Energia fal żyroskopowych – wykorzystanie nieokiełznanego morza

Około 70% powierzchni Ziemi pokrywają oceany, stanowiące ogromne źródło energii odnawialnej. Ich potencjał jest ogromny – tak duży, że sama energia fal jest szacunkowa przekroczyć obecne światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną, jeśli zostanie w pełni zagospodarowane.

Jest to jednak w dużej mierze niewykorzystane źródło odnawialne, ponieważ jest ono tak wydajne, przechwytywanie energii fal oceanicznych od dawna frustruje inżynierów.

Aby rozwiązać ten problem, naukowcy z Uniwersytetu w Osace zastosowali nowatorską metodę: żyroskopowy konwerter energii falowej (GWEC), który wykorzystuje wirujące koło zamachowe wewnątrz pływającej struktury do zamiany ruchu fal na energię elektryczną.

Analiza badań ujawnia, że ​​w teorii urządzenie to może absorbować nawet połowę energii fal przychodzących przy dowolnej częstotliwości, umożliwiając wykorzystanie ogromnej, niewykorzystanej energii oceanu.

Globalny miks energetyczny: Odnawialne źródła energii rosną, paliwa kopalne nadal przodują

Ze zmianami klimatycznymi siejąc spustoszenie na całym świecie konieczne jest odejście od paliw kopalnych — nieodnawialnych źródeł energii, które powstają na przestrzeni milionów lat i powodują poważne problemy środowiskowe.

Jednym z najskuteczniejszych sposobów ograniczenia zależności od paliw kopalnych jest wykorzystanie odnawialnych źródeł energii, do których zalicza się energię słoneczną, wiatrową, wodną, ​​geotermalną i biomasę.

Te naturalnie regenerujące źródła obniżają emisja gazów cieplarnianych, zwiększają bezpieczeństwo energetyczne kraju i zmniejszają podatność na zakłócenia geopolityczne. Dzięki tym korzyściom odnawialne źródła energii stanowią obecnie coraz większy udział w globalnej produkcji energii elektrycznej. W 2024 roku zapewniły… rekordowe 32% globalnej produkcji energii elektrycznejo 2% więcej niż w roku poprzednim, gdyż ogólne zapotrzebowanie na energię elektryczną wzrosło o 4%, głównie za sprawą centrów danych.

„Kraje bardziej niż kiedykolwiek wcześniej myślą o swoim bezpieczeństwie, w tym bezpieczeństwie energetycznym, i myślę, że oznacza to, że lokalna energia odnawialna, taka jak energia wiatrowa i słoneczna, staje się coraz bardziej atrakcyjna”.

– Euan Graham, analityk ds. energii elektrycznej i danych z think tanku Ember powiedział Reuters w zeszłym roku

Choć w 2024 r. branża odnawialnych źródeł energii dostarczyła do systemu dodatkowe 858 TWh energii, paliwa kopalne, w tym węgiel, ropa naftowa i gaz ziemny, nadal zaspokajać większość światowego zapotrzebowania na energięWęgiel jest obecnie największym źródłem energii elektrycznej i odpowiada za 34% światowej produkcji energii elektrycznej, podczas gdy elektrownie gazowe odpowiadają za 22%.

Jednakże według Międzynarodowej Agencji Energetycznej (IEA) ProjekcjeMoc odnawialnych źródeł energii wzrośnie o prawie 4,600 GW między 2025 a 2030 rokiem.

Spośród wszystkich odnawialnych źródeł energii, energia słoneczna jest rośnie najszybciej Wraz ze spadkiem kosztów i przyspieszeniem globalnego wdrażania. Moc wiatrowa również szybko rośnie, podczas gdy energia wodna pozostaje największy, długoletni odnawialnego źródła energii. Jeśli chodzi o bioenergię, zaczęła się ona zyskać przyczepnośći geotermia jest zyskuje partnerstwa korporacyjne. Przyszłość energetyki wydaje się coraz bardziej ekologiczna.

Wykorzystanie niewykorzystanego potencjału oceanu

W krajobrazie energii odnawialnej, energia oceaniczna oferuje ogromny globalny potencjał zasobów. Polega ona na wykorzystaniu energii ze źródeł morskich, w tym fal, pływów, konwersji energii cieplnej oceanów (OTEC) i prądów morskich. Energia pływów wykorzystuje przewidywalne prądy pływowe, OTEC wykorzystuje gradienty temperatury w głębinach oceanów, a prądy morskie wychwytują energię z przepływów oceanicznych na dużą skalę.

