基于潮汐濕地理念的歐洲潮汐開發潛能評估

[法國]

L. 朗佩里埃

王子昂　　方麗杰　譯

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基于潮汐濕地理念的歐洲潮汐開發潛能評估

[法國]

L. 朗佩里埃

摘要：介紹了“潮汐濕地”理念下的潮汐能開發方法及其主要優勢，并針對該方法提出了潮汐能發電潛能的評估標準。基于該方法和標準，對英國、法國、俄羅斯、荷蘭及德國等歐洲國家的潮汐能開發條件及潛能進行了評估，并描述了可能實施的相關潮汐能項目的規劃、設計及預期效益?？偨Y指出，歐洲擁有巨大的潮汐潛能，開發的經濟效益比較可觀，但也面臨其他問題，包括可再生能源的競爭、項目建設周期長及環境影響等。在目前的條件下，可選擇成本相對較高的小型項目，以盡快實現項目運行并產生發電效益，為后期大型項目的建設累積經驗。

關鍵詞：潮汐能；能量開發；歐洲

1“潮汐濕地”理念

潮汐濕地(TG)理念將沿海的大面積蓄水池(即水庫)與水輪機聯系在一起，在流量、安裝及維護等方面對這些水輪機的運行方式進行了優化處理，可以將其布置在海域與水庫之間的人造通道內(見圖1，2)。潮汐濕地方案的主要優勢包括以下幾個方面。

(1) 由于最大程度保留自然潮汐環境能，該理念不會對沿岸環境產生不利影響。雖然潮汐會暫時延遲2 h(如圖3所示)，但是可以避免巨浪與異常的高水頭現象。

(2) 即便對于3 m或4 m的自然潮差，該方案的單位發電成本相比其他方案也將更加低廉。

(3) 可在面積較大的水庫中劃出一小部分區域用作抽水蓄能，也有利于興建低成本風電場以及工業和旅游設施。可以保護海岸線，使其免受風暴的襲擊，且發電產生的經濟效益可以基本抵消因海平面上升所需的堤防建設成本。

2潮汐能發電潛能的評估準則

當平均潮差在3～7 m之間時，水輪機和人工通道的單位發電成本不會發生顯著的變化，但是如果潮差較小，則需要更大的水庫或者特定的海岸線形狀，這是由于堤壩長度與發電量之間的比值必須保持在一個可接受的范圍內。因此，若潮差小于3 m，有效發電潛能很可能比較低。

由于堤壩的成本隨著海水深度的升高而大幅增加，因而不能在超過最低潮位以下20 m的深處筑堤。有些國家，如愛爾蘭，雖然有著非常豐富的潮汐能資源，但卻很難找到深度合適的筑堤位置。如果水庫面積非常大，海水深度有利，且潮差適中，就更有可能增加成本效益。俄羅斯、英國、法國、荷蘭和德國都具備以上有利條件。以下將對可能實施的大型潮汐能項目進行粗略的效益評估。

3歐洲各國的潮汐能遠期項目

3.1英國

在英國，絕大多數研究的選址都集中在賽文(Severn)河口，此處潮汐大，堤壩短，水庫的總面積大約為500 km2，區域內布置有單向運行的燈泡式水輪發電機組。預計該項目的發電成本大約為150歐元/(MW·h)，并且單向發電運行會顯著調節沿線的潮汐條件。采用“潮汐濕地”方案可大幅降低成本，并保留自然潮汐條件。在該方案中，通過將水庫面積將增加至1 000 km2并選擇潮差較小的地區，可使成本降低至100歐元/(MW·h)，年發電量達到30 TW·h。

在利物浦市北部的海岸沿線，分布著大面積的潮差為5 m的區域，且水深適宜。如果在此處興建潮汐能發電項目，其發電規模和單位發電成本與賽文潮汐能項目相當。由于該地區潮位變化較大，可長期持續供電。

在倫敦以北的東海岸也可興建1個產能為10 TW·h/a的項目，其成本效益非?？捎^。

發電產生的收益可用于水庫的建設維護成本，還可在水庫內興建低成本的風力發電場。小型水庫可儲存能量用于調峰。

3.2法國

1980年，法國電力公司(EDF)聘請2家承包商和1家名為Gedem的水輪機供應商開展了一系列研究，主要集中在潮差大于6 m的地區，在該區域安裝20 GW的燈泡式發電機組，年發電量可以達到50 TW·h。研究建議使用若干個水庫及抽水蓄能設施，從而保證小潮時的出力也能達到20 GW。但是該方案的成本比法國當時建造的核電站發電成本更高，并且會造成沿海岸線自然潮汐條件的變化。所以當時選擇了核電站與裝機5 GW的傳統抽水蓄能電站的組合方案。

