海洋能发电：潮汐能、波浪能与温差能

海洋能（marine energy）也叫海洋可再生能源（ocean energy），指的是从海水的运动、温度或盐度中获取电力的一类技术，能量来源包括潮汐、潮流、波浪、温度梯度，以及淡水和海水混合时的盐度差。纸面上，这份资源大得惊人。政府间气候变化专门委员会（IPCC）在 Special Report on Renewable Energy Sources（2011）中估计，仅波浪能和海洋温差能两项，全球理论潜力每年就有几千到几万 TWh；潮汐又是地球上最可预测的能量流之一。可到了现实里，这个行业的规模却小得可怜。全球目前在运行的海洋能装机约 0.5 GW，每年的发电量只在 1 TWh 这个量级，不到全球电力的 0.01%，而且几乎全部来自两座潮汐坝。下面我们逐一介绍每种技术的原理，说明这个行业为什么进展这么慢，以及成本和装机规模眼下处在什么水平。

海洋能的工作原理

所有海洋能技术都要面对同一个工程难题：海上的环境非常恶劣，对设备极不友好。设备要承受极端的波浪载荷、海水腐蚀、海洋生物附着和风暴，安装和维护都得等短暂的好天气窗口，还离不开专门的海上作业船。不过，每种技术背后的物理原理各不相同。

潮差能（潮汐坝与潮汐潟湖）

潮差发电说到底就是一种低水头水力发电。在河口建一道潮汐坝，或者在海上围起一道潟湖堤，涨潮时把海水拦在里面。等外海潮位下降几米之后，海水再通过低水头的灯泡贯流式水轮机流回大海。有些项目在涨潮进水时也发电（即双向发电），还有的在高潮时用水泵往库里多抽一些水，好让水头更高。每次潮汐可用的能量与潮差的平方成正比，所以只有潮差特别大的站址才值得开发，一般要求潮差在 5 m 左右以上。

实际建成的电站只能拿到理论值的一部分，一般只有三分之一，甚至更少。原因有两个：水轮机没法在整个水头范围内都保持运行；电站运行时还得兼顾航运和生态方面的各种限制。潮汐能计算器可以分别估算这两种方式的发电量。

潮流能

潮流能水轮机安装在海峡和岬角附近的急流中，那里的峰值流速经常超过 2–2.5 m/s。海水的密度约为空气的 840 倍。所以要发出同样的功率，潮流水轮机需要的转子比风力发电机小得多。2.5 m/s 的潮流，功率密度大致相当于约 24 m/s 的大风。立方定律和贝茨极限（Betz limit）在这里同样适用，和风力发电一样。现有的设计包括固定在海床上的水平轴水轮机、下方吊挂水轮机的漂浮平台（比如 Orbital Marine Power 的 2 MW O2 机组），以及像风筝一样系着缆绳、在潮流中来回“飞行”的装置。

波浪能

波浪能转换装置捕捉海面波浪的运动，而波浪的能量来自吹过大片洋面的风。最好的波浪资源分布在中高纬度、面朝西方的海岸，每米波峰线上的功率往往有 40–70 kW，典型地区包括：苏格兰、爱尔兰、葡萄牙、智利、澳大利亚南部和美国太平洋西北地区。波浪的功率密度和波高的平方成正比，同时也和波浪的周期成正比。风电行业最终统一到了三叶片风机这一种形式；波浪能行业至今还没有在任何一种设计上统一起来，主要路线有以下几种：

• 点吸收式：浮标随着波浪上下起伏，通过这种运动带动液压发电机或直线电机发电。
• 振荡水柱式（OWC）：一个部分没入水中的气室，波浪让里面的空气反复压缩、膨胀，推动空气透平发电。西班牙的穆特里库（Mutriku）防波堤电站（约 0.3 MW）从 2011 年起一直在运行。
• 衰减器式：由多节铰接而成的长条形浮体，波浪经过时各节随之弯曲，Pelamis 装置就是这一类。
• 摆式波浪涌浪转换器：在近岸海床上安装一块铰接摆板，波浪推着它前后摆动，Aquamarine 公司的 Oyster 装置属于这一类。
• 越浪式：波浪漫过堤顶，涌进一个高出海面的蓄水池，海水再经低水头水轮机流回海里。

