Looded (Taastuvenergiast ilma udujututa)

Looded

Kuu ja Maa löövad pöörlevat, piruette tegevat tantsu ümber Päikese. Nad tuuritavad koos ümber Päikese kord igasl aastal, samal ajal pööreldes ümber üksteise kord iga $28$ päeva tagant. Kuu pöörleb samuti ümber oma telge kord $28$ päeva jooksul, näidates nii oma partneri Maa poole alati üht ja sedasama külge. Primadonna Maa ei võta komplimenti vastu ja pöörleb ümber oma telje kord igas päevas. Seda tantsu hoiab koos gravitatsioonijõud: iga Maa, Kuu ja Päikese tükki tõmmatakse iga teise Maa, Kuu ja Päikese tüki poole. Nende jõudude summa on peaaegu täpselt selline, nagu on vaja selle pöörleva tantsu õigel rajal hoidmiseks. Aga ainult peaaegu, ja seal eksisteeriv väga väike tasakaalutus on ühtlasi põhjus, miks tekivad looded.

Kuu ja Maa üksteise ümber tiirlemisega seotud tasakaalutus on umbes kolm korda suurem kui Maa aeglasema tantsuga ümber Päikese kaasnev tasakaalutus, nii et loodete suurus sõltub kuu faasist - kui Kuu ja Päike on ja siis jälle ei ole joondatud. Täiskuu ja Kuu sünni ajal (kui Kuu ja Päike on Maaga ühel joonel) need tasakaalutused võimendavad üksteist ja tulemuseks on suuremad looded, mida kutsutakse ka kevadloodeteks (spring tides) või süsüügilisteks loodeteks. (Kevadlooded ei ole „kevadel toimuvad looded;” kevadlooded toimuvad kellavärgi täpsusega iga kahe nädala tagant.) Sinna vahele jäävatel poolkuu aegadel need tasakaalutused osaliselt kustutavad üksteist ning looded on väiksemad, selliseid kutsutakse kvadratuurseteks loodetaks (neap tides). Süsüügiliste loodete ulatus on ligikaudu kaks korda suurem, kui kvadratuursetel loodetel: süsüügilised tõusud on kaks korda kõrgemad kui kvadratuursed tõusud, süsüügilised mõõnad on kaks korda madalamad, kui kvadratuursed mõõnad ja loodete hoovused on süsüügiliste loodete ajal kaks korda suuremad kui kvadatuursete loodete ajal.

Joonis 14.1: Maad kattev ookean. Joonisel vaatame alla Põhjapooluse suunas ja Kuu on $60 c m$ kaugusel lehest/ekraanist paremal. Maa pöörleb kord päevas ragbi palli meenutavas veekestas. Ookean on Kuust eemalduvas ja selle poole liikuvas suunas välja venitatud, sest Kuu tekitatud gravitatsioonijõud ei ole täpselt sama suur, kui tsentripetaaljõud, mis hoiab Maa ja Kuu ümber oma ühise raskuskeskme tiirlemas. Ekvaatoril seisev vaatleja (kes pöörleb nooltega näidatud suunas) näeb kahte kõrget ja kahte madalat vett ööpäevas.

Miks on ööpäevas kaks kõrgvett ja kaks madalvett? Kui Maa oleks ideaalne sfäär, sile ookeaniga kaetud piljardikuul, siis deformeeriks looded vett veidi Kuu poole ja sellest eemale, nii et vesi muutuks veidi ragbipalli sarnaseks (joonis 14.1). Sellise, veekookonis pöörleva piljardikuuli kujulise, Maa ekvaatoril märkaksime, et veetase tõuseb ja langeb kaks korda päevas: tõuseks, kui meie alt mööduks ragbipalli nina ja teist korda siis, kui meie alt mööduks selle saba. Selline piltlik selgitus on reaalsusest üsna kaugel. Tegelikult ei ole Maa sile ja see ei ole ühtlaselt veega kaetud (nagu te ehk olete märganud). Kaks veeküüru ei saa kaks korda päevas ümber maa vuhiseda, sest kontinendid jäävad ette. Loodete tegelik käitumine on seetõttu keerukam. Kui selline suur veemassiiv, nagu seda on Atlandi ookean, loodetes tõuseb ja langeb, aga ei saa ümber Maa liikuda, siis teeb see paremuselt järgmist asja: tuhiseb ümber ookeani perimeetri. Põhja-Atlandil on kaks harja ja kaks nõgu, mis tiirlevad vastupäeva ümber Atlandi kord päevas. Siin Suurbritannias me neid harju ja nõgusid ei näe – me oleme Atlandi süvaookeanist eraldatud mõnesaja miili laiuse aerutamiseks sobiva alaga, mida nimetatakse mandrilavaks. Iga kord, kui üks neist harjadest meist möödub, saadab see ka ühe harja mandrilavale. Samamoodi saadab iga Atlantiline mõõn mõõna meie mandrilavale. Järjestikused tõusud ja mõõnad saabuvad meile iga kuue tunni tagant. Täpsemalt, iga kuue ja veerandi tunni tagant, sest aeg kahe Kuu loomise vahel on $25$ , mitte $24$ tundi.

