Неиспользованный потенциал океанских волн для береговой энергии

По мере того, как глобальный спрос на энергию продолжает расти, а срочность декарбонизации усиливается, поиск надежных возобновляемых источников энергии никогда не был более критичным. Солнечная и ветровая энергия добились замечательных успехов, но они сталкиваются с присущими им прерывистыми проблемами. Океанская волновая энергия предлагает убедительное дополнение: плотный, предсказуемый и мощный возобновляемый ресурс, который остается в значительной степени неиспользованным. Волновые преобразователи энергии (WEC) являются инженерными системами, предназначенными для использования этой огромной энергии, захвата кинетической и потенциальной энергии поверхностных волн и преобразования ее в пригодную для использования электроэнергию. С предполагаемым глобальным энергетическим потенциалом волны примерно 29 500 тераватт-часов в год - примерно равным текущему глобальному потреблению электроэнергии - прибрежные страны имеют значительную возможность диверсифицировать свои энергетические портфели, повысить стабильность сети и способствовать новым морским отраслям. В этой статье исследуются технологии, стоящие за WECs, их преимущества и проблемы, текущий статус развертывания и реалистичный прогноз для волновой энергии как основного источника энергии.

Понимание волновых преобразователей энергии

Преобразователи волновой энергии представляют собой электромеханические устройства, которые перехватывают движение океанских волн - как орбитальное движение частиц воды, так и изменение давления под поверхностью - и преобразуют эту механическую энергию в электрическую энергию. Фундаментальный принцип прост: волновое действие приводит в действие первичный двигатель (например, плавучий буй, шарнирный клапан или воздушную колонну), который, в свою очередь, приводит в действие генератор. Однако практическая инженерия сложна, поскольку устройства должны эффективно работать в широком диапазоне волновых условий, переживая экстремальные штормовые события.

Современное развитие ВЭС началось всерьез после нефтяного кризиса 1970-х годов, с ранней новаторской работы исследователей, таких как Стивен Солтер в Великобритании и Кьелл Будал и Йоханнес Фальнес в Норвегии. С тех пор были предложены сотни концепций устройств, хотя только несколько продвинулись к полномасштабным морским испытаниям. Разнообразие подходов отражает изменчивость волнового климата - то, что хорошо работает в длинных, мягких набуханиях Тихого океана, может не подходить для крутых, управляемых ветром морей Северной Атлантики.

Системы волновой энергии можно классифицировать по их принципу работы, местоположению (береговая, ближняя или морская), механизму взлёта мощности. Наиболее распространенные классификации включают колебательные водяные колонны, точечные поглотители, аттенюаторы, преобразователи волновых волн и устройства дифференциала давления под водой. Каждый тип имеет различные преимущества и компромиссы с точки зрения эффективности, живучести, стоимости и взаимодействия с окружающей средой. Понимание этих различий является ключом к выбору соответствующей технологии для данного прибрежного участка.

Физика волновой энергии

Для глубоководных волн поток энергии на единицу гребня волны — часто выраженный в киловаттах на метр — задаётся уравнением P = (ρg2H2T)/(64π), где ρ — плотность морской воды, g — гравитационное ускорение, HH — значительная высота волны, а T — период волны. На практике это означает, что умеренный волновой климат высотой в два метра и периодом в восемь секунд переносит примерно 30—40 киловатт мощности на каждый метр волнового фронта. Более энергичные регионы, такие как западное побережье Шотландии или южное побережье Австралии, могут видеть плотность мощности волны, превышающую 70 кВт/м — 90 кВт/м.

Чтобы поставить это в контекст, солнечное излучение на поверхности Земли составляет около 0,2 кВт на квадратный метр в идеальных условиях, а плотность энергии ветра на типичной высоте турбинного узла составляет примерно 0,5 кВт на квадратный метр на семь метров в секунду. Волновая энергия не только плотнее, но и более последовательна. В то время как солнечная и ветровая мощность может резко измениться в течение нескольких минут, изменчивость энергии волны более плавная, со значительной высотой волны и периодом, изменяющимся за несколько часов до нескольких дней. Кроме того, прогнозы волн точны до пяти-семи дней, что позволяет операторам сети планировать ожидаемую генерацию с уверенностью. Эта предсказуемость является основным активом для интеграции энергии волны в электрические сети, которые все больше полагаются на переменные возобновляемые источники энергии.

