Energia del corrent de marea

La majoria de l’electricitat renovable depèn del temps. Els corrents de marea depenen de l’òrbita de la Lluna i del gir de la Terra, raó per la qual les taules de marees es poden imprimir amb anys d’antelació. En alguns canals estrets, com el Pentland Firth entre Escòcia continental i les Òrcades, aquest moviment es converteix en un corrent de 3 a 5 metres per segon, més ràpid que la majoria de persones poden córrer. Posa una turbina i tens una central elèctrica la producció de la qual pots predir a l’hora per a la resta del segle.

Aquesta pàgina segueix la mateixa regla que la nostra investigació sobre el Fan Wall: primer la física, després el que han mesurat les màquines reals i després el cost en comparació amb el punt de referència que ha de superar tota idea per a un edifici, un panell solar al terrat. La versió curta: **el corrent de marea funciona, és predictible i els nous projectes encara costen diverses vegades més que les centrals solars o eòliques. Pot guanyar en illes i costes remotes on l’energia ja és cara, i podria esdevenir una part valuosa i estable d’algunes xarxes si els costos segueixen caient. Mai no serà una gran part de l’electricitat mundial. **

Què és

Hi ha dues maneres de fer electricitat a partir de la marea.

Interval de marea usa la diferència d’alçada entre l’aigua alta i baixa. Una presa a través d’un estuari (una presa) o un mur al voltant de part del mar (una llacuna) reté l’aigua, i després la deixa passar per turbines, com una presa de riu. Està demostrat: La Rance a Bretanya funciona des de 1966, i Sihwa Lake a Corea del Sud, 254 MW, va obrir el 2011. Però una presa canvia tot un estuari, i se n’han construït molt poques. La proposta més gran dels últims anys, una llacuna de 320 MW a la badia de Swansea a Gal·les, va rebre permís de planificació el 2015 i va ser rebutjada pel govern del Regne Unit sobre el cost el 2018.

Corrent de marea, el tema d’aquesta pàgina, posa turbines en el corrent mateix, sense una presa. Sembla que són turbines eòliques submarines, fixades al fons marí o penjades sota un casc flotant. Això els fa molt més lleugers en el medi ambient i molt més petits a escala, una màquina a la vegada, raó per la qual gairebé tot el desenvolupament actual és corrent de marea.

Com funciona

Per què les marees són predictibles. La gravetat de la Lluna tira l’oceà en dos bony a costats oposats de la Terra, i la Terra gira sota ells. La marea lunar principal es repeteix cada 12 hores i 25 minuts. El Sol afegeix una marea més petita pròpia. Quan el Sol i la Lluna s’ alineen, a la lluna nova i plena, les dues sumen per ser fortes marees de primaveraweather forecast; una setmana després es cancel· len parcialment i esdevenen febles marees properesweather condition. El cicle complet dura 14,8 dies. Cada un d’aquests ritmes és astronomia, així que el corrent en un lloc donat pot ser predit dècades endavant.

La potència en un corrent. Exactament com per al vent, la potència que flueix a través d’una àrea A és P = ½ ρ A v³, on ρ és la densitat del fluid i v la seva velocitat. Una turbina en conserva una fracció, el coeficient de potència Cp. L’aigua de mar pesa 1.025 kg per metre cúbic, l’aire uns 1,2. Així que encara que els corrents són lents, la densitat més que compensa: a 3 m/s un metre quadrat de corrent porta 13.8 kW, mentre que el mateix metre quadrat d’un fort vent de 12 m/s porta 1.1 kW. És per això que un rotor de marea de 18 m fa 1,5 MW, el mateix que un rotor eòlic quatre vegades més ample.

El cub funciona en ambdós sentits. Com que la potència va amb el cub de velocitat, un corrent que es redueix a la meitat proporciona una vuitena part de la potència. El corrent en un lloc puja i baixa dues vegades al dia i oscil·la entre les marees primàries i les marees secundàries cada quinze dies, de manera que una turbina mesurada per capturar les marees primàries més ràpides es quedaria gairebé inactiva. Els dissenyadors, per tant, trien un velocitat nominal, sovint al voltant de 2.5 a 3 m/s, per sobre del qual la turbina es desfà de la potència extra. L’explicador de dalt mostra el compromís: una velocitat nominal més baixa dóna un factor de capacitat més alt (més del temps a plena sortida) però una màquina més petita.

