Волновая энергия

Если зимой вы стоите на берегу, обращенном к западу, то можете почувствовать это своими ногами: каждые несколько секунд прибывает и разрушается стена воды, которая прошла через океан. Волны создаются ветром, дующим на тысячи километров в открытом море, поэтому они представляют собой сконцентрированную, задерживаемую форму энергии ветра. Они продолжают прибывать после того, как ветер опустился, ночью и днем, а наиболее сильно зимой, именно тогда, когда солнечные батареи работают меньше всего.

Это - истинное обещание. Эта страница, написанная с той же честностью, что и наша Fan Wall исследования, о том, почему обещание было так трудно сдержать. Короткая версия: физика работает, и ресурс велик, но волновая машина должна собирать урожай из обычных морей, выживая в бурях, которые несут в пятьдесят раз больше энергии. После полувека и многих неудачных компаний, энергия волн остается в несколько раз дороже солнечной энергии, при этом пока еще нет победителя. Она может победить там, где электроэнергия дорога и море является единственным соседом.

Что это такое

Волновой преобразователь энергии - это любая машина, которая превращает движение волн в электричество. В отличие от ветра, где победил один проект (трехлопастная турбина), в области волновой энергии по-прежнему существуют сотни конкурирующих идей. Они подразделяются на несколько семейств:

• Точечные поглотители: буи, которые взмахивают вверх и вниз и тянутся к якору или тяжёлому поплавку. КорПауэр С4 - один из них.
• Аттенюаторы: длинные, змеевидные цепи поплавков, расположенные в направлении волн, изгибающиеся на соединениях. Пеламис был известным примером.
• Осцилляция волновых преобразователей: откидные клапы на морском дне вблизи берега, которые качаются туда и обратно. Одним из них был “Острие” Аквамарина Пауэра.
• Колебающиеся водяные столбы: камеры, открытые к морю ниже ватерлинии. Волны толкают воду внутри вверх и вниз, что толкает воздух внутрь и наружу через турбину. Mutriku in Spain has sixteen of them built into a harbour wall.
• Перекрывающие устройства: рампы, которые позволяют волнам просачиваться в поднятый бассейн, а затем спускать воду обратно через низкогорные турбины.

Как это работает

Энергию волны. Энергия волны хранится частично как вода, поднятая над средним уровнем моря и частично как движение воды. Для неровного моря, характеризующегося значительной высотой волн H (примерно средней высотой самой высокой трети волн), энергия на квадратный метр поверхности моря равна E = ρ g H² / 16, где ρ - плотность морской воды и g - сила притяжения. Удвоение высоты волны удваивает энергию в четыре раза.

Мощность, число, которое имеет значение. Волновая энергия перемещается с групповой скоростью g T / 4π в глубокой воде, где T - период волны. Умножим энергию на скорость и мощность, приходящая вдоль каждого метра волнового фронта P = ρ g² H² T / 64π, которая работает как около 0.49 × H² × T киловатт на метр. Море глубиной 2,5 м с периодом 9 секунд переносит около 28 кВт через каждый метр берега: в течение года на метр приходится электричество десятков домов, если бы все это можно было поймать. Вышеприведенный объяснитель позволяет вам попробовать другие моря.

Что делает вода. В глубокой воде вода в волне не движется с ней: каждая частица движется по кругу и возвращается почти к тому месту, откуда она началась. Круги быстро сокращаются с глубиной; на половине длины волны вниз, движение составляет только около 4% от того, что на поверхности. Глубоководные волны длинные: длина волны составляет около 1.56 × T² метров, так что 9-секундная волна имеет длину 126 м от гребня до гребня. Именно поэтому большая часть энергии волн находится близко к поверхности и именно поэтому машины плавают или сидят в мелководье.

Чтобы поглотить волну, создайте волну. Волновая машина получает энергию путем движения таким образом, что она отменяет часть входящей волны. Для плавающего буя, который движется только вверх и вниз, это устанавливает известный предел: как бы он ни был велик, он не может поглотить больше, чем сила, приходящая через ширину λ / 2π, одну длину волны, поделенную на 2π, около 20 м для волны 9 с (Falnes, 2002). Для достижения даже этого необходимо, чтобы движение буя соответствовало волнам, поэтому системы управления, которые настраивают машину на каждую проходящую волну, имеют такое большое значение. На практике измеренные и смоделированные машины, как правило, поглощают от одной десятой до одной трети мощности, поступающей через их собственную ширину (Баку, 2015.).

