Elektrit saab merest
Ülo Vaher
01.01.2010

Viimased aastakümned otsib inimkond aktiivselt alternatiivseid energiakandjaid-allikaid. Nende seas on uueks kiiresti pead tõstvaks tegijaks kujunemas mere/ookeani vesi oma ammendamatu ressursiga, millest ainuüksi 0,5% ärakasutamine rahuldaks kogu energiavajaduse.

Jõgesid kui hüdroenergiaallikaid on kasutatud juba üle saja aasta ning need võimalused on praktiliselt ammendatud, vähemalt ilma suurte kunstlike veehoidlate loomiseta. Tohutute energiaressurssidega ookeanide ja merede vesi pakub uusi võimalusi. Paljud riigid on juba loonud uurimis- ja arenduskeskusi ning koostanud programme ja projekte nende võimaluste väljaselgitamiseks ja sellekohaste tehnoloogiate ning seadmete loomiseks. Teadlased ja insenerid on jõudnud ka esitada sadakond erinevat tehnilist lahendust.

Loodete energia
See on tõusude ja mõõnade ajal liikuvates veevoogudes peituv energia. Looded tekivad teatavasti Kuu gravitatsiooni ja Maa pöörlemise tsentrifugaaljõu koosmõjul. Maa keskpunktis on need jõud omavahel tasakaalus, kuid Maa Kuu-poolsel küljel saab Kuu gravitatsioonijõud ülekaalu ja tõmbab veemasse enda poole, st põhjustab tõusu, samal ajal Maa vastasküljel ületab tsentrifugaaljõud Kuu külgtõmbejõu ja surub veemassid tsentrist eemale e kalda poole, mis samuti põhjustab tõusu. Kuu külgetõmbejõu erinevus Maa vastaskülgedel küünib 6,5%ni. Loodeid põhjustab ka Päike, kuid 2,5 korda väiksemaid kui Kuu. Päikese toime liitub Kuu omaga täiskuu ja kuuloomise aegadel, mil looded saavutavad oma maksimumi, Kuu esimese ja viimase veerandi aegu Päikesest tingitud looded vähendavad Kuu omasid. Loodeline veeliikumisega seotud tõusu perioodiks on 12 tundi 25 minutit (ööpäevas 2 tõusu ja 2 mõõna) ja tõusu kõrgus või mõõna langus on väga koha-spetsiifiline, sõltudes kaldajoone ja merepõhja profiilist. Ookeaniavarustel on nende kõrgus poole meetri ringis ja suureneb oluliselt lehtrikujulistesse lahtedesse ja jõgede suudmetesse sisenedes, kui vood peavad kitsenema. On kohti, kus loodete ulatus küünib 15 meetrini. Suletud veekogudes looded praktiliselt puuduvad. Ka suhteliselt suletud Soome lahes on looded kõigest 4–5 cm suurused ja jäävad tavavaatlejale märkamatuteks. Looded saavad oma energia Maa pöörlemisenergiast, nende tekitamiseks kulub 2 miljonit megavatti, mis on ligikaudu võrdne maailma elektritarbimisega. Loodetele (peale vee ka Maa muud osised) kuluva energiakao tõttu aeglustub Maa pöörlemiskiirus 0,0016 s sajandis (seega ööpäev pikeneb) ning Kuu kaugeneb Maast 3 cm aastas. Selle protsessi tulemusena ühtlustub Maa tiirlemisperiood Kuu tiirlemisperioodiga ja kauges tulevikus jõuab ööpäeva pikkus lõpuks 55 tunnini. Loodete energia koguvõimsuseks hinnatakse 2500 GW, sellest juba praegu mõistliku hinnaga kasutatavaks 234 GW.
