Ár-apály energia
    Monoki Ákos

Fogalma
Története
Elméleti háttere
Felhasználási lehetőségek
       - Ár-apály energiát hasznosító technológiák
Környezeti tényezők
Gazdasági tényezők
Felhasznált irodalom

English version




Fogalma

  Ár-apály: Egy égitestben valamely másik égitest tömegvonzása által keltett (mechanikai) feszültségek miatt föllépő alakváltozás. Köznapi értelemben a tengerjárás, a Földet körülvevő vízburok napi kétszeri szintváltozása, amelyet a Nap és a Hold tömegvonzása okoz. A legalacsonyabb vízállástól a legmagasabbig terjedő időszakot dagálynak, a legmagasabbtól a legalacsonyabb szintig terjedőt pedig apálynak nevezik. A két szint közötti vízálláskülönbség a dagálymagasság. A Föld tengely körüli forgásából és keringéséből adódóan, valamint a tengerek és óceánok, továbbá a kontinensek szabálytalan eloszlásából következik, hogy térben és időben nagy különbségek alakulnak ki az ~ méreteiben. A napi kétszeri szintváltozást a Hold delelése, ill. a Holddal ellentétes oldalon a Föld forgásának centrifugális ereje okozza. Ha a Hold és a Nap delelése egybeesik, különösen nagy a dagály magassága (szökőár), amit a holdtölte és az újhold beállta jelöl 14 napos szakaszossággal. Előtte 8 nappal azonban a két égitest árkeltő ereje ellentétesen hat (vak-ár). A Hold Föld körüli keringésének megfelelően a dagály naponta 40 percet késik. A tengerjárás okozta szintkülönbség a nyílt óceáni felszíneken és a zárt beltengerekben nem jelentős, az 1 m-t ritkán haladja meg. Ellenben a szárazföldbe mélyedő öblökben, a nyílt tengeri folyótorkolatokban a nagy sebességgel Ipl. a Temzén 40 km/óra) betörő dagályhullám különösen magasra torlódhat (pl. a Bristol- csatornában közel 16 m, de Franciaország partjain is meghaladja helyenként a 10 m-t). A folyóba felhatoló dagályhullám az EIbán 150 km, a Jangcén 500 km, az Amazonason 870 km mélyen nyomul be a szá- razföldre. Ha a dagály érkezése a tenger felől fújó viharos szelekkel esik egybe, különösen magasra torlódhat a partokon a dagályszint (vihardagály), ami rendszerint nagy pusztítással jár együtt ~pi. az ia~5 as mintegy 1500 áldozatot követelő katasztrófa Hollandiábanl. Az ~ szintkülönbségének nagy jelentősége van a hajózásban, azért is nevezik a dagályszint beállásának időpontját kikötőidőnek. Újabban a tengerjárás szintkülönbségét ún. ~erőművek révén energiatermelésre is felhasználják. De szerepe van a tengerjárásnak a parti szennyeződések eltávolításában is, valamint a beömlő folyók tölcsértorkolatának kialakításában.

  Ár-apályerőmű: A tengerszint periodikus napi változásából származó, mechanikai energiát hasznosító erőmű. Az ár-apály a beltengerekben néhányszor 10 cm, az óceánok partvidékein a szárazföldbe mélyen benyúló folyótorkolatokban több méter vízszintváltozást okoz. Megfelelő gátrendszerek mellett ez a szintváltozás vízturbinákkal elektromos energiatermelésre hasznosítható. Legismertebb a Franciaországbanban a Rance folyó St. Malo mellett levő tölcsértorkolatában létesített hasznosítómű, és a kanadai Fundy-öbölben létrehozott árapályerőmű-rendszer, ahol tavak sorozatát csatorna- és gátrendszerrel kötötték össze.