Quant pot donar un canal. Un canal no és un riu d’ energia sense fi. Les turbines alenteixen l’aigua de la qual prenen energia, i prou d’elles bloquejaran el canal perquè la marea trobi una altra manera de girar. Garrett i Cummins van mostrar que la major potència que un canal pot produir de mitjana és d’aproximadament 20 a 24% del pic de pressió des d’un extrem fins a l’altre vegades el flux màxim, sovint molt menys que l’energia cinètica que flueix a través del seu punt més estret (Garrett i Cummins, 2005). Una turbina en un canal pot superar el límit de Betz d’aigua oberta del 59,3%, perquè les parets del canal mantenen el flux, però una part d’aquest guany es perd de nou quan els corrents ràpids i lents es barregen darrere seu (Garrett i Cummins, 2007).

Els límits: teòrics i pràctics

El planeta sencer. Les marees perden uns 3,7 terawatts a causa de la fricció, aproximadament un quart d’ells en l’oceà profund i la resta en mars poc profunds i costes (Egbert i Ray, 2000). Això sona molt, comparat amb l’ús mitjà mundial d’electricitat de 3.4 TW, però gairebé cap d’aquesta energia flueix prou ràpid, prou a prop per arribar a la costa, en aigües prou poc profundes com per construir-hi. Només unes poques dotzenes de llocs del món tenen corrents per sobre dels 2 a 2,5 m/s: el nord d’Escòcia, les Illes del Canal i Bretanya, la badia de Fundy al Canadà, parts de Corea, Xina, Japó i Indonèsia.

Una figura nacional realista. Per al Regne Unit i les Illes del Canal, que tenen alguns dels millors llocs del món, una revisió de 2021 va donar suport a un recurs pràctic de 34 TWh a l’any, al voltant de l’11% de la demanda actual d’electricitat del Regne Unit, d’uns 11.5 GW de turbines per al 2050 (Coles et al., 2021). Per a la majoria de països, la xifra és propera a zero.

El mateix mar. Els límits pràctics són l’enginyeria i els diners:

• Moltes. La densitat de l’aigua significa que un rotor de marea sent forces moltes vegades més grans que un rotor de vent de la mateixa mida, i els canals de marea són turbulents. Les fulles, els rodaments i els segells han de sobreviure a això durant 20 anys.
• Accés. Els bussejadors i els vaixells només poden treballar en aigua freda, la curta pausa entre inundació i rebot, i amb temps calmat. Els vaixells especialistes són cars de llogar per dia. Els dissenys flotants com l’O2 d’Orbital, que poden elevar els seus rotors fora de l’aigua, es van inventar en gran part per reduir aquest cost.
• Corrosió i ensoroll. L’aigua salada, el creixement marí i els sediments l’ataquen tot.
• Grid. Els millors llocs són a les costes remotes, lluny de la demanda i de connexions fortes a la xarxa.

Projectes reals, mesurats

Projecte	On	Mida	Estat	El que es va mesurar o informar
MeyGen Fase 1A	Inner Sound, Pentland Firth, Escòcia	4 × 1.5 MW, 18 m rotors	Operatiu des de 2016 a 2018	13,8 GWh el 2019 (un factor de capacitat del 26%); més de 50 GWh a principis del 2023; uns 59 MW més amb preus garantits per al 2027-2029 (MeyGen)
Orbital O2	Falla de Warness, Orkney (EMEC)	2 MW, dos rotors de 20 m en un casc flotant de 72 m	Connectat a la xarxa juliol 2021	Dissenyat per satisfer la demanda anual d’uns 2.000 habitatges del Regne Unit; més màquines de classe O2 tenen contractes al Regne Unit (Potència marina orbitalNo hem trobat cap registre publicat complet de la producció anual mesurada.
Nova Innovation Shetland Tidal Array	Bluemull Sound, Shetland	6 × 100 kW al seu màxim	Primera turbina 2016; les tres més antigues retirades 2023	469 MWh en més de 14.000 hores d’operació el desembre de 2020; un disseny posterior de conducció directa va reduir el cost de la turbina en aproximadament un terç (Nova Innovation)
SeaGen	Strangford Lough, Irlanda del Nord	1,2 MW, dos rotors en una pila	2008, des de la seva retirada	La primera turbina de corrent de marea a escala megawatt per arribar a la potència plena en una xarxa, al desembre de 2008 (Generador de corrent de marea)
La Rance (interval de marea, per context)	Bretanya, Françafrance. kgm	Presa de 240 MW	Des de 1966	Al voltant de 540 GWh a l’any, un factor de capacitat del 26%; construït per uns 340 USD per kW en diners de 2012 (Irène, 2014)
Llac Sihwa (interval de marees)	Gyeonggi, Corea del Sudworld. kgm	254 MW	Des de 2011	552 GWh a l’any; costà uns 560 milions de dòlars, construït en un mur marí existent (Sihwa Lake)

