Energie electrică din curenţii marini

Eficienta Energetica

de Mircea Badut

Energie electrică din curenţii marini

Deocamdată costul acestei energii electrice este demobilizator de mare, însă potenţialul resursei cam obligă omenirea să îl ia în calcul. Dintr-o perspectivă energetică (realistă), cinetismul mareelor poate fi exploatat (în ideea de conversie în electricitate) alegând principial între două moduri de abordare: imersând turbina chiar în curentul de flux/reflux, ori folosind construcţii/amenajări speciale (baraje semi-mobile, aducţiuni) care dirijează şi controlează un curent ,,articifial’’ de apă către turbo-generator. Indiferent de abordare, dezvoltarea acestui domeniu prezintă multe provocări.

O condiţionalitate intensă

Deşi curenţii oceanici constituie o sursă inepuizabilă, proiectele de instalaţii electro-energetice se confruntă cu o multitudine de condiţionări – fiind probabil direcţia cu cele mai complexe cerinţe dintre energiile regenerabile actuale. Vom puncta aici câteva dintre aspectele de ordin tehnic, economic şi antropologic, însă fără pretenţia de exhaustivitate, ci mai mult ca o introducere în acest interesant domeniu. Vom întâlni astfel un mix de probleme, de la protecţia mediului la costurile de proiectare/construcţie, ori de la conflictele de interese antropice până la eficienţa operaţională. 

În primul rând (deşi în realitate ordinea chestiunilor depinde mult de perspectiva din care ne aplecăm asupra lucrurilor) de obicei nu se pot amplasa instalaţiile cu turbine în cele mai bune locaţii din punctul de vedere al cinematicii curenţilor deoarece aceasta ar afecta traseele navelor maritime. Alteori locaţiile ideale trebuie evitate şi pentru a nu perturba fauna şi flora subacvatică. După aceste apriorice condiţionări de mediu (natural şi cultural) se înscriu provocările tehnice, cu multiple aspecte: concept/abordare; design; materiale speciale; tehnologii şi posibilităţi de instalare, montare şi punere în funcţiune; interconectarea turbo-generatoarelor; eventuale tehnologii de stocare pentru compensarea discontinuităţii resursei; cablarea/transportul energiei; adaptarea şi conectarea la reţeaua electrică; tehnologiile de mentenanţă. Și cum toate acestea costă, trebuie desigur luate în calcul şi aspectele economice: rentabilitate strategică; atragerea de investitori; cheltuieli de proiectare/dezvoltare; cheltuieli de procurare/aprovizionare; contracte de servicii auxiliare; contracte cu operatorii/dispecerii de energie electrică ş.a.m.d.

   Foto 1. Instalații de exploatare a energiei mareei

 

Din amalgamul de provocări

Ideea acestui articol au constituit-o recentele ştiri despre lucrările la proiectul MeyGen, amplasat lângă ţărmul Scoţiei, la confluenţa dintre Oceanul Atlantic şi Marea Nordului – constituind prima instalaţie comercială (şi am putea consemna astfel depăşirea stadiului experimentelor de cercetare). Cu primele patru turbine submarine puterea instalată va fi de 6MW. Dacă în 2016 MeyGen va produce 86 MWh energie electrică, peste zece ani (după instalarea celor 269 de turbine prevăzute) se estimează să se ajungă la 398MWh.

 

Viabilitatea acestui gen de proiecte presupune şi urmărirea unor cerinţe strategice:

  • derularea de cercetări în domeniul materialelor cu proprietăţi special
  • derularea de studii pentru optimizarea comportamentelor fizico-mecanice, inclusiv prin simulări CAE: structurale (FEA), de dinamica fluidelor (CFD), în câmp cuplat (vizând simultan efectele mecanice, termice, electrice, magnetice)
  • derularea de studii pentru optimizarea conversiei „mişcare – electricitate’’
  • studierea debitelor curenţilor marini (din perspectivă cantitativă şi calitativă)
  • studierea amplasamentelor optime (convenabile, de compromis) angajând particularităţile ţărmului marin dar şi apropierea/distanţa faţă de centre populate
  • soluţii de interconectare la sistem/reţea (preferabil în conformitate cu SmartGrid)
  • realizarea de parteneriate între entităţi interesate (institute de cercetare, furnizori, operatori
  • atragerea de investitori
  • cointeresarea/acceptanţa comunităţilor/publicului
  • obţinerea susţinerii din partea guvernelor/administraţiilor locale/naţionale/regionale
  • folosirea de subvenţii (pentru compensarea cheltuielilor de investiţii atât de specifice energiilor regenerabile) şi a eventualelor mecanisme ale pieţei de certificate verzi ş.a.m.d.

