Энергия приливных течений

Большинство возобновляемых источников электроэнергии зависит от погоды. Приливные течения зависят от орбиты Луны и вращения Земли, поэтому таблицы приливов могут быть напечатаны за несколько лет до их наступления. В нескольких узких каналах, таких как Пентленд Фирт между материковой Шотландией и Оркнейскими островами, это движение превращается в течение со скоростью 3-5 метров в секунду, что быстрее, чем большинство людей могут бегать. Поместите в нее турбину, и у вас будет электростанция, производительность которой вы можете прогнозировать с точностью до часа на оставшуюся часть столетия.

Эта страница следует тому же правилу, что и наши Вентилятор стене исследования: физика сначала, то, что реальные машины измерили, а затем, что это стоит по сравнению с эталоном каждая идея на здании должен победить, крыша солнечной панели. Короткое объяснение: приливные потоки работают, они предсказуемы, и новые проекты все еще стоят в несколько раз дороже, чем солнечные или ветровые электростанции. Она может выиграть на островах и удаленных побережьях, где электроэнергия уже дорога, и она может стать ценной, стабильной частью некоторых сетей, если стоимость будет продолжать снижаться. Она никогда не будет составлять значительную долю мирового производства электроэнергии.

Что это такое

Существует два способа получения электроэнергии из прилива.

Приливный диапазон использует разницу в высоте между высоким и низким уровнем воды. Плотины через эстуарии (пломбы) или стены вокруг части моря (лагуны) удерживают воду, а затем позволяют ей течь через турбины, как речные плотины. Это доказано: Ла-Ранс в Бретани работает с 1966 года, а озеро Сихва в Южной Корее, мощностью 254 МВт, открылось в 2011 году. Но плотина меняет весь эстуарий, и очень мало таких плотин было построено. Крупнейшее предложение последних лет, лагуна мощностью 320 МВт в заливе Суонси в Уэльсе, получила разрешение на планирование в 2015 году и была отклонена правительством Великобритании по стоимости в 2018 году.

Приливный поток, предмет этой страницы, ставит турбины в самом течении, без плотины. Они выглядят как подводные ветрогенераторы, либо прикрепленные к морскому дну, либо подвешенные под плавающим корпусом. Это делает их гораздо легче на окружающую среду и гораздо меньше в масштабе, одна машина за раз, что является причиной того, почему почти все текущие разработки приливного потока.

Как это работает

Почему приливы предсказуемы. Гравитация Луны тянет океан в два выпуклости на противоположных сторонах Земли, и Земля вращается под ними. Основной лунный прилив повторяется каждые 12 часов и 25 минут. Солнце добавляет свой собственный небольшой прилив. Когда Солнце и Луна выстраиваются в ряд, при новолунии и полнолунии, они добавляют сильные весеннее приливы; через неделю они частично отменяются в слабые неап приливы. Полный цикл занимает 14,8 суток. Каждый из этих ритмов является астрономическим, так что ток на данном участке можно предсказать на десятилетия вперед.

Мощность в течении. Точно так же, как и для ветра, мощность, протекающая через область A, равна P = ½ ρ A v³, где ρ - это плотность жидкости и v ее скорость. Турбина сохраняет часть от него, коэффициент мощности Cp. Морская вода весит 1025 кг на кубический метр, воздух около 1,2. Таким образом, хотя течения медленные, плотность более чем компенсирует это: при скорости 3 м/с квадратный метр течения несет 13.8 кВт, в то время как тот же квадратный метр сильного ветра 12 м/с несет 1.1 кВт. Поэтому 18-метровый приливный ротор производит 1,5 МВт, что в четыре раза больше, чем у ветрового ротора.

Куб работает в обе стороны. Потому что мощность идет с кубом скорости, ток, который уменьшается вдвое, поставляет одну восьмую мощности. Течение на месте поднимается и падает дважды в день и каждые две недели переходит из одного источника в другой, поэтому турбина, рассчитанная на самые быстрые весенние приливы, будет работать в основном без работы. Поэтому дизайнеры выбирают номинальная частота вращения, часто около 2,5-3 м/с, выше которой турбина теряет дополнительную мощность. Вышеприведенный объяснительный текст показывает компромисс: более низкая номинальная частота вращения обеспечивает более высокий коэффициент производительности (более часто на полной мощности), но при этом машина становится меньше.

