Energia prílivového prúdu

Väčšina obnoviteľnej elektrickej energie závisí od počasia. Slapové prúdy závisia od obežnej dráhy Mesiaca a otáčania Zeme, preto je možné prílivové tabuľky vytlačiť na roky dopredu. V niekoľkých úzkych kanáloch, ako je Pentland Firth medzi Škótskom a Orknejami, sa tento pohyb mení na prúd rýchlosťou 3 až 5 metrov za sekundu, rýchlejšie ako väčšina ľudí dokáže behať. Dajte do nej turbínu a máte elektráreň, ktorej výkon môžete predpovedať na hodinu po zvyšok storočia.

Táto stránka sa riadi rovnakým pravidlom ako náš Fan Wall research: najprv fyzika, potom to, čo skutočné stroje namerali, potom koľko to stojí v porovnaní s referenčným bodom, ktorý musí každý nápad na budovu poraziť, strešný solárny panel. Stručne povedané: **prílivový prúd funguje, je predvídateľný a nové projekty stále stoja niekoľkonásobne viac ako solárne alebo veterné farmy. Môže zvíťaziť na ostrovoch a odľahlých pobrežiach, kde je energia už teraz drahá, a mohla by sa stať cennou a stabilnou súčasťou niektorých rozvodných sietí, ak budú náklady aj naďalej klesať. Nikdy to nebude veľký podiel na svetovej elektrickej energii. **

Čo to je

Existujú dva spôsoby, ako vyrobiť elektrinu z prílivu.

Prílivový rozsah využíva výškový rozdiel medzi vysokou a nízkou hladinou vody. Priehrada cez ústie rieky (prehrada) alebo múr okolo časti mora (lagúna) zadržiava vodu a potom ju prepúšťa cez turbíny, podobne ako riečna priehrada. Je to dokázané: La Rance v Bretónsku je v prevádzke od roku 1966 a jazero Sihwa v Južnej Kórei, 254 MW, bolo otvorené v roku 2011. Ale priehrada zmení celé ústie a bolo postavených len veľmi málo. Najväčší návrh posledných rokov, lagúna s výkonom 320 MW v zálive Swansea vo Walese, dostala povolenie na plánovanie v roku 2015 a bola zamietnutá vládou Spojeného kráľovstva z dôvodu nákladov v roku 2018.

Slapový prúd, predmet tejto stránky, umiestňuje turbíny do samotného prúdu bez priehrady. Vyzerajú ako podmorské veterné turbíny, buď pripevnené k morskému dnu alebo zavesené pod plávajúcim trupom. To ich robí oveľa ľahšími pre životné prostredie a oveľa menšími v rozsahu, jeden stroj naraz, čo je dôvod, prečo takmer všetok súčasný vývoj je prílivový prúd.

Ako to funguje

Prečo sú prílivy predvídateľné. Gravitácia Mesiaca ťahá oceán do dvoch výčnelkov na opačných stranách Zeme a Zem sa pod nimi otáča. Hlavné lunárne prílivy sa opakujú každých 12 hodín a 25 minút. Slnko pridáva menší príliv a odliv. Keď sa Slnko a Mesiac zoradia, pri novom a splne, obidva sa pridajú k silnému Jarné prílivy a odlivy; o týždeň neskôr sa čiastočne zrušia do slabého príliv a odliv. Celý cyklus trvá 14,8 dní. Každý z týchto rytmov je astronómia, takže prúd na danom mieste možno predpovedať desaťročia dopredu.

Sila v prúde. Presne ako pre vietor, sila pretekajúca cez plochu A je P = ½ ρ A v³, kde ρ je hustota kvapaliny a v jej rýchlosť. Turbína si uchováva zlomok z toho, výkonový koeficient Cp. Morská voda váži 1025 kg na meter kubický, vzduch asi 1,2. Takže aj keď sú prúdy pomalé, hustota to viac než kompenzuje: pri 3 m/s meter štvorcový prúdu nesie 13.8 kW, zatiaľ čo ten istý meter štvorcový silného vetra s rýchlosťou 12 m/s nesie 1.1 kW. Preto 18 m prílivový rotor vyprodukuje 1,5 MW, čo je rovnaké ako veterný rotor štyrikrát širší.

