海洋能源日益重要

潮汐和波浪能源是地球上最大的未开发可再生能源之一。 海洋覆盖了地球表面的70%以上,蕴藏着巨大的动力和潜在能量。 与日照和风能不同,海洋能源是极易预测的。 潮汐和波浪的周期精确,波浪模式可以提前几天预测。 这种可预测性使得潮汐和波浪电能对电网稳定具有独特的价值 — — 电网融合了更多可变可再生能源,因此具有关键优势。

全球范围内,仅海潮能的装机容量估计就超过300千兆瓦,而海浪能每年可超过10 000千兆瓦时,大致相当于全球电力需求,目前,装机容量不到1千兆瓦,但该部门正在加速,国际可再生能源机构(可再生能源机构)预测,在2050年之前,海洋能源可达到350千兆瓦,由潮汐、潮汐流装置、波能转换器和其他创新系统混合提供,各国努力实现净零目标,海洋能源为太阳能和风能提供了可靠、互补的来源,特别是在沿海地区。

技术创新推动一体化

近期在材料科学、动力电子学和流体动力学方面的突破正在使海洋能源技术更加高效、持久和具有成本效益。 下面我们探索当前重新塑造这一部门的关键创新。

高级涡轮和能源转换器

潮流涡轮机 — — 往往与水下风轮机相比 — — 已经发生了巨大的变化。 早期的设计是重的固定型涡轮机系统,容易腐蚀。 现代涡轮机使用可变型的叶片、直流永久磁力发电机以及抗盐水和生物污损的复合材料。 轨道海洋动力等公司开发了可拖入深水的浮动潮汐涡轮机,避免了昂贵的近海构造。 对于波能,点-角浮标和斜面水柱,现在采用了适应性控制算法,将设备的反应与实时海态相适应,从而将捕获效率提高20-30 % 。

网格连接和海底电缆

一体化的最大障碍之一是将电力从离岸阵列输送到岸上电网,现代高压交替电流(HVAC)和高压直流电线缆减少了数十公里的输电损失,现在,能够以波动为弹性的动态电缆与浮动装置并列部署,新的电网侧反转器使海洋能源厂能够提供电压支持和频率调节等辅助服务,使它们积极参与智能电网而不是被动发电机。

能源储存至平稳中断

潮汐能虽然可以预测,但确实每天产生两次微振。 浪能随膨胀模式而波动。 将海洋能量与存储 — — 无论是锂离子电池、泵水或氢电解等新兴技术 — — 相匹配,确保稳定的调度供电。 在英国,MeyGen项目使用岸上电池进行平滑输出,而欧洲的混合项目则将浪能与近海风能和浮动太阳能相结合,共享共同的存储资产,以最大限度地利用水下电缆。

数字双胞胎和预测维护

操作成本一直是部署的障碍。 数字双子技术 — — 创建每个设备的虚拟复制品 — — 使操作者能够在不同条件下模拟性能,检测故障前磨损,以及在平静天气中安排维护时间。 接受多年海洋数据训练的机器学习模型现在预测波高和流速,精确度超过90%,从而能够实时的动力调度与市场需求保持一致。

挑战和机遇

尽管取得了迅速的进展,但大规模一体化面临严重障碍。 资本成本高,允许复杂性,环境不确定性依然存在。 然而,每项挑战都为创新和政策领导提供了机会。

环境和生态影响

海洋生态系统十分敏感,潮汐可以改变沉积物的迁移和鱼类的迁移;涡轮机对海洋哺乳动物构成碰撞风险;波浪装置可能制造噪音和电磁场;然而,研究表明,适当放置和设计的阵列可以与海洋生物共存;新的涡轮机设计包括了有圆边缘和低尖速度的方便鱼的叶片;水下结构的人工珊瑚礁效应可以增强当地的生物多样性;严格的环境影响评估和适应管理计划——如在MeyGen潮流项目中使用的计划——有助于尽量减少危害和建立公众信任。

