الطاقة الموجية

فإذا وقفت على ساحل يواجه الغرب في فصل الشتاء، يمكنك أن تشعر بذلك من خلال قدميك: فكل بضعة ثوانٍ، يأتي جدار من المياه التي عبرت المحيط وتكسر. وتنتج الأمواج عن الرياح التي تهب على آلاف الكيلومترات من البحر المفتوح، وهي بالتالي شكل مركز ومؤجل من أشكال الطاقة الريحية. وتستمر هذه الرياح في الوصول بعد انخفاض الرياح، ليلا ونهارا، وتكون أقوى ما تكون في فصل الشتاء، وهو بالضبط الوقت الذي تنتج فيه الألواح الشمسية أقل قدر من الطاقة.

هذا هو الوعد، وهو وعد حقيقي. هذه الصفحة، التي كُتِبَت بنفس الصدق الذي كُتِبَ به بحثنا في جدار المشاهدين، تتحدث عن السبب وراء صعوبة الوفاء بالوعد. النسخة المختصرة: ** تعمل الفيزياء والمورد كبير، ولكن يجب على آلة الموجة أن تجني البحار العادية بينما تعيش في العواصف التي تحمل خمسين مرة أكثر من الطاقة. وبعد نصف قرن من الزمن وشركات عديدة فاشلة، لا تزال الطاقة الموجية أغلى بكثير من الطاقة الشمسية بعدة أضعاف، ولم يظهر أي تصميم فائز حتى الآن. ويمكن أن يفوز أولاً حيثما تكون الطاقة مرتفعة التكلفة والبحر هو الجار الوحيد**.

ما هو

محول الطاقة الموجية هو أي آلة تحول حركة الأمواج إلى كهرباء. وعلى عكس الرياح، حيث فاز تصميم واحد (التوربينة ذات الريش الثلاث) فإن الطاقة الموجية لا تزال تواجه مئات من الأفكار المتنافسة. وتنقسم هذه العمليات إلى عدة فئات:

• الممتصات النقطة: الطفافات التي تتقلب إلى الأعلى والأسفل وتسحب ضد مرسى أو عوامة ثقيلة. سي4 من كور باور هو واحد
• Attenuators: سلاسل طويلة من العوامات على شكل ثعبان تقع على طول اتجاه الأمواج، وتنتهي عند المفاصل. وكان بيلاميس هو المثال الشهير.
• محولات موجات ذبذبية: صنابير مفصلية على قاع البحر بالقرب من الشاطئ تتأرجح ذهابا وإيابا. كان (أوستر) من صناعة (أكوا مارين باور) واحداً منها
• أعمدة مائية متذبذبة: غرف مفتوحة على البحر تحت خط الماء. الأمواج تدفع الماء الداخلي إلى الأعلى والأسفل، مما يدفع الهواء إلى الداخل والخارج من خلال توربينة. ولدى موتريكو في إسبانيا ستة عشر من هذه المباني التي بنيت في جدار ميناء.
• أجهزة التغطية: ممرات تسمح للأمواج بالدخول إلى حوض مرتفع، ثم تعيد المياه من خلال توربينات ذات رأسية منخفضة.

كيف يعمل

الطاقة في موجة يتم تخزين طاقة الموجة جزئيا كماء مرتفع فوق متوسط مستوى سطح البحر وجزئيا كحركة الماء. وبالنسبة لبحر غير منتظم يوصف بارتفاع موجته الملحوظ H (أي متوسط ارتفاع أعلى ثلث من الأمواج تقريبا)، تكون الطاقة لكل متر مربع من سطح البحر E = ρ g H² / 16، حيث ρ هي كثافة مياه البحر وg الجاذبية. مضاعفة ارتفاع الموجة تضاعف الطاقة أربع مرات

الطاقة، العدد الذي يهم. تنتقل طاقة الموجة بسرعة المجموعة g T / 4π في المياه العميقة، حيث T هي فترة الموجة. Multiply energy by speed and the power arriving along each metre of wave front is P = ρ g² H² T / 64π, which works out as about 0.49 × H² × T kilowatts per metre. فبحر طوله 2.5 متر وفترة دورانه 9 ثوان يحمل نحو 28 كيلووات من الطاقة عبر كل متر من الساحل: أي ما يعادل على مدار سنة واحدة كهرباء عشرات المنازل في كل متر، إذا أمكن استيعابها جميعا. التفسير أعلاه يسمح لك بتجربة بحار أخرى.