海洋温差能转换

海洋温差能（OTEC）让热机在温暖的热带表层海水和从约 1,000 m 深处抽上来的冷海水之间工作。闭式循环系统用温海水加热氨之类的工质，让它沸腾；开式循环系统则把温暖的海水在低压下闪蒸成蒸汽，还能顺带产出淡水。温差只有约 20–24 °C，卡诺效率约为 7%，扣除抽水耗电后的净效率只有约 2–3%，所以电站需要非常大的水流量和很粗的冷水管。美国夏威夷（由 Makai Ocean Engineering 运营）和日本冲绳，目前都有约 100 kW 的示范电站在运行。OTEC 的主要吸引力在热带岛屿，那些地方目前大多依赖昂贵的柴油发电。

盐差能

河水入海的地方，淡水和海水的含盐量差异可以转化为电能。压力延迟渗透法（PRO）让淡水透过半透膜，流进加压的海水一侧；反向电渗析法（RED）则利用离子选择性膜，在两侧之间产生电压。挪威能源公司 Statkraft 在 2009 年到 2013 年间于挪威托夫特（Tofte）运行过一台小型渗透发电样机，随后得出结论：膜的性能太差，达不到商业应用的要求。盐差能技术至今仍停留在实验室研究和中试阶段。

主要项目

英国还提出过一些规模更大的潮差能项目，包括塞文河口潮汐坝（Severn Barrage，约 8.6 GW）和斯旺西湾潮汐潟湖（Swansea Bay Tidal Lagoon，320 MW），但都因为成本和环境原因一再遭到否决。

效率和容量系数

潮流水轮机的功率系数一般在 0.35–0.45，容量系数约为 25–45%，具体取决于额定功率和峰值流速之间怎样匹配。MeyGen 项目的水轮机，在运行状况好的年份报告过 90% 以上的可利用率。潮汐坝只在每个潮汐周期里的一部分时间发电，所以容量系数一般在 20–30% 左右；朗斯电站 240 MW 的装机每年发电约 500 GWh，约合 24%。成熟的波浪能装置在优质站址预计能达到 20–35%，但真正运行时间够长、能给出可靠数据的装置很少。海洋的水温常年十分稳定，所以 OTEC 原则上可以作为基荷电源运行，容量系数超过 90%。

潮汐能真正的强项在于可预测，而不在于效率。发电量可以提前好几年预报；同一条海岸线上，不同地点的潮汐高峰出现在不同时间，所以把站址在地理上分散开，就能让总出力更平滑。它仍然属于波动性可再生能源，只是不存在由天气变化造成的预测误差。

成本

在成本上，海洋能和成熟的可再生能源相比还差得很远。主要原因是到目前为止建得太少，形成不了当年让风电和光伏成本大幅下降的那种学习效应。各方已发布的平准化度电成本（LCOE）估算差别很大：

• 潮流能：据国际可再生能源署（IRENA）的 Innovation Outlook: Ocean Energy Technologies（2020）和行业协会 Ocean Energy Europe 的数据，目前的示范阵列的成本约为每 kWh 0.20–0.45 欧元。在英国的差价合约（CfD）拍卖中，潮流能项目在第 4 轮分配（2022 年）拿到约每 MWh 178 英镑的执行价，之后几轮约为每 MWh 170–200 英镑（均按 2012 年价格计），是同轮海上风电的三倍多。
• 波浪能：成本比潮流能还要高，早期阵列的发电成本通常估计在每 kWh 0.30–0.55 欧元甚至更高，不确定性很大。
• 潮差能：潮汐坝和潮汐潟湖的前期资本支出（CAPEX）非常高，但土建工程能用 100 年，运行成本也低。朗斯电站早就收回了建设成本；而新提出的潟湖项目，按商业贴现率计算时，一直难以证明自己的 LCOE 具备竞争力。
• 海洋温差能：10–100 MW 商业电站的成本估算跨度很大，常见在每 kWh 0.15–0.40 美元，而且目前世界上还没有一座商业规模的电站，可以用来验证这些数字。

