ENERGIJA MORA

Draga Krpan-Lisica

UDBENICI SVEUILITA U SPLITU MANUALIA UNIVERSITATIS STUDIORUM SPALATENSIS

Izdava Kemijsko-tehnoloki fakultet

Split, Teslina 10/V tel. 021/329440 fax. 021/329461

Recenzenti Prof. dr. sc. Mile Delalija,

Prirodoslovno-matematiki fakultet u Splitu Prof. dr. sc. Nenad Kuzmani,

Kemijsko-tehnoloki fakultet u Splitu

Uredila Mr. sc. Draga Krpan-Lisica, via pred.

ISBN 978-953-98372-2-6

http://www.ktf-split.hr/bib/index.html

Odobreno Odlukom Senata Sveuilita u Splitu broj 01-1-71/14-2-2012. od. 29. lipnja 2012.

-------------------------------------------

CIP - Katalogizacija u publikaciji S V E U I L I N A K N J I N I C A U S P L I T U

UDK 551.466

KRPAN-Lisica, Draga Energija mora / Draga Krpan-Lisica. - Split : Kemijsko- tehnoloki fakultet, 2012. - (Udbenici Sveuilita u Splitu = Manualia Universitatis studiorum Spalatensis)

Pristup: World Wide Web. URL: http://www.ktf-split.hr/bib/index.html. - Stv. nasl. s nasl. zaslona. - Publikacija u formatu PDF; sadri 87 str. - Bibliografija.

ISBN 978-953-98372-2-6

I. Energija valova -- Primjena

140807002

-------------------------------------------

Mr. sc. Draga Krpan-Lisica

Energija mora

Kemijsko-tehnoloki fakultet Split, 2012.

Predgovor

Vana tema gospodarstva mnogih zemalja zasigurno je energetika, u okviru koje je osobito uoljiv porast interesa za obnovljive izvore energije, za to postoji vie razloga.

Na prvome je mjestu sveprisutna rastua potreba za energijom, uvjetovana, ponajprije, eksplozivnim porastom broja stanovnika i tenjom nerazvijenih zemalja za izlaskom iz siromatva, koja se nuno temelji na sve veoj potronji energije, iako je poveana potronja energije prisutna i u razvijenim zemljama.

Ne treba zanemariti ni prijepore oko nuklearne energije. Iako se povremeno ine zapretanima, ovi prijepori se, zgodimice, poput feniksa obnavljaju iz pepela. To osobito dolazi do izraaja nakon nuklearnih katastrofa ili, pak, nakon velikih elementarnih nepogoda koje mogu ugroziti rad nuklearnih elektrana (sjetimo se, primjerice, nuklearke Fukushima u Japanu, nakon potresa i katastrofalnoga cunamija, u oujku 2011. godine).

Svakako treba istaknuti da je, nakon razdoblja gotovo obijesnoga troenja fosilnih goriva, prisutna i zastraujua, poput tamne sjene nad ovjeanstvom natkriljena prijetnja neizbjenoga kraja zaliha fosilnih goriva, ali i suoavanje sa sudbonosnim posljedicama takvoga troenja, zbog pojaanoga uinka staklenika.

I bez daljnjega nabrajanja, ve su i ovi navedeni razlozi dovoljni da opravdaju poveani interes za obnovljive izvore energije: razvijena je svijest o tome da hitno treba mijenjati naine proizvodnje energije, ali i naine njezina troenja. Ne udi, stoga, ni poveani interes za koritenje energije mora, to je osobito dolo do izraaja tijekom posljednjih desetljea, kada su i neke ve gotovo zaboravljene ideje doivjele renesansu. Budui da je oko 70 % Zemljine povrine prekriveno morem, ono je, uistinu, najvei sunani kolektor na Zemlji te sadri dragocjene koliine energije koje se ne smije ignorirati. Svakako, u obzir treba uzeti i onaj dio energije mora koji je posljedica gravitacijskoga djelovanja Mjeseca i Sunca.

Upravo to me je navelo da napiem prirunik "Energija mora". U njemu sam, kronoloki, dotaknula osnovne naine koritenja toplinske energije mora, energije morskih valova te energije plime i oseke, a uz to sam iznijela i najnovija postignua u koritenju ovih vidova energije. Unato problemima koji zasad prate koritenje energije mora, moemo rei da je ono vrlo izgledno te da e u budunosti, nedvojbeno, more predstavljati vaan izvor obnovljive energije.

Sveuilini prirunik "Energija mora", kao nuna nadopuna postojee literature, namijenjen je prvenstveno studentima Kemijsko-tehnolokog fakulteta (predmet "Energija i razvoj" na Diplomskome studiju kemijske tehnologije smjer Zatita okolia i na Diplomskome studiju kemije smjerovi Organska kemija i biokemija te Kemija okolia, predmet "Energetika" na Strunome studiju kemijske tehnologije smjerovi: Kemijska tehnologija i materijali te Prehrambena tehnologija). Nadam se da e prirunik biti zanimljiv i studentima ostalih tehnikih fakulteta koji imaju predmete slinoga programa, ali i svima onima koje zanima navedena problematika.

Sadraj

1. Uvod....................................................................................................................................... 6 2. Koritenje toplinske energije mora .................................................................................... 9

2.1.1. Otvoreni proces (Claudov proces).......................................................................... 10 2.1.2. Zatvoreni proces ..................................................................................................... 11

2.2. Komplementarni proizvodi oceanskih elektrana ..................................................... 12 2.3. Problemi pri koritenju toplinske energije mora ..................................................... 14 2.4. Konstrukcija OTEC elektrana................................................................................... 15

2.4.1. Nestacionarna OTEC postrojenja........................................................................... 15 2.4.2. Stacionarna OTEC postrojenja............................................................................... 17

2.5. Povijesni pregled ......................................................................................................... 18 3. Koritenje energije morskih valova.................................................................................. 24

3.1. Osnovne znaajke vala................................................................................................ 25 3.2. Osnovni naini koritenja energije morskih valova................................................. 26

3.2.1. Oscilirajui vodeni stupac ...................................................................................... 26 3.2.1.1. OWC postrojenje s jednosmjernom turbinom................................................. 27 3.1.1.2. OWC postrojenje s dvosmjernom turbinom (Wellsova turbina)..................... 27

3.2.2. Oscilirajue plutae ................................................................................................ 34 3.2.2.1. Edinburka (Salterova) patka .......................................................................... 35 3.2.2.2. AquaBuOY plutae ......................................................................................... 37 3.2.2.3. Valni stroj Pelamis .......................................................................................... 42

3.2.3. Usmjeravajui kanali (apsorberi valova)................................................................ 50 3.3. Problemi pri koritenju energije morskih valova .................................................... 54

4. Koritenje energije plime i oseke ...................................................................................... 55 4.1. Pojava plime i oseke .................................................................................................... 56 4.2. Osnovne znaajke plime i oseke ................................................................................. 61 4.3. Plimne elektrane .......................................................................................................... 64

4.3.1. Kopnene plimne elektrane...................................................................................... 64 4.3.1.1. Naelo rada kopnene plimne elektrane ........................................................... 65 4.3.1.2. Problemi pri radu kopnenih plimnih elektrana................................................ 66 4.3.1.3. Plimna elektrana La Rance.............................................................................. 67 4.3.1.4. Plimna elektrana Annapolis ............................................................................ 75 4.3.1.5. Projekt Severn Barrage.................................................................................... 76

4.3.2. Puinske plimne elektrane...................................................................................... 77 4.3.2.1. Prednosti postrojenja s plimnim turbinama..................................................... 77 4.3.2.2. Projekt Seaflow ............................................................................................... 78 4.3.2.3. Projekt SeaGen................................................................................................ 79 4.3.2.4. Projekt tvrke Verdant Power ........................................................................... 84

Pogovor.................................................................................................................................... 86 Literatura ................................................................................................................................ 87

6

1. Uvod

ovik je gospodar svega, samo je mora rob, more ga s do neba, more ga kl u grob.

(Meni nepoznat autor.)

More je odvajkada inspiriralo pjesnike, potiui njihovu matu da rairi krila. Prije priblino pet stoljea na valovima mora poela se zibati i kolijevka tek roene hrvatske knjievnosti. Za arobne, esto nemirne, obale istone strane Jadranskoga mora neraskidivo je vezan i vaan dio nae povijesti, nastale u vjekovnome kovitlacu raznih naroda i kultura.

Svojom veliajnou i tajanstvenou more je oduvijek u ljudima izazivalo divljenje i strahopotovanje. Ni ja nisam izuzeta od toga: od kada see moje sjeanje zatravljena sam ljepotom i ponizna pred silinom mora. Osobine mora toliko su apsolutne da mu ljudi od davnina pridaju konotacije boanskoga: neto toliko savreno moe biti samo djelo Stvoritelja, ono je njegov materijalni dokaz.

More krije neprocjenjiva bogatstva i mnoge tajne, koje ne odaje ni lako ni usputno. Samo odabrani, hrabri i najuporniji vizionari, uspijevaju otkriti poneku od njih.

S obala mora kretalo se i u otkrivanje novih zemalja, ponekad, naalost, i s traginim posljedicama, ali ponajea posljedica bilo je irenje obzora osvajanje novih spoznaja. More je oduvijek povezivalo ljude te ga veina ljudi najbolje poznaje upravo iz toga aspekta.

U sveuilinome priruniku "Energija mora" sagledat emo more iz relativno novoga aspekta: mogunost proizvodnje elektrine energije koritenjem energije mora.

7

I kad je mirno, ili tek blago uzbibano ...

...i kad je olujno i zastraujue, ...

8

...more je spremnik silne koliine energije

Odakle moru ta silna koliina energije?

Dio energije koja se od Sunca iri svemirskim prostranstvom dolazi i do povrine Zemlje, nakon to proe kroz njezinu atmosferu. Procijenjeno je da ta prizemno dozraena energija Suneva zraenja iznosi priblino 2,661 1024 J godinje. Ta se energija raspodijeli izmeu povrine mora (oko 70 % povrine Zemlje) i povrine kopna (oko 30 % povrine Zemlje). Uz pretpostavku jednake povrinske gustoe dozraene energije, zakljuujemo da do povrine mora dospijeva oko 70 % ukupne energije koja od Sunca dolazi do povrine Zemlje priblino 1,862 1024 J godinje. Ta se energija pojavljuje kao:

toplinska energija mora (I. derivacija Suneve energije)

energija morskih valova (II. derivacija Suneve energije).

Svakako, u obzir treba uzeti i

energiju plime i oseke (posljedica gravitacijskoga djelovanja Mjeseca i Sunca).

Kako se ova energija moe koristiti? Krenimo navedenim redom.

2. Koritenje toplinske energije mora (OTEC engl. Ocean Thermal Energy Conversion)

10

2.1. Oceanske elektrane

Godinji sadraj toplinske energije mora iznosi priblino 1021 J. Dio ove energije moe se koristiti za pogon toplinskih strojeva u oceanskim elektranama, zahvaljujui razlici temperatura, t, izmeu povrinskoga sloja i sloja na dubini od vie stotina metara (ponekad i vie od tisuu metara). Zbog male razlike temperatura (tamo gdje je najpovoljnije t 20 C) mala je i djelotvornost postrojenja koja koriste toplinsku energiju mora: teorijska vrijednost djelotvornosti manja je od 7 %, dok je stvarna vrijednost najvie 4 %.

Sl.2.1. Prosjene godinje temperaturne razlike (C) izmeu tople povrinske vode i vode na dubini od 1000 m:

najpoeljnija podruja su unutar utih granica (t 20 C)

Najpovoljnije su lokacije oceanskih elektrana u tropskome podruju, otprilike izmeu:

rakove obratnice (23,5 sjeverne geografske irine) i

jareve obratnice (23,5 june geografske irine).

Za ovakav nain proizvodnje elektrine energije najloginija podruja su tropski otoci, jer na njima postoje:

povoljni fizikalni uvjeti rastua potreba za energijom.

Oceanski temperaturni gradijent moe se koristiti u postrojenjima:

s otvorenim procesom (Claudov proces) sa zatvorenim procesom.

