Dr. Ing. Toader ULISE

Participarea la cea de a XVII-a Conferinţă internaţională multidisciplinară „Profesor Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii româneşti” Sebeş, 2-3 iunie 2017, mi-a adus responsabilitatea şi plăcerea de a susţine în plen un material cu totul diferit de lucrările pe care le prezentam, an de an, cu ocazia conferinţei. Lucrări prezentate au fost, dealtfel, publicate în volumele „Stiinţă şi inginerie”, având ca izvor teoria şi practica prelucrării angrenajelor cicloidale.

 Anul acesta, în care omenirea a fost lovită poate mai mult ca oricând de fenomene climatice extreme, de o intensitate nemaiîntâlnită, m-a determinat să meditez la cauzele producerii acestor fenomene şi să aleg o temă de reflexie pentru fiecare dintre noi.

Această alegere a fost determinată şi de obligaţia pe care fiecare dintre noi o avem faţă de mediul înconjurător. Plecând de la declaraţia de la Stockholm din 1972 care subliniază că “Omul are un drept fundamental la libertate, la egalitate şi la condiţii de viaţă satisfacatoare, într-un mediu a cărui calitate îi permite să trăiască în demnitate şi bună stare.” și că  “Este o datorie de onoare de a proteja şi ameliora mediul pentru generațiile prezente şi viitoare”, am apreciat motivant acest demers.

Analizarea mai multor materiale relevante de pe internet m-a condus la sinteza pe care o supun atenţiei dumneavoastră, în scopul de a conștientiza că există numeroase soluţii de a rezolva pe viitor problemele ecosistemului în care trăim. Rolul pe care fiecare dintre noi îl jucăm în direcţionarea resurselor materiale şi umane, pentru realizarea proiectelor de îmbunătăţire a calităţii mediului şi vieţii pe pământ, ne responsabilizează și măcar ar trebui să ne dea de gândit.

Efectele folosirii combustibililor fosili (ţiţei, gaze, cărbuni, etc)      şi a masei lemnoase pentru generarea de energie prin ardere a avut efecte dezastruoase asupra mediului, probabil mai mari decât orice activitate umană din istorie. Acest fenomen a dus la acumularea de gaze nocive în atmosferă, ceea ce a declanşat procese (poate ireversibile), precum subţierea stratului de ozon, încălzirea globală, topirea banchizei arctice şi a celei polare, etc.

Îmbucurător este faptul că oamenii de ştiinţă au reacţionat în corpore la aceste ameninţări pentru a diminua din impactul dezastros asupra mediului generat de utilizarea combustibililor fosili ca sursă de energie. Descoperirile acestora au reorientat omenirea spre utilizarea unor surse alternative de energie mai puţin poluante.

Astfel că, folosirea unor surse precum soarele, vântul, energia geotermală, biomasa, energia mareelor a mărilor şi oceanelor, etc. devine tot mai importantă, tot mai necesară și actuală pentru lumea de azi. Marele avantaj al omenirii este că aceste surse practic nu se consumă şi mai mult decăt atât, ele nu sunt generatoare de poluare, precum arderea combustibililor fosili. Sursele respective se numesc energii regenerabile, ele fiind cunoscute şi ca surse neconvenţionale sau alternative, respectiv acele surse de energie care nu poluează sau au un impact foarte mic asupra mediului sau sănătății viețuitoarelor. Un alt mare atu al acestor surse este acela că se regenerează datorită proceselor naturale sau sunt inepuizabile din perspectiva temporală a vieții omenești.

În prezenta sinteză plecăm de la premisa că fiecare dintre noi cunoaştem şi conştientizăm faptul că valorile ataşate protecţiei şi bunei gestiuni a mediului sunt strâns legate de satisfacerea nevoilor esenţiale vieţii pe pământ (apă, aer, hrană). Este de notorietate faptul că nevoile esenţiale pentru supravieţuirea umanităţii sunt strâns legate de marile echilibre naturale ale biosferei şi, deci, de impactul acţiunii omului asupra resurselor naturale şi a mediului natural. În acest sens, protecţia mediului şi respectarea regulilor ecologiei devine un imperativ vital legat de dreptul fundamental la viaţă.

