Energia de les ones
Les onades són energia eòlica que l' oceà ha recollit i transportat durant milers de quilòmetres. N' hi ha molta, i continua arribant a la nit i a l' hivern. Després de cinquanta anys d' intents, ningú encara no ha construït una màquina d' ones que sigui dura i barata.
P123, via Wikimedia Commons
Si us poseu en una costa orientada a l’oest a l’hivern, ho sentireu pels peus: cada pocs segons, un mur d’aigua que ha viatjat per tot un oceà arriba i es trenca. Les ones són produïdes pel vent que bufa sobre milers de quilòmetres de mar obert, per tant són una forma concentrada i retardada d’energia eòlica. Segueixen arribant després que el vent hagi baixat, tant de nit com de dia, i més fortament a l’hivern, exactament quan els panells solars produeixen menys.
Aquesta és la promesa, i és real. Aquesta pàgina, escrita amb la mateixa honestedat que el nostre Investigació de la paret del ventilador, és sobre per què la promesa ha estat tan difícil de mantenir. La versió curta: **la física funciona i el recurs és gran, però una màquina d’ones ha de collir mars ordinaris mentre sobreviu a tempestes que porten cinquanta vegades més potència. Després de mig segle i moltes empreses fallides, l’energia de les onades segueix sent diverses vegades més cara que la solar, sense cap disseny guanyador encara. Pot guanyar primer on l’energia és cara i el mar és l’únic veí.
Què és
Un convertidor d’energia d’ona és qualsevol màquina que converteix el moviment de les ones en electricitat. A diferència del vent, on un disseny (la turbina de tres pales) ha guanyat, l’energia de les onades encara té centenars d’idees competidores. Es divideixen en algunes famílies:
- Absorbents de punts: boies que es balancegen cap amunt i avall i s’estiren contra una àncora o un flotador pesat. El C4 de CorPower n’és un.
- Attenuators: llargues cadenes de flotadors en forma de serp que es troben al llarg de la direcció de les ones, doblegant-se a les juntes. Pelamis va ser el famós exemple.
- Convertidors d’ona oscil·lant: aletes articulades al fons marí prop de la costa que balancegen endavant i enrere. L’Oyster de Aquamarine Power n’era una.
- Columnes d’ aigua oscil· lants: cambres obertes al mar per sota de la línia d’aigua. Les ones empunyen l’aigua cap amunt i avall, que empeny l’aire cap a dins i fora a través d’una turbina. Mutriku a Espanya en té setze construïts en un mur del port.
- Dispositius de sobrecàrrega: rampes que permeten que les onades es vessin a una conca elevada, i després drenen l’aigua a través de turbines de baixa altura.
Com funciona
Energia en una ona. L’energia d’una ona s’emmagatzema en part com a aigua elevada per sobre del nivell mitjà del mar i en part com el moviment de l’aigua. Per a un mar irregular descrit per la seva alçada d’ona significativa H (aproximadament l’altura mitjana del terç més alt de les onades), l’energia per metre quadrat de superfície marina és E = ρ g H² / 16, on ρ és la densitat de l’aigua de mar i g la gravetat. Doblejant l’alçada de l’ona quadruplica l’energia.
Potència, el nombre que importa. L’energia de les ones viatja a la velocitat de grup g T / 4π en aigües profundes, on T és el període d’ona. Multipliqueu l’energia per la velocitat i la potència que arriba al llarg de cada metre del front d’ona és P = ρ g² H² T / 64π, que funciona com a uns 0.49 × H² × T quilovats per metre. Un mar de 2,5 m amb un període de 9 s porta uns 28 kW per cada metre de costa: durant un any, l’electricitat de dotzenes de cases per metre, si tot això es pogués capturar. L’ explicador de dalt us permet provar altres mars.
Què fa l’aigua. En aigua profunda, l’aigua en una ona no viatja amb ella: cada partícula es mou en un cercle i torna gairebé a on va començar. Els cercles es redueixen ràpidament amb la profunditat; a mitja longitud d’ona avall, el moviment és només un 4% del que és a la superfície. Les ones d’aigua profunda són llargues: la longitud d’ona és d’uns 1.56 × T² metres, de manera que una ona de 9 s és de 126 m de cresta a cresta. És per això que la majoria de l’energia de les ones és prop de la superfície i per què les màquines suren o es troben en aigües poc profundes.
