Енергия от приливно течение

Повечето възобновяеми източници на електроенергия зависят от времето. Приливните течения зависят от орбитата на Луната и въртенето на Земята, поради което таблиците с приливи могат да бъдат отпечатани години напред. В някои тесни канали, като например Пентланд Фирт между континентална Шотландия и Оркни, това движение се превръща в течение от 3 до 5 метра в секунда, по-бързо отколкото повечето хора могат да тичат. Сложете турбина в нея и имате електроцентрала, чиято мощност можете да прогнозирате с точност до часа за остатъка от века.

Тази страница следва същото правило като нашата Изследване на фен стената: първо физиката, после какво са измерили истинските машини, след това колко струва в сравнение със стандарта, който всяка идея за сграда трябва да надмине, соларния панел на покрива. Кратка версия: **приливните потоци работят, те са предвидими и новите проекти все още струват няколко пъти повече от слънчевите или вятърните паркове. Тя може да спечели на острови и отдалечени брегове, където електроенергията вече е скъпа, и би могла да се превърне в ценна, стабилна част от някои мрежи, ако разходите продължат да намаляват. Тя никога няма да бъде голям дял от световната електроенергия. **

Какво е това?

Има два начина за производство на електричество от приливите.

Диапазон на приливите използва разликата във височината между високи и ниски води. Язовир над устие (язовир) или стена около част от морето (лагуна) задържа водата, след което я оставя да тече през турбини, подобно на речна язовирна стена. Доказано е: Ла Ранс в Бретан работи от 1966 г., а езерото Сихуа в Южна Корея с мощност 254 МВт бе открито през 2011 г. Но един язовир променя цял естуар и много малко са построени. Най-голямото предложение от последните години, лагуна с мощност 320 MW в залива Суонзи в Уелс, получи разрешение за планиране през 2015 г. и беше отхвърлено от правителството на Обединеното кралство поради разходите през 2018 г.

Приливно течение, предмет на тази страница, поставя турбини в самия поток, без язовирна стена. Те приличат на подводни вятърни турбини, фиксирани към морското дъно или висящи под плаващ корпус. Това ги прави далеч по-леки за околната среда и много по-малки в мащаб, една машина в даден момент, поради което почти цялото текущо развитие е приливно течение.


Как работи

Защо приливите са предсказуеми. Гравитацията на Луната дърпа океана в две изпъкналости от противоположните страни на Земята, а Земята се върти под тях. Основният лунен прилив се повтаря на всеки 12 часа и 25 минути. Слънцето добавя по-малък прилив от своя страна. Когато Слънцето и Луната се подредят, при новолуние и пълнолуние, двете се добавят към силна Пролетни приливи и отливи; седмица по-късно те частично се отменят в слаби приливите и отливите. Пълният цикъл отнема 14,8 дни. Всеки един от тези ритми е астрономия, така че течението на дадено място може да бъде предсказано десетилетия напред.

Мощността в ток. Точно както при вятъра, енергията, която тече през дадена област A е P = ½ ρ A v³, където ρ е плътността на течността и v Скоростта му. Турбината запазва част от нея, коефициента на мощност Cp. Морската вода тежи 1025 кг на кубичен метър, въздуха около 1.2. Така че, въпреки че теченията са бавни, плътността повече от компенсира това: при 3 м/с един квадратен метър на течението носи 13.8 кВт, докато същият квадратен метър на силен вятър с 12 м/с носи 1.1 кВт. Ето защо 18-метров приливно-отливен ротор произвежда 1,5 МВт, което е същото като четири пъти по-широк вятърен ротор.

Кубът работи и в двете посоки. Тъй като мощността е пропорционална на куба на скоростта, ток, който се намалява наполовина, осигурява една осма от мощността. Течението в дадено място се покачва и пада два пъти на ден и се променя между изворите и приливите на всеки две седмици, така че турбина с размери, които да улови най-бързите пролетни приливи, ще стои почти празна. Затова дизайнерите избират Номинална скорост на въртене, често около 2.5 до 3 м/сек, над която турбината изхвърля допълнителната мощност. Обяснението по-горе показва компромиса: по-ниската номинална скорост дава по-висок капацитет (повече от времето при пълна мощност), но по-малка машина.