Revenind, în pofida celor care consideră sursele de energie regenerabile ca fiind surse alternative, trebuie să spunem că, de fapt, aceste surse, într-o formă sau alta, au fost folosite de omenire de mii de ani – față de combustibilii fosili, pentru care tehnologia de exploatare s-a dezvoltat doar în ultimii 150-200 de ani.

Trebuie subliniat de asemenea faptul că interesul pentru energii regenerabile a crescut vertiginos în ultimii 10-15 ani, ceea ce s-a concretizat într-un nivel istoric al investițiilor pentru valorificarea acestora.

Energiile regenerabile se bazează în principal pe elemente naturale generatoare, după cum urmează:

• energia solară- marele reactor de fuziune nucleară care este Soarele produce radiaţia solară;
• energia mareelor- se bazează pe energia cinetică a Lunii, care prin gravitaţia sa generează maree;
• energia geotermală- se bazează pe miezul fierbinte al Pământului, rămas de la crearea sa.

Toate energiile regenerabile au câteva importante avantaje pentru omenire, dintre care amintim:

– produc emisii mult mai puţine,

– reduc poluarea chimică, termică, radioactivă,

– sunt disponibile, teoretic, oriunde pe glob,

– sunt nelimitate.

Studiile efectuate de cercetători au demonstrat că cele mai bune energii alternative sau neconvenţionale sunt considerate a fi:

• energia eoliană,
• energia solară în general,
• energia solară concentrată (oglinzi care încălzesc un turn cu apă),
• energia geotermală,
• energia apelor Oceanului Planetar (valurile, curenţii oceanici, energia undelor şi hidroenergia).

Cu privire la folosirea energiei solare captată cu ajutorul panourilor solare se constată că această conversie a energiei razelor solare în caldură sau electricitate se face cu o pierdere de 80-90%, precum şi faptul că acestea nu pot fi captate decât în timpul zilei şi astfel energia trebuie sa fie stocată pentru a putea fi furnizată şi pe timpul noptii.

O sursă primordială de energie neconvenţională la care vom face referire în continuare o reprezintă energia apelor Oceanului Planetar şi al mărilor.

Oceanele şi mările ocupă 71 % din suprafaţa Pământului şi, în plus, deţin o resursă inepuizabilă şi continuă: valurile. Energia apei mărilor şi oceanelor se prezintă sub formă de energie mecanică şi termică.

Apele Oceanului Planetar deţin un imens potenţial energetic care poate fi valorificat pentru producerea de energie electrică, rezervele de energie ale Oceanului Planetar fiind imense.

Principalele surse de energie a apei mărilor şi oceanelor  luate în considerare la nivelul tehnicii actuale, sunt următoarele:

1) Curenţii marini care pot fi:

-curenţi orizontali – datoraţi vânturilor dominante ;

-curenţi verticali – caz în care apele urcă sau coboară din/spre adâncuri ;

-curenţi marini – datoraţi mişcării apelor la nivel planetar ;

-mareele – datorită atracţiei lunare ;

-mişcarea valurilor – datorate tot radiaţiei solare ;

2) Energia termică – înmagazinată sub formă de căldură, conţinutul de căldură diferit dintre apele de suprafaţa şi cele de adâncime (cca. 30^o diferenţă).

Unele studii arată că resursa mondială a energiei valurilor a fost estimată la 2,7 TW. Locațiile cu cel mai mare potențial pentru energia valurilor includ coasta de vest a Europei, coasta de nord a Marii Britanii și coastele Pacificului din America de Nord și de Sud, Africa de Sud, Australia și Noua Zeelandă. Zonele temperate nordice și sudice au cele mai bune site-uri pentru captarea energiei valurilor.

Din cei 2.700 de gigawați generaţi de valuri, ceva mai mult de 500 de gigawați pot fi capturați cu tehnologia actuală.

Constructorii utilizează mai multe metode pentru proiectarea echipamentelor destinate exploatării energiei valurilor. Aceste echipamente se pot clasifica fie în funcţie de locul de amplasare şi adâncimea la care sunt proiectate să funcţioneze, adică de-a lungul ţărmului, lângă ţărm şi în larg, fie în funcţie de metoda utilizată pentru captarea energiei valurilor şi tipurile de extragere a puterii: berbec hidraulic, pompă furtun elastomeric, pompă la țărm, turbină hidroelectrică, turbină cu aer și generator electric liniar.