2.1.1. Otvoreni proces (Claudov proces)

U otvorenome procesu (slika 2.2.) radna tvar je morska voda. Topla povrinska voda (temperatura priblino 25 C) izravno isparava pri niskome tlaku u vakuumskim komorama (ispariva). Nastala vodena para (desalinirana) pri ekspanziji pokree niskotlanu parnu turbinu, a parna turbina pokree generator. Po izlasku iz turbine ekspandirana vodena para hladi se dubinskom vodom (temperatura oko 5 C) i ukapljuje u ukapljivau (kondenzator). Nastala voda, ako je u izmjenjivau topline odijeljena od hladne dubinske morske vode, moe se konzumirati ili koristiti u poljoprivredi (navodnjavanje).

11

VAKUUMSKI ISPARIVA TURBINA

GENERATOR

G

Hladna dubinskamorska voda

( 5 C)

UKAPLJIVA

Topla povrinskamorska voda

( 25 C)

Pitka voda

Desaliniranavodena para(nezasiena)

Desaliniranavodena para(zasiena)

2.1.2. Zatvoreni proces

U zatvorenome procesu (slika 2.3.) radna tvar je kapljevina temperature kljuanja oko 20 C, pri radnome tlaku (freoni, amonijak, propan ...). Koristei toplinu povrinske morske vode radna tvar isparava u isparivau. Nastala para pri ekspanziji pokree parnu turbinu, a parna turbina pokree generator. Ekspandirana para se ukapljuje u ukapljivau (hladnom dubinskom vodom) te se vraa u ispariva (preko crpke sa zagrijavanjem, uz poveanje tlaka).

UKAPLJIVA

ISPARIVATURBINA

GENERATOR

G

Topla povrinskamorska voda

( 25 C)

Hladna dubinskamorska voda

( 5 C)

Slika 2.2. OTEC: shema otvorenoga procesa

Slika 2.3. OTEC: shema zatvorenoga procesa

12

2.2. Komplementarni proizvodi oceanskih elektrana

Trokovi ulaganja u OTEC postrojenja ne mogu se namiriti dananjom cijenom proizvedene elektrine energije, to nuno upuuje na iznalaenje razliitih naina viestrukoga koritenja ovih postrojenja. Ve smo vidjeli da se u otvorenome procesu, osim elektrine energije, proizvodi i pitka voda (desalinacija morske vode), to je jako vano, posebice za otoke.

Uz to, nakon isputanja iz OTEC postrojenja (i u otvorenome i u zatvorenome procesu), hladna dubinska voda, bogata hranjivim solima, moe se koristi i za:

marikulturu, primjerice uzgoj koljkaa, jastoga, lososa ... rashladne sustave ekstrakciju minerala (primjerice Mg, B, NaCl) koja je, inae, ekonomski upitna, ali u

kombinaciji s OTEC postrojenjem, postaje ekonomski opravdanija.

Ovi komplementarni proizvodi ine OTEC postrojenja dodatno zanimljivima (slika 2.4.).

Slika 2.4. Shematski prikaz koritenja OTEC sustava:

proizvodnja elektrine struje proizvodnja pitke vode marikultura rashladni sustavi

alge

Marikultura:

jestive crvene alge

petrovo uho otrige jastozi raii losos

fitoplankton

zooplankton

elektrina struja

topla voda

Sunce

hladna voda

desalinirana voda

isputanje hladne vode

OTEC

klimatizacija zgrada

natapanje

pie

hlaenje zraka

hlaenje vode

13

Proizvodnja pitke vode koritenjem OTEC-a

U otvorenome procesu izravno se proizvodi pitka voda primjerice u postrojenju snage 1 MW moe se proizvesti oko 2,271 milijuna litara pitke vode dnevno. Ova proizvodnja osobito je znaajna na otocima s ogranienom koliinom pitke vode. Osim za pie ta se voda moe koristiti i za natapanje u poljoprivredi.

Slika 2.5. Povrinski izmjenjiva topline (desalinacija vode) u OTEC postrojenju koje je radilo (1993. 1998.) godine,

Keahole Point, otok Hawaii, SAD

Proizvodnja vodika koritenjem OTEC-a

Ako OTEC postrojenje nije smjeteno na kopnu veliki problem predstavlja dovoenje elektrine struje do kopna, podmorskim kabelima. U tome sluaju vrlo zanimljiv nain koritenja elektrine struje, proizvedene u OTEC postrojenju, njezino je izravno koritenje za proizvodnju vodika. Osnovne faze u proizvodnji vodika su:

elektroliza vode ukapljivanje nastaloga vodika otpremanje ukapljenoga vodika brodovima u svjetska industrijska sredita (koristi se

kao gorivo ili u kemijskoj industriji).

14

Slika 2.6. Vodik se proizvodi elektrolizom vode na OTEC platformi, privrenoj za kontinentski elf,

te se ukapljuje i otprema brodovima (koristi se kao gorivo ili u kemijskoj industriji)

2.3. Problemi pri koritenju toplinske energije mora

Mali je broj pogodnih lokacija, budui da treba postojati koegzistencija vie imbenika: t konst., to je ostvareno u tropskome podruju dovoljna dubina mora, da bi t bio to vei blizina obale, da bi bili to manji trokovi prijenosa energije do kopna.

Visoka su ulaganja, jer su velike dimenzije postrojenja, pri emu se ak cca 75 % trokova odnosi na dovod hladne dubinske morske vode, koji treba biti dovoljno dug, da bi se mogla ostvariti potrebna razlika temperatura, t.

Konstrukcijski materijali izloeni su: koroziji obrataju vremenskim nepogodama.

Veliki dio proizvedene energije troi se za vlastiti pogon (hladna se voda crpkama podie s dubine od vie stotina metara, ponekad i s dubine vee od tisuu metara).

15

2.4. Konstrukcija OTEC elektrana

OTEC elektrane mogu biti sagraene kao:

nestacionarna postrojenja stacionarna postrojenja.

2.4.1. Nestacionarna OTEC postrojenja

Ova postrojenja mogu biti izvedena kao:

usidrene plutajue platforme brodska postrojenja.

Uglavnom su to postrojenja za puinski (engl. off shore) rad; poeljnija su za sustave vee snage, ali imaju niz nedostataka:

Kabeli i cjevovodi privreni za plutajuu platformu podloniji su oteenju, posebice za vrijeme oluje. Na velikoj dubini, ponekad i veoj od 1000 m, teko se odravaju i popravljaju pa trebaju biti konstruirani tako da odole mnogim nedaama.

Ako je postrojenje predvieno za isporuku elektrine energije u elektrinu mreu, ono treba biti relativno stacionarno. Sidrenje je jedan od naina da se to osigura, ali cijena sidrenja, ak i na manjim dubinama, moe onemoguiti komercijalno koritenje postrojenja.

Slika 2.7. Shema rada usidrene plutajue OTEC platforme

isputanje vode topla povrinska voda

1000 m

SIDRENI KABEL

PRIJENOSNI KABEL

hladna voda

16

Slika 2.8. Futuristiki dizajn plutajuih OTEC platformi za Queensland (Australija); autor Dean Willey, prezentirano 2005. godine inicijativom australskoga

Society for Sustainability and Enviromental Engineering (uoite ogromne dimenzije platforme usporeivanjem s helikopterom)

Slika 2.9.Brodska postrojenja OTEC elektrana

17

2.4.2. Stacionarna OTEC postrojenja

Ova postrojenja mogu biti izvedena kao:

puinska postrojenja (platforma privrena za kontinentski elf) kopnena postrojenja.

Slika 2.10. OTEC platforma privrena za morsko dno (projekt Xenesys Inc., Japan)

Slika 2.11. Eksperimentalno kopneno OTEC postrojenje, Keahole Point, Hawaii, SAD

18

2.5. Povijesni pregled

1881. godina Ideju koritenja oceanskog temperaturnog gradijenta za proizvodnju elektrine energije prvi je iznio Jacques-Arsene d'Arsonval (turbine pogonjene amonijakom).

1920. godina Georges Claude, mlai dArsonvalov suradnik, prvi je izgradio (u Francuskoj) pokusno postrojenje (koristilo je toplu vodu iz elektrane).

1930. godina Claude je konstruirao kopneno postrojenje (otvoreni proces), izlazne snage 22 kW, s niskotlanom turbinom (zaljev Mantanzas, Kuba). Postrojenje je funkcioniralo, ali je bilo neefikasno: neto P = 0 (neto snaga je razlika izlazne i ulazne snage).

1935. godina Claude je konstruirao plutajue postrojenje (otvoreni proces), smjeteno na teretnjaku usidrenome pokraj obale Brazila.

Postrojenja na Kubi i u Brazilu unitena su u olujnome nevremenu. S otvorenim procesom Claude nikad nije postigao neto P > 0.

Slika 2.12.

a) Jacques-Arsene d'Arsonval (1851. 1940.), pripadnik staroga francuskog plemstva, znameniti fiziolog, osobito poznat po primjeni elektrine struje u lijeenju, jedan od tvoraca Deprez-d'Arsonvalova galvanometra, zaetnik ideje koritenja toplinske energije mora b) Georges Claude (1870. 1960.), prvi koji je utjelovio dArsonvalovu ideju; ovaj inventivni inenjer (neki ga smatraju "francuskim Edisonom") poznatiji je po otkriima u podruju ukapljivanja zraka i dr. plinova (pri emu je otkrio i nain dobivanja neona) te po izumu moderne neonske svjetiljke i neonskih reklama (naalost, nad njim je nadvijena sjena kolaboracije s Nijemcima u 2. svjetskom ratu)

a) b)

19

Slika 2.13. Cjevovod (2 km), promjera veliine ovjeka, za opskrbu kopnenoga OTEC postrojenja hladnom dubinskom vodom,

zaljev Matanzas, Kuba, 1930. god. (zbog velikih dimenzija dovod hladne vode je vrlo skup dio postrojenja)

Slika 2.14. Polaganje Claudeova cjevovoda za hladnu vodu, zaljev Matanzas, Kuba, 1930. god.

20

1956. godina

Francuski znanstvenici nainili su studiju za postrojenje u Abianu (Obala bjelokosti), koje je trebalo imati neto P > 0 (P = 5,5/3,5 MW). U tome je postrojenju bilo potrebno P = 2 MW samo za crpljenje hladne dubinske vode. Naalost, postrojenje nikad nije bilo dovreno zbog previsoke cijene, a odluci o nedovravanju postrojenja uvelike je doprinijela i injenica da je u blizini bila izgraena hidroelektrana.

1979. godina napokon uspjeh!

Sve do ove godine koritenje toplinske energije mora bilo je samo ideja, stara stotinjak godina, vrlo zanimljiva i dobrano ilvernovska. U kolovozu 1979. godine proradilo je ameriko postrojenje MINI-OTEC (P = 52/15 kW). Postrojenje je bilo smjeteno na otpisanome brodu Mornarice SAD-a, usidrenome na puini (betonsko sidrite), na dubini od oko 900 m, udaljenome neto vie od 2,4 km od obale, ispred Keahole Pointa, na otoku Hawaii (Big Island) savezna drava Havaji, SAD.

Bilo je to prvo eksperimentalno postrojenje sa zatvorenim procesom. Ujedno, ovo je bila prva uspjena OTEC proizvodnja sa zatvorenim procesom (neto P > 0) proizvodilo se vie elektrine energije nego to se troilo za proizvodnju te iste energije. Struje je bilo dovoljno za osvjetljavanje broda te pogon raunala i televizora.

U zatvorenome procesu postrojenja MINI-OTEC crpke su podizale hladnu vodu, temperature 4,44 C, s dubine od 760 m (oko 10 200 l/min), a koristila se i jednaka koliina tople povrinske vode, temperature 26,67 C. Radna tvar je bio amonijak, koji je isparavao u ploastome izmjenjivau topline, nainjenome od titana, koji se nalazio na ulasku tople povrinske vode. Nastala para pokretala je turbinu, a turbina je pokretala elektrini generator. Po izlasku iz turbine para amonijaka odlazila je u drugi izmjenjiva topline (takoer nainjen od titana), koji se nalazio na ulasku hladne dubinske vode, u kojem se amonijak ukapljivao i ponovno koristio.