ماذا يفعل الماء وفي المياه العميقة، لا يسافر الماء في الموجة معها: فكل جزيء يتحرك في دائرة ويعود تقريبا إلى حيث بدأ. الدوائر تنكمش بسرعة مع العمق؛ نصف طول موجي إلى أسفل، الحركة هي فقط حوالي 4٪ من ذلك على السطح. أما موجات المياه العميقة فهي طويلة: فالطول الموجي يبلغ حوالي 1.56 × T² متر، وبالتالي فإن طول موجة مدتها 9 ثوان هي 126 مترا من قمة إلى أخرى. ولهذا السبب، فإن معظم طاقة الموجات تكون قريبة من السطح، ولذلك تطفو الآلات أو تجلس في المياه الضحلة.

للامتصاص موجة، صنع موجة. آلة الموجة تأخذ الطاقة من خلال التحرك بطريقة تلغي جزءا من الموجة القادمة. بالنسبة للعوامة العائمة التي تتحرك فقط إلى الأعلى والأسفل، يضع هذا حداً معروفاً: مهما كان كبيراً، لا يمكنه أن يلقي أكثر من القوة القادمة عبر عرض λ / 2π، طول موجي واحد مقسوم على 2π، حوالي 20 متراً لموجة مدتها 9 ثوان (Falnes, 2002). حتى الوصول إلى ذلك يحتاج حركة العوامة للبقاء في خط مع الأمواج، وهذا هو السبب في أن أنظمة التحكم التي تنظم آلة لكل موجة مرورية مهمة جداً. وفي الممارسة العملية، تحصل الآلات المقيسة والمنمذجة عادة على ما بين عُشر وثلث القوة التي تصل عبر عرضها (باباريت، 2015).

بطيء، قوى ضخمة. فالموجة تدفع بقوة هائلة ولكنها تتحرك ببطء، متر أو مترين كل بضعة ثوان. المولدات تفضل الحركة السريعة والناعمة، لذا كل آلة موجية تحتاج إلى محرك الإقلاع )ب( أي جهاز يقوم بتحويل أحدهما إلى اﻵخر: الحوامل والمحركات الهيدروليكية، أو العنفات الهوائية، أو المولدات الخطية ذات الدفع المباشر، أو صناديق التبديل الميكانيكية. الكثير من الهندسة، والكثير من الفشل، يحدث هنا.

الحدود: النظرية والعملية

المورد. في المتوسط على الكوكب، حوالي 2.1 تيراواط من قوة الموجات تصل إلى سواحل العالم، بنفس القدر الذي يبلغ فيه متوسط استخدام الكهرباء في العالم حوالي 3.4 تيراواط (Gunn and Stock-Williams, 2012). ولا يمكن أخذ سوى جزء صغير منها: فالآلات لا تستطيع أن تغطي كل ساحل، والطاقة تضيع عندما تصل الأمواج إلى المياه الضحلة، ويوجد الكثير من الموارد في المحيطات الجنوبية النائية. وتواجه أغنى السواحل الرياح الغربية السائدة بين حوالي 40 و60 درجة من خط العرض: أيرلندا، اسكتلندا، البرتغال، شيلي، جنوب أستراليا، نيوزيلندا، المحيط الهادئ شمال غرب الولايات المتحدة. ولا تتلقى البحار المغلقة مثل البحر الأبيض المتوسط سوى بضعة كيلوواط لكل متر.

