Energia marină: maree, curenți, valuri și OTEC

Energia marină, numită și energia oceanelor, cuprinde tehnologiile care extrag energie din mișcarea, temperatura sau salinitatea apei de mare: maree, curenți de maree, valuri, gradienți termici și amestecul apei dulci cu cea sărată. Pe hârtie, resursa e uriașă. Raportul special IPCC despre sursele regenerabile de energie (Special Report on Renewable Energy Sources, 2011) estima potențialul teoretic global la câteva mii până la zeci de mii de TWh pe an doar pentru valuri și energia termică, iar mareele sunt printre cele mai previzibile fluxuri de energie de pe Pământ. În practică, sectorul e minuscul. În lume funcționează circa 0,5 GW, care produc în jur de 1 TWh pe an, sub 0,01% din electricitatea mondială, iar două baraje mareomotrice asigură aproape tot. Mai jos trecem prin fiecare tehnologie, explicăm de ce progresul a fost lent și arătăm unde au ajuns costurile și instalările.

Cum funcționează energia marină

Toate tehnologiile marine au aceeași problemă inginerească: marea e un mediu ostil. Echipamentele trebuie să reziste la sarcini extreme din valuri, la coroziunea apei sărate, la depunerile biologice și la furtuni, iar instalarea și mentenanța depind de ferestre scurte de vreme bună și de nave specializate. Fizica din spatele fiecărei tehnologii este însă diferită.

Amplitudinea mareelor (baraje și lagune)

Energia amplitudinii mareelor este, practic, hidroenergie cu cădere mică. Un baraj peste un estuar sau un dig de lagună în larg reține apa la flux. După ce nivelul mării de afară a scăzut cu câțiva metri, apa curge înapoi prin turbine bulb de cădere mică. Unele centrale produc și la flux (generare în ambele sensuri) sau pompează apă la flux ca să mărească căderea. Energia disponibilă pe maree crește cu pătratul amplitudinii, așa că merită exploatate doar locurile cu maree foarte mari, în general de peste circa 5 m.

Centralele reale recuperează doar o parte din valoarea teoretică, de regulă o treime sau mai puțin. Turbinele nu pot funcționa pe toată plaja de cădere, iar exploatarea trebuie să respecte limitele impuse de navigație și ecologie. Calculatorul de energie a mareelor estimează producția pentru ambele abordări.

Curenți de maree

Turbinele pe curenți de maree stau în curenții rapizi din strâmtori și din dreptul promontoriilor, unde viteza maximă depășește frecvent 2–2,5 m/s. Apa de mare este de circa 840 de ori mai densă decât aerul, așa că o turbină de maree are nevoie de un rotor mult mai mic decât o turbină eoliană pentru aceeași putere. Un curent de 2,5 m/s are aproximativ densitatea de putere a unui vânt de circa 24 m/s. Legea cubului și limita lui Betz se aplică exact ca la energia eoliană. Printre modele se numără turbinele cu ax orizontal fixate pe fundul mării, platformele plutitoare cu turbine suspendate dedesubt (cum este O2 de 2 MW al Orbital Marine Power) și dispozitivele de tip zmeu care „zboară” prin curent.

Energia valurilor

Convertoarele de energie a valurilor captează mișcarea valurilor de suprafață, care își iau energia din vântul care bate pe întinderi mari de ocean. Cele mai bune resurse, adesea 40–70 kW pe metru de front de val, se află pe coastele orientate spre vest de la latitudini medii și mari: Scoția, Irlanda, Portugalia, Chile, sudul Australiei și nord-vestul SUA, la Pacific. Densitatea de putere a valurilor e proporțională cu pătratul înălțimii valului și cu perioada lui. Eolianul s-a oprit la turbina cu trei pale; energia valurilor nu a ajuns la un model unic:

• Absorbanți punctuali: geamanduri a căror mișcare în sus și în jos antrenează un generator hidraulic sau electric liniar.
• Coloane de apă oscilante (OWC): o cameră parțial scufundată în care valurile comprimă și decomprimă aerul, care pune în mișcare o turbină de aer. Centrala din digul de la Mutriku, în Spania (circa 0,3 MW), funcționează din 2011.
• Atenuatoare: structuri plutitoare lungi, articulate, care se îndoaie la trecerea valurilor, ca dispozitivul Pelamis.
• Convertoare cu clapetă oscilantă: clapete articulate pe fundul mării, aproape de țărm, împinse încoace și încolo de valuri, ca Oyster de la Aquamarine.
• Dispozitive cu deversare: valurile se revarsă într-un rezervor ridicat, iar apa se scurge înapoi prin turbine de cădere mică.