Dues lectures honestes d’aquesta taula. Primer, la tecnologia funcionaLes turbines han funcionat durant anys en algunes de les aigües més violentes d’Europa i han enviat desenes de gigawatt-hores a la xarxa. Segon, els primers arrays han produït menys del que s’esperava. Els primers arranjaments s’esperaven per arribar a factors de capacitat del 35 al 42% (Ocean Energy Systems, 2015). El millor any inicial de MeyGen va donar un 26%, i durant els seus primers anys es va acostar a una mitjana del 20%, ja que les turbines individuals van ser retirades per reparar-les i reemplaçades amb màquines millorades. Les sis turbines de 100 kW de Nova mostren el mateix patró a petita escala: electricitat real, aprenentatge real i màquines retirades en pocs anys.

Quant costa

El preu del corrent de marea es determina principalment pel que els governs estan disposats a garantir, perquè cap projecte encara no s’ha pagat per si mateix.

Font	Què és	Preu
Contractes per diferència del Regne Unit, ronda 6 (2024)	Preu garantit per 28 MW de corrent de marea, 15 anys	172 £ per MWh a preus del 2012, unes 250 lliures o 0,32 dòlars per kWh en diners del 2025
La mateixa subhasta	Granges solars / vent terrestre / vent marítim	50 £ / 51 £ / 54 £ per MWh (preus de 2012)
Coles et al. (2021)	Cost estimat actual del corrent de marea al Regne Unit	aproximadament £240 per MWh, quedant per sota de £150 després d’aprendre 124 MW
Sistema d’energia oceànica (2015)	Primers matrius / segones matrius / primers projectes comercials	$333 to $625 / $210 to $470 / $130 to $280 per MWh
La Rance i Sihwa (IRENA, 2014)	Preses antigues, pagades per la marea	€0.02 to €0.04 per kWh
El nostre punt de referència	Solar en el sostre d’un edifici, model de paret amb ventilador; gamma Lazard 2026 per a solar comercial i comunitari	$0.19 per kWh; $0.09 to $0.20
Lazard (juny 2026)	Nova utilitat solar / eòlica terrestre / eòlica marina	$0.04 to $0.10 / $0.04 to $0.10 / $0.11 to $0.17 per kWh

So new tidal stream costs roughly $0.25 to $0.35 per kWh today, one and a half to two times rooftop solar and three to eight times utility solar and onshore wind. La comparació amb l’eòlica marina, l’altra gran tecnologia marina, és la que cal tenir en compte: fa una dècada l’eòlica marina era també molt més cara que l’eòlica solar i terrestre, i el seu preu va caure bruscament a mesura que els projectes creixien fins als centenars de megawatts. Tidal Stream espera seguir aquest camí, però fins ara ha instal·lat megawatts on el vent oceànic ha instal·lat gigawatts.

Un LCOE simple no captura una cosa que l’energia de marea té i la solar i eòlica no: la seva producció es coneix per endavant i no depèn del temps. Coles i els seus col·legues argumenten que això pot reduir el cost d’equilibrar una xarxa, que les comparacions de costos ordinàries deixen fora. És un avantatge real, però encara no prou gran com per tancar la bretxa.

On pot guanyar, i on no pot

Pot guanyar:

• Illes i costes remotes amb corrents forts, com les Òrcades, Shetland, les Illes del Canal, Nova Escòcia i parts d’Indonèsia i Filipines, on l’electricitat sovint prové de dièsel importat i els cables al continent són cars.
• Com una part estable i previsible d’una xarxa dominada pel sol i el vent, omplint algunes de les hores quan ambdues són baixes, perquè la marea ignora el temps.
• On ja hi ha una estructura. El llac Sihwa es va construir en un mur marí que ja hi era; els ponts, les calçades i les entrades del port amb corrents ràpids valen la pena de mirar.
• Càrregues petites, fora de la xarxa en aigua ràpida: monitoratge de boies, llums de navegació i llocs d’aqüicultura.

