Energija plimnih struja

Većina obnovljive električne energije ovisi o vremenu. Plima i oseka ovise o Mjesečevoj orbiti i rotiranju Zemlje, zbog čega se tablice plime mogu tiskati godinama unaprijed. U nekoliko uskih kanala, kao što je Pentland Firth između kopnene Škotske i Orkneyja, to kretanje postaje struja od 3 do 5 metara u sekundi, brže nego što većina ljudi može trčati. Stavite turbinu u nju i imate elektranu čiji izlaz možete predvidjeti na sat za ostatak stoljeća.

Ova stranica slijedi isto pravilo kao i naše istraživanje Fan Wall: prvo fizika, zatim što su stvarni strojevi izmjerili, a zatim koliko to košta u usporedbi s referentnom vrijednošću koju svaka ideja na zgradi mora pobijediti, krovnim solarnim panelom. Kraća verzija: **plima struja radi, predvidljiva je i novi projekti još uvijek koštaju nekoliko puta više od solarnih ili vjetroelektrana. Može pobijediti na otocima i udaljenim obalama gdje je energija već skupa, a mogla bi postati vrijedan, stabilan dio nekih mreža ako troškovi nastave padati. To nikada neće biti veliki udio svjetske električne energije. **

Što je to?

Postoje dva načina za proizvodnju električne energije iz plime.

Razpon plime koristi visinsku razliku između visoke i niske vode. Brana preko estuarija (brana) ili zid oko dijela mora (laguna) zadržava vodu, a zatim je pušta da teče kroz turbine, slično kao riječna brana. Dokazano je: La Rance u Bretanji radi od 1966., a Sihwa Lake u Južnoj Koreji, 254 MW, otvorena je 2011. Ali brana mijenja cijeli estuarij, a vrlo malo je izgrađeno. Najveći prijedlog posljednjih godina, 320 MW laguna u Swansea Bayu u Walesu, dobila je dozvolu za planiranje 2015. godine i odbačena je od strane vlade Ujedinjenog Kraljevstva zbog troškova 2018. godine.

Plima struja, tema ove stranice, stavlja turbine u samu struju, bez brane. Izgledaju kao podvodne vjetroturbine, fiksirane na morskom dnu ili viseći ispod plutajućeg trupa. To ih čini mnogo lakšima za okoliš i puno manjim u mjerilu, jedan stroj po jedan, zbog čega je gotovo sav trenutni razvoj plimne struje.

Kako to funkcionira

Zašto su plime predvidljive. Mjesečeva gravitacija povlači ocean u dvije izbočine na suprotnim stranama Zemlje, a Zemlja se okreće ispod njih. Mjesečeva se plima ponavlja svakih 12 sati i 25 minuta. Sunce dodaje manju plimu i oseke. Kada se Sunce i Mjesec poravnaju, za mladog i punog mjeseca, oboje se dodaju u snažnu Proljetne plime; tjedan dana kasnije oni djelomično otkazuju u slabo plime i oseke. Cijeli ciklus traje 14,8 dana. Svaki od tih ritmova je astronomija, tako da se struja na određenom mjestu može predvidjeti desetljećima unaprijed.

Snaga u struji. Baš kao i za vjetar, snaga koja teče kroz područje A je P = ½ ρ A v³, gdje je ρ gustoća fluida i v njegova brzina. Turbina zadržava dio toga, koeficijent snage Cp. Morska voda teži 1025 kg po kubičnom metru, zrak oko 1,2. Dakle, iako su struje spore, gustoća ih više nego nadoknađuje: pri 3 m/s kvadratni metar struje nosi 13.8 kW, dok isti kvadratni metar jakog vjetra od 12 m/s nosi 1.1 kW. Zato plimni rotor od 18 m proizvodi 1,5 MW, što je isto kao i vjetroturbina četiri puta šira.

Kocka radi u oba smjera. Budući da snaga ide s kockom brzine, struja koja se prepolovi daje osminu snage. Struja na određenom mjestu raste i pada dva puta dnevno, a svake dvije tjedna se mijenja između izvora i plime, tako da bi turbina veličine koja hvata najbrže proljetne plime uglavnom ostala prazna. Dizajneri stoga odabiru Nazivna brzina, često oko 2,5 do 3 m/s, iznad koje turbina gubi dodatnu snagu. Gornji objašnjenja pokazuju kompromis: niža nazivna brzina daje veći faktor kapaciteta (više vremena na punom izlazu), ali manji stroj.

