Slapová energie – netradiční obnovitelný zdroj energie

Podle odhadu vědců by slapová energie mohla poskytovat až 1 milion GWh elektřiny. Světová energetická rada (WEC) konstatovala, že jen v zálivu Fundy ve východní Kanadě by slapová energie mohla ročně produkovat 7 000 GWh elektrické energie. Rozdíl mezi přílivem a odlivem je zde 11 m a v nejužším místě až 17 m. Ve 270 km dlouhém zálivu protéká tam a zpět na 100 miliard tun mořské vody. Nelze se proto divit, že se slapové energii věnuje tak velký zájem. Na druhé straně jde o podnikání, které se setkává s velkými technickými a ekologickými problémy.

Slapové elektrárny v provozu a ve výstavbě

Nejznámějším příkladem je francouzská slapová elektrárna v ústí řeky Rance o výkonu 70 MW, která je v provozu od roku 1966. Podle elektrárenské společnosti EdF zde 1 kWh stojí 0,20 EUR, což je méně, než jsou průměrné náklady na výrobu elektřiny této elektrárenské společnosti. Menší slapové elektrárny se provozují v Kanadě, Rusku a Číně. Dosud největší slapová elektrárna se staví v Jižní Koreji na jezeře Sihwa, asi 25 km jihozápadně od Soulu. Její výkon je 254 MW. Měla být uvedena do provozu koncem roku 2010 a zásobovat elektřinou město Ansan. Mnohem výkonnější slapové elektrárny se budují v Rusku. V Bílém moři v zálivu Mezenskij má mít výkon 15 MW a v zálivu Tugurskij 8 MW. V malém měřítku se tento způsob výroby elektřiny od roku 2003 využívá také v norském městě Hammerfest. V New Yorku malá slapová elektrárna v East River zásobuje elektřinou supermarket a garáže od roku 2006. Ve Spojeném království byla v roce 2008 uvedena do provozu v Strangford Lough v Severním Irsku slapová průtočná elektrárna Sea Gen o výkonu 1,2 MW. Elektrárnu postavila společnost Marine Current Turbines.

Dosud největším projektem slapové elektrárny na světě je „vodní farma“ zahrnující 300 vodních turbín při pobřeží Jižní Koreje. Smlouvu v hodnotě 500 milionů GBP na její výstavbu podepsala britská firma Lunar Energy. Tým pracovníků z Florida Atlantic University se snaží využít energii golfského proudu, který protéká okolo pobřeží Floridy. Zkouší se zde prototyp turbíny o výkonu 20 kW. Náklady na výrobu elektřiny ze slapových elektráren se odhadují na 12‑15 pencí/kWh, což je asi čtyřnásobek oproti elektřině z větrných elektráren /1/.

Metody využití slapové energie a ekologické aspekty

V podstatě existují dvě hlavní metody výstavby slapových elektráren, a to přehrazováním nebo přímým využitím průtočných podvodních turbín.

Slapová elektrárna Sea Gen v Severním Irsku má dvě turbíny, které jsou poháněny rotory o průměru 16 m o jednotkovém výkonu 600 kW. Turbíny jsou umístěny na koncích horizontálního příčného nosníku, který je uložen na vertikální hřídeli ukotvené na mořském dně. Pokud je třeba provést údržbu, nosník s turbínami se vyzdvihne nad hladinu. Ačkoliv způsob provozu připomíná větrnou turbínu, namáhání zařízení Sea Gen je nesrovnatelně větší. Slapové proudění je zde tak velké, že odpovídá vodní stěně, která je vysoká jako sedmipatrový dům a valí se rychlostí 2 m/s. Tlak na lopatky rotoru je více než 100 tun. Pokud by nebyla vyvinuta uhlíková vlákna, z nichž jsou lopatky vyrobeny, pak by tato elektrárna nemohla vůbec vzniknout. Elektrárna Sea Gen vyrábí elektřinu od prosince 2008.

Pokud jde o budoucí vývoj tohoto typu slapové elektrárny, pak by maximální velikost rotorů neměla být větší než 24 m. Stavět větší rotory by nebylo rozumné z ekonomických důvodů. Místo toho se doporučuje budovat sérii menších rotorů o optimální velikosti. Počátkem března 2010 byla zveřejněna informace, že společnost Marine Current Turbines získala možnost dodávat slapové elektrárny o výkonu až 100 MW, což je 80krát větší výkon než u elektrárny Sea Gen. V úvahu přicházejí lokality u Orknejských ostrovů a v oblasti silných slapových vod v Pentland Firth mezi Orknejemi a skotskou pevninou. V těchto oblastech mají příležitost i dvě další společnosti, které chtějí využívat slapovou energii a pět společností zabývajících se využíváním energie mořských vln. Projekt Sea Gen však naráží na protesty ekologů, kteří vyjadřují obavy, že velké rotory jsou hrozbou pro ploutvonožce /2/.

