Gyroskooppinen aaltoenergia – Hyödyntämättömän meren voiman valjastaminen

Noin 70 % Maan pinnasta on merien peitossa, mikä tarjoaa valtavan uusiutuvan energian lähteen. Sen potentiaali on massiivinen – niin suuri, että aaltoenergian yksin arvioidaan ylittävän nykyisen maailmanlaajuisen sähkönkulutuksen, jos se saataisiin täysin hyödynnettyä.

Se on kuitenkin suurelta osin hyödyntämätön uusiutuva lähde, sillä meriaaltojen energian tehokas hyödyntäminen on pitkään turhauttanut insinöörejä.

Ongelman ratkaisemiseksi uusi tutkimus Osakan yliopistosta on kääntynyt uudenlaiseen menetelmään: gyroskooppiseen aaltoenergian muuntimeen (GWEC), joka käyttää kelluvassa rakenteessa pyörivää vauhtipyörää muuntaakseen aaltoliikkeen sähköksi.

Tutkimusanalyysi paljastaa, että periaatteessa tämä laite voi imeä jopa puolet saapuvasta aaltoenergiasta millä tahansa aaltotaajuudella, tarjoten tien valtavan, hyödyntämättömän merienergian hyödyntämiseen.

Maailmanlaajuinen sähköntuotanto: Uusiutuvat kasvavat, fossiiliset johtavat edelleen

Kun ilmastonmuutos aiheuttaa tuhoa ympäri maailmaa, on välttämätöntä siirtyä pois fossiilisista polttoaineista – uusiutumattomista energialähteistä, jotka muodostuvat miljoonien vuosien aikana ja aiheuttavat merkittäviä ympäristöongelmia.

Yksi tehokkaimmista tavoista vähentää riippuvuutta näistä fossiilisista polttoaineista on uusiutuvien energialähteiden, kuten aurinko-, tuuli-, vesivoima-, geotermisen energian ja biomassan, kautta.

Nämä luonnostaan uusiutuvat lähteet vähentävät kasvihuonekaasupäästöjä, lisäävät kansakunnan energiaturvallisuutta ja vähentävät alttiutta geopoliittisille häiriöille. Näiden hyötyjen ansiosta uusiutuvat energialähteet muodostavat nyt kasvavan osan maailmanlaajuisesta sähköntuotannosta. Vuonna 2024 ne tuottivat ennätykselliset 32 % maailman sähköntuotannosta, mikä on 2 % enemmän kuin edellisenä vuonna, kun kokonaissähkön kysyntä kasvoi 4 % datakeskusten vetämänä.

“Maat ajattelevat turvallisuuttaan ja energiaturvallisuuttaan enemmän kuin koskaan, ja uskon, että se tarkoittaa, että kotimainen uusiutuva energia, kuten tuuli ja aurinko, tulee yhä houkuttelevammaksi.”

– Energia-ajatuspaja Emberin sähkö- ja data-analyytikko Euan Graham kertoi Reutersille viime vuonna

Vaikka uusiutuvan energian teollisuus toi järjestelmään 858 TWh lisää tuotantoa vuonna 2024, fossiiliset polttoaineet, mukaan lukien hiili, öljy ja maakaasu, tuottavat edelleen suurimman osan maailman energiantarpeesta. Hiili on tällä hetkellä suurin sähköntuotannon lähde, mikä vastaa 34 % maailmanlaajuisesta sähköntuotannosta, kun taas kaasuvoimalat vastaavat 22 %.

Kansainvälisen energiasiirtymän (IEA) ennusteiden mukaan uusiutuvan energian kapasiteetti kasvaa lähes 4 600 GW vuosien 2025 ja 2030 välillä.

Kaikkien uusiutuvien lähteiden joukossa aurinkoenergia on kasvavassa vauhdissa kustannusten laskiessa ja käyttöönoton kiihtyessä maailmanlaajuisesti. Tuulivoiman kapasiteetti kasvaa myös nopeasti, kun taas vesivoima on edelleen suurin, pitkäaikainen uusiutuva energian tuottaja. Bioenergian osalta se on alkanut saada jalansijaa, ja geoterminen energia on keräämässä yrityskumppanuuksia. Energian tulevaisuus näyttää yhä vihreämmältä.

Meren hyödyntämättömän potentiaalin valjastaminen

Uusiutuvan energian kentässä merivoima tarjoaa valtavan maailmanlaajuisen resurssipotentiaalin. Se merkitsee energian hyödyntämistä merilähteistä, mukaan lukien aallot, vuorovedet, meren lämpöenergian muunnos (OTEC) ja merivirrat. Vuoroveden energia hyödyntää ennustettavia vuoroveden virtauksia, OTEC käyttää syvänmeren veden lämpötilaeroja ja merivirrat hyödyntävät energiaa suurista merivirroista.

Laajimmin tutkittu merienergian muoto on aaltoenergia, joka muuntaa aaltojen liike-energian sähköksi. Aallot ovat runsaita, voimakkaita ja jatkuvia. Ne ovat myös vähemmän epäsäännöllisiä kuin tuuli tai aurinko. Tämä korkea ennustettavuus tarkoittaa, että pinnan aaltoliikettä voidaan hyödyntää ympäri vuorokauden, mikä on erittäin hyödyllistä sähköverkon suunnittelun ja vakauden parantamiseksi.

