουν οι ισχυρότεροι άνεμοι, δηλαδή σε γεωγραφικά πλάτη μεταξύ 40 ο και 60 ο βόρεια και νότια, στα ανατολικά όρια των ωκεανών (σχήμα 2.4). Από οικονομικής πλευράς, η κυματική ενέργεια δεν είναι προς το παρόν ανταγωνιστική με τα ορυκτά καύσιμα. Είναι όμως ανερχόμενη τεχνολογία και όσο εξελίσσεται γίνεται ολοένα και πιο υποσχόμενη. Το κόστος έχει πέσει ραγδαία τα τελευταία χρόνια και οι εταιρίες σήμερα στοχεύουν στα 10 cent/kwh ενώ στις πιο εξελιγμένες διατάξεις στα 5 cent/kwh. 14

22 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Σχήμα 2.4 Μέση ετήσια κυματική ισχύς (kw/m) Και ενώ οι περιοχές με μεγάλο κυματικό δυναμικό ερευνώνται διεξοδικά τα τελευταία χρόνια, σε περιοχές με νερά που βρίσκονται προστατευόμενα από τα μεγάλα κύματα δεν έχει γίνει λεπτομερής μελέτη. Όταν το μέτωπο του κύματος έχει ισχύ kw/m η τεχνολογία μπορεί να παράγει TWh/έτος Παγκοσμίως. Σε περιοχές όμως με μικρότερη ισχύ (10 20 kw/m) αυτοί οι αριθμοί πιστεύεται πως μπορούν αναλογικά να διπλασιαστούν. Συγκριτικά αναφέρουμε ότι μία τριμελής οικογένεια καταναλώνει κατά μέσον όρο περίπου 10 kwh ημερησίως. Τα χαρακτηριστικά της κυματικής ενέργειας παίζουν μεγάλο ρόλο στο σχεδιασμό και τη λειτουργία των διατάξεων μετατροπής της κυματικής ενέργειας. Θεωρητικά, αυτά τα χαρακτηριστικά είναι συναρτήσεις των καταγεγραμμένων στοιχείων όπως είναι το ύψος κύματος και η περίοδος μηδενικής υπέρβασης. Είναι φανερό ότι ο σχεδιασμός των μετατροπέων της κυματικής ενέργειας πρέπει να είναι προσεγμένος ώστε να λειτουργεί αξιόπιστα, αποτελεσματικά και οικονομικά. 15

23 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ 2.6 ΠΑΛΙΡΡΟΙΑ Η παλίρροια είναι ο όρος που χρησιμοποιούμε για την εναλλασσόμενη χρονικά άνοδο και πτώση της στάθμης της θάλασσας σε σχέση με τη γη. Δημιουργείται δε από τη βαρυτική έλξη της Σελήνης και του Ήλιου. Όμως, παλίρροιες μπορεί να συμβούν και σε μεγάλες λίμνες, στην ατμόσφαιρα ή και στο εσωτερικό του στερεού φλοιού της Γης. Εικόνα 2.3 Παλίρροια Πρόκειται για ένα από τα πιο μυστηριώδη και εντυπωσιακά φαινόμενα που παρατηρούμε στα νερά της Γης. Με την άνοδο της στάθμης των νερών περιοδικάστις λίμνες και στις θάλασσες έχουμε την πλημμυρίδα (flood) και με την πτώση τους έχουμε την άμπωτη (ebb ή lowtides). Η περίοδος του φαινομένου κρατάει 24 ώρες 50 και 28 και μας θυμίζει το χρόνο που χρειάζεται η Σελήνη για να κάνει δύο διαδοχικές διελεύσεις πάνω από έναν τόπο. Η σεληνιακή έλξη είναι πιο ισχυρή στην πλευρά της Γης που βλέπει τη Σελήνη, από ό,τι στην αντίθετη. Γι αυτό και η Γη παραμορφώνεται. Βλέπουμε στο σχήμα η δύναμη F1 στα νερά να είναι μεγαλύτερη της F2 πάνω στους βράχους της Γης, ενώ στην αντίθετη πλευρά η F3 είναι μικρότερη της F2 και γι αυτό απομακρύνονται τα νερά από τη Σελήνη. Η πλημμυρίδα συμβαίνει δύο φορές κάθε 24 ώρες και 49 λεπτά περίπου. 16

24 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Σχήμα 2.5 Η σεληνιακή έλξη είναι πιο ισχυρή στην πλευρά της Γης που βλέπει τη Σελήνη, από ό,τι στην αντίθετη. Γι αυτό και η Γη παραμορφώνεται. Βλέπουμε στο σχήμα η δύναμη F1 στα νερά να είναι μεγαλύτερη της F2 πάνω στους βράχους της Γης, ενώ στην αντίθετη πλευρά η F3 είναι μικρότερη της F2 και γι αυτό απομακρύνονται τα νερά από τη Σελήνη. Η πλημμυρίδα συμβαίνει δύο φορές κάθε 24 ώρες και 49 λεπτά περίπου Στους ωκεανούς η άνοδος της στάθμης μπορεί να φτάσει μέχρι και το ένα μέτρο, ενώ σε στενούς κόλπους είναι ακόμα μεγαλύτερη. Η ένταση δηλαδή που εκδηλώνεται το φαινόμενο είναι διαφορετική στις διάφορες περιοχές της Γης, ενώ εξαρτάται και από τη διαμόρφωση των ακτών. Το φαινόμενο αυτό, γνωστό από την αρχαιότητα, ερμηνεύτηκε ικανοποιητικά για πρώτη φορά από το Νεύτωνα. Οφείλεται δε στη βαρυτική έλξη τόσο της Σελήνης όσο και του Ήλιου (που όμως αποτελεί περίπου το 46% αυτής της Σελήνης λόγω της μεγάλης απόστασης του) πάνω στους ωκεανούς της Γης. 17

25 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ ΑΠΟ ΤΗΝ ΙΣΤΟΡΙΑ Η εξήγηση του φαινομένου της παλίρροιας, εκτός από το καθαρώς φυσικό ενδιαφέρον του, έπαιξε αποφασιστικής σημασίας ρόλο και στην ιστορία της βαρυτικής έλξης. Με εντυπωσιακό τρόπο η μηχανική του Νεύτωνα παρέχει τη σωστή εξήγηση του φαινομένου.το βιβλίο του μαθηματικές αρχές φυσικής φιλοσοφίας είχε ένα λιτό τρόπο να εξηγεί τη θεωρία του. Εικόνα 2.4 Παλιρροιακό φαινόμενο Την εποχή του Νεύτωνα οι λαϊκές δοξασίες εξηγούσαν τελεολογικά τις παλίρροιες. Λεγόταν, παραδείγματος χάρη, ότι ο θεός είχε δημιουργήσει τις παλίρροιες «για τη διευκόλυνση του εμπορίου» ή «για λογούς καθαριότητας», καθώς η πλημμυρίδα και η άμπωτη της θάλασσας άφηναν το νερό να λιμνάζει στα λιμάνια. Διαπίστωναν εντούτοιςτη σύμπτωση της περιόδου των παλιρροιών με εκείνην της Σελήνης, την ύπαρξη μεγάλων παλιρροιών κατά την πανσέληνο και τη νέα Σελήνη, την καθημερινή καθυστέρηση των παλιρροιών (50 min περίπου), που αντ1ιστοιχούσε ακριβώς στην καθυστέρηση της Σελήνης, Έτσι, είχαν σημειώσει, χωρίς να την πιστεύουν αναγκαστικά, τη σχέση που υπήρχε ανάμεσα στην κίνηση της θάλασσας και εκείνης του δορυφόρου μας. 18