Najszerzej badaną formą energii morskiej jest energia fal, która przekształca energię kinetyczną fal w energię elektryczną. Fale występują obficie, są silne i ciągłe. Są również mniej przerywane niż wiatr czy energia słoneczna. Ta wysoka przewidywalność oznacza, że ​​ruch fal powierzchniowych można wykorzystać 24 godziny na dobę, 7 dni w tygodniu, co jest niezwykle korzystne dla poprawy planowania i stabilności sieci.

To bezemisyjne źródło energii ma ograniczony udział w komercyjnym wykorzystaniu, znacznie poniżej dojrzałych odnawialnych źródeł energii, takich jak energia słoneczna. Obecnie stanowi ono najmniejszy udział w rynku energii odnawialnej. W 2024 roku świat dodał 1.6 megawatów (MW) mocy oceanicznej, co daje całkowitą moc operacyjną na poziomie około 513 MW.

To powolne wdrażanie wynika z kilku czynników, w tym wysokich kosztów kapitałowych, ograniczeń specyficznych dla danej lokalizacji oraz przeszkód technologicznych, takich jak integracja z siecią. Umiejętności siły roboczej i niepewność regulacyjna również mają wpływ. utrudnianie postępu w całym sektorze. Ponadto, konserwacja urządzeń w trudnych warunkach oceanicznych pozostaje poważnym wyzwaniem, obok efektywności konwersji energii.

W rezultacie naukowcy, zarówno ze środowiska akademickiego, jak i przemysłowego, nieustannie pracują nad udoskonaleniem tych systemów, zwiększając ich trwałość i poprawiając zdolność radzenia sobie z nieregularnością fal. Jednym z takich systemów, który wzbudził zainteresowanie, jest konwerter energii falowej (WEC), urządzenie, które przekształca energię kinetyczną fal w energię elektryczną.

Kilku innowatorów pracuje nad rozwojem tej technologii. Na przykład szwedzka firma CorPower Ocean nawiązała współpracę z norweską firmą OPS Solutions w ramach projektu COMPACT, aby obniżyć koszty i masę ogniw WEC poprzez rozwijanie Prototyp cylindra z naprężeniem wstępnym (PTC). Projekt, wspierany przez granty EOG „Blue Growth Programme”, ma na celu opracowanie lekkiej obudowy ciśnieniowej, która pozwoli obniżyć koszty inwestycyjne i zwiększyć wytrzymałość urządzenia.

Jednocześnie deweloperzy odnotowali wymierny wzrost wydajności. Norweska firma Havkraft zgłaszane Współczynnik konwersji energii przekraczający 80% w najnowszym teście laboratoryjnym skalowanego modelu WEC, co stanowi wzrost o 15% w porównaniu z wcześniejszymi testami. Ten krok pozwala im zidentyfikować zagrożenia, zapewnić jakość i zrozumieć wydajność, co pomoże im w skalowaniu w kierunku komercjalizacji.

„Wyniki pokazują, że nasze badania przynoszą efekty i jesteśmy o krok bliżej do opracowania komercyjnego rozwiązania”.

– Kierownik operacyjny Nikolai Haldane

Tymczasem w Szkocji firma AWS Ocean Energy postęp „Archimedes Waveswing”, podwodną boję aktywowaną ciśnieniem, zaprojektowaną do przekształcania ruchu fal pod powierzchnią. Urządzenie rejestrowało średnią moc powyżej 10 kW i osiągało moc szczytową ponad 80 kW przy umiarkowanych falach, czyli o 20% więcej niż oczekiwała firma.

Siedmiometrowa, zanurzona jednostka została zaprojektowana tak, aby wytrzymać trudne warunki panujące na morzu, w tym wichury o sile 10 stopni w skali Beauforta. Konstrukcja z pojedynczym absorberem sprawia, że ​​nadaje się ona również do oddalonych zastosowań energetycznych, gdzie odporność jest kluczowa.

Oprócz wydajności technologicznej, coraz większą uwagę zwraca się na szerszą integrację systemów. badania wykonalności sugerują¹ że wdrażanie systemów WEC nie musi odbywać się kosztem działalności przybrzeżnej, takiej jak turystyka czy rybołówstwo. W rzeczywistości odpowiednio zaprojektowane instalacje mogą zapewnić ochronę wybrzeża.

„Możliwa jest ochrona wybrzeża przed działaniami środowiska morskiego i jednoczesne wytwarzanie czystej energii elektrycznej, wspierając w ten sposób transformację energetyczną i samowystarczalność Portugalii”.

– Paulo Rosa Santos, współlider w CIIMAR

Postępy te odzwierciedlają przejście sektora od eksperymentalnych prototypów do praktycznych rozwiązań.

