水下渦輪機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)模化應(yīng)用仍然任重道遠(yuǎn)

從日本鳴門海峽，到歐洲的英吉利海峽，多臺水下渦輪機(jī)正在部署。這種可以撬動洋流能源的新技術(shù)，正在成為推動海洋能源發(fā)展的新方向。水下渦輪機(jī)是一種海洋洋流渦輪機(jī)，旨在充分利用洋流力量并將其轉(zhuǎn)化為電能，工作原理與傳統(tǒng)風(fēng)力渦輪機(jī)類似，只不過是在水下運(yùn)行，水流過渦輪葉片使其旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動發(fā)電機(jī)發(fā)電。過去5年，全球多個(gè)國家都開始嘗試部署水下渦輪機(jī)示范項(xiàng)目并推動技術(shù)研發(fā)，盡管業(yè)內(nèi)普遍持樂觀態(tài)度，但考慮到洋流力量巨大且海洋存在諸多未知挑戰(zhàn)，水下渦輪機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；瘧?yīng)用仍然任重道遠(yuǎn)。

上半年兩個(gè)示范項(xiàng)目啟動

今年2月，英國潮汐能公司ProteusMarineRenewables在日本鳴門海峽啟動水下潮汐渦輪機(jī)項(xiàng)目AR1100，裝機(jī)量為1.1兆瓦，采用三葉片水平軸轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)，配備機(jī)電式俯仰控制機(jī)構(gòu)和液壓驅(qū)動偏航系統(tǒng)，以優(yōu)化發(fā)電效率，安裝在重力基礎(chǔ)上并通過海底電纜連接至電網(wǎng)。

AR1100不同于傳統(tǒng)金屬結(jié)構(gòu)，葉片和核心組件全部采用定制化碳纖維復(fù)合材料，可以應(yīng)對嚴(yán)苛的海洋環(huán)境，包括每秒超3米的強(qiáng)洋流沖擊、鹽霧腐蝕、生物附著等。同時(shí)，葉片內(nèi)嵌傳感器網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)監(jiān)測水流速度與方向，通過機(jī)器學(xué)習(xí)算法驅(qū)動輪轂內(nèi)的機(jī)電變槳系統(tǒng)，使每個(gè)葉片可以獨(dú)立調(diào)節(jié)角度，讓AR1100在復(fù)雜潮汐中始終保持最佳攻角，從而獲得最佳效率。

3月，法國潮汐能開發(fā)商NormandieHydroliennes開始在英吉利海峽開發(fā)NH1商業(yè)規(guī)模潮汐能試點(diǎn)項(xiàng)目，該項(xiàng)目設(shè)計(jì)安裝4臺水下渦輪機(jī)，總裝機(jī)容量250兆瓦，預(yù)計(jì)2028年開始每年向法國電網(wǎng)輸送34吉瓦時(shí)電力，相當(dāng)于1.5萬戶家庭電力需求，可年減排近6萬噸二氧化碳。

NormandieHydroliennes公司總監(jiān)KatiaGautier表示，4臺水下渦輪機(jī)安裝在水下38米深處，專為海洋環(huán)境精心打造。NH1項(xiàng)目不僅具備技術(shù)競爭力，同樣具備成本競爭力。據(jù)悉，NH1項(xiàng)目已獲得歐盟3130萬歐元資金支持，被《歐洲能源創(chuàng)新》雜志譽(yù)為“21世紀(jì)最具革命性的可再生能源突破之一”。此外，法國還在推進(jìn)一個(gè)Flowatt項(xiàng)目，該項(xiàng)目計(jì)劃安裝7臺水下渦輪機(jī)，總裝機(jī)容量17.5兆瓦，可為約2萬居民供電。

在英國，蘇格蘭可再生能源公司SAERenewables在彭特蘭灣部署MeyGen項(xiàng)目，安裝了4臺水下渦輪機(jī)，于2018年投運(yùn)。該項(xiàng)目運(yùn)營與維護(hù)經(jīng)理FraserJohnson表示，MeyGen項(xiàng)目證明了水下渦輪機(jī)的有效性。