                                                                                                                Környezetvédelmi lexikon

Története

A kép forrása: http://www.geology.wisc.edu/~pbrown/g410/tidal.html

  A tengerszint emelkedése és csökkenése hatalmas erejű természeti jelenség.
Az ár-apály jelenség energia termelésre való hasznosításának hosszú története van a kis vízi malmoktól kezdve amelyeket a gabona őrlésére használtak Nagy-Britanniában és Franciaországban még a középkorban.
A középkorban kis ár-apály malmokat építettek az alkalmas folyó torkolatokba gabona őrlésre és fa fűrészelésre. Nagy-Britannia egyik helyre állított árapály malma a képen látható Carew Castle malom:

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

A kép forrása: http://www.pembrokeshirecoast.org.uk/english/entercarew.htm
  Az ár-apály jelenség energiájának legegyszerűbb felhasználási módja az ár-apály malom, amelyben egy forgó malomkerék hasznosítja a be- és kiáramló vizet. A XI. századból Doomsday Book tesz említést egy ár-apály malomról, amely az angliai Port of Dover partján állt. Időről időre épültek új malmok Nagy-Britannia és Európa nyugati partjainál. Az USA legelső ár-apály malma 1635-ben épült meg Salemben, Massachusetts államban. Az 1880-as években a németországi Hamburgan az ár-apály jelenség energiáját iszap szivattyúzásra hasznosították.
  Az utóbbi időben azonban az ár-apály jelenség elektromos áram termelésére való hasznosítása került előtérbe. Ezt hatalmas duzzasztógátakban lévő turbinák segítségével lehet megoldani, illetve a folyótorkolatokba épített gátakkal.
A 8.6GW-osra tervezett severni erőmű 16 km hosszan nyúlna el az itt található tölcsértorkolatban.
Ha megépül 17 terawatt órát termel majd évente, ez az Egyesült Királyságban az 1992-es év folyamán termelt elektromos áram 6%-val egyenértékű.
Az ár-apály erőművek így potenciálisan képviselik a megújuló energiák ezen fajtáját.
1961-67. között épült meg a franciaországi St. Malo közelében a Rance torkolatánál a bretagnei ár-apály erőmű.
1966-ban a turbina teljesítménye 240 MW volt. A sikeren felbuzdulva Cap de Carterelnél, Isle de Causey project néven egy újabb, 15GW-os erőművet építettek.
A kanadai Annapolis Royalban egy 18 Mw-os egységet helyeztek üzembe 1984-ben, Murmansktól 130 km-re Kislaya partjainál egy 400 kw-os egységet és egy 500 kW-osat Jangxia Creeknél, a Kelet-Kínai-tengeren.

Elméleti háttere

  Az ár-apály energia a vízienergia egyik fajtája. A Hold és kisebb mértékben a Nap, valamint a tengerek közötti gravitációs vonzáson alapul. Az ár-apály energiát hasznosító rendszerek a napi kétszeri dagályhullámot vagy apályt hasznosítják.
Különbséget kell tennünk az ár-apály jelenségből és a hullámzásból származó energia között.
A hullámzás a víz felszíne fölött fújó szél hatására keletkezik. A szél pedig annak az eredménye, hogy a napsugárzás eltérő mértékben melegíti fel tenger és a szárazföld feletti légréteget, így nyomáskülönbség jön létre.
  A tengerek gyorsan haladó áramlatai is hasznosíthatók. Ezek erős felszíni áramlatok amelyek a keskeny csatornákban való koncentrálódás hatására alakulnak ki, például szigetek között, vagy más ehhez hasonló összeszűkülésekben. A tengerbe ömlő folyók folyási irányával szemben feljövő dagályhullám egy gáttal "csapdába ejthető". Az emelkedő tengervízszint zsilipek segítségével a gát túloldalára engedhető és a dagály tetőpontján lezárható. Apálykor a gát tenger felőli oldalán a vízszint lecsökken, és a folyótorkolatban rekedt víz az erőmű túloldalára igyekszik fejlődni.
Az energiatermelés alapmechanizmusa pedig innen már a vízierőművekéhez hasonlít, vagyis a víz a turbinán átfolyva meghajtja a generátort, ami elektromos áramot termel.
A fő különbség a víz és ár-apály erőművek között - eltekintve a sósvízi környezettől - az, hogy az utóbbi esetében a turbináknak változó mennyiségű vizet kell hasznosítania.
Az ár és az apály közötti vízszint különbség elsődlegesen a Föld és a Hold közötti  gravitációs vonzástól függ.
Ahogy a Föld forog a tengelye körül, a bolygó minden egyes pontján egyforma gravitációs erőt hoz létre.
A napi kétszeri tengerszint emelkedést és csökkenés mértékét a Nap gravitációs vonzása, a szárazföld és az óceánok össztömege befolyásolja.
A Föld-Hold-Nap kölcsönhatás összetett.  A kép forrása: http://www.iclei.org/efacts/
  Először kezdjük a Föld és a Hold kapcsolatával. A Hold gravitációs vonzása a
Föld Holdhoz legközelebbi oldalán lévő tengereket vonzza, így a víz a Hold felé "duzzad", míg a Holdtól legtávolabb lévő tengereken az átlagosnál kisebb vonzás tapasztalható, így itt a víz a Holddal ellentétes irányba duzzad.
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

