潮汐能崛起，可再生能源会迎来“三足鼎立”新时代吗？

根据智库Ember的报告，截至2023年，全球可再生能源发电量占比首次突破30%，达到30.3%，标志着能源转型进入关键阶段。在可再生能源结构中，传统水力发电以47%的贡献率保持主导地位，风能和太阳能则以合计44%的占比形成"三足鼎立"格局。值得关注的是，尽管潮汐能早在1966年便实现工业化应用，但其真正成为全球能源转型的重要力量则是近年来的突破——随着技术进步和政策倾斜，这一海洋能源正加速崛起，在可再生能源电力生产议题中占据愈发核心的讨论地位。

潮汐是由月球和太阳的引力，以及地球自转产生的惯性力共同作用下，引起的海水周期性涨落现象。简单来说，就是海水每天都会有规律地升高和降低。涨潮时，海水水位上升，淹没部分陆地；退潮时，海水水位下降，露出海滩。这种周而复始的运动，就是潮汐。©Linda Wong | 绿会融媒·“海洋与湿地”（OceanWetlands）（CC BY-SA 4.0）图文无关
潮汐能究竟是什么？在月球和太阳的引力以及地球自转的共同作用下，海洋潮汐有节奏地涨落，这一技术就成为了中世纪欧洲利用潮汐运动来驱动谷物磨坊的动力来源。在英格兰的伍德布里奇潮汐磨坊，和法国布列塔尼的潮汐磨坊群中，人们通过水闸系统蓄积潮差势能，推动水轮机组研磨谷物。这些设施持续运转至20世纪初，为工业革命前的潮汐能应用典范。进入现代，潮汐能的发展则主要依托两大技术路径，即潮差能（拦河坝式）与潮汐能（涡轮式）。

潮差能依赖潮汐垂直落差（通常需≥5米），通过建造水坝在涨潮时蓄水、退潮时释放水流驱动涡轮机发电，其发电量直接与潮差平方和水库面积相关。潮差是指涨潮和退潮之间的垂直高度差。它衡量的是海平面因月球和太阳的引力以及地球自转而产生的升降幅度。范围越大，势能越大。依靠潮差能所建设的潮汐电站一般会作为拦河坝建在潮汐变化较大的河口（连接河流或溪流与大海的部分封闭水域），在涨潮时蓄水，在退潮时通过涡轮机释放水，从而形成双向发电。

位于法国西北部布列塔尼的朗斯潮汐发电站的鸟瞰图，以及圣马洛市的景观。朗斯潮汐发电站是世界上首个大型潮汐发电站（建于1966年），总装机容量达到240兆瓦。图源：Tswgb
法国的朗斯潮汐电站堪称潮汐能开发的里程碑。这座建于圣马洛湾的拦河坝式电站自1966年投运以来，持续验证着双向发电在极端潮差环境下的可靠性。根据统计，朗斯发电站单次潮汐周期可发电4次，较传统水电站的单向模式来说，能够提升30%的效能。而于2011年建成的韩国始华湖电站则展示了潮汐能的多功能性——这座依托既有防波堤改建的电站，不仅成为全球装机容量之最，更通过涡轮系统设计改善了湖区的海水交换效率，在发电与环境保护间实现了双重效益。在中国，潮汐能领域的探索始于浙江乐清湾的江厦电站。这座于20世纪80年代建成的拦河坝项目，通过持续扩容和技术改造，成为东亚地区运行时间最长的潮汐电站，其积累的海工材料防腐经验深刻影响了后续近海工程建设。

上图：韩国京畿道的始华湖潮汐发电站，该电站是目前世界上最大的潮汐能发电设施，总装机容量达到254兆瓦。图源：핑크로즈（CC BY-SA 2.0）

上图：位于北爱尔兰斯特兰福德湾的世界首个商业规模并网潮汐流发电机——SeaGen。摄影：Fundy （CC BY-SA 3.0）

潮汐能发电的原理与风电略有相似，通过水下涡轮机（转化效率达45%-50%）捕获水平海流动能实现发电，特别适用于流速≥2.5米/秒的海域。在英国，已经运营十年并商业化转型成功的MeyGen项目，自2016年投运以来已累计发电超80千兆瓦时，从而证明这一相对新型的技术已经具有在深海区的规模化潜力。基于传统潮汐拦河坝存在生态扰动大、建设成本高（约1.5-3万元/千瓦）的局限，潮汐能技术近年快速迭代：水平轴涡轮（如苏格兰的Nova Innovation项目）可适应复杂海流方向；垂直轴涡轮（如中国“海燕”系列）在低流速海域表现优异；振荡水柱式装置通过气动压缩空气驱动发电机，尤其适合波浪能协同开发。

除了英国的MeyGen项目外，迄今为止，全球单机容量最大的潮汐能发电机组是中国的“奋进号”****，额定功率为1.6兆瓦。该机组于2022年2月在浙江舟山秀山岛成功下海，并于同年4月正式并网运行。截至目前，“奋进号”已累计并网发电超过450万千瓦时，创下中国单机潮汐能发电的新纪录。

