Energi aliran pasang surut

Kebanyakan listrik terbarukan tergantung pada cuaca. Arus pasang bergantung pada orbit Bulan dan putaran Bumi, itulah mengapa tabel pasang dapat dicetak bertahun-tahun lebih awal. Di beberapa saluran sempit, seperti Pentland Firth antara daratan Skotlandia dan Orkney, gerakan itu menjadi arus 3 hingga 5 meter per detik, lebih cepat daripada kebanyakan orang dapat berlari. Letakkan turbin di dalamnya dan Anda memiliki pembangkit listrik yang output Anda dapat memprediksi untuk jam untuk sisa abad.

Halaman ini mengikuti aturan yang sama seperti penelitian Fan Wall kami: fisika pertama, kemudian apa yang diukur oleh mesin nyata, lalu berapa biayanya dibandingkan dengan standar yang harus dicapai setiap ide untuk sebuah gedung, yaitu panel surya di atap. Versi singkatnya: **arus pasang surut bekerja, dapat diprediksi, dan proyek-proyek baru masih membutuhkan biaya beberapa kali lebih besar daripada pembangkit listrik tenaga surya atau angin. Energi terbarukan dapat menang di pulau-pulau dan pantai-pantai terpencil dimana listrik sudah mahal, dan bisa menjadi bagian yang berharga dan stabil dari beberapa jaringan jika biaya terus menurun. Hal ini tidak akan pernah menjadi bagian besar dari listrik dunia. **

Apa itu

Ada dua cara untuk membuat listrik dari pasang surut.

Jumlah pasang surut menggunakan perbedaan ketinggian antara air tinggi dan rendah. Bendungan di sepanjang muara (bendungan) atau dinding di sekitar bagian laut (laguna) menahan air, lalu membiarkannya mengalir melalui turbin, seperti bendungan sungai. Hal ini terbukti: La Rance di Bretagne telah beroperasi sejak tahun 1966, dan Danau Sihwa di Korea Selatan, 254 MW, dibuka pada tahun 2011. Tapi sebuah bendungan mengubah seluruh muara, dan sangat sedikit yang telah dibangun. Usulan terbesar dalam beberapa tahun terakhir, laguna 320 MW di Teluk Swansea di Wales, menerima izin perencanaan pada tahun 2015 dan ditolak oleh pemerintah Inggris atas biayanya pada tahun 2018.

Tidal stream, subjek dari halaman ini, menempatkan turbin di arus sendiri, tanpa bendungan. Mereka terlihat seperti turbin angin bawah laut, baik yang terpasang di dasar laut atau menggantung di bawah badan kapal terapung. Itu membuat mereka jauh lebih ringan pada lingkungan dan jauh lebih kecil dalam skala, satu mesin per kalinya, itulah mengapa hampir semua pengembangan saat ini adalah aliran pasang surut.

Bagaimana cara kerjanya

Mengapa pasang surut dapat diprediksi. Gravitasi Bulan menarik lautan menjadi dua benjolan di sisi yang berlawanan dari Bumi, dan Bumi berputar di bawah mereka. Payung bulan utama berulang setiap 12 jam dan 25 menit. Matahari menambahkan pasang surut yang lebih kecil sendiri. Ketika Matahari dan Bulan berbaris, pada bulan baru dan penuh, keduanya ditambahkan ke pasukan pasang surut musim semi yang kuat; seminggu kemudian mereka sebagian dibatalkan menjadi pasukan pasang surut yang lemah. Siklus penuh membutuhkan waktu 14,8 hari. Setiap satu dari ritme ini adalah astronomi, sehingga arus di situs tertentu dapat diprediksi beberapa dekade ke depan.