Saudská Arábie mořské energie

Ve snaze snižovat emise CO₂ britští politici silně prosazují obnovitelné zdroje energie, mimo jiné i energii slapovou. Jedním z velkých projektů je slapová elektrárna v ústí řeky Severn v severním Skotsku, která má mít výkon jako 8 uhelných elektráren a vyžádá si 14 miliard GBP. Tato oblast se považuje za Saudskou Arábii mořské energie. Rozdíl mezi přílivem a odlivem je zde až 13 m. V lednu 2009 britská vláda oznámila, že hodlá pokračovat v projektu, který byl poprvé zmiňován již před 35 lety. Nejpravděpodobnější variantou bude vybudování přehradní hráze v délce 16 km. V úvahu přichází rovněž výstavba 4 menších hrází. Při přílivu se propustě v hrázích otevřou, aby voda mohla pronikat dovnitř území o rozloze 400 km². Až příliv dosáhne svého vrcholu, propustě se uzavřou a voda bude nucena proudit zpět přes turbíny. Teoretický špičkový výkon bude 8 600 MW, což bude představovat 5 % celkové spotřeby elektřiny ve Spojeném království. Životnost elektrárny se plánuje na 100 let, což je trojnásobná životnost konvenčních elektráren. V částech ústí řeky uzavřené hrází bude hladina po odlivu o 5 m vyšší než dříve, což by znamenalo trvalé zatopení oblasti, včetně 190 km² území, které je v zimním období domovem 70 000 ptáků. Hráz by rovněž mohla tvořit bariéru pro migraci úhořů a lososů. V roce 2007 uspěl názor, že pokud se podaří ptákům vytvořit alternativní životní prostředí, pak by hráz měla být vybudována. Jedním z důvodů rozhodnutí bylo, že možnost snížit emise CO₂ převýší určité nevýhody pro životní prostředí. To ale vyvolalo velké rozhořčení mezi ekology /3/.

Mínusy využití slapové energie

Ne všichni jsou zastánci využívání slapové energie. Jedním z kritiků je Hans van Haren z Královského institutu pro výzkum moře se sídlem Den Burgu. Podle něj je prakticky reálné využít jen malé množství slapové energie, a to při devastujících účincích na oceánský ekosystém.

Slapová energie vytvářená Měsícem a Sluncem představuje výkon asi 3,5 TW. To se sice zdá jako velký výkon, ale ve skutečnosti je to jen asi 20 % globálního výkonu elektráren. Přitom lze z tohoto výkonu využít jen část.

Aby se využití slapové energie vyplatilo, musí být rychlost proudění nejméně 1,2 m/s. To vylučuje ze hry velký počet lokalit, které se nacházejí na otevřeném oceánu, kde je proudění příliš slabé – menší než 0,1 m/s. Ve skutečnosti existuje ve světě jen asi 20 vhodných lokalit, včetně severního Skotska a ústí řeky Severn. Ty jsou ale zdrojem živin pro mořské živočichy a místem tření ryb. V uvedených dvaceti lokalitách by bylo možné získat výkon menší než 100 GW a přitom je sporné, zda by bylo jeho využití efektivní.

Nepříznivé jsou dosud i zkušenosti s přehrazováním míst a s provozovanými podvodními turbínami. Navíc, při průchodu turbínami zahyne až 80 % ryb. Změny proudění rovněž ovlivňují zásobování živinami a mění ekologii života v ústí řek. Příliv a odliv jsou nepostradatelnou součástí života v mělkých mořích. Bez nich by se život v oceánech zastavil.

Elektromagnetický způsob využití slapové energie – Takedovy technologie

V červnu 1992 byl v Japonsku spuštěn na vodu prototyp kataramánu Yamato1, který byl poháněn místo lodního šroubu elektromagnetickým motorem. Ukázalo se, že tichý elektromagnetický motor se supravodivými magnety by umožnil stavět novou generaci rychlých nákladních lodí. Zkoušky ale ukázaly, že elektromagnetický pohon je velmi neefektivní a vyžaduje velkou spotřebu elektřiny. Dnes tento katamarán odpočívá téměř zapomenut v námořním muzeu v Kobe.

