Hogyan hasznosítja egy hullámerőmű az óceánok energiáját?

A hullámerőmű magától értetődő, akár egy szélerőmű. Aki valaha járt már tengeren, vagy legalább fürdött tengerben, pontosan ismeri, milyen elképesztő energiák működnek a hatalmas sós víztömegben.

A hullámerőmű ötlete már az első ipari forradalom idején felbukkant. Igaz, akkor még közvetlenül a hullámzás hajtott volna egy fűrészmalmot.

Mi az a hullámerőmű? Mi a működési elve?

Angol szaknyelven WEC-nek (wave energy converter, hullámenergia átalakító) nevezzük azon technológiákat, amelyek a hullámokban rejlő energiát alakítják át – jellemzően papíron – elektromos energiává.

Fontos, hogy a hullámerőmű nem árapályerőmű, sem áramlaterőmű: az előbbi az árapály-jelenséget hasznosítja, az utóbbi pedig a jellemzően óceáni áramlatok energiáját.

Hallottál arról, mennyi áramot termelnek az óceáni áramlaterőművek?

Mivel csupán koncepció szinten léteznek, pontosan ezért összpontosítanak inkább a valós eredményeket kedvelő mérnökök a tengeri hullámokra.

Márpedig a tengeri hullámoknak elképesztő az energiasűrűsége: San Francisco partvidékén akár 25 kW/m² is lehet. Azt régen is tudták, hogy mekkora ereje van a tengernek, és régóta álmodoztak arról páran, hogy miként hasznosíthatnák ezt.

Ki találta fel a(z első) hullámenergiát hasznosító gépezetet?

A nevét is tudjuk annak, aki megfigyelte, hogy már egy-egy kisebb tengerparti hullám képes egy embert ledönteni a lábáról – és eszébe jutott, hogy akkor akár hasznosítani is lehetne a hullámok erejét.

Ezt az úriembert Pierre-Simon Girardnak hívták és a 18. századi Franciaországban élt. Persze, Girard még nem egy ténylegesen energiát termelő hullámerőművet tervezett, hanem egy hullámenergiát hasznosító motort, ami a fűrészmalmát és más gépeket hajtotta volna.

Hogyan lehet hasznosítani a hullámenergiát?

Girard és fia 1799-es találmánya óta eltelt 222 év során több mint 1500 hullámenergia-szabadalmat nyújtottak be. Habár számos előrelépés történt, a WEC-technológia története inkább hasonlít a sziklákat ostromló tengeri hullámokra: megannyi felhajtás, nagyra törő tervek és mind visszahullt a mélybe.

Hol kísérleteztek az első hullámerőművekkel?

1890-től kezdve két évtizeden át kísérleteztek különböző kialakítású hullámmotorokkal Dél-Kalifornia partjai mentén. Csak néhány hullámmotor jutott el a végső fázisig, de nem véletlenül merültek feledésbe – vagy nagyon is konkrétan a tengerbe.

A legjelentősebb a Redondo Beach-i Starr Wave Motor volt, amelynek építése 1907-ben kezdődött, és hat megye áramellátását remélték tőle (ne feledjük, 1907-ben az áramigény a töredéke volt akár az 1930-as évekének).

A hatalmas gép végül 1909-ben összeomlott, mert rosszul alakították ki a mólót, amire építették. Szintén jelentős hírverést kapott a Huntington-parton kísérletező  California Wave Motor Company hullámerőműve, de ebből se sült ki semmi tartós.

A hullámerőmű egyszerre vízerőmű és nem is

A zavart a köznyelv és a szaknyelv eltérése okozza. A közbeszédben – legalábbis Magyarországon – a folyókra telepített duzzasztós vízerőművek jelentik A vízerőművet.

A szaknyelvben pedig a hullámerőmű is vízerőmű: a víz mozgási energiáját hasznosító erőművek egyik fő típusát alkotja, amely (elsősorban) a hullámok erejét fogja hasznos munkára.

Lényegében egy olyan vízerőmű, amit a tengerparthoz közel vagy akár a nyílt tengerre telepítenek, csak nem a tengeri szél, hanem a tengeri áramlatok és hullámok energiáját alakítja elektromos árammá.

Az elmúlt harminc év hozott némi áttörést a hullámzó sikerű kísérletek terén  

Főként az utóbbi 30 év kutatásai és kísérletei után kezdődhetett meg a hullámenergia jelentős mértékű kereskedelmi hasznosítása.