Koliko jedan kanal može dati. Kanal nije beskrajna rijeka energije. Turbine usporavaju vodu iz koje uzimaju energiju, i dovoljno ih će blokirati kanal tako da plima nađe drugi način. Garrett i Cummins su pokazali da je najveća snaga koju kanal može proizvesti u prosjeku oko 20 do 24% vršne tlačne glave od jednog kraja do drugog puta vršnog protoka, često mnogo manje od kinetičke energije koja teče kroz najužoj točki (Garrett i Cummins, 2005.). Turbina u kanalu može premašiti Betzovu granicu na otvorenoj vodi od 59,3%, jer zidovi kanala zadržavaju protok, ali dio tog dobitka se opet gubi kada se brze i spore struje miješaju iza njega (Garrett i Cummins, 2007.).

Granice: teorijske i praktične

Cijeli planet. Plime gube oko 3,7 terawatta zbog trenja, otprilike četvrtina toga u dubokom oceanu a ostatak u plitkim morima i obalama (Egbert i Ray, 2000.). To zvuči kao puno u usporedbi s prosječnom svjetskom potrošnjom električne energije od oko 3,4 TW, ali gotovo ništa od toga ne teče dovoljno brzo, dovoljno blizu obale, u vodi koja je dovoljno plitka da se može graditi. Samo nekoliko desetaka mjesta na svijetu ima struje iznad 2 do 2,5 m/s: sjever Škotske, Kanalski otoci i Bretanja, zaljev Fundy u Kanadi, dijelovi Koreje, Kine, Japana i Indonezije.

Realna nacionalna figura. Za Ujedinjeno Kraljevstvo i Kanalske otoke, koji imaju neke od najboljih lokacija na svijetu, pregled 2021. podržao je praktični resurs 34 TWh godišnje, oko 11% trenutne potražnje za električnom energijom u Velikoj Britaniji, s otprilike 11,5 GW turbina do 2050. (Coles et al., 2021.). Za većinu zemalja ta je brojka blizu nule.

Samo more. Praktična ograničenja su inženjerstvo i novac:

• Puno. Gustoća vode znači da plimni rotor osjeća sile mnogo puta veće od vjetroturbine iste veličine, a plimni kanali su turbulentni. Lopatice, ležajevi i brtve moraju to izdržati 20 godina.
• Pristup. Ronioci i plovila mogu raditi samo na plitkoj vodi, kratkoj pauzi između poplave i odljeva te u mirnom vremenu. Specijalizirani brodovi su skupi za unajmljivanje po danu. Plutajući dizajni kao što je Orbital O2, koji može podići svoje rotore iz vode, su uglavnom izumljeni kako bi se smanjili ti troškovi.
• Korozija i zagađenje. Slana voda, morska vegetacija i sediment napadaju sve.
• Mreža. Najbolje lokacije su na udaljenim obalama, daleko od potražnje i snažnih mrežnih veza.

Stvarni projekti, izmjereni

Projekt	Gdje	Veličina	Status	Što je izmjereno ili prijavljeno
MeyGen faza 1A	Unutarnji zaljev, Pentland Firth, Škotska	4 × 1,5 MW, rotori duljine 18 m	U radu od 2016. do 2018.	13,8 GWh u 2019. (faktor kapaciteta od 26%); preko 50 GWh do početka 2023.; oko 59 MW više uz zajamčene cijene za 2027. do 2029. (MeyGen)
Orbital O2	Slap Warness, Orkney (EMEC)	2 MW, dvostruki rotori od 20 m na plutajućem trupu od 72 m	Priključeno na mrežu Srpanj 2021	Dizajniran je da zadovolji godišnju potražnju od oko 2.000 kućanstava u Velikoj Britaniji; daljnji strojevi O2 klase imaju ugovore s Velikom Britanijom (Orbital Marine Power).
Nova inovacija Shetland plimni niz	Bluemull Sound, Shetlandski otoci	6 × 100 kW na vrhuncu	Prva turbina 2016.; tri najstarije uklonjene 2023.	469 MWh u više od 14.000 sati rada do prosinca 2020.; kasniji dizajn s izravnim pogonom smanjio je troškove turbine za oko trećinu (Nova Innovation)
SeaGen	Strangford Lough, Sjeverna Irska	1,2 MW, dvostruki rotori na pilotu	2008., od kada je povučen iz uporabe	Prva turbina plimnih struja megavatne veličine koja je dosegla punu snagu na mreži, u prosincu 2008. (Generator plimnih struja)
La Rance (razmak plime i oseke, za kontekst)	Bretanja, Francuska	240 MW brana	Od 1966.	Oko 540 GWh godišnje, faktor kapaciteta od 26%; izgrađeno za oko 340 USD po kW u novcu 2012. (Irena, 2014.)
Jezero Sihwa (razmak plime i oseke)	Gyeonggi, Južna Koreja	254. pne.	Od 2011.	552 GWh godišnje; cijena oko 560 milijuna USD, ugrađena u postojeći morski zid (Sihwa Lake)

