Om termen “förnybar energi” för tankarna till ett hav av solpaneler eller höga vindkraftverk, är du inte ensam. Det blir allt vanligare att fånga energi från sol och vind. Det beror på att dessa “rena” energikällor genererar elektricitet utan att förorena vår luft. Lika viktigt är att de inte släpper ut koldioxid i atmosfären. Den växthusgasen fångar upp solens värme och bidrar till vårt förändrade klimat.
Men sol- och vindkraft har en stor undergång: De är inte alltid tillgängliga. Solen skiner bara under dagen. Vinden kommer och går. Det finns väldigt få platser där vinden är tillräckligt konstant för att generera el hela tiden. Och hur enkelt det än låter, att lagra energi för senare användning har visat sig vara en stor utmaning.
Men havsvågor? Som alla som har bott nära en strand kan berätta för dig, slår vågor in mot stranden morgon, middag och kväll. Och det gör dem idealiska för att generera energi dygnet runt. Nu tar forskare reda på hur mycket energi vågor kan erbjuda.
När vinden blåser över vattenytan skapar den vågor. Om du någonsin har sett vita mössor på ett hav eller någon sjö en blåsig dag, har du sett detta i aktion. Vinden får vatten vid ytan att guppa upp och ner. Även om det verkar som om vattnet färdas från en plats till en annan, går det faktiskt inte särskilt långt. Snarare rör den sig i cirklar – upp, upp, upp till toppen av vågen, sedan ner, ner, ner på andra sidan.
Det är sant, åtminstone när vattnet är väldigt djupt, som ute i havet. Dessa försiktigt guppande vågor kallas “svallningar”. Men vågor förändras när de kommer nära stranden.
När vattnet blir grundare kan det inte färdas i cirklar längre. Marken kommer i vägen. Vattnet stöter mot havsbotten och pressar ihop cirkeln till en oval. Ungefär som en person snubblar över något, “snubblar” vattnet över marken. Den övre delen slingrar sig förbi botten. Vågen “bryter” och kraschar närmare stranden.
Förklarare: Vad är elnätet?
Vågenergisystem använder vattnets rörelse att göra el. Vissa typer av dessa enheter utnyttjar kraften från brytande vågor. Andra använder sig av dyningar. Ytterligare andra använder trycket från vågor nära havsbotten. Ändå har alla samma mål: omvandla vågenergi till elektrisk energi. Den elen kan användas för att driva elnätet . Det är nätverket av kablar som överför el till hem och byggnader så att vi kan använda det.
Vågkraft är begränsad till områden nära havet. Kablarna som bär el kan trots allt bara vara så långa. Men 40 procent av världens befolkning bor inom 100 kilometer (60 miles) från havet. Det betyder att en hel massa lampor, TV-apparater och surfplattor kan drivas av vågor.
Med allt det löftet om vågkraft testar forskare hur väl olika typer av generatorer omvandlar havsenergi till elektricitet . Längs vägen försöker de se till att livet i havet inte kommer att skadas i processen.
Ström där det behövs
Första steget för att skapa vågkraft? Funderar på det bästa stället att placera dessa energiomvandlare.
Alla kustområden fungerar inte för att generera vågkraft. Formen på landet under havet förändrar vågornas storlek och form. Vågenergiomvandlare är också dyra. De bästa platserna bör ha gott om vågor, men inte så mycket att omvandlare kan skadas i en storm.
Förklarare: Vad är en datormodell?
För att ta reda på de bästa webbplatserna vänder sig forskare till datormodeller. Joao Morim Nascimento och Nick Cartwright är miljöingenjörer i Australien. Båda arbetar vid Griffith University i Southport, Queensland. En miljöingenjör arbetar för att minska föroreningar och avfall. Paret ville hitta bra platser för vågenergiomvandlare längs deras lands sydöstra kust. Det är hem för flera stora australiensiska städer. Eftersom så många människor bor nära kusten kan detta område vara bra för vågkraft.
Forskarna började med en befintlig datormodell som heter SWAN. (Det namnet står för Simulating WAves Nearshore.) SWAN utvecklades av forskare vid University of Delft i Nederländerna. Den förutsäger styrkan och placeringen av havsvågsenergi. För att göra det tar den hänsyn till saker som vind, egenskaper på havsbotten och interaktioner mellan flera vågor.
Morim Nascimento och Cartwright anpassade SWAN för att gälla sydöstra Australien. De lade till detaljer om vattnets djup inom 50 kilometer (31 miles) från stranden. De lägger också in data om regionens vindar och vågor. Sedan testade de modellen med hjälp av data från bojar i havet. Ingenjörerna justerade modellen tills den noggrant förutspådde mängden vågenergi som registrerades av bojarna.
