Valtavat teräslevyt keinuvat aaltojen tahdissa muutaman sadan metrin päässä rannasta. Näin ne ovat toimineet siitä asti, kun suomalaisyhtiö AW-Energy laski ne vuonna 2019 merenpohjaan 10–20 metrin syvyyteen Portugalissa sijaitsevan Penichen rannikkokaupungin edustalla.
WaveRoller-niminen koelaitos tuottaa rannikkokaupungille megawatin sähköä hydraulisella järjestelmällä, joka muuttaa aaltojen energian sähkövirraksi. Tuotanto vastaa suunnilleen 500 kotitalouden vuotuista kulutusta. Uusia WaveRollereita aletaan pian testata Meksikossa ja Kaakkkois-Aasiassa – eikä suomalaisyhtiö ole suinkaan ainoa yritys, joka haluaa päästä käsiksi aaltojen vihreään energiapotentiaaliin näinä vuosina.
Meressä piilee loputon koskematon energianlähde
Aaltojen energia on suurimmillaan avomerellä, mutta iso osa aaltojen voimasta voidaan hyödyntää lähellä rannikkoa, missä sähköä on helpompi siirtää johtoja pitkin. Meren aallot liikkuvat sekä pitkittäin että poikittain, ja se painaa vesimolekyylejä kiertämään kehää myötäpäivään. Mitä lähempänä rantaa ollaan, sitä tiukempaan kiertoliike puristuu.
Ulapalla aallot sisältävät runsaasti energiaa – tarkalleen 60 kilowattia metriä kohti. Vedenpinnan alla ja lähellä rannikkoa energiatiheys pienenee noin 30 prosenttia, mutta siellä aaltovoimala on paremmassa turvassa raivoavalta mereltä.
Aalto työntää vesimolekyylit kiertoliikkeeseen, joka jatkuu alaspäin. Rannikon tuntumassa merenpohja painaa kehät kokoon ja lisää molekyylien vaakasuoraa liikettä, joka sisältää eniten energiaa 8–20 metrin syvyydessä.
Aalloista korjataan sato rannikon lähellä toimivilla vedenalaisilla laitoksilla, joille pääsee helposti ja jotka ovat suojassa kovalta merenkäynniltä. Kaiken kaikkiaan rannikolla aallot sisältävät noin 13 prosenttia vähemmän energiaa kuin ulapalla.
Uudenlaiset aaltovoimatekniikat pyrkivät pääsemään käsiksi aaltoihin sisältyvään valtavaan energiavarantoon toimimalla merenpohjassa – turvassa merenpinnan armottomalta raivolta. Edessä on harppaus koelaitoksista merkittäviin energiantuottajiin – tätä pitkää askeltahan ei ole vielä otettu yhdessäkään merienergiahankkeessa.
Jos suunnitelmat toteutuvat, maailman ensimmäiset suuret aaltovoimapuistot voivat tuottaa ympäristöystävällisesti sähköä syrjäisille saarille ja puhdasta juomavettä kuiville seuduille.
Valtameret uhkuvat voimaa
Jokainen myrskyn rannikolla kokenut tietää meren voiman. Aalloissa piilee 500 gigawatin mahdollinen lisä sähköverkkoon, eli kaikkien tuuli- tai aurinkovoimaloiden nykyisten kapasiteettien – 564 ja 486 gigawatin – verran.
Toistaiseksi aaltovoima jää melkeinpä hyödyntämättä. Euroopassa aaltovoimaloiden antama panos jää energiapotentiaalista huolimatta 1,5 megawattiin.
VIDEO: Näin WaveRoller laskettiin vesille Portugalin rannikolla
Aaltovoimala WaveRoller laskettiin marraskuussa 2019 merenpohjaan Portugalin rannikolla. Aallot saavat levyn liikkumaan edestakaisin, ja liikkeen energia johdetaan mäntäpumppuun.
Merien aallot ovat tiiviitä energiapakkauksia verrattuna aurinkoon ja tuuleen. Aallot sisältävät valtamerien rannikkoalueilla energiaa keskimäärin 20–50 kilowattia metriä kohti vuodessa.
Esimerkiksi 15 metriä pitkä aaltovoimala voi tuottaa 100 kilowattia vuoden ympäri, mikä vastaa 25 kotitalouden keskimääräistä sähkönkulutusta. Lisäksi aallot ovat luotettavia, sillä ne voivat tuottaa sähköä 90 prosenttia ajasta, kun tuuli ja aurinko ovat vain 20–30-prosenttisesti tehokkaita.