Dva iskrena čitanja ove tablice. Prvo, Tehnologija funkcionira: turbine su godinama radile u nekim od najnasilnijih voda u Europi i poslale desetke gigavat sati na mrežu. Drugo, raniji pojasevi su proizveli manje nego što se očekivalo. Očekivalo se da će prvi sklopovi postići faktore kapaciteta od 35 do 42% (Ocean Energy Systems, 2015). Najveći rast u prvoj godini proizvodnje bio je 26%, a tijekom prvih godina prosječno je iznosio oko 20% jer su pojedine turbine bile izvađene na popravak i zamijenjene novim strojevima. Nova šest 100kW turbina pokazuje isti uzorak u malom opsegu: prava struja, stvarno učenje i strojevi umirovljeni za nekoliko godina.


Koliko košta

Cijena plimne struje ovisi uglavnom o tome što su vlade spremne jamčiti, jer se još nijedan projekt ne isplati.

Izvor	Što je to?	Cijena
Ugovori za razliku, 6. krug (2024)	Zajamčena cijena za 28 MW plimne struje, 15 godina	172 GBP po MWh u cijenama iz 2012., oko £250 ili $0.32 po kWh u 2025. godini
Na istoj aukciji	Solarna polja / vjetroelektrane na kopnu / vjetroelektrane na moru	50 GBP / 51 GBP / 54 GBP po MWh (cijene iz 2012.)
Coles et al. (2021.)	Procijenjeni trenutni trošak plimnih tokova u Ujedinjenom Kraljevstvu	oko 240 funti po MWh, pada ispod 150 funti nakon 124 MW učenja
Oceanski energetski sustavi (2015.)	Prvi nizovi / drugi nizovi / prvi komercijalni projekti	$333 to $625 / $210 to $470 / $130 to $280 po MWh
La Rance i Sihwa (IRENA, 2014.)	Stare, otplaćene plimne brane	0,02 do 0,04 eura po kWh
Naša referentna vrijednost	Solarni krov na zgradi, model ventilatorskog zida; Lazard 2026 asortiman za komercijalnu i zajednicu solarne energije	0,19 USD po kWh; $0.09 to $0,20
Lazard (lipanj 2026.)	Nova solarna / kopnena vjetroelektrana / obalna vjetroelektrana	$0.04 to $0,10 / $0.04 to $0,10 / $0.11 to $0,17 po kWh

Tako nova plimna struja košta okrog $0.25 to $0,35 po kWh danas, jedan i pol do dva puta više od solarne energije na krovu i tri do osam puta više od komunalne solarne energije i vjetra na kopnu. Usporedba s vjetrom na moru, drugom velikom tehnologijom u pomorstvu, je ona koju treba pratiti: vjetar na moru bio je također mnogo skuplji od solarnog i kopnenog vjetra prije desetljeća, a njegova cijena je naglo pala kako su projekti rasli do stotina megavata. Plimna struja se nada da će slijediti taj put, ali do sada je instalirala megavate gdje je vjetar na moru instalirao gigavate.

Obična LCOE ne obuhvaća jednu stvar koju plimna energija ima, a solarna i vjetarska nemaju: njezina proizvodnja je unaprijed poznata i ne ovisi o vremenu. Coles i kolege tvrde da to može smanjiti troškove balansiranja mreže, što uobičajene usporedbe troškova izostavljaju. To je prava prednost, ali još uvijek ne dovoljno velika da bi se zatvorio jaz.

Gdje može pobijediti, a gdje ne može

Može pobijediti:

• Otoci i udaljene obale s jakim strujama, kao što su Orkney, Shetland, Kanalski otoci, Nova Škotska i dijelovi Indonezije i Filipina, gdje struja često dolazi od uvezenog dizela i kabeli do kopna su skupi.
• Kao stabilan, predvidljiv dio mreže u kojoj dominiraju solarna i vjetrena energija, popunjavajući neke od sati kada su oba niska, jer plima ignorira vrijeme.
• Gdje već postoji struktura. Jezero Sihwa izgrađeno je u morski zid koji je već bio tamo; mostovi, nasipi i lučki ulaz s brzim tokovima vrijedi pogledati.
• Mala, izvanmrežna opterećenja u brzoj vodi: praćenje bojeva, navigacijskih svjetala i mjesta za akvakulturu.