Tõusude ja mõõnade liikumise kiirus sõltub vee sügavusest mandrilaval. Mida madalam on seal ookaen, seda aeglasemalt tõusud ja mõõnad liiguvad ja seda suuremad need on. Ookeanil on looded vaid ühe-kahe jala kõrgused, kuid Euroopa rannikule jõudnuna on loodete amplituud tihti kuni neli meetrit. Põhjapoolkeral sunnib Coriolise jõud (jõud, mis kaasneb Maa pöörlemisega ja mis mõjub vaid liikuvatele objektidele) tõuse ja mõõnasid liikudes uhtuma parempoolseid kaldaid. Näiteks on Inglise kanalis looded suuremad Prantsusmaa poolel. Samamoodi uhuvad ümber Orkney Põhjamerre sisenevad tõusud ja mõõnad rohkem Briti poolt, liikudes mööda Thamesi suuet ja pöörates siis vasakule, et Hollandile ja Taanile austust avaldada.

Loodete energiat kutsutakse vahel ka Kuu energiaks, sest vesi liigub niimoodi ringi just tänu Kuule. Suurem osa loodete energiast tuleb aga hoopiski Maa pöörlemise energiast. Maa aeglustub tasapisi. Kuidas me saaksime loodete energiat kasutada ja kui palju võimsust neist kätte saaks?

Loodete võimsuse ligikaudne hinnang

Kui te mõtlete loodete võimsusest, siis võite silme ette manada mere kõrval asuva basseini, mille külge kinnitatud vesiratast ajab basseini täitumise ja tühjenemise ajal vesi ringi (joonised 14.2 ja 14.3).


Joonis 14.2: Woodbridge'i loodebassein ja loodetuulik. Foto: Ted Evans.	Joonis 14.3: Tehislik loodebassein. Bassein täitus tõusu ajal ja nüüd on mõõn. Me laseme veel välja voolata läbi elektrigeneraatori, muutes vee potentsiaalse energia elektrienergiaks.

Peatükk Looded II näitab, kuidas sellise tõusva ja langeva veetasemega basseini võimsust arvutada. Tulemuseks saame, et eeldades loodete amplituudiks $4 m$ , mis on tavaline paljudes Euroopa jõesuudmetes, on tehisliku, tõusudes ja mõõnades kiiresti täituva ja tühjeneva, mõlemas suunas voolavat vett kasutava basseini maksimaalne võimsus ligikaudu $3 W / m^{2}$ . See on samasugune, mis avamere tuuleparkide poolt saavutatav võimsus pindalaühiku kohta. Ja me juba teame, kui suured peavad avamere tuulepargid olema selleks, et nende panus loeks. Need peavad olema riigi suurused. Nii et ka Suurbritannia energiatarbimisega võrreldavat võimsust tootvate loodebasseinide ehitamiseks vajame me maa-alasid, mille pindala on sarnane Suurbritannia pindalaga.

Tabel 2.10: Loodebasseini võimsustihedus, eeldades nii tõusvate kui langevate voolude kasutamist.