Kekuatan dalam arus. Sama seperti angin, kekuatan yang mengalir melalui suatu area A adalah P = ½ ρ A v³, di mana ρ adalah kepadatan fluida dan v kecepatannya. Sebuah turbin menyimpan sebagian dari itu, koefisien daya Cp. Air laut berbobot 1.025 kg per meter kubik, udara sekitar 1,2. Jadi meskipun arusnya lambat, kepadatan lebih dari menutupinya: pada 3 m/s satu meter persegi arus membawa 13.8 kW, sementara meter persegi yang sama dengan angin kuat 12 m/s membawa 1.1 kW. Itulah mengapa rotor pasang surut 18 m menghasilkan 1,5 MW, sama dengan rotor angin empat kali lebih lebar.

Kubus bekerja ke dua arah. Karena daya berjalan dengan kubus kecepatan, arus yang setengah memberikan seperdelapan dari kekuatan. Arus di sebuah situs naik dan turun dua kali sehari dan bergoyang antara musim semi dan neaps setiap dua minggu, sehingga turbin ukuran untuk menangkap pasang surut musim semi tercepat akan duduk sebagian besar kosong. Desainer karena itu memilih kecepatan rated, sering sekitar 2.5 hingga 3 m / s, di atas yang turbin membuang daya ekstra. Penjelasan di atas menunjukkan trade-off: kecepatan nominal yang lebih rendah memberikan faktor kapasitas yang lebih tinggi (lebih banyak waktu pada output penuh) tetapi mesin yang lebih kecil.

Berapa banyak yang bisa diberikan oleh sebuah saluran. Sebuah saluran bukanlah sungai energi tanpa batas. Turbin memperlambat air yang mereka ambil energi dari, dan cukup banyak dari mereka akan menutup saluran sehingga pasang surut menemukan cara lain. Garrett dan Cummins menunjukkan bahwa tenaga yang paling banyak yang dapat dihasilkan oleh saluran rata-rata adalah sekitar 20 hingga 24% dari puncak tekanan kepala dari satu ujung ke ujung lainnya kali aliran puncak, seringkali jauh lebih sedikit daripada energi kinetik yang mengalir melalui titik tersempitnya (Garrett dan Cummins, 2005). Sebuah turbin di sebuah saluran dapat mengalahkan batas Betz air terbuka sebesar 59,3%, karena dinding kanal menahan aliran, tetapi sebagian dari keuntungan itu hilang lagi sebagai aliran cepat dan lambat bercampur di belakangnya (Garrett and Cummins, 2007).

Batas-batas: teori dan praktik

Seluruh planet. Payung kehilangan sekitar 3,7 terawatt karena gesekan, kira-kira seperempatnya di lautan dalam dan sisanya di laut dangkal dan pantai (Egbert and Ray, 2000). Itu terdengar banyak dibandingkan dengan rata-rata penggunaan listrik dunia sekitar 3,4 TW, tapi hampir tidak ada yang mengalir cukup cepat, cukup dekat ke pantai, di air dangkal cukup untuk dibangun. Hanya beberapa lusin tempat di dunia yang memiliki arus lebih dari 2 hingga 2,5 m/s: Skotlandia utara, Kepulauan Channel dan Brittany, Teluk Fundy di Kanada, bagian Korea, Cina, Jepang dan Indonesia.

A realistic national figure. For the United Kingdom and Channel Islands, which have some of the best sites in the world, a 2021 review supported a practical resource of 34 TWh a year, about 11% of current UK electricity demand, from roughly 11.5 GW of turbines by 2050 (Coles et al., 2021). Bagi sebagian besar negara, angka ini mendekati nol.

Laut itu sendiri. Batas praktis adalah teknik dan uang:

• Loads. Densitas air berarti rotor pasang surut merasakan kekuatan berkali-kali lebih besar daripada rotor angin dengan ukuran yang sama, dan saluran pasang surut adalah turbulen. Blade, bearing dan segel harus bertahan selama 20 tahun.
• Akses. Selam dan kapal hanya dapat bekerja pada air yang tenang, pause singkat antara banjir dan embun, dan dalam cuaca yang tenang. Kapal spesialis mahal untuk disewa setiap hari. Desain mengambang seperti Orbital’s O2, yang dapat meningkatkan rotor mereka keluar dari air, ditemukan sebagian besar untuk memotong biaya ini.
• Korosi dan pencemaran. Air asin, pertumbuhan laut dan sedimen menyerang segalanya.
• Jaringan. Situs terbaik berada di pantai terpencil, jauh dari permintaan dan dari koneksi jaringan yang kuat.