 

Spuneam (în paranteză) despre depăşirea fazelor de tatonare în domeniul energiei mareo-motrice motivat de faptul că odată cu intrarea în ,,arena comercială’’ aspectele practice influenţează drastic acest domeniu.

Studiile derulate prin diverse colţuri (ţărmuri) ale lumii au revelat câteva cerinţe generice care pot influenţa dezvoltarea de astfel de proiecte. De exemplu, mareea se dovedeşte exploatabilă când curentul oceanic are cam 2 - 6 metri pe secundă. (Vom vedea mai târziu că o viteză prea mare poate determina solicitări mecanice greu de gestionat.) De asemenea, adâncimea de amplasare a turbinei este de câteva zeci de metri, din mai multe considerente: dacă ar fi prea la suprafaţă ar putea stânjeni navigaţia şi curenţii de apă ar fi mai indisciplinaţi, iar dacă ar creşte prea mult adâncimea atunci activităţile de instalare şi de mentenanţă ar fi prea dificile/scumpe. Din diversele instalări pilot am putea întrezări şi distanţele optime de la ţărm (zeci-sute-mii de metri), însă aici lucrurile depind drastic de conformaţia ţărmului şi a fundului de mare.

   Foto 2 Turbine mareo-motrice instalate fix pe fundul oceanic

 

Condiţionări tehnologice

Din mulţimea de abordări tehnice privind concepţia turbinei, deocamdată modelul dominant arată un turbo-generator oarecum similar celui eolian, însă cu palele elicei mai scurte şi mai late. (Conversia mişcării de rotaţie în electricitate presupune că generatorul se află în imediata apropiere a elicei, între ele interpunându-se un cuplaj mecanic sau unul hidraulic). De altfel, multe dintre aspectele de proiectare, montaj şi exploatare sunt preluate aici (măcar parţial) din domeniul deja matur al turbinelor de vânt. Mai toate proiectele presupun fixarea turbo-generatoarelor pe fundul mării, însă există şi variante montate pe platforme semi-mobile.

Putem puncta şi câteva cerinţe cheie din punct de vedere ingineresc privind turbinele şi centrala/instalaţia respectivă:

  • Robusteţea: însemnând în principal rezistenţa la condiţiile de lucru grele pe care turbina/instalaţia le are de înfruntat în submersie. Problema are o gamă largă de aspecte, pornind de la rezistenţa mecanică a palelor de elice, a rotorului, a transmisiilor cu roţi dinţate, a suporţilor şi a lonjeroanelor (în caz de condiţii meteo defavorabile solicitările structurale ajungând la cote foarte înalte), până la necesitatea de a echipa turbo-generatorul cu frâne/ambreiaje prin care operatorul să poată opri/decupla rotorul pe durata instalării şi a intervenţiilor de mentenanţă şi chiar pentru evitarea supraturării (inclusiv pentru situaţiile de întrerupere a sarcinii din reţea, când generatorul electric ar fi nevoit să intre în regimul de mers în gol).
  • Interconectarea turbinelor şi transportul/conectarea la reţeaua electrică: datorită faptului că instalaţiile electrice trebuie să funcţioneze sub apă, soluţiile specifice (cablare, comutaţie, distribuţie, conectare) trebuie să prezinte o izolaţie foarte bună şi să se comporte foarte bine în timp.
  • Mentenanţa: aici lucrurile, deşi aparent de clasă auxiliară, sunt atât de importante încât le dedicăm un subcapitol distinct (cumva şi în susţinerea demersului pe care revista T&T îl tot face în sublinierea acestei activităţi industriale).

 

Furnizori de echipamente: ABB, Alstom, Clean Current Power Systems, General Electric, Hydrovolts, Hyundai, Kawasaki, Lockheed Martin, Marine Current Turbines, OpenHydro, Pelamis, Rolls-Royce, Sabella, Siemens, Tidal Generation, Tidal Energy, Tocardo International, Verdant Power etc.

Turbina tipică de la Alstom (iulie 2013): putere electrică de 1 MW; nacela are 22 de metri lungime şi cântăreşte 150 de tone. Rotorul are trei pale (cu unghi reglabil) cu un diametru de 18 metri. Nacela se poate roti în jurul axei verticale pentru a se reorienta pe direcţia de exploatare optimă a curentului marin. Instalaţia lucrează scufundată integral, la o adâncime a apei de aproximativ 40 de metri. Turbina este capabilă să plutească, astfel încât ea poate fi remorcată şi adusă într-o locaţie la ţărm, unde operaţiunile de mentenanţă devin mult mai fezabile.

