Κυματική ενέργεια: Το outsider των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας που θα κάνει τη διαφορά;

Αν και δεν συγκαταλέγεται στις χαρακτηριστικές και διαδεδομένες περιπτώσεις των Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (ΑΠΕ), η κυματική δραστηριότητα αποτελεί βιώσιμη και ανεξάντλητη πηγή ενέργειας. Στην Ελλάδα ακόμα δεν υπάρχει το απαραίτητο νομικό πλαίσιο για τις εγκαταστάσεις εκμετάλλευσης κυματικού δυναμικού, εκτιμάται όμως πως πιθανά η εφαρμογή και η εξέλιξή τους θα μας απασχολήσουν στο άμεσο μέλλον.
Το κυματικό δυναμικό (μονάδες μέτρησης: kW/m) εξαρτάται κυρίως από το ύψος κύματος και δευτερευόντως από την περίοδο. Στην πράξη, λόγω της περιπλοκότητας του θαλασσίου περιβάλλοντος, η περιγραφή και η πρόγνωση των θαλάσσιων κυμάτων δεν είναι τόσο απλή, ενώ αξίζει να σημειωθεί ότι η Μεσόγειος χαρακτηρίζεται από χαμηλότερο ενεργειακό δυναμικό σε σχέση με περιοχές του Ατλαντικού και της Βόρειας Θάλασσας.

Τα τελευταία χρόνια ένας σχετικά μικρός αριθμός συσκευών έχει φθάσει σε πειραματικό στάδιο κάτω από πραγματικές συνθήκες (π.χ. Pico island – Πορτογαλία, Eco Wave Power – Ισραήλ, BiMEP – Ισπανία). Η έλλειψη μακροχρόνιας λειτουργικής εμπειρίας, ειδικά στη Μεσόγειο, έχει ως συνέπεια το σχετικά μειωμένο επιχειρηματικό ενδιαφέρον.
Αξίζει να σημειωθεί ότι η εγκατάσταση ενός κυματικού μετατροπέα δεν θα πρέπει να περιοριστεί μόνο σε περιοχές με υψηλό δυναμικό. Για την ακρίβεια, συνθήκες εξαιρετικά υψηλού δυναμικού ενδέχεται να συνοδεύονται από περιορισμένη διαθεσιμότητα χρόνου για τις απαραίτητες εργασίες συντήρησης και υψηλή συχνότητα ακραίων φαινομένων, επηρεάζοντας αρνητικά τη λειτουργία και εξέλιξη αυτών των συστημάτων.

Κατηγορίες συσκευών
Οι τρεις πιο διαδεδομένες κατηγορίες συσκευών εκμετάλλευσης κυματικού δυναμικού είναι οι εξής:
1.Συσκευές παρόμοιες με τα υδροηλεκτρικά έργα (over-topping), στα οποία και διαθέτουμε μεγάλη εμπειρία στη χώρα μας. Το κύμα υπερπηδά τη συσκευή και μέσω ενός ρεζερβουάρ ρέει προς τα κάτω κινώντας περιστροφικά έναν στρόβιλο. Σε αυτού του τύπου τις συσκευές υπάρχει κίνδυνος διάβρωσης του στρoβίλου (τουρμπίνας).
2.Συσκευές τύπου παλλόμενης υδάτινης στήλης (oscillating water column). Πρόκειται για τον πιο διαδομένο και εξελιγμένο τύπο κυματικού μετατροπέα. Το σύστημα αυτό είναι αρκετά απλό, περιλαμβάνει έναν θάλαμο αέρα. Καθώς τα κύματα επιδρούν στην κατασκευή, ο αέρας μέσα στο θάλαμο συμπιέζεται, κινητοποιώντας έναν αεροστρόβιλο που μετατρέπει τη ροή του αέρα σε ηλεκτρική ενέργεια. Ένα από τα βασικά του πλεονεκτήματα είναι πως οι αεροστρόβιλοι είναι έξω από το νερό, καθιστώντας τη συντήρησή τους πιο εύκολη, ενώ δεν συντρέχει κίνδυνος διάβρωσης.