Proyek nyata, diukur

Proyek	Dimana	Ukuran	Status	Apa yang diukur atau dilaporkan
MeyGen Fase 1A	Inner Sound, Pentland Firth, Skotlandia	4 × 1.5 MW, rotor 18 m	Beroperasi sejak 2016 hingga 2018	13.8 GWh pada tahun 2019 (faktor kapasitas 26%); melewati 50 GWh pada awal 2023; sekitar 59 MW lebih dengan harga terjamin untuk 2027 hingga 2029 (MeyGen)
Orbital O2	Fall of Warness, Orkney (EMEC)	2 MW, rotor kembar 20 m pada badan terapung 72 m	Terhubung ke grid Juli 2021	Dirancang untuk memenuhi permintaan tahunan sekitar 2.000 rumah di Inggris; mesin kelas O2 lainnya memegang kontrak di Inggris (Orbital Marine Power).
Nova Innovation Shetland Tidal Array	Bluemull Sound, Shetland	6 × 100 kW pada puncaknya	Turbin pertama 2016; tiga tertua dikeluarkan 2023	469 MWh dalam lebih dari 14.000 jam operasi pada Desember 2020; desain drive-direct kemudian memotong biaya turbin sekitar sepertiga (Nova Innovation)
SeaGen	Strangford Lough, Irlandia Utara	1.2 MW, rotor kembar di atas tumpukan	2008, sejak dibongkar	Turbin aliran pasang surut skala megawatt pertama yang mencapai daya penuh pada jaringan, pada Desember 2008 (Tidal stream generator)
La Rance (rentang pasang surut, untuk konteks)	Bretagne, Prancis	240 MW bendungan	Sejak 1966	Sekitar 540 GWh per tahun, faktor kapasitas 26%; dibangun untuk sekitar USD 340 per kW dalam uang 2012 (IRENA, 2014)
Danau Sihwa (rentang pasang surut)	Gyeonggi, Korea Selatan	254 MW	Sejak 2011	552 GWh per tahun; biaya sekitar USD 560 juta, dibangun ke dalam dinding laut yang ada (Danau Sihwa)

Dua pembacaan jujur dari tabel ini. Pertama, teknologinya bekerjaTurbin telah berjalan selama bertahun-tahun di beberapa air paling kejam di Eropa dan mengirimkan puluhan gigawatt-jam ke jaringan. Kedua, array awal telah menghasilkan kurang dari yang diharapkan. Array pertama diharapkan mencapai faktor kapasitas 35 hingga 42% (Ocean Energy Systems, 2015). Tahun awal terbaik MeyGen memberikan 26%, dan selama tahun-tahun pertamanya rata-rata mendekati 20%, karena turbin individu diambil untuk perbaikan dan diganti dengan mesin yang diperbarui. Enam turbin 100 kW Nova menunjukkan pola yang sama pada skala kecil: listrik nyata, pembelajaran nyata, dan mesin pensiun dalam beberapa tahun.

Berapa harganya

Arus pasang surut dinilai berdasarkan apa yang pemerintah inginkan untuk dijamin, karena belum ada proyek yang membayar sendiri.