26 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Με το πέρασμα του χρόνου, διάφορες ερμηνείες του φαινομένου είχαν προταθεί. O Πλάτωνας θεωρούσε ότι οι παλίρροιες οφείλονταν στις ταλαντεύσεις ενός ρευστού που περιεχόταν σε υπόγεια σπήλαια και εκδήλωνε έτσι, στην επιφάνεια των θαλασσών και των ωκεανών, ένα είδος αναπνοής της Γης. Με το φαινόμενο ασχολήθηκαν ο Πυθέας ο Μασσαλιώτης, ο Σέλευκος αλλά και ο Ποσειδώνιος που ήταν οι πρώτοι που διαπίστωσαν τη σχέση της παλίρροιας με τη Σελήνη. Άλλες ερμηνείες, μεταγενέστερες, θεμελιώνονταν στην έλξη του ομοίου από το όμοιο. Καμία, εντούτοις, από τις θεωρίες που διατυπώθηκαν δεν εξηγούσε το φαινόμενο κατά τρόπον ικανοποιητικό Η ΕΞΗΓΗΣΗ Τελικά στο Νεύτωνα οφείλουμε την ερμηνεία του φαινομένου. Ότι δηλαδή οφείλεται στη βαρυτική έλξη που ασκεί η Σελήνη και ο Ήλιος στους ωκεανούς της Γης. Πρέπει να επισημάνουμε πώς ο Ήλιος αν και είναι σώμα τεραστίας μάζας ασκεί μικρότερη έλξη (περίπου το 46% της Σελήνης) λόγω της μεγάλης απόστασης του.η βασική ιδέα η οποία εξηγεί το φαινόμενο της παλίρροιας είναι η εξής: Η Σελήνη και ο Ήλιος έλκουν ισχυρότερα τους ωκεανούς που βρίσκονται πιο κοντά τους, λιγότερο ισχυρά το κέντρο της Γης και ακόμα λιγότερο τους ωκεανούς της απομακρυσμένης πλευράς. Με αυτόν τον τρόπο οι ωκεανοί τείνουν να διογκώνονται στην πλησιέστερη πλευρά, επειδή το νερό έλκεται περισσότερο και τείνει να απομακρυνθεί από τη Γη. Επίσης, εξογκώνονται και τα νερά που βρίσκονται στην απομακρυσμένη πλευρά της, διότι το κέντρο της Γης έλκεται ισχυρότερα από ότι, τα νερά αυτής της πλευράς, και τείνει έτσι να απομακρυνθεί από αυτά. Κάθε μέρα, βλέπουμε δύο ισχυρές πλημμυρίδες (όταν ανεβαίνουν πολύ τα νερά) και δύο ασθενικές (όταν τα νερά είναι χαμηλά). Ανάμεσα σε δύο ισχυρές παλίρροιες μεσολαβούν περίπου 12 h και 25 min. Η διαφορά στη δύναμη που ασκείται στις δυο αντιδιαμετρικές πλευρές ονομάζεται παλιρροϊκή δύναμη. Προσοχή λοιπόν, η παλίρροια οφείλεται στην διαφορά των δύο δυνάμεων κι όχι σε αυτή καθ αυτή την βαρυτική έλξη. Η παλιρροϊκή δύναμη έχει σχέση με τις διάφορες θέσεις των τριών ουρανίων σωμάτων (Γη, Σελήνη και Ήλιος). Έτσι, η διαφορά των δύο δυνάμεων είναι 19

27 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 Ο ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ μεγαλύτερη κατά την διάρκεια των συζυγιών, όταν δηλαδή προστίθεται η έλξη του Ηλίου και τα τρία ουράνια σώματα είναι σε ευθεία (συζυγική παλίρροια). Συζυγία έχουμε κατά την πανσέληνο και κατά την νέα Σελήνη. Μικρότερη δύναμη έχουμε την περίοδο των τετραγωνισμών, όταν δηλαδή Ήλιος-Γη-Σελήνη σχηματίζουν ορθή γωνία (παλίρροια τετραγωνισμού). Όταν δηλαδή ο Ήλιος και η Σελήνη είναι σε ευθεία γραμμή, υπάρχουν εξαιρετικά ισχυρές δυνάμεις βαρύτητας, προκαλώντας έτσι πολύ μεγάλη παλίρροια η οποία ονομάζεται ισχυρή (spring) παλίρροια (το νερό ανεβαίνει και κατεβαίνει πάρα πολύ στους ωκεανούς). Όταν ο ήλιος και η σελήνη δεν είναι σε ευθεία γραμμή αλλά σε τετράγωνο, τότε οι βαρυτικές δυνάμεις αλληλοαναιρούνται και η παλίρροια δεν έχει τόσο μεγάλο ύψος ή βάθος. Τότε λέγεται χαμηλή (neap) παλίρροια. Τα τρία όμως σώματα (Γη, Σελήνη και Ήλιος) επειδή το επίπεδο της τροχιάς της Γης γύρω από τον Ήλιο (εκλειπτική) δεν συμπίπτει με το επίπεδο της τροχιάς της Σελήνης γύρω από τη Γη, δεν μπορούν να ευθυγραμμιστούν τελείως παρά μόνο τη στιγμή των ισημεριών (21 Μαρτίου και 21 Σεπτεμβρίου). Στα ηλιοστάσια σχηματίζουν μια μέγιστη γωνία (5 8 ), ενώ αυτή είναι μηδενική όπως είπαμε τη στιγμή των ισημεριών. Επομένως, μόνο τη στιγμή που ο Ήλιος, η Γη και η Σελήνη μπορούν να ευθυγραμμίζονται τέλεια, άρα τότε οι οφειλόμενες στον Ήλιο και στη Σελήνη παλιρροιακές δυνάμεις μπορούν να προστεθούν ακριβώς, έχουμε πολύ μεγάλες παλίρροιες. Αυτές λέγονται παλίρροιες των ισημεριών. Τέλος ας σημειωθεί μια ειδική παλίρροια που είναι σπάνια. Τότε το νερό ανεβαίνει ασυνήθιστα ψηλά. Αυτή η πολύ ισχυρή παλίρροια παρουσιάζεται όταν το φεγγάρι είναι πολύ κοντά μας. Ο τύπος αυτός συμβαίνει το πολύ μία φορά κάθε ενάμιση χρόνο. 20

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ ΤΩΝ ΠΑΛΙΡΡΟΙΩΝ ΚΑΙ ΤΩΝ ΡΕΥΜΑΤΩΝ 3.1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Μία ανανεώσιμη πηγή ενέργειας, η οποία μέχρι σήμερα ελάχιστα έχει αξιοποιηθεί, είναι η θάλασσα. Οι θαλάσσιες μάζες καλύπτουν το 75% της επιφάνειας του πλανήτη μας και μπορούν να θεωρηθούν ένα κολοσσιαίο, «παγκόσμιο» ενεργειακό ρεζερβουάρ. Η θαλάσσια επιφάνεια απορροφά τεράστιες ποσότητες ηλιακής και αιολικής ενέργειας, η οποία εμφανίζεται στη θάλασσα σε διάφορες μορφές, όπως κύματα ή ρεύματα. Επιπλέον, το θαλάσσιο σύστημα επηρεάζεται από τις βαρυτικές αλληλεπιδράσεις του πλανήτη μας με τον Ήλιο και τη Σελήνη. Ο μηχανισμός αυτός, αργά αλλά ρυθμικά, κινητοποιεί ασύλληπτες ποσότητες ύδατος, δημιουργώντας το φαινόμενο της παλίρροιας. Διάφορες άλλες μορφές ενέργειας, που προέρχονται από το θαλάσσιο περιβάλλον, είναι η ενέργεια που οφείλεται στο θερμοκλινές των ωκεανών, δηλαδή στη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ των ανώτερων και των κατώτερων ψυχρότερων θαλάσσιων στρωμάτων, καθώς και η ενέργεια που οφείλεται στις διαφορετικές πυκνότητες των θαλάσσιων στρωμάτων διαφορετικής αλατότητας. Η παραγωγή ενέργειας από τη θάλασσα ενδιαφέρει άμεσα τη χώρα μας, με το μεγάλο αριθμό νησιών, αλλά και την τεράστια ακτογραμμή της (περίπου 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. Στην πραγματικότητα τα ορυκτά καύσιμα δεν έχουν να κάνουν μόνο με τον κίνδυνο εξάντλησης, ούτε με την ανησυχία της ανασφάλειας του ανεφοδιασμού, αλλά 21