مشكلة العاصفة. زر العاصفة في المُشرح يجعل الصعوبة المركزية مرئية. A machine is designed to make most of its money in seas of 1 to 4 m, yet it must survive seas of 10 to 15 m, carrying fifty or more times the power, and single waves higher still. فتصميم هيكل للعاصفة يجعله ثقيلا ومكلفا؛ وتصميمه للبحر العادي يجعله هشا. وتحلّ توربينات الرياح هذا الأمر بتحويل ريشها بعيدا عن الريح. لا يمكن لآلة موجات أن تخرج من البحر.

Fatigue. With a period of 8 seconds, a machine meets about four million waves a year, each one bending, pushing and twisting its joints, seals and moorings. وعلى مدى عشرين سنة، هذا يعادل حوالي ثمانين مليون دورة تحميل في المياه المالحة.

إمكانية الوصول والرسو. وعلى غرار جميع أنواع الطاقة البحرية، لا يمكن تركيب آلات الأمواج وإصلاحها إلا في الطقس الهادئ، وهي توضع بالضبط حيث يكون الطقس أسوأ. ويجب أن تحمل المراسي جسماً متحركاً في البحار المتحركة دون أن تتصدع أو تجذب.

المشاريع الفعلية، المقيسة

المشروع	حيث	النوع والحجم	ماذا حدث؟
Pelamis	أغوسادورا، البرتغال، ثم EMEC، أوركني	جهاز خفض صوت، 750 كيلووات، طوله 120-180 مترا	The first multi-machine wave farm: three machines, 2.25 MW, began exporting in July 2008 and were offline by November 2008 when the project’s owner ran into financial trouble. The later P2-001 machine completed more than 15,000 operating hours at EMEC. Pelamis Wave Power entered administration in November 2014 (Pelamis).
المحار	مركز البحوث الاقتصادية والاجتماعية، أوركني	نافذة قريبة من الشاطئ، 315 كيلووات ثم 800 كيلووات	First machine installed in 2009, the second generation tested from 2012 to 2015. Aquamarine Power called in administrators in October 2015 (Aquamarine Power).
موتريكو	إقليم الباسك، إسبانيا	16 عمود مياه متذبذب في كسارة أمواج في الميناء، 296 كيلووات	Operating since July 2011. Over 3 GWh in total by the end of 2023; 266 MWh in 2023, a capacity factor of about 10%. Its Wells turbines convert about 30% of the air power into electricity. Cost €6.4 million (Mutriku; Tethys, PNNL).
موجة مركزية	قرب كورنوال، انكلترا	مقبس اختبار موصول بالشبكة لآلات تصل قدرتها إلى 20 ميغاواط	تم تركيبها في عام 2010 بأموال عامة. وبحلول عام 2018، لم يتم إنتاج أي كهرباء هناك؛ ثم تحول الموقع لاحقًا إلى الرياح البحرية العائمة (Wave Hub).
CorPower C4 )الطاقة الكهربائية(	أغوسادورا، البرتغال	طاويات ممتصة للضوء، قدرة 300 كيلووات، عرض 9 أمتار، ارتفاع 19 مترا	تصدير منذ تشرين الأول/أكتوبر 2023؛ ونجا من أمواج طولها 18.5 مترا في العاصفة دومينغوس في تشرين الثاني/نوفمبر 2023؛ وأبلغ عن ذروات تصل إلى 600 كيلووات؛ وحصل على شهادة نوعية من DNV في عام 2026.شركة CorPower Ocean; CorPower، 2026).

وهذا النمط يدعو إلى التفكير. The best-known machines of the 2000s, Pelamis and Oyster, both worked at sea, and both companies failed before reaching commercial arrays, largely because the next step cost more than investors would risk. أما أطول محطة تعمل، وهي موتريكو، فهي صغيرة جداً وقد بنيت في كسوة أمواج كانت ضرورية على أي حال. الجيل الأحدث، بقيادة تصاميم مثل CorPower’s، وضعت البقاء والتحكم أولا والآن فقط ينتقل من آلة واحدة إلى أول صفيفة صغيرة.

ما هي تكلفتها

ولا توجد حتى الآن مزارع تجارية للأمواج، وبالتالي فإن كل رقم للتكلفة هو تقدير من النماذج الأولية والنماذج.

