Εκτίμηση κυματικού δυναμικού στις ελληνικές θάλασσες

Abstract

Σήμερα, στην Ευρώπη περίπου το 20% της ηλεκτρικής ενέργειας προέρχεται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας (ΑΠΕ) κυρίως λόγω της απεριόριστης διαθεσιμότητά τους, αλλά και τη συμβολή τους στη μείωση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Η συγκεκριμένη διπλωματική εργασία ασχολείται με μια νέα και άγνωστη κυρίως στη χώρα μας, ανανεώσιμη πηγή ενέργειας με σημαντικές προοπτικές εκμετάλλευσης στο άμεσο μέλλον σε ολόκληρο το κόσμο. Πρόκειται για την ενέργεια που περιέχεται στους θαλάσσιους κυματισμούς. Η Ελλάδα η οποία διαθέτει μεγάλη ακτογραμμή, μήκους περίπου 16.000Km, το υψηλό αιολικό δυναμικό πάνω από το Αιγαίο Πέλαγος δημιουργεί αρκετά έντονη κυματική δραστηριότητα στην περιοχή, με εκτιμώμενες μέσες ετήσιες τιμές κυματικής ισχύος ανά μέτρο μετώπου κύματος της τάξης των 4-11 kW/m (Clement Alain et al., 2002). Το κεφάλαιο 1 αποτελείται από κάποιες εισαγωγικές πληροφορίες σχετικά με την προέλευση και την δημιουργία των θαλάσσιων κυμάτων καθώς και με τα κύρια πλεονεκτήματα αυτής της ενέργειας. Στο επόμενο κεφάλαιο (Kεφ.2) αναφέρεται η ιστορική αναδρομή της κυματικής ενέργειας. Η ιδέα για την εκμετάλλευση του θαλάσσιου κυματισμού δεν είναι νέα. Η πρώτη ευρεσιτεχνία για την κατασκευή συσκευής που θα εκμεταλλεύεται την κυματική ενέργεια, έγινε από τον Γάλλο μηχανικό Pierre Girard, το 1799. Στην Ευρώπη η εντατική έρευνα και η μελέτη για την ανάπτυξη της κυματικής ενέργειας άρχισε, μετά την πρώτη πετρελαϊκή κρίση, το 1973. Από το 1990, υπήρξε πραγματική αναγέννηση στον τομέα της κυματικής ενέργειας, η οποία έχει οδηγηθεί τα τελευταία χρόνια, πιο κοντά στην εμπορευματοποίηση από ποτέ άλλοτε. Οι κυματικές συσκευές για την εκμετάλλευση της κυματικής ενέργειας κατηγοριοποιούνται με βάση την τοποθεσία εγκατάστασης τους και χαρακτηρίζονται ως: επάκτιες, παράκτιες ή ως υπεράκτιες. Στο κεφάλαιο 3 παρουσιάζονται μερικές συσκευές κυματικής απόσπασης και κατηγοριοποιούνται ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας τους (6 γνωστοί τύπου λειτουργίας). Πολλές από αυτές τις τεχνολογίες έχουν εξελιχθεί αρκετά, άλλες βρίσκονται σε πειραματικό στάδιο και άλλες έχουν φτάσει στο σημείο εμπορικής εκμετάλλευσης. Στο κεφάλαιο 4, παρουσιάζεται η θεωρητική εκτίμηση του κυματικού δυναμικού τόσο σε απλό αρμονικό κυματισμό που αποτελεί την απλούστερη μαθηματική προσέγγιση για την μελέτη των δισδιάστατων επιφανειακών κυματισμών βαρύτητας, «γραμμική θεωρία κυματισμών- Airy» όσο και σε ρεαλιστικές καταστάσεις θάλασσας, εισάγοντας την έννοια του μοντέλου τυχαίας φάσης. Στόχος της παρούσας εργασίας είναι η εκτίμηση του κυματικού δυναμικού στις ελληνικές θάλασσες. Αυτή η προσπάθεια εκτίμησης πραγματοποιείται λαμβάνοντας μεταγενέστερες εκτιμήσεις (hindcast δεδομένα) από το κυματικό μοντέλο WAM, αλλά και από επιτόπιες μετρήσεις του συστήματος ΠΟΣΕΙΔΩΝ. Στο κεφάλαιο 5, περιγράφεται τόσο το σύστημα ΠΟΣΕΙΔΩΝ, όσο και ο τρόπος λειτουργίας του κυματικού μοντέλου, ενώ προσδιορίζεται και η βασική σχέση που θα χρησιμοποιηθεί για την εκτίμηση του κυματικού δυναμικού. Στο κεφάλαιο 6, παρουσιάζεται ο τρόπος υπολογισμού του κυματικού δυναμικού στις ελληνικές θάλασσες, χρησιμοποιώντας hindcast δεδομένα για μια περίοδο 10 ετών (1995-2004). Τα δεδομένα αυτά έχουν παραχθεί από αριθμητικά μοντέλα υψηλής χρονικής και χωρικής ανάλυσης και παρουσιάζονται στον βιβλίο “Άτλαντας ανέμου και κύματος των ελληνικών θαλασσών”(Soukissian et al,2007; Soukissian et al,.2008). Στην συνέχεια, από τις επιτόπιες μετρήσεις που λαμβάνονται μέσω του δικτύου παρακολούθησης ΠΟΣΕΙΔΩΝ και είναι υπό την μορφή μετρήσεων μακρών χρονοσειρών καλύπτοντας μια περίοδο από 5 έως 12 χρόνια (1999-2011), εκτιμάται το κυματικό δυναμικό 5 συγκεκριμένων πλωτών μετρητικών σταθμών (buoys), οι οποίοι είναι εγκατεστημένοι σε περιοχές βαθέων υδάτων. Η εκτίμηση του κυματικού δυναμικού πραγματοποιείται με την χρήση της γλώσσας προγραμματισμού Matlab και παρουσιάζονται τα αριθμητικά αποτελέσματα από αυτές τις μετρήσεις. Στο επόμενο κεφάλαιο (Kεφ.7) ακολουθεί σύγκριση των αποτελεσμάτων του κυματικού μοντέλου με τα αποτελέσματα από τις επιτόπιες μετρήσεις, με σκοπό να γίνει μια λεποτομερή ανάλυση του κυματικού δυναμικού των ελληνικών θαλασσών. Τέλος, στο κεφάλαιο 8 συνοψίζονται τα αποτελέσματα που προέκυψαν και αναφέρονται τα κυριότερα συμπεράσματα από αυτήν την μελέτη. Το παράρτημα Α, αποτελείται από ένα συγκεντρωτικό πίνακα των τεχνολογιών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας από τα θαλάσσια κύματα, χωρισμένους ανάλογα με τον τρόπο λειτουργίας και την περιοχή εγκατάστασης, μαζί με τα βασικότερα χαρακτηριστηκά και τις πληροφορίες που συγκεντρώθηκαν για τη κάθε μία ξεχωριστά. Συμπερασματικά, η εκμετάλλευση του κυματικού δυναμικού στον ελληνικό θαλάσσιο χώρο, όπως προκύπτει από τα αποτελέσματα που παρουσιάστηκαν στην συγκεκριμένη διπλωματική εργασία και η ανάπτυξη υβριδικών συστημάτων, θα μπορούσε να αποτελέσει μια βιώσιμη και τεχνολογικά εφικτή λύση για την ηλεκτροδότηση της χώρας από Α.Π.Ε..