Сколько может дать канал. Канал не является бесконечной рекой энергии. Турбины замедляют воду, из которой они берут энергию, и достаточное количество из них заблокирует канал, так что прилив найдет другой путь. Гарретт и Cummins показали, что наибольшая мощность канала может принести в среднем около 20 до 24% от пикового давления головы с одного конца на другой раз пик потока, часто гораздо меньше, чем кинетическая энергия, протекающая через его узкую точку (Garrett и Cummins, 2005). Турбина в канале может превзойти предел Бетца открытого моря на 59,3%, потому что стенки канала удерживают поток внутри, но часть этого прироста потеряется снова, как быстрый и медленный поток смешаются за ним (Гарретт и Камминс, 2007 год).

Пределы: теоретические и практические

Вся планета. Приливы теряют около 3,7 тераватт в результате трения, примерно четверть из них в глубоководных районах океана, а остальная часть - на мелководье и побережье (Эгберт и Рэй, 2000). Это звучит как много, если сравнивать со средним мировым потреблением электроэнергии в 3,4 ТВт, но почти ничего из этого не течёт достаточно быстро, достаточно близко к берегу, в воде достаточно мелкой, чтобы строить. Только в нескольких десятках мест в мире течения превышают 2-2,5 м/с: север Шотландии, Нормандские острова и Бретань, залив Фанди в Канаде, части Кореи, Китая, Японии и Индонезии.

Реалистичный национальный показатель. Для Соединенного Королевства и Нормандских островов, где находятся одни из лучших участков в мире, обзор 2021 года поддержал практический ресурс 34 ТВт·ч в год, около 11% текущего спроса на электроэнергию в Соединенном Королевстве, с примерно 11,5 ГВт турбин к 2050 году (Коулз и др., 2021). В большинстве стран этот показатель близок к нулю.

Само море. Практическими ограничениями являются инженерные и финансовые:

• Много. Плотность воды означает, что приливный ротор испытывает силы во много раз больше, чем ветряной ротор такого же размера, и приливные каналы являются турбулентными. Лопасти, подшипники и уплотнения должны выдержать это в течение 20 лет.
• Доступ. Дайверы и суда могут работать только в слабой воде, короткий перерыв между паводком и отливом, и в спокойной погоде. Специализированные суда дорого фрахтовать на день. Плавучие конструкции, такие как O2 от Orbital, которые могут поднимать свои роторы из воды, были изобретены в основном для сокращения этой стоимости.
• Коррозия и загрязнение. Соленая вода, морской рост и отложения нападают на все.
• Сетевая. Лучшие участки находятся на удаленных побережьях, вдали от спроса и сильных сетевых соединений.

Реальные проекты, измеренные

Проект	Где	Размер	Статус	Что было измерено или отражено в отчетности
МейГен Фаза 1А	Иннер-Саунд, Пентленд-Ферт, Шотландия	4 х 1,5 МВт, роторы длиной 18 м	Действует с 2016 по 2018 год	13,8 ГВт·ч в 2019 году (коэффициент мощности 26%); более 50 ГВт·ч к началу 2023 года; около 59 МВт больше с гарантированными ценами на 2027-2029 годы (MeyGen)
Орбита O2	Уорнесс, Оркнейские острова (EMEC)	2 МВт, двойные роторы длиной 20 м на плавучем корпусе длиной 72 м	Подключено к сети Июль 2021	Предназначен для удовлетворения годового спроса около 2000 домов Великобритании; дополнительные машины класса O2 имеют контракты с Великобританией (Orbital Marine Power). Мы не нашли полной опубликованной записи измеренной годовой производительности.
Новая инновационная система приливов Шетландских островов	Блумалл-Саунд	6 × 100 кВт в пиковом режиме	Первая турбина 2016; три старейших удалены 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)
Симфония	Стрэнгфорд-Лох	1,2 МВт, двойные роторы на свайном фундаменте	2008 год, с момента вывода из эксплуатации	Первая мегаваттная приливно-отливная турбина, достигшая полной мощности в энергосети, в декабре 2008 года (Генератор приливного потока)
La Rance (диапазон приливов, для контекста)	Бретань, Франция	Плотина мощностью 240 МВт	С 1966 года	Около 540 ГВт/ч в год, коэффициент производительности 26%; построена за около 340 долл. США за кВт в ценах 2012 года (МАВИЭ, 2014 год)
Озеро Сихуа (диапазон приливов)	Кёнги, Южная Корея	254 МВт	С 2011 года	552 ГВт/ч в год; стоимость около 560 млн. долл. США, построена на существующей морской стене (озеро Сихуа)