Ne može pobijediti:

• Kao jeftina električna energija u rasutom stanju, bilo gdje solarne ili vjetroelektrane mogu biti izgrađene na kopnu.
• Na velikoj većini obala, gdje su vršne struje ispod oko 2 m/s: zakon kocke čini snagu previše tankom.
• Brzo. Suglasnosti, mrežni priključci, specijalizirani brodovi i mali lanac opskrbe znače da projekti traju mnogo godina.

Što je dokazano, vjerodostojno i spekulativno

Dokazano: astronomija i predvidljivost plime; jednadžba snage i prednost gustoće vode; da turbine s horizontalnom osi mogu raditi godinama u jakim plimnim kanalima i izvoziti na mrežu; da brane plimnog raspona mogu raditi više od pola stoljeća; da do 2021. godine nisu otkriveni sudari između morskih životinja i radnih turbina (Coles et al., 2021.).

Plausible: cijena pada ispod 150 funti po MWh kako se grade polja od desetaka megavata; plutajuće turbine smanjuju troškove održavanja; faktori kapaciteta od 35 do 40% u zrelim poljima s dobrom dostupnošću; mrežna vrijednost za predvidljivost koju je vrijedno platiti.

Spekulativno: plimni tok koji doseže cijenu vjetra na moru; vrlo veliki nizovi u jednom kanalu bez značajne promjene njegovih struja i ekologije; dugoročni učinci na sediment, stratifikaciju i grabežljivce koji se hrane oko turbina na gigavatnoj razini.

Otvorena istraživačka pitanja

• Poreznici, a ne pojedinačne turbine. Kako se međusobno odnose valovi iz redova turbina i koliko se kanal usporava kada ih je instalirano mnogo?
• Pouzdanost. Koji dizajn lopatice, ležaja, brtve i generatora preživljava 20 godina turbulentne vode bez skupih dizalica?
• Jeftinija instalacija i pristup. Plutajući trupovi, manje i veće temelje te rad izvan vode.
• Mjerenje učinkovitosti. Mjerenje krivulja snage u stvarnom, turbulentnom protoku metodom standarda IEC TS 62600-200 kako bi kupci mogli pošteno usporediti strojeve (Obnovljiva energija, 2023).
• Okoliš. Rizik od sudara s tuljanama, morževima i ronilačkim pticama; buka; učinci na sedimente i vrste koje se hrane u brzoj vodi.
• Vrijednost predvidljivosti. Koliko je predvidljiv megavat-sat vrijedan za mrežu s puno sunca i vjetra?

Što bi radni prototip trebao

Nova plimna ideja (novi rotor, jeftiniji vez, novi način održavanja strojeva) može se prvo testirati u manjem opsegu. Troškovi u nastavku su naše grube procjene za mali tim, koje treba poboljšati s testnim centrom.


Faza	Rad	Što to dokazuje	Bruto trošak	Vrijeme
1. Rezervoar za odvod ili vuču	Model rotora od 0,3 do 1 m u sveučilišnom kanalu ili vučen kroz mirnu vodu, 0,5 do 2 m/s	Izmjereni koeficijent snage i potisak u odnosu na brzinu	$20k to $80k	2 do 4 mjeseca
2. Riječni ili estuarski pilot	Jedinica od 1 do 10 kW na pontonu ili malom okviru u brzoj rijeci ili estuariju, s mjeračem struje i zapisnim mjeračem snage	Stvarna krivulja snage, brzina pokretanja, onečišćenje i otpadci	$50k to $200k	6 do 12 mjeseci
3. Ispitno mjesto za mjerenje	Stroj od 10 do 100 kW na lokaciji uzgajališta kao što je EMEC-ova lokacija u Orkneyju, s neovisnim mjerenjem	Pouzdanost, vrijeme održavanja, praćenje okoliša	$0.5 million to $3 milijuna	1 do 2 godine
4. Puni opseg	Megavatni stroj na ispitnom mjestu priključenom na mrežu	Podaci o uspješnosti za banke	Deseci milijuna	Nekoliko godina

Prve dvije faze su u dosegu sveučilišne grupe ili odlučnog tima kreatora. Oni su također upravo ono što je potrebno za pitch: model koji se okreće u pravoj vodi i mjerač koji pokazuje što je napravio.