Számos óceáni hullámenergia-átalakító berendezést fejlesztettek ki, de csak néhány kereskedelmi létesítményt helyeztek üzembe. Ennek a legfőbb oka a megfelelően ellenálló anyagok és szoftverek hiánya volt.

A tenger olyan, mint a medve: nem játék

Ahhoz, hogy a tenger hullámaival áramot termeljünk, már régóta létezik sokféle megoldás. Az, hogy több mint két évszázad alatt csak mostanában jutunk el a kereskedelmi hasznosíthatóságig, komoly oka van: maga a tenger.

A sós víz önmagában is meglehetősen cudarul bánik a fémekkel, az erős áramlatok a legkeményebb betont is kikezdik, és egy tengeri vihar hajlamos szétrombolni a védtelenül hagyott turbinákat. A theconstrutor.org oldalon részletesen is bemutatják azokat a kihívásokat, amelyekkel a tengeri építkezések során meg kell birkózni.

Ahhoz tehát, hogy megtérüljön a befektetésünk, biztosítanunk kell, hogy a hullámerőmű kellően sokáig és kiszámítható módon bírja termelni az áramot.

Mi a szerepe a vízenergiának a megújuló energiaforrások felhasználásában?

Márpedig megbízható és tartós, környezetbarát energiatermelésre hatalmas szükségünk van. Az egész világon rohamosan nő az elektromos energia iránti kereslet egyfelől az ipari termelés, másfelől a lakossági szolgáltatások, harmadrészt az infrastruktúra üzemeltetése terén.

Minél inkább terjed a negyedik ipari forradalom, annál inkább szorulnak vissza a mechanikus megoldások az agráriumban vagy a termelőüzemekben – ha pedig az elektromos autózás is elterjed, messze több áramra lesz szükség, mint amennyit az emberiség ma termelni tud.

A megújuló energiák közül a vízenergia a legtisztább

Akárhogy is nézzük, az atomenergián kívül az összes nem megújuló erőforrás brutálisan szennyezi a környezetet – az atomenergia meg addig tiszta, amíg nem következik be egy csernobili vagy fukushimai katasztrófa.

A megújuló erőforrások közül pedig a vízenergia a leginkább környezetbarát, kivéve, ha a megfelelő földrajzi adottságok híján csak környezetromboló módon lehet duzzasztógátat építeni, mint Bős-Nagymaros, vagy éppen a Nílus esetében.

A vízenergia globálisan mind népszerűbb

1985-ben még „csak” 1 979,77 TWh áramot termeltek a vízerőművek, ami 35 évvel később, 2020-ra már 4 355,04 TWh-ra nőtt. Ez 2 375,27 TWh gyarapodás – és még így is csak töredéke a globálisan megtermelt és igényelt energiának.

Érdemes azt is megfigyelni, kik és milyen ütemben fejlesztik a vízerőmű-kapacitásukat. Természetesen csak azok az országok esetében beszélhetünk érdemi fejlesztésről, amelyek még nem használják ki annyira a lehetőségeiket, mint például Magyarország.

A hydropower.org jelentése szerint 2020-ban összesen 1 330 GW vízerőmű-kapacitást adtak át. Ebből az első három helyezett:

1. Kína: 370,2 GW,
2. Brazília: 109,3 GW,
3. USA: 102 GW.

Európában összesen adtak át annyi kapacitást 2020-ban, mint egyedül Brazíliában, ami eléggé nagy szégyen, hiszen az öreg kontinensünkön az elektromos áram mindössze 15,3%-a származik megújuló forrásokból, ezen belül pedig vízerőművekből még mindig elképesztően kevés.

Kína nemcsak a világ legnagyobb energiafogyasztója (az elfogyasztott elektromos áram többségét szénnel állítja elő), hanem a zöldáram-termelő kapacitás tekintetében is a domináns ország.

Az en-former.com jelentése szerint 2017-ben például a világ megújuló energiaforrásokból származó villamosenergia-termelő kapacitásának 28,4%-át Kínában telepítették – Németország a maga 113 GW-os teljesítményével a negyedik helyet tudta csak megszerezni a nemzetközi kapacitásrangsorban (második: USA, harmadik: Brazília).