Dovod hladne dubinske vode, koji predstavlja i najskuplji dio cjelokupnoga postrojenja (oko 75 % ukupnih trokova), u morskoj vodi izloen je obrataju razliitim organizmima koji ive u moru, to predstavlja velik problem, zbog ega odabir konstrukcijskih materijala predstavlja velik izazov. Za smanjivanje problema obrataja kao izrazito pogodan materijal pokazao se polietilen, koji se i zbog svojih ostalih svojstava vrstoe i fleksibilnosti pokazao gotovo idealnim materijalom za izradu dovoda (koriten je i za vezu s betonskim sidritem.)

Iako je dovod hladne dubinske vode u postrojenju MINI-OTEC imao veliku duljinu, promjer dovoda bio je samo 0,61 m, zbog ega je i protok vode bio relativno skroman, a shodno tomu i izlazna snaga te neto snaga postrojenja vjerojatno zbog toga i ono "MINI" u nazivu postrojenja.

Unato tomu to su rezultati rada postrojenja MINI-OTEC bili izrazito slabani, vanost ovoga postrojenja bila je u tome to je ono bilo dokaz da ideja koritenja toplinske energije mora nije samo teorijski dobra pokazala se i ostvarivost te ideje u praksi. Postrojenje MINI OTEC bilo je proglaeno jednim od deset istaknutih inenjerskih postignua 1980. godine u SAD-u (National Society of Professional Engineers).

21

Slika 2.15. Prvo eksperimentalno brodsko postrojenje sa zatvorenim procesom, MINI-OTEC, na kojem je1979. godine izvrena prva uspjena OTEC proizvodnja (neto P > 0),

Keahole Point, otok Hawaii, SAD

1981. godina

Sagraen je ameriki eksperimentalni brod-elektrana OTEC-1, snage 1 MW. Poveanjem dimenzija dovoda hladne dubinske vode (slika 2.16.) porasla je i snaga postrojenja.

Slika 2.16. Postavljanje cjevovoda za OTEC-1 (1981. god.), ameriki eksperimentalni brod-elektranu (1 MW)

22

1982. godina

Na otoku Nauru, usred Tihoga oceana, proradilo je japansko demonstracijsko kopneno postrojenje, neto snage P > 0 (P = 100/31,5 kW). To je bilo postrojenje sa zatvorenim procesom:

radna je tvar bio freon cjevovod za hladnu vodu poloen je do dubine od 580 m izmjenjiva topline napravljen je od titana.

Umjesto skupoga titana za izradu golemih izmjenjivaa topline kasnije su se koristile aluminijske legure. Obrataj u hladnome moru nije problem, a u toplome moru moe se kontrolirati povremenim kloriranjem (70 ppb/h dan).

Razdoblje (1993. 1998.) godine

U Keahole Pointu na otoku Hawaii (SAD) u navedenome razdoblju radilo je eksperimentalno kopneno postrojenje s otvorenim procesom (P = 210/103 kW). Bilo je to najvee i najdjelotvornije kopneno OTEC postrojenje.

Slika 2.17. Eksperimentalno kopneno OTEC postrojenje s otvorenim procesom, Keahole Point, otok Hawaii, SAD

povrinski izmjenjiva topline (para pitka voda)

23

Razdoblje (2000. 2010.) godine

U suradnji s Japanom (Saga University) u Indiji je izgraeno brodsko OTEC postrojenje Sagar Shakti, (slike 2.18. i 2.19.). Postrojenje, sa zatvorenim procesom, smjeteno je na teglenici duljine 72 m. Dovodom hladne vode, promjera 1 m, podie se hladna voda s dubine od 1 000 m (1 415 kg/s). Snaga postrojenja je 1 MW. Godine 2004. objavljeno je da indijska vlada namjerava postaviti veliki broj OTEC ureaja.

Slika 2.18. OTEC brod Sagar Shakti (indijsko-japanska suradnja)

Slika 2.19. OTEC brod Sagar Shakti:

2009. godine japanska firma Xenesys izradila je studiju izvodljivosti za OTEC postrojenje na Tahitiju, snage 5 MW, za koje e francuska vlada snositi pola trokova.

U kolovozu 2010. godine japanska vlada objavila je da e graditi OTEC postrojenje, za koje e do 2015. god. u proraunu biti predvieno 3 milijarde jena. Ovo postrojenje trebalo bi 2016. godine poeti s komercijalnom proizvodnjom!

a) b)

a) raunalno kontroliranje procesa b) turbina OTEC postrojenja

3. Koritenje energije morskih valova

25

3.1. Osnovne znaajke vala

Valovi su vjetrom prouzroeno kretanje vodenih masa, kod kojega je gustoa energijskoga toka puno vea od gustoe energijskoga toka vjetra koji ih uzrokuje. Prosjena gustoa energijskoga toka morskih valova iznosi 10 kWm-2. Za usporedbu s time recimo da gustoa energijskoga toka olujnoga vjetra (v = 20 ms-1) iznosi samo 2 kWm-2.

Osnovne znaajke vala su:

Visina, (vertikalna udaljenost vrha brijega i susjednoga dola)

Valna duljina,

Frekvencija, f.

Slika 3. 1. Osnovne znaajke vala

Navedene znaajke vala ovise o nizu imbenika, prvenstveno o:

brzini vjetra dubini mora konfiguraciji podmorja udaljenosti od obale konfiguraciji obale.

Kako osnovne znaajke vala utjeu na njegovu snagu? Snaga vala odreena je izrazom:

P = 1,26 f 2 [kW] (3.1)

Godinja energija morskih valova du svih obala procijenjena ja na priblino 3 1019 J. Iako je ova energija nairoko rasprostranjena te nije konstantna (ni s obzirom na mjesto pojavljivanja ni s obzirom na vrijeme pojavljivanja) ispituju se razliite mogunosti njezina koritenja, posebice za proizvodnju elektrine energije.

U razvoju elektrana pogonjenih valovima najvie su postigle visokoindustrijalizirane pomorske zemlje: Ujedinjeno kraljevstvo Velike Britanije i Sjeverne Irske (UK), Japan, Skandinavske zemlje i Australija.

brijeg dol

razina mirnoga mora

26

3.2. Osnovni naini koritenja energije morskih valova

Energija morskih valova moe se koristiti za proizvodnju elektrine energije na vie naina, a osnovni su oni koji koriste:

a) oscilirajui vodeni stupac

b) oscilirajue plutae

c) usmjeravajue kanale (apsorberi valova).

Slika 3.2. Osnovni naini koritenja energije morskih valova

3.2.1. Oscilirajui vodeni stupac (OWC engl. Oscillating Water Column)

Vertikalna betonska ili elina komora, koja je djelomino pod morem, ima otvor ispod morske povrine. Unutar komore je stupac vode, iznad kojega je stupac zraka.

Zbog nadolaenja valova vodeni stupac u komori oscilira. Prilikom podizanja vodeni stupac potiskuje stupac zraka, stlaeni zrak pogoni zranu turbinu, a ona pogoni elektrini generator.

OWC postrojenje moe biti:

s jednosmjernom turbinom s dvosmjernom turbinom (Wellsova turbina).

a) b) c)

27

3.2.1.1. OWC postrojenje s jednosmjernom turbinom

Postrojenje s jednosmjernom turbinom (slika 3.3.) ima sustav jednosmjernih (nepovratnih) ventila. Pri nadiranju vode u komoru stupac vode potiskuje stupac zraka, pri emu se zatvara jednosmjerni ventil za ulazak zraka u komoru, a otvara se jednosmjerni ventil za izlazak zraka iz komore te ulazak u prostor za stlaeni zrak. Stlaeni zrak pokree jednosmjernu turbinu, a ona pogoni elektrini generator.

Slika 3.3. Naelo rada OWC postrojenja s jednosmjernom turbinom

3.1.1.2. OWC postrojenje s dvosmjernom turbinom (Wellsova turbina)

Rad ovoga postrojenja (slika 3.4.) omoguio je genijalni izum prof. Alana Arthura Wellsa (Queen's University, Belfast QUB, Sjeverna Irska, UK), koji je po njemu i dobio ime: Wellsova turbina (kasne 70-e godine 20. stoljea). Wellsova turbina (slika 3.5.) je niskotlana dvosmjerna zrana turbina, koja koristi usis i isis zraka (rotira uvijek u istome smjeru, neovisno o smjeru strujanja zraka koje je aksijalno). Lopatice Wellsove turbine pruaju konstantan otpor strujanju zraka, to omoguuje izvrstan uinak u irokome rasponu strujanja, za razliku od konvencionalnih turbina, koje imaju izraziti, otri maksimum uinkovitosti. Vrlo velika brzina rotacije, od 1500 do 3000 okretaja u minuti (pri koritenim dimenzijama), omoguuje izravnu vezu Wellsove turbine s generatorom, bez koritenja prijenosnika.

ulazak vode

betonska graevina

jednosmjerni ventil (ulazak zraka)

jednosmjerni ventil (izlazak zraka)

stlaeni zrak turbina

obala

28

Postrojenje s Wellsovom turbinom ima prednost pred postrojenjem s ventilima:

ventili uvjetuju odreenu tromost postrojenja sustav s ventilima ima manju trajnost.

Slika 3.4. Naelo rada OWC postrojenja s dvosmjernom turbinom (Wellsova turbina)

Slika 3.5. Wellsova zrana turbina rotira uvijek u istome smjeru (aerodinamini profil lopatica simetrian je u odnosu na ravninu rotacije)

morsko dno

smjer vala

stupac zraka

betonska graevina

strujanje zraka turbina i generator

29

Prvo norveko OWC postrojenje, izgraeno 1985. godine na istome otoku na kojem je bio i TAPCHAN (str. 50), nalazilo se unutar prirodnoga udubljenja u litici koja se obruava u more, ali odmaknuto od same stijenke litice. Wellsova turbina, promjera 2 m, bila je izravno povezana s generatorom (600 kW). Performance postrojenja nadilazile su predvianja. Naalost, snana oluja sruila je ovo postrojenje 1988. godine i ono vie nije bilo obnovljeno.

Iskustvo s norvekim postrojenjem pokazalo je da bi novo postrojenje trebalo biti robusnije i ugraeno u samu liticu, kao to je i napravljeno na otoku Islay (otoje Unutarnji Hebridi, kotska), koji su znanstvenici s QUB-a odabrali kao najpovoljniju lokaciju. Komora klinastoga oblika, od pojaanoga betona, ugraena je u prirodni usjek u litici (engl. natural gully). Postrojenje je s prekidima radilo od 1989. do 1999. godine, kada je demontirano.

Blizu Portnahavena, na zapadnoj obali otoka Islay, u rujnu 2000. godine zavrena je izgradnja OWC elektrane s Wellsovom turbinom, Limpet 500 (slika 3.6.), u okviru projekta LIMPET (Land Installed Marine Powered Energy Transformer). Bio je to zajedniki projekt QUB-a i firme Wavegen (Inverness, kotska), u kojem su nadieni nedostatci prethodnoga projekta, koritenjem dizajniranoga usjeka (engl. designer gully) i nakoenoga oblika komore (slika 3.7.). Ova komercijalne elektrana, snage 500 kW, osigurava struju za oko 300 otonih kuanstava.

Slika 3.6. Limpet 500 (500 kW): 2 Wellsove turbine, svaka spojena s generatorom snage 250 kW

Slika 3.7. OWC elektrana Limpet 500, pogled s mora: pojaana betonska komora, ugraena u liticu ("designer gully"),

nakoena je da bi se ublailo razorno djelovanje mora

30

Novija, vea postrojenja su u kotskoj (otok Lewis), panjolskoj (Baskija) i Portugalu (otok Pico, Azori) slike od 3.8. do 3.12.

Slika 3.8. Geografski smjetaj OTEC elektrana u UK: otok Islay (Unutarnji Hebridi) i otok Lewis (Vanjski Hebridi)

Slika 3.9. Izgradnja Limpet sustava (firma Wavegen) na novom lukobranu zaljeva u Mutriku i njezin geografski smjetaj (Baskija, panjolska)

(slino se namjerava i na postojeem lukobranu na uu rijeke Umpqua, Douglas County, Oregon, SAD)

31

Slika 3.10. OWC elektrana Pico, na vulkanskim stijenama otoka Pico, Azori, Portugal

Slika 3.11. Azori otoje i geografski smjetaj

32

Slika 3.12. Bijes silnoga Atlantika obruava se na siunu elektranu Pico

OWC naelo moe se primijeniti i na puini, koritenjem platforme ("umjetna obala") na koju djeluju valovi. U novije vrijeme na tome se radi u Japanu i u Australiji.