No pot guanyar:

• Com a electricitat barata, es poden construir parcs solars o eòlics en qualsevol lloc de la terra.
• A la gran majoria de les costes, on els corrents màxims són inferiors a uns 2 m/s: la llei del cub fa que la potència sigui massa prima.
• Ràpidament. Els consentiments, les connexions a la xarxa, els vaixells especialistes i una petita cadena de subministrament signifiquen que els projectes triguen molts anys.

El que és provat, plausible i especulatiu

Provat: l’astronomia i la predictibilitat de les marees; l’equació de potència i l’avantatge de densitat de l’aigua; que les turbines d’eix horitzontal poden funcionar durant anys en canals de marea forts i exportar a la xarxa; que les preses de gamma de marea poden funcionar durant més de mig segle; que no s’havien detectat col·lisions entre animals marins i turbines en funcionament fins al 2021 (Coles et al., 2021).

Plausible: el cost baixa per sota de 150 £ per MWh a mesura que es construeixen matrius de desenes de megawatts; turbines flotants reduint els costos de manteniment; factors de capacitat del 35 al 40% en matrius madures amb bona disponibilitat; un valor de la xarxa per predictibilitat que val la pena pagar.

Especulatiu: corrent de marea arribant al cost del vent offshore; matrius molt grans en un sol canal sense canviar significativament els seus corrents i ecologia; efectes a llarg termini sobre sediments, estratificació i predadors que s’alimenten al voltant de turbines a escala gigawatt.

Preguntes obertes de recerca

• Arrays, no turbines individuals. Com interaccionen les veus de les files de turbines i quant alentirà el canal quan n’hi hagi moltes instal·lades?
• Fiabilitat. Quins dissenys de pala, coixí, segell i generador sobreviuen 20 anys d’aigua turbulenta sense costosos ascensors?
• Instal·lació i accés més barats. Cascs flotants, menys i majors fonamentacions, i treballant fora d’aigua suau.
• Mesura de rendiment. Mesura les corbes de potència en flux turbulent real amb el mètode de l’estàndard IEC TS 62600-200, per tal que els compradors puguin comparar màquines justament (Energia renovable, 2023).
• Medi ambient. Risc de col·lisió per a foques, marsopes i ocells bussejadors; soroll; efectes en els sediments i en les espècies que s’alimenten en aigua ràpida.
• El valor de la predictibilitat. Quant val una megawatt-hora previsible per a una xarxa amb molta energia solar i eòlica?

El que necessitaria un prototip de treball

Una nova idea de marea (un nou rotor, un amarratge més barat, una nova manera de mantenir les màquines) es pot provar a petita escala primer. Els costos a sota són les nostres estimacions aproximades per un petit equip, que es refinaran amb un centre de proves.

Etapa	Treball	El que prova	Cost aproximat	Hora
1. Tanc de remolcament	Un rotor model de 0,3 a 1 m en una canalització universitària o remolcat per aigua estancada, 0,5 a 2 m/s	Coeficient de potència i empenta mesurats contra la velocitat	$20k to $80k	2 a 4 mesos
2. Pilot de riu o estuari	Una unitat d’ 1 a 10 kW en un pontó o petit marc en un riu ràpid o estuari, amb un mesurador de corrent i un mesurador de potència registrada	Corba de potència real, velocitat d’ inici, enrenou i escombraries	$50k to $200k	6 a 12 mesos
3. Escala el lloc de prova	Una màquina de 10 a 100 kW en un lloc d’hort com el lloc d’escala de l’EMEC a les Orcades, amb mesurament independent	Fiabilitat, temps de manteniment, control ambiental	$0.5 million to $3 milions	1 a 2 anys
4. Escala completa	Una màquina de megawatts en un lloc de prova connectat a la xarxa	Dades de rendiment bancables	desena de milions	diversos anys

Les dues primeres etapes són a l’abast d’un grup universitari o un equip determinat de fabricants. També són exactament el que necessita un camp de futbol: un model que gira en aigua real i un mesurador que mostra el que ha fet.