29 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ υπάρχουν και άλλοι λόγοι, κυρίως περιβαλλοντικοί, που ωθούν στην ανάπτυξη των Α.Π.Ε. τον 21 ο αιώνα. Οι υψηλές τιμές του πετρελαίου, η μείωση της προσφοράς καυσίμων και οι αυξανόμενες πιέσεις για τον έλεγχο του φαινόμενου του θερμοκηπίου καθιστούν ιδιαίτερα δημοφιλή την προοπτική της θαλάσσιας ενέργειας τόσο στις εθνικές κυβερνήσεις όσο και στις εταιρείες παροχής υπηρεσιών κοινής ωφέλειας. Η πρόκληση σήμερα έγκειται στην επιτυχή εκμετάλλευση της συσσωρεμένης πλέον γνώσης, η οποία δεν κατέστη εφικτή τα προηγούμενα χρόνια. Ουδείς υποστηρίζει ότι η εκμετάλλευση της κίνησης των κυμάτων για την παραγωγή ενέργειας δεν αποτελεί μια καλή ιδέα. Στο κάτω κάτω, το «καύσιμο» αυτό θα παράγεται δωρεάν και συνεχώς, ενώ η διαδικασία της παραγωγής δεν είναι ρυπογόνος. Η ενέργεια από τη θάλασσα είναι προφανώς αξιοπρόσεκτη, αλλά είναι αρκετά διασκορπισμένη και επομένως πολύ δύσκολη ως προς τη συλλογή της. Επίσης βρίσκεται συνήθως μακριά από τους τόπους κατανάλωσης. Η ενέργεια της θάλασσας συναντάται με τις μορφές: ενέργεια των κυμάτων ενέργεια των παλιρροιών και των ρευμάτων θερμική ενέργεια των ωκεανών ενέργεια λόγω της διαφοράς αλατότητας του γλυκού από το θαλασσινό νερό. 3.2 ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΤΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ Η αρχή λειτουργίας των διατάξεων αξιοποίησης της ενέργειας των κυμάτων είναι η εξής: Η κίνηση του κύματος μετασχηματίζεται σε μια μηχανική ή μια υδραυλική δύναμη. Ένας σύνδεσμος μεταδίδει τη δύναμη σε ένα σύστημα μετατροπής ισχύος που παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Το ποσόν της παραγόμενης ισχύος εξαρτάται από το ύψος του κύματος και από τη φύση του συστήματος μετατροπής. 3.3 ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΩΝ ΚΥΜΑΤΩΝ 22

30 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Υπάρχουν ουσιαστικά τέσσερις βασικοί τύποι μηχανισμών που έχουν δοκιμαστεί πειραματικά για τη σύλληψη της ενέργειας των κυμάτων. Τα συστήματα αυτά κυματικής ενέργειας βασίζονται στις αρχές λειτουργίας που περιγράφονται στις παραγράφους έως ΠΑΛΛΟΜΕΝΗ ΣΤΗΛΗ ΝΕΡΟΥ Στην απλούστερή του μορφή το σύστημα αυτό είναι μια στήλη με τη μια έδρα μέσα στο νερό και την άλλη έδρα ανοιχτή στον αέρα (Σχήμα 3.4). Όταν η στάθμη του νερού μετατοπίζεται, τότε και η στήλη του αέρα μετατοπίζεται επίσης. Η παλινδρομική κίνηση της θαλάσσιας επιφάνειας προκαλεί ρυθμική συμπίεση αποσυμπίεση της αέριας μάζας μέσα στο θάλαμο, η οποία χρησιμοποιείται για την κίνηση αεροστρόβιλου. Εάν τοποθετηθεί ένας αεροστρόβιλος στην ανοιχτή πλευρά της στήλης, η ροή του αέρα θα παράγει ισχύ. Οι λεγόμενοι στρόβιλοι Wells κατέχουν την ικανότητα να περιστρέφονται μονίμως κατά την ίδια κατεύθυνση, όποια και αν είναι η φορά του ρεύματος του αέρα μέσω του στροβίλου. Μια τέτοια στήλη μπορεί να τοποθετηθεί είτε υπεράκτια είτε παράκτια. Σχήμα 3.1 Καθώς η στάθμη του νερού ανεβοκατεβαίνει, μια στήλη αέρα συμπιέζεται και αποσυμπιέζεται, θέτοντας σε κίνηση ένα στρόβιλο Α. OCEANLINX H συσκευή Oceanlinx της Αυστραλιανής εταιρίας Oceanlinx Limited, έχει σχεδιαστεί για να αποσπά την ενέργεια των θαλάσσιων κυμάτων και να τηνμετατρέπει είτε σε ηλεκτρισμό ή να χρησιμοποιεί αυτή την ενέργεια για να παράγει αφαλατωμένο γλυκό νερό από το θαλασσινό. 23

31 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Εικονα3.1.Η πρωτότυπη μονάδα Oceanlinx των 450kW στο Port Kembla της Αυστραλίας Τεχνολογία Τα ωκεάνια κύματα περιέχουν τεράστια ποσά ενέργειας. Καθώς αυτή η ενέργεια περνάει από τη συσκευή Oceanlinx, το νερό μέσα στο OWC (ένας θάλαμος που είναι ανοιχτός κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας) ανεβοκατεβαίνει συμπιέζοντας και μετατοπίζοντας τον αέρα μέσα στο θάλαμο, οδηγώντας τον μέσα από ένα στρόβιλο που στεγάζεται στο στενότερο και ψηλότερο σημείο του θαλάμου.επειδή ο θάλαμος OWC στενεύει (έχει κωνοειδές σχήμα), ο αέρας επιταχύνεται στη μέγιστη ταχύτητά του καθώς διέρχεται μέσα από τον στρόβιλο, επιτρέποντας τη μέγιστη απόσπαση της ενέργειας από τη θάλασσα. Η κίνηση ταλάντωσης του κύματος προκαλεί μια παρόμοια ταλάντωση στη ροή του αέρα μέσα από τον θάλαμο και ο στρόβιλος μετατρέπει ενέργεια και στις δύο κινήσεις (πάνω και κάτω). Ο καινοτόμος στρόβιλος, που περιγράφεται αργότερα, μετατρέπει την ενέργεια της ροής του αέρα σε μηχανική ενέργεια που κινεί μια ηλεκτρική γεννήτρια. Ο θάλαμος και ο στρόβιλος αποτελούν τη «καρδιά» του μετατροπέα Oceanlinx. Ένα μέσο σπίτι καταναλώνει καθημερινά 20 kwh ηλεκτρισμό και 350 lt νερό. Έτσι κατ αντιστοιχία μία μονάδα Oceanlinx αναμένεται να παράγει αρκετή ισχύ για 1500 σπίτια ή αρκετό νερό για 9000 σπίτια. Το βασικότερο τμήμα του Oceanlinx είναι ο στρόβιλος Denniss-Auld. Οι περισσότεροι στρόβιλοι είναι σχεδιασμένοι για να λειτουργούν με αέριο ή υγρό να ρέει 24

32 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ προς μία κατεύθυνση, με σταθερή ταχύτητα και με τα πτερύγια τους να εκμεταλλεύονται τη βέλτιστη «γωνία επίθεσης». Ωστόσο, όταν η ροή δεν είναι πάντα από την ίδια κατεύθυνση ή δεν έχει σταθερή ταχύτητα, οι παραδοσιακοί στρόβιλοι αποδεικνύονται αναποτελεσματικοί. Προηγούμενες προσπάθειες εξάλειψης αυτής της δυσκολίας οδηγούσαν συνήθως σε στροβίλους με διάφορους βαθμούς απόδοσης.ωστόσο ο στρόβιλος Denniss-Auld του Oceanlinx χρησιμοποιεί μια διαφορετικήμέθοδο. Αυτή στηρίζεται σε πτερύγια μεταβλητής κλίσης που, με την πιο αργή περιστροφική κίνηση και τη μεγαλύτερη ροπή του στροβίλου, βελτιώνουν την απόδοση και την αξιοπιστία, ενώ μειώνουν τις απαιτήσεις συντήρησης. Ο στρόβιλος χρησιμοποιεί ένα σύστημα αισθητήρων με μετατροπέα πίεσης πουμετράει τη πίεση που ασκείται στον ωκεάνιο βυθό από κάθε κύμα, καθώς αυτόπλησιάζει το θάλαμο σύλληψης ή καθώς μπαίνει στο θάλαμο. Ο μετατροπέας πίεσης στέλνει ένα παλμό τάσης ανάλογο της πίεσης που προσδιορίζει το ύψος, τη διάρκειακαι το σχήμα του κάθε κύματος. Το σύστημα βαθμονομείται κατάλληλα ώστε να προλαμβάνονται θόρυβοι μικρής κλίμακας από το να το ενεργοποιήσουν. Ο παλμός στέλνεται σε ένα Προγραμματιζόμενο Λογικό Ελεγκτή (PLC) που ρυθμίζει διάφορες παραμέτρους σε πραγματικό χρόνο, όπως τη γωνία των πτερυγίων και την ταχύτητατου στροβίλου. Αυτά βαθμονομούνται σε αλγόριθμο που βασίζεται στις συγκεκριμένες συνθήκες και περιεχόμενο ενέργειας της τοποθεσίας εγκατάστασης,σε οποιαδήποτε χρονική στιγμή. Η ηλεκτρική γεννήτρια που είναι συνδεδεμένη με τον στρόβιλο, έχει σχεδιαστεί ώστε να ελέγχονται ηλεκτρονικά τα χαρακτηριστικά της ταχύτητας και ροπής του φορτίου της γεννήτριας σε πραγματικό χρόνο για τη μεγιστοποίηση της μεταφοράς ενέργειας. Μια επαγωγική μηχανή θα χρησιμοποιηθεί ως γεννήτρια και θα συνδέεταιμε το παρεχόμενο ηλεκτρικό δίκτυο μέσω ενός πλήρους αναπαραγωγικού συστήματος ηλεκτρονικού ελέγχου. Το σημείο διασύνδεσης με το δίκτυο και το σύστημα ελέγχου στεγάζονται σε ένα στεγανό κτίσμα εξωτερικά του αεραγωγού. Η τάση της τριφασικής σύνδεσης σε εκείνο το σημείο είναι 415V L-L στα 50 Hz. Η ηλεκτρική διασύνδεση μεταξύ της γεννήτριας και των κεντρικών αγωγών περιλαμβάνει δύο αμφίδρομους τριφασικούς εναλλάκτες DC/AC, που ο καθένας λειτουργεί με μικροεπεξεργαστή ανεξάρτητου έλεγχου. Οι εναλλάκτες είναι συνδεδεμένοι μεταξύ τους στις DC πλευρές τους. Ο εναλλάκτης από τη μεριά της γεννήτριας μετράει την ταχύτητα της γεννήτριας 25