Per absorbir una ona, fes una ona. Una màquina d’ones pren energia movent-se de manera que cancel·la part de l’ona entrant. Per a una boia flotant que només es mou cap amunt i cap avall, això estableix un famós límit: per gran que sigui, no pot capturar més que la potència que arriba a través d’una amplada de λ / 2π, una longitud d’ona dividida per 2π, uns 20 m per a una ona de 9 s (Falnes, 2002). Arribar fins i tot a això necessita que el moviment de la boia es mantingui al mateix ritme que les onades, raó per la qual els sistemes de control que sintonitzen una màquina amb cada onada que passa són tan importants. A la pràctica, les màquines mesurades i modelades típicament capturen entre una desena part i un terç de la potència que arriba a través de la seva pròpia amplada (Barcelona, 2015).
Forces lentes i enormes. Una onada empunya amb una força enorme però es mou lentament, un metre o dos cada pocs segons. Els generadors prefereixen moviments ràpids i suaus, així que cada màquina d’ones necessita un presa de potència que converteix un en l’altre: rams i motors hidràulics, turbines d’aire, generadors lineals de conducció directa o caixes de canvi mecàniques. Molt de l’enginyeria, i molt del fracàs, passa aquí.
Els límits: teòrics i pràctics
El recurs. De mitjana, al voltant de 2.1 TW d’energia de les onades arriben a les costes del món, del mateix ordre que l’ús mitjà mundial d’electricitat d’uns 3.4 TW (Gunn i Stock-Williams, 2012). Només se’n pot extreure una fracció: les màquines no poden vorejar totes les costes, l’energia es perd quan les onades arriben a aigües poc profundes i gran part del recurs està en remots oceans meridionals. Les costes més riques s’enfronten als vents predominants de l’oest entre uns 40 i 60 graus de latitud: Irlanda, Escòcia, Portugal, Xile, el sud d’Austràlia, Nova Zelanda, el Pacífic nord-oest dels Estats Units. Els mars tancats com el Mediterrani reben només uns quants quilowatts per metre.
El problema de la tempesta. El botó de tempesta de l’ explicador fa visible la dificultat central. Una màquina està dissenyada per fer la major part dels seus diners en mars d’1 a 4 m, però ha de sobreviure a mars de 10 a 15 m, portant cinquanta o més vegades la potència, i onades individuals encara més altes. Dissenyar una estructura per a la tempesta la fa pesada i cara; dissenyar-la per al mar mitjà la fa fràgil. Les turbines eòliques resolen això girant les seves pales fora del vent. Una màquina d’onades no pot sortir del mar.
Cansament. Amb un període de 8 segons, una màquina es troba al voltant quatre milions d’ones a l’anycadascuna flexionant, empenyent i torçant les seves articulacions, segells i amarratges. En vint anys, això són uns vuitanta milions de cicles de càrrega en aigua salada.
Accés i amarratges. Com tota l’energia marina, les màquines d’ona només es poden instal·lar i reparar en temps calmat, i estan situades precisament on el temps és pitjor. Els amarratges han de sostenir un cos en moviment en mar oberta sense trencar-se o arrossegar.