Колко много може да даде един канал. Каналите не са безкрайни реки от енергия. Турбините забавят водата, от която получават енергия и достатъчно от тях ще блокират канала, така че приливът да намери друг начин. Гарет и Къминс показаха, че най-голямата мощност на канала може да произведе средно е около 20 до 24% от върховата глава на налягането от единия край до другия път на пиковия дебит, често много по-малко от кинетичната енергия, преминаваща през най-тясната му точка (Гарет и Къминс, 2005). Турбина в канал може да надмине границата на Бетц от 59,3%, защото стените на канала задържат потока, но част от тази печалба се губи отново, когато бързите и бавни течения се смесват зад нея (Гарет и Къминс, 2007).


Ограниченията: теоретични и практически

Цялата планета. Приливите губят около 3,7 теравата от триене, приблизително една четвърт от тях в дълбокия океан и останалата част в плитките морета и бреговете (Егбърт и Рей, 2000). Това звучи много, като се има предвид средната консумация на електроенергия в света от около 3.4 тераватчаса, но почти нищо от това не тече достатъчно бързо, достатъчно близо до брега, във вода, която е достатъчно плитка, за да може да се строи. Само на няколко десетки места в света има течения над 2 до 2,5 м/с: северна Шотландия, Нормандските острови и Бретан, залива Фънди в Канада, части от Корея, Китай, Япония и Индонезия.

Реалистична национална фигура. За Обединеното кралство и Нормандските острови, които имат някои от най-добрите обекти в света, прегледът от 2021 г. подкрепя практически ресурс на 34 ТВч на година, около 11% от текущото търсене на електроенергия във Великобритания, от приблизително 11.5 GW на турбини до 2050 г. (Коулс и др., 2021). За повечето страни цифрата е близка до нула.

Самото море. Практическите ограничения са инженерни и парични:

• Много. Плътността на водата означава, че приливният ротор усеща сили много пъти по-големи от тези на вятърния ротор със същия размер и приливните канали са турбулентни. Остриетата, лагерите и уплътненията трябва да издържат на това в продължение на 20 години.
• Достъп. Водолазите и корабите могат да работят само при слаба вода, кратката пауза между прилива и отлива и в спокойно време. Специализираните кораби са скъпи за наемане на ден. Плаващите конструкции като O2 на Orbital, които могат да издигат роторите си от водата, са създадени до голяма степен за намаляване на тази цена.
• Корозия и замърсяване. Солената вода, морските растения и утайките атакуват всичко.
• Решетка. Най-добрите обекти са на отдалечени брегове, далеч от търсенето и от силни мрежови връзки.

Реални проекти, измерени

Проект	Къде	Размер	Статус	Какво е било измерено или докладвано
MeyGen Фаза 1А	Инър Саунд, Пентланд Фирт, Шотландия	4 × 1,5 МВт, 18-метрови ротори	Работи от 2016 до 2018 г.	13.8 ГВтч през 2019 г. (при капацитет от 26%); над 50 ГВтч до началото на 2023 г.; около 59 МВт повече с гарантирани цени за периода 2027-2029 г.Майген.)
О2 орбитали	Падението на Уорнес, Оркни (ЕМЕК)	2 МВт, двойни 20-метрови ротори на плаващ корпус с дължина 72 м	Свързани към мрежата Юли 2021	Проектиран да задоволи годишното търсене на около 2000 домакинства във Великобритания; допълнителни машини от клас О2 имат договори с Обединеното кралство (Орбитална морска мощностНе открихме пълен публикуван запис на измерената годишна продукция.
Нова Иновация Шетландски приливно-отливни системи	Блумъл Саунд, Шетландски острови	6 × 100 кВт в пиковата си мощност	First turbine 2016; three oldest removed 2023	469 MWh in more than 14,000 hours of operation by December 2020; a later direct-drive design cut turbine cost by about a third (Nova Innovation)
СийДжен	Странгфорд Лоу, Северна Ирландия	1.2 МВт, двойни ротори на купчина	2008, след извеждане от експлоатация	Първата мегаватова приливна турбина, която достига пълна мощност в мрежата, през декември 2008 г. (Генератор на приливни течения)
Ла Ранс (приливно-отливен диапазон, за контекст)	Бретан, Франция	Язовир 240 МВт	От 1966 г.	Около 540 ГВтч на година, коефициент на капацитет от 26%; построена за около 340 щатски долара на кВт в пари от 2012 г. (IRENA, 2014)
Езеро Сихуа (диапазон на приливите)	Южна Корея, Южна Корея	254 MW	От 2011 г.	552 GWh на година; струва около 560 милиона щатски долара, построен в съществуваща морска стена (Езеро Сихуа)

