ENERGIJA   PLIMOVANJA
    Plimovanje je periodično odzivanje trdne zemeljske skorje, ozračja in vodovja na motnje v težnostnem polju, ki jih povzročata privlačni sili Lune in Sonca. Torej je plimovanje pojem, ki v bistvu ne zajema samo vse svetovne vode, marveč tudi Zemljino skorjo in celo ozračje. Ker pa so v skorji in ozračju te anomalije zelo majhne, jih v večini primerov zanemarimo. Nasprotno temu je plimovanje morja zelo pomembno za plovbo in obmorske prebivalce, poleg tega pa vplive plimovanja občutijo tudi ob večini izlivov veletokov (Amazonka, Nil, tudi Temza,.....). Oblika Zemlje se zaradi privlačne sile Lune nekoliko spreminja. Kot sem že omenil, so temu vplivu najbolj podvrženi oceani (oziroma svetovna vodovja), ki pri tem dajo Zemlji obliko žoge za ragbi. Ker Luna potuje okrog Zemlje (in z njo v bistvu tudi plimski val), se po celem svetu izmenjavata plima in oseka. Nazorno animacijo plimovanja najdemo na internet naslovu: http://www2.arnes.si/~gljsentvid10/plima.htm                          Ta dva pojava pa nista povsem monotona, torej vedno enaka. Spreminja se tako interval menjavanja, kot tudi višina amplitude plimovanja.  Slednja je odvisna od dveh stvari. Prva je eliptična pot Lune, kar pomeni, da bo plimovanje imelo večjo amplitudo, ko bo Luna bližje Zemlji. Druga je, da povzroča plimovanje tudi Sonce. Le to je sicer zelo oddaljeno od našega planeta, vendar je zaradi izredno velike mase prav tako pomemben dejavnik pri plimovanju. Njegova učinkovitost dosega sicer bistveno manjši delež od  Luninega delovanja. Ko so Sonce, Luna in Zemlja v isti liniji, bo prišlo do tako imenovane visoke plime, ko je Luna pravokotno na smer Zemlja-Sonce, pride do nizke oseke.

Vpliv lune in Sonca na plimovanje. Vir: http://www.greenhouse.gov.au/renewable/reis/technologies/ocean/tidal.html

Res je, da vplivata na Zemeljsko plimovanje tudi Zemlji najbližja planeta, Mars in Venera, vendar je njun učinek zanemarljivo majhen in se porazgubi v stalnem valovanju morja. Razlike v amplitudi plimovanja so po svetu zelo različne. Tako je na primer na vzhodni obali Kanade (Nova Škotska) razlika med plimo in oseko tudi 14 metrov in več, v Rokavskem prelivu do 10 metrov, na Aljaski in v severozahodni Avstraliji pa 6 metrov. Na drugi strani lahko že  v Jadranskem morju vidimo, da so razlike precej manjše. V Kopru je razlika pod 1m, za prikaz višinske razliko med plimo in oseko si lahko prenesemo programček ku ga najdemo na strani http://www.big-game-adria.com ali pa preko ftp-ja. V južnem  Jadranu je razlika med plimo in oseko ponekod le 30 cm, v severnem Jadranu pa okrog 60 cm. V svetovnem povprečju znaša amplituda plimovanja 2 do 3 metre, najmanjše razlike med plimo in oseko pa so okrog ekvatorja. Do tega pride zaradi nagiba Lunine krožnice glede na Zemljin ekvator (23 stopinj). Razloge za tako velike razlike gre iskati v že omenjenem nagibu področij glede na Lunino ekliptiko, pa tudi v velikosti morij, oblikovanosti morskega dna in položaju ter oblikovanosti kopnega, če naštejemo pomembnejše dejavnike. Ponekod, kjer je morje plitvo in se počasi spušča proti velikim globinam odprtega morja, se voda ob oseki odmakne daleč od obale, potem pa ob plimi z veliko hitrostjo privre nazaj (preliv Pentland Firth severno od Škotske; voda ob plimi prihaja s hitrostjo 14 km/h).  Največje amplitude plimovanja tako najdemo tam, kjer so ozki prelivi ali zalivi povezani z globokimi odprtimi morji, oceani. To je seveda logično, saj plimski tok prinaša velike količine vode v zaliv (ali preliv). Kjer bi se drugače voda porazdelila po večjih območjih, v tem primeru nima kam, razen v višino.  Takšne lokacije so primerne za  izgradnjo elektrarn, ki izkoriščajo energijo  plimovanja. Po sedaj znanih raziskavah je teh lokacij kar nekaj, vidimo 21 primernih lokacij za izkoriščanje energije plimovanja.

Po dosedanjih raziskavah najprimernejše lokacije za postavitev elektrarn na plimovanje.
Vir: http://tidalelectric.com/projects/sites/index.html

 Najlažja izvedba je, da zaliv pregradimo in izkoriščamo razliko med nivojema plime in oseke. Zaliv za pregrado je neke vrste akumulacijski bazen.