Projectes reals, mesurats
| Projecte | On | Tipus i mida | Què ha passat? |
|---|---|---|---|
| Pelamis | Aguçadoura, Portugal, després EMEC, Orkney | Atenuador, 750 kW, de 120 a 180 m de llarg | La primera granja d’ones multi-màquina: tres màquines, 2.25 MW, van començar a exportar al juliol de 2008 i es van desconnectar el novembre de 2008 quan el propietari del projecte va tenir problemes financers. La màquina P2-001 posterior va completar més de 15.000 hores operatives a l’EMEC. Pelamis Wave Power va entrar en administració al novembre de 2014 (Pelamis). |
| Ostra | EMEC, Orkney | Aleta prop de la costa, 315 kW després 800 kW | La primera màquina instal·lada el 2009, la segona generació provada del 2012 al 2015. Aquamarine Power va cridar als administradors a l’octubre de 2015 (Aquamarine Power). |
| Mutriku | País Basc, Espanyaspain. kgm | 16 columnes d’aigua oscil·lant en un trenca-ona del port, 296 kW | En funcionament des de juliol del 2011. Més de 3 GWh en total a finals del 2023; 266 MWh el 2023, un factor de capacitat d’un 10%. Les seves turbines Wells converteixen al voltant del 30% de la potència aerodinàmica en electricitat. Cost: 6,4 milions d’euros (Mutriku; Tethys, PNNL). |
| Onda concentrada | Cornualla, Anglaterra | Sòcol de prova connectat a la xarxa per a màquines de fins a 20 MW | Va ser instal·lat el 2010 amb diners públics. El 2018 no s’hi havia produït electricitat; més tard, el lloc es va convertir en un aerogenerador flotant (Wave Hub). |
| CorPower C4 | Aguçadoura, Portugal | Boia d’absorció de punts, 300 kW nominals, 9 m d’ample, 19 m d’alçada | Exportació des d’octubre de 2023; ha sobreviscut a onades de 18,5 m en la tempesta Domingos al novembre de 2023; va informar pics de fins a 600 kW; certificació de tipus per DNV el 2026. Es planeja una petita sèrie de boies més al mateix lloc (CorPower Ocean; CorPower, 2026). |
El patró és sobtat. Les màquines més conegudes dels anys 2000, Pelamis i Oyster, ambdues van treballar al mar, i ambdues companyies van fallar abans d’arribar a matrius comercials, en gran part perquè el següent pas costava més del que els inversors es podrien arriscar. La planta més antiga, Mutriku, és minúscula i va ser construïda en un trencaaigües que es necessitava de totes maneres. La nova generació, liderada per dissenys com CorPower, ha posat la supervivència i el control primer i només ara es mou d’una màquina a una primera petita matriu.
Quant costa
Encara no hi ha cap granja d’ones comercial, de manera que cada xifra de cost és una estimació de prototips i models.
| Font | Què és | Preu |
|---|---|---|
| Mutriku, el nostre càlcul a partir de les dades publicades | 6,4 milions d’euros per 266 MWh el 2023, 20 anys al 7% real, abans de qualsevol cost de funcionament | més de 2 € per kWh |
| Sistema d’energia oceànica (2015) | Array de segona ona, mitjana de dades del desenvolupador | $0.21 to $0.67 per kWh |
| Sistema d’energia oceànica (2015) | Primeres granges d’ones a escala comercial: estimacions dels desenvolupadors / estudis de referència independents | $0.12 to $0.28 / $0.28 to $0.48 per kWh |
| Sistema d’energia oceànica (2015) | Cost instal· lat dels primers arranjaments | $4,000 to $18,100 per kW |
| El nostre punt de referència | Solar en un edifici, model de paret amb ventilador; Lazard 2026 solar comercial i comunitari | $0.19 per kWh; $0.09 to $0.20 |
| Lazard (juny 2026) | Nova utilitat solar / eòlica terrestre / eòlica marina | $0.04 to $0.10 / $0.04 to $0.10 / $0.11 to $0.17 per kWh |
Mutriku no és una prova justa de cost; va ser una demostració, amb petites turbines triades per la seva fiabilitat. Però mostra com de lluny està el maquinari real dels estalvis del paper. L’abast honest per a un primer petit conjunt avui és aproximadament $0.30 to $0,70 per kWh, de dues a quatre vegades el solar del terrat. Els estudis de la indústria diuen que les granges comercials podrien arribar a $0.12 to $0,28, si les màquines sobreviuen, la disponibilitat és alta i els costos cauen amb el volum. Cap d’aquestes condicions encara s’ha demostrat al mar.
On pot guanyar, i on no pot
Pot guanyar:
- Al mar, on no hi ha xarxa. Els sensors oceànics, les boies de navegació, els pinsos d’aqüicultura, els vehicles submarins que necessiten recarregar-se i les plataformes en alta mar ara funcionen amb bateries, dièsel o panells solars que fan poc a l’hivern. Aquí una petita màquina d’ones competeix amb energia cara, no amb solar barata.