Основные типы волновых преобразователей энергии

Колеблющиеся водяные колонны

Колеблющиеся водяные колонны (ОВК) являются одними из старейших и наиболее широко изученных конструкций ВЭС. ВОВК состоит из частично погруженной полой камеры, открытой для моря на дне. По мере того, как волны входят и выходят из камеры, поверхность воды поднимается и опускается, поочередно сжимая и разжимая воздух, захваченный над ней. Этот колеблющийся воздушный поток направлен через турбину - обычно саморектифицирующуюся турбину Уэллса, которая вращается в одном направлении независимо от направления потока - которая приводит в движение генератор. Поскольку чувствительные механические и электрические компоненты расположены над ватерлинией, ОВК обеспечивают хорошую живучесть и простоту обслуживания. Известные примеры включают завод LIMPET на острове Ислай в Шотландии и завод волнорезов Мутрику в Испании, который был подключен к сети с 2011 года и накопил значительные эксплуатационные данные.

Пойнт Абсорберс

Поглотители точек - это плавающие буи, которые поднимаются и опускаются с волновым движением, поглощая энергию со всех направлений из-за их небольшого горизонтального следа относительно длины волны. Относительное движение между буем и опорным телом - либо погруженная реакционная пластина, либо привязной к морскому дну привязной трос - приводит в действие систему отбора мощности, часто линейный генератор или гидравлический насос. Поглотители точек хорошо подходят для глубоководных и могут быть развернуты в массивах для формирования волновых ферм. Ведущим примером является устройство CorPower Ocean в Швеции, которое использует уникальный механизм управления фазой для настройки своей естественной частоты на входящие волны, значительно повышая захват энергии. Ocean Power Technologies также развернула свою систему PowerBuoy как для коммунальных, так и для удаленных приложений, включая питание океанографических датчиков.

аттенюаторы

Аттенюаторы — длинные, многосегментные конструкции, ориентированные параллельно доминирующему волновому направлению. По мере прохождения волн по устройству каждый сегмент движется относительно других, а сгибающее движение в шарнирах используется для перекачки гидравлической жидкости, которая приводит в действие генератор. Самым известным аттенюатором был Pelamis, разработанный Pelamis Wave Power в Шотландии. Хотя Pelamis был успешно протестирован в полном масштабе и даже доставил электроэнергию в сеть в Португалии с 2008 по 2009 год, компания в конечном итоге прекратила работу из-за коммерческих проблем. Тем не менее, Pelamis предоставил бесценные инженерные идеи и проложил путь для последующих конструкций, включая более новые сегментированные устройства, которые включают более прочные материалы и передовые системы управления.

Конвертеры колеблющихся волн

Колеблющиеся преобразователи волновых волн (OWSC) установлены снизу, навесные закрылки, которые колеблются взад и вперед в ответ на горизонтальное движение частиц воды на мелководье. Это движение качки приводит в движение гидравлический поршень или насос, который, в свою очередь, приводит в движение генератор. OWSC особенно эффективны в прибрежных средах, где энергия волн концентрируется из-за преломления и оттачивания. Примечательным примером является система Oyster, разработанная Aquamarine Power, которая была протестирована в Европейском морском энергетическом центре (EMEC) в Оркней, Шотландия. В то время как Oyster продемонстрировал высокую мощность захвата на единицу установленной мощности, живучесть в экстремальных штормовых условиях оказалась сложной. Текущие исследования сосредоточены на улучшенных конструкциях шарниров и структурных композитах для повышения долговечности.