技術(shù)研發(fā)聚焦成本和效率

水下渦輪機(jī)作為一種利用水流轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，工作原理類似于風(fēng)力渦輪發(fā)電機(jī)，但同樣速度下能產(chǎn)生更大能量，且對尺寸要求相對更小，尤其適用于水流動力較大海域。同時(shí)，水下渦輪機(jī)不依賴風(fēng)向和天氣變化，更穩(wěn)定可靠，因?yàn)槌毕?guī)律可以準(zhǔn)確預(yù)測。

針對水下渦輪機(jī)的設(shè)計(jì)和制造，主要圍繞具有成本效益且更具效率的方式展開，業(yè)內(nèi)對該技術(shù)持樂觀態(tài)度。目前，水下渦輪機(jī)主要有兩種類型，分別是需要快速水流的潮流系統(tǒng)和捕獲潮流勢能差的潮差系統(tǒng)。

2022年，美國能源部宣布，加碼探索水下渦輪機(jī)技術(shù)潛力，啟動海底水動力和河流千兆瓦系統(tǒng)（SHARKS）項(xiàng)目，旨在加大研究水下渦輪機(jī)與水下環(huán)境相互作用情況，從而盡可能降低應(yīng)用成本。SHARKS項(xiàng)目獲得美國能源部下屬機(jī)構(gòu)3800萬美元的資助，主要圍繞兩種水下渦輪機(jī)類型展開研發(fā)，目標(biāo)是開發(fā)成本低于每千瓦時(shí)0.05美元的海洋發(fā)電技術(shù)。

對海洋生態(tài)影響有待觀察

水下渦輪機(jī)技術(shù)目前仍處于起步階段，但近年來涌入資金源源不斷，加之政策對創(chuàng)新技術(shù)的諸多支持，都為技術(shù)大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，其有望成為海洋清潔能源經(jīng)濟(jì)重要一環(huán)。美國能源部指出，水下渦輪機(jī)具有綠色、可再生等優(yōu)點(diǎn)，可謂探究海洋能源利用的新思路。

不過，高昂的初始成本、對海洋生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響、可部署區(qū)域有限仍是阻礙水下渦輪機(jī)商業(yè)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。政策鼓勵(lì)和市場機(jī)制將成為推動水下渦輪機(jī)等新興技術(shù)加速商業(yè)化的關(guān)鍵。長期以來，流體動力渦輪機(jī)的高成本阻礙了商業(yè)推廣。目前，潮汐能發(fā)電成本約為0.15至0.2歐元/千瓦時(shí)，高于陸上風(fēng)電。美國華盛頓大學(xué)機(jī)械工程系教授布萊恩表示，針對海洋能源開發(fā)，如果失去市場支持機(jī)制，新興技術(shù)很難實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)可行。

水下渦輪機(jī)采用特殊設(shè)計(jì)，有固定在海床上和浮動兩種類型。材料經(jīng)過特殊處理，能有效抵抗海水腐蝕，包括使用高強(qiáng)度鋼或復(fù)合材料，并通過實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)檢測結(jié)構(gòu)狀況。以NH1為例，其渦輪機(jī)基座實(shí)際上相當(dāng)于一塊“人工礁石”，為海洋生物提供新的棲息地，魚類和其他海洋生物可以回到項(xiàng)目區(qū)域，并以渦輪機(jī)為“家”。對漁業(yè)而言，“人工礁石”效應(yīng)可能增加魚類數(shù)量，因此需要合理規(guī)劃航道和捕魚區(qū)域。不過，多數(shù)社區(qū)支持此類項(xiàng)目，認(rèn)為能創(chuàng)造更多就業(yè)并降低能源使用成本。

需要注意的是，海洋環(huán)境維護(hù)困難，如水下渦輪機(jī)產(chǎn)生的噪音和振動對海洋生態(tài)影響，需要深度研究。有分析認(rèn)為，水下渦輪機(jī)可能干擾河口區(qū)域野生動物的活動模式，迫使海洋哺乳動物離開曾經(jīng)棲息的地方。

英國國家海洋學(xué)中心的物理海洋學(xué)家MichelaDeDominicis指出，在海洋中部署渦輪機(jī)可能會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生難以預(yù)料的連鎖反應(yīng)。“如果只部署一臺，即便有影響，也會相對有限。但如果是數(shù)千臺，很有可能會以潛在方式對海洋環(huán)境造成更深層次的干擾。”