- Illes en costes energètiques, des de les Hèbrides fins a les Açores i el Pacífic, on l’energia ja prové del dièsel importat.
- De totes maneres es construeixen trenca-ones i dics., com a Mutriku, on l’estructura ja està pagada.
- Al costat de parcs eòlics offshore, compartint cables, connexions a la xarxa i vaixells de manteniment, i produint quan el vent ha caigut però l’onada no.
- Com a potència hivernal en latituds altes, on les onades són més fortes quan els panells solars fan menys.
No pot guanyar:
- Com a electricitat barata a granel, on es puguin construir parcs solars i eòlics.
- Sobre costes abriades i mars tancats, on el recurs mitjà és d’uns quants kilowatts per metre.
- Sense demostrar la supervivència primer. Un disseny que no ha passat un hivern al mar encara és un model, per molt bons que siguin els seus resultats de tanc.
El que és provat, plausible i especulatiu
Provat: la física de l’energia de les onades i el flux d’energia; els límits de captura per a cossos oscil·lants; que les màquines d’onades poden generar electricitat al mar i exportar-la a la xarxa; que una columna d’aigua oscil·lant en un trenca-ones pot funcionar durant més d’una dècada (Mutriku); que el recurs és més fort a l’hivern en costes orientades cap a l’oest a latituds mitjanes.
Plausible: que nous mètodes de control i estructures més lleugeres poden augmentar la captura i tallar acer per quilowatt; que les boies d’absorció puntual poden sobreviure a tempestes com la C4 de CorPower va patir el 2023; que els dispositius que comparteixen amarratges i cables poden reduir costos; que els mercats d’observació oceànica i aqüicultura pagaran per petites màquines abans que ho faci la xarxa.
Especulatiu: energia de les onades a costa del vent oceànic; un sol disseny que guanya com la turbina de tres pales va guanyar per al vent; grans matrius de centenars de megawatts en la propera dècada.
Preguntes obertes de recerca
- Supervivència i control junts. Com afinar una màquina per capturar el màxim d’ones ordinàries mentre es desafina de manera segura en una tempesta, de forma fiable, durant vint anys.
- Pressió de sortida. Conversió eficient i duradora de forces lentes i enormes: hidràulics, engranatges magnètics, generadors lineals, materials flexibles que són ells mateixos generadors.
- Amoratges i estructura. Menys acer per quilowatt, i amarratges que no fallin.
- Arrays. Com les màquines s’ombregen o s’ajuden entre elles en grups, i com compartir infraestructura.
- Convergència. Quina de les famílies anteriors, si n’hi ha alguna, és fonamentalment més barata? Existeixen programes públics com Wave Energy Scotland per respondre a això amb dades compartides.
- Medi ambient. Soroll submarí, risc d’embolicament per a mamífers marins en amarratges i efectes sobre els sediments costaners quan grans matrius prenen energia de les ones.
El que necessitaria un prototip de treball
L’energia de les onades té un camí ben triat des de la idea fins al mar, precisament perquè moltes idees han fracassat en aquest camí. Els costos a sota són les nostres estimacions aproximades per un equip petit.
| Etapa | Treball | El que prova | Cost aproximat | Hora |
|---|---|---|---|---|
| 1. Model numèric | Models de domini de freqüència i domini de temps de la màquina en estats reals del mar (existeixen eines obertes com WEC-Sim) | Amplada de captura en teoria, càrregues en tempestes | $10k to $40k | 2 a 4 mesos |
| 2. Tanc d’ona | Un model a escala 1:50 a 1:20 en una conca d’ones universitària, onades regulars i irregulars, després onades extremes, amb un enlairament simulat de potència mesurat amb instruments | Relació d’amplada de captura mesurada i càrregues de supervivència | $30k to $150k | 3 a 6 mesos |
| 3. Prova a l’aigua protegida | Una màquina de 1: 4 a 1: 10 en un lloc d’ incubació com ara Scapa Flow o BiMEP de l’ EMEC a Espanya, exportant a un banc de càrrega | Potència real, amarratges, manteniment, un hivern al mar. | $0.5 million to $3 milions | 1 a 2 anys |
| 4. Escala completa | Una màquina en un amarratge connectat a la xarxa de mar obert | Dades de rendiment i supervivència bancables | 10 milions de dòlars i més | diversos anys |
L’etapa 2 és on un llançament comença a ser creïble: un model en un tanc d’onades amb una presa de potència mesurada, mostrant tant el que atrapa com el que sobreviu.