Loodete energiat on inimesed kasutanud juba sajandeid, kuid seda vaid pisikeste veskite käivitamiseks. Esimene tööstuslik elektrijaam võimsusega 240 MW rajati 1966. a Prantsusmaal Rance’i jõe suudmesse, kus tõusu keskmine kõrgus on 8,5 m, kasutades juba hüdroelektrijaamadest hästi tuntud tehnilisi printsiipe, nimelt paisu (pikkusega 750 m) ja selle sisse ehitatud madala rõhukõrgusega töötavaid hüdroturbiine (24 tükki võimsusega 10 MW igaüks) ning lüüse vee ja laevade juhtimiseks. Tõusu ajal on veeväravad avatud ja vesi täidab paisutaguse veehoidla, mille pindala on 22 km2. Tõusu lõppedes, st mõõna ajal, väravad suletakse ja basseini kogunenud vesi lastakse läbi turbiinide tagasi merre voolata.
Kuid on tehnilisi lahendusi elektri tootmiseks ka tõusu ajal, need lasevad basseini täitval veel voolata sinna läbi turbiinide. Samuti on välja töötatud kahebasseinilised süsteemid, mille puhul tõusu ajal täidetakse üht ja mõõna ajal tühjendatakse teist ning turbiinid on kahe basseini vahel ja töötavad kogu aeg. Paisuga elektrijaama energiavarud on proportsionaalsed veehoidla pindala ja selle veetasemete vahe kõrguse ruuduga. Kuigi paisuga loodetehüdroelektrijaama rajamine nõuab suuri kapitalimahutusi ja on kallis, on hilisemad opereerimiskulud väikesed. Näiteks Rance’is toodetud elektrienergia kilovatt-tund maksab tarbijale kõigest 1,8 eurosenti.
1960ndatel käis N.Liidul prantslastega loodeteenergiat kasutava elektrijaama rajamise pärast äge võidujooks, kui ehitati 400 kW võimsusega eksperimentaalset elektrijaama kaugel põhjas Koola poolsaarel Barentsi mere Kislaja abajas, kuid see võidujooks kaotati ja jaam avati alles aasta pärast prantslasi. Renoveerimise tulemusena õnnestus jaama võimsust tõsta üle kahe korra ja see taasavada 2006. aastal. 1984. aastal avati ka Ameerika mandril Annapolises (Kanada) esimene loodetehüdroelektrijaam võimsusega 20 MW. Aasias on loodeteenergia kasutamisel esirinnas Lõuna-Korea. Novembris avatakse Sihwa järve ääres 254 MW võimsusega elektrijaam, mis võtab Rance’lt üle ka maailma võimsaima tiitli. Tõusu kõrgus on seal 6–8 m ja basseini pindala 43 km2. Kavas on rajada veel 300 MW elektrijaam Wando Hoenegganis ja 600 MW Incheonis. Maailma suurimad loodeteenergia ressursid peituvad Penžina lahes Ohhoota meres, kus tõusu kõrgus küünib 13 m ja veekogu pindala on 20 500 km2. Kavas on rajada sinna hiiglaslik, kuni 87 000 MW hüdroelektrijaam.