33 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ και παρέχει τον κατάλληλο έλεγχο της τάσης και της συχνότητας ώστε η γεννήτρια να λειτουργεί σύμφωνα με τον βελτιστοποιημένο αλγόριθμο. Η γεννήτρια μπορεί να έχει ομαλή ηλεκτρική εκκίνηση με σταδιακή ανύψωσητης ισχύος σε ένα προκαθορισμένο επίπεδο. Το σύστημα ελέγχου ενσωματώνει προηγμένους αλγορίθμους ώστε ο στρόβιλος να λειτουργεί στη βέλτιστη ταχύτητα τη χρονική στιγμή που θα ξεκινήσει η ροή του αέρα. Ένας εύκαμπτος μικροεπεξεργαστής επιτρέπει τη δοκιμή διαφόρων αλγορίθμων στη σειρά για να ελέγξει τα αποτελέσματα, ενώ ακόμα επιτρέπει την εύκολη επαναφορά στον αρχικό αλγόριθμο. Ο εναλλάκτης ανιχνεύει αυτόματα την τάση των κεντρικών αγωγών και τους μηδενισμούς της κυματομορφής, με το κατάλληλο φιλτράρισμα. Με τη κατάλληλη διαμόρφωση της φάσης και του εύρους του παλμού, η ισχύς μεταφέρεται προς κάθεκατεύθυνση περιέχοντας αρμονικές και αυξομειώσεις της. Η δυναμική προσομοίωσητης αδράνειας με τη χρήση τεράστιων πυκνωτών, που αναπτύχθηκε πρόσφατα από την αυστραλιανή CSIRO, χρησιμοποιείται για την εξομάλυνση των διακυμάνσεωντου ρεύματος των κεντρικών αγωγών ενώ επιτρέπει στον στρόβιλο να φορτίζεται ως το βέλτιστο σημείο λειτουργίας. Μία μόνο μονάδα ισχύος Oceanlinx μπορεί να παράγει ηλεκτρική ενέργεια από 100 kw έως και 1,5 MW, ανάλογα με τις κυματικές συνθήκες και τις συγκεκριμένες απαιτήσεις του τοπικού πληθυσμού. Η χωρητικότητα της κάθε μονάδας μπορεί να ρυθμιστεί ώστε να εξυπηρετεί τις ανεξάρτητες ανάγκες της κοινότητας ή το δίκτυο διανομής. Όταν είναι αναγκαία η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας περισσότερης από 1,5MW, είναι δυνατή η εγκατάσταση πολλαπλών μονάδων στην ίδια τοποθεσία, συνδεδεμένων στην ακτή μέσω ενός ηλεκτρικού υποθαλάσσιου καλωδίου. Δεν υπάρχει θεωρητικός περιορισμός στον αριθμό των μονάδων που μπορούν να εγκατασταθούν σε μία τοποθεσία. Οι μονάδες μπορούν να χωριστούν κατά διαστήματα σε κοντινή μεταξύ τους απόσταση για τη μείωση της πρόσκρουσης των κυμάτων στην ακτή (κυματοθραυστική λειτουργία) ή σε μεγαλύτερη μεταξύ τους απόσταση ώστε να μην επηρεάζουν την παλιρροιακή ζώνη. Η Oceanlinx συμβουλεύεται στενά με τοπικούς συμμέτοχους για να εξασφαλίσει ότι η ποσότητα και ποιότητα της παραγόμενης ηλεκτρικής ενέργειας από τα θαλάσσια κύματα, ταιριάζει με τις ανάγκες και προσδοκίες των τελικών 26

34 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ καταναλωτών. Επιπροσθέτως, η ευελιξία της καινοτόμας ηλεκτρικής γεννήτριας και του συστήματος ελέγχου με μικροεπεξεργαστή, επιτρέπουν στη συσκευή να ενεργεί ως κάποιου είδους απομονωτή έναντι ανεπιθύμητων αιχμών σε δίκτυα μικρής κλίμακας. Αυτό εξασφαλίζει μεγαλύτερο βαθμό σταθερότητας του δικτύου σε απομακρυσμένες κοινότητες. Όσον αφορά την αφαλάτωση του νερού, μια τυπική μονάδα Oceanlinx μπορεί να παρέχει πάνω από 3 εκατομμύρια (lit) γλυκού νερού την ημέρα. Μικρότερες μονάδες είναι επίσης διαθέσιμες, ενώ μεγαλύτερη χωρητικότητα μπορεί να επιτευχθεί μέσω πολλαπλών μονάδων. Η παραγωγή νερού πόσιμης ποιότητας επιτυγχάνεται χωρίς να καταλαμβάνεται έκταση, χωρίς έξοδα καυσίμου, χωρίς εκπομπές ρύπων και με ασήμαντα ζητήματα διάθεσης της άλμης. Το κόστος παραγωγής αφαλατωμένου νερού οποιασδήποτε ποσότητας, είναι γενικά χαμηλότερο από τις συμβατικές μεθόδους, με εύκολη συντήρηση και διαθεσιμότητα των τμημάτων αντικατάστασης. Εικόνα 3.2 Η πρωτότυπη μονάδα Oceanlinx των 450 kw πριν από την ρυμούλκηση της στην επιλεγμένη τοποθεσία εγκατάστασης στο Port Kembla της Αυστραλίας. B. LIMPET To 1998 το Queen s University Belfast σε συνεργασία με τις εταιρίες Wavegen Ireland Ltd, Charles Brand Ltd, Kirk McClure Morton και τη I.S.T. Portugal ανέλαβαν 27

35 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ να κατασκευάσουν και να δοκιμάσουν μια παράκτια εγκατάσταση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από την ενέργεια των θαλάσσιων κυμάτων. Το σύστημα αυτό που είναι γνωστό ως LIMPET (Land Installed Marine Power Energy Transmitter), εγκαταστάθηκε στη νήσο του Islay έξω από τα Δυτικά παράλια της Σκοτίας και η έναρξη της λειτουργίας του πραγματοποιήθηκε το Νοέμβριο του Έκτοτε η εγκατάσταση λειτουργεί και ελέγχεται εξ αποστάσεως, ενώ τροφοδοτεί το δίκτυο του Ηνωμένου Βασιλείου με ηλεκτρική ενέργεια. Η μέχρι σήμερα επιτυχημένη λειτουργία χωρίς επίβλεψη της εγκατάστασης LIMPET απέδειξε τις δυνατότητες συνεισφοράς της παράκτιας κυματικής ενέργειας στα εθνικά αποθέματα ενέργειας. Εικόνα 3.3 Η ολοκληρωμένη εγκατάσταση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας LIMPET στο νησί του Islay Τεχνολογία Η συσκευή χρησιμοποιεί τρεις στήλες ύδατος που ταλαντώνονται μέσα σε θαλάμους από μπετόν με εσωτερικές διαστάσεις 6 m επί 6 m και σε κλίση 40ºως προς την οριζόντιο. Το επάνω τμήμα των θαλάμων είναι εσωτερικά συνδεδεμένο και η μετατροπή της ενέργειας πραγματοποιείται από μία μόνο στρόβιλο-γεννήτρια που είναι συνδεδεμένη στον μεσαίο αγωγό. Οι στήλες ύδατος έχουν εξωτερικό πλάτος 21 m και βρίσκονται 17 m εσωτερικά της φυσικής ακτογραμμής σε ένα προκατασκευασμένο βαθούλωμα με βάθος νερών 6 m Οι πλευρές του βαθουλώματος είναι ουσιαστικά παράλληλες και κάθετες ως προς την επιφάνεια της θάλασσας. Στην εγκατάσταση αυτή η κατακόρυφη παλινδρομική κίνηση των κυμάτων χρησιμοποιείται ως έμβολο που πιέζει τον αέρα ενός θαλάμου, η ροή του οποίου περιστρέφει ένα στρόβιλο. Το σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας περιλαμβάνει ένα στρόβιλοwells αντίστροφης περιστροφής, κατασκευασμένο από ανοξείδωτο χάλυβα με διάμετρο της 28