Kocka funguje oboma smermi. Pretože výkon ide s kockou rýchlosti, prúd, ktorý sa zníži na polovicu, poskytne osminu výkonu. Prúdenie v mieste stúpa a klesá dvakrát denne a každé dva týždne sa mení medzi prameňmi a prílivmi, takže turbína veľkosti, aby zachytila najrýchlejší jarný príliv by väčšinou nebola v prevádzke. Konštruktéri preto vyberajú menovitú rýchlosť, často okolo 2,5 až 3 m/s, nad ktorou turbína stráca extra výkon. Vyššie uvedený vysvetľujúci text ukazuje kompromis: nižšie menovité otáčky dávajú vyšší kapacitný faktor (viac času na plný výkon), ale menší stroj.

Koľko toho môže kanál dať. Kanál nie je nekonečný potok energie. Turbíny spomaľujú vodu, z ktorej čerpajú energiu a dostatok z nich zablokuje kanál, takže príliv nájde inú cestu okolo. Garrett a Cummins ukázali, že najväčší výkon kanála môže priniesť v priemere je asi 20 až 24% špičkovej tlakovej výšky z jedného konca na druhý čas špičkového prietoku, často oveľa menej ako kinetická energia prúdiaca cez jeho najužší bod (Garrett a Cummins, 2005). Turbína v kanáli môže prekonať Betzovu hranicu 59,3%, pretože steny kanála zadržiavajú prúdenie, ale časť tohto zisku sa stratí, keď sa rýchle a pomalé prúdy zmiešajú za ním (Garrett a Cummins, 2007).

Limity: teoretické a praktické

Celá planéta. Príliv a odliv strácajú okolo 3,7 terawattov v dôsledku trenia, približne štvrtina z toho v hlbokom oceáne a zvyšok v plytkých moriach a pobrežiach (Egbert a Ray, 2000). To znie ako veľa v porovnaní s priemernou svetovou spotrebou elektriny okolo 3,4 TW, ale takmer žiadna z toho netečie dostatočne rýchlo, dostatočne blízko k brehu, vo vode dostatočne plytkej na to, aby sa do nej dalo stavať. Iba niekoľko desiatok miest na svete má prúdy nad 2 až 2,5 m/s: sever Škótska, Normanské ostrovy a Bretónsko, záliv Fundy v Kanade, časti Kórey, Číny, Japonska a Indonézie.

Realistická národná postava. Pre Spojené kráľovstvo a Normanské ostrovy, ktoré majú niektoré z najlepších lokalít na svete, preskúmanie v roku 2021 podporilo praktický zdroj 34 TWh ročne, čo je približne 11 % súčasného dopytu po elektrickej energii v Spojenom kráľovstve, z približne 11,5 GW turbín do roku 2050 (Coles et al., 2021). Vo väčšine krajín je toto číslo blízke nule.

Samotné more. Praktické obmedzenia sú inžinierstvo a peniaze:

• Veľa. Hustota vody znamená, že prílivový rotor cíti sily mnohonásobne väčšie ako veterný rotor rovnakej veľkosti a prílivové kanály sú turbulentné. Lopatky, ložiská a tesnenia musia vydržať 20 rokov.
• Prístup. Potápači a plavidlá môžu pracovať len pri slabej vode, krátkej prestávke medzi prílivom a odlivom a v pokojnom počasí. Špecializované plavidlá sú drahé na prenájom za deň. Plávajúce konštrukcie ako O2 od Orbital, ktoré dokážu zdvihnúť svoje rotory z vody, boli vynájdené hlavne na zníženie týchto nákladov.
• Korózia a znečistenie. Slaná voda, morský rast a sedimenty útočia na všetko.
• Sieť. Najlepšie miesta sú na vzdialených pobrežiach, ďaleko od dopytu a silného pripojenia k sieti.

