Tidevannsstrømenergi

Mesteparten av fornybar elektrisitet er avhengig av været. Tidevannsstrømmene er avhengige av månens bane og jordens rotasjon, og derfor kan tidevannstabeller skrives ut mange år i forveien. I noen få smale kanaler, som Pentland Firth mellom Skottland og Orknøyene, blir denne bevegelsen til en strøm på 3-5 meter i sekundet, raskere enn de fleste mennesker kan løpe. Sett en turbin i den, og du har et kraftverk hvis produksjon du kan forutsi til timen for resten av århundret.

Denne siden følger samme regel som vår Viftevegg-forskning: fysikken først, så hva virkelige maskiner har målt, og deretter hva det koster sammenlignet med referansen hver idé på en bygning må slå, et solcellepanel på taket. Kort sagt: **Tidevannsstrøm fungerer, den er forutsigbar, og nye prosjekter koster fortsatt flere ganger så mye som sol- eller vindparker. Det kan vinne på øyer og fjerntliggende kyster der strømmen allerede er dyr, og det kan bli en verdifull, stabil del av noen nett hvis kostnadene fortsetter å falle. Det vil aldri bli en stor andel av verdens elektrisitet. **

Hva det er

Det er to måter å lage elektrisitet fra tidevannet.

Tidevannsområde Den bruker høydeforskjellen mellom høyt og lavt vann. En demning over en elvemunning (en demning) eller en mur rundt en del av havet (en lagune) holder tilbake vann, og lar det så renne gjennom turbiner, mye som en elvedemning. Det er bevist: La Rance i Bretagne har vært i drift siden 1966, og Sihwa Lake i Sør-Korea, 254 MW, åpnet i 2011. Men en demning forandrer et helt elvemunningsområde, og svært få er bygget. Det største forslaget de siste årene, en 320 MW lagune ved Swansea Bay i Wales, fikk planleggingstillatelse i 2015 og ble avvist av den britiske regjeringen på kostnadssiden i 2018.

Tidevannsstrøm, emnet for denne siden, setter turbiner i strømmen selv, uten en demning. De ser ut som undervanns vindturbiner, enten festet til havbunnen eller hengende under et flytende skrog. Det gjør dem langt lettere på miljøet og mye mindre i skala, en maskin om gangen, noe som er grunnen til at nesten all utvikling nå er tidevannsstrøm.

Slik fungerer det

Hvorfor tidevann er forutsigbart. Månens tyngdekraft trekker havet inn i to utbulninger på motsatte sider av jorden, og jorden snur seg under dem. Månens hovedtidevann gjentar seg hver 12. time og 25 minutter. Solen legger til en mindre tidevann av sin egen. Når Sol og Måne står på linje, ved nymåne og fullmåne, legger de to seg opp til sterk vårtid; en uke senere de delvis kansellerer inn i svak nær tidevannweather condition. Hele syklusen tar 14,8 dager. Hver av disse rytmene er astronomi, så strømmen på et gitt sted kan forutsettes flere tiår fremover.

Kraften i en strøm. Akkurat som for vind, er kraften som flyter gjennom et område A P = ½ ρ A v³, hvor ρ er tettheten til væsken og v dens hastighet. En turbin beholder en brøkdel av den, effektkoeffisienten Cp. Sjøvann veier 1025 kg per kubikkmeter, luft ca. 1,2. Så selv om strømmene er langsomme, gjør tettheten mer enn opp for det: Ved 3 m/s bærer en kvadratmeter med strøm 13,8 kW, mens den samme kvadratmeteren med sterk vind på 12 m/s bærer 1,1 kW. Derfor gir en 18 meter tidevannsrotor 1,5 MW, det samme som en vindrotor fire ganger bredere.

Kuben fungerer begge veier. Fordi kraften går med kuben av hastighet, gir en strøm som halverer en åttendedel av kraften. Strømmen på et sted stiger og faller to ganger om dagen, og svinger mellom kilder og neaps hver fjortende dag, så en turbin som er dimensjonert for å fange de raskeste vårtidevannene vil stort sett stå tom. Konstruktører velger derfor en nominell hastighet, ofte rundt 2,5 til 3 m / s, over hvilken turbinen kaster den ekstra kraften. Forklaringen ovenfor viser avveiningen: en lavere nominell hastighet gir en høyere kapasitetsfaktor (mer tid ved full effekt), men en mindre maskin.