  Amint a Föld forog a tengelye körül, a Hold fenntartja ezt a dagály rendszert. A két dagályhullám úgy 12.5 óránként követi egymást.
Amióta a Hold a Föld körül ilyen pályán kering, minden egyes ponton változni fog az ár és az apály ideje, akár 50 perccel később is, minden nap.
Ezt az alap működési mechanizmust módosítja a Nap. A Nap jóval nagyobb a Holdnál, de távolabb van a Földtől, és a Hold hatása a Föld tengereire kb. kétszerese a Napénál, végső hatásuk pedig egymáshoz viszonyított helyzetüktől függ.
  A szökőárakat a Nap és a Hold egyvonalba kerülése okozza, a legkisebb dagályok pedig akkor keletkeznek, amikor a Nap és a Hold egymással 90°-os szöget zár be.
A legkisebb és a legnagyobb dagály közötti különbség 14 nap, ami a hold ciklus fele.
A dagályt esetenként befolyásolhatja az időjárás is, mint az erős szelek és a viharok, ezek főleg növelik a víz szintjét.
  A gátakat úgy kell megtervezni, hogy ellenálljanak a nagy hullámoknak, hiszen az ezekből származó energia nyereség csekély lenne.
Vannak olyan tényezők, amelyek az energia termelés szempontjából befolyásolják a dagályokat.
A havonta kétszeri legnagyobb és legkisebb dagályok szintjét módosítja az a tény, hogy a Hold pályája nem kör, hanem ellipszis alakú.
  Léteznek azonban hosszabb távú pálya variációk, például a félévenkénti ciklus, amit a Hold Földre vonatkozó pályájának az elhajlása okoz és ez az ár-apály jelenségben 10%-os eltérést eredményez.
Egyes területeken a Föld forgásából származó Coriolis erő is hatást gyakorol a jelenségre.
A Coriolis erő eltéríti az áramlatokat azokról az útvonalakról, amelyeken haladnának.
Eltekintve az ilyen viszonylag kis mértékű zavaró hatásoktól, az alap Nap-Hold-Föld kölcsönhatás az óceán közepén a jellemző ár-apály különbség értéke 0.5 méter lenne. A gyakorlatban tapasztalható értékek azonban jelentősen eltérnek, a helyi földrajzi adottságoktól függően.
Az ár-apály jelenség létrejötte tehát elsődlegesen a Föld és a Hold gravitációs vonzásán alapul, de az energiája a Föld forgásából származik. A Föld forgása fokozatosan lassul ( a másodperc 1/50 részényit 1000 év alatt, de ez az erőművek működését, az előállított energia mennyiségét nem befolyásolja.

Felhasználási lehetőségek

  Az alkalmas tölcsértorkolatba épített ár-apály erőműt úgy tervezik meg, a dagály és az apály vízszint különbségét felhasználva energiát tudjanak előállítani, turbinák segítségével.
A potenciális energia a gát két oldala közötti vízszint különbségből fakad, ami kinetikus energiává alakul, ahogy a víz átfolyik a turbinán.
A turbina meghajtja a generátort ami elektromos áramot termel. az erőmű által termelt teljesítmény az ár és az apály közötti vízszint különbség négyzetével egyenlő.
A Rajna (Rance) folyó torkolatában, Bretagnenál épült gát 240 MW-ot termel, több, mint 25 éve.
Egy 18 MW-os turbinát az 1980-as évek közepén helyeztek üzembe Annapolis Royalban, a kanadai Új-Skóciában.
  Európa össz ár-apály energiájának a felét az UK-ban állítják elő. Az Egyesült Királyság teljes ár-apály potenciálja elméletileg kb. 53 TWh/év ez úgy 17%-a  a jelenlegi elektromos áram termelésnek.
Az erőmű a vízszint emelkedéséből és csökkenéséből származó energiát hasznosítja és mint tudjuk az ár és apály 12.4 óránként váltja egymást.