Reálne projekty, namerané

Projekt	kde	Veľkosť	Stav	Čo bolo merané alebo hlásené
MeyGen fáza 1A	Inner Sound, Pentland Firth, Škótsko Zobraziť mapu	4 × 1,5 MW, rotory s dĺžkou 18 m	Prevádzkované od roku 2016 do roku 2018	13,8 GWh v roku 2019 (kapacitný faktor 26 %); viac ako 50 GWh začiatkom roka 2023; približne o 59 MW viac pri garantovaných cenách na roky 2027 až 2029 (MeyGen)
Orbitál O2	Fall of Warness, Orkney (EMEC)	2 MW, dva rotory s dĺžkou 20 m na plávajúcom trupe dlhom 72 m	Grid-connected July 2021	Navrhnuté tak, aby uspokojili ročný dopyt približne 2000 domácností vo Veľkej Británii; ďalšie stroje triedy O2 majú zmluvy v Spojenom kráľovstve (Orbital Marine Power).Nenašli sme úplný publikovaný záznam o nameranom ročnom výkone.
Nova Innovation Shetland Tidal Array - Recenzie	Bluemull Sound, Shetlandské ostrovy	6 × 100 kW na vrchole	Prvá turbína 2016; tri najstaršie odstránené 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)
SeaGen	Strangford Lough, Severné Írsko	1,2 MW, dvojité rotory na pilote	2008, od vyradenia z prevádzky	Prvá megawattová turbína na prílivové prúdenie, ktorá dosiahla plný výkon v decembri 2008 (Tidal stream generator)
La Rance (rozsah prílivu, pre kontext)	Bretónsko, Francúzsko	240 MW priehrada	Od roku 1966	Približne 540 GWh ročne, kapacitný faktor 26 %; postavená za približne 340 USD za kW v roku 2012 (IRENA, 2014)
Jazero Sihwa (rozsah prílivu a odlivu)	Gyeonggi, Južná Kórea	254 MW	Od roku 2011	552 GWh ročne; náklady okolo 560 miliónov USD, postavená do existujúceho morského múru (Sihwa Lake)

Dve úprimné čítanie tejto tabuľky. Po prvé, Ako technológia fungujeTurbíny spoločnosti : už roky bežia v niektorých z najnáročnejších vodných podmienok v Európe a dodávajú desiatky gigawatthodín energie do siete. Po druhé, prvé polia vyprodukovali menej ako sa očakávalo. Prvé polia sa očakávalo, že dosiahne kapacitné faktory 35 až 42% (Ocean Energy Systems, 2015). Najlepší rok pre MeyGen bol 26% a v prvých rokoch sa priemer blížil k 20%, pretože jednotlivé turbíny boli vytiahnuté na opravu a nahradené modernizovanými strojmi. Šesť 100kW turbín spoločnosti Nova ukazuje rovnaký vzor v malom meradle: skutočná elektrina, skutočné učenie a stroje odstavené v priebehu niekoľkých rokov.


Koľko to stojí

Cena prílivového prúdu závisí hlavne od toho, čo sú vlády ochotné garantovať, pretože zatiaľ sa žiadny projekt nesplatil sám.

Zdroj	Čo to je	Cena
UK Contracts for Difference, kolo 6 (2024)	Garantovaná cena za 28 MW prílivového prúdu, 15 rokov	172 libier za MWh v cenách z roku 2012, približne 250 libier alebo 0,32 dolárov za kWh v peniazoch z roku 2025
Tá istá aukcia	Solárne farmy / pevninský veterný prúd / morský veterný prúd	50 GBP/51 GBP/54 GBP za MWh (v cenách z roku 2012)
Coles et al. (2021)	Odhadované súčasné náklady na prílivové prúdy vo Veľkej Británii	približne 240 GBP za MWh, klesajúca pod 150 GBP po 124 MW učenia
Ocean Energy Systems (2015)	Prvé polia / druhé polia / prvé komerčné projekty	$333 to $625 / $210 to $470 / $130 to $280 za MWh
La Rance a Sihwa (IRENA, 2014)	Staré, vyplatené priehrady v prílivových oblastiach	0,02 až 0,04 EUR za kWh
Naše referenčné kritériá	Strešné solárne panely na budove, model Fan Wall; Rad Lazard 2026 pre komerčné a komunitné solárne systémy	0,19 USD za kWh; $0.09 to $0,20
Lazard (jún 2026)	Nová solárna / pevninská veterná / pobrežná veterná energia	$0.04 to $0,10 / $0.04 to $0,10 / $0.11 to $0,17 na kWh