Odblokowanie maksymalnej absorpcji energii za pomocą żyroskopów

Urządzenia wykorzystujące energię fal (WEC) mają na celu efektywne przekształcanie ciągłego ruchu fal w użyteczną energię elektryczną. Dzięki krajowym inicjatywom innowacyjnym, postępowi technologicznemu i integracji z lokalną infrastrukturą, prognozuje się, że globalny rynek konwerterów energii fal będzie… wzrośnie z 21.6 mln dolarów w 2025 r. do 38.2 mln dolarów w 2034 r.przy CAGR na poziomie 6.5%.

Ze względu na wyzwania techniczne, ekonomiczne i regulacyjne, WEC nie zostały jeszcze w pełni skomercjalizowane, dlatego nie istnieje jeszcze jedno optymalne rozwiązanie. Zaproponowano wiele różnych typów, w tym absorbery punktowe, oscylujące słupy wody (OCW), urządzenia przelewowe, tłumiki i systemy żyroskopowe.

Przesuń, aby przewijać →

Żyroskopowy konwerter energii falowej wykorzystuje żyroskop w swoim układzie odbioru mocy (GPTO) do pozyskiwania energii z ruchu fal. GPTO składa się z generatora elektrycznego i koła zamachowego zamontowanych na ramie gimbala. Warto zauważyć, że GPTO jest zamknięty w pływającym korpusie; wraz z ruchem fal porusza się również konstrukcja. Ruch ten jest przekształcany przez obracające się koło zamachowe w energię elektryczną. Ponieważ działa ono jak żyroskop, jego zachowanie można dostroić, aby pozyskiwać energię w szerokim zakresie częstotliwości fal, w przeciwieństwie do innych WEC ograniczonych do wąskiego pasma.

System wykorzystuje precesję żyroskopową, indukowaną przez obrót koła zamachowego i ruch wahadłowy ciała pływającego. Precesja żyroskopowa występuje, gdy wirujący obiekt reaguje na siłę zewnętrzną. Gdy fale wprawiają platformę w ruch, wirujące koło zamachowe zmienia orientację, a ten ruch, połączony z generatorem, wytwarza energię elektryczną. Umieszczenie urządzenia w kadłubie chroni je przed słoną wodą, co ułatwia konserwację i zwiększa bezpieczeństwo.

Konwertery żyroskopowe stanowią próbę przezwyciężenia ograniczeń tradycyjnych konwerterów WEC, które często działają wydajnie tylko w określonych warunkach. Takahito Iida, badacz z Uniwersytetu w Osace, zwrócił się ku konwerterom GWEC ze względu na ich wszechstronność. W swoim badaniu opublikowano w czasopiśmie Journal of Fluid Mechanics²Iida oceniła, czy projekt ten nadaje się do generacji na dużą skalę.

„Urządzenia wykorzystujące energię fal często mają problemy, ponieważ warunki oceaniczne stale się zmieniają” – powiedział Iida. „Jednak układ żyroskopowy można kontrolować w taki sposób, aby utrzymać wysoki poziom absorpcji energii, nawet przy zmiennych częstotliwościach fal”.

Aby zrozumieć zachowanie systemu, wykorzystał liniową teorię fal do modelowania interakcji między falami oceanicznymi, żyroskopem i konstrukcją. Analiza pomogła zespołowi znaleźć idealne ustawienia prędkości obrotowej i sterowania generatorem. Po prawidłowym dostrojeniu, GWEC może osiągnąć teoretyczną maksymalną sprawność absorpcji energii wynoszącą połowę przy dowolnej częstotliwości fal.

„Ta granica wydajności jest fundamentalnym ograniczeniem w teorii energii fal” – zauważył Iida. „Ekscytujące jest to, że teraz wiemy, że można ją osiągnąć w częstotliwościach szerokopasmowych, a nie tylko w jednym stanie rezonansowym”.

Zespół zweryfikował wyniki za pomocą symulacji numerycznych zarówno w dziedzinie czasu, jak i częstotliwości. Wyniki te potwierdziły, że urządzenie utrzymuje wysoką wydajność w pobliżu częstotliwości rezonansowej, działając najlepiej, gdy ruch jest zgodny z naturalnym wzorcem fal. To wyjaśnienie parametrów operacyjnych pokazuje możliwość opracowania wydajnych systemów energii fal, które pomogą w realizacji celów klimatycznych.

Inwestycje w odnawialne źródła energii

Z perspektywy inwestycyjnej niewiele spółek notowanych na giełdzie zajmuje się wyłącznie energią fal. Nadal jest to rozwijający się segment, charakteryzujący się wysokimi kosztami infrastruktury i ograniczoną liczbą wdrożeń projektów. Akcje spółek publicznych zajmujących się wyłącznie energią fal generalnie radziły sobie słabo, ponieważ technologia ta wciąż znajduje się na wczesnym etapie udowadniania opłacalności na skalę komercyjną.

