Направи дарение на училище!

Ако терминът „възобновяема енергия“ ви напомня море от слънчеви панели или гора от извисяващи се вятърни турбини, то не сте сами. Все по-често се улавя енергия от слънцето и вятъра. Това е така, защото тези „чисти“ енергийни източници генерират електричество, без да замърсяват въздуха ни. Също толкова важно е те да не отделят въглероден диоксид в атмосферата. Този парников газ улавя слънчевата топлина и допринася за променящия се климат на планетата.

Но слънчевата и вятърната енергия имат един голям недостатък – те не винаги могат да са на разположение. Слънцето грее само през деня, вятърът духа и утихва. Има много малко места, където вятърът е достатъчно постоянен, за да генерира електричество през цялото време. И колкото и лесно да звучи, съхраняването на енергия за по-нататъшна употреба всъщност се оказа голямо предизвикателство.

Замисляли ли сте се обаче за океанските вълни? Както всеки, който е стоял близо до плажа, може да ви каже, вълните се разбиват в брега сутрин, денем и нощем. И това ги прави идеални за денонощно генериране на енергия. Сега учените умуват над въпроса доколко енергийните вълни биха могли да бъдат уловени.

Когато вятърът духа по повърхността на водата, той създава вълнение. Ако някога сте виждали белите вълни на морето или дори на езерата във ветровит ден, значи сте виждали това в действие. Вятърът кара водата на повърхността да се издига нагоре и после да се спуска надолу. Въпреки че изглежда, че водата пътува от едно място на друго, всъщност тя не стига много далеч. По-скоро се движи в кръгове – нагоре, нагоре, нагоре до върха на вълната, след това надолу, надолу, надолу от другата страна.
Това важи, поне в случаите когато водата е много дълбока, като например тази в океана. Там вълните „набъбват“, но пък се променят, когато се доближат до брега. Тъй като там водата става по-плитка тя вече не може да се движи в такива кръгове. Земята й пречи и тя се блъска в дъното на океана, стеснявайки кръга в овал. Подобно на човек, който се спъва в нещо, водата се „препъва“ над земята. Горната част се извива отдолу и вълната се „счупва“, разбивайки се по-близо до плажа.

Вълновите енергийни системи използват движението на водата, за да произвеждат електричество. Някои видове такива устройства използват силата на разбиващите се вълни, други се възползват от отоците. Трети използват натиска на вълните близо до океанското дъно. И все пак всички имат една и съща цел: Преобразуване на вълновата енергия в електрическа. Това електричество може да се използва за захранване на електрическата мрежа – тази, която предава електричеството до нашите домове и сгради, за да можем ние да го използваме.

Разбери повече за БГ Наука:

***

Мощността на вълните е ограничена до райони в близост до океана. В крайна сметка електропреносните кабели не могат да бъдат прекалено дълги. Но така или иначе над 40 процента от населението на света живее на разстояние до 100 километра от океана. Това означава, че страшно много лампи, телевизори и таблети могат да се захранват от вълни.

С оглед на всичко, което обещава вълновата мощ, изследователите тестват колко добре различните видове генератори преобразуват енергията на океана в електричество. Същевременно те се опитват да се уверят в това, че морският живот няма да бъде ощетен в процеса.

Захранване там, където е необходимо

Каква трябва да бъде първата стъпка към улавянето на енергията от вълната? Определяне на най-доброто място за поставяне на преобразуватели на тази енергия.
Не всички крайбрежни райони са подходящи за генериране на вълнова енергия. Формата на подводния релеф променя размера и формата на вълните.
Конверторите на вълнова енергия освен това ще бъдат скъпи. Най-добрите места са такива със силни вълнения, но не чак толкова силни, че тпреобразувателите да биват повреждани при буря.

За да локализират най-добрите места, учените се обръщат към компютърните модели. Жоао Нашименто и Ник Картрайт са инженери по околната среда в Австралия. И двамата работят в университета Грифит в Саутпорт, Куинсланд, като фокусът на работата им е намаляване на замърсяването и отпадъците. Двамата искат да намерят добри места за конвертори на вълнова енергия по югоизточното крайбрежие на страната си, където са разположени няколко големи австралийски града. Тъй като толкова много хора живеят в близост до брега, тази област може да бъде чудесна за вълнова електроенергия.