潮汐能的核心优势在于超90%的可预测性和高达80%的转化率，其发电曲线与月球周期精准吻合，在可预测性和转化率上远超风力发电和太阳能。基于这一优势和技术的进步，潮汐能开始进入了高速发展的时期；截至2022年底，全球已建成并投入运营的潮汐发电装机容量达到约350兆瓦；而预计到2030年，潮汐能发电容量将增长至1200兆瓦以上。

然而，潮汐能大规模应用仍然面临着诸多挑战。从成本上说，建设潮汐能设施需要大量初始资本投资。例如，2011年，韩国的始华湖潮汐电站作为世界上最大的潮汐能发电站，其建设成本高达41亿元人民币，远超同体量的风力发电和太阳能的建设费用。潮汐能系统只能在潮汐流动期间发电，而通常每个潮汐周期为4-6小时，使得每日仅有约8-12小时的有效发电时间，不能和传统的水力发电站一样持续工作。导致造价昂贵的原因除了技术和选址之外，海洋环境的严苛性也进一步推高了成本。潮汐能设施需使用钛合金、碳纤维等耐腐蚀材料，单兆瓦建设成本可达500-800万美元，且维护成本占总成本的30%-40%，显著高于陆上可再生能源。

潮汐拦河坝对生态系统的扰动凸显了早期潮汐技术对生态影响评估的不足，而这一问题已被多项研究证实。例如，韩国始华湖电站建成后，底栖生物多样性下降了40%；法国朗斯电站的涡轮机曾导致周边鱼类死亡率增加15%。拦河坝改变沉积物分布，破坏生态连通性，阻断鱼类洄游路径，其影响与蓄水坝的环境争议高度相似。曾经作为北美唯一潮汐电站的加拿大安纳波利斯皇家发电站于1984年投运，但由于核心部件故障和涡轮机对鱼类造成的死亡率超标，该设施由此无限期停运。

即便对环境影响较小的潮汐流设施，也需应对生物污损与海洋机械应力的双重威胁。潮汐能系统长期暴露在强烈的洋流、海浪和盐水腐蚀中，导致材料和组件性能随时间下降。设备需要使用耐腐蚀和耐磨损的材料，增加了成本和维护的复杂性。

基于潮汐发电站对沉积物的影响，低速涡轮设计（转速<15转/分钟）与动态沉积物管理系统正在试点，前者减少对鱼类的物理伤害，后者通过模拟自然潮汐缓解栖息地退化。例如，美国Verdant Power研发的慢速叶片技术可以将鱼类撞击死亡率压至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“潮汐风筝”碳纤维装置能够以8字形轨迹自主寻优海流，从而使得潮汐发电不仅能够避开了海底生态敏感区，更能够提升20%的发电效率。

2020年10月22日，纽约市罗斯福岛海岸附近的罗斯福岛潮汐能（RITE）装置，该装置包含三个Verdant Power水下35千瓦涡轮机，安装在一个三角形底座（称为TriFrame）上。图源：Kches16414（CC BY-SA 4.0）
针对潮汐能储能的缺陷，各方提出了多种解决方案。例如，潮光互补型光伏电站通过结合潮汐能和太阳能发电，利用光伏组件在白天发电，潮汐能在潮汐期间发电，实现能源互补，提升电力供应的稳定性。在浙江省温岭市坞根镇，中国首座潮光互补型智能光伏电站在2022年5月实现全容量并网发电，与江厦电站协同运行，预计年平均发电量超过1亿度电，可满足约3万户城镇居民一年的用电需求。

此外，将潮汐能与氢能生产相结合，在电力需求低谷时利用多余电力进行电解水制氢，储存能量，在高峰时段再将氢气用于发电或其他用途，既解决了潮汐能的间歇性问题，又提高了能源利用效率。在苏格兰奥克尼市，欧洲海洋能源中心（EMEC）正在部署一项测试项目，通过附近的潮汐能发电设施和试验场的一块1.8兆瓦的钒液流电池的发电原理相结合，为当地的制氢厂提供连续动力。

理论数据显示，全球潮汐能年发电潜力可达1200太瓦时，相当于2023年全球可再生能源发电量的14%。而国际可再生能源署（IRENA）预测，潮汐能的平准化度电成本（LCOE）将从2020年的0.68元/千瓦时逐步降至2035年的0.28元/千瓦时。尽管当前潮汐能发电仅占全球能源结构的极小份额，但是其可预测性高、转化率稳定等核心优势已为能源转型提供了独特价值。通过技术创新和多能互补的兼容模式，潮汐能有望进一步发展，从一项潜力资源正式跃升成为可再生能源的中流砥柱，成为兼具环保性与经济性的近海能源解决方案。

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作者 | 黄希林（Allen Huang）

审核 | Samantha、Linda

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参考资料略