Výzkumné a vývojové úsilí však nebylo zbytečné. Zařízení s elektromagnetickým motorem totiž může posloužit i k energetickému využití slapových proudů. Vzhledem k tomu, že zařízení nemá pohyblivé části, mohlo by být ve srovnání s podvodními turbínami trvanlivější a spolehlivější. Japonský vědec Minoru Takeda z univerzity v Kobe však přiznává, že nová technologie bude vyžadovat dlouhodobý výzkum a vývoj. Jeho prototypové zařízení má výkon pouhého zlomku wattu. Vědec však věří tomu, že v budoucnosti bude lidstvo získávat energii ze slapových proudů v ústí řek nebo v úzkých kanálech pomocí řady elektromagnetických generátorů ukotvených na mořském dně.

Princip

Z teoretického hlediska není elektromagnetický generátor nic nového. V 19. století nizozemský fyzik Hendrick Lorentz ukázal, že pokud se drát umístí horizontálně do vertikálního magnetického pole a nechá se jím procházet elektrický proud, pak na drát působí svislá síla kolmá jak na magnetické pole, tak na proud. Jestliže se místo drátu použije vodivá kapalina, může být tato „Lorentzova síla“ použita k vytvoření čerpadla. Vědci tento jev zkoumali v 50. letech při přepravě vodivých kapalin jako jsou krev nebo tekuté kovy, které jsou buď příliš křehké, nebo korozivní na to, aby byly přepravovány konvenčními čerpadly. Protože elektromagnetický pohon je příliš složitý a drahý pro pohon lodí, Takeda přehodnotil směr bádání a snažil se chod zařízení obrátit. Pokud by vodivá mořská voda byla nucena procházet potrubím, pak by na elektrodách vznikalo malé napětí. Kdyby byl slapový proud dostatečně silný, zařízení by se stalo generátorem elektřiny. K ověření této možnosti byl vytvořen počítačový model. Ten ukázal, že průtok mořské vody v množství 11 litrů za sekundu šroubovicovým potrubím v magnetickém poli 6 Tesla by na elektrodách vytvářel napětí 1,2 V o proudu okolo 0,1 A. K ověření výpočtů byl zkonstruován prototyp zařízení, kterým protékala mořská voda, a měřil se výsledný elektrický proud. Výsledky byly zveřejněny v roce 2006. Zařízení produkovalo proud 0,1 A. Takeda se domnívá, že tento proud lze zvyšovat, přičemž desetinásobné zvětšení zařízení by mohlo zvýšit jeho výkon až stokrát.

Jak elektřinu dostat na břeh

Pokud by byla umístěna celá řada generátorů v oblasti se silnými vodními proudy, mohla by tato technologie významně přispět k výrobě elektřiny. Jedním z problémů ale je doprava elektřiny. Nejvhodnějším řešením by mohlo být využití elektřiny přímo na místě, například k výrobě vodíku a k jeho následnému využití v palivových článcích.

Velkou výzvou zatím zůstává výroba výkonných supravodivých magnetů a také potřeba zkapalněného hélia k jejich chlazení. Zkapalňování hélia je pro běžný průmysl přece jen technicky náročné a drahé. Ani v této oblasti se však vývoj nezastavil. Japonská společnost IHI vyvíjí lodní motor, který využívá „vysokoteplotní“ supravodivý vodič na bázi vizmutu, kterému stačí k ochlazování kapalný dusík.

Elektromagnetické generátory mají oproti jiným zařízením využívajícím slapovou energii několik výhod. Jednou z nich je robustnost. Moře totiž představuje pro stroje velmi nepřátelské prostředí, jako jsou silné vodní proudy a elektrochemická koroze. Další problém představuje kavitace, způsobující důlkovou korozi lopatek. Protože Takedův generátor má málo pohyblivých částí, lépe odolává opotřebení a představuje i menší rizika pro mořské živočichy. Proto Takeda plánuje postavit zařízení v plném měřítku a odzkoušet ho v mělkých vodách u pobřeží Kobe. Dobrou zprávou pro budoucnost projetu je, že Takedovy technologie získávají dodatečnou podporu a že japonská vláda oznámila plány na omezování emisí CO₂ do roku 2050 o 80 %.

Prameny:

/1/ Jason Palmer: The tide is turning. New Scientist, 2008, č. 2677, s. 35‑37

/2/ New Scientist, 2010, č. 2753, s. 54‑55

/3/ Fred Pearce: Lose it or build 8 power stations. New Scientist, 2009, č.2704, s. 33‑35

/4/ Hans van Haren: Tidal power? No, thanks. New Scientist, 2010, č. 2754, s. 20‑21

/5/ David McNeill, Miguel A. Quintana: Tidal power with a twist. New Scientist, 2008, č. 2663, s. 40‑43

Weby

Stránka o přílivových elektrárnách: http://www.rise.org.au/info/Tech/tidal/index.html

Vrtule Sea Gen:
http://www.seageneration.co.uk/default.asp
dole na stránce, copyright © Mercator Media 2010