36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ πτερωτής του 2,6 m.κάθε επίπεδη επιφάνεια με πτερύγια του στροβίλου Wells είναι ενσωματωμένη απευθείας στον άξονα μιας τροποποιημένης επαγωγικής γεννήτριας των 250 kw, δίνοντας έτσι συνολική εγκατεστημένη ισχύ 500 kw. Εικόνα 3.4 Λειτουργία της εγκατάστασης LIMPET στη νήσο Islay. Η έξοδος των γεννητριών εξομαλύνεται και αντιστρέφεται πριν από τη σύνδεση με το ηλεκτρικό δίκτυο. Τα λειτουργικά χαρακτηριστικά της εγκατάστασης LIMPET ελέγχονται από ειδικό λογισμικό και μπορούν να μεταβληθούν. Ο θόρυβος που παράγεται από την ροή του αέρα διαμέσου των στροβίλων μειώνεται σε ένα ειδικό ακουστικό θάλαμο πριν απελευθερωθεί στην ατμόσφαιρα. Η στρόβιλο-γεννήτρια περιλαμβάνει επίσης μια βαλβίδα με περιστρεφόμενο δίσκο και μια βαλβίδα βάνας. Το σύστημα συλλογής πληροφοριών παρακολουθεί όλες τις βασικές λειτουργικές παραμέτρους καθ όλη τη διαδικασία μετατροπής της ενέργειας. Επίσης για μια περιορισμένη περίοδο παρακολουθήθηκε και η ενέργεια των προσπιπτόντων θαλάσσιων κυμάτων, χρησιμοποιώντας διατάξεις μετατροπής πίεσης του πυθμένα.ακόμα παρακολουθήθηκαν τα φορτία των κυμάτων στους εμπρός και πίσω τοίχους της εγκατάστασης και μετρήθηκαν οι κινήσεις των στηλών ύδατος χρησιμοποιώντας διατάξεις μετατροπής της πίεσης καθώς και ηχητικές διατάξεις μετατροπής. 29

37 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Με βάση τα χρήσιμα αποτελέσματα από τη δοκιμή και αξιολόγηση του συστήματος LIMPET στο νησί του Islay, αναπτύχθηκαν νέα σχέδια σε συνδυασμό με διάφορες μεθόδους κατασκευής, καθώς και νέα υλικά. Στο μέλλον προβλέπεται η κατασκευή ενός απλούστερου μοντέλου στρόβιλο-γεννήτριας και συστήματος ελέγχου που σε συνδυασμό με τη μείωση της ύλης κατασκευής των θαλάμων, θα έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε ανταγωνιστικές τιμές ως προς τις αντίστοιχες των ανεμογεννητριών. Η εργασία που ολοκληρώθηκε στη συγκεκριμένη εγκατάσταση LIMPET αποτελεί ένα σημαντικό βήμα για την εξέλιξη των μελλοντικών τεχνολογιών κυματικής ενέργειας και συγκεκριμένα θα έχει (και ήδη έχει) ως αποτέλεσμα την ανάπτυξη της νέας γενιάς συστημάτων «ταλαντώμενης στήλης ύδατος». Η εγκατάσταση παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας LIMPET στο νησί του Islay συνεχίζει την παραγωγική λειτουργία της συνδεδεμένη με το δίκτυο ενώ πλέον έχει γίνει τουριστικό αξιοθέατο, επιδεικνύοντας τις προοπτικές εκμετάλλευσης της κυματικής ενέργειας ΥΠΕΡΚΑΛΥΠΤΟΜΕΝΗ ΔΙΑΤΑΞΗ Σε αυτόν τον τύποτο νερό κυλά υπεράνω μιας κεκλιμένης επιφάνειας και γεμίζει μια τεχνητή δεξαμενή. Το αποθηκευμένο νερό στη συνέχεια διοχετεύεται μέσω ενός σωλήνα διαμέσου ενός υδροστροβίλου για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας. (σχήμα 3.5). Σχήμα 3.2 Συλλέγοντας νερό από τα κύματα σε μια δεξαμενή, αυτή η διάταξη θέτει σε κίνηση έναστρόβιλο καθώς το συγκεντρωμένο νερό αποστραγγίζει. 30

38 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Α.WAVE DRAGON Το Wave Dragon της Δανέζικης εταιρίας Wave Dragon Ltd είναι ένας μετατροπέας της κυματικής ενέργειας τύπου υπέρβασης, που επιπλέει στην επιφάνειατης θάλασσας ενώ είναι δεμένος στο βυθό της. Μπορεί να εγκατασταθεί μία ή περισσότερες μονάδες Wave Dragon συνδεδεμένες σε ομάδες, με αποτέλεσμα τη δημιουργία μίας εγκατάστασης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας μεμέγεθος παραγωγής συγκρίσιμο με μία παραδοσιακή μονάδα φυσικού καυσίμου. Το πρώτο πρωτότυπο που συνδέθηκε με το δίκτυο βρίσκεται στο Nissum Bredning της Δανίας. Πραγματοποιήθηκαν εκτενείς δοκιμές και πειράματα για τον καθορισμό της απόδοσης του συστήματος, όπως η διαθεσιμότητα και η παραγωγή ενέργειας υπό διάφορες συνθήκες (π.χ. κλιματολογικές). Η αποδοτικότητα απορρόφησης ενέργειας στη συγκεκριμένη τοποθεσία έχει ελεγχθεί και πιστοποιηθεί.συνεπώς το επόμενο στάδιο ανάπτυξης είναι η βελτιστοποίηση της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με απώτερο στόχο μια εγκατάσταση πολλών MW. Εικόνα3.5 Το πρωτότυπο μοντέλο Wave Dragon κλίμακας 1:4,5 στο Nissum Brending της Δανίας Τεχνολογία Η βασική ιδέα του μετατροπέα Wave Dragon αφορά την εφαρμογή γνώριμων και αποδεδειγμένων αρχών και θεωριών από τις παραδοσιακές υδροηλεκτρικές μονάδες παραγωγής σε μία πλατφόρμα που επιπλέει στην ανοιχτή θάλασσα. Η αρχή λειτουργίας 31

39 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ του είναι πολύ απλή. Η συσκευή υπέρβασης Wave Dragon ανυψώνει τα κύματα της θάλασσας σε μία δεξαμενή πάνω από το επίπεδο της θάλασσας. Από εκεί το νερό επιστρέφει στη θάλασσα περνώντας μέσα από ένα συγκεκριμένο αριθμό υδροστροβίλων οι οποίοι αρχίζουν να περιστρέφονται, με αποτέλεσμα να παράγεται ηλεκτρισμός λόγω της υψομετρικής διαφοράς. Τα βασικά στάδια λειτουργίας του Wave Dragon συνοψίζονται ως εξής : Υπέρβαση της Ειδικής Ράμπας (Απορρόφηση) Αποθήκευση (Δεξαμενή) Επιστροφή στη Θάλασσα Παραγωγή Ηλεκτρικής Ενέργειας (Υδροστρόβιλοι) Εικόνα 3.6 Η αρχή λειτουργίας του μετατροπέα τύπου υπέρβασης Wave Dragon. Το Wave Dragon παρά την απλή κατασκευή του, είναι ιδιαίτερα πολύπλοκοόσον αφορά το σχεδιασμό του. Καταβάλλεται μεγάλη προσπάθεια στο σχεδιασμό,στη μοντελοποίηση και στη δοκιμή του Wave Dragon ώστε να βελτιωθεί σε αρκετούς τομείς όπως : Βελτιστοποίηση της υπέρβασης της ειδικής ράμπας. Βελτιστοποίηση της υδραυλικής ανταπόκρισης και της πλευστότητας. Εξομάλυνση των δυνάμεων των κυμάτων στους ανακλαστήρες και στο σύστημα πρόσδεσης. Μείωση του κόστους κατασκευής, συντήρησης και λειτουργίας. 32