Дифференциальные устройства под давлением

Эти устройства установлены на морском дне и полагаются на изменения давления, которые происходят при прохождении волн над головой. Гибкая мембрана или жесткая пластина перемещается в ответ на перепад давления, приводя в движение систему отбора мощности. Поскольку они полностью погружены, эти устройства невидимы с береговой линии, уменьшая визуальное воздействие, и они менее подвержены штормовому повреждению. Система CETO Carnegie Clean Energy в Западной Австралии является ярким примером: подводный буй, который передает морскую воду высокого давления на берег, где он приводит в движение гидроэлектрическую турбину и также может использоваться для опреснения. CETO был подключен к сети и продолжает развиваться в рамках текущих пилотных проектов.

Основные преимущества волновой энергии

Волновая энергия предлагает ряд преимуществ, которые делают ее привлекательным дополнением к возобновляемых источников энергии. Прежде всего, это источник энергии с нулевым выбросом углерода без прямых выбросов парниковых газов во время работы. Плотность энергии волн значительно выше, чем у солнечной или ветровой, что означает, что для генерации такого же количества энергии требуется меньше инфраструктуры. Коэффициенты мощности для хорошо спроектированных WEC в энергетическом волновом климате варьируются от 30 до 50 процентов по сравнению с 20 до 30 процентов для берегового ветра и от 15 до 25 процентов для солнечной фотоэлектрической энергии. Это более высокое использование приводит к более последовательной выходной мощности и лучшей экономической отдаче на единицу установленной мощности.

Предсказуемость — еще одно важное преимущество. Океанские волны генерируются ветрами, которые можно прогнозировать за несколько дней, а распространение волн хорошо понимается с помощью численных моделей. Это позволяет операторам точно прогнозировать выработку электроэнергии в течение следующих нескольких дней, ценную возможность для балансировки сети, которую солнечная и ветровая энергия не могут сравнить без дорогостоящего хранения или резервной генерации. Волновая энергия также демонстрирует сезонную взаимодополняемость с солнечной во многих регионах: волновая мощность имеет тенденцию быть самой высокой зимой, когда солнечная генерация является самой низкой, помогая сгладить годовое электроснабжение.

С точки зрения землепользования волновая энергия является чистым положительным. WECs развернуты на шельфе, освобождая ценные прибрежные земли для других целей, таких как сельское хозяйство, жилье или сохранение. Плавающие устройства, в частности, имеют небольшой визуальный след от берега, когда расположены на достаточных расстояниях. Кроме того, волновые энергетические системы могут быть размещены совместно с морскими ветряными электростанциями, совместное использование подводных кабелей и другой инфраструктуры для снижения общих затрат на проект. Новые концепции включают гибридные платформы, которые объединяют волну, ветер и солнечную генерацию наряду с хранением энергии или даже производством водорода, максимизируя ценность морского пространства.

Для островных государств и отдаленных прибрежных общин волновая энергия предлагает путь к энергетической независимости. Многие такие регионы полагаются на импортируемое дизельное топливо для производства электроэнергии, что сопряжено с высокими затратами и экологическим ущербом. Местная генерация волн может вытеснить выработку дизельного топлива, снизить риск поставки топлива и снизить цены на электроэнергию. Кроме того, развитие волновой энергии создает квалифицированные рабочие места в производстве, установке, операциях и морских услугах - помогая построить голубую экономику, которая поддерживает прибрежные средства к существованию.

Проблемы и барьеры для широкого распространения усыновления

Технические вызовы

Океан — это неумолимая среда. WEC должны выдерживать коррозионную соленую воду, биообрастание морских организмов и экстремальные гидродинамические нагрузки во время штормов. Устройство, предназначенное для эффективного захвата энергии в умеренных морях, также должно выдерживать однократные 50-летние штормовые волны, которые могут быть на порядок больше. Это заставляет дизайнеров включать надежные структурные поля, режимы защиты от штормов и избыточные подсистемы — все это добавляет стоимость и сложность. Системы причалов и подводные силовые кабели являются дополнительными слабыми местами, подверженными усталости и истиранию, которые могут привести к преждевременному отказу. Надежная, работа с низким уровнем обслуживания в течение 20-25-летнего срока проектирования остается значительной инженерной задачей, которая еще не полностью доказана в коммерческом масштабе.