المصدر	ما هو	السعر
موتريكو، حسابنا من الأرقام المنشورة	6.4 مليون يورو لـ 266 ميغاواط/ساعة في عام 2023، لمدة 20 سنة بنسبة 7 في المائة حقيقية، قبل أي تكاليف تشغيلية	أكثر من 2 يورو لكل كيلووات/ساعة
نظم الطاقة البحرية (2015)	صفائف الموجة الثانية، متوسط بيانات التطوير	$0.21 to $0.67 لكل كيلووات ساعة
نظم الطاقة البحرية (2015)	أول مزارع موجية على نطاق تجاري: تقديرات المطورين/دراسات مرجعية مستقلة	$0.12 to $0.28 / $0.28 to $0.48 لكل كيلووات ساعة
نظم الطاقة البحرية (2015)	تكلفة تركيب الصفائف الأولى	$4,000 to $18,100 per kW
معيارنا المرجعي	الطاقة الشمسية على سطح مبنى، نموذج الحائط المروحي؛ لازارد 2026 للطاقة الشمسية التجارية والمجتمعية	0.19 دولار لكل كيلووات/ساعة; $0.09 to $0.20
لازارد (حزيران/يونيه 2026)	المرافق الجديدة للطاقة الشمسية/الرياح البرية/الرياح البحرية	$0.04 to $ 0.10/$0.04 to $ 0.10/$0.11 to $ 0.17 للكيلوواط الساعة

إن موتريكو ليست اختبارا عادلا للتكلفة؛ بل هي مجرد عرض عملي، حيث اختيرت توربينات صغيرة من أجل موثوقيتها. ولكنها تبين مدى بعد المعدات الحقيقية عن التقديرات الورقية. النطاق الصادق لمصفوفة صغيرة أولى اليوم هو تقريبا $0.30 to $0.70 لكل كيلووات/ساعة, مرتين إلى أربع مرات على الأسطح الشمسية. وتقول دراسات الصناعة أن المزارع التجارية يمكن أن تصل إلى $0.12 to $0.28، إذا بقيت الآلات على قيد الحياة، والتوافر مرتفع وتنخفض التكاليف مع الحجم. ولم تظهر أي من هذه الظروف في البحر حتى الآن.

حيث يمكنها الفوز، وحيث لا تستطيع

ويمكن أن يفوز:

• في البحر، حيث لا توجد شبكة كهربائية. وتستخدم الآن أجهزة استشعار المحيطات، والعوامات الملاحية، وأقفاص تربية المائيات، والمركبات المغمورة التي تحتاج إلى شحن جديد، والمنصات البحرية، البطاريات أو الديزل أو الألواح الشمسية التي لا تنتج سوى القليل في فصل الشتاء. وهنا تنافس آلة موجات صغيرة مع الطاقة الباهظة الثمن، وليس مع الطاقة الشمسية الرخيصة.
• Islands on energetic coasts, from the Hebrides to the Azores and the Pacific, where power already comes from imported diesel.
• Breakwaters and sea walls being built anyway, as at Mutriku, where the structure is already paid for.
• Alongside offshore wind farms, sharing cables, grid connections and maintenance vessels, and producing when the wind has dropped but the swell has not.
• As winter power at high latitudes, where waves are strongest when solar panels make least.

لا يمكن أن يفوز:

• As cheap bulk electricity, anywhere solar and wind farms can be built.
• On sheltered coasts and enclosed seas, where the average resource is a few kilowatts per metre.
• بدون إثبات البقاء على قيد الحياة أولا إن التصميم الذي لم يمر بشتاء في البحر لا يزال نموذجا مهما كانت نتائج خزانه جيدة.