Mit tehetünk akkor, ha az országunkban viszonylag kevés a klasszikus folyami vízerőműhöz szükséges folyó, de tengerpartunk annál több akad, mint Hollandia, Írország vagy Szicília esetében? Nos, értelemszerűen a tenger energiáját kell igába hajtani.

Hol lehet a legjobban hasznosítani a hullámerőműveket?

A megfelelő helyszín kiválasztása éppen olyan lényeges, mint a szélerőműveknél – hiába hullámzik a tenger mindenütt, a hullámok energiasűrűsége eltérő a Föld egyes régiói, sőt országok partszakaszai között is.

Jelenleg két ígéretes hullámerőmű kísérlet zajlik

A két tesztelési helyszín a magas energiasűrűségű hullámairól ismert régiókban találhatók. Az egyik a Csendes-óceán északnyugati részén található, a másik pedig Európán belül elsősorban Skócia partvidékén.

Az Egyesült Királyság szakértői (direkt nem brit tudósokat írtunk) szerint az ország energiaszükségletének akár 75 százalékát is előállíthatja majd – tegyük hozzá, itt hullámerőművek és árapály-erőművek együttes alkalmazását tervezik.

Az USA Energiaügyi Minisztériuma úgy becsüli, hogy a hullámerőművek akár 1170 terawattórát is előállíthatnak majd évente, ami az Egyesült Államok teljes áramfogyasztásának több mint egynegyedével egyenértékű.

Mik az előnyei a hullámerőműnek?

Az elméleti fejtegetéseken túl immáron a gyakorlatban is gyűlnek az adatok. A Mocean csapata 2019 elején kapott 3,3 millió fontos (mai áron számolva 1,39 milliárd forint) támogatást a Wave Energy Scotland befektetői csoporttól, hogy kifejleszthessék a Blue X hullámerőmű prototípus.

A Mocean 2021 tavaszán a Blue X-et az Orkney-szigeteken található Európai Tengeri Energia Központba (EMEC) szállította, amely a hullám- és árapályenergiát hasznosító eszközök nyílt tengeri tesztlétesítménye. A Blue X itt, az EMEC Scapa Flow-i tesztpályáján termel áramot és rengeteg adatot szolgáltat a gép teljesítményéről és működéséről.

Egyelőre még nem tudni pontosan, milyen energiaegyenleggel zárul a kísérlet – azaz hogy visszahozza-e a termelés során azt az energiamennyiséget, amire az előállításához szükség volt.

Egy másik érdekes skóciai kísérlet az Archimedes Wave Swing, azaz Archimédesz-hullámhinta. Ez legalább hat méterrel a tenger felszíne alá merül, hogy elkerülje a felszíni viszontagságok okozta sérüléseket.

Milyen hátrányai vannak a hullámenergia hasznosításának?

A szakértők körében jellemzően az a mondás járja, hogy a hullámerőmű-technológia három évtizeddel van lemaradásban a szélerőművek mögött.

Műszaki szempontból az óceánban való üzemeltetés sokkal nehezebb, mint a szárazföldön; a tengeri szélerőművek építése például általában lényegesen drágább, mint a szárazföldi szélerőműveké – cserébe viszont erősebb és állandóbb a szélfúvás.

A sós víz ellenséges környezetet jelent az eszközök számára, és maguk a hullámok is kihívást jelentenek az energiatermelés szempontjából, mivel nemcsak elhaladnak az eszköz mellett, hanem a zavaros tengeren fel-le hullámzanak, vagy minden oldalról összefutnak.

Számos problémát kell tehát még kiküszöbölni, mire azt mondhatjuk, hogy olyan általános lesz hullámerőművet építeni, mint szélerőművet.

Mi a jövője a hullámerőműveknek?

A hullámok energiájának kihasználására, mint láttuk, akadnak már ígéretes kísérletek. Ha ezek, vagy valamely újabb megoldás hosszútávon is beválik, könnyen lehetséges, hogy legalább a partmenti települések, ipari létesítmények, farmok mind hullámenergiából nyerik majd az áramot.

Meglehet, felválthatják akár a tengeri szélerőműveket is, ha sikerül a hullámzó teljesítményt kiszámíthatóvá tenniük.

Dr. Rónay P. Tamás | Korábbi egyetemi oktató, szövegíró. Főként humán, illetve természettudományos cikkeket ír. Otthonosan mozog az okostechnológiák és megújuló erőforrások, zöld technológiák világában.