Tätä nollapäästöistä energialähdettä on otettu rajoitetusti kaupalliseen käyttöön, paljon vähemmän kuin kypsiä uusiutuvia lähteitä, kuten aurinkoenergiaa. Se edustaa tällä hetkellä pienintä osaa uusiutuvan energian markkinoista. Vuonna 2024 maailma lisäsi 1,6 megawattia (MW) merivoiman kapasiteettia, mikä nosti kokonaistoiminnassa olevan kapasiteetin noin 513 MW:iin.

Tähän hitaaseen käyttöönottoon vaikuttavat useat tekijät, kuten korkeat pääomakustannukset, sijaintikohtaiset rajoitteet ja teknologiset esteet, kuten verkkoyhdistäminen. Työvoiman taidot ja sääntelyn epävarmuus estävät myös edistymistä koko sektorilla. Lisäksi laitteiden huolto ankarissa meriolosuhteissa on merkittävä haaste energianmuunnoksen tehokkuuden ohella.

Tämän seurauksena tutkijat sekä akateemisessa maailmassa että teollisuudessa jatkavat työtään näiden järjestelmien parantamiseksi, tehdäkseen niistä kestävämpiä ja paremmin kykenemään käsittelemään aaltojen epäsäännöllisyyttä. Yksi sellainen järjestelmä, joka on herättänyt kiinnostusta, on aaltoenergian muunnin (WEC), laite, joka muuntaa aaltojen liike-energian sähköksi.

Useat innovaattorit työskentelevät tämän teknologian edistämiseksi. Esimerkiksi ruotsalainen yritys CorPower Ocean teki yhteistyötä norjalaisen OPS Solutionsin kanssa COMPACT-hankkeen kautta vähentääkseen WEC-laitteiden kustannuksia ja massaa kehittämällä esijännitetyn sylinterin (PTC) prototyypin. EEA Grants -ohjelman “Blue Growth Programme” -tukemana hanke kehittää kevyttä painekoteloa pääomakustannusten ja laitteiden kestävyyden ratkaisemiseksi.

Samalla kehittäjät ovat saavuttaneet mitattavia suorituskykyparannuksia. Norjalainen yritys Havkraft raportoi yli 80 %:n energianmuunnosnopeudesta viimeisimmässä laboratoriotestissään pienoismallisesta WEC-mallista, mikä on 15 %:n parannus aiempiin kokeiluihin verrattuna. Tämä askel mahdollistaa riskien tunnistamisen, laadun varmistamisen ja suorituskyvyn ymmärtämisen, mikä auttaa heitä skaalautumaan kohti kaupallistamista.

“Tulokset osoittavat, että tutkimuksemme tuottaa tulosta, ja olemme yhden askeleen lähempänä kaupallista ratkaisua.”

– Operatiivinen johtaja Nikolai Haldane

Samaan aikaan Skotlannissa AWS Ocean Energy on edistänyt “Archimedes Waveswing” -laitettaan, paineella aktivoitua merenalaisesti kelluvaa poijua, joka on suunniteltu muuntamaan aaltoliike pinnan alla. Laite tallensi keskimääräistä yli 10 kW:n tehoa ja huipputehoa yli 80 kW:n kohtalaisissa aalto-olosuhteissa, mikä on 20 % korkeampi kuin yrityksen odotukset.

Seitsemän metriä korkea upotettu yksikkö on suunniteltu kestämään ankarat meriolosuhteet, mukaan lukien 10 voimakkuuden myrskyt. Sen yksittäisen absorboijan suunnittelu tekee siitä myös sopivan kaukaisiin sähkönsyöttösovelluksiin, joissa kestävyys on välttämätöntä.

Teknologisen suorituskyvyn lisäksi laajempi järjestelmän integrointi on keräämässä huomiota. Viimeaikainen toteutettavuustutkimus viittaa siihen¹, että WEC-laitteiden käyttöönotto ei tarvitse tapahtua rannikkotoimintojen, kuten matkailun tai kalastuksen, kustannuksella. Itse asiassa asianmukaisesti suunnitellut laitokset voivat tarjota rannikkosuojelua.

“On mahdollista suojata rannikkoa meriympäristön vaikutuksilta ja samalla tuottaa puhdasta sähköä, tukien siten Portugalin energiasiirtymää ja omavaraisuutta.”

– Paulo Rosa Santos, CIIMARin yhteisjohtaja

Nämä edistysaskeleet heijastavat sektoria, joka on siirtymässä kokeellisista prototyypeistä kohti käytännön ratkaisuja.

Maksimaalisen energian imeyttäminen gyroskooppien avulla

Aaltoenergialaitteiden (WEC) tavoitteena on muuntaa jatkuva aaltoliike tehokkaasti käyttökelpoiseksi sähköksi. Kansallisten innovaatioaloitteiden, teknisten edistysaskeleiden ja paikallisen infrastruktuurin integroinnin vetämänä maailmanlaajuisen aaltoenergian muuntimen markkinoiden ennustetaan kasvavan 21,6 miljoonasta dollarista vuonna 2025 38,2 miljoonaan dollariin vuonna 2034, 6,5 %:n vuosikasvuvauhdilla (CAGR).

WEC-laitte