Системы отбора мощности — сердце любого ВЭС — должны преобразовывать медленное, мощное волновое движение в высокоскоростное вращение для генератора. Гидравлические системы предлагают высокий крутящий момент и хорошее управление, но страдают от потерь эффективности и рисков утечки. Линейные генераторы с прямым приводом устраняют гидравлические процессы, но требуют сложной магнитной и структурной конструкции для достижения приемлемой эффективности и надежности. Gearboxs и роторные генераторы хорошо понятны, но добавляют механическую сложность и требования к техническому обслуживанию. Выбор технологии отбора мощности имеет глубокие последствия для стоимости, эффективности и долговечности.

Экономические вызовы

Уровнированная стоимость энергии (LCOE) для волновой энергии остается высокой по сравнению с установленными возобновляемыми источниками энергии. Текущие оценки варьируются от €100 до €200 за мегаватт-час для ранних коммерческих проектов, в зависимости от местоположения и технологии. Напротив, береговой ветер и солнечная энергия часто достигают LCOE ниже €40 / МВтч, а морской ветер упал до €50-€80 / МВтч на зрелых рынках. Этот разрыв в стоимости является единственным самым большим барьером для развертывания волновой энергии. Высокие капитальные затраты связаны с необходимостью надежного морского оборудования, дорогих судов установки и обширных подводных кабелей. Отсутствие цепочки поставок, стандартизированные конструкции и производственный масштаб еще больше раздувает расходы. Кроме того, проекты волновой энергии сталкиваются с более высокими затратами на финансирование из-за технологического риска и ограниченной истории эксплуатации, при этом инвесторы требуют более высокой отдачи для компенсации неопределенности. Страховые премии и гарантийные расходы также повышены для зарождающихся морских технологий.

Тем не менее, ожидается, что кривые обучения для волновой энергии будут следовать модели, наблюдаемой для оффшорной ветровой и солнечной фотоэлектрической энергии. Европейская ассоциация океанской энергетики прогнозирует, что с совокупной установленной мощностью от 2 до 3 гигаватт LCOE может упасть до 60-80 евро / МВтч, что сделает энергию волн конкурентоспособной с другими возобновляемыми источниками энергии. Достижение этой шкалы потребует устойчивой политической поддержки, включая тарифы на питание, контракты на разницу и выделенное финансирование инноваций.

Экологические и нормативные проблемы

Хотя волновая энергия обычно считается экологически чистой, потенциальные воздействия должны быть тщательно оценены и смягчены. WEC и их причалы могут изменять местные волновые режимы, транспортировку осадков и модели береговой эрозии. Наличие устройств может влиять на поведение морских млекопитающих, рыб и морских птиц через риск столкновения, шум и электромагнитные поля из подводных кабелей. Однако доказательная база по-прежнему тонкая, а фактические воздействия кажутся низкими по сравнению с теми, которые происходят от судоходства, рыболовства и морских нефти и газа. Стратегическое размещение вдали от чувствительных мест обитания и включение мер, таких как шумопоглощение и системы обнаружения животных, может еще больше снизить риски. Надежный мониторинг окружающей среды во время пилотных проектов имеет важное значение для укрепления доверия к регуляторам и сообществам.

Регуляторные рамки для волновой энергии фрагментированы и часто плохо адаптированы к морским возобновляемым источникам энергии. В разрешении могут участвовать несколько учреждений, ответственных за морское пространственное планирование, охрану окружающей среды, безопасность судоходства, рыболовство и производство электроэнергии. Процесс часто медленный, дорогой и неопределенный, особенно в странах, где волновая энергия является новой. Упорядоченные процедуры согласования, смоделированные по тем, которые разработаны для морского ветра, уменьшат задержки и затраты проекта, ускоряя развертывание.