Conversia energiei termice a oceanului

OTEC pune în funcțiune un motor termic între apa caldă de suprafață din tropice și apa rece pompată de la circa 1.000 m. Sistemele în ciclu închis fierb un fluid de lucru, de exemplu amoniacul. Sistemele în ciclu deschis transformă apa de mare caldă în abur de joasă presiune și pot produce, pe lângă energie, apă desalinizată. Cu o diferență de temperatură de doar circa 20–24 °C, randamentul Carnot este de circa 7%, iar randamentul net după pompare de aproximativ 2–3%, așa că centralele au nevoie de debite de apă și conducte de apă rece foarte mari. Centrale demonstrative de circa 100 kW funcționează în Hawaii (Makai Ocean Engineering) și în Okinawa, Japonia. OTEC atrage mai ales insulele tropicale care depind de generatoare diesel scumpe.

Gradientul de salinitate

Acolo unde apa râurilor se întâlnește cu marea, diferența de concentrație a sării poate fi transformată în electricitate. Osmoza cu presiune întârziată lasă apa dulce să treacă prin membrane în apa de mare sub presiune; electrodializa inversă folosește membrane selective la ioni ca să creeze o tensiune. Statkraft a operat un mic prototip osmotic la Tofte, în Norvegia, între 2009 și 2013, apoi a concluzionat că membranele erau prea slabe pentru uz comercial. Tehnologia este încă la nivel de laborator și de proiect pilot.

Proiecte importante

Propunerile mai mari pe amplitudinea mareelor din Regatul Unit, inclusiv barajul Severn (circa 8,6 GW) și laguna Swansea Bay (320 MW), au fost respinse în mod repetat din motive de cost și de mediu.

Randament și factor de capacitate

Turbinele pe curenți de maree ating de obicei un coeficient de putere de 0,35–0,45 și un factor de capacitate de circa 25–45%, în funcție de cum e aleasă puterea nominală față de viteza maximă a curentului. Turbinele MeyGen au raportat în anii buni o disponibilitate de peste 90%. Barajele mareomotrice funcționează la circa 20–30%, pentru că produc doar în parte din fiecare ciclu de maree; La Rance scoate aproximativ 500 GWh pe an din 240 MW, adică circa 24%. Dispozitivele mature pe valuri ar trebui să ajungă la 20–35% în locurile bune, dar puține au funcționat suficient de mult ca să ofere cifre sigure. Pentru că temperatura oceanului este stabilă, OTEC ar putea funcționa în principiu în bandă, cu factori de capacitate de peste 90%.

Marele atu al energiei mareelor este previzibilitatea, nu randamentul. Producția poate fi prognozată cu ani înainte, iar mareele ating vârful la ore diferite de-a lungul unei coaste, așa că amplasamentele răspândite geografic pot netezi producția totală. Rămâne energie regenerabilă variabilă, dar fără erorile de prognoză cauzate de vreme.

Costuri

Energia marină nici nu se apropie de competitivitatea regenerabilelor consacrate, mai ales pentru că s-a construit prea puțin ca să apară efectele de învățare care au scăzut costurile eolianului și solarului. Estimările LCOE publicate variază mult:

• Curenți de maree: aproximativ 0,20–0,45 EUR/kWh pentru actualele grupuri pilot, potrivit IRENA (Innovation Outlook: Ocean Energy Technologies, 2020) și Ocean Energy Europe. Licitațiile britanice pentru contracte pentru diferență au acordat proiectelor pe curenți de maree prețuri de exercitare de circa 178 £/MWh în runda 4 (2022) și de circa 170–200 £/MWh în rundele următoare (toate în prețuri din 2012), de peste trei ori mai mult decât eolianul offshore în aceleași runde.
• Energia valurilor: și mai scumpă, estimată frecvent la 0,30–0,55 EUR/kWh sau mai mult pentru primele grupuri, cu o incertitudine mare.
• Amplitudinea mareelor: barajele și lagunele au un CAPEX inițial foarte mare, dar lucrările hidrotehnice durează 100 de ani, iar costurile de exploatare sunt mici. La Rance și-a acoperit de mult costurile; noile propuneri de lagune au avut greutăți în a demonstra un LCOE competitiv la ratele de actualizare comerciale.
• OTEC: estimările pentru centrale comerciale de 10–100 MW variază enorm, adesea 0,15–0,40 USD/kWh, și nu există nicio centrală la scară comercială care să le confirme.

Planul SET al Comisiei Europene țintește pentru curenții de maree 0,15 EUR/kWh până în 2025 și 0,10 EUR/kWh până în 2030, iar pentru valuri 0,20 EUR/kWh până în 2025 și 0,15 EUR/kWh până în 2030. Atingerea acestor cifre depinde de creșterea puterii instalate cumulate de la zeci la sute de megawați. Calculatorul LCOE îți permite să compari aceste costuri cu alte opțiuni.

