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.
 
 

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