经济可行性和政策支持

潮汐和波浪发电的能源成本(LCOE)在历史上超过了300欧元/兆瓦,但成本正在下降。 对于潮流,欧洲的LCOE已经下降到150欧元/兆瓦以下,2030年的波浪能源目标为100欧元/兆瓦。 扩大阵列、标准化设计和利用来自岸风的制造业供应链可以推动进一步削减。 政府机制 — — 饲料关税、差异合同和专用拍卖(如葡萄牙的波浪能源拍卖) — — 是消除风险的必要工具。 欧盟委员会的 Ocean能源战略研究和创新议程旨在2030年部署1GW,发出强有力的政策信号。

技术和后勤复杂

在严酷、腐蚀性的盐水中安装装置的费用高昂。 船只成本、天气窗口和锚定系统故障困扰了早期项目。 但是,自卸平台的创新 — — 压载地基在没有重型船的情况下沉入水下,以及自主的水下检查机器人 — — 正在降低成本。 共享的基础设施,如将风能、太阳能和海洋能源相结合的近海能源枢纽,也分散了安装和O&M费用。

新兴项目和个案研究

全世界一些开创性项目正在展示有意义的一体化的可行性。

梅根(苏格兰)

位于彭特兰菲尔特的6兆瓦的MW MeyGen潮汐阵列自2016年起开始发电,它使用了4台1.5兆瓦的涡轮机,并向英国电网出口了60多千瓦时。 其成功在于其分阶段方法、精心的海底监测和通过现有岸上分站的电网连接。 它现在正在扩张到80兆瓦,计划整合电池储存,为国家电网提供平衡服务。

西华湖潮汐发电厂(韩国)

254兆瓦西华大坝建于2011年,是世界上最大的潮汐发电装置。 它利用10个水下涡轮机发电,这些涡轮机通过蓄水闸口获取能源。 西华公司与韩国电网的融合是直截了当的,因为它的输出是可预测的,而且它作为基载电站运行。 然而,环境关切(湖水交换减少)导致设计了适应,随着时间的推移,水质得到改善 — — 这是未来蓄水项目的一个教训。

波罗勒(葡萄牙)

位于佩尼切岛外的波罗勒装置使用一个带支链的面板,用近岸波来振荡驱动液压发电机。 该项目自2019年起就与葡萄牙电网相连,并成为欧洲海洋能源中心测试网络的一部分。 它的创新式底座设计避免了海洋生物碰撞风险,并简化了锚定。 开发者的目标是在2027年前将LCOE目标提升到低于100欧元/兆瓦的商用阵列。

政策和国际合作的作用

海洋能源的整合不可能孤立地实现。 国家能源战略必须明确将海洋可再生能源纳入电网扩张计划,监管框架必须精简,同时保护海洋环境。 欧洲能源贸易协会主张在欧盟可再生能源指令中设定一个专门的海洋能源目标。 同样,英国的海洋能源理事会呼吁为潮汐和波浪研究提供环形预算。 国际合作 — — 如国际能源机构下属的海洋能源系统(OES)倡议 — — 促进了资源评估、装置测试和环境监测方面的信息分享,从而加快了学习和减少重复。

未来展望:蓝色能源革命

展望未来,潮汐和波能纳入国家电网的轨迹将类似于近海风:从单端演示到多端阵列,再到通过近海能源枢纽连接的大型农场。 到2035年,我们可能看到混合平台将风轮机、太阳能板、波能转换器、甚至氢电解器结合在一起,这些都通过一条海底电缆连接到岸上。 这种同地定位方法极大地改善了传输基础设施的利用,减少了干扰。

电网操作者将日益依赖海洋能源的可预测性来平衡太阳和风的变异性。 潮汐动力及其持续的日循环,在与少量储量配对时可以起到“可再生基载”资源的作用。 潮汐能量在冬季太阳低时经常达到峰值,在温带纬度提供了宝贵的季节补充。

彭博新能源基金的投资预测表明,到2040年,全球海洋能源投资累计将达到30亿至500亿美元,为沿海社区数十万个工作岗位提供支持。 制造业集群可能出现在拥有强大海洋工程遗产的地区 — — 苏格兰、法国布列塔尼、美国西北太平洋和日本。 随着气候压力的上升,海洋能源资源过于庞大,无法继续处于边缘地位。 随着持续的创新、明智政策和精心的环境管理,潮汐和波浪能源将成为21世纪可再生能源组合的基石。