Медленные, огромные силы. Волна толкает с огромной силой, но движется медленно, метр или два каждые несколько секунд. Генераторы предпочитают быстрое, мягкое движение, поэтому каждая волновая машина нуждается в отвод мощности преобразует одно в другое: гидравлические бараны и двигатели, воздушные турбины, линейные генераторы с прямым приводом или механические коробки передач. Большая часть инженерных разработок и большая часть неудач происходит здесь.

Пределы: теоретические и практические

Ресурс. В среднем по планете, около 2,1 ТВт волновой энергии достигает мировых берегов, того же порядка, что и среднее потребление электроэнергии в мире около 3,4 ТВт (Gunn and Stock-Williams, 2012). Можно взять только часть: машины не могут обойти все берега, энергия теряется, когда волны достигают мелководья, и большая часть ресурса находится в отдаленных южных океанах. Наиболее богатые побережья находятся под воздействием преобладающих западных ветров в диапазоне от 40 до 60 градусов широты: Ирландия, Шотландия, Португалия, Чили, южная Австралия, Новая Зеландия, тихоокеанский северо-запад Соединенных Штатов. В замкнутых морях, таких как Средиземное море, на метр получается лишь несколько киловатт.

Задача о буре. Кнопка “Буря” в объяснении делает видной главную трудность. Машина предназначена для того, чтобы зарабатывать большую часть своих денег в морях глубиной от 1 до 4 метров, но она должна выжить в морях глубиной от 10 до 15 метров, неся в пятьдесят и более раз больше энергии, а также одиночные волны еще выше. Разработка конструкции для шторма делает ее тяжелой и дорогой; разработка для среднего моря делает ее хрупкой. Ветровые турбины решают эту проблему, поворачивая свои лопасти в сторону от ветра. Волновая машина не может выйти из моря.

Усталость. С периодом 8 секунд, машина встречает около четыре миллиона волн в год, каждый из которых изгибает, толкает и скручивает свои соединения, уплотнения и швартовки. За двадцать лет это около восьмидесяти миллионов циклов нагрузки в соленой воде.

Доступ и швартовки. Как и все морские энергетические установки, волновые машины могут устанавливаться и ремонтироваться только в спокойную погоду, и они располагаются именно там, где погода хуже всего. Швартовные устройства должны удерживать движущееся судно в бурном море без скольжения или оттягивания.

Реальные проекты, измеренные

Проект	Где	Тип и размер	Что произошло
Пеламис	Агусадура, Португалия, затем ЭМЕК, Оркнейские острова	Аттенюатор, 750 кВт, длина 120-180 м	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).
Устрицы	EMEC, Оркнейские острова	Прибрежный клапан, 315 кВт, затем 800 кВт	Первая машина установлена в 2009 году, второе поколение тестировалось с 2012 по 2015 год. Aquamarine Power вызвал администраторов в октябре 2015 года (Aquamarine Power).
Мутрику	Страна Басков, Испания	16 волнообразных водяных столбов в гаванском волноломе, 296 кВт	В эксплуатации с июля 2011 года. Свыше 3 ГВт в общей сложности до конца 2023 года; 266 МВт в 2023 году, коэффициент производительности около 10%. Его турбины Wells преобразуют около 30% энергии ветра в электроэнергию. Стоимость € 6,4 млн (Mutriku; Tethys, PNNL).
Вольв-концентратор	Корнуолл, Англия	Тестовая розетка для подключения к электросети для машин мощностью до 20 МВт	Установлен в 2010 году за государственные деньги. К 2018 году на этом участке не производилось электричества; позже он был переведен на плавающий морской ветер (Wave Hub).
Корпауэр С4	Агусадора	Буй с точечным поглощением, номинальная мощность 300 кВт, ширина 9 м, высота 19 м	Экспортируется с октября 2023 года; пережил волны 18,5 м во время шторма Домингоса в ноябре 2023 года; сообщил о пиках до 600 кВт; типовая сертификация DNV в 2026 году. На том же месте планируется небольшая группа дополнительных буев (CorPower Ocean; CorPower, 2026).

Эта картина отрезвляет. Самые известные машины 2000-х годов, Pelamis и Oyster, работали в море, и обе компании потерпели неудачу до того, как достигли коммерческих массивов, во многом потому, что следующий шаг стоил больше, чем инвесторы рисковали. Самая старая установка, Мутрику, очень маленькая и была построена на волноломе, который был необходим в любом случае. Новое поколение, возглавляемое такими конструкциями, как CorPower, поставило выживание и контроль на первое место и только сейчас переходит от одной машины к первому небольшому массиву.

Что это стоит

Пока не существует коммерческой волновой фермы, поэтому каждая цифра стоимости является оценкой из прототипов и моделей.