Denna kartan visar var vågenergi är mest tillgänglig i haven runt om i världen. Röda områden har mest vågenergi och lila minst. Mycket av det vågrika området är för långt från land för att vara användbart för energiomvandlare. Ingenjörer använder datormodeller för att hitta “hotspots” för vågor närmare stranden.
Andrew Cornett/Univ. av Ottawa
Modellen hjälpte teamet att hitta “hotspots” – platser med vad Cartwright beskriver som ett “överflöd av vågenergi.” Varje plats ligger inom 5 kilometer (3 miles) från stranden i vatten som inte är mer än 22 meter (72 fot) djupt. Dessa är idealiska, förklarar han, eftersom det är lättare och billigare att få ström till land från dessa platser än vad det skulle vara från längre ut.
”Det finns mer än tillräckligt med naturlig energi där i havet, säger han. “Utmaningen är att utnyttja och omvandla tillräckligt mycket av det till kraft” som folk kan använda. En del av den utmaningen är själva havet. Vågor dunkar ständigt mot utrustningen. Hårdvaran kan också uppleva extremt väder. Mycket stora stormvågor kan skada omvandlarna, säger Cartwright. Och, tillägger han, salt havsvatten korroderar, eller bryter ner, alla metalldelar.
Vågenergigeneratorer finns i många former och storlekar. Vissa mönster guppar eller flyter på ytan (1, 2, 4) eller vänder från sida till sida (3). En annan typ utnyttjar energi från vågor när de slår mot land (5). Ytterligare andra sitter nära havsbotten (6).Ingvald Straume/Wikimedia Commons (CC0)
Havsmatta
Forskare och ingenjörer försöker på många olika sätt att övervinna dessa utmaningar. Deras idéer har lett till många typer av design. Vissa omvandlare flyter på ytan, bundna till våggeneratorer på havsbotten. Andra har ena änden förankrad till havsbotten med den andra fri att vända från sida till sida när vågor sköljer över den. Ytterligare andra använder luft- eller vattentryck för att generera elektricitet.
Vågmattan ligger utanför kusten i vatten på cirka 18 meter (60 fot) djupt. När vågor passerar över toppen, rör sig mattan med dem och absorberar deras energi.
TAF Lab/UC Berkeley
Ett av de nyaste systemen ser lite ut som en platt matta. Mohammad-Reza Alam och hans team vid University of California, Berkeley designade omvandlaren för att efterlikna en lerig havsbotten. Platser med mycket lera är bra på att absorbera inkommande vågor, förklarar Alam. Fiskare i grunt hav beger sig ofta till leriga områden när det är hårt väder. Båtar som hänger där är skyddade från stora vågor när de rider ut i en storm.
Om lera kan absorbera så mycket energi, resonerade Alam, borde en energiomvandlare som fungerar som lera göra detsamma. . Det skulle göra den extremt effektiv när det gäller att skörda vågkraft.
Den “matta” delen av hans omvandlare är gjord av en slät gummiskiva. Den vilar nära havsbotten, där den kan böjas och böjas direkt med vågorna. När den rör sig upp och ner trycker den stolpar in och ut ur en kolvpump. Pumpen omvandlar kolvens rörelse till elektricitet, som sedan går längs en kabel till elnätet.
Mattan kan ta bort nästan all energi från vågorna, säger Alam. Och det skulle kunna driva massor av hem. Varje timme, säger han, ”kan varje kvadratmeter av mattan få cirka 2,5 kilowatt ur vattnet nära Kaliforniens kust.” Det är dubbelt så mycket el som används varje timme av ett typiskt amerikanskt hem
Mohammed-Reza Alam och hans team vid University of California, Berkeley diskuterar sin vågmatta som utnyttjar energi från havsvågor för att generera elektricitet. UC Berkeley/YouTube
“Om vi vill få samma kraft från solenergi,” säger Alam, “behöver vi 14 kvadratmeter [151 square feet] av solpaneler.” Det är 14 gånger så mycket! Han säger att en vågmatta i full storlek förmodligen skulle vara cirka 10 meter bred och 20 meter lång. Så den borde kunna generera 500 kilowatt el per timme — tillräckligt för att driva mer än 400 hem — dygnet runt.