Hvor mye en kanal kan gi. En kanal er ikke en endeløs elv av energi. Turbiner bremser vannet de tar energi fra, og nok av dem vil blokkere kanalen slik at tidevannet finner en annen vei rundt. Garrett og Cummins viste at den største kraften en kanal kan gi i gjennomsnitt er omtrent 20 til 24% av topptrykkshodet fra den ene enden til den andre ganger toppstrømmen, ofte mye mindre enn den kinetiske energien som flyter gjennom det smaleste punktet (Garrett og Cummins, 2005). En turbin i en kanal kan slå Betz-grensen på 59,3 % fordi kanalveggen holder strømmen inne, men noe av denne gevinsten går tapt igjen når de raske og langsomme strømmene blandes bak den (Garrett og Cummins, 2007).

Grensene: teoretisk og praktisk

Hele planeten. Tidevannet mister ca. 3,7 terawatt til friksjon, omtrent en fjerdedel av det i dyphavet og resten i grunne hav og kystområder (Egbert og Ray, 2000). Det høres ut som mye sammenlignet med verdens gjennomsnittlige strømforbruk på ca. 3,4 TW, men nesten ingenting av det flyter raskt nok, nær nok til å nå land, i vann grunne nok til å bygge i. Bare noen få dusin steder i verden har havstrømmer over 2 til 2,5 m/s: Nord-Skottland, Kanaløyene og Bretagne, Bay of Fundy i Canada, deler av Korea, Kina, Japan og Indonesia.

En realistisk nasjonal skikkelse. For Storbritannia og Kanaløyene, som har noen av de beste stedene i verden, støttet en gjennomgang i 2021 en praktisk ressurs for 34 TWh i året, omtrent 11 % av dagens britiske elektrisitetsbehov, fra om lag 11,5 GW turbiner i 2050 (Coles et al., 2021). For de fleste land er tallet nær null.

Selve havet. De praktiske grensene er ingeniørkunst og penger:

• Massevis. Vannets tetthet betyr at en tidevannsrotor føler krefter mange ganger større enn en vindrotor av samme størrelse, og tidevannskanaler er turbulente. Blader, lagre og tetninger må overleve dette i 20 år.
• Tilgang. Dykkere og fartøy kan bare arbeide ved lavvann, den korte pausen mellom flom og ebb, og i rolig vær. Spesialfartøy er dyre å leie per dag. Flytende design som Orbitals O2, som kan heve rotorene ut av vannet, ble oppfunnet i stor grad for å kutte denne kostnaden.
• Korrosjon og tilgroing. Saltvann, marin vekst og sediment angriper alt.
• Grid. De beste stedene er på avsidesliggende kyster, langt fra etterspørsel og sterke nettforbindelser.

Ekte prosjekter, målt

Prosjekt	Hvor	Størrelse	Status	Hva som ble målt eller rapportert
MeyGen fase 1A	Hotell i nærheten av Inner Sound, Pentland Firth	4 × 1,5 MW, 18 m rotorer	I drift siden 2016 til 2018	13,8 GWh i 2019 (en kapasitetsfaktor på 26 %), over 50 GWh tidlig i 2023; ca. 59 MW mer med garanterte priser for 2027 til 2029 (MeyGen)
O2- orbital	Hotell i nærheten av Fall of Warness, Orkney (EMEC)	2 MW, to 20 m rotorer på et 72 m flytende skrog	Nett-tilkoblet juli 2021	Designet for å møte den årlige etterspørselen til ca. 2000 britiske hjem; flere O2-klasse maskiner har britiske kontrakter (Orbital Marine PowerVi fant ingen fullstendig publisert oversikt over målt årlig produksjon.
Hotell i nærheten av Nova Innovation Shetland Tidal Array	Hotell i nærheten av Bluemull Sound	6 × 100 kW på topp	Første turbin 2016; tre eldste fjernet 2023	469 MWh i mer enn 14.000 driftstimer innen desember 2020; en senere direktedrevet design reduserte turbinkostnadene med omtrent en tredjedel (Nova Innovation)
SeaGen	Hotell i nærheten av Strangford Lough	1,2 MW, to rotorer på en pæl	2008, siden avviklet	Den første tidevannsstrømturbinen i megawatt-skala som nådde full effekt på et nett, i desember 2008 (Tidevannsstrømgenerator)
La Rance (tidsforskjell, for sammenheng)	Hotell i nærheten av Bretagne, Frankrike	240 MW demning	Siden 1966	Om lag 540 GWh i året, en kapasitetsfaktor på 26 %; bygget for om lag USD 340 per kW i 2012-penger (Oslo, 2014)
Sihwa Lake (tidsforskjell)	Hotell i nærheten av Gyeonggi, Sør-Korea	254 MW	Siden 2011	552 GWh i året; kostnad ca. USD 560 millioner, bygget inn i en eksisterende havvegg (Sihwa Lake)