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Το Wave Dragon αγκυροβολείται στη θάλασσα (όπως ένα πλοίο) σε βάθος τουλάχιστον 25 m. Προτιμάται βάθος μεγαλύτερο των 40 m για την εκμετάλλευση των κυμάτων στο μέγιστο δυνατό βαθμό, προτού χάσουν μεγάλο ποσοστό της ενέργειας τους καθώς πλησιάζουν στη παράκτια περιοχή. Το Wave Dragon είναι μία συσκευή που ενώ επιπλέει στην επιφάνεια της θάλασσας θα πρέπει να διατηρείται όσο το δυνατόν σταθερή αφού δεν μετατρέπει τα κύματα σε ηλεκτρική ενέργεια με την αναπήδηση του πάνω κάτω ή με την κίνηση κάποιων τμημάτων λόγω της κίνησης των θαλάσσιων κυμάτων. Ενώ στις περισσότερες συσκευές μετατροπής ενέργειας ανοιχτής θαλάσσης καταβάλλεται μεγάλη προσπάθεια ώστε να αποφευχθεί η υπέρβαση του νερού των θαλάσσιων κυμάτων, στο Wave Dragon ο στόχος είναι η υπέρβαση όσο το δυνατόν περισσότερου όγκου νερού. Για αυτό και είναι σχεδιασμένο με μία εδική κυρτή ράμπα και ανακλαστήρες κυμάτων. Το σχήμα της ράμπας μοιάζει με αυτό μιας κυρτής παραλίας, ενώ είναι κοντή και απότομη για την ελαχιστοποίηση των απωλειών. Επειδή όταν το κύμα φτάνει στη ράμπα αλλάζει η γεωμετρία του και ανυψώνεται, το σχήμα της ράμπας είναι ελλειψοειδές για τη μεγιστοποίηση της εκμετάλλευσης αυτού του φαινομένου. Ο κύριος ρόλος των ανακλαστήρων είναι να συγκεντρώνουν και να κατευθύνουν τα κύματα προς τη ράμπα. Η αναλογία των τμημάτων του Wave Dragon που βρίσκονται πάνω και κάτω από την επιφάνεια της θάλασσας μπορεί να ρυθμιστεί κατάλληλα από ένα σύστημα αέρα υπό πίεση σε ειδικά διαμορφωμένες δεξαμενές στο κάτω μέρος της πλατφόρμας. Έτσι το ύψος της κατασκευής έξω από το νερό ρυθμίζεται ανάλογα με τις κυματικές συνθήκες στην αποδοτικότερη θέση. Η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας πραγματοποιείται από τους υδροστρόβιλους που κινούνται από το άδειασμα του αποθηκευμένου νερού της δεξαμενής όγκου 8000 τ.μ. περίπου. Το Wave Dragon είναι εξοπλισμένο με υδροστρόβιλους που λειτουργούν ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο για την κατά το δυνατόν ομαλότερη παραγωγή ηλεκτρισμού. Για παράδειγμα ένα Wave Dragon σχεδιασμένο για τοποθεσία με ενέργεια κυμάτων 24 kw/m υπολογίζεται ότι θα αποτελείται από 16 στροβίλους. 33

41 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Εικόνα 3.7 Η πρόσοψη του μετατροπέα Wave Dragon στο Nissum Brending. Διακρίνονται οι ανακλαστήρες των θαλάσσιων κυμάτων, δεξιά και αριστερά από το κύριο τμήμα υπέρβασης και μετατροπής. Γενικά το Wave Dragon χρησιμοποιεί παραδοσιακούς υδροστρόβιλους προπέλας με σταθερές βάνες εισόδου, το οποίο αποτελεί μια ώριμη και αποδεδειγμένη τεχνολογική επιλογή εδώ και 80 χρόνια. Συγκεκριμένα για το Wave Dragon αναπτύχθηκε ένας ειδικός, μικρού μεγέθους στρόβιλος Kaplan.Η μετατροπή της περιστροφής των υδροστροβίλων σε ηλεκτρική ενέργεια γίνεται μέσω μιας γεννήτριας μόνιμων μαγνητών για κάθε στρόβιλο. Η επιλογή αυτή αποσκοπεί στην αποφυγή χρήσης κιβωτίου ταχυτήτων, που είναι αναγκαίο για μια ασύγχρονη γεννήτρια. Το Wave Dragon είναι σχεδιασμένο έτσι ώστε τα μοναδικά κινούμενα μέρη του να είναι οι στρόβιλοι.έτσι αφενός μεν μειώνεται το κόστος συντήρησης, αφετέρου ελαχιστοποιούνται οι επικίνδυνες επιδράσεις από το λέρωμα, την ανάπτυξη μικροοργανισμών (π.χ. φύκια) και από τα διάφορα αντικείμενα που επιπλέουν στην επιφάνεια. Επίσης επειδή σε συνθήκες καταιγίδας οι δυνάμεις των κυμάτων που προσκρούουν στη συσκευή είναι μεγάλες και μπορεί να προκαλέσουν σοβαρές ζημιές, το Wave Dragon έχει ιδιαίτερα στιβαρή και ανθεκτική κατασκευή αφού κατά τον σχεδιασμό του δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή σε διάφορες πτυχές όπως : Χρήση ειδικού συστήματος πρόσδεσης (που χρησιμοποιείται κατά κύριο λόγο για την αγκυροβόληση πλοίων) για την ασφαλή απορρόφηση των ισχυρών δυνάμεων των κυμάτων και του αέρα. Σχεδιασμός και δοκιμή ειδικής διάταξης συρμάτων για τη προστασία του συστήματος πρόσδεσης και των ανακλαστήρων. 34

42 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Επιτυχείς δοκιμές μοντέλων σε ακραίες καιρικές συνθήκες με τεράστια κύματα (τα οποία περνούν από πάνω από τη συσκευή χωρίς ιδιαίτερα προβλήματα). Οι πολύ ισχυροί άνεμοι δεν είναι σε θέση να δημιουργήσουν σοβαρά προβλήματα αφού το Wave Dragon έχει μικρό ύψος έξω από το νερό. Η περίπτωση τυφώνων θα αντιμετωπιστεί με τη μέγιστη δυνατή βύθιση της κατασκευής. Για τη μείωση του κόστους συντήρησης το Wave Dragon είναι στο μεγαλύτερο ποσοστό του κατασκευασμένο με τυποποιημένα υλικά και τμήματα. Επιπλέον, οι στρόβιλοι μπορούν να αντικατασταθούν ανεξάρτητα για συντήρηση βάσει ενός προκαθορισμένου προγράμματος, για τη μείωση του κόστους και τη διασφάλιση υψηλής διαθεσιμότητας και μικρής απώλειας παραγωγής. Όσον αφορά τις επιπτώσεις του Wave Dragon στο περιβάλλον, έχουν γίνει αναλυτικές μελέτες και τα αποτελέσματα που προέκυψαν είναι θετικά, ακόμα και σε σύγκριση με άλλες τεχνολογίες ανανεώσιμης ενέργειας. Τα πλεονεκτήματα του Wave Dragon ως προς το περιβάλλον είναι : Πολύ μικρή ορατότητα της κατασκευής. Το Wave Dragon θα μοιάζει με ένα αγκυροβολημένο πλοίο με ύψος το πολύ 7 m έξω από το νερό. Μικρό «αποτύπωμα» στο βυθό της θάλασσας. Τα μόνα τμήματα που θα εγκατασταθούν στο βυθό θα είναι οι άγκυρες πρόσδεσης και το καλώδιο ισχύος. Σχεδόν αθόρυβη λειτουργία. Δεν υπάρχει κίνδυνος διαρροής. Όλα τα υδραυλικά λάδια της κατασκευής έχουν αντικατασταθεί με υδραυλικά νερού, ενώ δεν χρησιμοποιείται τοξικό αντιρρυπαντικό. Βασικά Πλεονεκτήματα Το σύστημα Wave Dragon συνδυάζει υπάρχουσα και ανεπτυγμένη τεχνολογίαανοιχτής θαλάσσης και υδροστροβίλων. Είναι ο μοναδικός μετατροπέας της ενέργειας των κυμάτων ανοιχτής θαλάσσης υπό ανάπτυξη, που μπορεί να κατασκευαστεί σε οποιαδήποτε κλίμακα μεγέθους χωρίς περιορισμούς. Εξαιτίας του μεγάλου μεγέθους του, το σέρβις, η συντήρηση και ακόμα και αρκετά σημαντικές επισκευές μπορούν να πραγματοποιηθούν επί τόπου μέσα στη θάλασσα, 35