 

Problematici ale mentenanţei folosind scuba-diving (din perspectiva operatorului uman):

  • Până la adâncimi de 20-30 de metri lucrurile decurg oarecum normal, cu sesiuni de lucru de 1-2 ore.
  • La adâncimi de peste 20-30 de metri, datorită presiunii mari, în ţesuturile organismului apar acumulări de azot, iar în cazul unei reveniri bruşte la suprafaţă reagregarea acestora ar provoca leziuni grave (chiar şi letale); riscul acesta se evită prin intercalarea în ascensiune a unor etape destinate decompresiunii (pauze făcute la anumite adâncimi/presiuni pentru a îngădui recircularea lentă a azotului prin sânge).
  • La adâncimi de peste 60 de metri, datorită presiunii foarte mari, azotul din aer devine toxic, astfel încât scufundătorii nu mai pot folosi butelii cu aer comprimat, ci un amestec de oxigen cu heliu.
  • Pentru lucrul la adâncimi de 300-500 de metri (atinse recent la instalaţiile de foraj marin off-shore din Marea Nordului) se folosesc costume, echipamente şi instalaţii speciale, iar timpul necesar decompresiei ajunge la 3-4 săptămâni. Amploarea acestor eforturi auxiliare ne poate oferi o idee în privinţa cheltuielilor de mentenanţă.

   Mentenanță cu scufundători

 

Mentenanţă şi viabilitate

Ne putem imagina cu toţii că mediul de lucru submarin presupune condiţionări vitale. Ba mai mult, vom vedea că factorul cost este aici atât de substanţial încât – alături de efortul de cercetare/dezvoltare – constituie acel drawback deja specific energiilor regenerabile.

De la specialiştii în aspectele economice ale domeniului aflăm că, pentru a se dovedi viabile, instalaţiile mareo-motrice trebuie să aibă o durată de viaţă mare, de peste 20 de ani (pentru amortizarea investiţiilor). Mai spun ei şi că o turbină trebuie să aibă o putere instalată de minim 1-3 MW pentru ca instalaţia să fie acceptabilă economic, dar nu asta ne interesează acum. Ceea ce contează este perioada lungă de exploatare, corelată cu mediul subacvatic (destul de neprietenos tehnicalmente) şi cu adâncimea uneori (foarte) mare de instalare. Or, cu cât vizităm mai des instalaţia submarină pentru intervenţii de mentenanţă (fie ea reactivă ori mentenanţă proactivă; vedeţi T&T nr. 5/2014), cu atât cresc costurile operaţionale. Costuri ce derivă esenţialmente din complexitatea scufundării oamenilor ce realizează operaţiunile de întreţinere (vedeţi şi caseta alăturată), din complexitatea/preţul instrumentelor/echipamentelor folosite, din dificultatea manevrelor (prin elemente de competenţă/calificare, de asistenţă tehnică şi de timp de intervenţie) ş.a.m.d..

Sursă imagini: Atlantis Resources; Minesto (Deep Green); Tidal Energy Ltd (DeltaStream); CommDiverTransparency; Oceaneering Int'l.


English summary

The energy potential and the inexhaustible nature draw increased attention on the tidal of renewable energy. Research in this field show a series of special issues that must be dealt with from several perspectives:

  • turbine immersion method position (vertical, as opposed to the shore or to populated areas, floating or anchored etc.), with environmental and cultural consequences
  • technical (design, materials, complex demand, connections, transfer of the generated electricity etc.)
  • maintenance, with great consequences on human and immersion related aspects (depth, work period/stationary period for climbing etc.), equipment etc.
  • costs, funding, financing, economic sustainability and many others.

MIRCEA BĂDUŢ  este inginer, consultant CAD/IT 



Accept cookie

www.ttonline.ro utilizează fişiere de tip cookie pentru a personaliza și îmbunătăți experiența ta pe Website-ul nostru.

Te informăm că ne-am actualizat politicile pentru a integra în acestea și în activitatea curentă a www.ttonline.ro cele mai recente modificări propuse de Regulamentul (UE) 2016/679 privind protecția persoanelor fizice în ceea ce privește prelucrarea datelor cu caracter personal și privind libera
circulație a acestor date. Înainte de a continua navigarea pe Website-ul nostru, te rugăm să aloci timpul necesar pentru a citi și înțelege conținutul Politicii de Cookie.

Prin continuarea navigării pe Website-ul nostru confirmi acceptarea utilizării fişierelor de tip cookie conform Politicii de Cookie. Îți mulțumim pentru acest accept și nu uita totuși că poți modifica în orice moment setările acestor fişiere cookie urmând instrucțiunile din Politica de Cookie.

Da, sunt de acord