To ærlige lesninger av denne tabellen. For det første, teknologien fungerer: turbiner har kjørt i årevis i noen av de mest voldsomme vannet i Europa og sendt titalls gigawatt-timer til nettet. For det andre, Tidlige matriser har produsert mindre enn håpet. Første arrays var forventet å nå kapasitetsfaktorer på 35 til 42% (Havenergisystemer, 2015). MeyGens beste første år ga 26 %, og i løpet av de første årene var gjennomsnittet nærmere 20 % ettersom enkelte turbiner ble tatt ut for reparasjon og erstattet med oppgraderte maskiner. Novas seks 100 kW-turbiner viser det samme mønsteret i liten skala: ekte elektrisitet, ekte læring og maskiner som pensjoneres etter noen år.


Hva det koster

Tidevannsstrøm prises hovedsakelig av hva myndighetene er villige til å garantere, fordi ingen prosjekter ennå betaler for seg selv.

Kilde	Hva det er	Pris
Kontrakter for forskjell, runde 6 (2024)	Garantert pris for 28 MW tidevannsstrøm, 15 år	£172 per MWh i 2012-priser, ca. £250 eller $0,32 per kWh i 2025-penger
Samme auksjon	Solparker / landbasert vindkraft / havvind	50 GBP / 51 GBP / 54 GBP per MWh (2012-priser)
Coles et al. (2021)	Estimert nåværende tidevannsstrømkostnad i Storbritannia	ca £ 240 per MWh, faller under £ 150 etter 124 MW av læring
Havenergisystemer (2015)	Første matriser / andre matriser / første kommersielle prosjekter	$333 to $625 / $210 to $470 / $130 to $280 per MWh
La Rance og Sihwa (IRENA, 2014)	Gamle, utbetalte tidevannsdemninger	0,02 til 0,04 euro per kWh
Vårt referansepunkt	Solcelleanlegg på tak, Viftevegg-modell; Lazard 2026-serien for kommersiell og kommunal solenergi	$0.19 per kWh; $0.09 to $0.20
Lazard (juni 2026)	Ny nytte sol / landbasert vind / havvind	$0.04 to $0.10 / $0.04 to $0.10 / $0.11 to $0.17 per kWh

Så ny tidevannsstrøm koster omtrent $0.25 to $0,35 per kWh i dag, en og en halv til to ganger solenergi på taket og tre til åtte ganger forbruk av solenergi og landbasert vindkraft. Sammenligningen med havvind, den andre store marine teknologien, er den man bør se på: Havvind var også langt dyrere enn sol- og landbasert vind for ti år siden, og prisen falt kraftig etter hvert som prosjektene vokste til hundrevis av megawatt. Tidal Stream håper å følge den veien, men har så langt installert megawatt der havvind har installert gigawatt.

En enkel LCOE fanger ikke opp en ting tidevannskraft har og sol- og vindkraft ikke gjør: dens utgang er kjent på forhånd og er ikke avhengig av været. Coles og kolleger hevder at dette kan redusere kostnadene ved å balansere et nett, noe som vanlige kostnadssammenligninger utelater. Det er en reell fordel, men ikke stor nok til å lukke gapet.

Hvor den kan vinne, og hvor den ikke kan

Det kan vinne:

• Øyer og avsidesliggende kyster med sterke strømmer, som Orknøyene, Shetland, Kanaløyene, Nova Scotia og deler av Indonesia og Filippinene, der elektrisitet ofte kommer fra importert diesel og kabler til fastlandet er dyre.
• Som en stabil, forutsigbar del av et nett dominert av sol og vind, fyller noen av timene når begge er lave, fordi tidevannet ignorerer været.
• Hvor det allerede finnes en struktur. Sihwa Lake ble bygget inn i en sjømur som allerede var der; broer, veibroer og havneinnløp med rask strømning er verdt å se på.
• Små, nettfrie belastninger i raskt vann: overvåking av bøyer, navigasjonslys og oppdrettsanlegg.