Merehoovuste energia
Koostamisel on palju paisuga hüdroelektrijaamade projekte, kuid paisude ehitamise vastu on sageli ümbruskonna elanikud, eriti rohelised, ja ehitamine on väga kallis, mistõttu otsitakse teisi loodeteenergia kasutusvõimalusi. Üheks selliseks ja viimastel aastatel eriti kiiresti arenevaks suunaks on saanud propelleritaoliste tiivikutega varustatud ja rootoritega ühendatud elektrigeneraatorite paigutamine merehoovustesse. See lahendus on paljuski inspireeritud tuulegeneraatoritest, ainult et nende tiivikute läbimõõt meres on mitu korda väiksem, sest energia ülekanne on võrdeline voolava gaasi/vee tihedusega, mis vee puhul on ligi tuhat korda suurem õhu omast. Eriti oluline on siiski veevoo kiirus, sest generaatori efektiivsus on võrdeline voolukiiruse kuubiga (!). Enamasti loetakse kasutuskõlblikuks hoovusi voolukiirusega vähemalt 1,5 m/s. On esitatud palju erinevaid hoovustes töötavate turbiinide variante, küll horisontaalse, küll vertikaalse teljega, kuid enamik neist on veel katsetuste staadiumis. Üheks küpsemaks variandiks võiks lugeda firma Marine Current Turbinesi välja töötatud SeaGeni, mis on maailmas esimene tööstuslik hoovuste energiat kasutav elektrijaam nimivõimsusega 1,2 MW. See paigutati läinud aastal Strangford Loughi lahte Iirimaal ja annab voolu ka kohalikku elektrivõrku. SeaGen koosneb ühisele tugisambale paigutatud kahest rootorist, mille tiivikute läbimõõt on 16 m. Seadme efektiivsus on saavutatud tänu turbiinilabade kaldenurkade reguleeritavusele kuni 180 kraadi ulatuses, mistõttu turbiin töötab ka veevoolu vastupidise suuna korral, st nii tõusu kui ka mõõna ajal. Samuti on seadme oluliseks plussiks, et rootoreid on võimalik mööda tugisammast veest välja tõsta hooldus- ja remonditööde läbiviimiseks.
Eksperimentaalseid prototüüpe katsetatakse paljudes kohtades. Näiteks New Yorgis East Riveris töötavad edukalt Verdant Poweris tehtud ja tugevdatud kolme labaga propellerrootorid. Mitmed arendusfirmad, nagu Tidal Energy Austraalias, kasutavad propellerrootorite efektiivsuse tõstmiseks Venturi efekti, asetades rootori ümber lehtritaoliselt kitseneva katte, mis vastavalt hüdrodünaamika seadustele suurendab seda läbiva veevoolu kiirust.
Kõige uuem suund loodete energia kasutamisel on kunstlike laguunide ja riffide rajamine lahtedesse. Materjali kuhjamisega merepõhja moodustatakse kõrgema nivooga laguun, kuhu kogutakse tõusude ajal vett, mis pärast lastakse läbi hüdroturbiinide välja voolata madalama tasemega merre.