Takže nový prílivový prúd stojí zhruba $0.25 to $0,35 za kWh dnes, jeden a pol až dvakrát strešné solárne a tri až osemkrát užitočné slnečné a pobrežné vetry. Porovnanie s pobrežnou veternou energiou, ďalšou veľkou technológiou v oblasti námornej energetiky, je to, čo treba sledovať: pobrežná veterná energia bola tiež oveľa drahšia ako solárna a pevninská veterná energia pred desiatimi rokmi a jej cena prudko klesla, keď projekty narástli na stovky megawatov. Tidal Stream dúfa, že pôjde touto cestou, ale zatiaľ inštaloval megawatt tam, kde veterná energia na mori inštalovala gigawattov.

Jednoduchý LCOE nezachytáva jednu vec, ktorú má prílivová energia a solárna a veterná energia nie: jej výkon je známy vopred a nezávisí od počasia. Coles a jeho kolegovia tvrdia, že to môže znížiť náklady na vyvažovanie siete, ktoré bežné porovnanie nákladov vynechávajú. Je to skutočná výhoda, ale ešte nie dostatočne veľká na to, aby sa preklenula medzera.

Kde môže vyhrať a kde nemôže

Môže vyhrať:

• Ostrovy a vzdialené pobrežia so silnými prúdmi, ako sú Orkneje, Shetlandy, Normanské ostrovy, Nové Škótsko a časti Indonézie a Filipín, kde elektrina často pochádza z dovážanej nafty a káble na pevninu sú drahé.
• Ako stabilná, predvídateľná súčasť siete, ktorej dominuje slnečná a veterná energia, vyplňujúce niektoré hodiny, keď sú obidva nízke, pretože príliv ignoruje počasie.
• Tam, kde už existuje štruktúra. Jazero Sihwa bolo postavené do morského múru, ktorý tam už bol; stojí za to pozrieť sa na mosty, nábrežia a prístavné vstupy s rýchlymi tokmi.
• Malé, mimosieťové zaťaženie v rýchlom prúde: monitorovanie bójí, navigačných svetiel a miest akvakultúry.

Nemôže vyhrať:

• Ako lacná hromadná elektrina, kdekoľvek na zemi môžu byť postavené solárne alebo veterné farmy.
• Na prevažnej väčšine pobreží, kde sú špičkové prúdy pod približne 2 m/s: zákon kocky robí výkon príliš tenký.
• Rýchlo. Súhlasy, pripojenie do siete, špecializované plavidlá a malý dodávateľský reťazec znamenajú, že projekty trvajú mnoho rokov.

Čo je dokázané, vierohodné a špekulatívne

Dokázané: astronómia a predvídateľnosť prílivu; rovnica výkonu a výhoda hustoty vody; že turbíny s horizontálnou osou môžu fungovať roky v silných prílivových kanáloch a exportovať do siete; že priehrady v prílivovom rozsahu môžu fungovať viac ako pol storočia; že až do roku 2021 neboli zistené žiadne zrážky medzi morskými živočíchmi a prevádzkovými turbínami (Coles et al., 2021).


Plausibilné: náklady klesajú pod 150 libier za MWh, keď sa budujú polia s desiatkami megawattov; plávajúce turbíny znižujú náklady na údržbu; kapacitné faktory 35 až 40% v vyspelých poliach s dobrou dostupnosťou; sieťová hodnota pre predvídateľnosť, za ktorú stojí za to platiť.