Loodete amplituud	Energiatihedus
$2 m$	$1 W / m^{2}$
$4 m$	$3 W / m^{2}$
$6 m$	$7 W / m^{2}$
$8 m$	$13 W / m^{2}$

Üllatuslikult on Suurbritannial juba vajaliku suurusega looduslik loodebassein olemas. Seda basseini tuntakse ka kui Põhjamerd (joonis 14.5). Kui me lihtsalt paigaldaks generaatorid sobilikesse kohtadesse, saaksime selle abil toota märkimisväärsel hulgal energiat. Need generaatorid võiksid välja näha nagu veealused tuulikud. Kuna vee tihedus on õhu tihedusest ligikaudu $1000$ korda suurem, on vee voolu võimsus sama kiirusega liikuva tuule võimsusest $1000$ korda suurem. Me tuleme loodeparkide juurde varsti tagasi, aga esmalt hindame Suurbritannias igapäevaselt ringi veereva loodeenergia suurust.

Joonis 14.5: Briti saared on heas asukohas: Põhjameri moodustab loodusliku loodebasseini, millest voolavad kaks korda päevas sisse ja välja suured veemassiivid.

Looduses olemasolev loodeenergia

Ümber Suurbritannia esinevad tõelised tõusulained – erinevalt tsunaamidest, mida samuti kutsutakse „tõusulaineteks,” aga millel ei ole tõusudega mingit pistmist. Jälgime tõusulainet hetkel, mil see jõuab Atlandilt meie juurde. Tõusu harja aeg on seda hilisem, mida rohkem itta me Inglise kanalist Scilly Saarte poole ning sealt edasi Portsmouth'i ja Doverisse liigume. Tõusu hari liigub kanalit mööda kiirusega ligikaudu $70 k m / h$ . (Tõusu hari liigub palju kiiremini kui seda moodustav vesi justnagu tavalised merelained liiguvad kiiremini kui vesi.) Samamoodi liigub tõusuvesi päripäeva ümber Šotimaa, Põhjamerel alla Wick'ist Berwick'i ja Hull'i kiirusega ligikaudu $100 k m / h$ . Need kaks tõusulainet koonduvad Thamesi jõesuudmes. Juhuse tahtel saabub Šoti tõusuhari Doverist saabuvast harjast umbes $12$ tundi hiljem, mistõttu jõuab see kohale järgmise Doverist saabuva harjaga peaaegu üheagselt ja Londonisse saabuvad tavapärased kaks tõusu ööpäevas.

Joonis 14.6: Neid kahte joont ületav tõusulaine võimsus on ära mõõdetud ja see on $250 G W$ . Kui see võimsus $60$ miljoni inimese vahel ära jagada, siis saame $100 k W h$ inimese kohta.

Loodetest saadav energia ei saa olla suurem kui nende Atlandilt saabuvate tõusulainete koguenergia. Joonisel 14.6 kujutatud joont ületav koguvõimsus on ära mõõdetud; keskmiselt teeb see $100 k W h$ päevas inimese kohta. Kui oletame, et me suudame sellest energiast kätte saada $10 %$ ja kaod muundamisel ja ülekandel on $50 %$ , saame inimese kohta keskmiselt $5 k W h$ päevas. See on meie esialgne hinnang, mis on tehtud ilma tehnilistesse detailidesse süüvimata. Hindame nüüd võimsust, mis on võimalik saada kolme tehnilise lahenduse abil: loodete pargid, tammid ja avamere loodete laguunid.

Loodete voolu pargid

Üks võimalus loodete energia kogumiseks on ehitada tuuleparkidega sarnased loodete pargid. Esimene selline veealune tuulegeneraator ehk tõusu voolu generaator elektrivõrku ühendamiseks oli „ $300 k W$ ” turbiin, mis paigaldati 2003. aastal Norra põhjaossa, Hammerfesti linna lähistele. Detailseid andmeid selle seadme energiatoodangu kohta ei ole avaldatud ja seni ei ole keegi ehitanud loodete parki rohkem kui ühe turbiiniga merehoovusjaama, nii et tugineme edasistes hinnangutes selle kohta, kui palju energiat selline park toota võiks, füüsikale ja oletustele. Eeldades, et reeglid mõistliku loodete pargi ehitamisel on sarnased kui tuuleparkidel ja et loodete turbiinide kasutegur on sarnane parimate tuulegeneraatorite omaga, saame tabelis toodud loodete parkide võimsused mõnede loodete voolude jaoks.