Глобальные развертывания и пилотные проекты

Волновая энергия все еще находится в предкоммерческой фазе, с несколькими мегаваттами установленной мощности во всем мире. Большинство активных проектов являются пилотными и демонстрационными установками, но они предоставляют критические данные для проверки технологий и снижения затрат. Европа лидирует в разработке волновой энергии, что обусловлено сильной поддержкой политики и присутствием испытательных объектов мирового класса, таких как Европейский морской энергетический центр (EMEC) в Оркней, Шотландия, и Wave Hub у побережья Корнуолла, Англия. Эти объекты обеспечивают подключенные к сети причалы и комплексный мониторинг, позволяющий разработчикам тестировать устройства в масштабе в реальных условиях океана. Известные европейские проекты включают устройство C4 CorPower Ocean в Швеции, завод Mutriku OWC в Испании и OE-буй Ocean Energy, проходящий испытания в EMEC.

В Северной Америке Управление по технологиям использования водных ресурсов Министерства энергетики США финансирует исследования и испытания в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) и сети морских энергетических испытательных полигонов. Тихоокеанский северо-запад с его энергетическим волновым климатом у Вашингтона и Орегона был центром развития волновой энергии. Канадский исследовательский центр приливной и волновой энергии Fundy Ocean Research Center for Energy (FORENCE) в Новой Шотландии предоставляет испытательный полигон для приливных и волновых энергетических устройств. В Азиатско-Тихоокеанском регионе Китай развернул несколько связанных с сетью волновых энергетических систем, включая устройство Shark, разработанное Guangzhou Rongli New Energy Technology. Япония продолжает исследования плавающих волновых преобразователей энергии для использования вокруг своей обширной береговой линии. Австралия Карнеги Clean Energy управляла системой CETO в Западной Австралии, поставляя как электричество, так и опресненную воду.

Несмотря на этот прогресс, общая установленная мощность волновой энергии остается ниже 5 МВт. Медленные темпы отчасти связаны с трудностью обеспечения инвестиций для капиталоемких проектов в области океанской энергетики, особенно после коммерческого провала таких громких предприятий, как Pelamis. Однако новое поколение разработчиков фокусируется на меньших, более модульных устройствах, которые могут быть изготовлены в объеме, снижая затраты на единицу и обеспечивая постепенное развертывание. Этот подход отражает раннюю траекторию ветроэнергетики и предлагает более реалистичный путь к коммерциализации.

Волновая энергия в контексте других возобновляемых источников энергии

Волновая энергия не должна рассматриваться как конкурирующая с солнечной и ветровой, а скорее как дополняющая их. Самые сильные волновые ресурсы часто встречаются в регионах, где солнечная и ветровая энергия менее устойчивы, а выходная мощность волн достигает максимумов в зимние месяцы, когда солнечная генерация является самой низкой, а спрос на электроэнергию часто является самым высоким. Эта сезонная комплементарность может снизить потребность в сезонном хранении энергии или резервной генерации, повышая общую эффективность системы. В полностью возобновляемой сети волновая энергия может помочь сгладить поставки и уменьшить сокращение других возобновляемых источников энергии.

По сравнению с морским ветром волновая энергия имеет несколько отличительных преимуществ: более низкое визуальное воздействие, потенциально более низкие конфликты с судоходством и рыболовством, если устройства развернуты в массивах, и более распределенный ресурс, к которому можно получить доступ ближе к берегу, где затраты на передачу ниже. Оффшорный ветер имеет более высокий коэффициент мощности (40-50% для современных турбин) и выиграл от резкого сокращения затрат за счет масштаба и созревания цепочки поставок. Волновая энергия сегодня примерно там, где морской ветер был 15-20 лет назад. При устойчивых инвестициях и обучении аналогичная траектория правдоподобна.

Приливная энергия — как приливная энергия (баражи), так и приливная энергия — еще более предсказуема, чем волновая энергия, но географически ограничена участками с высокими приливными диапазонами или сильными приливными течениями. Волновая энергия более широко доступна, особенно вдоль открытых береговых линий. На основе на МВтч в масштабе, волновая энергия, как ожидается, будет дешевле, чем приливная энергия из-за более простой установки и обслуживания, хотя обе технологии сталкиваются с аналогичными проблемами в выживании морской среды.