Atunci când se evaluează energia valurilor ca tip de tehnologie, este important să se facă distincția între cele mai comune patru abordări: balizele de absorbție a punctului, atenuatoarele de suprafață, coloanele de apă oscilante și dispozitivele de supraînălțare.

Conceptele generalizate ale energiei valurilor sunt:

1. Absorbant de puncte,
2. Atenuator,
3. Convertor de undă oscilant,
4. Coloană de apă oscilantă,
5. Dispozitiv de supratensiune,
6. Diferență de presiune submersibilă.

Absorbatoarele de puncte sunt dispozitive care plutesc pe suprafața apei şi sunt ținute în loc de cablurile conectate la fundul mării. Balizele utilizează creșterea și căderea valurilor pentru a acționa pompele hidraulice și a genera energie electrică .

Atenuatoarele de suprafață sunt dispozitive care acționează similar cu geamandurile de absorbție a punctelor, cu mai multe segmente plutitoare conectate unul la celălalt și orientate perpendicular pe valurile de intrare. O mișcare de îndoire este creată de valuri care alimentează pompele hidraulice pentru a genera energie electrică.

Convertoarele de undă oscilante sunt dispozitive care au de obicei un capăt fixat la o structură sau fundul mării, în timp ce celălalt capăt este liber să se miște. Energia este colectată din mișcarea relativă a corpului în comparație cu punctul fix. Convertoarele de undă oscilante val de multe ori vin sub formă de flotoare, clape sau membrane. Unele dintre aceste modele incorporează reflectoare parabolice ca mijloc de creștere a energiei valurilor la punctul de captare. Aceste sisteme de captare utilizează mișcarea de înălțime și cădere a valurilor pentru a capta energie.

Coloanele de apă oscilantă sunt dispozitive ce pot fi amplasate pe malul mării sau în apele mai adânci din larg. Cu o cameră de aer integrată în dispozitiv, se umflă aer comprimat în camerele care forțează aerul printr-o turbină cu aer pentru a crea electricitate.

Dispozitivele de suprapresiune sunt dispozitive cu structuri lungi pentru acoperirea suprafețelor care utilizează viteza valurilor pentru a umple un rezervor la un nivel mai mare decât cel din jurul oceanului. Energia potențială în înălțimea rezervorului este apoi captată cu turbine cu cap de joasă presiune. Dispozitivele pot fi fie pe țărm, fie plutitoare în larg.

Diferențialele de presiune submersibilă sunt dispozitive bazate pe diferențe de presiune submersate şi sunt o tehnologie relativ mai recentă care utilizează membrane flexibile (de obicei, cauciuc ranforsat) pentru a extrage energia valurilor. Aceste convertoare utilizează diferența de presiune în locații diferite sub o undă pentru a produce o diferență de presiune în cadrul unui sistem de fluid cu debit de putere închis. Această diferență de presiune este utilizată de obicei pentru a produce fluxul, care conduce o turbină și un generator electric. Un convertor submersibil poate fi poziționat fie pe podeaua mării, fie în mijlocul apei.

Mareele se produc cu regularitate în anumite zone de litoral de pe glob, cu amplitudini care pot ajunge uneori la 14-18 m, determinând oscilaţii lente de nivel ale apelor marine. Principiul de utilizare a energiei mareelor în centrale mareomotrice, de altfel singura sursă folosită în prezent din cele enumerate mai sus, constă în amenajarea unor bazine indiguite care să facă posibilă captarea energiei apei, declanşată de aceste oscilaţii, atât la umplere (la flux), căt şi la golire (la reflux).

Pentru o valorificare eficientă a energiei mareelor sunt necesare şi anumite condiţii naturale; în primul rând, amplitudinea mareelor trebuie să fie de cel puţin 5 m, iar, în al doilea rând, să existe un bazin natural (de regulă un estuar), care să comunice cu oceanul printr-o deschidere foarte îngusta. Aceste condiţii naturale apar numai în 20 de zone ale globului (ca, de exemplu: ţărmurile atlantice ale Frantei, Marii Britanii, SUA, Canadei, în Nordul Australiei, în estul Chinei etc.).