Teren, apă și materiale

Dispozitivele marine ocupă spațiu pe mare, nu pe uscat. Grupurile de turbine pe curenți de maree și pe valuri au nevoie de zone de excludere care pot intra în conflict cu navigația, pescuitul și agrementul, deși suprafața pe MW e similară cu cea a eolianului offshore. Barajele și lagunele sunt alt caz: modifică permanent zone intertidale și estuare întinse. Dispozitivele sunt construite mai ales din oțel, beton și compozite, cu cabluri submarine din cupru, iar protecția anticorosivă și vopselele antifouling aduc propriile probleme chimice. Nu se consumă apă dulce, iar centralele OTEC în ciclu deschis chiar pot produce.

Emisiile de CO2 pe ciclul de viață

Analizele pe ciclul de viață pentru energia marină se bazează pe câteva instalații, în majoritate prototipuri, așa că cifrele sunt orientative. IPCC AR5 WGIII Annex III (2014) dă pentru energia oceanelor (maree și valuri) un interval de aproximativ 5,6–28 gCO2e/kWh, cu o mediană de circa 17 gCO2e/kWh, similară cu eolianul și solarul. Prototipurile grele, cu mult oțel, și factorii de capacitate mici plasează primele dispozitive în partea de sus a intervalului; grupurile mai mari și mai bine proiectate ar trebui să coboare spre partea de jos. La barajele mareomotrice, ca la barajele hidrocentralelor, domină carbonul înglobat în beton, împărțit pe o durată de viață foarte lungă. Vezi emisiile pe ciclul de viață pentru felul în care se calculează aceste cifre.

Siguranță și impact asupra mediului

Energia marină stă bine la capitolul siguranța oamenilor. Riscurile sunt în principal cele profesionale ale lucrului în larg. Problemele de mediu depind de amplasament:

• Barajele modifică fluxul mareelor, transportul de sedimente, calitatea apei și mlaștinile intertidale în care se hrănesc păsările. După construcție, estuarului de la La Rance i-a trebuit circa un deceniu ca să ajungă la un nou echilibru ecologic. Peștii care trec prin turbinele de cădere mică se rănesc, iar îngrijorarea legată de mortalitatea peștilor a contribuit la închiderea centralei Annapolis Royal.
• Turbinele pe curenți de maree ridică semne de întrebare privind coliziunile cu mamiferele marine, păsările scufundătoare și peștii. Monitorizarea de la MeyGen și din SUA și Canada a înregistrat până acum foarte puține întâlniri, iar vârfurile palelor se mișcă mult mai încet decât elicele navelor, dar datele sunt încă puține.
• Zgomotul subacvatic din timpul instalării (mai ales la baterea pilonilor) și câmpurile electromagnetice din jurul cablurilor au fost studiate și sunt considerate în general minore pentru grupurile mici.
• OTEC evacuează volume mari de apă rece de adâncime, bogată în nutrienți, care poate perturba ecosistemele locale dacă nu e gestionată.

Perspective

Energia marină este cam unde era eolianul offshore la începutul anilor 2000: dovedită în principiu, scumpă și dependentă de sprijin public. Dintre tehnologiile mai noi, curenții de maree sunt cel mai avansați, cu Regatul Unit, Franța, Canada și China în frunte. Datorită unei scheme dedicate de sprijin pentru venituri, Regatul Unit are în portofoliu peste 100 MW de proiecte contractate pe curenți de maree, iar proiectele franceze din Raz Blanchard speră să urmeze. Energia valurilor este încă precomercială, după câteva falimente răsunătoare; programe ca Wave Energy Scotland și poligonul de testare PacWave al Departamentului Energiei din SUA încearcă să orienteze proiectanții spre o abordare comună. Amplitudinea mareelor are un potențial uriaș în câteva locuri, dar se lovește de obstacole serioase de mediu și de finanțare. OTEC și gradientul de salinitate rămân nișe.

Argumentele pe termen lung țin de previzibilitate, de producția care atinge vârful la alte ore decât eolianul și solarul și de valoarea energiei produse local pentru insule și comunitățile de coastă izolate. Ocean Energy Europe și programul Ocean Energy Systems al IEA văd zeci de gigawați în Europa până în 2050, dacă costurile scad cum se prognozează, ceea ce ar rămâne totuși puțin pe lângă eolian și solar. Ca să vezi cum se compară energia marină cu alte regenerabile, încearcă comparația tehnologiilor, eolianul offshore și harta energetică a lumii.