Det kan ikke vinne:

• Som billig bulk elektrisitet, hvor som helst sol- eller vindparker kan bygges på land.
• På de aller fleste kyster, hvor toppstrømmene er under ca. 2 m/s: kubens lov gjør kraften for tynn.
• Fort. Samtykker, nettforbindelser, spesialiserte fartøy og en liten forsyningskjede gjør at prosjektene tar mange år.

Hva er bevist, sannsynlig og spekulativ

Bevist: astronomien og forutsigbarheten til tidevann; kraftligningen og vannets tetthetsfordel; at horisontale-akse turbiner kan kjøre i årevis i sterke tidevannskanaler og eksportere til nettet; at tidevannsdempere kan kjøre i mer enn et halvt århundre; at ingen kollisjoner mellom marine dyr og driftsturbiner hadde blitt oppdaget frem til 2021 (Coles et al., 2021).


Plausibelt: Kostnadene faller under 150 pund per MWh etter hvert som det bygges oppsett på flere titalls megawatt; flytende turbiner reduserer vedlikeholdskostnadene; kapasitetsfaktorer på 35 til 40 % i modne oppsett med god tilgjengelighet; en nettverdi for forutsigbarhet som er verdt å betale for.

Spekulativ: Tidevannsstrømmer som når kostnadene ved havvind; svært store oppsett i en enkelt kanal uten å endre strømmene og økologien vesentlig; langsiktige effekter på sediment, stratifisering og rovdyr som lever rundt turbinene på gigawatt-skala.

Åpne forskningsspørsmål

• Arrays, ikke enkeltturbiner. Hvordan samhandler veker fra turbinrekker, og hvor mye bremses kanalen når mange er installert?
• Pålitelighet. Hvilke design av blad, lager, tetninger og generatorer overlever 20 år med turbulent vann uten kostbare heiser?
• Billigere installasjon og tilgang. Flytende skrog, færre og større fundamenter, og arbeid utenfor slapt vann.
• Ytelsesmåling. Måling av effektkurver i ekte, turbulent strømning med metoden til IEC TS 62600-200 standarden, slik at kjøpere kan sammenligne maskiner rettferdig (Fornybar energi, 2023).
• Miljø. Kollisjonsrisiko for sel, marsvin og dykkerfugler; støy; effekter på sediment og arter som lever i raskt vann.
• Verdien av forutsigbarhet. Hvor mye er en forutsigbar megawatttime verdt i et nett med masse sol og vind?

Hva en fungerende prototype ville trenge

En ny tidevannside (en ny rotor, en billigere fortøyning, en ny måte å vedlikeholde maskiner) kan testes i liten skala først. Kostnadene nedenfor er våre grove estimater for et lite team, som skal finjusteres med et testsenter.


Fase	Arbeid	Hva det beviser	Grov kostnad	Tid
1. Renner eller slepetank	En 0,3 til 1 m modellrotor i en universitetsrenner eller slept gjennom stillestående vann, 0,5 til 2 m/s	Målt effektkoeffisient og trykk mot hastighet	$20k to $80k	2 til 4 måneder
2. Elve- eller elvemunningslots	En 1 til 10 kW enhet på en ponton eller liten ramme i en rask elv eller estuarium, med en strømmåler og en loggført effektmåler	Virkelig kraftkurve, oppstartshastighet, tilsmussing og rusk	$50k to $200k	6 til 12 måneder
3. skala teststed	En 10 til 100 kW maskin på et planteskoleanlegg som EMECs skalaanlegg i Orknøyene, med uavhengig måling	Pålitelighet, vedlikeholdstid, miljøovervåking	$0.5 million to $3 millioner	1 til 2 år
4. full skala	En megawattmaskin på en testbåt som er koblet til nettet	Bankable ytelsesdata	titalls millioner	Flere år

De to første stadiene er innen rekkevidde av en universitetsgruppe eller et bestemt team av skapere. De er også akkurat det en bane trenger: en modell som snur i ekte vann og en måler som viser hva den gjorde.