  
Primer pregrajenega zaliva obratujoče elektrarne v Franciji. Pregrada povezuje obe strani zaliva.
Vir: http://popularmechanics.com/popmech/sci/tech/9712TUENTM.html  .

V bistvu izkoriščamo potencialno energijo vode, ki znaša W= mgDh.  Torej je teoretična moč take elektrarne:

                                                                                                
Maso vode nadomestimo z znanimi  podatki, površino jezera A,  višinsko razliko Dh in gostoto vode r, sledi:

                                                                                                      
Vstavimo konstante in uredimo enačbo:

Za orientacijo izračunajmo za primer s površino bazena 1km² in povprečno razliko plimovanja 10m                

Osnovni princip delovanja elektrarn na plimovanje smo že razložili. V praktični izvedbi pa se uporablja  zraven  omenjenega enosmernega delovanja še dvosmerni način, ki pa mora imeti dva bazena.  Pri enosmerni izvedbi  pregrada  zapira vhod v široko ustje reke ali zaliva. Model take elektrarne sem izdelal,  da si lažje predstavljamo delovanje. V jezu so nameščene turbine in  generatorji, ki so različne glede na konstrukcijo jezu . Pretvorba je  možna, ko ob  plimi zajeto vodo  spuščajo v   morje ob oseki. Možna je tudi pretvorba ob plimi. Obratovanje poteka v štirih fazah:

1. V prvi se bazen  polni v času plime.
2. V  drugi fazi  ostaja najvišji možni nivo  v bazenu ob zaprtih zapornicah.
3. V tretji fazi obratujejo turbine, voda odteka skoznje  v morje, dokler ni dosežen najmanjši  padec, ob katerem še lahko  turbina deluje.
4. Zapornice ostanejo v četrti fazi  zaprte, dokler se gladina v bazenu ne  izenači z gladino morja, nakar sledi polnjenje.

Primer enosmerne izvedbe. Vir: http://www.greenhouse.gov.au/renewable/reis/technologies/ocean/tidal.htm

Drugi pristop, dvosmerni,   je mnogo  dražji, omogoča pa z izgradnjo  dveh bazenov stalno proizvodnjo električne energije. Zgornji bazen približno   napolnijo med srednjo  višino  vode in plimo, spodnji bazen pa praznijo med srednjo višino in oseko. Pretvorba  je v turbinah, ki so nameščene med obema bazenoma. Izvedenih je več variant te osnovne zamisli, vse do prečrpavanja v času malih višinskih razlik. Vendar te elektrarne delujejo z 1/2 moči.

Elektrarna  v Franciji v La Rance je prva delujoča elektrarna na plimovanje, saj je začela  delovati že leta 1966. Kot vse novosti so tudi ta  projekt na začetku obrekovali in govorili, da gre za fantazijski projekt. Na tem mestu moram poudariti, da izraba  energije, ki jo dajeta plima in oseka, nikakor ni  izum zadnjih desetletij, saj so  Francozi že v  12. stoletju na obalah Bretanije gradili  mline na  plimovanje. Izvedba je bila preprosta: z jezom so  zagradili manjši zaliv, ki se je med  naraščajočo plimo polnil.  Ko je bila plima najvišja, so zaprli zapornice in voda, ki je iztekala, je poganjala   mlinsko kolo. Sedaj pa poznamo način izkoriščanja v obeh smereh.

Pri prej omenjeni   elektrarni  Rance  sega umetno jezero   20 km po reki navzgor in zadržuje 184 miljonov m3 vode, pri vsakem ciklu plima - oseka proizvede 800 MWh električne energije.  Umetno jezero na ustju reke zapira 750m dolga  pregrada med rtoma Briantais in Brebis v bližini Saint Maloja na obali Rokavskega  preliva. Kar 24 turbin z instalirano močjo 240 MW je v 170.000 urah delovanja vsako  leto  proizvedlo 600 milijonov kWh električne energije. Ta številka za današnje  jedrske ali termoelektrarne ne pomeni nič posebnega, za elektrarno, ki jo poganja  morje, pa je to svetovni rekord. Pomembno je tudi, da se je velikanska investicija, ki je znašala 3,5 milijona frankov ( kar je  50% več kot izgradnja  jederske elektrarne   podobne moči), že amortizirala  in sedaj je cena  električne energije na pragu  elektrarne  za 18% nižja od  povprečne  vrednosti v Franciji.