Qui necessitem

• Marine hydrodynamicists i modeladors de recursos de marees.
• Enginyers marítims i navals per a fonaments, amarratges, cascs flotants i operacions marines.
• Enginyers elèctrics i electrònics submarins per a generadors, cables i connexió a la xarxa.
• Instal·lacions de prova: canals universitaris i tancs de remolcament, estuaris amb accés, i centres de prova com EMEC a Orkney o FORCE a Nova Escòcia.
• Ecologistes marins per a col·lisions, soroll i monitoratge d’hàbitat.
• Especialistes en certificació familiars amb els estàndards d’energia marina IEC 62600.
• Comunitats insulars i autoritats portuàries amb aigua ràpida i electricitat cara.

Tens una idea millor?

Alguns membres de la Fundació poden tenir contactes que podrien sentir un to. Per ser llançada, una idea necessita un model de la vida real que produeix energia, amb la seva sortida mesurada en un instrument, no reclamat: un petit rotor en una canal o un riu amb un metre registrat val més que qualsevol dibuix. Les idees en paper també són benvingudes: si la física i els números són sòlids, les podem publicar aquí al lloc web. Però recaptar capital sense un model de treball és molt difícil, i res aquí no és una promesa de finançament, rendibilitat o introduccions.

Envieu la vostra idea a través del formulari de contribució, escollint la Iniciativa Verda. Digueu-nos el problema que resol, la comprovació física (quants kW per metre quadrat de rotor, a quina velocitat actual), un cost aproximat per kWh i la prova més barata que podria demostrar que està equivocat. La pàgina fuentes d’energia compara aquesta idea amb onze altres.

Fonts

1. MeyGen / Ampeak Energy (anteriorment SAE Renewables i SIMEC Atlantis). MeyGen tidal stream project: turbines, capacity, generation milestones and phase plans (en anglès). Vegeu també MeyGen a la Viquipèdia per a sortides anuals i rondes de contractes.
2. Departament de Seguretat Energètica i Net Zero del Regne Unit (2024). Resultats de la ronda 6 d’ assignació de contractes per diferència.
3. IEA-ETSAP (2014). «Tidal energy technology brief» (en anglès).
4. Ocean Energy Systems (2015). Cost internacional d’energia per a tecnologies d’energia oceànica.
5. Coles, D., Angeloudis, A., Greaves, D. i col·legues. (2021). A review of the UK and British Channel Islands practical tidal stream energy resource (en anglès). Proceedings of the Royal Society A 477 (en anglès)..
6. Garrett, C. i Cummins, P. (2005). El potencial de potència dels corrents de marea en els canals. Proceedings of the Royal Society A 461, 2563-2572 (en anglès)..
7. Garrett, C. i Cummins, P. (2007). L’eficiència d’una turbina en un canal de marees. Journal of Fluid Mechanics 588, 243-251..
8. Egbert, G.D. i Ray, R.D. (2000). Dispersió significativa de l’energia de marea en l’oceà profund inferida a partir de dades d’altimetre satèl·lit. Nature 405, 775-778..
9. Orbital Marine Power (2021). Orbital Marine Power launches O2; Orbital Marine Power a Wikipedia.
10. Nova innovació. Array de marees de Shetland, amb Marine Scotland’s estudi de cas.
11. Generador de corrent de marea i Energia de marea, Viquipèdia: SeaGen, La Rance, Swansea Bay; SeaGen, Viquipèdia: dos rotors de 16 m, instal·lats l’abril del 2008, retirats el 2016 al 2019.
12. Sihwa Lake Tidal Power Station, Wikipedia (anglès).
13. Lazard (juny de 2026). Levelized Cost of Energy+, versió 19.
14. Fundació Local Solar System. The Fan Wall: open model and benchmark, solar en el terrat a 0,19 dòlars per kWh.
15. Evans, P., Ashton, I. i Sellar, B. (2023). Avaluacions de rendiment d’energia de turbines mareomotores seguint IEC TS 62600-200 utilitzant sortides de potència mesurades i modelades. Energia renovable.
16. Sabella (companyia), Viquipèdia: la turbina D10 d’1 MW, connectada a la xarxa d’Ushant el novembre de 2015.
17. Densitat de l’aire, Wikipedia: 1.225 kg per metre cúbic al nivell del mar en l’atmosfera estàndard internacional.