Japanska firma JAMSTEC (Japan Marine Science and Technology Center) projektirala je plutajue OWC puinsko postrojenje, naziva Mighty Whale (110 kW).

Prototip postrojenja Mighty Whale sastoji se od platforme, veliine (50 x 50) m, usidrene na 40 m dubine u zaljevu Gokasho (istok otoka Honshua), na kojoj su 3 OWC komore (slike 3.13. i 3.14.). Postrojenje djeluje i kao lukobran.

Slika 3.13. Geografski smjetaj japanske OWC platforme Mighty Whalle

(pokraj otoka Honshu, Japan)

33

Slika 3.14. OWC postrojenje Mighty Whale, Japan:

a) umjetnika vizija

b) prototip (ima 3 bloka turbina-generator)

Slika 3.15. Puinsko OWC postrojenje (1,5 MW), Australija

b) a)

34

Stacionarna obalna postrojenja imaju niz prednosti u odnosu na nestacionarna (plutajua) puinska postrojenja, jer je laka izgradnja, odravanje, kontrola i zamjena dijelova:

dostupni su kopnenim putem nisu potrebni podmorski kabeli do obale (prikljuak na elektrinu mreu) nisu potrebni ni ronioci ni brodovi mogu se koristiti prirodne pogodnosti lokaliteta mogu sluiti i kao lukobran.

Naalost, broj pogodnih lokacija je ogranien.

Nedostatak obalnih postrojenja je u tome to, zbog gubitaka, mogu koristiti manje energije valova nego plutajua postrojenja, smjetena na dubokome moru (valovi gube energiju zbog trenja s morskim dnom). Optimalna dubina sidrenja puinskih postrojenja je (40 50) m (more je relativno duboko, a obala je relativno blizu). Meutim, poveanjem dubine mora rastu i problemi:

sidrenja odravanja postavljanja instalacija do kopna.

Ocem moderne tehnologije koritenja energije valova smatra se Japanac Yoshio Masuda (1928. 2009.), pomorski kapetan.

Uz itav niz izuma, i sada koriteno OWC naelo smatra se njegovim izumom, iako je poetno bilo koriteno u manjim sustavima navigacijskim bovama. Time smo doli do sljedee mogunosti koritenja energije morskih valova, a to su ureaji koji koriste oscilirajue plutae.

3.2.2. Oscilirajue plutae WEC (engl. Wave Energy Converter)

Ovi puinski sustavi postavljaju se na duboko more (dubina > 40 m).

Koriste se razliiti sofisticirani mehanizmi, kod kojih se jedan dio pomie u odnosu na drugi, a najznaajniji su:

Edinburka (Salterova) patka AquaBuOY plutae valni stroj Pelamis.

35

3.2.2.1. Edinburka (Salterova) patka

Godine 1974. profesor Stephen Salter, sa Sveuilita u Edinburgu (kotska, UK), opisao je svoj izum novoga obeavajueg pretvaraa energije valova, snage 2 GW, koji je bio potaknut naftnom krizom 1973. godine. Ranih osamdesetih godina 20-oga stoljea ovaj ureaj, za koji se uobiajio naziv Edinburka patka (u literaturi nalazimo i naziv Salterova patka) uvelike se razvijao.

Osnovni dio ovoga ureaja je plovak, efikasnoga hidrodinamikog oblika, koji podsjea na rudimentarnu patku (odatle i naziv). U plovku (slika 3.16.) nalazi se sofisticirana elektronika i mehanika oprema.

Slika 3.16. Edinburka (Salterova) patka (model "patke" bio je testiran na legendarnome kotskom jezeru Loch Ness)

Plovak, postavljen u smjeru kretanja valova, podie se i sputa, djelujui kao razbija valova terminator valova (slika 3.17.). Pri podizanju i sputanju na valovima tijelo plovka pomie se u odnosu na cilindrinu os, smjetenu u njegovome stranjem (krmenom) dijelu, zakreui je uvijek u istome smjeru. Taj efekt pogoni crpke koje tjeraju radni medij (visokotlano ulje) na turbinu, a ona pogoni elektrini generator.

Slika 3.17. Edinburka patka terminator valova

smjer gibanja valova

mirno podruje iza patke

36

Niska, sastavljena od vie plovaka (slika 3.18.), postavlja se tako da zajednika fleksibilna cilindrina "kraljenica" bude to vie paralelna valnoj fronti nadolazeih valova. Ureaj treba biti labavo usidren, tako da se sprijei usmjereno zanoenje morskom strujom, ali ne i gibanje potrebno za pretvorbu energije. Prilikom nailaska vala svaki plovak giba se "zasebno", a relativno stacionarna i teko torzibilna "kraljenica" usrednjavanjem reakcije svih plovaka osigurava zajedniki pogon za vie odvojenih sustava generiranja elektrine energije. Prikupljanje i odvoenje energije iz plovaka, koji su u razliitim fazama gibanja, izuzetno je zahtjevan zadatak.

"Kraljenica" kompletnoga postrojenja tijekom godina evoluirala je u linearni poredak razmaknutih zatvorenih cijevi, koje su meusobno povezane aktivnim spojevima (zglobovima), koji imaju dva stupnja slobode. Tijekom provoenja eksperimenata ustanovljeno je da se dodatna energija moe dobiti od gibanja ovih spojnih zglobova, to je u novije vrijeme iskoriteno u nekim drugim ureajima koji koriste energiju morskih valova, primjerice kod valnoga stroja Pelamis (str. 42).

Slika 3.18. Umjetnika vizija Edinburke (Salterove) patke

Tipine dimenzije pojedinoga plovka, projektiranoga za uvjete sjevernoga Atlantika, bile su: promjer (10 15) m te irina (20 30) m. Zbog ovako velikih dimenzija vrena su laboratorijska ispitivanja modela nainjenoga u mjerilu (1 : 100), u za to nainjenome bazenu za hidrauliko ispitivanje (valni bazen). Prema Salterovu izvjeu oko 90 % energije valova prelazi u mehaniku energiju, a oko 90 % mehanike energiju prelazi u elektrinu energiju, odnosno ukupna djelotvornost koritenja energije valova prelazi 80 %. Kasnija ispitivanja ukazala su na to da postoji i mogunost daljnjega poboljanja djelotvornosti. (Djelotvornost novijih, slinih, testiranih valnih ureaja daleko je manja od djelotvornosti Salterove patke. Naime, kod tih se ureaja nastojalo smanjiti neke sloenosti svojstvene "patki", a posljedica toga je manja djelotvornost.)

37

Naalost, prototip Edinburke patke nikad nije bio testiran u stvarnim uvjetima na moru. Naime, nakon zavretka naftne krize i smanjenoga interesa za obnovljive izvore energije, Salterova grupa izgubila je novanu potporu namijenjenu ovomu projektu (preusmjerena je na nuklearnu energiju). Meutim, s vremenom je interes za obnovljive izvore energije irom svijeta doivio preporod, a mnoga vizionarska rjeenja Salterove grupe, osobito u podruju nove generacije visokotlane uljne hidraulike, nazvane digitalna hidraulika, danas se primjenjuju u drugim obnovljivim izvorima energije.

Profesor Salter smatra se zaetnikom tehnologije koritenja energije morskih valova za proizvodnju elektrine energije. Za cjeloivotni rad i postignua u ovome znanstvenom podruju nagraen je medaljom Saltire Prize, u oujku 2011. godine, u Glasgowu. Prilikom inauguracije profesor Salter je rekao: "Naa jedina pogrjeka bila je to smo to radili prerano, ali i to je bolje negoli prekasno".

Vrijedno je spomenuti jedan noviji projekt, koji se temelji na radu profesora Saltera i njegove istraivake grupe. Naime, ranih osamdesetih godina 20-oga stoljea oni su razmatrali i projekt usamljenoplutajue solo patke (2 MW), koji je 2009. godine doveo do projekta solo patke za desalinaciju. Kod ovoga ureaja gibanje na valovima koristi se za sniavanje tlaka, uslijed ega dolazi do isparavanja morske vode, a nastala vodena para potom se kondenzira pa nastaje desalinirana voda. Kljuna je inovacija kod ovoga ureaja u modifikaciji profila plovka. Naime, brojni hidrodinamiki modeli pokazali su da se performance sline onima Edinburke patke mogu postii koritenjem pravilnoga cilindra, ali s ekscentrinom osi rotacije, pri emu je temeljna prednost novoga dizajna znatno smanjenje trokova proizvodnje. Da bi se potvrdili teorijski izrauni performanci nainjen je umanjeni model, u mjerilu (1 : 33), koji je ispitan u valnome bazenu, u uobiajenim i u posebnim okolnostima.

3.2.2.2. AquaBuOY plutae

Amerika tvrtka Finavera Renewables zapoela je projekt puinskih postrojenja, s planom instaliranja u Makah Bay (Washington, SAD). Rije je o patentiranim pretvaraima energije valova, naziva AquaBuOY, koji se temelje na tehnologiji bova.

Plutae AquaBuOY postavljaju se na puinu, nekoliko kilometara od obale, na mjestima najvee energije valova. Vertikalno gibanje vala koristi se, pomou dvotaktne crijevne crpke, za tlaenje vode i pogonjenje turbine, a turbina pogoni elektrini generator. Proizvedena elektrina struja podvodnim kabelom prenosi se do obale.

Postrojenje je modularno: moe biti sainjeno od malih klastera bova AquaBuOY pa do stotina bova kombiniranih u razliit raspored, prema eljenoj izlaznoj snazi (od nekoliko stotina kW do vie desetaka MW).

Procijenjeno je da se na ovaj nain moe proizvoditi elektrina energija po cijeni usporedivoj s prosjenim cijenama proizvodnje u kopnenim i u puinskim vjetroelektranama.

38

Osnovni dijelovi modula AquaBuOY (slika 3.19.) su:

bova cilindar stap elastino crijevo.

Bova je kuite za turbinu i elektrini generator. Vertikalni cilindar, otvoren na oba kraja, privren je za bovu (s donje strane). Unutar cilindra nalazi se stap.

Kada bova miruje, stap je na sredini cilindra, uravnoteen napetou dvaju elastinih crijeva, koja su privrena na suprotnim stranama stapa i rastegnuta (gornje crijevo do vrha, a donje crijevo do dna cilindra). Fleksibilna gumena ili elastomerna crijeva, pojaana elikom, na krajevima imaju ventile.

stap

donje crijevo

gornje crijevo

cilindar

podmorski kabel

bova

Peltonova turbina u bovi

Slika 3.19. Osnovni dijelovi modula AquaBuOY

39

Pri podizanju bove prema vrhu vala (brijeg) stap se sputa i rastee gornje elastino crijevo,

kojemu se smanjuje unutarnji obujam, zbog ega ono djeluje kao crpka:

kroz gornji ventil potiskuje se voda (donji ventil je zatvoren). Voda pokree turbinu, koja pogoni elektrini generator.

Istovremeno, donje elastino crijevo se iri i puni vodom kroz gornji ventil, dok je donji ventil zatvoren.

Pri sputanju bove prema dnu vala (dol) stap se podie i rastee donje elastino crijevo,

kojemu se smanjuje unutarnji obujam, zbog ega sada ono djeluje kao crpka:

kroz donji ventil potiskuje se voda (gornji ventil je zatvoren). Voda pokree turbinu, koja pogoni elektrini generator.

Istovremeno, gornje elastino crijevo se iri i puni vodom kroz donji ventil, dok je gornji ventil zatvoren.

brijeg

dol

Slika 3.20. Podizanje bove prema vrhu vala

Slika 3.21. Sputanje bove prema dnu vala

to se dogaa pri harmonikom gibanju bove na valovima prikazano je na slikama 3.20. i 3.21.

40

Slika 3.22. Niz usidrenih oscilirajuih AquaBuOY plutaa meusobno kombiniranih prema eljenoj izlaznoj snazi

Nadmeui se u uarenoj utrci za proizvodnju energije iz mora, tvrtka Finavera Renewables 2007. godine predstavila je AquaBuoy 2.0, veliku bovu, promjera 4,572 m, snage 2 MW (slika 3.23.).