3.Σημειακοί απορροφητήρες (point absorbers): οι διαστάσεις αυτών των συσκευών είναι σχετικά μικρές σε σχέση με το μήκος του κύματος. Πολλές διαφορετικές τεχνολογίες εμπίπτουν σε αυτή την κατηγορία. Σε μια από τις πιο διαδεδομένες εξ’ αυτών, τα κύματα κινούν έναν βραχίονα ο οποίος με τη σειρά του κινεί ένα έμβολο συμπιέζοντας υδραυλικό υγρό. Ένας συσσωρευτής αποθηκεύει το συμπιεσμένο υγρό. Όταν αυτό εκτονωθεί, η δυναμική ενέργεια μετατρέπεται σε περιστροφική ενέργεια μέσω υδραυλικού στροβίλου (ο άξονας του υδραυλικού στροβίλου συνδέεται με μια ηλεκτρική γεννήτρια). Τέλος, το υδραυλικό υγρό επιστρέφει σε δεξαμενή χαμηλής πίεσης, όπου παραμένει μέχρι το επόμενο κύμα. Μια άλλη περίπτωση σημειακών απορροφητήρων είναι αυτή των βυθισμένων σημαντήρων. Οι σημαντήρες ενεργοποιούν αντλίες που πιέζουν το θαλασσινό νερό που μεταφέρεται στην ξηρά μέσω υποθαλάσσιου αγωγού. Το θαλασσινό νερό υψηλής πίεσης μόλις φθάσει στην ξηρά χρησιμοποιείται για την περιστροφή υδροηλεκτρικών στροβίλων, παράγοντας ηλεκτρική ενέργεια.
Οι συσκευές και των τριών παραπάνω κατηγοριών μπορούν είτε να ενσωματωθούν σε ήδη υπάρχοντες κυματοθραύστες ή να εγκατασταθούν σε βαθύτερα νερά ( εώς 100 m), σε πλωτή μορφή. Στην τελευταία περίπτωση όμως απαιτείται ένα αξιόπιστο σύστημα πρόσδεσης.

Κυματικό δυναμικό
Το πρώτο βήμα για την επιλογή κατάλληλων περιοχών για την εγκατάσταση συσκευών εκμετάλλευσης κυματικού δυναμικού είναι η κατανόηση των κυματικών συνθηκών και η εκτίμηση του αξιοποιήσιμου δυναμικού. Η διαδικασία εκτίμησης κυματικού δυναμικού μπορεί να γίνει κάνοντας χρήση αποτελεσμάτων αριθμητικών μοντέλων που ωφελούνται από τη χρήση in situ δεδομένων πλωτήρων (βλ. σύστημα “ΠΟΣΕΙΔΩΝ”, ΕΛΚΕΘΕ) καθώς και από τη χρήση δεδομένων δορυφορικής αλτιμετρίας. Ιδανικά τέτοιου τύπου αναλύσεις θα πρέπει να καλύπτουν όσο το δυνατόν περισσότερα χρόνια. Οι μέσες ετήσιες τιμές μπορεί να είναι παραπλανητικές για τέτοιου είδους εφαρμογές, καθώς ενδέχεται να είναι αποτέλεσμα υψηλών επιπέδων ενέργειας (π.χ. κατά τους χειμερινούς μήνες που να μην είναι αξιοποιήσιμες και να έχουν καταστροφικές συνέπειες για τις εγκαταστάσεις) και χρονικές περιόδους με χαμηλό/μη αξιοποιήσιμο κυματικό δυναμικό (π.χ. θερινούς μήνες). Για αυτό το λόγο προτιμάται η διερεύνηση του δυναμικού ανά εποχή.
Γενικά, στις ελληνικές θάλασσες, οι χαμηλότερες τιμές δυναμικού συναντώνται κατά τους θερινούς μήνες. Την ίδια περίοδο, τα μελτέμια («ετησίες») ευθύνονται για την αύξηση του δυναμικού στο κεντρικό και ΝΑ Αιγαίο. Οι υψηλότερες μέσες τιμές κυματικού δυναμικού εντοπίζονται Ανατολικά, Δυτικά, ΝΑ, και ΝΔ της Κρήτης. Ωστόσο, τα μεγάλα βάθη που συναντώνται σε αυτές τις περιοχές σε συνδυασμό με την απόσταση από την ακτή, καθιστούν αυτές τις περιοχές ακατάλληλες για περαιτέρω διερεύνηση. Ικανοποιητικό και προσβάσιμο όμως είναι το κυματικό δυναμικό σε άλλες περιοχές (π.χ. Β. Κρήτη, Κάσος, Μύκονος, Νάξος, Τήνος,).