Sumber	Apa itu	Harga
Kontrak untuk Perbedaan Inggris, putaran 6 (2024)	Harga terjamin untuk 28 MW aliran pasang surut, 15 tahun	£172 per MWh pada harga 2012, sekitar £250 atau $0.32 per kWh pada tahun 2025
Lelang yang sama	Pertanian surya / angin di darat / angin lepas pantai	£50 / £51 / £54 per MWh (harga 2012)
Coles et al. (2021)	Perkiraan biaya arus pasang surut Inggris saat ini	sekitar £240 per MWh, jatuh di bawah £150 setelah 124 MW belajar
Sistem Energi Laut (2015)	Array pertama / array kedua / proyek komersial pertama	$333 to $625 / $210 to $470 / $130 to $280 per MWh
La Rance dan Sihwa (IRENA, 2014)	Bendungan pasang surut lama yang sudah dibayar	€0.02 to €0.04 per kWh
Penilaian kita	Solar rooftop di sebuah bangunan, model Fan Wall; Lazard 2026 range untuk komersial dan komunitas solar	$0.19 per kWh; $0.09 to $0.20
Lazard (Juni 2026)	Utility baru surya / angin di daratan / angin lepas pantai	$0.04 to $0.10 / $0.04 to $0.10 / $0.11 to $0.17 per kWh

Jadi biaya aliran pasang surut baru kira-kira $0.25 to $0.35 per kWh hari ini, satu setengah hingga dua kali atap surya dan tiga sampai delapan kali utilitas surya dan angin darat. Perbandingan dengan tenaga angin lepas pantai, teknologi laut besar lainnya, adalah hal yang harus diperhatikan: tenaga angin lepas pantai juga jauh lebih mahal dibandingkan tenaga surya dan angin darat satu dekade lalu, dan harga energi ini turun tajam ketika proyek-proyeknya tumbuh hingga mencapai ratusan megawatt. Tidal Stream berharap untuk mengikuti jalan tersebut, namun sejauh ini mereka telah memasang megawatt di mana angin lepas pantai memasang gigawatt.

LCOE sederhana tidak memuat satu hal yang dimiliki oleh tenaga pasang surut dan tidak dimiliki oleh tenaga surya dan angin: outputnya diketahui terlebih dahulu dan tidak tergantung pada cuaca. Coles dan rekan-rekannya berpendapat bahwa hal ini dapat mengurangi biaya penyeimbangan jaringan, yang tidak termasuk dalam perbandingan biaya biasa. Ini adalah sebuah keuntungan nyata, namun belum cukup besar untuk menutup kesenjangan.

Di mana ia bisa menang, dan di mana ia tidak dapat

Ia bisa menang:

• Pulau dan pantai terpencil dengan arus yang kuat, seperti Orkney, Shetland, Channel Islands, Nova Scotia dan sebagian Indonesia dan Filipina, di mana listrik sering berasal dari diesel impor dan kabel ke daratan mahal.
• Sebagai bagian yang stabil dan dapat diprediksi dari jaringan yang didominasi oleh tenaga surya dan angin, mengisi beberapa jam ketika keduanya rendah, karena pasang surut mengabaikan cuaca.
• Di mana struktur sudah ada. Danau Sihwa dibangun di dinding laut yang sudah ada; jembatan, jalan dan pintu pelabuhan dengan aliran cepat layak dilihat.
• Muatan kecil, off-grid di air cepat: pemantauan buoy, lampu navigasi dan situs budidaya ikan.

Ia tidak bisa menang:

• Sebagai listrik murah, di mana saja tenaga surya atau angin pertanian dapat dibangun di darat.
• Di sebagian besar pantai, di mana puncak arus berada di bawah sekitar 2 m/s: hukum kubus membuat daya terlalu tipis.
• Segera. Konsens, koneksi jaringan, kapal khusus dan rantai pasokan kecil berarti proyek membutuhkan waktu bertahun-tahun.

Apa yang terbukti, masuk akal dan spekulatif

Dibuktikan: astronomi dan kemampuan memprediksi pasang surut; persamaan daya dan keuntungan kepadatan air; bahwa turbin sumbu horizontal dapat berjalan selama bertahun-tahun di saluran pasang surut yang kuat dan diekspor ke jaringan; bahwa bendungan gelombang pasang dapat berjalan selama lebih dari setengah abad; bahwa tidak ada tabrakan antara hewan laut dan turbin operasi telah dideteksi hingga tahun 2021 (Coles et al., 2021).