A kép forrása: http://www.iclei.org/efacts/
  Az erőmű tervezésénél figyelembe kell venni az alábbi tényezőket, hiszen ezek befolyásolják a teljesítményt:
- a torkolat szélességét, hosszát, mélységét
- az aktuális rezonanciát
- a surlódási hatást
Energiát a tenger felől a folyó torkolat irányába áramló víz is generálhat, vagy egyszerűen energia termelés nélkül a gát folyó felőli oldalára engedik a zsilipeken át. Apály idején a gát turbináin a tenger felé engedik a vizet, miközben energiát állítanak elő. Így 24.8 órás periódusonként kétszer lehet energiát termelni.
a turbina forgási sebessége általában alacsony, 50-100 fordulat/perc.
Mivel az erőművön viszonylag rövid idő alatt igen nagy mennyiségű víz folyik át, így sok turbinára van szükség.
  A severni erőmű a folyó felől a tenger felé távozó vízből generál áramot, ehhez 216 turbinára lenne szükség, egyenként 40 MW-ot termelnének együtt pedig 8640 MW-ot és 17 TWh-t tudnának szolgáltatni évente.
Ilyen nagy mennyiségű energia termelés esetén az erőmű turbinái egyfolytában 3-6 óra hosszáig dolgozhatnának minden egyes ár-apály ciklusban.
Reverzibilis turbinákkal a gát bármelyik oldalára áramló vízből lehet energiát termelni és ez kiegyensúlyozottabbá teszi a teljesítményt.
Ezek a turbinák azonban sokkal bonyolultabbak és drágábbak.

Ár-apály energiát hasznosító technológiák

- Egy utas, egy medencés rendszerek
Ez a legegyszerűbb energia termelő mód. A rendszer egy gáttal lezárt
torkolatból  áll, a turbinák a gátban vannak elhelyezve. A dagály periódusában a zsilipeken keresztül a víz a gát mögé áramlik, apálykor a medencében összegyűlt víz magasabb szintű, mint a tenger, a zsilipeken és a turbinákon keresztül a tengerbe áramló víz energia termelésre használható. Ezzel a rendszerrel öt órán át lehet energiát termelni, utánna újra fel kell tölteni a medencét.

- Két utas, egy medencés rendszerek
Ennek a rendszernek a működéséhez nagyobb és sokkal drágább turbinák szükségesek, hiszen nem csak az apálykor a medencéből a tengerbe áramló víz által lehet energiát termelni, hanem a dagálykor a medencébe áramló víz által is.
A Rance erőmű pont ilyen rendszerű.

- Összetett medencés rendszerek
Két egy utas medence áll összeköttetésben, így folyamatos energia termelés válik lehetővé. A dagály feltölti a zsilipeken keresztül a magas szintű medencét, amikor a tengervízszint megegyezik a magas szintű medencében lévő víz szintjével, lezárják a zsilipeket. A magas szintű medencéből  a víz az alacsony szintű medencébe áramlik, turbinákon keresztül, és amikor a tengerszint alacsonyabban helyezkedik el, mint az alacsony szintű medence vízszintje, akkor újab turbinákon át kiengedik a vizet a tengerbe. Ez a folyamat addig megy, amíg az alacsony szintű medence vízszintje meg nem egyezik a tenger szintjével. Ekkor lezárják az alacsony szintű medence zsilipkapuit, hogy megakadályozzák, hogy a dagály feltöltse.

Fő turbina típusok:

- Hagyma turbina (Bulb turbine)
A La Rance torkolatában ilyen turbinákat használnak. Ennek a turbina típusnak horizontális tengelyű propellere van, különböző dőlésszögű lapátokkal. A turbina generátorok egy hagyma alakú térben vannak elhelyezve, a vízáramlás vonalában.
Ezek a turbinák nem csak energia termelésre, hanem szivattyúzásra is használhatóak. Ezeknek a reverzibilis turbináknak a segítségével teljesen kiüríthető apálykor, vagy éppen teljesen feltölthető dagálykor a medence.