Tabel 2.11: Loodeparkide võimsustihedus (vattides merepõhja ruutmeetri kohta) voolukiiruse funktsioonina. ( $1$ sõlm = $1$ meremiil tunnis = $0, 514 m / s$ .)

Kiirus ( $m / s$ )	Kiirus (sõlmedes)	Võimsustihedus ( $W / m^{2}$ )
$0, 5$	$1$	$1$
$1$	$2$	$8$
$2$	$4$	$60$
$3$	$6$	$200$
$4$	$8$	$500$
$5$	$10$	$1000$

Et $2$ kuni $3$ sõlmesed loodevoolud on tavalised, leidub Briti saarte ümbruses palju kohti, kus loodete pargi võimsus ühikpindala kohta oleks $6 W / m^{2}$ või rohkem. Sellist võimsust ühikpindala kohta saab võrrelda meie hinnangutega tuuleparkidele ( $2 - 3 W / m^{2}$ ) ja päikesefarmidele ( $5 - 10 W / m^{2}$ ).

Loodete võimsust ei tasu ignoreerida! Kui palju seda kokku tuleks, kui me eeldame, et loodete energia kogumisel kõigist Ühendkuningriikide sobilikest kohtadest ei ole majanduslikke takistusi? Peatükk Looded II toob välja Ühendkuningriikide ümbruses leiduvate parimate kohtade voolukiirused ja hindab, et inimese kohta oleks võimalik koguda $9 k W h / p$ .

Tammid

Loodete tammid on tõestatud tehnoloogia. Kuulus tamm La Rance Prantsusmaal asub kohas, kus loodete ulatus on keskmiselt $8$ meetrit ja toodab alates 1966. aastast keskmiselt võimsust $60 M W$ . Ka Severni jõesuudmes on loodete ulatus ebatavaliselt suur. Cardiffis on kevadloodete ulatus $11, 3 m$ ja kvadratuursete loodete ulatus $5, 8 m$ . Kui ehitaksime Severni jõesuudme tammi (Weston-super-Mare'ist Cardiff'ini), moodustaksime $500 k m^{2}$ loodebasseini (joonis 14.8).

Joonis 14.8: Võimalik tamm Severn'is (all vasakul) ja Strangford Lough'is Põhja-Iirimaal (üleval vasakul), mis on joonistatud samasuguses mõõtkavas kui La Rance'i tamm (all paremal). Kaardil on näidatud Severni tammi kaks võimalikku asukohta. Tamm Weston-super-Mare'is annaks keskmiselt $2 G W$ võimsust ( $0, 8 k W h / p$ inimese kohta). Kaugem alternatiiv annaks kaks korda nii palju. Suur loodeenergia allikas on ka Põhja-Iirimaal asuv Strangford Lough. Strangford Lough’i pindala on $150 k m^{2}$ ; loodete ulatus Iiri mere piiril on $4, 5 m$ kevadloodete ajal ja $1, 5 m$ kvadratuursete loodete ajal – kahjuks mitte nii suur kui La Rance'ol või Severn'il. Loodete võimsus Strangford Lough looduslikus loodebasseinis on ligikaudu $150 M W$ , mis jagatuna $1, 7$ miljoni Põhja-Iirimaa inimese vahel teeb $2 k W h / p$ elaniku kohta. Strangford Lough on esimene Ühendkuningriikides elektrivõrku ühendatud loodevoolu generaator.

Pange tähele kui palju suurem on see bassein La Rance'i jõesuudmest. Millist võimsust suudaks see loodebassein anda, kui laseksime seal veel sisse ja välja voolata ideaalsetel aegadel, et saada energiat nii tõusust kui ka mõõnast? Kasutades meie tabeli teoreetilisi numbreid, saame, et kui loodete ulatus on $11, 3 m$ , siis oleks tammi keskmine võimsus (tihedusega $30 W / m^{2}$ ) kuni $14, 5 G W$ või $5, 8 k W h / p$ inimese kohta. Kui loode ulatus on $5, 8 m$ , oleks tammi keskmine võimsus (energiatihedusega $8 W / m^{2}$ ) kuni $3, 9 G W$ või $1, 6 k W h / p$ inimese kohta. Need numbrid eeldavad, et me laseme veel sisse voolata ühekorraga, tõusu maksimumi ajal, ja välja voolata ühekorraga, mõõna ajal. Reaalsuses kestaks sisse ja välja voolamine mõne tunni, mis toodetavat energiahulka veidi vähendaks.