Учените започнаха със съществуващ компютърен модел, наречен SWAN (симулация на вълни близо до брега).
SWAN е разработен от изследователи от университета в Делфт в Нидерландия. Той предсказва силата и местоположението на енергията на океанските вълни. За целта той взема предвид параметри като вятър, характеристики на дъното на океана и взаимодействията между различните вълни.

Нашименто и Картрайт адаптират SWAN към бреговете на югоизточна Австралия. Те добавят подробности за дълбочината на водата до 50 километра навътре от брега, а също така предоставят данни за ветровете и вълните в региона. След това тестват модела, използвайки данни от шамандури в океана. Накрая моделът прогнозира отблизо количеството енергия на вълната, регистрирано от шамандурите.

Карта показваща къде енергията на вълните е най-достъпна в океаните по света. Червените области имат най-много вълнова енергия, зелените – по-малко, а сините най-малко. Голяма част от богатата на вълни зона е твърде далеч от сушата, за да бъде полезна за преобразувателите на енергия. Инженерите използват компютърни модели, за да намерят вълнови „горещи точки“ по-близо до брега. Изображение: sciencedirect.com

Моделът помогна на екипа да намери „горещи точки“ или места с „изобилие от вълнова енергия“, както Картрайт се изразява. Всеки обект е на 5 километра от брега във вода, не по-дълбока от 22 метра. Те са идеални, обяснява той, тъй като е по-лесно и по-евтино да се получи енергия за брега от тези места, отколкото би било от по-далеч.

„Там в океана има повече от достатъчно естествена енергия“, казва той. „Предизвикателството е да се използва и превърне достатъчно количество от нея в електричество, което хората могат да използват”.
Част от това предизвикателство е самият океан. Вълните постоянно блъскат оборудването. Хардуерът трябва да може да издържа и на екстремното време, тъй като твърде големи бурни вълни могат да повредят преобразувателите, а солената морска вода – да корозира или разрушава металните части.

Морски килим

Учените и инженерите изпробват много различни начини за преодоляване на тези предизвикателства. Техните идеи са довели до много видове дизайни. Някои конвертори се носят на повърхността, свързани с вълнови генератори на океанското дъно. Други са с единия край, закотвен към морското дъно, а другият – свободен да се обръща от едната на другата страна, докато вълните го люлеят. Трети използват въздух или вода под налягане, за да генерират електричество.

Една от най-новите системи прилича малко на плосък килим. Мохамад-Реза Алам и екипът му от Калифорнийския университет в Бъркли проектираха преобразувателя, така че да имитира тинесто/песъчливо морско дъно. Местата с повече тиня са добри в поглъщането на идващите вълни, обяснява Алам. Рибарите в плитките морета често се насочват към такива райони, когато удари тежко време, тъй като лодките им там са защитени от големи вълни по време на буря.
Ако тинята може да абсорбира толкова много енергия, разсъждава Алам, тогава преобразувателят на енергия, който действа като тиня, трябва да прави същото. Това би го направило изключително ефективнен при събирането на мощност от вълните.

„Килимът“ на неговия конвертор е направен от гладък каучуков лист. Стои близо до морското дъно, където може да се рее и огъва заедно с вълните. Докато се движи нагоре и надолу, той изтласква тръбите от буталната помпа навътре и навън. Помпата преобразува движението на буталото в електричество, което след това се движи по кабел към електрическата мрежа.

Килимът е в състояние да улови почти цялата енергия от вълните, казва Алам. И ще може да захранва много домове. Всеки час, казва той, „всеки квадратен метър от килима може да изкара около 2,5 киловата електричество от водата край бреговете на Калифорния“. Това е два пъти по-голямо количество електроенергия, използвано на всеки час отколкото един типичен американски дом употребява.

„Ако искаме да получим същата мощност от слънчевата енергия,“ обяснява Алам, „ни трябват 14 квадратни метра слънчеви панели.“ Това е 14 пъти повече! Той посочва, че вълнообразният килим в пълен размер вероятно ще бъде широк около 10 метра и дълъг 20 метра. Така че трябва да може да генерира 500 киловата електроенергия на час – достатъчно за захранване на повече от 400 домове – денонощно.

Други места, като Северна Европа, имат по-енергични вълни. Така че вълновият килим там може да генерира повече електричество, отбелязва Алам. От друга страна, по-слабите вълни на места като Мексиканския залив не могат да изпомпват толкова много електричество в електрическата мрежа.