Две честни четения на тази таблица. Първо, технологията работи,: турбините работят от години в някои от най-бурните води в Европа и изпращат десетки гигаватчаса към мрежата. Второ, ранните масиви са произвели по-малко от очакваното. Първите масиви се очаква да достигнат капацитетни фактори от 35 до 42% (Океански енергийни системи, 2015). Най-добрата първа година на МейДжен дава 26%, а през първите години средно е близо до 20%, тъй като отделните турбини са извадени за ремонт и заменени с модернизирани машини. Шестте 100-киловатови турбини на Нова показват същата схема в малък мащаб: истинско електричество, истинско обучение и машини, които се пенсионират след няколко години.


Колко струва

Цената на приливните потоци се определя главно от това, което правителствата са готови да гарантират, защото нито един проект все още не се изплаща сам.

Източник	Какво е това?	Цена
Договори за разлика, кръг 6 (2024)	Гарантирана цена за 28 МВт приливно-отливна енергия, 15 години	172 GBP за MWh в цени от 2012 г., около £250 или $0.32 за кВтч през 2025 г. пари
Същият търг	Соларни паркове / наземни вятърни електроцентрали / офшорни вятърни електроцентрали	50 GBP / 51 GBP / 54 GBP за MWh (по цени от 2012 г.)
Коулс и др. (2021)	Очаквана текуща цена на приливния поток във Великобритания	около £240 за МВтч, падайки под £150 след 124 МВт на обучение
Океански енергийни системи (2015)	Първи масиви / втори масиви / първи търговски проекти	$333 to $625 / $210 to $470 / $130 to $280 за MWh
Ла Ранс и Сихуа (2014)	Стари, изплатени язовири в приливните зони	0,02 до 0,04 евро за кВтч
Нашият еталон за сравнение	Rooftop solar on a building, Fan Wall model; Lazard 2026 range for commercial and community solar	$0.19 за kWh; $0.09 to $0.20
Лазард (юни 2026 г.)	Нова соларно- / наземна вятърна / офшорна вятърна енергия	$0.04 to $0.10 / $0.04 to $0.10 / $0.11 to $0.17 за kWh

Така че новият приливен поток струва приблизително $0.25 to $0.35 за кВтч днес, един и половина до два пъти слънчева енергия на покрива и три до осем пъти слънчева енергия и вятър на сушата. Сравнението с офшорната вятърна енергия, другата голяма морска технология, е това, което трябва да се наблюдава: офшорната вятърна енергия също беше много по-скъпа от слънчевата и наземната преди десетилетие, а цената й рязко падна, когато проектите нараснаха до стотици мегавати. “Тайдъл стрийм” се надява да следва този път, но досега е инсталирал мегавати, където офшорната вятърна енергия е инсталирала гигаватове.

Обикновеният LCOE не отразява едно нещо, което приливната енергия има, а слънчевата и вятърната – не: нейният изход е известен предварително и не зависи от времето. Коулс и колегите му твърдят, че това може да намали разходите за балансиране на мрежата, които обикновените сравнения на разходите пропускат. Това е реално предимство, но все още не достатъчно голямо, за да се затвори пропастта.

Къде може да спечели и къде не може

Тя може да спечели:

• Острови и отдалечени брегове със силни течения, като Оркни, Шетландските острови, Нормандските острови, Нова Скотия и части от Индонезия и Филипините, където електричеството често идва от внос на дизелово гориво и кабелите към континента са скъпи.
• Като стабилна, предвидима част от мрежа, доминирана от слънчева и вятърна енергия, запълвайки някои от часовете, когато и двете са ниски, защото приливът пренебрегва времето.
• Когато вече съществува структура. Езерото Сихуа е изградено в морска стена, която вече съществува; мостове, насипи и входове на пристанища с бързи течения си струват да се видят.
• Малки, извънмрежови товари в бърза вода: наблюдение на буйове, навигационни светлини и места за аквакултури.