Vendar pa moram na tem mestu omeniti, da je po treh desetletjih obratovanja elektrarna potrebovala temeljit pregled, kjer so ugotovili  obrabo delov v korozivnem  okolju in si tako tudi nabrali dragocenih izkušenj za nadaljnje  projektiranje podobnih naprav. Nekatere dele se bo dalo obnoviti, nekatere  pa bodo morali zamenjati  z novimi. Če vemo, da  vsaka turbinska lopatica  meri približno   tri metre in tehta 2,7 tone, si lahko predstavljamo, kakšno delo je to. Prvo turbino so odmontirali že  januarja  1995 in jo  znova vgradili čez 12 mesecev. Na delu so tri skupine s po 15 delavci - monterji, ki bodo delo, ki bi ga ena skupina opravila v 24 letih, opravili v desetih letih, ob tem pa bo elektrarna  ves čas obratovala z 80%  nazivne moči.

Kljub temu, da takšne elektrarne prištevamo med ekološko neoporečne, se vendarle pokažejo nekatere stvari, ki niso ekološko ustrezne. Gradnja elektrarne na reki Rance  je trajala šest let  in v tem  času je bil rečni  izliv kar tri leta ločen od  voda Rokavskega preliva. V tem  času sta  - po poročilu  raziskovalcev pomorskega laboratorija  iz naravoslovnega muzeja v Dinardu - skoraj popolnoma izginila morsko rastlinstvo in živalstvo, za kar je bilo več vzrokov: v  vodi pri ustju je padla koncentracija kisika , močno je nihala slanost, ribe niso mogle več drstiti nad jezom,... Ponovna kolonizacija  rečnega izliva je  bila počasna in  je trajala kar 10 do 15 let, preden je bilo vzpostavljeno ravnotežje , ki pa je bilo drugačno, kot pred začetkom gradnje. Sodelavci muzeja so v svojem poročilu zapisali, da so se ciplji, rakovice in druge ribe vrnili, nekaterih bolj “plemenitih” kot sta jegulja in morski list, pa ob bregovih Rance ni bilo več. Kaže, da so  turbinski kanali  za nekatere  vrste rib prehuda ovira, poleg tega pa je prejšnje peščine   in plitvine, kjer so se  drstile ribe  in kjer so ribje mladice imele idealno gojišče oziroma skrivališče, prekrila plast  blatnih usedlin. Pestrost živalskih vrst v  ustju  se je sicer zmanjšala, ribja populacija  pa je v primerjavi   s sosednjimi  zalivi celo narasla - v največje  veselje  ptic, ki jih rahla sprememba  jedilnika prav nič ne moti. Že prej omenjene usedline, ki pomenijo največjo oviro, so se v treh desetletjih delovanja nabrale za skoraj poldrugi milijon kubičnih metrov.  Vsaka nova gradnja v rečnem koritu, pa naj bo to  jez, nasip, pomol ali podporni steber mostu , spremeni  vodni tok  in zmoti   transport drobnih sedimentov, ki se začnejo   nabirati nad ali pod oviro. Pri elektrarni Rance preizkušajo nekakšne pasti za naplavine, ki jih na obeh straneh jezu naredijo z   manjšo poglobitvijo dna. Jama na rečnem dnu zvrtinči vodni tok  in na mestih, ki so dosegljiva s čistilnimi bagri, povzroči nastajanje sipin. Ta tehnika se je odlično obnesla, saj so na ta način iz reke  v enem samem letu odstranili 40.000 kubičnih metrov naplavin.

Ena izmed največjih ovir povečane uporabe energije plimovanja je cena, za postavitev take elektrarne. Ocenjena vrednost investicije za izgradnjo elektrarne v Angliji (Severn), je okrog 15 bilijonov dolarjev.  Obratovalni in vzdrževalni stroški so nizki, če gledamo s stališča porabljenega goriva, čeprav so celotni stroški  proizvedene elektrike še vedno zelo visoki. Ključni faktor pri določanju cenovne učinkovitosti lege za tako elektrarno so velikost zajezitve, ki jo potrebujemo, in razlika v višini med visoko in nizko plimo. Te faktorje izrazimo v t.i.  "Gibrat" razmerju. Gibrat razmerje je razmerje med dolžino  pregrade v metrih in letno proizvodnjo elektrike v kWh. Manjše je to razmerje, tem bolj je ta  lega primerna. Primeri tega razmerja za LaRance je razmerje 0,36 in  za Severn je 0,87.  Moč plime ima potencial, da proizvaja pomembno količino elektrike na določenih položajih po svetu. Čeprav vseh potreb po elektriki ne moremo zagotoviti samo z močjo plime, je lahko dragocen vir obnovljive energije električnega sistema. Negativni vplivi jezov pri takih elektrarnah so verjetno bistveno manjši od drugih virov elektrike, ampak do zdaj še te stvari niso dobro pojasnjene.  Tehnologija, potrebna za pretvorbo energije plimovanja v električno je dobro razvita in glavna ovira uporabe ostaja v stroških konstrukcije.  Stroški ostalih virov elektrike v prihodnosti in skrbi glede njihovih vplivov na okolje bodo nazadnje določili ali bo človeštvo široko izkoriščalo    naravne danosti energije, kot je gravitacijska moč Lune, ali ne.