Два честных прочтения этой таблицы. Во-первых, технология работает: турбины работали в течение многих лет в некоторых из самых бурных вод в Европе и отправили десятки гигаватт-часов в сеть. Во-вторых, ранние массивы дали меньше, чем ожидалось. Ожидается, что первые массивы достигнут коэффициента мощности от 35 до 42% (Ocean Energy Systems, 2015). Лучший первый год MeyGen дал 26%, а в течение первых лет он был в среднем близок к 20%, так как отдельные турбины были выведены на ремонт и заменены модернизированными машинами. Шесть турбин Nova мощностью 100 кВт демонстрируют ту же картину в небольшом масштабе: реальное электричество, реальное обучение и машины, выведенные на пенсию через несколько лет.

Что это стоит

Цена на приливные потоки определяется главным образом тем, что правительства готовы гарантировать, поскольку ни один проект пока не окупается сам по себе.

Источник	Что это такое	Цена
Контракты на разницу Великобритании, раунд 6 (2024)	Гарантированная цена на 28 МВт приливного потока, 15 лет	£172 за МВт в ценах 2012 года, около £250 или $0.32 за кВт в деньгах 2025
Тот же аукцион	Солнечные электростанции / береговая ветровая энергетика / морская ветровая энергетика	50/51/54 фунта стерлингов за МВт·ч (в ценах 2012 года)
Коулз и др. (2021 год)	Оценка текущих расходов на приливные течения в Соединенном Королевстве	около 240 фунтов стерлингов за МВт/ч, падение ниже 150 фунтов стерлингов после обучения на 124 МВт
Океанические энергетические системы (2015 год)	Первые массивы / вторые массивы / первые коммерческие проекты	$333 to $625 / $210 to $470 / $130 to $280 за МВт·ч
Ла-Ранс и Сива (МАВР, 2014 год)	Старые, оплаченные плотины в приливных районах	0,02-0,04 евро за кВт·ч
Наши критерии	Солнечная энергия на крыше здания, модель Fan Wall; серия Lazard 2026 для коммерческих и общинных солнечных систем	0,19 долл. США за кВт·ч; $0.09 to $0.20
Лазард (июнь 2026)	Новые энергетические объекты, работающие на солнечной/береговой ветровой/морской ветровой энергии	$0.04 to $0,10/$0.04 to $0,10/$0.11 to $0,17 за кВт·ч

Так что новый приливный поток стоит примерно $0.25 to $0,35 за кВт·ч сегодня, в полтора-два раза больше, чем на крышах зданий, и в три-восемь раз больше, чем на солнечных батареях и береговых ветрогенераторах. Сравнение с морской ветровой энергией, другой крупной морской технологией, является тем, что стоит учитывать: десять лет назад морская ветровая энергия была намного дороже, чем солнечная и береговая ветровая энергия, а ее цена резко упала по мере того, как проекты росли до сотен мегаватт. Приливный поток надеется пойти по этому пути, но до сих пор он установил мегаватты там, где морской ветер установил гигаватты.

Простое LCOE не учитывает то, что имеет приливная энергия и не имеет солнечная и ветровая энергия: ее выход известен заранее и не зависит от погоды. Коулз и его коллеги утверждают, что это может сократить стоимость балансирования сети, которая не учитывается при обычных сопоставлениях затрат. Это реальное преимущество, но еще не достаточно большое, чтобы сократить разрыв.