Источник	Что это такое	Цена
Мутрику, наши расчеты по опубликованным цифрам	6,4 млн. евро за 266 МВт·ч в 2023 году, 20 лет при реальной ставке 7%, до любых текущих расходов	свыше 2 евро за кВт.ч
Океанические энергетические системы (2015 год)	Вторая волна массивов, усредненные данные разработчика	$0.21 to $ 0,67 за кВт·ч
Океанические энергетические системы (2015 год)	Первые волновые фермы коммерческого масштаба: оценки разработчиков / независимые справочные исследования	$0.12 to $0,28/$0.28 to $0,48 за кВт·ч
Океанические энергетические системы (2015 год)	Стоимость установки первых массивов	$4,000 to $18,100 per kW
Наши критерии	Солнечная энергия на крыше здания, модель Fan Wall; коммерческая и общинная солнечная энергия Lazard 2026	0,19 долл. США за кВт·ч; $0.09 to $0.20
Лазард (июнь 2026)	Новые энергетические объекты, работающие на солнечной/береговой ветровой/морской ветровой энергии	$0.04 to $0,10/$0.04 to $0,10/$0.11 to $0,17 за кВт·ч

Мутрику не является справедливым тестом стоимости; это была демонстрация, с малыми турбинами, выбранными для надежности. Но это показывает, насколько далеко реальное оборудование от бумажных оценок. Честный диапазон для первого небольшого массива сегодня является примерно $0.30 to $0,70 за кВт·ч, два до четырех раз на крыше солнечной. Исследования, проведенные самими производителями, показывают, что коммерческие фермы могут достичь $0.12 to $0.28, если машины выживут, доступность будет высокой и стоимость снизится вместе с объемом производства. Ни одно из этих условий пока не было продемонстрировано в море.

Где она может победить, а где нет

Он может выиграть:

• В море, где нет сетки. Датчики океана, навигационные буи, аквакультурные ручки, подводные аппараты, которые нуждаются в перезарядке и морские платформы теперь работают на батареях, дизельном топливе или солнечных панелях, которые мало делают зимой. Здесь небольшая волновая машина конкурирует с дорогой энергией, а не с дешевой солнечной.
• Острова на энергетических берегах, от Гебридов до Азорских островов и Тихого океана, где энергию уже получают с помощью импортируемого дизельного топлива.
• В любом случае, строятся волноломы и морские стены, как в Мутрику, где строительство уже оплачено.
• Наряду с морским ветряным парком, совместное использование кабелей, подключений к электросети и обслуживающих судов, а также производство энергии в периоды ослабления ветра, но не приливов.
• Как зимняя мощность в высоких широтах, где волны сильнее всего тогда, когда солнечные батареи работают меньше всего.

Он не может выиграть:

• Как дешевое оптовое электроэнергию, где солнечные и ветровые фермы могут быть построены.
• На защищенных берегах и замкнутых морях, где средний ресурс составляет несколько киловатт на метр.
• Не доказывая выживания сначала. Конструкция, которая не прошла через зиму в море, все еще является моделью, как бы хорошо ее танк не работал.

Что доказано, правдоподобно и спекулятивно

Доказано: физика волновой энергии и потока мощности; ограничения захвата для колебающихся тел; что волновые машины могут генерировать электроэнергию в море и экспортировать ее в сеть; что колебающийся водяной столб в волноломе может работать более десяти лет (Мутрику); что ресурс наиболее силен зимой на западных побережьях в средних широтах.

Вероятно: что новые методы управления и более легкие конструкции могут повысить захватывающие и разрезные стали на киловатт; что точечные поглощающие буи могут выжить в штормах, подобных тому, с которым CorPower’s C4 встретился в 2023 году; что массивы совместного использования швартовки и кабелей могут снизить стоимость; что рынки океанского наблюдения и аквакультуры будут платить за небольшие машины раньше, чем сеть.

Спекулятивные: волновая энергия за счет морского ветра; единая конструкция, выигрывающая так же, как трехлопастная турбина выиграла для ветра; большие массивы сотен мегаватт в следующем десятилетии.

Открытые исследовательские вопросы

• Выживание и контроль вместе. Как настроить машину, чтобы получить максимальную отдачу от обычных волн, одновременно безопасно разгоняя ее в шторм, надежно, на двадцать лет.
• Отвод мощности. Эффективное, долговечное преобразование медленных, огромных сил: гидравлика, магнитные редукторы, линейные генераторы, гибкие материалы, которые сами являются генераторами.
• Швартовки и конструкция. Меньше стали на киловатт, и швартовки, которые не провалятся.
• Массивы. Как машины тенят или помогают друг другу в группах, и как делиться инфраструктурой.
• Сближение. Какое из вышеуказанных семейств, если таковые имеются, является фундаментально дешевле всего. Для ответа на этот вопрос существуют публичные программы, такие как Wave Energy Scotland, которые предоставляют общие данные.
• Environment. Underwater noise, entanglement risk for marine mammals in moorings, and effects on coastal sediment when large arrays take energy from waves.