Špekulatívne: Prílivové prúdenie dosahujúce náklady na pobrežný vietor; veľmi veľké polia v jednom kanáli bez výraznej zmeny jeho prúdov a ekológie; dlhodobé účinky na sediment, stratifikáciu a predátorov kŕmiacich sa okolo turbín v gigawattovom meradle.

Otvorené výskumné otázky

• Polia, nie jednotlivé turbíny. Ako sa vzájomne ovplyvňujú vlny z radov turbín a o koľko sa kanál spomaľuje, keď je nainštalovaných viacero?
• Spoľahlivosť. Ktoré konštrukcie lopatiek, ložísk, tesnení a generátorov prežijú 20 rokov turbulentnej vody bez nákladných výťahov?
• Lacnejšia inštalácia a prístup. Plávajúce trupy, menej a väčšie základy a práca mimo slabej vody.
• Meranie výkonu. Meranie výkonových kriviek v reálnom turbulentnom prúde metódou normy IEC TS 62600-200, aby kupujúci mohli stroje spravodlivo porovnávať (Obnoviteľná energia, 2023).
• Životné prostredie. Riziko kolízie pre tuleňov, morčatá a potápajúce sa vtáky; hluk; účinky na sediment a druhy, ktoré žijú v rýchlom prúde vody.
• Hodnota predvídateľnosti. Koľko stojí predvídateľná megawatthodina v sieti s množstvom solárnej a veternej energie?

Čo by potreboval pracovný prototyp

Nový prílivový nápad (nový rotor, lacnejšie kotvenie, nový spôsob údržby strojov) sa dá najprv otestovať v malom meradle. Nižšie uvedené náklady sú našimi hrubými odhadmi pre malý tím, ktoré je potrebné spresniť s testovacím centrom.


Fáza	Práca	Čo to dokazuje	Približné náklady	Čas
1. Žľab alebo vlečná nádrž	Model rotora s priemerom 0,3 až 1 m v univerzitnom žľabe alebo vlečený cez pokojnú vodu, 0,5 až 2 m/s	Nameraný koeficient výkonu a ťah v porovnaní s rýchlosťou	$20k to $80k	2 až 4 mesiace
2. Riečny alebo ústny pilot	Jednotka s výkonom 1 až 10 kW na pontóne alebo malom ráme v rýchlej rieke alebo ústí rieky, s meračom prúdu a zaznamenaným meračom výkonu	Krivka skutočného výkonu, rýchlosť rozbehu, znečistenie a nečistoty	$50k to $200k	6 až 12 mesiacov
3. Skúšobné miesto v mierke	Stroj s výkonom 10 až 100 kW v škôlke, ako je napríklad škôlka EMEC na Orkney, s nezávislým meraním	Spoľahlivosť, čas údržby, monitorovanie prostredia	$0.5 million to $3 milióny	1 až 2 roky
4. Celý rozsah	Megawattový stroj na skúšobnom mieste pripojenom k sieti	Údaje o výkonnosti	Desiatky miliónov	Niekoľko rokov

Prvé dve etapy sú na dosah univerzitnej skupiny alebo odhodlaného tímu tvorcov. Sú tiež presne to, čo ihrisko potrebuje: model, ktorý sa otáča v skutočnej vode a merač, ktorý ukazuje, čo urobil.

Koho potrebujeme

• Morskí hydrodynamici a modelári prílivových zdrojov.
• Offshore a námorní inžinieri pre základy, kotvenie, plávajúce trupy a námorné operácie.
• Podmorskí elektrotechnici a výkonoví elektronici pre generátory, káble a pripojenie do siete.
• Skúšobné zariadenia: univerzitné žľaby a vlečné nádrže, ústia s prístupom a skúšobné strediská ako EMEC na Orkney alebo FORCE v Novom Škótsku.
• Morskí ekológovia pre monitorovanie kolízií, hluku a biotopov.
• Certifikační specialisté a certifikace Oboznámený s normami IEC 62600 pre námornú energetiku.
• Ostrovné komunity a prístavné úrady s rýchlou vodou a drahou elektrickou energiou.