Где она может победить, а где нет

Он может выиграть:

• Острова и удаленные побережья с сильными течениями, таких, как Оркнейские острова, Шетландские острова, Нормандские острова, Новая Шотландия и некоторые районы Индонезии и Филиппин, где электроэнергия часто производится на основе импортируемого дизельного топлива, а прокладка кабелей для подключения к материку является дорогостоящей.
• Как стабильная, предсказуемая часть энергосистемы, в которой преобладают солнечная и ветровая энергия, заполняя некоторые из часов, когда и низкий, потому что прилив игнорирует погоду.
• Где уже существует сооружение. Озеро Сихуа было построено в морской стене, которая уже была там; мостов, набережных и входов в гавань с быстрыми потоками стоит посмотреть.
• Небольшие, автономные нагрузки в быстротечной воде: мониторинг буев, навигационных огней и участков аквакультуры.

Он не может выиграть:

• Как дешевое оптовое электроэнергии, где солнечные или ветровые фермы могут быть построены на земле.
• На подавляющем большинстве побережий, где пиковые токи ниже примерно 2 м/с: закон кубического действия делает мощность слишком малой.
• Быстрее. Согласия, подключение к сетям, специализированные суда и небольшая цепочка поставок означают, что проекты занимают много лет.

Что доказано, правдоподобно и спекулятивно

Доказано: астрономии и предсказуемости приливов; уравнения силы и преимущества плотности воды; что турбины с горизонтальной осью могут работать годами в сильных приливных каналах и экспортировать энергию в сеть; что плотины, построенные на приливной полосе, могут работать более полувека; что до 2021 года не было выявлено никаких столкновений между морскими животными и работающими турбинами (Коулз и др., 2021).

Вероятно: стоимость снижается ниже £150 за МВт/ч по мере строительства массивов десятков мегаватт; плавучие турбины сокращают расходы на обслуживание; коэффициенты производительности составляют от 35 до 40% в зрелых массивах с хорошей доступностью; сетевая ценность предсказуемости, за которую стоит платить.

Спекулятивные: Приливные течения, достигающие стоимости морского ветра; очень крупные массивы в одном канале без существенного изменения его течений и экологии; долгосрочное воздействие на отложения, стратификацию и хищников, питающихся вокруг турбин в масштабах гигаватт.

Открытые исследовательские вопросы

• Масивы, а не одиночные турбины. Как взаимодействуют следы от рядов турбин и насколько замедляется канал при установке многих?
• Надежность. Какие конструкции лопастей, подшипников, уплотнений и генераторов выдерживают 20 лет турбулентной воды без дорогостоящих подъемников?
• Дешевле установка и доступ. Плавающие корпуса, меньше и больше фундаментов, а также работа вне мягкой воды.
• 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).
• Environment. Collision risk for seals, porpoises and diving birds; noise; effects on sediment and on the species that feed in fast water.
• Ценность предсказуемости. Сколько стоит прогнозируемый мегаватт-час для сети с большим количеством солнечной и ветровой энергии?

Что нужно для рабочего прототипа

Новая идея, связанная с приливами (новый ротор, более дешевый швартовной механизм, новый способ обслуживания машин) может быть опробована в небольшом масштабе. Ниже приведены наши приблизительные расходы на небольшую группу, которые будут уточнены с испытательным центром.

Этап	Работа	Что это доказывает	Приблизительная стоимость	Время
1. Водонагреватель или буксируемый бак	Модель ротора 0,3-1 м в университетском водопроводе или буксируемая через стоячую воду со скоростью 0,5-2 м/с	Измеренный коэффициент мощности и тяги по отношению к скорости	$20k to $80к	2-4 месяца
2. Речной или эстуарийный эксперимент	Агрегат мощностью от 1 до 10 кВт, установленный на понтоне или небольшой раме в быстротекущей реке или эстуарии, с измерителем тока и регистрирующимся счетчиком мощности	Кривая реальной мощности, скорость запуска, загрязнение и мусор	$50k to $200к	6-12 месяцев
3. Масштаб испытательной площадки	Машина мощностью от 10 до 100 кВт на питомнике, например на масштабном участке ЕМЕК в Оркнейских островах, с независимыми измерениями	Надежность, время технического обслуживания, мониторинг окружающей среды	$0.5 million to $3 млн.	От 1 до 2 лет
4. Полная шкала	Мегаваттный генератор на испытательном стенде, подключенном к электросети	Данные о результатах деятельности, поддающиеся банковскому учету	десятки миллионов	несколько лет

Первые два этапа в пределах досягаемости университетской группы или целеустремленной команды разработчиков. Они также являются именно тем, что нужно для площадки: модель, которая вращается в реальной воде и метр, который показывает, что она сделала.