Что нужно для рабочего прототипа

Волновая энергия имеет хорошо проделанный путь от идеи к морю, именно потому что так много идей потерпели неудачу на этом пути. Ниже приведены наши приблизительные расходы на небольшую команду.

Этап	Работа	Что это доказывает	Приблизительная стоимость	Время
1. Численная модель	Модели в частотной и временной областях для реальных морских условий (имеются открытые инструменты, такие как WEC-Sim)	Ширина захвата в теории, нагрузки в штормах	$10k to $40к	2-4 месяца
2. Волновой бак	Модель в масштабе 1:50-1:20 в университетском волноводе, регулярные и нерегулярные волны, затем экстремальные волны с моделированием привода, измеряемого на приборах	Измеренное соотношение ширины поимки и нагрузки на выживание	$30k to $150к	3-6 месяцев
3. Испытание в защищенном море	Машина 1:4 до 1:10 на питомнике, например в Скапа-Флоу или БиМЭП в Испании, экспортирующая в банк грузов	Реальная мощность, швартовки, обслуживание, зима в море	$0.5 million to $3 млн.	От 1 до 2 лет
4. Полная шкала	Одна установка на причале в открытом море, подключенном к сети	Данные о банковской деятельности и выживании	10 млн. долл. США и более	несколько лет

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.

Кто нам нужен

• Инженеры-гидродинамики океана с волновой структурой взаимодействия и опыта управления.
• Волновые баки в университетах и национальных лабораториях.
• Специалисты по взлётно-посадочным системам: гидравлика, линейные генераторы, магнитная передача.
• Швартовные и морские строительные инженеры.
• Морские операции люди, которые установили и восстановили оборудование в море.
• Морские экологи для мониторинга шума и запутывания.
• Пользователи в море: рыбные фермы, океанские обсерватории и островные коммунальные службы, которые купят первые машины.

Есть идея получше?

Некоторые члены Фонда могут иметь контакты, которые могли бы услышать предложение. Для того чтобы быть представленной, идея нуждается в работающей, реальной модели, которая фактически производит мощность, с ее выходом измеренным на приборе, не заявленном: модель в волновом резервуаре с зарегистрированным взлетом мощности говорит больше, чем любая анимация. Идеи на бумаге также приветствуются: если физика и числа тверды, мы можем опубликовать их здесь на сайте. Но привлечение капитала без рабочей модели очень трудно, и здесь нет никаких обещаний финансирования, доходов или введений.

Отправьте свою идею через форму вклада, выбрав Зеленую инициативу. Расскажите нам, для каких волн он предназначен, какую ширину захвата вы ожидаете и почему, как он переносит шторм, приблизительную стоимость за кВтч и самый дешевый тест, который мог бы доказать его несостоятельность. На странице energy sources page сравнивают волновую энергию с одиннадцатью другими идеями.

Источники

1. Ганн, К. и Сток-Уильямс, С. (2012). Количественная оценка глобальных ресурсов волновой энергии. Возобновляемые источники энергии 44, 296-304.
2. Фальнес, Дж. (2002). Океанические волны и осцилирующие системы: линейные взаимодействия, включая извлечение энергии волн. Кембриджский университет.
3. Бабарит, А. (2015). База данных по коэффициенту захвата волновых преобразователей энергии. Возобновляемые источники энергии 80, 610-628.
4. Океанические энергетические системы (2015). Международная уравненная стоимость энергии для океанских энергетических технологий.
5. Волновая мощность, Википедия: формула глубоководного энергетического потока.
6. Перетворитель волновой энергии Пеламис, Википедия.
7. Аквамариновая сила, Википедия.
8. Вольноволновая электростанция Мутрику, Википедия, и Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория, Тетис, Волновая электростанция Мутрику.
9. Wave Hub, Википедия.
10. CorPower Ocean, Wikipedia, и CorPower Ocean (2026), первая в мире DNV-сертификация для технологии волновой энергии.
11. Энергетика Шотландии. Общественная библиотека докладов по программам.
12. Lazard (June 2026). Уровненная стоимость энергии+, версия 19.
13. Local Solar System Фонд. The Fan Wall: открытая модель и эталон, солнечная энергия на крыше по цене $0.19 за кВт/ч.