Laaja paletti erilaisia aaltovoimalahankkeita on viimeisten 20 vuoden aikana herättänyt toiveita aaltojen suuren energiamäärän muuttamisesta verkkovirraksi. Laitokset voivat ottaa talteen jopa 50 prosenttia energiasta. Tehokkuus on viisinkertainen verrattuna aurinkopaneeleihin, joita pidetään taloudellisesti kannattavina, kun ne pystyvät muuttamaan kymmenen prosenttia auringonsäteiden energiasta sähköksi. Hyvistä tuloksista huolimatta suurimittaiset aaltovoimapuistot odotuttavat itseään.
Tätä nykyä aaltovoimalahankkeet ovat kuitenkin myötätuulessa. Viimeisten kymmenen vuoden aikana kehitys on ollut vakaata, ja sekä Yhdysvallat että Aasia alkavat sijoittaa aaltovoimaan. Tuoreen EU-raportin mukaan aaltovoiman sähköntuotantokapasiteetti oli 25 prosenttia suurempi vuonna 2019 kuin vuotta aikaisemmin.
Kansainvälinen energiajärjestö arvioi, että aaltovoimalla voidaan tyydyttää kymmenen prosenttia ihmiskunnan energiantarpeesta vuonna 2050. Siksi tutkimus vauhdittuu, ja useissa hankkeissa sukelletaan merenpohjaan, koska siellä on helpompi ratkaista yksi aaltovoiman vaikeimmista ongelmista: kovat myrskyt.
Nelikko varmistaa energian riittävyyden
Kärpäslätkät keinuvat merenpohjassa
Tanskalaisyhtiö Exowave on suunnitellut aaltovoimalan, joka toimii merenpohjassa hyödyntäen aaltojen aikaansaamaa turbulenssia. Merenpohjassa aallot sisältävät vähemmän energiaa, mutta laitos kestää siellä kauemmin. Exowave uskoo ensimmäisten koevoimaloiden valmistuvan vuonna 2021.
Robottimeduusa aaltoilee veden mukana
Vuodesta 2015 lähtien Carnegie Clean Energy -yhtiön kolme CETO-nimistä vedenalaispoijua ovat tuottaneet sähköä ja puhdasta vettä laivastoasemalle Länsi-Australiassa. Poijut seuraavat aaltojen nousu- ja laskuliikettä ja käyttävät pumppua, joka paineistaa merivettä. Järjestelmän kuudes sukupolvi on kehitteillä.
Upotettu kumikalvo luo ilmanpainetta
Australialaisyhtiö Bombora on kehittänyt upotettavan aaltovoimalan. Kun aallot kulkevat ohi, paksu kumikalvo saa aikaan ilmanpaineen, joka pyörittää turbiinia. Tekniikkaa aletaan testata 15 metriä pitkässä koevoimalassa Walesissa vuonna 2021 ja myöhemmin Lanzaroten rannikolla.
Levy pumppaa virtaa aalloista
Vuonna 2019 suomalaisyhtiö AW Energy laski WaveRoller-laitoksensa merenpohjaan Portugalin rannikolla. Suuret teräslevyt ottavat talteen meren voimaa ja tuottavat 1 megawatin sähköä lähellä sijaitsevalle kaupungille, Penichelle. WaveRollereita on tulossa Portugalin lisäksi Meksikoon ja Kaakkois-Aasiaan.
Vaakasuora vyörytys käyttää aaltovoimalaa
Avomeren valtavat luonnonvoimat voivat sekä rikkoa merivoimaloita että aiheuttaa turvallisuussyistä sähköntuotannon katkoja. Monia lupaavia hankkeita onkin jouduttu hyllyttämään jo ennen ensimmäisenkään kilowattitunnin tuottamista.
Toisin kuin tuuli- ja aurinkovoimaloissa aaltovoimalaitoksissa käytetään erilaisia tekniikoita, kuten poijuja, letkuja ja vaimentimia, ja kaikilla niillä on omat plussansa ja miinuksensa. Ehkä optimaalinen ratkaisu löytyy niin sanotuista OWSC-laitoksista (oscillating wave surge converters).
Aikaisemmat laitokset ovat käyttäneet hyväksi yleensä aaltojen nousu- ja laskuliikettä. OWSC ottaa sen sijaan talteen sitä energiaa, joka sisältyy aaltojen vaakasuoraan edestakaisliikkeeseen. Siinä kiertävien vesimolekyylien kehät puristuvat soikeiksi, kun ne koskettavat nousevaa merenpohjaa.
Aallot työntävät vähintään yhtä levyä, joka käyttää joko öljyä tai merivettä paineistavaa sylinteripumppua. Paine voi pyörittää merenpohjassa, lautalla tai maalla toimivaa sähkögeneraattoria.