Praegu arutamisel oleva tammi ehitamise projekt annab võimsust vaid ühes suunas. See vähendab saadavat võimsust veel $50 %$ võrra. Inseneride raportid tammi projekti kohta ütlevad, et vaid mõõna ajal elektrit tootes annaks see $0, 8 k W h / p$ inimese kohta. Tamm pakuks ka kaitset üleujutuste vastu - selle panuse väärtuseks hinnatakse ligikaudu £ $120 M$ aastas.

Loodete laguunid

Joonis 14.9: Kaks loodete laguuni, mõlemad pindalaga $400 k m^{2}$ , üks Blackpool'is, üks Wash'is. Võrdluseks on värvitud Severni jõesuue.

Loodete laguunid luuakse merre seinu ehitades; neid võib kasutada kui tehislikke jõesuudmeid. Eeltingimused laguunide ehitamiseks on madal vesi ja suur loodete ulatus. Kehtivad suurte mahtude majandusseadused: suured loodete laguunid toodavad elektrit odavamalt kui väikesed. Kaks peamist asukohta suurte loodete laguunide jaoks Suurbritannias on idarannikul Wash'i läänerannikul Blackpool (joonis 14.9). Väiksemaid võib ehitada Walesi põhjaossa, Lincolnshire'i, Walesi kaguossa ja Sussexi idaossa.

Kui ehitada kaks laguuni samasse kohta, siis on võimalik saadavat võimsust nutika triki abil suurendada ja toota seda täpselt siis kui vaja: vastavalt nõudlusele, sõltumata loodete hetkeseisust. Üks laguun ehitatakse siis „kõrgeks" ja teine „madalaks" laguuniks. Madalast laguunist pumbatakse mõõna ajal vett välja, alandades selles veelgi veetaset. Pumpamiseks kuluv energia kompenseeritakse tõusu ajal, lastes veel voolata kõrgest madalasse laguuni. Sarnaselt võib tõusu ajal kõrgesse laguuni vett juurde pumbata, kasutades selleks madala laguuni poolt genereeritud energiat. Milline loode seis ka ei oleks, ühte kahest laguunist saab energia tootmiseks alati kasutada. Selline laguunide paar võiks toimida ka kui pumbatav salvesti, milles saab hoida elektrivõrgus üle jäävat energiat.

Keskmine loodete laguunide poolt toodetav võimsus Briti vetes võiks olla $4, 5 W / m^{2}$ , nii et kui rajaksime loode laguunid kogupindalaga $800 k m^{2}$ (nagu näidatud joonisel 14.9), oleks toodetud võimsus $1, 5 k W h / p$ inimese kohta.

Loodete ilu

Kui liidame kokku tammid, laguunid ja loode voolu pargid, saame võimalikuks toodetud energiahulgaks ligikaudu $11 k W h / p$ inimese kohta (joonis 14.10).

Loodete energiat ei ole Suurbritannias kunagi tööstuslikul tasemel kasutatud, nii et roostetavate turbiinide ehitamisel, setete kogunemisel või risu kuhjumisel tekkivaid majanduslikke ja tehnilisi väljakutseid on raske hinnata. Briti saartel on loodete energia kasutamise tõsiseks kaalumiseks seitse peamist põhjust:

Loodete võimsus on täielikult ennustatav; erinevalt tuulest või päikesest on looded selliseks taastuvenergiaallikaks, mille peale saab kindel olla; see töötab päeval ja öösel aastaringselt; laguune kasutades on võimalik energiat salvestada ning seda vajadusel kasutada.
Järjestikustel tõusudel ja mõõnadel kulub ümber Briti saarte liikumiseks umbes $12$ tundi, nii et vool on Anglesey's, Islay's, Orkney's ja Doveris on tugevaim erinevatel aegadel; seega kokkuvõttes annaks ühe asemel mitme loodete pargi kasutamine elektrivõrku ühtlasema elektrienergia voo, mis aga siiski käiks alla ja üles koos kuu faasiga.
Loodete energiat jätkub miljoniteks aastateks.
Erinevalt näiteks päikesefarmidest pole vaja igasuguseid kalleid seadmeid.
Enamgi veel, kuna loodete voolu võimsustihedus on suurem kui tuule energiatihedus, oleks $1 M W$ loodete turbiin väiksem $1 M W$ tuulikust; võib juhtuda, et loodete turbiinid oleks seetõttu kokkuvõttes odavamad.
Elu lainete all on rahulik; ei ole olemas sellist asja nagu loode torm ja seega ei vaja veealused loodete turbiinid kalleid insenerilahendusi, mis on vajalikud selleks, et tuulikud peaks vastu harvadele tormidele. Veealuseid turbiine ei pea ehitama suure tugevusvaruga.
Inimesed elavad enamasti maal ja nad ei näe vee alla. Nii et vastuseis loodete turbiinide poolt tekitatavale visuaalsele mõjule võiks olla väiksem kui tuuleparkide korral.