Slika 3.23. Prijenos i polaganje u more AquaBuoy 2.0, Newport, Oregon, SAD

41

I ve spominjana japanska tvrtka JAMSTEC intenzivno radi na izgradnji plutaa koje energiju morskih valova pretvaraju u elektrinu energiju (slika 3.24. i slika 3.25.).

Slika 3.24. Postavljanje japanske plutae Triton u more (u grkoj mitologiji Triton je ovjek-riba, Posejdonov sin, boanstvo morskih dubina)

Slika 3.25. Plutaa Triton na radnome mjestu

42

3.2.2.3. Valni stroj Pelamis

U svibnju 2007. godine kotska vlada objavila je da e European Marine Centre EMC (otoje Orkney, sjeverna kotska) graditi prvu farmu valova (park valova) u Ujedinjenome Kraljevstvu, ukupne snage 3 MW, najveu te vrste na svijetu: koristit e se 4 valna stroja Pelamis, svaki snage 750 kW (slika 3.26.).

Slika 3.27. Geografski smjetaj otoja Orkney, kotska, UK

Slika 3.26. Intrigantna zmijolika "kreacija" Pelamis: novo "udovite" izronilo iz kotskih voda

43

Valni stroj Pelamis (nazvan po morskoj zmiji otrovnici latinskoga imena Pelamis platurus slika 3.28.) razvila je kotska firma Pelamis Wave Power Ltd, UK, (ranije Ocean Power Delivery Ltd), vodea u svijetu u ovome najnovijem podruju proizvodnje obnovljive energije. Ovaj novi puinski konverter energije valova u elektrinu energiju znanstvenici smatraju svojevrsnim tehnikim nasljednikom Salterove patke.

Valni stroj Pelamis predstavlja nisku valjkastih tijela dopola uronjenih u more, meusobno povezanih spojnim zglobovima konverzijski moduli.

Valovima inducirano gibanje valjkastih tijela (slika 3.29.), koje podsjea na lelujavo gibanje morske zmije odatle i naziv Pelamis, prenosi se preko spojnih zglobova (slika 3.30.) na klip hidraulike crpke, koja potiskuje visokotlano ulje kroz hidrauliki motor, a on pogoni hidrauliki generator, koji proizvodi elektrinu struju.

Proizvedena elektrina struja, preko transformatora u nosu stroja, odvodi se do zajednikoga podmorskog kabela, kojim se odvodi do obale i isporuuje u elektrinu mreu.

Slika 3.28. Morska zmija Pelamis platurus, po kojoj je nazvan valni stroj Pelamis,

obitava u priobalnim tropskim i suptropskim morima

Slika 3.29. Valovima inducirano gibanje valnoga stroja Pelamis

BOKOCRT

konverzijski moduli

TLOCRT

smjer vala

smjer vala

44

VISOKOTLANI

AKUMULATOR

MOTOR/ GENERATOR

RAZVODNIK

SPREMNIK(TLANA POSUDA)

NJIUI ZGLOB

(VERTIKALNA OS)

PODIZNI ZGLOB

(HORIZONTALNA OS)

KLIP HIDRAULIKE CRPKE

Sidrenje valnoga stroja Pelamis treba biti fleksibilno: sustav sidrenja je kombinacija plutaa i utega, koja sprjeava napetost sidrenih kabela, tako da se zadri poloaj stroja, ali da se ne sprijei zibanje na valovima (slika 3.31.). Pelamis se obino sidri u moru dubine (50 70) m, udaljen od obale (5 10) km.

Slika 3.31. Sidrenje valnoga stroja Pelamis

Radi utvrivanja performanci ureaja u Edinburgu je sagraen bazen za hidrodinamiko ispitivanje valni bazen u kojem se simuliraju radni uvjeti. Ispitivanja u valnome bazenu vrena su s modelom valnoga stroja Pelamis (slika 3.32.), koji je 7 puta manji od prototipa. I poetna ispitivanja u moru vrena su s modelom Pelamisa (slika 3.33.), a tek je nakon toga izgraen prototip, velikih dimenzija, koji je prevezen do obale, sputen u more i odtegljen do mjesta testiranja pored otoja Orkney, to je prikazano na slikama (3.34 3.38.).

Slika 3.30. Konverzijski modul:

spojni zglob s ugraenom hidraulikom opremom

45

Slika 3.32. Model valnoga stroja Pelamis (7 puta manji od stvarnoga) u laboratorijskom bazenu za hidrodinamiko ispitivanje

(simuliranje radnih uvjeta radi utvrivanja performanci ureaja)

Slika 3.33. Model valnoga stroja Pelamis na moru kod Edinburga, kotska, UK

46

Slika 3.34. Prototip Pelamisa, dug oko 150 m, promjera 3,5 m, mase 700 t

Slika 3.35. Prijevoz Pelamisa do mora

47

Slika 3.36. Pelamis sputen u more

Slika 3.37. Tegljenje Pelamisa do mjesta testiranja, EMC, Orkney, kotska,UK

Slika 3.38. Postavljanje Pelamisa u radni poloaj, EMC, Orkney, kotska, UK

48

Pelamis u Portugalu

Portugalska vlada dogovorila je s Pelamis Wave Power Ltd polaganje triju Pelamis strojeva (svaki snage 750 kW) u Atlantski ocean kod Aguadoure, 15 km sjeverno od Pvoa de Varzim (slike od 3.39. do 3.41.).

To bi trebala biti prva komercijalna farma valova u svijetu, naziva Aguadoura, ukupne snage 2,25 MW. Poetni trokovi su oko 8,5 milijuna .

U sluaju uspjenoga rada projekt predvia poveanje broja strojeva na 40 (slika 3.42.). To postrojenje, ukupne snage 30 MW, na 1 km2 povrine oceana, opskrbljivalo bi strujom 20 000 kuanstava.

Slika 3.39. Geografski poloaj farme valova Aguadoura, blizu Pvoa de Varzim, sjeverno od Porta, Portugal

Slika 3.40. Pelamis strojevi za prvu komercijalnu farmu valova Aguadoura

49

Slika 3.41. Pelamis na radnome mjestu, u nemirnome Atlantiku, pokraj Aguadoure, Portugal

Slika 3.42. Umjetnika vizija planirane farme valova (30 MW) u Portugalu

50

3.2.3. Usmjeravajui kanali (apsorberi valova)

Da bi se voda podigla na to veu visinu u stacionarnim elektranama koje koriste energiju morskih valova Posejdonove elektrane koriste se usmjeravajui kanali (apsorberi valova): to su kosi betonski kanali (slika 3.43.) koji se prema vrhu suavaju. (Za cjelokupno postrojenje s apsorberom valova u literaturi susreemo struni termin TAPCHAN, to je skraenica od engl. tapered channal sueni kanal.) Suenje kanala poveava brzinu protoka, odnosno kinetiku energiju vodene mase, to omoguuje da se voda penje na visinu preljevnoga kanala i puni akumulacijski bazen elektrane. Voda se preko niskotlane Kaplanove turbine vraa u more, pri emu se potencijalna energija vode (temeljena na razlici razine vode u akumulacijskome bazenu i razine mora, H), pretvara u elektrinu energiju i isporuuje u elektrinu mreu. (Naelo rada Posejdonove elektrane analogno je naelu rada konvencionalne akumulacijske hidroelektrane).

Slika 3.43. Shematski prikaz rada Posejdonove elektrane

Koncepcija postrojenja TAPCHAN vrlo je jednostavna, s malo pokretnih dijelova, pa su trokovi odravanja niski, a pouzdanost rada visoka. Usto, pohranjivanje vode u bazenu omoguuje izglaivanje izlazne snage, jer izlazna snaga ovisi samo o razlici razine vode u bazenu i razine mora, H. (Zbog stohastike prirode valova mnoga WEC postrojenja imaju fluktuirajuu izlaznu snagu.)

U Norvekoj, na otoku Rongyna (Toftestallen, ygarden), 40 km sjeverozapadno od Bergena, 1985. godine norveka firma Norwave izgradila je prototip postrojenja TAPCHAN (slika 3.44.), snage 350 kW. Ulaz u 170 m dug kanal bio je irine 40 m, visina zidova bila je 10 m (od 7 m ispod povrine mora do 3 m iznad povrine mora) voda se prelijevala u bazen razine 3 m iznad srednje razine mora. Pri pranjenu bazena preko turbine pogonio se generator i proizvodila se elektrina struja, koja se isporuivala u mreu. Naalost, elektrana je poruena u snanoj oluji u prosincu 1988. godine slike (3.45. 3.48.).

APSORBER VALOVA

BAZEN

ZGRADA (TURBINA -

GENERATOR)

51

Slika 3.44. Sueni kanal kojim se more prelijevalo u bazen (Toftestallen, Norveka); u pozadini se vidi zgrada elektrane

I danas, za vrijeme snanih oluja, mnogi posjeuju ostatke TAPCHAN postrojenja u Norvekoj (Toftestallena) i fotografiraju pobjenjelo more (slike od 3.45. do 3.48.).

Slika 3.45. More na ulasku u apsorber valova, Toftestallen, Tofty-Kvaloyna ygarden, Norveka

(oluja, 19. sijenja 2008. god.)

52

Slika 3.46. More se die nakoenim suenim kanalom ...

Slika 3.47. ...i puni bazen (oko 3 m iznad srednje razine mora)

53

Slika 3.48. Nailazak vala snimljen s unutarnje strane bazena, (vidljive su posljedice razornoga djelovanja oluje iz 1988. god.)

Norveka je vlada razmatrala mogunosti smanjivanja trokova izgradnje postrojenja TAPCHAN, pri emu je prvenstveno istaknuto sljedee:

Posebnu pozornost treba obratiti predvianju pojave valova. Naime, prije nailaska velikih valova, turbina treba raditi kratko vrijeme s veom izlaznom snagom, pri emu se smanjuje razina vode u bazenu, ime se osigurava prostor za nadolazee velike valove. Takav reim rada omoguuje projektantima izgradnju postrojenja s manjim bazenom.

Apsorber valova treba biti to krai, kao to se i planira uiniti u postojeem prototipu kod Bergena.

Odabir povoljne lokacije za izgradnju postrojenja TAPCHAN vrlo je zahtjevan, jer za ekonomski povoljnu eksploataciju treba koegzistirati niz imbenika, prvenstveno:

postojani (trajni) valovi velike prosjene energije duboka voda blizu obale mali plimni raspon (manji od 1 m), jer inae niskotlane Kaplanove turbine ne mogu

odgovarajue funkcionirati 24 sata dnevno pogodna i jeftina izgradnja bazena, koja obino zahtijeva prirodne pogodnosti obalne

konfiguracije.

Kasnih 90-ih god. 20-oga stoljea norveka firma Indonor AS zapoela je izgradnju postrojenja TAPCHAN (1,1 MW) na Javi (Indonezija), na lokaciji s gotovo idealnim uvjetima. Prirodni zaljev, iskoriten kao akumulacijski bazen, punit e se do visine 4 m kroz kosi sueni kanal, visine 7 m, duljine 60 m, koji se suava od 7 m pri dnu do 25 cm pri vrhu.

54

3.3. Problemi pri koritenju energije morskih valova

Za pretvorbu energije morskih valova u korisnu mehaniku energiju, koja se potom, ponajee, koristi za proizvodnju elektrine energije, kljuno je postojanje sredinje, stabilne strukture te dijela postrojenja koji se u odnosu na nju pokree, djelovanjem valova. Upravo postojanje ove stabilne okosnice predstavlja velik problem kod plutajuih postrojenja, sredinja struktura kojih treba biti izuzetno velikih dimenzija, da bi se mogla ostvariti prihvatljiva stabilnost. Budui da je, zbog surovih oceanskih uvjeta, kod WEC postrojenja i inae nuno predimenzioniranje, to ujedno znai i visoka ulaganja u postrojenje.

Za razliku od stacionarnih kopnenih postrojenja, kod plutajuih postrojenja problem je i privezivanje i sidrenje te prijenos elektrine energije do kopna.