Прикрепена към морското дъно, цялата конструкция се намира точно над него, така че стои изцяло извън полезрението. Това е важно за много хора, които прекарват времето си на плажа. Те не обичат да виждат големи енергийно генериращи структури (като вятърни турбини), когато са на плажуване или плаване. Всъщност много вятърни паркове са разположени далеч от брега, така че хората, които се наслаждават на плажа, да не ги виждат. Вълновият килим обаче може да е близо до брега. Това означава, че кабелите, които пренасят електричество към мрежата, могат да бъдат много по-къси. И електричеството, генерирано от килима, следователно трябва да струва по-малко.

Добре ли е за околната среда?

Няма съмнение, че намирането на нови източници на възобновяема енергия е полезно за околната среда. По-малкото замърсяване и по-малкото парникови газове са полезни за хората, растенията и животните. Но чистите енергийни източници все пак могат да създадат и проблеми.
Вятърните турбини могат да попречат например на мигриращи птици и прилепи. Според някои оценки стотици хиляди от тези животни умират всяка година от сблъсъци с масивните въртящи се остриета. По-ниската височина на преобразувателите на вълновата енергия означава, че те вероятно няма да пречат на мигриращите животни. Но „трябва внимателно да обмислим тяхното взаимодействие с морската среда“, казва Дебора Грийвс, океански инженер в университета в Плимут в Англия.

Едно от притесненията е относно екологичните ефекти от поглъщането на цялата тази енергия от входящите вълни. В края на краищата, по този начин те генерират електричество – чрез преобразуване на вълновата енергия в електрическа енергия. Енергията, извлечена от вълните, ще намали енергията, която остава докато вълните продължават към брега. Те ще бъдат по-малки, поне за известно разстояние. По-малките вълни могат да доведат до по-малко смесване на хранителни вещества във водния стълб (това е водата между определена част от океанското дъно и повърхността над него). И това може да повлияе на видове, които живеят там, казва Грийвс. „Но това може да бъде и от полза“, добавя тя. В края на краищата, „преобразувателите на вълнова енергия могат да помогнат за осигуряването на известна крайбрежна защита чрез намаляване на ерозията.”

Електрическите генератори също могат да повлияят на взаимодействието на дивата природа. Много птици и морски бозайници ловят риба в райони, които може да са идеални места за преобразуватели на вълни. Възможно е конверторите дори да привличат риба при тях, ако по-малките същества, които ядат, търсят убежище там. Това от своя страна може да привлече гладни хищници. Това може да помогне за стимулиране на морския живот в района. Но рибите, тюлените и други животни също могат да се заплитат в дълги кабели, които закрепват повърхностно плаващи енергийни преобразуватели. Така че изследователите трябва да проучат къде искат да инсталират тези преобразуватели, за да се уверят, че няма да навредят на местните екосистеми.

Друго притеснение: Преобразувателите ще издават шум. Това може да е проблем за риби, делфини и други животни, които разчитат на звука, за да намерят храна или да общуват. Дълбокият тътен на лодка и силният сигнал на сонара създават всякакви проблеми на океанските животни. Тези същества може да изпитат затруднение в намирането на храна или да се дезориентират. Въпреки това конверторите на вълни е малко вероятно да създадат високи нива на шум. Най-шумната част би се случила, когато преобразувателите първоначално са инсталирани на даден терен. След като веднъж започнат да бягат, те трябва да са достатъчно тихи.

Положителната страна е, че конверторите могат да се превърнат в основата на изкуствен риф, ако водорасли, миди, ракообразни или корали се захванат за структурата и започнат да растат. Такива рифове осигуряват защита за рибите и други морски обитатели. Това може да увеличи разнообразието на морския живот в района. Те биха могли да бъдат полезни, стига тези същества да не пречат на движението на вълновия преобразувател.

„От огромните океански ресурси енергията на вълните има потенциал да допринесе огромно за нуждите ни от чиста енергия в бъдещето“, казва Грийвс. Но тя предупреждава, че задължително „трябва да се измисли по-устойчив начин, който да е в хармония с морската среда“.

Източник: sciencenewsforstudents.org
Превод: Радослав Тодоров

Тази статия е част от Специалния брой „Зелени технологии“

Вземете (Доживотен) абонамент и Подарете един на училище по избор!