Zamiast tego skupimy się na spółce z silnym portfelem odnawialnych źródeł energii, która z czasem będzie mogła skorzystać na wzroście energetyki morskiej. NextEra Energy, Inc. (NEE -0.16%) jest wiodącym amerykańskim dostawcą odnawialnych źródeł energii, posiadającym bogate doświadczenie w zakresie morskiej energetyki wiatrowej i integracji sieci energetycznych.

Firma działa za pośrednictwem NextEra Energy Resources (NEER) i Florida Power & Light (FPL). FPL to przedsiębiorstwo energetyczne o regulowanych stawkach, którego moc netto wynosi 35 052 megawatów, co czyni je największym przedsiębiorstwem energetycznym w USA pod względem liczby klientów (12 milionów). Ta regulowana działalność generuje stałe przychody i przepływy pieniężne, wspierając wzrost dywidendy.

NEER zarządza obiektami wytwórczymi i inwestuje w czystą energię, taką jak paliwa odnawialne, gazociągi i magazyny energii. NextEra Energy Resources jest największym na świecie producentem energii odnawialnej i stale rozwija swoją ofertę projektów. Silny wzrost zysków i strategiczne umowy technologiczne wspierają przyszły wzrost, choć firma pozostaje podatna na wahania koniunktury. polityki antyodnawialne pod administracją Trumpa.

Obecnie akcje NextEra są notowane po 90.79 USD, blisko nowych maksimów, co oznacza wzrost o 13.63% w ujęciu rocznym i 32% w ciągu ostatniego roku. Spółka ma zysk na akcję (TTM) na poziomie 3.30 i wskaźnik P/E (TTM) na poziomie 27.63.

NextEra wypłaca dywidendę w wysokości 2.73%. Niedawno firma ogłosiła kwartalną dywidendę w wysokości 0.6232 USD na akcję, co stanowi wzrost o 10% rok do roku. NextEra odnotowała skorygowany zysk w wysokości 1.133 mld USD za czwarty kwartał 2025 r. i 7.683 mld USD za cały rok. NEER poinformował o uruchomieniu 7.2 GW nowych mocy wytwórczych i zwiększeniu portfela zamówień o 13.5 GW, co daje łącznie 30 GW. Obejmuje to plan ponownego uruchomienia elektrowni jądrowej Duane Arnold we współpracy z Google.

„Uważamy, że nie ma firmy lepiej przygotowanej do budowy infrastruktury energetycznej niezbędnej do niezawodnego i niedrogiego zaspokojenia rosnącego popytu w Ameryce” – powiedział prezes John Ketchum. Firma spodziewa się wzrostu skorygowanego zysku na akcję (EPS) w tempie ponad 8% rocznie do 2032 roku. Firma rozszerza również swoje rozwiązania w zakresie dostaw gazu ziemnego poprzez strategiczne przejęcia.

NextEra przewiduje, że skorygowany zysk na akcję w 2026 r. wyniesie od 3.92 do 4.02 USD, a dywidendy będą rosły o 6% rocznie do 2028 r.

Wniosek

Wraz ze wzrostem globalnego zapotrzebowania na energię, napędzanym ekstremalnymi zjawiskami pogodowymi i centrami danych opartymi na sztucznej inteligencji, rozwój energii odnawialnej staje się coraz bardziej kluczowy dla ograniczenia emisji. Podczas gdy dominującą rolę odgrywają energia słoneczna i wiatrowa, energia fal ma potencjał przyspieszenia przejścia na czystszą energię, oferując przewidywalne źródło o wysokiej gęstości.

Badania nad technologiami takimi jak energia fal żyroskopowych mogą pomóc w pokonaniu barier technicznych ograniczających ten sektor. W połączeniu ze wspierającymi politykami i strategicznymi inwestycjami, postęp ten może pomóc w odblokowaniu znaczących nowych możliwości.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się wszystkiego o inwestowaniu w akcje dziesięciu najlepszych spółek z branży energii odnawialnej.

Referencje

1. Clemente, D. i in. Ocena produkcji energii elektrycznej i ochrony wybrzeża w pobliżu brzegu w przypadku farmy fal o mocy 500 MW. Applied Energy 379, 124950 (2025). https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2024.1249502
2. Iida, T. Analiza liniowa żyroskopowego konwertera energii falowej pochłaniającego połowę energii falowej w częstotliwościach szerokopasmowych. Journal of Fluid Mechanics 1029, A20 (2026). https://doi.org/10.1017/jfm.2026.11172