Koga trebamo

• Morske hidrodinamičare i modelere plimnih resursa.
• Offshore i pomorski inženjeri za temelje, sidrišta, plutajuće trupove i morske operacije.
• Podmorski elektrotehnički i energetski inženjeri za generatore, kabele i mrežnu vezu.
• Testni objekti: sveučilišni kanali i tegljači, estuariji s pristupom i testni centri kao što su EMEC na Orkneyjima ili FORCE u Novoj Škotskoj.
• Morski ekolog za praćenje sudara, buke i staništa.
• Certifikacijski stručnjaci upoznati sa standardima IEC 62600 za pomorsku energiju.
• Otočke zajednice i lučke vlasti s brzom vodom i skupom strujom.


Imaš bolju ideju?

Neki članovi Zaklade mogu imati kontakte koji bi mogli čuti pitch. Da bi se ideja predstavila, treba joj Radni, stvarni model koji zapravo proizvodi energiju, s izlazom izmjerenim na instrumentu, ne zahtijeva: mali rotor u kanalu ili rijeci s zabilježenim mjeračem vrijedi više od bilo kojeg crteža. Dobrodošle su i ideje na papiru: ako je fizika i brojevi čvrsti, možemo ih objaviti ovdje na web stranici. No, prikupljanje kapitala bez radnog modela vrlo je teško, a ovdje ništa nije obećanje financiranja, povrata ili uvođenja.

Pošaljite svoju ideju putem obrazca za doprinos, odabirom Zelene inicijative. Recite nam problem koji rješava, provjeru fizike (koliko kW po kvadratnom metru rotora, pri kojoj brzini struje), grubi trošak po kWh i najjeftiniji test koji bi mogao dokazati da je u krivu. Stranica energy sources page uspoređuje ovu ideju s jedanaest drugih.

Izvori

1. MeyGen / Ampeak Energy (formerly SAE Renewables and SIMEC Atlantis). MeyGen plimni projekt: turbine, kapaciteti, ključne točke proizvodnje i planovi faza. Pogledajte također MeyGen na Wikipediji za godišnji izlaz i ugovorne runde.
2. UK Department for Energy Security and Net Zero (2024). Rezultati 6. kruga dodjele ugovora o razlici.
3. “Irena i IEA-ETSAP” (2014.) Tehnologija plimne energije.
4. Ocean Energy Systems (2015.) Međunarodni izravnani trošak energije za tehnologije oceanske energije.
5. Coles, D., Angeloudis, A., Greaves, D. et al. (2021). U Ujedinjenom Kraljevstvu i na Britanskim Kanalskim Otocima, korištena je za proizvodnju električne energije. Proceedings of the Royal Society A 477.
6. Garrett, C. i Cummins, P. (2005). Snaga potencijala plimnih struja u kanalima. Proceedings of the Royal Society A 461, 2563-2572.
7. Garrett, C. i Cummins, P. (2007). Učinkovitost turbine u plimnom kanalu. Mehanika fluida 588, 243-251.
8. Egbert, G.D. i Ray, R.D. (2000). Značajno rasipanje plimne energije u dubokom oceanu izvedeno iz satelitskih podataka visinomjera. Nature 405, 775-778.
9. Orbital Marine Power (2021). Orbital Marine Power lansira O2; Orbital Marine Power na Wikipediji.
10. Nova Istra. Shetlandski plimni pojas, sa Škotskom mornaricom Studija slučaja.
11. Generator plimnih struja i Snaga plime i oseke, Wikipedia: SeaGen, La Rance, Swansea Bay; SeaGen, Wikipedia: dvostruki rotori od 16 m, instalirani u travnju 2008., uklonjeni 2016. do 2019.
12. Sihwa Lake Tidal Power Station, Wikipedija.
13. Lazard (June 2026). Ravni troškovi energije+, verzija 19.
14. Local Solar System Zakladu. The Fan Wall: otvoreni model i referentna vrijednost, krovna solarna elektrana po cijeni od $0.19 po kWh.
15. Evans, P., Ashton, I. i Sellar, B. (2023). Procjena učinkovitosti plimnih turbina prema IEC TS 62600-200 pomoću izmjerenih i modeliranih izlaznih snaga. Obnovljivi izvori energije.
16. Sabella (tvrtka), Wikipedia: turbina D10 snage 1 MW, priključena na mrežu Ushant u studenom 2015.
17. Gustoća zraka, Wikipedia: 1.225 kg po kubnom metru na razini mora u Međunarodnoj standardnoj atmosferi.