【潮汐能發電】(上)技術與風電接近,全球或有9000萬千瓦開發潛能

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筆者在上兩篇文章中，就波力發電進行了介紹，本文將繼續介紹全球潮汐能發電相關事例。潮汐能發電的技術開發比波力發電進步更快，成本也較低，在實用化方面領先了一步。

可預測的穩定電源

在月球及太陽引力的作用下，地球上的海水會發生漲潮和退潮。並且地球還在不斷自轉，因而每天要發生2次漲潮和退潮，潮水的流向每6個小時交替變化，每天共計4次。而且，每個月有2次，即在滿月及新月之日，在月球引力與太陽引力的同時作用下，會發生「大潮」。在大潮時，滿潮與低潮的水位差變大，海水的流動也會加快。利用這種海水流動進行的發電就是潮汐能發電（Tidal Power）。

資料1．潮汐能發電的潛能

出處：LEGOS

潮汐能發電的優點是，發電量可預測。並且，由於是在水面下運轉，因此對景觀沒有影響，噪聲影響也較小。可利用潮汐能的海域限定在突出的海岬或海峽等處，因此與波力發電及溫度差發電相比，其潛能較小。即便如此，據估算，全世界仍有9000萬千瓦（kW）的潮汐能發電資源可進行開發（資料1）。

從技術方面來看，潮汐能發電基本上與風力發電相同。發電量與流體密度、旋轉面積（發動機葉片長度的2次方）以及流速的3次方成正比。由於水的密度是空氣的830倍，因此，在相同的輸出功率下，可以進行小型設計（資料2）。另一方面，可耐受高密度流體的葉片長度有極限，且與3次方成正比的流速很小。據說，為了確保可與風車匹敵的經濟效益，流速必須為每秒2米以上。潮汐能發電尚處於黎明期，可靠性、耐用性、有效性等方面存在很多課題。

資料2．風力發電與潮汐能發電對比 出處：Atlantis Resources

本文將列舉計劃在全球性海洋能源實證基地進行大規模實證實驗及商業化的3家潮汐能發電企業。即（1）安德裡茨水電哈默菲斯特公司（Andritz Hydro Hammerfest）、（2）OpenHydro公司、（3）Atlantis Resources公司。這些企業都在蘇格蘭引以為傲的歐洲海洋能源中心（European Marine Energy Centre，EMEC）進行著實證實驗。

在挪威誕生，在蘇格蘭成長

安德裡茨水電哈默菲斯特公司是一家具有代表性的潮汐能渦輪機開發及製造企業。該公司是澳大利亞大型成套設備製造商安德裡茨集團將挪威當地電力企業Hammerfest Energy公司設立的設備開發企業Hammerfest Strom公司收歸旗下後成立的。2010年4月，安德裡茨集團將出資比率從33.3％提高到55.4％，從而將Hammerfest Strom收為子公司，並改成了現在公司名稱，然後將總部轉移到了蘇格蘭的格拉斯哥（Glasgow）。身為安德裡茨集團水力部門的安德裡茨水電公司擁有在170年間銷售了3萬套水力渦輪系統（相當於4億萬千瓦）的業績。

安德裡茨水電不僅是製造及銷售渦輪機，還開發出了全套潮汐能發電陣列（Tidal Array）設備，並以「只要轉動一下鑰匙就能馬上使用」的總承包方式提供這種設備。製造、組裝、試驗、設置作業都外包給合作夥伴企業。與各行業企業組成供應鏈，承擔項目管理業務，並將從中得到的信息反映到產品的研究開發中。該公司擁有所有產品的智慧財產權（IP）。

安德裡茨水電的首臺設備HS300（額定輸出功率為300千瓦）的實證試驗，是在流速及水深等環境條件具備、可避開風浪的挪威克瓦爾松（Kvalsund）進行的。將設備設置在水下50米左右深處後，對性能進行了確認。從2003年到2009年，運轉了1.7萬小時，創下運轉率達到98％的最高紀錄等，獲得了良好成果。2004年以後，在全球率先實現了大規模設備併網運轉。這些成果都反映在了第二代設備HS1000上（資料3）。

資料3．安德裡茨水電哈默菲斯特的HS1000

出處：Andritz Hydro Hammerfest

作為HS1000的實證場所，安德裡茨水電哈默菲斯特選擇了歐洲海洋能源中心。在這裡，能夠在水流很快的嚴酷環境下測試對渦輪機的衝擊。2011年11月在水深48米處設置了設備，2012年2月併網，同年5月達到了1兆瓦（MW）的額定輸出功率。