Currently in Europe approximately 20% of its electricity comes from renewable energy sources (RES); mainly because of their unlimited availability and contribution to the reduction of atmospheric pollution. This work deals with this relatively new and unfamiliar in Greece renewable energy source which simultaneously has significant potential for exploitation in the near future worldwide: the energy contained in ocean waves. Greece, with an approximately 16.000 km long coastline, has a high wind potential over the Aegean Sea which gives rise to relatively intense wave climate of 4–11 kW/m annual average power (Clement Alain et al., 2002). Chapter 1 consists of introductory information about the origin and generation of sea waves and the main advantages of this particular energy source. In Chapter 2 the history of wave energy is described. The idea of converting the energy of ocean surface waves is not new. The first patent for construction device that exploits the wave energy was made by French engineer Pierre Girard, in 1799. In Europe intensive research and development study of wave energy conversion began, however, after the dramatic increase in oil prices in 1973. Since 1990, there was a real renaissance in the field of wave energy, which has led in recent years, closer to commercialization than ever before. The wave devices for the exploitation of wave energy are categorized by their installation area as: onshore, coastal or offshore. In Chapter 3 some wave energy converters are presented and categorized according to how they operate (6 known types of operation). Many of these technologies have evolved considerably, others are experimental, and some have reached the point of commercialization. Chapter 4 presents the theoretical estimation of the wave potential both for a simple harmonic wave which is regarded as the simplest mathematical approach to study two-dimensional surface gravity waves (linear wave theory), as well as for a real sea-state, introducing the concept of the model random phase. The assessment of the wave potential in the Greek seas is taking place using hindcast data from the wave model WAM and in situ wave measurements obtained through the POSEIDON system. In Chapter 5, the POSEIDON system is described along with the WAM wave model. In Chapter 6 the way for estimating the wave potential in the Greek seas is presented, using hindcast data for a period of 10 years (1995-2004). The data were derived from numerical wave simulation models of high spatial and temporal resolution and are published in the form of a Wind and Wave Atlas (Soukissian et al., 2007; Soukissian et al., 2008). Moreover, using in-situ wave measurements obtained through POSEIDON marine monitoring network that are in the form of long time series covering a period from 5 to 12 years (1999-2011), the wave potential at 5 specific deep-water locations, is estimated. The estimation of the wave potential is carried out using the Matlab programming and the numerical results of these measurements are presented. In the next chapter (Chap.7) a comparison of the results obtained through the wave model with results obtained from in-situ wave measurements is attempted. Finally, Chapter 8 summarizes the obtained numerical results and the main conclusions drawn from this study. Annex A consists of a compilation of technologies producing electricity from sea waves, divided according to the operating mode and installation area, along with the main features of the engravings and the information gathered for each one separately. In conclusion, the use of the wave potential in the Greek seas, according to the results presented in this work and the development of hybrid systems of wind and wave energy could be a technologically viable solution for the electrification of Greece by RES.