潮汐濕地理念可以應用于潮差4～5 m的區域并產生經濟效益。這些區域不僅分布于英吉利海峽沿線，也分布于大西洋沿岸。實際發電量可達150 TW·h/a?？赡艿恼局钒ǎ核髂?La Somme)河入?？凇⒔B塞(Chausey)群島、雷島(Isle of Rhe)。以上站址的年發電量可達70 TW·h，發電成本不足100歐元/(MW·h)；壩堤長200 km，從海岸上幾乎無法看見堤壩。該發電量已經超過法國現有的水電發電總量，而羅納(Rhone)河及萊茵河沿線的水電項目綿延500 km，年發電量也只有25 TW·h。因此相比而言，這些潮汐能項目更有優勢。

3.3俄羅斯

在過去的幾十年里，俄羅斯一直在研究一種適用于潮汐的新型水輪機，尤其是適用于潮差2 m的雙向發電模式。運用正交設計的水輪機構造簡單，易于制造，在低水頭下似乎比燈泡式機組更有應用前景，但同時也會產生相對更高的發電成本，這是因為其單位長度的土建成本更高。此外，當單位長度上的發電量較低并隨自然潮汐水頭顯著減小時，發電成本也并不會隨著水頭的變化而產生顯著變化?？傮w來說，對于低潮差而言，其發電成本更高。

白海東部蘊藏著巨大的潮汐潛能。研究集中在梅津(Mezen)地區，該區域的潮差接近6 m，計劃建設1個年發電量為20 TW·h的項目。若采用“潮汐濕地”理念及正交水輪機，可進一步降低梅津項目的單位發電成本。

還可在潮差為4～5 m的喬沙灣(Cheschskay)和白海海域內建一些規模較大的項目，其年發電總量可超過100 TW·h。而這些項目的通道設計需要適應當地海域的結冰問題。

3.4荷蘭

荷蘭絕大多數地區的潮差不足3 m，但在其北部有100 km的海岸線，潮差為3～4 m，并且此處海水深度低于25 m，區域面積超過3 000 km2，可以應用潮汐濕地的發電方式。

若水庫面積為2 000 km2，潮差3.5 m，堤壩長100 km，則年發電量可達15 TW·h，其單位發電成本不到100歐元/(MW·h)。荷蘭在大型沿?；A設施建設中積累了大量經驗，可為此項目的開發提供參考。在20 km長的外海堤保護下，還極有可能在水庫區或沿海區實現其他更多的經濟開發活動，如能源存儲、低成本風力發電廠以及工業和旅游業發展項目。

3.5德國

在德國，有幾千平方公里的區域潮差接近4 m，與荷蘭類似，可開發多個項目。潮汐能技術的開發也可為當地距海岸線20 km的地區提供重要的發展工業及港口機會。

4潮汐能在歐洲的開發前景

歐洲潮汐能預期成本大約100歐元/(MW·h)，甚至可能更低，所以其潮汐發電潛能巨大。不僅如此，在潮汐能水庫區建設風電設施將帶來額外的低成本能源。潮汐能作為一種可再生能源，因成本低且能帶來可觀的直接和間接經濟效益而受到青睞。其潛在的能源供給量基本可以達到核心需求量，上述5個國家都已經具備必要的潮汐能技術能力。但是，潮汐能開發仍存在以下3個難點。

(1) 潮汐能將面臨與核能及天然氣能源的競爭，而后兩者都廣受支持。

(2) 雖然潮汐能發電對于環境的影響看起來比其他大多數可再生能源都要小，但還是可能存在較高的反對呼聲。

(3) 大多數潮汐能的發電潛能適應于開發規模在1～10 GW的工程，而大型工程的建設成本非常高，且通常會面臨交付周期較長的問題。

因此，實現潮汐能發電效益的關鍵在于開發規模較小的(100～500 MW)項目。此類項目設計時間較短，可以在未來10 a內投入運營，其所需的堤壩及水輪機方面的技術與大型項目類似，且這些小型工程的經驗可以幫助指導并優化未來大型工程的建設。很多區域都適宜建設這種初等規模的工程，盡管其生產電力的成本會更高一些。

王子昂方麗杰譯

(編輯：陳紫薇)

收稿日期：2016-02-17

文章編號：1006-0081(2016)05-0005-03

中圖法分類號：P743.3

文獻標志碼：A