Huvuddelen av elektriciteten som driver industrivärlden kommer från induktionsgeneratorer. Den första kom online 1896 och drevs av den fallande vattenkaskaden som är Niagarafallen. De flesta moderna induktionsgeneratorer är dock ångdrivna, och de bränslen som valts för att värma vattnet har länge varit spiral, petroleum och naturgas – så kallade fossila bränslen.
Från och med 2011 stod fossila bränslen för 82 procent av världens elektricitet, men bevisen fortsätter att öka på de förödande effekterna av förbränning har på miljön. I oktober 2018 varnade forskare för att den globala uppvärmningen, till vilken förbränning av fossila bränslen är en främsta bidragsgivare, snabbt närmade sig en oåterkallelig tipping point. Resultatet av sådana varningar är en övergång från fossila bränslen till förnybara energikällor, såsom solcellspaneler, geotermisk energi och vindkraftverk.
Vågkraft är ett av alternativen på bordet. Haven representerar en stor reservoar av outnyttjad energi. Enligt Electric Power Research Institute är den potentiella vågenergin runt kustnära USA, inklusive Alaska, cirka 2 640 terawattimmar/år. Det är tillräckligt med energi för att driva 2,5 miljoner hushåll under ett helt år. Ett annat sätt att se på det är att en enda våg har tillräckligt med energi för att driva en elbil hundratals mil.
Fyra huvudteknologier finns för att utnyttja vågenergi. En del arbetar nära stranden, en del offshore och en del i djuphavet. Vågenergiomvandlare (WEC) är utformade för att stanna kvar på vattenytan, men de skiljer sig i kollektorernas orientering till vågornas rörelse och i de metoder som används för att generera elektricitet. De fyra typerna av vågelektricitetsgeneratorer är punktabsorbenter, terminatorer, övertoppningsanordningar och dämpare.
Varifrån kommer vågenergin?
Tro det eller ej, vågkraft är en annan form av solenergi. Solen värmer olika delar av jordklotet i olika utsträckning, och de resulterande temperaturskillnaderna skapar vindarna som interagerar med havsvattnet för att skapa vågor. Solstrålning skapar även temperaturskillnader i själva vattnet och dessa driver undervattensströmmar. Det kan vara möjligt att utnyttja energin från dessa strömmar i framtiden, men för närvarande har det mesta av energiindustrins uppmärksamhet fokuserats på ytvågor.
Vågenergiomvandlingsstrategier
I en vattenkraftsdamm snurrar energin från fallande vatten direkt turbinerna som genererar AC-elektricitet. Denna princip används nästan oförändrad i vissa former av våggenerering, men i andra måste energin från det stigande och fallande vattnet passera genom ett annat medium innan det kan göra jobbet med att snurra turbinen. Detta medium är ofta luft. Luften är förseglad i en kammare, och vågornas rörelse komprimerar den. Den komprimerade luften tvingas sedan genom en liten öppning, vilket skapar en luftstråle som kan göra det nödvändiga arbetet. I vissa tekniker överförs vågornas energi till mekanisk energi av hydrauliska kolvar. Kolvarna driver i sin tur turbinerna som genererar elektricitet.
Vågkraften finns fortfarande till stor del i experimentfasen, och hundratals olika konstruktioner har patenterats, även om endast en bråkdel av dessa faktiskt har utvecklats. En som levererade kommersiell kraft fungerade utanför Portugals kust 2008 och 2009, och den skotska regeringen tittar på utvecklingen av ett stort projekt i det hackiga vattnet i Nordsjön. Ett liknande projekt planeras utanför Australiens kust. Fyra huvudtyper av våggeneratorer finns för närvarande:
Point Absorbers Resemble Booys
En punktabsorbator är i första hand en djuphavsanordning. Den förblir förankrad på plats och guppar upp och ner på de passerande vågorna. Den består av en central cylinder som flyter fritt inuti ett hus, och när vågen passerar rör sig cylindern och huset i förhållande till varandra. Rörelsen driver en elektromagnetisk induktionsanordning eller en hydraulisk kolv, som skapar den energi som krävs för att driva en turbin. Eftersom dessa enheter absorberar energi kan de påverka egenskaperna hos vågorna som når stranden. Detta är en anledning till att de används på platser långt utanför kusten.
En oscillerande vattenpelare (OWC) är en speciell typ av punktabsorbent. Den ser också ut som en boj, men istället för en fritt flytande inre cylinder har den en vattenpelare som stiger och faller med vågorna. Vattnets rörelse trycker tryckluft genom en öppning för att driva en kolv.
Terminatorer genererar vågelektricitet från tryckluft
Terminatorer kan placeras på stranden eller nära strandlinjen. De är i grunden långa rör, och när de används offshore, fångar de vatten genom underjordiska hamnöppningar. Rören är förankrade för att sträcka sig i vågrörelsens riktning, och havsytans uppgång och fall trycker en kolonn av infångad luft genom en liten öppning för att driva en turbin. När de ligger på land driver vågorna som slår mot stranden processen, så öppningarna är placerade i ändarna av rören. Varje terminator kan generera ström i ett intervall från 500 kilowatt till 2 megawatt, beroende på vågförhållanden. Det är tillräckligt med kraft för en hel stadsdel.
Dämpare är multisegmenterade Vågenergiomvandlare
Som terminatorer, dämpare är långa rör som är utplacerade vinkelrätt mot vågrörelsen. De är förankrade i ena änden och konstruerade i segment som rör sig i förhållande till varandra när vågen passerar. Rörelsen driver en hydraulisk kolv eller någon annan mekanisk anordning placerad vid varje segment, och energin driver en turbin, som i sin tur producerar elektricitet.
Övertoppningsanordningar är som små vattenkraftsdammar
Övertoppningsanordningar är långa och sträcker sig vinkelrätt mot vågens rörelseriktning. De bildar en barriär, ungefär som en strandvall eller damm, som samlar upp vatten. Vattennivån stiger för varje våg som passerar och när den sjunker igen driver den turbiner som genererar elektricitet. Den övergripande verkan är ungefär densamma som den som används i vattenkraftsdammar. Turbinerna och transmissionsutrustningen är ofta inrymda i offshoreplattformar. Övertoppningsanordningar kan också konstrueras på land för att fånga energin från vågor som slår mot stranden.
Problem med vågkraftsgenerering
Trots det uppenbara löftet om vågkraft ligger utvecklingen långt efter sol- och vindkraftens. Storskaliga kommersiella installationer är fortfarande en del av framtiden. Vissa energiexperter liknar tillståndet för vågelektricitet med det för sol- och vindelektricitet för 30 år sedan. En del av anledningen till detta är inneboende i havsvågornas natur. De är oregelbundna och oförutsägbara. Vågornas höjd och deras period, som är utrymmet mellan dem, kan variera från dag till dag eller till och med timme till timme.
Ett annat problem är kraftöverföring. Vågkraft kan inte tjäna något syfte förrän den överförs till stranden. De flesta WEC har transformatorer för att öka spänningen för effektivare överföring längs undervattensledningar. Dessa kraftledningar vilar vanligtvis på havsbottnen och att installera dem ökar avsevärt kostnaden för en kraftverksstation, särskilt när stationen ligger långt från land. Dessutom finns det en viss effektförlust i samband med all överföring av elektrisk energi.