- Straflo turbina
Annapolis Royalban ilyen típusú turbinákat használnak.
A generátorok radiálisan helyezkednek el egy keret körül, a víz áramban csak a turbina lapátjai vannak.

- Tubuláris (cső-alakú) turbina
Ebben a rendszerben a turbina fej bizonyos szögben van elhelyezve, egy hosszú tengely segítségével a rotációs erő egy külső generátorhoz jut. A turbina rotációs sebessége kb. 50-100 fordulat percenként. Egy nagy méretű erőműben sok turbina szükséges, hiszen igen nagy mennyiségű víz áramlik át rövid idő alatt.

- Reverzibilis turbina
A reverzibilis turbinák segítségével apálykor és dagálykor egyaránt lehet energiát termelni, de ezek a turbinák már igen bonyolultak és drágák. Habár az energia termelés időben sokkal egyenletesebb lesz, de a teljesítmény csökkenni fog egy egyszerű egy utas, apálykor működő turbinához képest, hiszen a turbina lapátokat nem lehet mind a két irányba ideálisan beállítani. A másik hátrány, hogy az egyik irányban történő működését sem tudja időben befejezni, mert mire befejezné az egyiket, akkorra már vagy apad, vagy árad a tenger.

- Keret-generátor (rim) turbina

Egyéb rendszerek

- Dagály szivattyú
Ebben a rendszerben a turbina generátor reverz üzemmódban szivattyúként működik - a rendszer látja el elektromos energiával - és extra vizet szivattyúz a medencébe dagálykor.

- Két medencés rendszerek
A két medencés rendszerek igen hasznosak, hiszen általuk akkor termelhető energia, amikor arra szükség van. A első medence turbinái arra is használhatóak, hogy vizet pumpáljanak át a második medencébe.

 Az erőmű turbinái nagy egységekben vannak elhelyezve. a zsilipek szabályozzák a medencébe, a turbinákhoz, illetve az azokból kiáramló víz mennyiségét. A zsilipeknek is több fajtája létezik, ezek a  következők: csapó zsilipkapu, vertikálisan emelkedő zsilipkapu, radiális zsilipkapu.
A gát töltése készülhet kőből, mint a La Rance torkolatban, vagy homokból és kőből, mint a severni gátnál.
A torkolat bejáratánál a maximális árapály szint elérheti a 13 métert. Ennek az energiának a hatékony hasznosítására legalább 240 MW-os erőművet kell építeni.

 Árapály erőmű telepítési kritériumok. Ezek az adatok a New Sources of Energy and Economic Development, United Nations Department of Economics and Social Affairs, New York, 1957 alapulnak.
 
 

Ország és terület
Ár - apály szintkülönbség (m)
Medence terület (km2)
Évi potenciális elektromos áram produkció (106 kwhe/év) 
Franciaország
Lorient
4.5
16.0
97
Brest
6.4
92.0
1,130
Alber-Benoit
7.4
2.9
48
Alber -Vrach
7.4
1.1
18
Arguenon and
Lancieux
11.4
28.0
1,090
La Frasnaye
11.4
12.0
470
Rance
11.4
22.0
860
Rotheneuf
12.0
1.1
48
Chausey
12.4
610.0
28,140
Somme
9.3
49.0
1,270
Egyesült Királyság
Severn
11.5
44.0
1,750
Amerikai Egyesült Államok
Passamaquoddy
7.5
120.0
2,025

 