Stacionarna postrojenja, kopnena i ona privrena za kontinentski elf, imaju niz prednosti pred nestacionarnim, plutajuim postrojenjima, jer imaju vrstu okosnicu. Uz to, lako su pristupana, u svrhu odravanja, te se lako prikljuuju na elektrinu mreu. Meutim, nedostatak u odnosu na plutajua postrojenja je u tome to, uglavnom, rade u pliim morima, pa stoga koriste reduciranu energiju valova (gubitci energije zbor trenja s morskim dnom). Ovaj problem nije prisutan jedino kod onih kopnenih postrojenja koja su smjetena na obali pored koje je dovoljna dubina mora. Nadalje, radi optimiranja izlazne snage kopnena postrojenja trebaju biti smjetena na mjestima maloga plimnog raspona, da bi pogon postrojenja mogao biti cjelodnevan. Jasno je da je ogranien broj lokacija pogodnih za implementaciju kopnenih postrojenja. Uz to, svaka lokacija zahtijeva posebno dizajnirano postrojenje, prilagoeno danoj lokaciji, to dodatno poveava investicije.

Potrebno je voditi rauna i o udovoljavanju strogim ekolokim zahtjevima.

Posljedica svega navedenoga je relativno visoka cijena elektrine energije proizvedene koritenjem energije morskih valova.

irom svijeta ponueno je mnogo idejnih rjeenja ureaja koji koriste energiju valova, ali samo je nekoliko cjelovitih prototipova koji su testirani. Treba istaknuti da je kod veine postrojenja koja koriste energiju morskih valova, kao i kod svih obnovljivih izvora energije, proizvodnja elektrine energije intermitentna, a time i isporuka energije u elektrinu mreu, to predstavlja ozbiljan nedostatak.

Tehnologija koritenja energije morskih valova jo je u fazi djetinjstva i stoga popraena brojnim problemima svojstvenima djetinjstvu. Ipak, usprkos brojnim problemima, moe se rei da je ovaj vid energije mora vrlo izgledan te da e u budunosti, nedvojbeno, predstavljati vaan izvor obnovljive energije.

4. Koritenje energije plime i oseke

56

4.1. Pojava plime i oseke

Plima i oseka je periodino osciliranje razine morske vode, nastalo zbog gravitacijskog djelovanja Mjeseca i Sunca (utjecaj Mjeseca je izraeniji), a ono je podlono i utjecaju centrifugalne te Coriolisove sile, zbog rotacije Zemlje. Ova morska mijena izuzetno je sloena pojava, koja ovisi o brojnim promjenjivim imbenicima: promjenom tih imbenika mijenjaju se i parametri koji ju karakteriziraju.

Da bismo to lake shvatili barem osnovne elemente ovoga variranja razine mora pokuajmo ga objasniti krajnje pojednostavljenim modelom: Zemlja je vrsta nerotirajua kugla (bez reljefa) uronjena u more (kad bi sustav bio izoliran dubina mora bila bi svugdje jednaka).

Podsjetimo se: iznos privlane gravitacijske sile razmjeran je umnoku masa koje meudjeluju, a obrnuto je razmjeran kvadratu udaljenosti tih masa:

221

r

mmGF = (4.1)

(G je univerzalna gravitacijska konstanta, iznosa 6,67 .10-11 Nm2kg-2.)

Najprije razmotrimo utjecaj gravitacijskog privlaenja Mjeseca (na slici 4.1. Mjesec je desno od Zemlje): A je toka na povrini mora najblia Mjesecu sublunarna toka, B je toka na povrini mora najudaljenija od Mjeseca antipodalna toka, C je sredite Zemlje.

Prema relaciji (4.1) u toki A (najmanja udaljenost) privlana gravitacijska sila je najvea, u toki B (najvea udaljenost) privlana gravitacijska sila je najmanja, u toki C privlana gravitacijska sila na Zemlju je nekog srednjeg iznosa (iznosi sila proizvoljno su odabrani).

Slika 4.1. Djelovanje gravitacijske sile Mjeseca

Za relativni pomak mora u toki A, u odnosu na sredite Zemlje, odgovorna je rezultantna sila, koju dobijemo oduzimanjem sila u tokama A i C.

Za relativni pomak mora u toki B, u odnosu na sredite Zemlje, odgovorna je rezultantna sila, koju dobijemo oduzimanjem sila u tokama B i C.

B C A

57

Rezultat je sljedei: sila odgovorna za relativno pomicanje mora u odnosu na sredite Zemlje plimotvorna sila postoji i u toki A i u toki B (suprotan smjer), to znai da se plima javlja na mjestu koje je najblie Mjesecu, ali i na mjestu koje je od njega najvie udaljeno (slika 4.2.).

Slika 4.2. Rezultantno gravitacijsko djelovanje Mjeseca na more

Uzmemo li u obzir i rotaciju Zemlje moemo zakljuiti da bi na odreenome mjestu na Zemlji trebale biti 2 plime dnevno, jedna kad se ono nae u poloaju A i druga kad, zbog rotacije Zemlje, ono doe u poloaj B.

Privlanom gravitacijskom djelovanju Mjeseca treba pribrojiti i privlano gravitacijsko djelovanje Sunca, koje je manjega iznosa (masa Sunca znatno je vea od mase Mjeseca, ali je znatno vea i udaljenost Sunca od Zemlje).

Meutim, situacija nije fiksna: zbog gibanja Mjeseca oko Zemlje te Zemlje oko Sunca promjena razine mora ovisi o meusobnome poloaju Zemlje, Mjeseca i Sunca, a on se stalno mijenja.

Razmotrit emo 2 posebna (ekstremna) poloaja:

sizigij (syzygy) gravitacijska privlaenja Mjeseca i Sunca poravnana su

kvadrature (quadrature) gravitacijska privlaenja Mjeseca i Sunca okomita su.

Sizigij: gravitacijska privlaenja Mjeseca i Sunca poravnana su za mlaaka (mladi Mjesec) i za utapa (puni Mjesec). U tim poloajima gravitacijska privlaenja Mjeseca i Sunca maksimalno se podupiru pa je rezultantna plima najvia (znatno via od srednje razine mora). Ovu pojavu najjaih (vrlo ivih) morskih mijena (engl. spring tide) karakterizira najvia visoka voda (slika 4.3.).

Kvadrature: gravitacijska privlaenja Mjeseca i Sunca meusobno su okomita za prve i za posljednje etvrti Mjeseca. U tim poloajima gravitacijska privlaenja Mjeseca i Sunca skoro se potiru pa je rezultantna plima najnia (znatno nia od srednje razine mora). Ovu pojavu najslabijih morskih mijena (engl. neap tide) karakterizira najnia visoka voda (slika 4.4.).

U ostale dane visina plime je izmeu ovih dviju ekstremnih visina.

B C A

58

14

Gravitacijska privlaenja M. i S. poravnana su:maksimalno se podupiru i rezultantna plima je najvia

(znatno via od srednje razine mora).

Ovu pojavu najjaih (vrlo ivih) morskih mijena ("spring tide")karakterizira najvia visoka voda.

mlaakutap

Slika 4.3. Sizigij gravitacijska privlaenja Mjeseca i Sunca poravnana su

15

Gravitacijska privlaenja M. i S. okomita su:skoro se potiru i rezultantna plima je najnia(neznatno via od srednje razine mora).

Ovu pojavu najslabijih morskih mijena ("neap tide")karakterizira najnia visoka voda.

prva etvrt

posljednja etvrt

Slika 4.4. Kvadrature gravitacijska privlaenja Mjeseca i Sunca okomita su

59

Meutim, u jednakome meusobnom poloaju Zemlje, Mjeseca i Sunca razina mora nee biti uvijek jednaka, jer u obzir treba uzeti i oblik putanja.

Putanje Mjeseca oko Zemlje te Zemlje oko Sunca eliptinoga su oblika, to znai da se stalno mijenja udaljenost Mjeseca od Zemlje te Zemlje od Sunca, zbog ega se mijenja i iznos privlanih sila, a time se mijenja i visina plime.

Razmotrimo najprije putanju Mjeseca oko Zemlje (slika 4.5.):

u perigeju (Mjesec je najblii Zemlji) gravitacijsko privlaenje Mjeseca je najjae, to poveava visinu plime

u apogeju (Mjesec je najdalje od Zemlje) gravitacijsko privlaenje Mjeseca je najslabije, to smanjuje visinu plime.

Slika 4.5. Putanja Mjeseca oko Zemlje

Razmotrimo sada putanju Zemlje oko Sunca (slika 4.6.):

u perihelu (Zemlja je najblia Suncu) gravitacijsko privlaenje Sunca je najjae, to poveava visinu plime

u afelu (Zemlja je najdalje od Sunca) gravitacijsko privlaenje Sunca je najslabije, to smanjuje visinu plime.

Slika 4.6. Putanja Zemlje oko Sunca

Dakle, razina mora bit e najvia kada u sizigiju bude:

mlaak (ili utap) u perigeju ili blizu njega

Zemlja u perihelu ili blizu njega.

Zperigej apogej

S perihel afel

60

Zato na nekim mjestima nemamo 2 oekivane plime dnevno?

Zemljina os rotacije nagnuta je 23,5 prema ravnini putanje Zemlje oko Sunca, a rezultat toga prikazan je na slici 4.7.

Slika 4.7. Pojava plime na raznim geografskim irinama

Razmotrimo situaciju na geografskoj irini oznaenoj AA'.

Samo je jedna plima dnevno u toki A (u suprotnoj toki, A', razina mora je ispod srednje razine). Morsku mijenu na ovoj geografskoj irini nazivamo dnevna plima.

Situacija je razliita na geografskoj irini oznaenoj BB'.

Dvije su plime dnevno: i u toki B i u toki B' razina mora je iznad srednje razine, ali je via u toki B. Morsku mijenu na ovoj geografskoj irini nazivamo mijeana plima.

Razmotrimo i situaciju na geografskoj irini oznaenoj CC'.

Dvije su plime dnevno: i u toki C i u toki C' razina mora je podjednako iznad srednje razine. Morsku mijenu na ovoj geografskoj irini nazivamo poludnevna plima.

N

S

A

A'

B C

B' C'

srednja razina mora

61

4.2. Osnovne znaajke plime i oseke

Za energetsko koritenje ove morske mijene najvanije njezine znaajke su:

raspon

uestalost pojavljivanja.

Raspon (engl. range), R, kojega neki autori, netono, nazivaju i amplitudom, visinska je razlika izmeu najviega vodostaja (visoka voda) i najniega vodostaja (niska voda).

Temeljem iskljuivo teorijskog razmatranja ne moe se pretpostaviti iznos plimnoga raspona na odreenome mjestu. Naime, na taj iznos, osim dosad navedenoga, utjeu i neki drugi imbenici, prvenstveno:

topografija (zaljev, tjesnac, oblik obale, podmorski reljef ...) vjetar valovi atmosferski tlak.

Za donekle pouzdano predvianje iznosa stvarnoga raspona potrebno je dugotrajno promatranje u stvarnim uvjetima (barem itav Sarosov period tj. 223 sinodska mjeseca, kad se Sunce i Mjesec vraaju u isti poloaj na nebu).

Nasred oceana prosjean plimni raspon iznosi 0,5 m. Uz obalu, zbog utjecaja varijacija lokalne topografije, te su vrijednosti znatno vee: uz obale Atlantskoga, Indijskoga i Tihoga oceana prosjena vrijednost plimnoga raspona je (6 8) m. U plitkim obalnim vodama i estuarijima maksimalni plimni raspon ponegdje znatno odstupa od prosjenih vrijednosti, primjerice zabiljeen je:

R > 17 m (uz obale W Francuske i SW Velike Britanije)

R > 21 m (uz obale SE Kanade u listopadu 1869. god.).

Spektakularne promjene razine mora na tim mjestima predstavljaju turistiku atrakciju (slike od 4.8. do 4.11.), a ujedno su i osnova za energetsko koritenje ove morske mijene.

Uestalost pojavljivanja razliita je na razliitim mjestima na Zemlji, primjerice:

na obalama Indokine jednom je u priblino 24 sata (dnevna plima)

na zapadnoeuropskoj atlantskoj obali jednom je u priblino 12 sati (mijeana i poludnevna plima).

(Napomena: u pojednostavljenome modelu, uz mnoge zanemarene imbenike, nije uzeta u obzir ni nagnutost ravnine Mjeseeve putanje prema ravnini Zemljine putanje, ni utjecaj Sunca koji remeti tu putanju, zbog ega se mijenja duljina plimnoga dana srednja vrijednost iznosi 24,8 sati.)