Cantitatea de energie disponibilă la această sursă, daca ar putea fi valorificată integral în centrele electrice mareomotrice, ar produce de circa 100.000 de ori mai multă energie electrică decât toate hidrocentralele aflate în funcţiune în prezent pe glob. Alte calcule apreciază că energia furnizată anual de maree ar putea echivala cu cea obţinută prin arderea a peste 70 mii tone de carbune.

Curentii marini sunt purtatorii unor energii cinetice deosebit de mari. Astfel, s-a calculat că un curent oceanic cu o lăţime de circa 100 m, 10 m adâncime şi o viteza de l m/s, pe timp de un an ar putea oferi o energie cinetică de circa 2.000 kwh.

Centrale mareomotrice

O centrală mareomotrică recuperează energia mareelor. În zonele cu maree, acestea se petrec de două ori pe zi, producând ridicarea, respectiv scăderea nivelului apei.

Există două moduri de exploatare a energiei mareelor:

• Centrale fără baraj, care utilizează numai energia cinetică a apei, similar cum morile de vânt utilizează energia eoliană;
• Centrale cu baraj, care exploatează energia potențială a apei, obținută prin ridicarea nivelului ca urmare a mareei.

Valurile reprezintă o forma de stocare a energiei transmise de vânt, energie calculabilă şi demnă de luat în consideraţie. Calculele au evidenţiat că valurile cu înalţimea de 1 m, lungimea de 40 m şi perioada de 5 s, au o putere disponibilă de aproximativ 5 KW pe un front de l m lătime.

Pentru recuperarea energiei valurilor se pot folosi scheme similare cu cele de la centralele mareomotrice cu baraj, însă, datorită perioadei scurte a valurilor aceste scheme sunt puțin eficiente.

Un obiect care plutește pe valuri execută o mișcare cu o traiectorie eliptică. Cea mai simplă formă de valorificare a acestei mișcări pentru recuperarea energiei valurilor sunt pontoanele articulate. O construcție modernă este cea de tip Pelamis formată din mai mulți cilindri articulați, care, sub acțiunea valurilor au mișcări relative care acționează niște pistoane. Pistoanele pompează ulei sub presiune prin motoare hidraulice care acționează generatoare electrice.

Energia produsă din gradienţii termici ai apei de mare; este rezultată de existenţa diferenţei de temperatură dintre apele oceanelor şi mărilor de adâncime (reci) şi cele de la suprafaţă (calde), pe baza unui sistem ciclic termodinamic, care vaporizează şi condensează un fluid de lucru, de exemplu propanul (propilena) sau azotul (amoniacul) pentru a antrena o turbină sau o maşină termică.

Energia produsă din gradienţi de salinitate; în zona de contact a apelor dulci, provenite din ape curgătoare, cu cele sărate, din mări şi oceane, precum şi în zonele în care salinitatea apei mării la diverse adâncimi este diferită, apar presiuni osmotice care pot fi folosite pentru a produce energie electrică.

Primul brevet cunoscut pentru a folosi energia de la undele oceanice datează din 1799 și a fost depus la Paris de către Girard și fiul său.

Primii care au început să folosească energia valurilor au fost europenii. Ţări precum Portugalia, Scoţia şi Marea Britanie au programe speciale prin care valurile mărilor care le inconjoară ţărmurile să fie folosite pentru producerea energiei.

Prima instalație de testare a energiei marine din lume a fost înființată în 2003 pentru a da naștere dezvoltării unei industrii a energiei valurilor și a mareelor ​​în Marea Britanie.

Aguacadoura Wave Farm a fost prima fermă din lume care a utilizat energia valurilor pentru consum. Ferma a fost situată la 5 km în mare, în apropiere de Póvoa de Varzim , la nord de Porto , Portugalia și a fost proiectată să utilizeze trei convertizoare de energie pe valurile Pelamis pentru a transforma mișcarea undelor de suprafață oceanice în energie electrică, în valoare totală de 2,25 MW în capacitatea totală instalată.