43 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ με χαμηλό σχετικά κόστος λειτουργίας και συντήρησης σε σχέση με άλλου είδους μετατροπείς. Το Wave Dragon χρησιμοποιεί με άμεσο τρόπο την ενέργεια των κυμάτων σε αντίθεση με τους περισσότερους μετατροπείς άλλου είδους. Η κατασκευή του είναι πολύ απλή και τα μόνα κινητά τμήματα του είναι οι στρόβιλοι. Συνεπώς πρόκειται για ιδιαίτερα στιβαρή και αξιόπιστη κατασκευή. Μελλοντική Ανάπτυξη - Εφαρμογή Τον Απρίλιο του 2007 κατατέθηκε η Αναφορά της Περιβαλλοντικής Επίδρασηςτου Wave Dragon από τη Wave Dragon Ltd, έπειτα από διαβουλεύσεις, μελέτες και έρευνες δύο χρόνων. Αυτό αποτελεί το πρώτο σημαντικό βήμα για την κατασκευήμιας εγκατάστασης παραγωγής ενέργειας με Wave Dragons ισχύος 70 MW στην Κελτική Θάλασσα μέχρι το Επίσης προβλέπεται η κατασκευή και εγκατάσταση ενός Wave Dragon ισχύος 7 MW έξω από το Daleand Marloes Peninsula (Pembrokeshire) μέχρι το καλοκαίρι του ΣΗΜΕΙΑΚΟΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΤΗΡΑΣ Πρόκειται για πλωτήρες στηνεπιφάνεια της θάλασσας ή αγκυρωμένους στον θαλάσσιο πυθμένα, οι οποίοιακολουθούν την κατακόρυφη κίνηση της θαλάσσιας επιφάνειας. Ηπαλινδρομική κίνηση του πλωτήρα μετατρέπεται μέσω μηχανικών ήυδραυλικών συστημάτων σε περιστροφική ή άλλου είδους κίνηση για τηλειτουργία ηλεκτρογεννήτριας. (σχήμα 3.6). Σχήμα 3.6. Αυτός ο πλωτήρας απορροφά κυματική ενέργεια από όλες τις κατευθύνσεις καθώς κινείται παλινδρομικά πάνω και κάτω 36

44 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Α. AQUABUOY Το AquaBuOY είναι μια αξιολογημένη από ανεξάρτητους φορείς και εμπορικά βιώσιμη τεχνολογία μετατροπής της ενέργειας των κυμάτων ανοιχτής θαλάσσης, της εταιρίας Finavera Renewables. Κάθε μηχανή AquaBuOY είναι κατάλληλα σχεδιασμένη για λειτουργία μαζί με άλλες σε συστάδες, δημιουργώντας ενεργειακές «Φάρμες Κυμάτων» σε απόσταση αρκετών μιλίων από την ακτή. Το επίπεδο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας του AquaBuOY μπορεί να κυμαίνεται από μερικές εκατοντάδες kw μέχρι μερικές εκατοντάδες MW, ενώ είναι κατάλληλο για διανεμημένη παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε παράκτιες κοινότητες ή σε μεγάλα πληθυσμιακά κέντρα. Μια συστάδα ή σειρά από AquaBuOY θα έχει διακριτική παρουσία στο νερό, αφού από μία απόσταση κάποιων μιλίων δεν θα είναι περισσότερο ορατή από ένα μικρό στόλο από ψαρόβαρκες. Εικόνα 3.8 Το μοντέλο AquaBuOY 2.0 με ενσωματωμένες ανεμογεννήτριες και Φωτοβολταικά πάνελς, στη θάλασσα έξω από το New port του Oregon. 37

45 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Τεχνολογία Το AquaBuOY είναι ένα είδος σημειακού απορροφητή, αφού έχει μικρή επιφάνεια απορρόφησης ως προς το μήκος των θαλάσσιων κυμάτων. Η μεταφορά ενέργειας γίνεται με τη μετατροπή της κάθετης συνιστώσας της κινητικής ενέργειαςτων κυμάτων σε θαλασσινό νερό υπό πίεση με τη βοήθεια αντλιών διπλής δράσης. Το πρεσαρισμένο νερό οδηγείται σε ένα σύστημα μετατροπής που αποτελείται από ένα στρόβιλο Pelton συνδεδεμένο με μια ηλεκτρική γεννήτρια. Η ισχύς μεταφέρεται στην ακτή με τη βοήθεια μιας υποθαλάσσιας γραμμής μεταφοράς. Το AquaBuOY αποτελείται από τέσσερα βασικά τμήματα: την πλωτή σημαδούρα, τον σωλήνα επιτάχυνσης, το έμβολο και την αντλία τύπου μάνικας. Ο σωλήνας επιτάχυνσης είναι ένας κάθετος κύλινδρος, στερεωμένος κάτω από το σώμα της σημαδούρας. Ο σωλήνας επιτάχυνσης είναι ανοιχτός και στα δύο άκρα του ώστε να επιτρέπει την ανεμπόδιστη είσοδο και έξοδο του νερού της θάλασσας προς κάθε φορά. Το έμβολο είναι τοποθετημένο στο μέσο του σωλήνα επιτάχυνσης και πρόκειται για έναν πλατύ δίσκο ουδέτερης πλευστότητας. Όταν η σημαδούρα είναι σε στάση, το πιστόνι συγκρατείται στο μέσο λόγω της εξισορροπημένης έντασης δύο αντλιών τύπου μάνικας που είναι τοποθετημένες στις αντίθετες πλευρέςτου εμβόλου (στο πάνω και στο κάτω μέρος του) και εκτείνονται μέχρι το πάνω και το κάτω μέρος του σωλήνα επιτάχυνσης, αντίστοιχα. Η αντλία τύπου μάνικας είναι μια μάνικα από καουτσούκ ενισχυμένο με ατσάλι, της οποίας ο εσωτερικός όγκος μειώνεται όταν η μάνικα τεντώνεται,λειτουργώντας σαν αντλία. Το πρεσαρισμένο νερό της θάλασσας αποβάλλεται συνεχώς σε έναν αποταμιευτή υψηλής πίεσης και στη συνέχεια τροφοδοτείται σε ένα στρόβιλο Pelton που οδηγεί μια γεννήτρια. Ο παραγόμενος ηλεκτρισμός μεταφέρεται στην ακτή με τη βοήθεια ενός τυπικού υποθαλάσσιου καλωδίου. Αυτά τα τρία βασικά τμήματα, δηλαδή ο σωλήνας επιτάχυνσης, το πιστόνι και οι 2 αντλίες τύπου μάνικας,αποτελούν το σύστημα ΡΤΟ (Power Take-Off) του AquaBuOY.Οι κύκλοι εργασιών συντήρησης και αντικατάστασης είναι σχεδιασμένοι ώστε να παρατείνουν την ζωή του συστήματος για παραπάνω από 20 χρόνια 38

46 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Εικόνα3.9 Η βασική λειτουργία άντλησης του μετατροπέα AquaBuOY.Βασικά Πλεονεκτήματα Τα βασικά πλεονεκτήματα της διάταξης AquaBuOY είναι: Ευελιξία Κατασκευής. Ο μετατροπέας AquaBuOY αποτελείται από επιμέρους μονάδες και μπορεί να εφαρμοστεί σε διάφορα μεγέθη εγκαταστάσεων, από μία μικρή συστάδα με AquaBuOYs μέχρι μια μεγάληφάρμα με εκατοντάδες AquaBuOYs σε σειρές. Έτσι η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να κυμαίνεται από μερικές εκατοντάδες KW μέχρι μερικές εκατοντάδες MW Αποδεδειγμένη Τεχνολογία. Όλα τα τμήματα του μετατροπέα έχουν αποδεδειχθεί τεχνολογικά και χρησιμοποιούνται σε θαλάσσιες εφαρμογές σε ολόκληρο τον κόσμο, δεκαετίες τώρα. Τα επιμέρους τμήματα της τεχνολογίας AquaBuOY έχουν δοκιμαστεί 39