ما هو مؤكد وممكن ومقبول

أثبتت: )ب( فيزياء الطاقة الموجية وتدفق القوة؛ وحدود اﻻستيعاب بالنسبة لﻷجسام المتذبذبة؛ وأن آلات اﻷمواج يمكن أن تولد الكهرباء في البحر وتُصدرها إلى الشبكة؛ وأن عمود مياه متذبذبا في كسارة أمواج يمكن أن يعمل لمدة تزيد على عقد من الزمن )موتريكو(؛ وأن المورد يكون أقوى ما يكون في الشتاء على السواحل التي تواجه الغرب عند خطوط العرض المتوسطة.

معقول: إن طرق التحكم الجديدة والهياكل الأخف وزناً قادرة على زيادة كفاءة الفولاذ في الحصول على الطاقة وقطعها لكل كيلوواط؛ وأن العوامات الممتصة للطاقة يمكن أن تستمر في الصمود أمام العواصف من النوع الذي واجهته سفن كور باور سي4 في عام 2023؛ وأن المصفوفات التي تتقاسم الرواسب والكابلات قادرة على خفض التكلفة؛ وأن أسواق مراقبة المحيطات وتربية الأحياء المائية ستدفع ثمن الآلات الصغيرة قبل أن تفعل الشبكة ذلك.

المضاربة: )ب( التصميمات المبتكرة: الطاقة الموجية على حساب الرياح البحرية؛ فوز تصميم واحد بالطريقة التي فازت بها التوربينات ذات الريش الثﻻث في مجال الرياح؛ صفائف كبيرة من مئات الميغاواط في العقد القادم.

أسئلة البحث المفتوحة

• البقاء والسيطرة معاً كيف نقوم بتشغيل آلة لالتقاط أكبر قدر من الموجات العادية بينما نقوم بتعطيلها بأمان في العاصفة، بشكل موثوق به لمدة عشرين عاماً.
• طاقة الإقلاع. تحويل القوى البطيئة والضخمة بصورة كفؤة ودائمة: الهيدروليكية، والمناقل المغناطيسية، والمولدات الخطية، والمواد المرنة التي هي نفسها مولدات.
• Moorings and structure. Less steel per kilowatt, and moorings that do not fail.
• صفائف. كيف تظل الآلات أو تساعد بعضها البعض في مجموعات، وكيف تتقاسم البنية التحتية.
• التقارب. أي الأسر المذكورة أعلاه، إن وجدت، هي الأرخص من الناحية الأساسية؟ وتوجد برامج عامة مثل Wave Energy Scotland للإجابة على هذا السؤال ببيانات مشتركة.
• Environment. Underwater noise, entanglement risk for marine mammals in moorings, and effects on coastal sediment when large arrays take energy from waves.

ما يحتاجه النموذج الأولي العامل

إن طاقة الأمواج لها طريق طويل من الفكرة إلى البحر، وذلك بالتحديد لأن العديد من الأفكار قد أخفقت على طول هذا الطريق. التكاليف الواردة أدناه هي تقديراتنا الأولية لفريق صغير.

المرحلة الدراسية	العمل	ماذا يثبت	التكلفة الإجمالية	الوقت
1 - النموذج العددي	نماذج في مجال التردد وفي المجال الزمني للآلة في حالات بحرية حقيقية (توجد أدوات مفتوحة مثل WEC-Sim)	عرض الالتقاط نظريا، الأحمال في العواصف	$10k to $40 ألف	2 to 4 months
2 - خزان موجي	نموذج بنسبة 1:50 إلى 1:20 في حوض موجات جامعي، موجات منتظمة وغير منتظمة، ثم موجات متطرفة، مع محاكاة انطﻻق القوى المقيسة على اﻷجهزة	نسبة عرض المصيد المقيسة وحمولات البقاء	$30k to $150 ألف	من 3 إلى 6 أشهر
3 - محاكمة البحر المحصن	آلة 1:4 إلى 1:10 في موقع مشتل مثل سكابا فلو التابع لمركز بحوث الطاقة النووية الأوروبي أو بي إم إيب في أسبانيا، تصدير إلى مصرف تحميل	الطاقة الحقيقية، المراسي، الصيانة، شتاء في البحر	$0.5 million to $3 ملايين	1 to 2 years
4 - النطاق الكامل	آلة واحدة في مرسى متصل بالشبكة في عرض البحر	بيانات الأداء والبقاء القابلة للاستخدام المصرفي	10 ملايين دولار فأكثر	عدة سنوات

Stage 2 is where a pitch starts to be credible: a model in a wave tank with a measured power take-off, showing both what it catches and what it survives.