Finanțarea unei ferme de valuri de 3 MW în Scoția a fost anunțată la 20 februarie 2007 de către Executivul Scoțian, la un cost de peste 4 milioane de lire sterline , ca parte a unui pachet de finanțare de 13 milioane de lire sterline pentru energia marină din Scoția. Prima mașină a fost lansată în mai 2010.

O instalație cunoscută sub denumirea de Hub Wave a fost construită în largul coastei de nord a Cornwall, Anglia, pentru a facilita dezvoltarea energiei valurilor. Hubul Wave va acționa ca un cablu prelungitor gigantic, permițând conectarea la rețeaua electrică a rețelelor de generare a energiei valurilor. Hub-ul Wave va permite inițial conectarea a 20 MW de capacitate, cu potențial de extindere la 40 MW.

Ocean Power Technologies (OPT Australasia Pty Ltd) dezvoltă o fermă de valuri conectată la rețeaua de lângă Portland, Victoria printr-o centrală de putere de 19 MW.

Încă din 1966 la Rance în Franţa funcţioneaza o centrală mareeomotrică care foloseşte energia mareelor. Este amplasată în estuarul Rance, format de râul cu acelaşi nume la varsarea în Golful Saint Malo; capacitatea sa este de 240 MW şi a fost construită în perioada 1961-1966.

Proiectul „Chausey” prevede o construcţie asemanatoare în Golful Le Mont St.Michel).

În Rusia, în estuarul Kislaya, format de râurile Tuloma şi Kola Ia Marea Barent se prevede o instalaţie de 400 MW, iar un alt proiect vizeaza tarmurile Marii Albe.

Alte proiecte prevăd noi amenajari pe ţărmul S-E al Marii Britanii sau pe ţărmul Golfului Fundy, unde SUA şi Canada intenţioneaza o constructie de mari proportii.

Japonia încearca folosirea valurilor cu ajutorul unor dispozitive plutitoare.

Scoţienii au anunţat că până în anul 2020 se pot instala capacităţi de producţie de energie electrică generată de valuri şi maree de 1300 MW în apele scoţiene, adăugând 100 MW în fiecare an. Energia astfel obţinută ajungând la 10% din energia electrică produsă de Scoţia.

Pentru a vă introduce în lumea oamenilor de ştiinţă care se ocupă de acest domeniu am ataşat o listă cu câteva link-uri edificatoare în acest sens:

https://www.youtube.com/watch?v=fYfs-qYGzvs

https://www.youtube.com/watch?v=D1-PUOOlobE

https://www.youtube.com/watch?v=gcStpg3i5V8

https://www.youtube.com/watch?v=7-juMrUozSc

https://www.youtube.com/watch?v=xyta74Mt9v4

https://www.youtube.com/watch?v=fet4bCYvmLw

https://www.youtube.com/watch?v=mcTNkoyvLFs

https://www.youtube.com/watch?v=F0mzrbfzUpM

https://www.youtube.com/watch?v=S-BzdIJx84c

https://www.youtube.com/watch?v=fLPm7UXceQs

https://www.youtube.com/watch?v=iRpBmLak1iY

htthttps://www.youtube.com/watch?v=gcStpg3i5V8

https://www.youtube.com/watch?v=VkTRcTyDSyk

https://www.youtube.com/watch?v=LfCYXnlMtm8

https://www.youtube.com/watch?v=8-sFLGMSMac

https://www.youtube.com/watch?v=MpYnFF6LAnU

https://www.youtube.com/watch?v=D-OVU2RGNDo

https://www.youtube.com/watch?v=2U4_p3AjoKo

https://www.youtube.com/watch?v=fDCR9stkTKM

https://www.youtube.com/watch?v=sLIHQ-2TbvA

https://www.youtube.com/watch?v=FIQABq7lRnE

https://www.youtube.com/watch?v=tSBACzRE3Gw

https://www.youtube.com/watch?v=UDCO1ZyBaBA

 

În speranța unei deschideri spre noile oportunități de producere a energiei curate si teoretic nelimitate, un prim pas ar putea fi un minim de cunoștințe în domeniu. Al doilea pas ar putea fi credința oamenilor că toate acestea sunt posibil de realizat și că reprezintă viitorul mediului în care trăim.

Închei prin a spune că natura ne-a creat și ne-a oferit tot ce avem nevoie pentru o viață lungă și curată.