Тя не може да спечели:

• Като евтина насипна електроенергия, навсякъде, където слънчеви или вятърни паркове могат да бъдат построени на земята.
• В по-голямата част от бреговете, където пиковите токове са под около 2 м/с: законът на куба прави мощността твърде тънка.
• Бързо. Съгласия, мрежови връзки, специализирани кораби и малка верига за доставки означават, че проектите отнемат много години.

Какво е доказано, правдоподобно и спекулативно

Доказано: астрономията и предсказуемостта на приливите; уравнението на силата и предимството на плътността на водата; че хоризонталните осови турбини могат да работят с години в силни приливни канали и да се изнасят към мрежата; че приливните язовири могат да работят повече от половин век; че до 2021 г. не са регистрирани сблъсъци между морски животни и работещи турбини (Коулс и др., 2021).


Вероятно: цената пада под £150 за МВтч, тъй като се строят масиви от десетки мегавати; плаващи турбини намаляват разходите за поддръжка; капацитетните фактори от 35 до 40% в зрели масиви с добра наличност; мрежова стойност за предсказуемост, която си струва да се плаща.

Спекулативна: Приливно-отливни течения, достигащи цената на офшорния вятър; много големи масиви в един канал без значително да променят неговите течения и екология; дългосрочни ефекти върху седиментите, стратификацията и хищниците, хранещи се около турбините в мащаб от гигават.

Отворени изследователски въпроси

• Масиви, а не отделни турбини. Как взаимодействат следите от редовете турбини и колко се забавя каналът, когато са инсталирани много?
• Надеждност. Кои конструкции на лопатките, лагерите, уплътненията и генератора оцеляват 20 години в турбулентна вода без скъпи повдигачи?
• По-евтин монтаж и достъп. Плаващи корпуси, по-малко и по-големи основи и работа извън хлабавата вода.
• Performance measurement. Measuring power curves in real, turbulent flow with the method of the IEC TS 62600-200 standard, so buyers can compare machines fairly (Renewable Energy, 2023).
• Околна среда. Риск от сблъсък за тюлени, морски свине и гмуркащи се птици; шум; въздействие върху седиментите и върху видовете, които се хранят в бързи води.
• Стойността на предсказуемостта. Колко струва един предвидим мегаватчас за мрежа с много слънчева и вятърна енергия?

От какво би се нуждаел един работещ прототип

Нова идея (нов ротор, по-евтино закотвяне, нов начин за поддръжка на машините) може да бъде тествана първо в малък мащаб. Разходите по-долу са нашите приблизителни оценки за малък екип, които трябва да бъдат прецизирани с тестов център.


Етап	Работа	Какво доказва това	Груба цена	Време
1. Улей или теглещ резервоар	Модел на ротор от 0,3 до 1 м в университетски канал или влачен през неподвижна вода, 0,5 до 2 м/с	Измерен коефициент на мощност и тяга спрямо скоростта	$20k to $80к	2 до 4 месеца
2. Пилот на река или устие	Агрегат от 1 до 10 кВт на понтон или малка рамка в бърза река или устие, с измервател на тока и регистриран електромер	Крива на реалната мощност, скорост при стартиране, замърсяване и отломки	$50k to $200к	6 до 12 месеца
3. Обект за изпитване на мащаба	Машина от 10 до 100 в разсадник, като например мащабния обект на ЕМЕК в Оркни, с независимо измерване	Надеждност, време за поддръжка, мониторинг на околната среда	$0.5 million to $3 милиона	1 до 2 години
4. Пълен мащаб	Мегаватова машина на тестов каюта, свързан към мрежата	Данни за ефективността, които могат да бъдат банкирани	десетки милиони	преди няколко години

Първите два етапа са в обсега на университетска група или решителен екип от създатели. Те са също точно това, което се нуждае от терен: модел, който се върти в истинска вода и метър, който показва какво е направил.