Qui necessitem
- Enginyers oceànics i hidrodinàmics amb interacció d’estructures d’ones i experiència de control.
- Instal·lacions de tancs d’ones a universitats i laboratoris nacionals.
- Especialistes en presa de forçaHidràulics, generadors lineals, engranatges magnètics.
- Enginyers estructurals d’amarratge i mar endins.
- Operacions marines persones que han instal·lat i recuperat equip al mar.
- Ecologistes marins per a la monitorització de soroll i embuts.
- Usuaris al mar: granges de peixos, observatoris oceànics i serveis públics insulars que comprarien les primeres màquines.
Tens una idea millor?
Alguns membres de la Fundació poden tenir contactes que podrien sentir un to. Per ser llançada, una idea necessita un model de treball, real que produeix energia, amb la seva sortida mesurada en un instrument, no reclamat: un model en un tanc d’ona amb una presa de potència registrada diu més que qualsevol animació. Les idees en paper també són benvingudes: si la física i els números són sòlids, les podem publicar aquí al lloc web. Però recaptar capital sense un model de treball és molt difícil, i res aquí no és una promesa de finançament, rendibilitat o introduccions.
Envieu la vostra idea a través del formulari de contribució, escollint la Iniciativa Verda. Digueu-nos per a quines ones està dissenyat, l’amplada de captura que espereu i per què, com sobreviurà una tempesta, un cost aproximat per kWh, i la prova més barata que podria demostrar que està equivocat. La pàgina fuentes d’energia compara la potència de les ones amb onze altres idees.
Fonts
- Gunn, K. i Stock-Williams, C. (2012). Quantificació del recurs global d’energia de les ones. Renewable Energy 44, 296-304.
- Falcó, J. (2002). Ondades oceàniques i sistemes oscil·lants: interaccions lineals incloent l’extracció d’energia de les ones. Cambridge University Press. (anglès)
- A. Babià, pàg. (2015). Una base de dades de la relació d’amplada de captura dels convertidors d’energia d’ona. 80, 610-628. (anglès).
- Ocean Energy Systems (2015). Cost internacional d’energia per a tecnologies d’energia oceànica.
- Potència de les ones, Wikipedia: la fórmula del flux de potència d’aigua profunda.
- Pelamis Wave Energy Converter, Viquipèdia.
- Aquamarine Power, Wikipedia.
- Mutriku Breakwater Wave Plant, Wikipedia, i Pacific Northwest National Laboratory, Tethys, Mutriku wave power plant.
- Wave Hub, Viquipèdia.
- CorPower Ocean, Wikipedia, i CorPower Ocean (2026), primera certificació DNV del món per a la tecnologia d’energia de les onades.
- Energia elèctrica a Espanya. Biblioteca pública d’informes de programes.
- Lazard (juny de 2026). Levelized Cost of Energy+, versió 19.
- Fundació Local Solar System. The Fan Wall: open model and benchmark, solar en el terrat a 0,19 dòlars per kWh.
- Islay LIMPET, Wikipedia: una columna d’aigua oscil·lant de 250 kW a la costa, connectada a la xarxa el 2000 i desmantellades el 2011.
- Wave Dragon, Wikipedia: el prototip a escala 1:4.5 de Nissum Bredning, 2003-2010.
- «BiMEP (2026)» (en anglès). BiMEP està allotjant el nou dispositiu flotant de l’IDOM: la columna d’aigua oscil·lant MARMOK-A5, i una versió anterior provada des de 2016 a 2019.
- Teoria de les ones aèries i Turbina de Wells, Viquipèdia: òrbites de partícules sota ones, i una turbina d’aire que gira en la mateixa direcció en ambdues direccions.