Будущее волновой энергии: пути к коммерческой жизнеспособности

Будущее волновой энергии зависит от дальнейшего развития технологий, снижения затрат и поддержки политики. Несколько ключевых тенденций дают основания для оптимизма. Во-первых, материалы и достижения в производстве - в том числе коррозионностойкие композиты, передовые покрытия и аддитивное производство для настраиваемых компонентов - улучшают долговечность и доступность морских устройств. Во-вторых, цифровое побратимство и искусственный интеллект позволяют в режиме реального времени контролировать состояние и адаптивный контроль, оптимизируя захват мощности при одновременном сокращении потребностей в обслуживании. В-третьих, модульные и масштабируемые конструкции позволяют разработчикам начинать с небольших массивов и постепенно расширяться, снижая финансовый риск и получая доход раньше.

Гибридизация является особенно перспективным направлением. Сочетание преобразования энергии волн с плавучими ветряными турбинами на одной платформе может разделить структурные затраты, швартовки и электрическую инфраструктуру. Волновое действие также оказывает демпфирующее влияние на движения платформы, что может улучшить производительность ветряных турбин и уменьшить нагрузки. Несколько европейских проектов, включая финансируемые ЕС инициативы WaveBoost и X-Media, изучают эти синергии. Совместное размещение с морской аквакультурой, опреснением и производством водорода добавляет дополнительные потоки доходов, улучшая экономику проектов волновой энергии. Например, способность системы CETO производить как электричество, так и пресную воду предлагает убедительное ценное предложение для прибрежных сообществ, сталкивающихся с нехваткой воды.

Политическая поддержка остается критической. Форум по энергетике океана Европейского союза и Директива по возобновляемым источникам энергии установили целевые показатели для энергии океана, и несколько стран, включая Шотландию, Ирландию и Португалию, внедрили специальные схемы поддержки. Тарифы на питание, контракты на разницу и программы сертификатов на возобновляемые источники энергии могут обеспечить определенность доходов для ранних проектов, в то время как инновационные гранты и государственно-частное партнерство помогают развитию технологий снижения риска. Продолжающиеся инвестиции в морские энергетические испытательные центры и исследовательскую инфраструктуру также необходимы для поддержания импульса.

Прогнозы рынка сильно различаются, но большинство аналитиков ожидают, что волновая энергия начнет вносить значимый вклад в глобальное электроснабжение к концу 2030-х годов. Группа Ocean Energy Systems Международного энергетического агентства предусматривает 10 ГВт энергии океана (включая волновые и приливные), развернутые во всем мире к 2030 году по амбициозному сценарию и до 100 ГВт к 2040 году. Хотя эти цифры скромны по сравнению с ветровой и солнечной энергией, уникальная ценность волновой энергии - предсказуемость, взаимодополняемость и пригодность для прибрежных и островных сетей - означает, что она может превысить свой вес с точки зрения преимуществ сети.

Оригинальное название: Riding the Wave Forward

Преобразователи волновой энергии представляют собой замечательную инженерную возможность использовать один из самых мощных и устойчивых природных ресурсов планеты. Технология превратилась из теоретических концепций в реальные устройства, работающие в океане, с несколькими пилотами, продемонстрировавшими надежную работу, связанную с сетью. Преимущества волновой энергии - высокая плотность, предсказуемость, низкое землепользование и сезонная комплементарность - делают ее ценным дополнением к солнечной и ветровой энергии в диверсифицированном портфеле возобновляемых источников энергии. Проблемы, хотя и значительные, не являются непреодолимыми: живучесть, стоимость и экологическая интеграция решаются с помощью итеративного дизайна, инноваций материалов и тщательного сидения. Экономическая жизнеспособность будет сопровождаться масштабом развертывания, и ранние признаки от модульных, многофункциональных устройств обнадеживают. Прибрежные страны, которые инвестируют в энергию волн сегодня позиционируют себя, чтобы извлечь выгоду из чистого, устойчивого и отечественного источника энергии. При устойчивой приверженности промышленности, правительства и научно-исследовательских учреждений, энергия волн может прокатиться на следующей большой волне глобального энергетического перехода.