此項實證業務從英國碳信託公司（Carbon Trust）得到了390萬歐元補貼，從挪威的基金公司得到了70萬歐元補貼。業務主體是安德裡茨水電哈默菲斯特的合作夥伴Scottish Power Renewables公司（SPR）。順便提一下，SPR的母公司是西班牙最大的能源及公共服務商伊維爾德羅拉公司（Iberdrola），其旗下擁有世界最大的風力發電企業。

SPR將利用歐洲海洋能源中心正在進行實證實驗的設備，在蘇格蘭的艾拉（Islay）海峽設置世界首座潮汐能發電陣列。由於處在雖然流速很大，但卻與海風及波浪隔絕開來的絕好環境中，因此，併網十分容易。總容量為10兆瓦，於2011年3月獲得了蘇格蘭政府批准。計劃在2013年年底動工，已經完成資源量調查及海底檢查，並提交了環境影響評估報告。

SPR計劃進一步在彭特蘭海峽（Pentland）的鄧肯斯比角（Duncansby-Head）鋪設95兆瓦潮汐能發電陣列。將設置95臺HS1000。該業務已成為蘇格蘭政府授予最佳海洋能源業務的聖安德魯十字獎（Saltire Prize）的候選項目。SPR力爭在2016年投入試運轉，2017年實現商業化運轉。

在愛爾蘭誕生的世界性技術

OpenHydro公司是2004年成立的愛爾蘭潮流渦輪機開發企業，已實現了多個「世界第一」。包括：在歐洲海洋能源中心設置潮流渦輪機、發電設備接入英國國家電網、在海底實地設置及打撈設備、設置商業規模渦輪機（1兆瓦、2.2兆瓦）等。潮汐能發電的最近動向與該公司的業績有著密切關係，這樣說也毫不為過。

OpenHydro的潮汐能技術特點在於「中心開口」（Open Center）結構（資料4），這也是其公司名稱的由來。16枚葉片被固定成圓盤狀，內圈（中心）的內側是一個空洞（開口）。由安裝在外圈的永久磁鐵進行發電。這是一種簡單而又堅固的結構，即使在嚴酷的環境中，耐久性也很出色。OpenHydro稱，這種技術目前具有可與海洋風力發電比肩的經濟效益，將來會具有可與陸上風力發電比肩的經濟效益。

資料4．OpenHydro的潮流渦輪機

出處：OpenHydro

上述結構採用了生物風險性較小、充分考慮到環境的設計。魚可以從空洞的中心穿過。葉片不僅以一定的緩慢速度旋轉，還參考流體力學進行了形狀設計，形成了魚類不會捲入葉片的結構。並且不使用潤滑油，因而不會造成海洋汙染。機械噪聲低的特點也已得到了證實。中心開口技術在1990年代開始進行開發，在海中已進行了10年以上實驗。

2006年，OpenHydro在歐洲海洋能源中心最先開始進行潮汐能發電設備的實證實驗。採用從兩側支撐250千瓦渦輪機的結構，發電單元在海中上下運動，能夠以最小成本完成多種實證實驗。商業設備將設置在海底。除了歐洲海洋能源中心外，該公司還在世界各地進行實證實驗，為實現商業化而努力。

OpenHydro與法國的關係十分深厚。法國船舶製造商法國潛艇建造局（Direction des Constructions Navales Services，DCNS）於2011年1月獲得了OpenHydro 的8％股份，2013年1月22日又將出資比率從11％提高到59.7％，將其收為子公司。此舉是為了與法國電力公司（EDF）合作開展業務。收購時，OpenHydro與DCNS約定保持OpenHydr的品牌及團隊。

DCNS對潮汐能發電的發展前景給予了很高評價，預測全球至少有9000萬千瓦的開發潛能。這相當於60座法國新一代反應堆———歐洲壓水反應堆（EPR）的裝機容量。DCNS預計，在2025年之前潮汐能發電至少能實現10億歐元的銷售額。

DCNS的主業是建造海軍艦艇。一直在進行潛水艇和海防兵器設計、建造及技術支持，以及相關系統及基礎設施等的開發，並為海軍基地及港灣地區提供服務。其能源部門則致力於核能和海洋能源的開發，計劃開發浮體式風力、溫度差發電、波力及潮汐能等所有海洋能源。（日經能源環境網 供稿）