Plausible: biaya turun di bawah £150 per MWh ketika dibangun array berjumlah puluhan megawatt; turbin terapung memotong biaya pemeliharaan; faktor kapasitas 35 hingga 40% pada array yang matang dengan ketersediaan yang baik; nilai grid untuk kemampuan memprediksi yang layak dibayar.

Spekulasi: arus pasang surut mencapai biaya angin lepas pantai; sangat besar array di satu saluran tanpa mengubah arus dan ekologinya secara signifikan; efek jangka panjang pada sedimen, stratifikasi dan predator makan sekitar turbin pada skala gigawatt.

Pertanyaan penelitian terbuka

• Arrays, not single turbines. Bagaimanakah gelombang dari barisan turbin berinteraksi, dan seberapa banyak kanal melambat ketika banyak yang dipasang?
• Keandalan. Desain apa dari bilah, bearing, segel dan generator bertahan 20 tahun air yang bergolak tanpa lift mahal?
• Pasang dan akses yang lebih murah. Kapal apung, fondasi yang lebih kecil dan lebih besar, dan bekerja di luar air yang lemah.
• Ukuran kinerja. Meukur kurva daya dalam real, aliran turbulent dengan metode standar IEC TS 62600-200, sehingga pembeli dapat membandingkan mesin secara adil (Energi Terbarukan, 2023).
• Lingkungan. Resiko tabrakan untuk anjing laut, porpoises dan burung penyelam; kebisingan; efek pada sedimen dan spesies yang makan di air cepat.
• Nilai dari kemampuan memprediksi. Berapa banyak nilai megawatt-jam yang dapat diprediksi untuk jaringan dengan banyak tenaga surya dan angin?

Apa yang diperlukan untuk membuat prototipe

Ide pasang surut baru (rotor baru, penahan yang lebih murah, cara baru untuk memperbaiki mesin) dapat diuji pada skala kecil terlebih dahulu. Biaya di bawah ini adalah perkiraan kasar kami untuk tim kecil, yang akan diperbaiki dengan pusat pengujian.

Tahap	Bekerja	Apa yang dibuktikan	Biaya kasar	Waktu
1. saluran atau menarik tangki	Sebuah rotor model 0,3 hingga 1 m di sebuah saluran universitas atau ditarik melalui air yang tenang, 0,5 sampai 2 m / s	Koefisien daya dan dorongan diukur terhadap kecepatan	$20k to $80k	2 sampai 4 bulan
2. Sungai atau estuari pilot	Unit 1 sampai 10 kW pada ponton atau bingkai kecil di sungai cepat atau muara, dengan meter arus dan meter daya tercatat	Kurva daya nyata, kecepatan start-up, kotoran dan puing	$50k to $200k	6 sampai 12 bulan
3. Situs uji skala	Sebuah mesin 10 hingga 100 kW di situs penanaman seperti situs skala EMEC di Orkney, dengan pengukuran independen	Kelayakan, waktu pemeliharaan, pemantauan lingkungan	$0.5 million to $3 juta	1 sampai 2 tahun
4. Skala penuh	Sebuah mesin megawatt di tempat uji coba yang terhubung ke jaringan	Data kinerja yang dapat dibank	puluhan juta	beberapa tahun

Dua tahap pertama berada dalam jangkauan kelompok universitas atau tim pembuat yang tegas. Mereka juga adalah apa yang diperlukan oleh sebuah pitch: model yang berputar di air nyata dan meter yang menunjukkan apa yang dibuatnya.