欧盟委员会（European Commission）在战略能源技术计划（SET Plan）中设定的目标是：潮流能到 2025 年降至每 kWh 0.15 欧元，2030 年降至 0.10 欧元；波浪能到 2025 年降至每 kWh 0.20 欧元，2030 年降至 0.15 欧元。这些目标能不能实现，取决于累计装机能否从现在的几十兆瓦增长到几百兆瓦。你可以用 LCOE 计算器把这些成本和其他方案作比较。

土地、水和材料

海洋能装置占用的是海域，而不是陆地。潮流能和波浪能阵列需要设置禁入区，可能和航运、渔业及休闲活动发生冲突，不过每 MW 占用的面积和海上风电差不多。潮汐坝和潮汐潟湖则是另一回事：它们会永久改变大片潮间带和河口。这些装置主要用钢材、混凝土和复合材料建造，海底电缆则用铜作导体；防腐保护措施和防污涂层，本身也会带来一些化学物质方面的问题。海洋能发电不消耗淡水，开式循环的 OTEC 电站反而还能生产淡水。

全生命周期 CO2 排放

海洋能的全生命周期评估，只建立在少数几个装置的数据之上，而且其中大多是样机，所以下面这些数字只能作为参考。IPCC 在 AR5 第三工作组附录 III（2014）中给出海洋能（潮汐能和波浪能）的范围约为 5.6–28 gCO2e/kWh，中位数约为 17 gCO2e/kWh，与风电和光伏相近。早期装置用钢量大、容量系数又低，所以处在范围的上端；规模更大、设计更成熟的阵列，排放应当会逐步向下端靠拢。潮汐坝和水电大坝一样，隐含碳主要来自混凝土，但摊到极长的使用寿命里。这些数字怎样算出来，可以参看全生命周期排放的相关说明。

安全与环境影响

在人身安全方面，海洋能的记录不错，风险主要来自海上作业本身带来的职业风险。环境问题则因站址而异：

• 潮汐坝会改变潮流、泥沙运动和水质，也会改变鸟类觅食的潮间带泥滩。朗斯电站建成之后，所在的河口用了大约十年时间，才逐渐形成新的生态平衡。鱼类穿过低水头水轮机时会受伤，对鱼类死亡的担忧也是安纳波利斯罗亚尔电站关闭的原因之一。
• 潮流水轮机让人担心海洋哺乳动物、潜水觅食的鸟类和鱼类会撞上叶片。到目前为止，MeyGen 项目以及美国和加拿大几个站点的监测，记录到的动物接触事件都很少，而且叶尖转速比船舶螺旋桨慢得多，但数据仍然有限。
• 安装期间的水下噪声（尤其是打桩）和电缆产生的电磁场都有过研究，就小型阵列而言，研究人员一般认为影响轻微。
• 海洋温差能电站会排出大量富含营养盐的冰冷深层海水，如果处理不当，可能会扰乱周边海域的生态系统。

前景

今天的海洋能，大致相当于 2000 年代初的海上风电：原理上已经证明行得通，但成本还很高，离不开公共资金的扶持。在几种较新的海洋能技术里，潮流能走得最远，英国、法国、加拿大和中国处在领先位置。靠专门的收入支持机制，英国已经积累起一批已签约的潮流能项目，总规模超过 100 MW，法国在拉兹布朗夏尔（Raz Blanchard）海域的项目也希望跟进。经历了几家知名企业倒闭之后，波浪能仍处在商业化之前的阶段；苏格兰的 Wave Energy Scotland 计划和美国能源部（US Department of Energy）的 PacWave 试验场等项目，正努力引导各种设计向统一的技术路线靠拢。潮差能在少数几个站址潜力巨大，但项目要同时跨过环境审批和融资两道难关。海洋温差能和盐差能，目前仍然只是小众技术。

从长远看，支持发展海洋能的理由主要有三点：可预测；出力高峰和风电、光伏错开；能为海岛和偏远沿海社区提供本地电力。Ocean Energy Europe 和 IEA 的海洋能系统计划（Ocean Energy Systems）认为，如果成本按预期下降，到 2050 年欧洲的海洋能装机可达几十 GW，但和风电、光伏相比仍然很小。想知道海洋能和其他可再生能源相比表现如何，可以去看看技术对比、海上风电和世界能源地图这几个页面。