От кого се нуждаем

• Морски хидродинамисти и моделатори на приливни ресурси.
• Офшорни и военноморски инженери за фундаменти, швартовки, плаващи корпуси и морски операции.
• Инженери по електротехника и енергийна електроника за генератори, кабели и свързване към мрежата.
• Съоръжения за изпитване: университетски канали и резервоари за теглене, устия с достъп и изпитвателни центрове като в Оркни или в Нова Скотия.
• Морски еколози и екологи за мониторинг на сблъсъци, шум и местообитания.
• Certification specialists familiar with the IEC 62600 marine energy standards.
• Островни общности и пристанищни власти с бърза вода и скъпо електричество.


Имате по-добра идея?

Някои членове на Фондацията може да имат контакти, които биха могли да чуят за предложението. За да бъде представена, една идея се нуждае от работещ, реален модел, който всъщност произвежда енергия, с изхода си, измерен на инструмент, не е заявен: малък ротор в канал или река с регистриран метър струва повече от всяка рисунка. Идеи на хартия също са добре дошли: ако физиката и числата са солидни, можем да ги публикуваме тук в сайта. Но набирането на капитал без работещ модел е много трудно, а нищо тук не е обещание за финансиране, възвръщаемост или въвеждане.

Изпратете идеята си чрез формата за контакти. Форма за участие, избирайки Зелената инициатива. Кажете ни проблема, който решавате, проверката по физика (колко кВт на квадратен метър ротор, при какви текущи обороти), приблизителната цена за кВтч и най-евтиния тест, който може да докаже, че греши. - Да. Източници на енергия сравнява тази идея с единадесет други.

Източници

1. МейДжен / Ампеак Енерджи (преди това САЕ Ренуебалс и СИМЕК Атлантис). Проект за приливно-отливен поток МейГен: турбини, капацитет, етапи на производство и фазови планове. Вижте също MeyGen в Уикипедия за годишните резултати и кръгове на договори.
2. Министерство на енергийната сигурност и нетната нула (2024 г.) Резултати от 6-ия кръг на Договорите за разлика.
3. Ирен и ИЕА-ЕТСАП (2014). Приливна енергия - кратко описание на технологията.
4. Океански енергийни системи (2015). Международно изравнени разходи за енергия за технологии за океанска енергия.
5. Коулс, Д., Ангелудис, А., Грейвс, Д. и др. (2021). Преглед на практическия енергиен ресурс от приливно-отливни течения във Великобритания и Британските острови в Ламанша. Proceedings of the Royal Society A 477.
6. Гарет, К. и Къминс, П. (2005). Мощностният потенциал на приливните течения в каналите. Proceedings of the Royal Society A 461, 2563-2572.
7. Гарет, К. и Къминс, П. (2007). Ефективността на турбина в приливно-отливен канал. Списание за механика на флуидите 588, 243-251.
8. Егбърт, Дж.Д. и Рей, Р.Д. (2000). Значително разсейване на приливната енергия в дълбокия океан, изведено от сателитни данни за височината. Nature 405, 775-778.
9. Орбитална морска мощност (2021). Orbital Marine Power launches O2; Орбитална морска мощност в Уикипедия.
10. Нова иновация. Шетландски приливен масив, с Морската Скотланд Изследване на казус.
11. Приливно-отливен генератор и Приливна енергия, Уикипедия: SeaGen, Ла Ранс, Суонзи Бей; SeaGen, Уикипедия: двойни 16 m ротори, инсталирани през април 2008 г., премахнати от 2016 до 2019 г.
12. Приливна електроцентрала на езерото Сихуа, Уикипедия.
13. Лазар (юни 2026). Изравнена цена на енергията + версия 19.
14. Local Solar System Фондация. Стената на феновете: отворен модел и еталон, слънчева на покрива на $0.19 за кВтч.
15. Еванс, П., Аштън, И. и Селар, Б. (2023). Tidal turbine power performance assessments following IEC TS 62600-200 using measured and modelled power outputs. Възобновяеми енергийни източници.
16. Sabella (company), Wikipedia: the 1 MW D10 turbine, connected to the Ushant grid in November 2015.
17. Плътност на въздуха, Уикипедия: 1.225 кг на кубичен метър при морското равнище в Международната стандартна атмосфера.