Lainete energia
Loodete energia kõrval on lainete energia kasutamine uus ja kiiresti arenev trend. Ookeanide ja merede pinnal levivad peaaegu alati lained, mis kannavad hiigelsuurt energiakogust, mille nad on saanud tuulelt. Lainetes peituva energia üldkoguseks on hinnatud 2700 GW ning sellest praktiliselt kasutatavaks 500 GW. Iga üksiku lainega edasikantav energia/võimsus sõltub väga tugevasti laine kõrgusest, olles võrdeline selle ruuduga. Näiteks 1 m kõrgune laine kannab 4 kW energiat iga lainefrondi meetri kohta, aga 10 m kõrgune laine juba 400 kW/m. Lainete energia kättesaamiseks tuleks nende teele asetada mingi takistus, mis vee survel hakkaks liikuma ja liikumine antaks edasi elektrigeneraatorile. Põhimõtteliselt on asi väga lihtne, kuid selle realiseerimiseks on lõpmatu hulk erinevaid tehnilisi lahendusi, mistõttu ongi sellekohaste patentide arv suur, kuid ellu on neist viidud veel väike osa. Tööstusliku tasemeni jõudmiseks on vaja teha tõsiseid investeeringuid ja võita arendajate konkurents. Praeguseid projekte võib siiski klassifitseerida mitmeteks põhitüüpideks.
Terminaatorid on seadmed, mille puhul laine teele seatakse selle levimise suunaga risti mingi tõke, mis kogub endasse laine(te) energiat. Sageli kujutab see endast võnkuvat sammast, millesse vesi siseneb veealuse avause kaudu. Samba ülemine osa on täidetud õhuga ja sellesse on paigutatud turbiin, mis laineharja jõudmisel sambasse ja sellest tingitud kasvava õhu surve tõttu hakkab tööle. Laine eemaldudes avatakse samba ülaosas õhuklapp ja normaalne õhurõhk sambas taastub ning kogu tsükkel kordub lainete taktis. Mõnikord asetatakse õhu sissevoolu kanalisse ka teine turbiin, et saada elektrit kogu töötsükli vältel. Selle süsteemi eeliseks on, et turbiin ja generaator töötavad õhus, mitte ei ole seadmed tugevasti kahjustavas merevees. Seda tüüpi konvertereid võib ehitada ka järsu kalda äärde ja siis ei ole tarvis paigutada merealust elektrikaablit. Firma Energetechi 500 kW prototüüp töötab Port Kemblas Austraalias ja 1000 kW eksemplar California rannas. Analoogsel põhimõttel töötab ka jaapanlaste Mighty Whale (Võimas Vaal).
Atenuaatorid on pikad multisegmentsed ujuvad seadmed, mis paigutatakse merre lainete levimise suunas ning mille üksikud lülid liiguvad lainete mõjul üksteise suhtes. Lülide vahele on paigutatud erilised käändumist võimaldavad hinged või põlved, mille sees on hüdraulilised ajamid, mis segmentide liikumise jõu abil käivitavad elektrimootoreid. Seda tüüpi seadmetest on edukaimaks osutunud firma Ocean Power Delivery väljatöötatud Pelamis, mille kolm neljalülilist 180 m pikkust 750 kW eksemplari toodavad elektrit Portugali rannikul esialgse hinnaga 30 senti/kWh, kuid mis edaspidi märgatavalt odavneb.
Punktabsorberid ehk võnkepontoonid moodustavad üsna mitmekesise seltskonna. Nende ühiseks tunnuseks on, et nad koosnevad kahest üksteise suhtes liikuvast põhiosast, millest üks on kinnitatud merepõhja ja teine võngub pontoonina koos lainetega mere pinnal. Nende osade omavahelise liikumise mehaaniline energia konverteeritakse erinevate seadmete (enamasti hüdrauliliste ajamite) abil elektrienergiaks. Näiteks Oregoni ülikooli laineenergia uurimiskeskuses on välja töötatud otseajur, mille merepõhja ankurdatud liikumatu osa otsas on püsimagnet, mis paikneb lainetel hüpleva pontooni sisemuses olevas elektrimähises. Lainete mõjul indutseeritakse magneti ja mähise omavahelisel liikumisel mähises elektrivool. Lihtne ja töökindel skeem. Tehniliselt keerukaim ning kulukam on seejuures paljude seadmete ühendamine ühtsesse süsteemi, nende töö juhtimine ja koordineerimine ning elektrienergia saatmine maismaale üldisesse elektrivõrku.
Et vabaneda kulukatest ja tülikatest merealustest elektri ülekande kaablitest, on välja käidud idee kasutada mereveest toodetud elektrit sealsamas elektrimahukate tootmisprotsesside tarbeks ja vähendada sellega vastavalt maismaa elektrivõrkude koormust. Sellisteks võimalusteks on näiteks vesiniku tootmine elektrolüüsi teel (vesinikuga saaks siis käivitada automootoreid ning hoida kokku naftat), alumiiniumi tootmine boksiidist ja ka merevee magestamine, sest sajad miljonid inimesed maailmas vaevlevad veepuuduses.

Termiline energia
Maailma meredes peitub tohutul hulgal (hinnanguliselt kuni 200 000 GW) ka termilist energiat, mis koguneb vee ülemistesse kihtidesse päikesekiirguse toimel. Kasutades erineva temperatuuriga vett (põhjas vaid paar kraadi, pinnal aga 20–30 °C), on võimalik sobiva töövedeliku/gaasi (näiteks ammoniaagi) abil käivitada gaasiturbiiniga elektrigeneraatorit. Sellesuunalisi katsetehaseid on ehitatud Jaapanis ja Hawaiil.
Tänapäeval on merevee energia kasutamine alles arengujärgus, kuid kindlasti ootab teda ees saavutusterohke tulevik.

Sarnased artiklid