水下渦輪機技術(shù)實現(xiàn)規(guī)模化應用仍然任重道遠

從日本鳴門海峽，到歐洲的英吉利海峽，多臺水下渦輪機正在部署。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。水下渦輪機是一種海洋洋流渦輪機，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)風力渦輪機類似，只不過是在水下運行，水流過渦輪葉片使其旋轉(zhuǎn)，從而驅(qū)動發(fā)電機發(fā)電。過去5年，全球多個國家都開始嘗試部署水下渦輪機示范項目并推動技術(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)，水下渦輪機技術(shù)實現(xiàn)規(guī)?；瘧萌匀蝗沃氐肋h。

上半年兩個示范項目啟動

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項目AR1100，裝機量為1.1兆瓦，采用三葉片水平軸轉(zhuǎn)子設(shè)計，配備機電式俯仰控制機構(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合材料，可以應對嚴苛的海洋環(huán)境，包括每秒超3米的強洋流沖擊、鹽霧腐蝕、生物附著等。同時，葉片內(nèi)嵌傳感器網(wǎng)絡實時監(jiān)測水流速度與方向，通過機器學習算法驅(qū)動輪轂內(nèi)的機電變槳系統(tǒng)，使每個葉片可以獨立調(diào)節(jié)角度，讓AR1100在復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)模潮汐能試點項目，該項目設(shè)計安裝4臺水下渦輪機，總裝機容量250兆瓦，預計2028年開始每年向法國電網(wǎng)輸送34吉瓦時電力，相當于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臺水下渦輪機安裝在水下38米深處，專為海洋環(huán)境精心打造。NH1項目不僅具備技術(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》雜志譽為“21世紀最具革命性的可再生能源突破之一”。此外，法國還在推進一個Flowatt項目，該項目計劃安裝7臺水下渦輪機，總裝機容量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項目，安裝了4臺水下渦輪機，于2018年投運。該項目運營與維護經(jīng)理FraserJohnson表示，MeyGen項目證明了水下渦輪機的有效性。

技術(shù)研發(fā)聚焦成本和效率

水下渦輪機作為一種利用水流轉(zhuǎn)化為電能的設(shè)備，工作原理類似于風力渦輪發(fā)電機，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，水下渦輪機不依賴風向和天氣變化，更穩(wěn)定可靠，因為潮汐規(guī)律可以準確預測。

針對水下渦輪機的設(shè)計和制造，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技術(shù)潛力，啟動海底水動力和河流千兆瓦系統(tǒng)（SHARKS）項目，旨在加大研究水下渦輪機與水下環(huán)境相互作用情況，從而盡可能降低應用成本。SHARKS項目獲得美國能源部下屬機構(gòu)3800萬美元的資助，主要圍繞兩種水下渦輪機類型展開研發(fā)，目標是開發(fā)成本低于每千瓦時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)應用奠定基礎(chǔ)，其有望成為海洋清潔能源經(jīng)濟重要一環(huán)。美國能源部指出，水下渦輪機具有綠色、可再生等優(yōu)點，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商業(yè)化的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。政策鼓勵和市場機制將成為推動水下渦輪機等新興技術(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，高于陸上風電。美國華盛頓大學機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制，新興技術(shù)很難實現(xiàn)經(jīng)濟可行。

水下渦輪機采用特殊設(shè)計，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，包括使用高強度鋼或復合材料，并通過實時監(jiān)測系統(tǒng)檢測結(jié)構(gòu)狀況。以NH1為例，其渦輪機基座實際上相當于一塊“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目區(qū)域，并以渦輪機為“家”。對漁業(yè)而言，“人工礁石”效應可能增加魚類數(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)支持此類項目，認為能創(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)境維護困難，如水下渦輪機產(chǎn)生的噪音和振動對海洋生態(tài)影響，需要深度研究。有分析認為，水下渦輪機可能干擾河口區(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。

英國國家海洋學中心的物理海洋學家MichelaDeDominicis指出，在海洋中部署渦輪機可能會對生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生難以預料的連鎖反應。“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。”