Αναφορικά με τις Βόρειες Σποράδες, το κυματικό δυναμικό είναι αρκετά χαμηλό, αυτό όμως δεν σημαίνει πως δεν είναι και αξιοποιήσιμο. Εάν επιθυμούμε για αρχή να αξιοποιήσουμε τους ήδη υπάρχοντες κυματοθραύστες (παίρνοντας σαν παράδειγμα την Κρήτη, HERAKLION project, SINN power) για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας από τα κύματα, μέσω της προσαρμογής τους και ενσωμάτωσης κυματικών μετατροπέων, θα πρέπει να περιοριστούμε σε κυματοθραύστες με συγκεκριμένο προσανατολισμό, καθώς οι άνεμοι και τα κύματα υψηλότερης έντασης είναι Βόρεια ή/και ΒΔ, ΒΑ (όπως προκύπτει και από τα ροδογράμματα παρατηρήσεων, π.χ. Σκύρος 2007 – 2012). Ωστόσο, αυτή η προυπόθεση φαίνεται να πληρείται σε πολύ περιορισμένο αριθμό περιοχών (π.χ. Ηράκλειο, Ρέθυμνο), μη συμπεριλαμβανομένων σε αυτές περιοχών της Θεσσαλίας.
Εάν χρησιμοποιηθούν πλωτές συσκευές, η ευελιξία είναι πολύ μεγαλύτερη, ωστόσο στην περίπτωση των σημειακών απορροφητήρων αλλά και των πλωτών συσκευών παλλόμενης υδάτινης στήλης, οι διαθέσιμες τεχνολογίες θα πρέπει να προσαρμοστούν (καθώς έχουν προταθεί κυρίως για να ανταποκρίνονται σε κυματικές συνθήκες του Ατλαντικού).
Για την ακρίβεια, μείωση των διαστάσεων τους και βελτιστοποίηση του σχήματός τους θα έχει ως αποτέλεσμα η ιδιοσυχνότητα της συσκευής να ταιριάζει με την επικρατέστερη συχνότητα των εισερχόμενων κυμάτων. Σε αυτές τις περιοχές (χαμηλού δυναμικού) και με τις απαραίτητες προσαρμογές δεν αναμένεται μεγάλη παραγωγή ενέργειας. Ωστόσο, είναι μια καλή ευκαιρία να «σκεφτούμε έξω από το κουτί», και πέρα από τις πρακτικές μαζικής παραγωγή ενέργειας.
Οι κυματικοί μετατροπείς χαμηλής ισχύος μπορεί να αποδειχθούν εξαιρετικά χρήσιμοι για την κάλυψη αναγκών όπως είναι η ηλεκτροδότηση συστημάτων αφαλάτωσης σε νησιά και/ή απομονωμένες περιοχές, η ηλεκτροδότηση ωκεανογραφικού εξοπλισμού, αλλά και να συμβάλλουν στη λειτουργία καινοτόμων συστημάτων συλλογής πλαστικών αποβλήτων. Τέτοιου τύπου δράσεις/συνέργειες, εκτιμάται πως θα ενισχύσουν τον τόπο δημιουργώντας νέες θέσεις εργασίας σχετιζόμενες με την καινοτομία, ωφελώντας έμμεσα/παράλληλα την έρευνα που σχετίζεται με την ορθή και ασφαλή λειτουργία των θαλάσσιων προστατευόμενων περιοχών (π.χ. Εθνικό Θαλάσσιο Πάρκο Αλοννήσου/Βορείων Σποράδων).
Βάσει των παραπάνω, ο ρόλος των ωκεανογράφων και των περιβαλλοντικών επιστημόνων γίνεται όλο και πιο σημαντικός. Αντίστοιχα, η διαθεσιμότητα κυματικών δεδομένων αναδρομικής ανάλυσης αλλά και κυματικών προγνώσεων σε πραγματικό χρόνο από τις υπάρχουσες ερευνητικές υποδομές είναι απαραίτητη για την σωστή εφαρμογή νέων πρακτικών στο θαλάσσιο περιβάλλον.

Πηγές:
Σύστημα Ποσειδών: Σύστημα παρακολούθησης, πρόγνωσης, και πληροφόρησης για την κατάσταση των ελληνικών θαλασσών https://poseidon.hcmr.gr/el
McLeod, I. and Ringwood, J. (2022). Powering data buoys using wave energy: a review of possibilities. Journal of Ocean Engineering and Marine Energy, 8, 417 – 432, https://doi.org/10.1007/s40722-022-00240-3
Oikonomou C. (2018). Numerical hydrodynamic analysis of wave energy converter arrays with inter-body mooring connections with the spar-buoy OWC as a case study, Doctoral thesis, Lancaster University, https://doi.org/10.17635/lancaster/thesis/654
Oikonomou, C.L.G., Gomes, R.P.F. and Gato, L.M.C. (2021). Unveiling the potential of using a spar-buoy oscillating-water-column wave energy converter for low-power stand-alone applications. Applied Energy, 292, 116835. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2021.116835

*Η Λίλυ Οικονόμου είναι Δρ Κυματικής Ενέργειας Πανεπιστημίου του Λάνκαστερ, επιστημονική συνεργάτης ΕΛΚΕΘΕ, πρόεδρος Συλλόγου Πτυχιούχων Ωκεανογράφων και Θαλασσίων Βιοεπιστημόνων Ελλάδας

e-thessalia.gr