Müütarusaamad

Ehkki loodete energia on puhas ja roheline ei tohiks me seda nimetada taastuvaks. Loodetest energia tootmine aeglustab Maa pöörlemist. Loodete energia ei ole kindlasti pikaajaliselt jätkusuutlik. Vale. Looded aeglustavad Maa pöörlemist loomulikul viisil niikuinii. Pöörlemise energia kaob kiirusega ligikaudu $3 T W$ (Shepherd, 2003). Loodusliku hõõrdumise tõttu loodetes pikeneb päev iga sajandiga $2, 3$ millisekundi võrra. Paljud loodete energiat tootvad süsteemid eraldaksid energiat, mis läheks hõõrdumises niikuinii kaotsi. Isegi kui me kahekordistaksime süsteemist Maa-Kuu võetava energia võimsust, jätkuks loodete energiat veel miljarditeks aastateks.

Märkused ja edasine lugemine

Tehisliku loodete basseini võimsus. Pindalaühiku kohta tulev loodete basseini võimsus on tuletatud peatükis Looded II.

Suurbritannial juba on vajaliku suurusega looduslik loodete bassein. Seda basseini tuntakse kui Põhjamerd. Ma ei taha jätta muljet, et Põhjameri täitub ja tühjeneb täpselt nagu loodete bassein Inglismaa rannikul. Põhjamere voolused on palju keerulisemad, kuna aeg, mis kulub veetaseme tõusmisele, on ligikaudu samasugune kui aeg kahe tõusu vahel. Sellegipoolest eksisteerivad loodete voolud Põhjamerre ja sellest välja ning samuti Põhjamere sees.

Loodetest saadav koguvõimsus on ära mõõdetud; keskmiselt teeb see $100 k W h$ päevas inimese kohta. Allikas: Cartwright et al. (1980). Inimestele, kellele meeldivad lihtsad mudelid, on peatükis Looded II antud selle võimsuse hinnang lähtudes põhiprintsiipidest.

La Rance on alates 1966. aastast tootnud $16 T W h$ , keskmise võimsusega $60 M W$ . (Selle maksimaalne võimsus on $240 M W$ .) Loodete ulatus on kuni $13, 5 m$ ; tammiga paisutatava vee pindala on $22 k m^{2}$ ; tammi pikkus on $750 m$ . Keskmine võimsustihedus: $2, 7 W / m^{2}$ . Allikas: [6xrm5q].

Inseneride hinnangul toodaks Severni tamm ... ütleme $17 T W h$ aastas. (Taylor, 2002b). See ( $2 G W$ ) vastab $5 %$ kogu keskmisest elektritarbimisest Ühendkuningriikides.

Keskmine loodete laguunide poolt toodetav võimsus Briti vetes võiks olla $4, 5 W / m^{2}$ . MacKay (2007a).

Looded

Tabel 2.10: Loodebasseini võimsustihedus, eeldades nii tõusvate kui langevate voolude kasutamist.

Tabel 2.11: Loodeparkide võimsustihedus (vattides merepõhja ruutmeetri kohta) voolukiiruse funktsioonina. (1 sõlm = 1 meremiil tunnis = 0,514m/s.)

Tabel 2.11: Loodeparkide võimsustihedus (vattides merepõhja ruutmeetri kohta) voolukiiruse funktsioonina. ( $1$ sõlm = $1$ meremiil tunnis = $0, 514 m / s$ .)