Hvem trenger vi

• Marine hydrodynamikere og modellører av tidevannsressurser.
• Offshore- og marineingeniører for fundamenter, fortøyninger, flytende skrog og marin drift.
• Undersjøiske elektriske og kraft-elektroniske ingeniører for generatorer, kabler og netttilkobling.
• Testfasiliteter: universitetskanaler og slepetanker, elvemunninger med tilgang, og testsentre som EMEC i Orknøyene eller FORCE i Nova Scotia.
• Marine økologer for kollisjons-, støy- og habitatovervåking.
• Sertifiseringsspesialister i Norge Kjenne til IEC 62600 marine energistandarder.
• Øysamfunn og havnemyndigheter med raskt vann og dyr strøm.


Har du en bedre idé?

Noen medlemmer av stiftelsen kan ha kontakter som kunne høre en pitch. For å bli pitchet, trenger en idé et En fungerende, virkelighetsnær modell som faktisk produserer strøm, med sin utgang målt på et instrument, ikke hevdet: en liten rotor i en renner eller en elv med en logget meter er verdt mer enn noen tegning. Papir ideer er også velkomne: hvis fysikken og tallene er solid, kan vi publisere dem her på nettstedet. Men å skaffe kapital uten en fungerende modell er svært vanskelig, og ingenting her er et løfte om finansiering, avkastning eller introduksjoner.

Send inn ideen din via bidragsskjemaet, og velg det grønne initiativet. Fortell oss hvilket problem det løser, fysikkkontrollen (hvor mange kW per kvadratmeter rotor, ved hvilken hastighet), en grov kostnad per kWh og den billigste testen som kan bevise at det tar feil. energikilder siden sammenligner denne ideen med elleve andre.

Kilder

1. MeyGen / Ampeak Energy (tidligere SAE Renewables og SIMEC Atlantis). MeyGen tidevannsstrømprosjekt: turbiner, kapasitet, generasjonsmilepæler og faseplaner. Se også MeyGen på Wikipedia for årlig produksjon og kontraktsrunder.
2. Det britiske departement for energisikkerhet og Net Zero (2024). Kontrakter for forskjellstildeling runde 6 resultater.
3. IEA og EIA (2014). Tidevannsenergiteknologi.
4. Norske havforskningsinstitutt (2015). Internasjonalt utjevnet kostnad for energi til havenergiteknologier.
5. I: Sæther, A., Bjørke, K., og Østby, D. (red.) (2021). En gjennomgang av Storbritannia og de britiske Kanaløyene praktisk tidevannsstrøm energiressurs. Foredrag ved Royal Society A 477.
6. Garrett, C. og Cummins, P. (2005). Kraftpotensialet til tidevannsstrømmer i kanaler. Tidsskrift for Norske Vitenskapsakademi A 461, 2563-2572.
7. Garrett, C. og Cummins, P. (2007). Effektiviteten til en turbin i en tidevannskanal. Tidsskrift for fysikk 588, 243-251.
8. Egbert, G.D. og Ray, R.D. (2000). Betydelig spredning av tidevannsenergi i dyphavet utledet fra satellitt høydemåler data. Nature 405, 775-778.
9. Orbital Marine Power (2021). Orbital Marine Power skyter opp O2; Orbital Marine Power på Wikipedia.
10. Ny innovasjon. Shetland Tidal Array, med Marine Scotlands case study.
11. Tidevannsstrømgenerator og Tidevannskraft, Wikipedia: SeaGen, La Rance, Swansea Bay; SeaGen, Wikipedia: to 16 m rotorer, installert april 2008, fjernet 2016 til 2019.
12. Hotell i nærheten av Sihwa Lake Tidal Power Station, Wikipedia.
13. Lazard (juni 2026). Nivellert kostnad for energi+, versjon 19.
14. Local Solar System Stiftelsen. The Fan Wall: åpen modell og referanse, solcelleanlegg på taket til $ 0.19 per kWh.
15. I: Ashton, I. og Sellar, B. (red.) (2023). Tidevannsturbiner: Effektvurderinger i henhold til IEC TS 62600-200 ved bruk av målte og modellerte effektutganger. Fornybar energi.
16. Sabella (selskap), Wikipedia: 1 MW D10-turbinen, koblet til Ushant-nettet i november 2015.
17. Lufttetthet, Wikipedia: 1.225 kg per kubikkmeter ved havnivå i den internasjonale standardatmosfæren.