Andra platser, som norra Europa, har mer energiska vågor. Så en vågmatta där skulle kunna generera mer elektricitet, konstaterar Alam. Å andra sidan kunde svagare vågor på platser som Mexikanska golfen inte pumpa in lika mycket elektricitet i elnätet.
Förankrad vid havsbotten ligger hela strukturen bara ovanför havsbotten. Så det är helt utom synhåll. Det är viktigt för många människor som tillbringar tid på stranden. De gillar inte att se stora energigenererande strukturer (som vindkraftverk) när de är ute och badar eller seglar. Faktum är att många vindkraftsparker ligger långt från stranden, så att människor som njuter av stranden inte ser dem. Vågmattan kan dock ligga nära stranden. Det betyder att kablarna som leder el till nätet kan vara mycket kortare. Och elen som genereras av mattan borde därför kosta mindre.
Bra för miljön?
Det råder ingen tvekan om att det är bra för miljön att hitta nya källor till förnybar energi. Mindre föroreningar och färre växthusgaser är bra för människor, växter och djur. Men rena energikällor kan fortfarande ställa till problem.
Vindkraftverk kan komma i vägen för till exempel flyttfåglar och fladdermöss. (Vissa uppskattningar säger att hundratusentals av dessa djur kan dö varje år av kollisioner med de massiva snurrande bladen.) Den lägre höjden på vågenergiomvandlare betyder att de förmodligen inte skulle störa migrerande djur. Men “vi måste överväga deras interaktion med den marina miljön noggrant”, säger Deborah Greaves. Hon är havsingenjör vid University of Plymouth i England.
En oro är om eventuella ekologiska effekter av att absorbera all den energin från inkommande vågor. (Det är trots allt hur de genererar elektricitet – genom att omvandla vågenergi till elektrisk energi.) Energi som tas från vågorna kommer att minska hur mycket energi som kommer att finnas kvar när vågorna fortsätter in mot stranden. De kommer att vara mindre, åtminstone på en bit. Sma ller vågor kan leda till mindre blandning av näringsämnen i vattenpelaren (det är vattnet mellan en viss bit av havsbotten och ytan ovanför den). Och det kan påverka arter som lever där, säger Greaves. “Men det kan också vara en fördel”, tillägger hon. När allt kommer omkring kan “vågenergiomvandlare hjälpa till att ge visst kustskydd” genom att minska erosion.
Denna typ av vågomvandlare använder trycket från vågorna när de tryck mot stora paneler för att generera el.
JamesMCP/Wikimedia Commons (CC BY-SA 4.0)
De elektriska generatorerna kan också påverka hur vilda djur interagerar. Många fåglar och marina däggdjur jagar fisk i områden som kan vara idealiska platser för vågomvandlare. Det är möjligt att omvandlare till och med kan locka fisk till dem om de mindre djuren de äter söker skydd där. Det kan i sin tur locka hungriga rovdjur. Detta kan bidra till att öka det marina livet i området. Men fiskar, sälar och andra djur kan också trassla in sig i långa kablar som förankrar ytflytande energiomvandlare. Så forskare måste studera var de vill installera dessa omvandlare för att se till att de inte skadar lokala ekosystem.
En annan oro: omvandlarna kommer att bullra. Detta kan vara ett problem för fiskar, delfiner och andra djur som förlitar sig på ljud för att hitta mat eller för att kommunicera. Det djupa mullret från en båt och det höga ljudet av ekolod orsakar alla möjliga problem för havsdjur. Dessa djur kan kämpa för att hitta mat eller bli desorienterade. Men, säger Greaves, är det osannolikt att vågomvandlare skapar höga ljudnivåer. Den mest bullriga delen skulle hända när omvandlarna initialt installeras på någon plats. När de väl börjar springa bör de vara ganska tysta.
Klassrumsfrågor
På plussidan kan omvandlare bli basen för ett konstgjort rev om alger, musslor, havstulpaner eller koraller tar tag i strukturen och börjar växa. Sådana rev ger skydd för fiskar och annat marint liv. Det kan öka mångfalden av marint liv i området. De kan vara till hjälp, så länge som dessa djur inte stör vågomvandlarens rörelse.
“Från havets enorma resurser har vågenergi potentialen att ge ett enormt bidrag mot våra framtida behov av ren energi”, säger Greaves. Men, varnar hon, det “måste göras på ett hållbart sätt, i harmoni med den marina miljön.”
Människan -byggda strukturer, som detta undervattensvrak, kan bli grunden för konstgjorda rev, som hjälper till att öka det marina livet. Detta är en potentiell fördel med vågenergiomvandlare.
Leave a Reply