Fra vilde bølger til stabil strømkilde
En japansk videnskabsmand mener at have fundet en metode til at omsætte havets bevægelser til elektricitet langt mere effektivt, end det hidtil har været muligt. Hans design opnår på papiret en virkningsgrad, som andre systemer ikke er kommet i nærheden af – selvom der endnu ikke er søsat en eneste prototype.
Studiet er publiceret i fagtidsskriftet Journal of Fluid Mechanics og er udarbejdet af Takahito Iida, specialist i skibsbygning ved Osaka Universitet. Ved hjælp af matematiske modeller og computersimuleringer demonstrerer han, at en ny type bølgeenergiomformer teoretisk set kan omsætte omkring 50 procent af bølgernes bevægelsesenergi til elektricitet.
Det tal er ikke tilfældigt valgt. Inden for bølgefysikken gælder det, at et oscillerende system ved vandoverfladen aldrig kan opsuge mere end nogenlunde halvdelen af bølgeenergien. At nærme sig denne grænse betyder altså, at man befinder sig i den øverste ende af, hvad der fysisk er opnåeligt.
Et velindstillet system kan ifølge Iidas beregninger hente næsten den maksimale mængde energi ud af en bølgepakke uden at blokere selve bølgestrømmen.
Forbeholdet er dog klart: indtil videre er det udelukkende regnestykker. Ingen testopstilling i havet, ingen kraftig vinterstorm over systemet. Men resultaterne er lovende nok til at planlægge næste skridt mod praktiske forsøg.
Sådan trækker et roterende hjul energi ud af havet
Kernen i idéen er en såkaldt gyroskopisk bølgeenergiomformer, forkortet GWEC (Gyroscopic Wave Energy Converter). Konceptet er ikke helt nyt – det har blandt andet tidligere været undersøgt i forbindelse med ISWEC-projektet ved Politecnico di Torino i Italien.
En sådan GWEC består grundlæggende af en flydende ponton eller beholder, hvori en tung rotorskive – et svinghjul – roterer med høj hastighed. Dette hjul er koblet til en generator. Når bølger får det flydende legeme til at stampe og rulle, reagerer det gyroskopiske system med en sideværts kraft kaldet præcession.
Præcession er et velkendt fysisk fænomen: et roterende objekt reagerer ikke i trykkets retning, men vinkelret på det. Ved at opfange denne reaktion med et mekanisk system kan bevægelsen omsættes til rotation i en generator og dermed til strøm.
- Bølgen løfter og vipper flyderen.
- Svinghjulet modstår bevægelsen via gyroskopisk virkning.
- Denne modstand driver et mekanisk system.
- Generatoren omsætter bevægelsen til elektricitet.
Hvorfor tidligere systemer løb ind i problemer
Bølgeenergi lyder som en drøm: vand bevæger sig døgnet rundt, i modsætning til sollys eller vindstød. Alligevel har virkeligheden vist sig vanskelig. Tidligere gyroskopiske systemer nåede aldrig markedet, trods årelang forskning og forsøgsopstillinger.
Årsagen er, at havet sjældent opfører sig pænt. Bølger varierer konstant i højde, periode, retning og form. Mange ældre designs var finjusteret til én ideel bølgetype. Så snart forholdene ændrede sig, faldt virkningsgraden dramatisk. Det kan sammenlignes med et solpanel, der stivnakket peger mod øst, mens solen for længst er drejet mod vest.
Ved enten meget kraftige eller meget svage bølger udrettede et fastindstillet system nærmest ingenting nyttigt. Det gør den forretningsmæssige beregning kompliceret, da installation til havs er dyr og afkastet dermed usikkert.
Tricket: at lade maskinen følge med havets rytme
Iida angriber dette problem direkte med en matematisk beskrivelse af systemet baseret på lineær bølgeteori. Inden for dette rammework behandler han bølger som relativt regelmæssige svingninger, hvilket gør det muligt præcist at beregne, hvordan det gyroskopiske system reagerer under forskellige bølgeforhold.
Med disse modeller søger han efter en slags "sweet spot" for designet. Ifølge hans beregninger skal en moderne GWEC løbende kunne justere to afgørende parametre:
- svinghjulets rotationshastighed;
- generatorens modstand (belastning).
Ved dynamisk at styre disse to parametre kan GWEC'en ifølge ham tilpasse sig skiftende bølger lynhurtigt og uden fysiske indgreb. I simuleringerne holder virkningsgraden sig i mange scenarier omkring de 50 procent, hvor tidligere designs tabte markant, så snart havets karakter ændrede sig.
Et tilpasningsdygtigt gyroskopisk system opfører sig som en dygtig sejler: konstant en lille trimning for at hente så meget energi som muligt ud af det samme hav.
Den hårde fysiske øverste grænse
De 50 procent kommer ikke ud af den blå luft. Ligesom der for vindmøller gælder en Betz-grænse på cirka 59 procent af vindenergi, gælder det for bølgeenergi, at et enkelt oscillerende system på en plan vandflade aldrig kan udtage al energien.