62

Slika 4.8. Plima i oseka u Bay of Fundy, Nova kotska, Kanada

Slika 4.9. Turistika atrakcija Hopewell Rocks za oseke i za plime, New Brunsvick, Kanada

63

Slika 4.10. Otoi Le Mont Saint Michel za vrijeme oseke postaje dio kopna; ovaj otoi, smjeten u estuariju rijeke Couesnon,

zaljev Saint-Malo, NW Francuska (granica Normandije i Bretanje), s benediktinskim samostanom iz 8. stoljea i s tvravom iz 12. stoljea,

od 1979. god. nalazi se na UNESCO-voj listi svjetske batine

Slika 4.11. Otoi Le Mont Saint Michel za vrijeme plime povezan je s kopnom izgraenom prevlakom; zaljev Saint-Malo karakterizira najbre i najjae nadiranje plime u Europi, srednjega raspona oko 12 m,

koje se najavljuje zvukom sirene, da bi se izbjegle mogue tragine posljedice

64

Ukupna godinja energija plime i oseke iznosi priblino 1020 J, a dio ove energije moe se koristiti. Pri koritenju plimne energije velika je prednost (u odnosu na energiju vjetra i Sunca) predvidljivost i pouzdanost ove morske mijene.

Energija plime i oseke moe se koristiti za pogon:

mehanikih ureaja (mlinovi, crpke ) primjere takvoga koritenja nalazimo ve od 12. stoljea na podruju dananjega UK, Francuske, panjolske ...

turbina u plimnim elektranama u novije doba.

4.3. Plimne elektrane

Plimne elektrane mogu biti:

kopnena postrojenja (koriste potencijalnu energiju mora)

puinska postrojenja (koriste kinetiku energiju mora).

4.3.1. Kopnene plimne elektrane

Smatra se da je priblino 2 % ukupne godinje energije plime i oseke iskoristivo za proizvodnju elektrine energije u kopnenim plimnim elektranama.

Mnoga velika naselja smjetena su uz more pa je velika vjerojatnost da e, u sluaju izgradnje kopnene plimne elektrane, ovaj izvor energije biti u neposrednoj blizini naselja, to smanjuje trokove prijenosa elektrine energije.

Elektrina energija proizvedena u ovim elektranama razmjerna je s:

kvadratom raspona, R2

povrinom akumulacijskoga bazena, A (akumulacijski bazen nastaje izgradnjom brane, na to se odnosi najvei dio trokova: idealna mjesta su ua rijeka i uvale male irine ulaza, ime se tedi na duljini brane).

Ovaj nain koritenja energije plime i oseke ekonomski je prihvatljiv na obali gdje je:

veliki raspon plime i oseke

pogodan zaljev, ili ue rijeke, tako da se ekonominom izgradnjom brane postie velika povrina akumulacijskoga bazena.

Pogodnih lokacija za izgradnju kopnenih plimnih postrojenja je malo, zbog ega je relativno malen i ekonomski iskoristiv potencijal ove morske mijene u kopnenim plimnim postrojenjima.

65

4.3.1.1. Naelo rada kopnene plimne elektrane

Pogodan zaljev ili ue rijeke (estuarij) pregradi se branom, u koju se ugrade zapornice i turbine. Da brana ne bi onemoguila promet potrebna je i ustava (prevodnica) za brodove.

Najjednostavniji nain koritenja energije plime i oseke postie se koritenjem jednosmjernih turbina, pri emu postoje razliite mogunosti (slika 4.12.).

Osnovna mogunost prikazana je na slici 4.12.a. Prilikom nadiranja mora bazen se puni kroz zapornice. Pri pranjenju bazena preko turbina potencijalna energija vode, temeljena na razlici razine vode u bazenu i razine mora, H, pretvara se u mehaniku energiju turbina, a one pogone elektrini generator. U ovom sluaju turbine rade samo pri pranjenju bazena, razina kojega se, otvaranjem ili zatvaranjem zapornica, stalno odrava iznad srednje razine mora.

Mogua je i obrnuta situacija: turbine rade samo pri punjenju bazena preko turbina, koristei razliku razine mora i razine vode u bazenu, H. Pri povlaenju mora bazen se prazni kroz zapornice, a razina bazena stalno se odrava ispod srednje razine mora (slika 4.12.b).

Bez obzira na to rade li turbine pri punjenju ili pri pranjenju bazena, pogon se obustavlja ako je H < Hmin potrebne za pogon turbine. Trajanje pogona turbine vremenski je vrlo neujednaeno intermitentno (isprekidano) te iznosi do cca 45 % perioda ove morske mijene, a preostalo vrijeme ne proizvodi se elektrina energija.

Slika 4.12. Dnevna promjena izlazne snage postrojenja te razine mora i bazena: a) jednosmjerni turbinski pogon (pri pranjenju bazena) b) jednosmjerni turbinski pogon (pri punjenju bazena)

c) dvosmjerni turbinski pogon

Da bi se produljilo vrijeme pogona kopnenih plimnih elektrana koristi se dvosmjerni (reverzibilni) turbinski pogon (slika 4.13.): turbine rade u oba smjera strujanja vode, ime se postie vremenski ujednaenija (skoro udvostruena) proizvodnja energije. Meutim, u svakoj pojedinoj fazi dvosmjernoga pogona (i pri punjenju i pri pranjenju bazena) izlazna snaga postrojenja je smanjena (slika 4.12.c), u odnosu na jednosmjerni pogon. Naime, prije nego to se postigne maksimalna razlika visina, Hmax, zapornice se otvaraju radi pripreme sljedee faze. Nadalje, lopatice turbina ne mogu se optimirati za rad u oba smjera, tako da to dodatno smanjuje djelotvornost. Kod dvosmjernoga turbinskog pogona razina vode u bazenu oscilira oko srednje razine mora.

66

Slika 4.13. Dvosmjerne (reverzibilne) turbine rade i pri punjenju i pri pranjenju bazena

Za skoro neprekidnu proizvodnju predlae se nekoliko rjeenja, a spomenut emo neka od njih. Jedno od predloenih rjeenja je dvostruki bazen: to je akumulacijski bazen velikoga kapaciteta, podijeljen pregradama na dva dijela. Viak elektrine energije proizvedene u jednome dijelu bazena, za vrijeme manje potranje, koristio bi se za prebacivanje vode modificiranim turbinama-crpkama u drugi dio bazena, gdje bi se koristio za proizvodnju elektrine energije u vrijeme vee potranje. Druga mogunost su dva odvojena bazena, svaki sa svojim turbinama, koji se pune pri nadiranju mora. Pri povlaenju mora u jednome od bazena turbine bi se pogonile, dok bi drugi bazen sluio kao spremnik. Turbine u drugome bazenu ukljuile bi se kad prestane proizvodnja u prvome bazenu. Ova i slina rjeenja nisu do sada ozbiljnije razmatrana, zbog izuzetno velikih investicija (izgradnja dvostrukih brana, modificirane turbine ...).

4.3.1.2. Problemi pri radu kopnenih plimnih elektrana

Skupa i dugotrajna izgradnja brane na ulazu u zaljev ili u estuarij ima znaajan utjecaj na ekosustav. Zbog usporavanja plimnoga strujanja unutar bazena smanjuje se pokretljivost segmenata pa se mijenja prozirnost i uvjeti za razvoj fitoplanktona te raznih organizama koji ive u mulju, to naruava hranidbeni lanac. Unutar bazena smanjuje se salinitet pa se poveava domena obitavanja slatkovodnih riba (pomie se nizvodno prema moru). Migracija riba je ugroena primjerice, u plimnoj elektrani Annapolis, u Kanadi, uoen je znatan mortalitet ribe u turbinama pa se pribjeglo emitiranju upozoravajuih zvunih signala, a napravljeni su i posebni prolazi za ribe.

Problem predstavlja i prikljuivanje ovih elektrana u elektrinu mreu, koju ponegdje, treba rekonstruirati. Zbog diskontinuiranoga rada ovih elektrana, posebice kod jednosmjernoga pogona, isporuka struje u elektrinu mreu ne podudara se uvijek s potrebama potronje energije. To ne bi trebao biti preozbiljan problem u zemljama s dobro razvijenom elektrinom mreom i velikim potrebama za isporukom energije. Dobra predvidljivost rada plimnih elektrana moe se iskoristiti u sinergiji sa starijim, manje efikasnim termoelektranama, primjerice onima pogonjenim ugljenom, ime se postie uteda goriva i smanjenje emisije ugljikova dioksida. U zemljama sa slabije razvijenom elektrinom mreom i manjim zahtjevima za isporukom energije, za prikljuivanje na mreu pogodniji je dvosmjerni pogon.

Punjenje bazena

Pranjenje bazena

67

4.3.1.3. Plimna elektrana La Rance

Prva kopnena plimna elektrana je La Rance (P = 240 MW), u Francuskoj, izgradnja koje je dovrena 1966. godine. Da bi se realizirao ovaj projekt preko estuarija rijeke Rance, pri njezinu uu u zaljev Saint-Malo (najvei zaljev u La Mancheu), izgraena je brana duljine 740 m, u koju su ugraene zapornice, ustava i 24 reverzibilne turbine, svaka snage 10 MW, koje proizvode 600 GWh godinje (slike od 4.14. do 4.17.).

Slika 4.14. Geografski smjetaj plimne elektrane La Rance (na uu rijeke Rance u zaljev Saint-Malo, Francuska)

Slika 4.15. Estuarij rijeke Rance s plimnom elektranom La Rance (satelitski snimak)

La Manche

La Rance

68

Slika 4.16. U 740 m dugoj brani plimne elektrane La Rance smjetene su 24 turbine koje proizvode 600 GWh godinje

Slika 4.17. Projekt brane plimne elektrane La Rance

Automobilski promet izmeu lijeve i desne obale rijeke Rance odvija se preko brane, u 4 cestovne trake koje su spojene s kopnom pokretnim mostom preko ustave (prevodnica). Ustava, smjetena na lijevoj strani estuarija, omoguuje plovilima prolaenje izmeu rijeke Rance i zaljeva Saint-Malo. Izuzetno zanimljivo prevoenje plovila izmeu akumulacijskoga bazena i otvorenoga mora, unato visinskoj razlici od nekoliko metara, prikazano je na slikama od 4.18. do 4.23.

bazen

more

69

Slika 4.18. Kretanje plovila ogranieno je na lijevu stranu estuarija na kojoj se nalazi ustava (prevodnica):

ona omoguuje plovilima prolaenje izmeu rijeke Rance i zaljeva Saint-Malo

bazen

Slika 4.19. Preko brane se odvija promet u 4 cestovne trake, koje su spojene s kopnom pokretnim mostom (preko ustave)

bazen

70

Slika 4.20. Kad se ustavom prevode plovila cestovne brklje se spuste, pokretni most se podigne i vrata ustave se otvaraju s jedne strane (ovisno o smjeru prevoenja plovila)

Slika 4.21. Pri prevoenju plovila u smjeru mora, nakon to plovila uu u ustavu, zatvaraju se vrata,

voda se isputa do razine mora u zaljevu ...

71

Slika 4.22. ...vrata ustave se otvore i plovila odlaze prema moru

Slika 4.23. Pri prevoenju plovila u smjeru bazena, nakon to plovila iz zaljeva uu u ustavu, zatvaraju se vrata,

ustava se puni do razine vode u bazenu, nakon ega se otvaraju vrata radi uplovljavanja u bazen

72

Slika 4.24. Plovila su prevedena, most je sputen, brklje su podignute i promet se nastavlja idemo prema drugome kraju brane, na kojem se nalaze zapornice

73

Slika 4.25. Pogled s morske strane brane na zapornice kroz koje, da bi se odravali radni uvjeti potrebni za rad turbina, voda utjee u bazen ...

Slika 4.26. ...ili voda istjee iz bazena

74

Slika 4.27. Unutar sredinjega dijela brane, izmeu ustave i zapornica, smjetene su 24 dvosmjerne turbine, svaka snage 10 MW ...

Slika 4.28. ...te pristupne prostorije, radionice za odravanje,

soba za upravljanje i nadzor...