Кто нам нужен

• Морские гидродинамики и моделирование ресурсов приливов.
• Оффшорные и военно-морские инженеры для фундаментов, швартовки, плавающих корпусов и морских операций.
• Подводные электро- и силовые электроники для генераторов, кабелей и подключения к сети.
• Испытательные установки: университетские водоотводные каналы и буксирующие резервуары, эстуарии с доступом к ним и испытательные центры, такие как ЕМЕК на Оркнейских островах или ФОРСЕ в Новой Шотландии.
• Морские экологи для мониторинга столкновений, шума и среды обитания.
• Специалисты по сертификации знакомы со стандартами IEC 62600 для морской энергетики.
• Островные общины и портовые власти с быстрой водой и дорогим электричеством.

Есть идея получше?

Некоторые члены Фонда могут иметь контакты, которые могли бы услышать предложение. Для того чтобы быть представленной, идея нуждается в работающая, реальная модель, которая фактически производит энергию, с его выходом измеряется на приборе, не претендует: маленький ротор в русле или реки с зарегистрированным счетчика стоит больше, чем любой чертеж. Идеи на бумаге также приветствуются: если физика и числа тверды, мы можем опубликовать их здесь на сайте. Но привлечение капитала без рабочей модели очень трудно, и здесь нет никаких обещаний финансирования, доходов или введений.

Отправьте свою идею через форму вклада, выбрав Зеленую инициативу. Расскажите нам о проблеме, которую она решает, проверьте физику (сколько кВт на квадратный метр ротора, при какой скорости тока), приблизительную стоимость за кВт·ч и самый дешевый тест, который мог бы доказать ее несостоятельность. На странице energy sources эта идея сравнивается с одиннадцатью другими.

Источники

1. MeyGen / Ampeak Energy (ранее SAE Renewables и SIMEC Atlantis). Проект приливного потока Мейген: турбины, мощность, этапы производства и планы фаз. См. также MeyGen в Википедии для ежегодного выпуска и контрактных раундов.
2. UK Department for Energy Security and Net Zero (2024). Резултаты 6-го раунда распределения контрактов на разницу.
3. МАВИЭ и МЭА-ЕТСАП (2014 год). Краткая информация о технологии использования энергии приливов.
4. Океанические энергетические системы (2015). Международная уравненная стоимость энергии для океанских энергетических технологий.
5. Коулз, Д., Ангелудис, А., Гривз, Д. и др. (2021). Обзор практических ресурсов энергии приливных течений в Соединенном Королевстве и на Британских Нормандских островах. Процедуры Королевского общества A 477.
6. Гарретт, К. и Камминс, П. (2005). Мощность потенциала приливных течений в каналах. Процедуры Королевского общества A 461, 2563-2572.
7. Гарретт, К. и Камминс, П. (2007). Эффективность турбины в приливном канале. Журнал механики жидкостей 588, 243-251.
8. Эгберт, Г.Д. и Рей, Р.Д. (2000). Значительное рассеивание приливной энергии в глубоководных районах океана, выведенное на основе данных спутникового высотомера. Природа 405, 775-778.
9. Орбитальная морская мощь (2021). Orbital Marine Power запускает O2; Orbital Marine Power в Википедии.
10. Новая инновация. Шетландская приливная система, с Морской Шотландии тематическое исследование.
11. Приливный генератор и Приливная энергия, Википедия: SeaGen, Ла-Ранс, залив Суонси.
12. Приливная электростанция на озере Шихуа, Википедия.
13. Lazard (June 2026). Уровненная стоимость энергии+, версия 19.
14. Local Solar System Фонд. The Fan Wall: открытая модель и эталон, солнечная энергия на крыше по цене $0.19 за кВт/ч.
15. Evans, P., Ashton, I. и Sellar, B. (2023). Оценка мощности приливных турбин в соответствии с IEC TS 62600-200 с использованием измеренных и смоделированных выходных значений мощности. Возобновляемые источники энергии.