من نحتاجه

• مهندسو المحيطات وأخصائيو الديناميكا المائية مع التفاعل بين الموجة والبنية وخبرة التحكم.
• مرافق خزانات الموجات في الجامعات والمختبرات الوطنية.
• أخصائيو أجهزة اﻻقﻻع بقوة الدفع: الهيدروليكا، المولدات الخطية، التروس المغنطيسية.
• مهندسو الهياكل البحرية والمراسي.
• العمليات البحرية :: الأشخاص الذين قاموا بتركيب واستعادة المعدات في البحر.
• علماء البيئة البحرية لرصد الضوضاء والتشابك.
• المستعملون في البحر: مزارع الأسماك، ومراصد المحيطات والمرافق العامة في الجزر التي ستشتري الآلات الأولى.

هل لديك فكرة أفضل؟

وقد يكون لبعض أعضاء المؤسسة اتصالات يمكنهم سماع الدعوى. To be pitched, an idea needs a working, real-life model that actually produces power, with its output measured on an instrument, not claimed: a model in a wave tank with a logged power take-off says more than any animation. والأفكار الورقية موضع ترحيب أيضاً: فإذا كانت الفيزياء والأرقام متينة، يمكننا نشرها هنا على الموقع الشبكي. ولكن جمع رأس المال بدون نموذج عامل أمر صعب للغاية، ولا يوجد هنا وعد بالتمويل أو العائدات أو العرض.

أرسل فكرتك من خلال نموذج المساهمة، واختار المبادرة الخضراء. أخبرنا عن الموجات التي صُممت من أجلها، وعرض الالتقاط الذي تتوقعه ولماذا، وكيف ستبقى حية في عاصفة، والتكلفة التقريبية لكل كيلووات ساعة، وأرخص اختبار يمكن أن يثبت خطئها. صفحة مصادر الطاقة تقارن قوة الموجة مع إحدى عشرة فكرة أخرى.

المصادر

1. غان، ك. وستوك - ويليامز، س. (2012). تحديد كمية الموارد العالمية من الطاقة الموجية. Renewable Energy 44, 296-304.
2. فالنس، ج. (2002). Ocean Waves and Oscillating Systems: Linear Interactions Including Wave-Energy Extraction (باللغة الإنجليزية). مطبعة جامعة كامبريدج.
3. باباريت، أ. (2015). قاعدة بيانات لنسبة عرض الالتقاط في محولات الطاقة الموجية. الطاقة المتجددة 80، 610-628.
4. نظم الطاقة البحرية (2015). تكلفة الطاقة المتوازنة دوليا لتكنولوجيات طاقة المحيطات.
5. Power wave, Wikipedia: the deep-water power flow formula (باللغة الإنجليزية).
6. Pelamis Wave Energy Converter، ويكيبيديا.
7. Aquamarine Power، ويكيبيديا.
8. محطة موتريكو لتوليد الطاقة من الموجات، ويكيبيديا، والمختبر الوطني لشمال غرب المحيط الهادئ، تيثيس، محطة موتريكو لتوليد الطاقة من الموجات.
9. Wave Hub، ويكيبيديا.
10. CorPower Ocean، ويكيبيديا، و CorPower Ocean (2026)، أول شهادة DNV في العالم لتكنولوجيا الطاقة الموجية.
11. طاقة الموجة اسكتلندا. مكتبة عامة لتقارير البرامج.
12. لازارد (يونيو 2026). تكاليف الطاقة المتوازنة +، الصيغة 19.
13. Local Solar System المؤسسة. The Fan Wall: open model and benchmark، الطاقة الشمسية على الأسطح بسعر 0.19 دولار لكل كيلووات ساعة.