Környezeti tényezők

  Egy tölcsértorkolatba épített erőmű jelentős hatással van a terület élővilágára. Egyes hatások negatívan, mások pozitívan érvényesülnek. A severni erőmű gátja 16 km hosszan nyúlna el Weston-super-Maretól Lavernock Pointig és az apály idején a torkolat felől a tenger felé folyó vízből termel áramot.
1987-ben a Department of Energy összegezte a severni beruházás környezeti hatásait:
A medencében a vízszint minimuma magasabb, míg maximuma alacsonyabb lesz. Az üledék jellemzői, a víz sótartalma, minősége megváltozik. Ezen tényezők megváltozása jelentős hatást gyakorol a torkolatvidék környezetére, ökológiájára.
A legszembetűnőbb változást az élővilágon lehet majd tapasztalni. A halak és madarak egyrésze elvándorol. Az UK tölcsértorkolatai képezik az európai lúd állomány 47%-ának, a réce és hattyúállomány 28%-ának a legfontosabb táplálkozó helyeit.
Számos halpopulációnak is otthont adnak, például Severn lazacairól és angolnáiról híres. Két faj léte nagyban függ a torkolatban található táplálék mennyiségétől és a torkolat tenger felé való átjárhatóságától.
  A tervezett severni gát a jelenlegi nagy kiterjedésű - 200km2 vagy még több - iszapos, mocsaras területet nagy mértékben lecsökkentené.
A partimadarak táplálékául szolgáló számos féreg és gerinctelen állatfaj veszti el az élőhelyét.
A gát torkolat felőli oldalán a lelassult folyó lerakja a hordalékát, vize áttetszőbb lesz és így a napfény könnyebben juthat le nagyobb mélységbe is, ezáltal pedig egyes hal- és madárfajok tápláléka nagyobb mennyiségben fordulhat elő.
A megváltozott ökológiai környezethez alkalmazkodni nem tudó fajok vagy elvándorolnak, vagy kipusztulnak. Az új feltételek hatására új fajok is megjelennének.
A leendő gát akadályozná a hajó forgalmat, bár hajó zsilipek beépíthetők.

  Látszólag az ár-apály erőmű környezeti problémái megegyeznek a vízierőművekével.
A gátak fontos szerepet játszhatnak a viharok és szökőárak elleni védelemben, munkahelyet teremtenek a környék lakosságának, ideális hely vízisportok számára és így vonzza a túristákat.
A gáton közutat is ki lehetne építeni és az erőmű által termelt energiát a más erőművekben termelt  elektromos árammal együtt lehetne az országot ellátó hálózatba kapcsolni, hiszen az ár-apály gát nem képes önállóan a nagyobb energiaigények kielégítésére.
A fő problémát azonban az okozza, hogy az ár-apály erőmű 12.4 óránként termelne csak áramot, nagy dagálykor 5-6 órán át, míg kis dagálykor mindössze 3 órahosszáig.

  A leendő severni gát 8 GW energiát termelne, 1993-ban az Egyesült Királyságban a teljes energiatermelés 65GW volt.
Az ár-apály erőművek mellé más megújuló energia forrásokat hasznosító rendszerek is telepíthetők, például szélfarmok, amelyek segítségével vizet lehetne szivattyúzni a gát egyik oldaláról a másikra.
A fent említett gáthoz egy 10-20 MW-os szélfarm lenne építhető.

Gazdasági tényezők

  Az ár-apály erőművek beruházási költségei körülbelül 1300$/termelendő kW, míg a szél erőműveké
1000$/kW.
A gát telepítésének megtérülési ideje 20 év körül van, kis gátak esetén még több.
A megtérülés ideje a beruházási költségektől és az aktuális energia áraktól függ. A telepítési költségek és a
kamatok kifizetése után már csak igen keveset kell az üzemeltetésre áldozni, a kis sebességű turbinákat is csak 30 évente kell kicserélni.
  A világon eddig egyetlen ár-apály erőmű létesült, az 1966-ban Franciaországban megépített rance torkolati gát, Dinard és St. Malo között. A 240 MW-os turbinák üzemelési problémái miatt az erőmű csak 26 évig működött.

  Az ár-apály erőművek telepítésének problémája napjainkban még számos kérdést vet fel. Megépítésük és üzemeltetésük nem elég gazdaságos és igen nagy mértékben károsítják a folyótorkolatok természetes életközösségeit.
Évek múltán talán sikerül majd egy olyan gazdaságos technológiát kifejleszteni, amely a természeti értékeket sem károsítják ilyen drasztikus módon.
 

Felhasznált irodalom

Open University - Renewable Energy

Online Learning Environment - Tidal Power
http://www.geocites.com/Baja/8205/tidal.htm
http://www.geology.wisc.edu/~pbrown/g410/tidal.html
http://www.pembrokeshirecoast.org.uk/english/entercarew.htm
http://www.iclei.org/efacts/
 
 
 

Vissza