Siapa yang kita butuhkan

• Marine hydrodynamicists dan modeler sumber daya pasang surut.
• Insinyur lepas pantai dan angkatan laut untuk fondasi, perahu, kapal apung dan operasi laut.
• Insinyur listrik dan elektronika daya bawah laut untuk generator, kabel dan koneksi jaringan.
• Fasilitas uji: saluran universitas dan tangki towing, muara dengan akses, dan pusat pengujian seperti EMEC di Orkney atau FORCE di Nova Scotia.
• Ekologi Laut untuk pengamatan tabrakan, kebisingan dan habitat.
• Spesialis sertifikasi yang akrab dengan standar energi laut IEC 62600.
• Komunitas pulau dan otoritas pelabuhan dengan air cepat dan listrik mahal.

Kau punya ide yang lebih baik?

Beberapa anggota Yayasan mungkin memiliki kontak yang bisa mendengarkan pitch. Untuk diluncurkan, sebuah ide membutuhkan bekerja, model kehidupan nyata yang sebenarnya menghasilkan daya, dengan keluarannya diukur pada sebuah instrumen, tidak diklaim: rotor kecil di selat atau sungai dengan meter tercatat lebih berharga daripada gambar apapun. Ide-ide kertas juga disambut: jika fisika dan angkanya kuat, kami bisa menerbitkannya di sini di situs web. Namun, mengumpulkan modal tanpa model yang bekerja sangat sulit, dan tidak ada jaminan pendanaan, keuntungan atau pengenalan.

Kirim ide Anda melalui formula kontribusi, memilih Green Initiative. Katakan pada kami masalah yang dipecahkannya, periksa fisika (berapa banyak kW per meter persegi rotor, pada kecepatan apa), biaya kasar per kWh, dan tes termurah yang dapat membuktikan kesalahannya. Halaman sumber energi membandingkan ide ini dengan sebelas yang lain.

Sumber

1. MeyGen / Ampeak Energy (sebelumnya SAE Renewables dan SIMEC Atlantis). MeyGen tidal stream project: turbines, capacity, generation milestones and phase plans (dalam bahasa Inggris). Lihat juga MeyGen di Wikipedia untuk output tahunan dan kontrak putaran.
2. Departemen Keamanan Energi dan Net Zero Britania Raya (2024). Kontrak untuk alokasi perbedaan putaran 6 hasil.
3. Irna dan IEA-ETSAP (2014). Tidal energy technology brief (dalam bahasa Inggris).
4. Sistem Energi Laut (2015). International levelised cost of energy for ocean energy technologies.
5. (Inggris) Coles, D., Angeloudis, A., Greaves, D. et al. (2021). A review of the UK and British Channel Islands practical tidal stream energy resource (dalam bahasa Inggris). Proceedings of the Royal Society A 477 (dalam bahasa Inggris)..
6. Garrett, C. dan Cummins, P. (2005). Potensi daya arus pasang surut di saluran. Proceedings of the Royal Society A 461, 2563-2572 (dalam bahasa Inggris)..
7. Garrett, C. dan Cummins, P. (2007). Efisiensi dari turbin di saluran pasang surut. Journal of Fluid Mechanics 588, 243-251.
8. (Inggris) Egbert, G.D. and Ray, R.D. (2000). Dissipasi yang signifikan dari energi pasang surut di laut dalam disimpulkan dari data altimeter satelit. Nature 405, 775-778.
9. Orbital Marine Power (2021). Orbital Marine Power meluncurkan O2; (Inggris) Orbital Marine Power di Wikipedia.
10. Inovasi baru. Shetland Tidal Array, dengan Marine Skotlandia’s case study.
11. Tidal stream generator and Tidal power, Wikipedia: SeaGen, La Rance, Swansea Bay.
12. Sihwa Lake Tidal Power Station, Wikipedia.
13. Lazard (Juni 2026). Levelized Cost of Energy+, versi 19.
14. Local Solar System Yayasan. The Fan Wall: open model and benchmark, rooftop solar at $0.19 per kWh.
15. Evans, P., Ashton, I. dan Sellar, B. (2023). Penilaian kinerja daya turbin pasang surut mengikuti IEC TS 62600-200 menggunakan output daya yang diukur dan dimodelkan. Energi Terbarukan.