潮汐能崛起，可再生能源會(huì)迎來(lái)“三足鼎立”新時(shí)代嗎？

根據(jù)智庫(kù)Ember的報(bào)告，截至2023年，全球可再生能源發(fā)電量占比首次突破30%，達(dá)到30.3%，標(biāo)志著能源轉(zhuǎn)型進(jìn)入關(guān)鍵階段。在可再生能源結(jié)構(gòu)中，傳統(tǒng)水力發(fā)電以47%的貢獻(xiàn)率保持主導(dǎo)地位，風(fēng)能和太陽(yáng)能則以合計(jì)44%的占比形成"三足鼎立"格局。值得關(guān)注的是，盡管潮汐能早在1966年便實(shí)現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用，但其真正成為全球能源轉(zhuǎn)型的重要力量則是近年來(lái)的突破——隨著技術(shù)進(jìn)步和政策傾斜，這一海洋能源正加速崛起，在可再生能源電力生產(chǎn)議題中占據(jù)愈發(fā)核心的討論地位。

潮汐是由月球和太陽(yáng)的引力，以及地球自轉(zhuǎn)產(chǎn)生的慣性力共同作用下，引起的海水周期性漲落現(xiàn)象。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是海水每天都會(huì)有規(guī)律地升高和降低。漲潮時(shí)，海水水位上升，淹沒(méi)部分陸地；退潮時(shí)，海水水位下降，露出海灘。這種周而復(fù)始的運(yùn)動(dòng)，就是潮汐。?Linda Wong | 綠會(huì)融媒·“海洋與濕地”（OceanWetlands）（CC BY-SA 4.0）圖文無(wú)關(guān)
潮汐能究竟是什么？在月球和太陽(yáng)的引力以及地球自轉(zhuǎn)的共同作用下，海洋潮汐有節(jié)奏地漲落，這一技術(shù)就成為了中世紀(jì)歐洲利用潮汐運(yùn)動(dòng)來(lái)驅(qū)動(dòng)谷物磨坊的動(dòng)力來(lái)源。在英格蘭的伍德布里奇潮汐磨坊，和法國(guó)布列塔尼的潮汐磨坊群中，人們通過(guò)水閘系統(tǒng)蓄積潮差勢(shì)能，推動(dòng)水輪機(jī)組研磨谷物。這些設(shè)施持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)至20世紀(jì)初，為工業(yè)革命前的潮汐能應(yīng)用典范。進(jìn)入現(xiàn)代，潮汐能的發(fā)展則主要依托兩大技術(shù)路徑，即潮差能（攔河壩式）與潮汐能（渦輪式）。

潮差能依賴潮汐垂直落差（通常需≥5米），通過(guò)建造水壩在漲潮時(shí)蓄水、退潮時(shí)釋放水流驅(qū)動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電，其發(fā)電量直接與潮差平方和水庫(kù)面積相關(guān)。潮差是指漲潮和退潮之間的垂直高度差。它衡量的是海平面因月球和太陽(yáng)的引力以及地球自轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的升降幅度。范圍越大，勢(shì)能越大。依靠潮差能所建設(shè)的潮汐電站一般會(huì)作為攔河壩建在潮汐變化較大的河口（連接河流或溪流與大海的部分封閉水域），在漲潮時(shí)蓄水，在退潮時(shí)通過(guò)渦輪機(jī)釋放水，從而形成雙向發(fā)電。

位于法國(guó)西北部布列塔尼的朗斯潮汐發(fā)電站的鳥(niǎo)瞰圖，以及圣馬洛市的景觀。朗斯潮汐發(fā)電站是世界上首個(gè)大型潮汐發(fā)電站（建于1966年），總裝機(jī)容量達(dá)到240兆瓦。圖源：Tswgb
法國(guó)的朗斯潮汐電站堪稱(chēng)潮汐能開(kāi)發(fā)的里程碑。這座建于圣馬洛灣的攔河壩式電站自1966年投運(yùn)以來(lái)，持續(xù)驗(yàn)證著雙向發(fā)電在極端潮差環(huán)境下的可靠性。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，朗斯發(fā)電站單次潮汐周期可發(fā)電4次，較傳統(tǒng)水電站的單向模式來(lái)說(shuō)，能夠提升30%的效能。而于2011年建成的韓國(guó)始華湖電站則展示了潮汐能的多功能性——這座依托既有防波堤改建的電站，不僅成為全球裝機(jī)容量之最，更通過(guò)渦輪系統(tǒng)設(shè)計(jì)改善了湖區(qū)的海水交換效率，在發(fā)電與環(huán)境保護(hù)間實(shí)現(xiàn)了雙重效益。在中國(guó)，潮汐能領(lǐng)域的探索始于浙江樂(lè)清灣的江廈電站。這座于20世紀(jì)80年代建成的攔河壩項(xiàng)目，通過(guò)持續(xù)擴(kuò)容和技術(shù)改造，成為東亞地區(qū)運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的潮汐電站，其積累的海工材料防腐經(jīng)驗(yàn)深刻影響了后續(xù)近海工程建設(shè)。