Laitokset ankkuroidaan suoraan merenpohjaan 10–40 metrin syvyisellä rantamatalikolla kohdassa, jossa ne eivät aiheuta maisema- ja ympäristöhaittoja. Esimerkkejä OWSC-laitoksista ovat Penichen edustan WaveRoller ja tanskalainen Exowave, joka toimii Pohjanmeressä. Exowave koostuu joukosta keltaisia kärpäslätkää muistuttavia viuhkoja, jotka kääntyvät puolelta toiselle ja ottavat talteen syvällä meren kuohuvan pinnan alla jyllääviä valtavia voimia.
Exowaven kärpäslätkät toimivat heilureina
Viuhkat kurkottautuvat ylöspäin, ja niihin vaikuttavat aaltojen vedessä aiheuttama kiertoliike.
Viuhka on liitetty kääntökoneistoon, joka pitää huolta siitä, että viuhka osoittaa aina aaltoja vastaan.
Kun viuhka liikkuu, se pyörittää akselia, joka liittyy mäntäpumpun sylinteriin.
Mekaaninen pumppu kestää kauan
Merenpohjan laitosten miinuksia on se, että niihin on vaikeampi päästä kuin muihin aaltovoimalatyyppeihin. Jotta pohjavoimala olisi taloudellisesti kannattava, sen tulee pysyä toiminnassa 20 vuotta.
Exowave vastaa haasteeseen pitämällä konseptin yksinkertaisena. Laitos on kauttaaltaan mekaaninen, ja sen toiminta perustuu pelkästään siihen, että pallonivel antaa veden virrata pumppaamoon ja siitä ulos ja samalla painaa viuhkaa. Koska viuhka kääntyy, laitos hyödyntää energiaa tehokkaasti, tulivatpa aallot sitten mistä suunnasta tahansa.
Exowave toimii 10–40 metrin syvyydessä, jossa keskimääräinen energian läpivirtaus on noin 17 kilowattia aaltometriä kohti. Merituulivoimaloiden alla toimivat aaltovoimalat voivat lisätä sähköntuotantoa 20 megawattia ja käyttää samoja siirtokaapeleita kuin tuulivoimalat.
Viuhkat tuottavat sähköä ja vettä aalloista
Tanskalainen aaltovoimala Exowave muuttaa yksinkertaisella, kestävällä mekaniikalla merien valtavia voimia sähköksi. Laitoksen keltaiset aaltolevyt tuottavat myös puhdasta juomavettä rannikkoseuduille.
1. Kelluva viuhka seuraa aina aaltoja
Merenpohjan tuntumassa vesimolekyylit ovat soikeassa kiertoliikkeessä, joka työntää Exowaven suuria teräslevyjä edestakaisin. Kääntyvän nivelen ansiosta levyt asettuvat aina aaltoja vastaan.
2. Pumpu nostaa meriveden painetta
Viuhka liittyy hydrauliseen pumppuun, johon pohjassa oleva pallonivel päästää vettä. Pumppu nostaa veden paineen 35–75 baariin eli 35–75-kertaiseen ilmanpaineeseen. Yleensä vesi, jonka paine on 20–40 baaria, pyörittää turbiinia ja sähkögeneraattoria.
3. Venttiilit johtavat veden maalle
Kyky muuttaa aaltojen energiaa hydrauliseksi energiaksi paranee paineen suurentuessa. Pumppaamossa on siksi venttiilejä, jotka varmistavat vähimmäispaineen säilymisen ja estävät liiallisen paineennousun. Osa venttiileistä johtaa vettä turbiiniin, joka tuottaa sähköä joko meressä tai maalla.
4. Vedenpaine tuottaa puhdasta juomavettä
Maalla paineen avulla on mahdollista puristaa merivettä isoja suolamolekyylejä poistavan tiheän suodattimen läpi. Prosessia kutsutaan käänteisosmoosiksi. Pienin Exowave-laitos, WEC10, voi tuottaa noin 2 000 litraa juomavettä tunnissa.
Aaltovoimapuisto on huomaamaton
Kehitystyön aikana aaltovoimaloita voidaan käyttää muihin tarkoituksiin, kuten yksityistalouksien tai syrjäisten saariyhteisöjen verkkoon kytkemättömän sähköjärjestelmän osana vähentämässä riippuvuutta esimerkiksi hiilestä tai öljystä.
Lisäksi laitokset saattavat tarjota ratkaisun puhtaan veden puutteeseen. Esimerkiksi Exowaven toiminta perustuu paineeseen ja mahdollistaa siten suolan poistamisen merivedestä käänteisosmoosiksi kutsutulla suodatustekniikalla. Siinä vesi puristetaan suodattimen läpi. Isot suolamolekyylit jäävät suodattimeen, mutta vesimolekyylit läpäisevät sen.
Niinpä aaltovoimalat eivät ainoastaan takaa jatkuvaa vihreän energian saantia, vaan ne myös voivat tuottaa puhdasta vettä rannikkoseuduilla, joiden asukkaista jopa miljardin on arvioitu kärsivän sen puutteesta.