47 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ στον ωκεανό από τους αρχικούς κατασκευαστές άλλα και από την βιομηχανία πετρελαίου ανοιχτής θαλάσσης. Ικανότητα Επιβίωσης. Μια εγκατάσταση με AquaBuOYs σε συστοιχία αποτελείται από μικρούς μετατροπείς που είναι παρόμοιοι με σημαδούρες πλοήγησης, που είναι γνωστές για την ικανότητα επιβίωσης τους εδώ και αρκετές δεκαετίες. Κατά την διάρκεια του πρόσφατου Τσουνάμι, παρόμοιες θαλάσσιες κατασκευές που βρισκόντουσαν στην ανοιχτή θάλασσα επέζησαν αφού ανυψώθηκαν πάνω από το φονικό κύμα, ακριβώς όπως θα έκανε και έναaquabuoy. Αντίθετα οποιοδήποτε παράκτιο σύστημα θα είχε υποστεί καταστροφικές ζημιές. Επίσης η διαρροή λαδιών που είναι σχετικά συχνό φαινόμενο σε τέτοιες συσκευές, δεν θα παρεμπόδιζε την λειτουργία τουaquabuoy, σε αντίθεση με κάποια συσκευή παράκτιας τεχνολογίας. Μεγιστοποιημένη Έξοδος Ηλεκτρικής Ενέργειας. Το AquaBuOY είναι σχεδιασμένο ώστε να μεγιστοποιεί την έξοδο του σε μέτριες κυματικές συνθήκες και όχι σε ακραίες. Αυτό αποτρέπει τα επιπλέον έξοδα για τον περαιτέρω σχεδιασμό που θα χρειαζόταν για να μπορεί να απορροφά την κυματική ενέργεια σε περίπτωση σοβαρών καταιγίδων. Μελλοντική Ανάπτυξη Εφαρμογή Το πρωτότυπο AquaBuOY 1.0 κατασκευάστηκε και προωθήθηκε μετά τα μέσα του Επίσης στα τέλη Αυγούστου του 2007 ολοκληρώθηκε η κατασκευή του AquaBuOY 2.0, ενώ των Σεπτέμβριο του 2007 τέθηκε σε λειτουργία στη θάλασσα έξω από το Newport του Oregon. Προβλέπεται και η κατασκευή ενός τρίτης γενιάς AquaBuOY 3.0 στο άμεσο μέλλον, αφού τα αποτελέσματα από το AquaBuOY 2.0,αν και θετικά σε γενικές γραμμές, οδηγούν στην ανάγκη βελτίωσης του υπάρχοντος μοντέλου ώστε να γίνει εμπορικά ανταγωνιστικό. Υπάρχουν πέντε ενεργειακά πρότζεκτς υπό ανάπτυξη: 1. Στο Makah Bay, WA, USA που βρίσκεται στο τελικό στάδιο για την άδεια από την Ομοσπονδιακή Ρυθμιστική Επιτροπή Ενέργειας έπειτα από περιβαλλοντολογικές, ωκεανογραφικές και βιολογικές μελέτες. Πρόκειται για μία εγκατάσταση επίδειξης του 1MW που αναμένεται να παράγει 1500 MWh το χρόνο. 2. Στο Coos County, OR, USA σε απόσταση 2 με 3 μίλια από την ακτή και σε βάθος 35 με 40 μέτρα. Έχει λάβει προκαταρκτική έγκριση άδειας από την Ομοσπονδιακή 40

48 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Ρυθμιστική Επιτροπή Ενέργειας, ενώ ο σχεδιασμός και οι διάφορες μελέτες αφορούν ένα ενεργειακό πάρκο των 100 MW. 3. Στο Figueirada Foz, Portugal αναπτύσσεται η πρώτη φάση ενός εμπορικού ενεργειακού πάρκου που αρχικά θα είναι μια εγκατάσταση επίδειξης 2 MW που θα επεκταθεί σε 100 MW. Θα αποτελείται από αρκετές εκατοντάδες AquaBuOYs, ονομαστικής ισχύος 250 kw το καθένα, σε απόσταση 3 ναυτικά μίλια από την ακτή και σε βάθος 50 με 60 μέτρα. Η Finavera Renewables βρίσκεται στα τελικά στάδια για μια επιχορήγηση από την Ευρωπαϊκή Επιτροπή.. 4. Στο Ucluelet, BC, Canada που βρίσκεται ακόμα σε πρώιμο στάδιο. Έχει χορηγηθεί Άδεια Ερευνητικής Χρήσης και αφορά τη μελέτη μιας μελλοντικής εγκατάστασης των 5MW. 5. Στο Western Cape, South Africa όπου διεξάγεται μελέτη αξιολόγησης της τοποθεσίας για ένα ενεργειακό πάρκο 20 MW. Εικόνα 3.10 Το μοντέλο AquaBuOY 2.0 υπό κατασκευή ΠΛΩΤΟ ΑΡΘΡΩΤΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Το οποίο στις αρθρώσεις φέρει αντλίες. Με τις κινήσεις του κυματισμού οι αντλίες συμπιέζουν υδραυλικό υγρό και δίνουν κίνηση σε υδραυλικούς κινητήρες. (σχήμα 3.7), 41

49 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Σχήμα 3.7 Πλωτό αρθρωτό σύστημα Α.PELAMIS Το Pelamis είναι ένας μετατροπέας της ενέργειας των θαλάσσιων κυμάτων, ο οποίος αναπτύχθηκε από την Ocean Power Delivery Ltd. Με τεχνολογία ειδικά για τη βιομηχανία ανοιχτής θαλάσσης, το Pelamis δίνει περίπου ισοδύναμη έξοδο με μια μοντέρνα ανεμογεννήτρια. Το πρώτο μοντέλο προ-παραγωγής φυσικής κλίμακας έχει κατασκευαστεί και δοκιμάζεται στο European Marine Energy Centre στο E.M.E.C Test Center στο Orkney. Εικόνα 3.11 Το πρωτότυπο μοντέλο Pelamis φυσικής κλίμακας σε λειτουργία 42

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Τεχνολογία Το Pelamis είναι σχεδιασμένο με ένα γρήγορο και εύκολο σύστημα σύνδεσης αποσύνδεσης που επιτρέπει τη ρυμούλκηση των μηχανών σε ασφαλή νερά για συντήρηση. Το σύστημα έχει σχεδιαστεί κατάλληλα ώστε να μη χρειάζεται να χρησιμοποιηθεί ειδικός εξοπλισμός, δύτες.όλες οι εργασίες συντήρησης μπορούν να πραγματοποιηθούν με τη μηχανή να επιπλέει στα νερά μιας αποβάθρας.επίσης όλα τα εσωτερικά τμήματα του Pelamis είναι αποσυναρμολογούμενα και μπορούν να συνδεθούν/αποσυνδεθούν από τον τυποποιημένο 5Τ κινητό γερανό.μια μονάδα Pelamis αποτελείται τρία ίδια τμήματα μετατροπής ενέργειας, που το κάθε ένα αποτελείται από ένα ολοκληρωμένο ηλεκτρό-υδραυλικό σύστημα παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας της τάξης των 250 kw και τον αντίστοιχο πλωτό κυλινδρικό μεταλλικό σωλήνα. Στην παρακάτω εικόνα παρουσιάζεται το εσωτερικό ενός ολοκληρωμένου ηλεκτρό-υδραυλικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Εικόνα 3.12 Τα βασικά τμήματα του ηλεκτρό-δυναμικού συστήματος παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. 43

51 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 Ο ΔΙΑΤΑΞΕΙΣ ΑΞΙΟΠΟΙΗΣΗΣ ΤΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ Κατά τη λειτουργία του το Pelamis είναι ημιβυθισμένο, ενώ η αρθρωτή κατασκευή του αποτελείται από τέσσερα κυλινδρικά σωληνοειδή τμήματα συνδεδεμένα με αρθρωτούς συνδέσμους. Η κίνηση των συνδέσμων αυτών που προκαλείται από τη κίνηση των θαλάσσιων κυμάτων, αντιτίθεται στους υδραυλικούς βραχίονες, που με τη σειρά τους αντλούν λάδι υψηλής πίεσης σε υδραυλικές κινητήρες δια μέσου συσσωρευτών απόσβεσης. Αυτοί οι υδραυλικοί κινητήρες θέτουν σε κίνηση ηλεκτρικές γεννήτριες που τελικά παράγουν ηλεκτρισμό. Η ισχύς από όλες τις αρθρώσεις μεταφέρεται από ένα μονό καλώδιο σε ένα σημείο σύνδεσης που βρίσκεται στο βυθό της θάλασσας. Με αυτό τον τρόπο είναι δυνατή η διασύνδεση πολλών συσκευών Pelamis με την ακτή διαμέσου ενός μόνο κεντρικού υποβρύχιου καλωδίου. Εικόνα 3.13 Η κίνηση του μετατροπέα Pelamis τόσο ως προς τον οριζόντιο όσο και ως προς τον κατακόρυφο άξονα. Η καινοτόμα αρθρωτή σύνδεση ανάμεσα στους πλωτούς κυλινδρικούς σωλήνες χρησιμοποιείται για να επιφέρει μια συντονισμένη διαγώνια δράση/αντίδραση που αυξάνει σημαντικά την εκμετάλλευση της ενέργειας σε μικρές θάλασσες. Ο έλεγχος που εφαρμόζεται στις ενώσεις επιτρέπει την αύξηση αυτής της συντονισμένης δράσης/αντίδρασης στις μικρές θάλασσες όπου η απόδοτικότητα της σύλληψης της 44