上圖：韓國(guó)京畿道的始華湖潮汐發(fā)電站，該電站是目前世界上最大的潮汐能發(fā)電設(shè)施，總裝機(jī)容量達(dá)到254兆瓦。圖源：????（CC BY-SA 2.0）

上圖：位于北愛(ài)爾蘭斯特蘭福德灣的世界首個(gè)商業(yè)規(guī)模并網(wǎng)潮汐流發(fā)電機(jī)——SeaGen。攝影：Fundy （CC BY-SA 3.0）

潮汐能發(fā)電的原理與風(fēng)電略有相似，通過(guò)水下渦輪機(jī)（轉(zhuǎn)化效率達(dá)45%-50%）捕獲水平海流動(dòng)能實(shí)現(xiàn)發(fā)電，特別適用于流速≥2.5米/秒的海域。在英國(guó)，已經(jīng)運(yùn)營(yíng)十年并商業(yè)化轉(zhuǎn)型成功的MeyGen項(xiàng)目，自2016年投運(yùn)以來(lái)已累計(jì)發(fā)電超80千兆瓦時(shí)，從而證明這一相對(duì)新型的技術(shù)已經(jīng)具有在深海區(qū)的規(guī)?；瘽摿?。基于傳統(tǒng)潮汐攔河壩存在生態(tài)擾動(dòng)大、建設(shè)成本高（約1.5-3萬(wàn)元/千瓦）的局限，潮汐能技術(shù)近年快速迭代：水平軸渦輪（如蘇格蘭的Nova Innovation項(xiàng)目）可適應(yīng)復(fù)雜海流方向；垂直軸渦輪（如中國(guó)“海燕”系列）在低流速海域表現(xiàn)優(yōu)異；振蕩水柱式裝置通過(guò)氣動(dòng)壓縮空氣驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)，尤其適合波浪能協(xié)同開(kāi)發(fā)。

除了英國(guó)的MeyGen項(xiàng)目外，迄今為止，全球單機(jī)容量最大的潮汐能發(fā)電機(jī)組是中國(guó)的“奮進(jìn)號(hào)”****，額定功率為1.6兆瓦。該機(jī)組于2022年2月在浙江舟山秀山島成功下海，并于同年4月正式并網(wǎng)運(yùn)行。截至目前，“奮進(jìn)號(hào)”已累計(jì)并網(wǎng)發(fā)電超過(guò)450萬(wàn)千瓦時(shí)，創(chuàng)下中國(guó)單機(jī)潮汐能發(fā)電的新紀(jì)錄。

潮汐能的核心優(yōu)勢(shì)在于超90%的可預(yù)測(cè)性和高達(dá)80%的轉(zhuǎn)化率，其發(fā)電曲線與月球周期精準(zhǔn)吻合，在可預(yù)測(cè)性和轉(zhuǎn)化率上遠(yuǎn)超風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能?；谶@一優(yōu)勢(shì)和技術(shù)的進(jìn)步，潮汐能開(kāi)始進(jìn)入了高速發(fā)展的時(shí)期；截至2022年底，全球已建成并投入運(yùn)營(yíng)的潮汐發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到約350兆瓦；而預(yù)計(jì)到2030年，潮汐能發(fā)電容量將增長(zhǎng)至1200兆瓦以上。

然而，潮汐能大規(guī)模應(yīng)用仍然面臨著諸多挑戰(zhàn)。從成本上說(shuō)，建設(shè)潮汐能設(shè)施需要大量初始資本投資。例如，2011年，韓國(guó)的始華湖潮汐電站作為世界上最大的潮汐能發(fā)電站，其建設(shè)成本高達(dá)41億元人民幣，遠(yuǎn)超同體量的風(fēng)力發(fā)電和太陽(yáng)能的建設(shè)費(fèi)用。潮汐能系統(tǒng)只能在潮汐流動(dòng)期間發(fā)電，而通常每個(gè)潮汐周期為4-6小時(shí)，使得每日僅有約8-12小時(shí)的有效發(fā)電時(shí)間，不能和傳統(tǒng)的水力發(fā)電站一樣持續(xù)工作。導(dǎo)致造價(jià)昂貴的原因除了技術(shù)和選址之外，海洋環(huán)境的嚴(yán)苛性也進(jìn)一步推高了成本。潮汐能設(shè)施需使用鈦合金、碳纖維等耐腐蝕材料，單兆瓦建設(shè)成本可達(dá)500-800萬(wàn)美元，且維護(hù)成本占總成本的30%-40%，顯著高于陸上可再生能源。

潮汐攔河壩對(duì)生態(tài)系統(tǒng)的擾動(dòng)凸顯了早期潮汐技術(shù)對(duì)生態(tài)影響評(píng)估的不足，而這一問(wèn)題已被多項(xiàng)研究證實(shí)。例如，韓國(guó)始華湖電站建成后，底棲生物多樣性下降了40%；法國(guó)朗斯電站的渦輪機(jī)曾導(dǎo)致周邊魚(yú)類(lèi)死亡率增加15%。攔河壩改變沉積物分布，破壞生態(tài)連通性，阻斷魚(yú)類(lèi)洄游路徑，其影響與蓄水壩的環(huán)境爭(zhēng)議高度相似。曾經(jīng)作為北美唯一潮汐電站的加拿大安納波利斯皇家發(fā)電站于1984年投運(yùn)，但由于核心部件故障和渦輪機(jī)對(duì)魚(yú)類(lèi)造成的死亡率超標(biāo)，該設(shè)施由此無(wú)限期停運(yùn)。