Slika 4.29. Jedna od hidraulikih turbina u kopnenoj plimnoj elektrani

75

4.3.1.4. Plimna elektrana Annapolis

Ova plimna elektrana (slika 4.30.), snage 20 MW, prvo je kopneno plimno postrojenje u Sjevernoj Americi (1984. god.). Plimna elektrana Annapolis nalazi se u Kanadi, na malenome otoku na uu rijeke Annapolis, blizu grada Annapolis Royal, uz Bay of Fundy zaljev koji je poznat po najvioj plimi na svijetu (slika 4.31.). Na krajnjem istoku ovoga zaljeva, u Minas Basinu, prosjean iznos raspona ove morske mijene iznosi 15 m (maksimalni raspon moe dosegnuti mnogo vee vrijednosti).

Elektrana isporuuje struju u elektrinu mreu u ritmu nadiranja plime, priblino svakih 12 sati (radi oko 5 sati, a iskljuena je oko 7 sati) proizvodei oko 30 GWh godinje, to je dovoljno za preko 4 000 kuanstava.

Slika 4.30. Plimna elektrana Annapolis (20 MW), estuarij rijeke Annapolis, Annapolis Royal, provincija Nova kotska, Kanada

(prvo plimno postrojenje u Sjevernoj Americi, zavreno 1984. god.)

Slika 4.31. Pribline lokacije prosjenih vrijednosti plimnoga raspona, Bay of Fundy, Nova kotska, Kanada

Minas Basin

76

4.3.1.5. Projekt Severn Barrage

Britanska vlada objavila je namjeru izgradnje kopnene plimne elektrane, ukupne snage 8640 MW, u estuariju rijeke Severn, pri dnu Bristolskoga kanala (slika 4.32.), koji je poznat po jakim morskim mijenama. Projekt, koji e se realizirati izgradnjom brane od Weston-super-Mare (Engleska) do Cardiffa (Wales), predvia 216 jednosmjernih turbina, nazivne snage 40 MW.

Slika 4.32. Mjesto planirane izgradnje brane za kopnenu plimnu elektranu u estuariju rijeke Severn, pri dnu Bristolskoga kanala, UK

Slika 4.33. Most izmeu Engleske i Walesa, preko estuarija rijeke Severn, poznatoga po jakim morskim mijenama

77

4.3.2. Puinske plimne elektrane

U kopnenim plimnim postrojenjima hidraulike turbine koriste potencijalnu energiju mora.

U novije vrijeme sve vie privlai pozornost mogunost izravnoga koritenja kinetike energije mora u puinskim plimnim elektranama (slika 4.34.). Izgradnju puinskih plimnih elektrana omoguio je razvitak tehnologije plimnih turbina, koje koriste kinetiku energiju strujanja mora pri nadiranju i povlaenju plime.

Plimne turbine mogu se usporediti s vjetrenim turbinama, koje koriste kinetiku energiju strujanja zraka. Osnovna razlika je u tome to je gustoa mora vea od gustoe zraka (vie od 800 puta), to ima za posljedicu znatno veu snagu plimnoga postrojenja u odnosu na vjetreno postrojenje, pri jednakoj brzini strujanja, odnosno plimne turbine trebaju imati mnogo manje dimenzije nego vjetrene turbine, uz jednaku izlaznu snagu.

Slika 4.34. Postrojenje s plimnom turbinom (usporedivo s vjetroturbinom)

4.3.2.1. Prednosti postrojenja s plimnim turbinama

Kopneni plimni energetski sustavi zahtijevaju velike investicije, posebno za izgradnju brane, koja, ujedno, ima i znatan utjecaj na okoli, osobito na ivot u vodi (primjerice u estuariju).

Puinska postrojenja znatno su jeftinija, lako se odravaju (turbine se mogu podignuti iz mora), zanemariv je vizualni utjecaj (vei dio ureaja je pod morem), a imaju i znatno manji utjecaj na ekosustav (zanemariv utjecaj na morska bia).

Smatra se da nijedan drugi sustav ne moe koristiti energiju plimnoga kretanja mora bolje od puinskih plimnih postrojenja.

78

4.3.2.2. Projekt Seaflow

Britanska firma Marine Current Turbines Ltd MCT (Bristol, UK) pionir je u razvoju tehnologije koritenja morskih plimnih struja.

Prototip turbine s jednim rotorom, snage 300 kW, instaliran je 2003. godine pri ulazu u Bristolski kanal, pokraj Lynmoutha, na sjeveru Devona (slika 4.35.), i jo uspjeno radi.

Opis postrojenja Seaflow

Prototip postrojenja (slika 4.36.) ima jedan rotor, promjera 11 m, koji se nalazi na golemome elinom stupu, ukopanome duboko u morsko dno:

maksimalna snaga postrojenja je 300 kW (pri v = 2,7 ms1 = 5,5 kn) srednja snaga postrojenja je 100 kW (pri srednjoj brzini plimnoga strujanja).

Podvodno odravanje turbine je nemogue, zbog jakoga strujanja, pa se turbina i generator mogu hidraulikim dizalicama, po vodilicama, izvui iznad morske povrine i popraviti, to je vana odlika ove tehnologije (slika 4.37.).

Slika 4.36. Prototip turbine Seaflow s jednim rotorom (2R=11 m),

u moru pored Lynmoutha, sjever Devona, UK

Slika 4.35. Geografska lokacije postrojenja Seaflow, ulaz u Bristolski kanal, sjever Devona, UK

79

Slika 4.37. Turbina Seaflow moe se podignuti iz mora radi odravanja, to je vana odlika ove tehnologije (izrazito je jako plimno strujanje)

4.3.2.3. Projekt SeaGen

Ispitivanje postrojenja Seaflow u radnim uvjetima pruilo je podatke bitne za projektiranje i izgradnju veega postrojenja, namijenjenoga komercijalnoj proizvodnji elektrine energije, u okviru projekta SeaGen.

U nemirnome Irskom moru, uz obalu Sjeverne Irske, u tjesnacu Strangford (slika 4.38.), firma Marine Current Turbines Ltd u travnju 2008. godine poela je instalirati najveu plimnu turbinu na svijetu, koja e biti spojena s elektrinom mreom.

Slika 4.38. Geografski smjetaj projekta SeaGen u tjesnacu Strangford, Sjeverna Irska,UK

SeaGen

SeaGen

80

Opis postrojenja SeaGen

Turbine, pokretane kinetikom energijom nadiranja i povlaenja plime, pokretat e elektrini generator, koji e proizvoditi elektrinu struju (18 20) sati dnevno. Planirana snaga postrojenja u punome pogonu je 1,2 MW, to e opskrbljivati strujom oko 1000 oblinjih kuanstava, a to je 4 puta vie od postrojenja Seaflow, snage 300 kW, pokraj Lynmoutha u Devonu (takoer firma MCT).

Ureaj ima dvije turbine, promjera 16 m (slika 4.39.), koje se mogu okretati dvosmjerno, (10 15) puta u minuti relativno sporo, da ne bi dolo do ozljeivanja riba i morskih sisavaca (brodski propeleri su oko 10 puta bri).

Slika 4.39. Rotori podvodnih turbina postrojenja SeaGen

Ureaj SeaGen izgraen je u brodogradilitu u Belfastu (slika 4.40.a) u istome onom u kojem je izgraen i Titanic. Belgijskom teglenicom Rambiz, s dizalicom, dopremljen je na paljivo odabrano mjesto postavljanja (slika 4.40.b), oko 400 m od obale, gdje je uvren za morsko dno (elino postolje s klinovima duljine oko 9 m).

Slika 4.40. a) izrada elinoga nosivog stupa za SeaGen, u Belfastu

b) teglenica na mjestu postavljanja, u tjesnacu Strangford

a)

b)

81

itava konstrukcija, teka oko 1000 t, sastoji se od elinoga stupa, promjera 3 m, s bonim izdancima (poput krila) na koje su montirane turbine (slike 4.41. i 4.42.).

Slika 4.41. Postrojenje SeaGen na radnome mjestu

Slika 4.42. SeaGen turbine mogu se podignuti iz mora radi odravanja

82

Ureaj SeaGen je prototip: MCT planira izgradnju komercijalnih farmi plimnih turbina, snage i do 500 MW. Naime, iako pojava plime i oseke nije najizdaniji izvor obnovljive energije, na nekim podrujima moe dati znatne koliine energije, primjerice:

uz obale kotske, Irske i Walesa na zapadnoj i istonoj obali Kanade.

U skladu s time MCT planira 2012. godine poetak izgradnje plimne farme, snage 10,5 MW (7 SeaGen turbina snage 1,5 MW), u sjevernome Walesu (slika 4.43.). Odabrana je lokacija pored nenastanjenoga stjenovitog otoja, s vrlo oskudnom vegetacijom, The Skerries, koje lei na puini, oko 3 km sjeverozapadno od otoka Anglesey (najvei otok u Irskome moru).

Slika 4.43. Lokacija planirane farme plimnih turbina pored otoja The Skerries, sjeverni Wales, UK

Planira se instalirati i najmanje 3 turbine snage 1,2 MW u Campbell River (otok Vancouver, Britanska Kolumbija, Kanada). U ovome podruju Kanade (slika 4.44.) procijenjeni energetski potencijal iznosi oko 4000 MW (meu ponajboljima je na svijetu).

Namjerava se iskoristiti i iznimno jake plimne struje u Bay of Fundy (Nova kotska, Kanada) na nizu lokacija, ukupne snage 330 MW. Osobito je obeavajue podruje Minas Passage (166 MW), pri ulazu u Minas Channel, na istoku zaljeva Fundy (slika 4.45.).

Pri instaliranju plimnih turbina, osim to treba udovoljiti strogim ekolokim uvjetima, treba voditi rauna i o postojeim trajektnim vezama te o potrebama raznih portskih udruga (ribolovaca, jedriliara, surfera ...).

83

Slika 4.44. Planirani poloaj plimne turbine, Campbell River, otok Vancouver, Britanska Kolumbija, SW Kanada

Slika 4.45. Planirani poloaj plimne turbine snage 166 MW, Minas Passage, Bay of Fundy, Nova kotska, SE Kanada

84

4.3.2.4. Projekt tvrke Verdant Power

I amerika tvrtka Verdant Power 2006. godine montirala je 6 plimnih turbina u East Riveru, pokraj otoka Roosevelt, u saveznoj dravi New York, SAD (slike od 4.46. do 4.49.).

Ovaj plimni tjesnac poznat je po izrazito jakim plimnim strujama, koje se pokuavaju iskoristiti da bi se osiguralo cca 200 kW za supermarket Gristedes s pripadajuom garaom (na otoku Roosevelt). To je prvi od planiranih projekata ove vrste u New Yorku.

Slika 4.46. New York's East River, SAD (plimni tjesnac)

Roosevelt Island M

anhat

tan

Long

Isla

nd

East River

Hudson River

Slika 4.47. Roosevelt Island (New York's East River)

85

Slika 4.48. Sputanje plimne turbine u more pored otoka Roosevelt (New York's East River)

za vrijeme kratkotrajne "mrtve mijene"

Slika 4.49. Plimna turbina, izloena monim plimnim strujanjima pored otoka Roosevelt,

privrena je (pomou 8 vijaka) za elino sidrite u morskome dnu; nakon havarije prvotnih lopatica turbine, nove lopatice nainjena su od legure (Al+Mg)

86

Pogovor

Ovime je zavren pregled najvanijih naina koritenja energije mora. Od irom svijeta ponuenih brojnih idejnih rjeenja razliitih ureaja koji koriste energiju mora, spomenuti su samo testirani prototipovi. O gotovo nadnaravnoj ljepoti mora nije bilo ni spomena svakoga pojedinog itatelja preputam njegovu vlastitom doivljaju pri susretu s morem, elei, pritom, da mu more prui barem onoliko zadovoljstva koliko ga prua meni.

Zahvaljujem svima koji su mi na bilo koji nain pomogli, osobito meni nepoznatim autorima fotografija i pojedinih crtea koje sam koristila: slaui ovaj prirunik osjeala sam se siuna, poput mravka koji se posluio mrvicama s carske trpeze interneta. Iako sam se itav ivot osjeala anakrono trebala sam biti roena barem jedno stoljee ranije, ipak, po ne znam koji put, zahvaljujem Bogu na tome to ivim u doba interneta, koji je