Máte lepší nápad?

Niektorí členovia nadácie môžu mať kontakty, ktoré by mohli počuť pitch. Aby sa nápad mohol predložiť, potrebuje pracujúci, reálny model, ktorý skutočne produkuje energiu, s jeho výkonom meraným na prístroji, nie nárokovaným: malý rotor v žľabe alebo rieke so zaznamenaným metrom má väčšiu hodnotu ako akýkoľvek výkres. Vítame aj nápady na papieri: ak sú fyzika a čísla pevné, môžeme ich zverejniť tu na webovej stránke. Ale získať kapitál bez pracovného modelu je veľmi ťažké a nič tu nie je prísľubom financovania, návratnosti alebo zavedenia.

Pošlite nám svoj nápad prostredníctvom formulára na podanie príspevku, pričom vyberte Zelenú iniciatívu. Povedzte nám problém, ktorý riešite, fyzikálnu kontrolu (koľko kW na meter štvorcový rotora, pri akých aktuálnych otáčkach), približnú cenu za kWh a najlacnejší test, ktorý by mohol dokázať, že sa mýlite. Stránka energy sources page porovnáva túto myšlienku s jedenástimi ďalšími.

Zdroje

1. MeyGen / Ampeak Energy (predtým SAE Renewables a SIMEC Atlantis). MeyGen tide stream project: turbíny, kapacita, míľniky výroby a plány fáz. Pozri tiež MeyGen na Wikipédii pre ročný výstup a zmluvné kolá.
2. Ministerstvo pre energetickú bezpečnosť a čistú nulu Spojeného kráľovstva (2024). Výsledky 6. kola prideľovania rozdielov v zmluvách.
3. IRENA a IEA-ETSAP (2014). Technológia prílivovej energie.
4. Ocean Energy Systems (2015). Medzinárodne vyrovnané náklady na energiu pre technológie využívajúce oceánsku energiu.
5. Ďurčanský, D., Kovařík, J., Majerník, M. et al. (2021). Prehľad praktických zdrojov prílivovej energie na ostrovoch Veľkej Británie a Normanských ostrovov. Správy Slovenskej akadémie vied A 477.
6. Garrett, C. a Cummins, P. (2005). Výkonový potenciál slapových prúdov v kanáloch. Zborník Kráľovskej spoločnosti A 461, 2563-2572.
7. Garrett, C. a Cummins, P. (2007). Účinnosť turbíny v prílivovom kanáli. Journal of Fluid Mechanics 588, 243-251.
8. Egbert, G.D. a Ray, R.D. (2000). Významný rozptyl prílivovej energie v hlbokom oceáne odvodený zo satelitných výškových dát. Nature 405, 775-778.
9. Orbitálny námorný výkon (2021). Orbital Marine Power launches O2; Orbital Marine Power na Wikipédii.
10. Nová inovácia. Shetlandské prílivové pole, s Marine Scotland’s Prípadová štúdia.
11. Generátor prílivových prúdov a Prílivová energia, Wikipédia: SeaGen, La Rance, Swansea Bay; SeaGen, Wikipédia: dvojité 16 m rotory, nainštalované v apríli 2008, odstránené 2016 až 2019.
12. Slaná voda z jazera Sihwa, Wikipédia.
13. Lazard (jún 2026). Levelized Cost of Energy+, verzia 19.
14. Local Solar System Nadácia . The Fan Wall: otvorený model a benchmark, strešná solárna elektráreň za 0,19 USD za kWh.
15. Evans, P., Ashton, I. a Sellar, B. (2023). Posúdenie výkonu prílivovej turbíny podľa IEC TS 62600-200 s použitím nameraných a modelovaných výkonov. Obnoviteľné zdroje energie.
16. Sabella (spoločnosť), Wikipedia: 1 MW turbína D10, pripojená k sieti Ushant v novembri 2015.
17. Hustota vzduchu, Wikipedia: 1.225 kg na meter kubický pri hladine mora v medzinárodnej štandardnej atmosfére.