即便對(duì)環(huán)境影響較小的潮汐流設(shè)施，也需應(yīng)對(duì)生物污損與海洋機(jī)械應(yīng)力的雙重威脅。潮汐能系統(tǒng)長(zhǎng)期暴露在強(qiáng)烈的洋流、海浪和鹽水腐蝕中，導(dǎo)致材料和組件性能隨時(shí)間下降。設(shè)備需要使用耐腐蝕和耐磨損的材料，增加了成本和維護(hù)的復(fù)雜性。

基于潮汐發(fā)電站對(duì)沉積物的影響，低速渦輪設(shè)計(jì)（轉(zhuǎn)速<15轉(zhuǎn)/分鐘）與動(dòng)態(tài)沉積物管理系統(tǒng)正在試點(diǎn)，前者減少對(duì)魚(yú)類(lèi)的物理傷害，后者通過(guò)模擬自然潮汐緩解棲息地退化。例如，美國(guó)Verdant Power研發(fā)的慢速葉片技術(shù)可以將魚(yú)類(lèi)撞擊死亡率壓至0.5%以下，甚至低于自然洋流淘汰率。除此之外，挪威Minesto公司的“潮汐風(fēng)箏”碳纖維裝置能夠以8字形軌跡自主尋優(yōu)海流，從而使得潮汐發(fā)電不僅能夠避開(kāi)了海底生態(tài)敏感區(qū)，更能夠提升20%的發(fā)電效率。

2020年10月22日，紐約市羅斯福島海岸附近的羅斯福島潮汐能（RITE）裝置，該裝置包含三個(gè)Verdant Power水下35千瓦渦輪機(jī)，安裝在一個(gè)三角形底座（稱(chēng)為T(mén)riFrame）上。圖源：Kches16414（CC BY-SA 4.0）
針對(duì)潮汐能儲(chǔ)能的缺陷，各方提出了多種解決方案。例如，潮光互補(bǔ)型光伏電站通過(guò)結(jié)合潮汐能和太陽(yáng)能發(fā)電，利用光伏組件在白天發(fā)電，潮汐能在潮汐期間發(fā)電，實(shí)現(xiàn)能源互補(bǔ)，提升電力供應(yīng)的穩(wěn)定性。在浙江省溫嶺市塢根鎮(zhèn)，中國(guó)首座潮光互補(bǔ)型智能光伏電站在2022年5月實(shí)現(xiàn)全容量并網(wǎng)發(fā)電，與江廈電站協(xié)同運(yùn)行，預(yù)計(jì)年平均發(fā)電量超過(guò)1億度電，可滿足約3萬(wàn)戶城鎮(zhèn)居民一年的用電需求。

此外，將潮汐能與氫能生產(chǎn)相結(jié)合，在電力需求低谷時(shí)利用多余電力進(jìn)行電解水制氫，儲(chǔ)存能量，在高峰時(shí)段再將氫氣用于發(fā)電或其他用途，既解決了潮汐能的間歇性問(wèn)題，又提高了能源利用效率。在蘇格蘭奧克尼市，歐洲海洋能源中心（EMEC）正在部署一項(xiàng)測(cè)試項(xiàng)目，通過(guò)附近的潮汐能發(fā)電設(shè)施和試驗(yàn)場(chǎng)的一塊1.8兆瓦的釩液流電池的發(fā)電原理相結(jié)合，為當(dāng)?shù)氐闹茪鋸S提供連續(xù)動(dòng)力。

理論數(shù)據(jù)顯示，全球潮汐能年發(fā)電潛力可達(dá)1200太瓦時(shí)，相當(dāng)于2023年全球可再生能源發(fā)電量的14%。而國(guó)際可再生能源署（IRENA）預(yù)測(cè)，潮汐能的平準(zhǔn)化度電成本（LCOE）將從2020年的0.68元/千瓦時(shí)逐步降至2035年的0.28元/千瓦時(shí)。盡管當(dāng)前潮汐能發(fā)電僅占全球能源結(jié)構(gòu)的極小份額，但是其可預(yù)測(cè)性高、轉(zhuǎn)化率穩(wěn)定等核心優(yōu)勢(shì)已為能源轉(zhuǎn)型提供了獨(dú)特價(jià)值。通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新和多能互補(bǔ)的兼容模式，潮汐能有望進(jìn)一步發(fā)展，從一項(xiàng)潛力資源正式躍升成為可再生能源的中流砥柱，成為兼具環(huán)保性與經(jīng)濟(jì)性的近海能源解決方案。

（注：本文僅供資訊參考，不代表平臺(tái)觀點(diǎn)。歡迎留言、討論。）

作者 | 黃希林（Allen Huang）

審核 | Samantha、Linda

排版 | ms

參考資料略