Hvis en installation trækker for meget energi ud af en bølge, ændres bølgeformen så markant, at systemet simpelthen ikke modtager ny energi. Der opstår en slags "energetisk trafikprop". Fysikkens love tvinger altså til et kompromis.
Det gør Iidas beregnede virkningsgrad ekstra interessant: han hævder under mange omstændigheder at kunne holde sig tæt på denne øverste grænse, uden at systemet sander til i bølgernes hydrodynamik.
Store spørgsmålstegn over regnestykket
Der er dog en lang række forbehold knyttet til studiet. Det mest grundlæggende er, at de anvendte bølgemodeller er ideelle og velformede. I virkeligheden støder man på krydsende bølger, pludselige forhøjede bølger, interferensmønstre og lokale hvirvler. Denne kaotiske adfærd gør livet betydeligt sværere for ingeniørerne.
Da Iida testede sin model på mere uregelmæssige og asymmetriske bølgemønstre, gik tallene ned. Særligt ved kraftig sø viste det sig vanskeligt at holde sig tæt på de magiske 50 procent. Det udgør en ekstra udfordring for en praktisk version, der skal overleve storme.
En anden mindst lige så vigtig mangel: beregningerne tager ikke højde for den energi, der er nødvendig for at holde svinghjulet kørende. Friktion, lejer, køling og styring kræver alle strøm.
Hvis det koster mere energi at holde systemet roterende og regulerbart, end det leverer til generatoren, kan nettoudbyttet falde til nul eller derunder.
For kommerciel anvendelse er nettoresultatet afgørende. En høj brutto-effektivitet lyder flot, men hvis de interne hjælpemotorer sluger halvdelen, er der lidt brugbar grøn strøm tilbage.
Næste skridt: fra simulering til rigtige bølger
På trods af disse usikkerheder ønsker Iida hurtigt at bevæge sig mod fysiske forsøg. I hans planer indgår eksperimenter med skalamodeller i testbassiner og i sidste ende forsøg til havs. Dermed vil han undersøge, hvor hans regnestykke holder, og hvor virkeligheden driller.
Han kigger også på et alternativt design: en asymmetrisk flyder. Mange bølgeenergiomformere er i dag næsten spejlsymmetrisk opbygget, blandt andet for at gøre dem mere stabile. Ifølge Iida hænger denne symmetri muligvis også sammen med 50-procent-grænsen.
Med en skævt formet flyder mener han, at systemet kan interagere anderledes med bølgebevægelsen. I teorien kunne det åbne døren på klem for en virkningsgrad over den tidligere nævnte grænse, selvom han selv erkender, at dette forbliver spekulativt, så længe der ikke er gennemført praktiske tests.
Hvad gør bølgeenergi attraktiv ved siden af vind og sol
Bølgeenergi nævnes ofte i samme åndedræt som tidevandenergi, men der er tale om noget fundamentalt forskelligt. Tidevand følger faste mønstre dikteret af solen og månens tyngdekraft. Bølgeenergi stammer primært fra vind, der blæser hen over vandoverfladen, og kan på visse steder være langt mere konstant end lokal vind på land.
En række argumenter, som energiselskaber holder øje med:
- Bølger stopper ikke ved solnedgang, hvilket gør kombinationen med solparker interessant.
- På åbent hav er bølger ofte mere regelmæssige og kraftfulde end tæt ved kysten.
- Bølgeenergianlæg kan i visse tilfælde kombineres med flydende vindparker.
- Den visuelle påvirkning fra kysten er relativt beskeden, især ved systemer længere ude på havet.
Over for dette står betydelige udfordringer: korrosion fra saltvand, vedligeholdelse på åbent hav, risiko for skader under kraftige storme samt mulig påvirkning af skibsfart og havliv. Ethvert nyt design – herunder Iidas – vil blive målt op mod disse kriterier, inden det overhovedet kan komme i betragtning til storskaladrift.
Hvad betyder det for Nordsø-landene?
For lande langs Nordsøen tegner der sig et interessant perspektiv. Havet er her lavvandet og ofte uroligt med mange vindskabte bølger. Flydende gyroskopiske omformersystemer kunne teoretisk set kobles ind på elnettet mellem eksisterende vindparker.
Det er dog stadig tidligt. Netoperatører, maritime virksomheder og myndigheder kigger primært på gennemprøvede teknologier. Hvis Iida og andre forskere kan dokumentere, at moderne bølgeenergiomformere leverer pålideligt år efter år, kan den debat vende. Tænk eksempelvis på hybride energiknudepunkter til havs, hvor vind, sol og bølger tilsammen leverer en stabil produktion.
Foreløbig bidrager forskningen frem for alt med en ekstra byggesten: en dybere forståelse af, hvor langt gyroskopiske systemer kan nå, og hvor fysikkens love ubønhørligt sætter en grænse. Den, der i energiomstillingen er på jagt efter hver ekstra kilowatttime ren strøm, holder nøje øje med den slags eksperimenter.
