Najbardziej przewidywalne OZE świata. Energia pływów bije inne pod tym względem na głowę

• Globalne zasoby energii zawartej w pływach szacuje się na ok. 1 TW mocy dostępnej do pozyskania przy obecnym stanie techniki. Dla porównania, całkowite zużycie energii elektrycznej przez ludzkość wynosi ok. 2,8 TW.
• Elektrownia pływowa to jedyna instalacja OZE, której właściciel może z wyprzedzeniem sięgającym lat wiedzieć dokładnie, ile energii wyprodukuje jutro o 14:37.
• Strategia UE zakłada osiągnięcie do 2050 roku mocy 40 GW z energii pływów i fal łącznie.

Kiedy myślimy o odnawialnych źródłach energii, zwykle przychodzą na myśl wiatraki na polach albo panele słoneczne na dachach. Tymczasem oceany skrywają źródło energii, które pod jednym kluczowym względem bije na głowę zarówno wiatr, jak i Słońce – absolutną przewidywalność. Energia pływów morskich, wynikająca z grawitacyjnego tańca Ziemi, Księżyca i Słońca jest dostępna z zegarową regularnością od miliardów lat i taka pozostanie.

Czym są pływy?

Pływy powstają wskutek różnicy sił grawitacyjnych i odśrodkowych działających na różne punkty Ziemi. Księżyc przyciąga silniej tę stronę planety, która jest do niego bliżej, powodując wypukłość (tzw. garbowanie) masy wodnej zarówno po stronie zwróconej ku Księżycowi, jak i po stronie przeciwnej. W wyniku tego powstają dwie "fale" pływowe obiegające Ziemię wraz z obrotem planety.

Najczęstszym typem są pływy półdobowe, gdzie w ciągu doby księżycowej obserwujemy dwa pełne pływy i dwa odpływy. Taki rytm dominuje np. na Atlantyku. W niektórych rejonach świata, jak Zatoka Meksykańska czy wybrzeże Wietnamu, przeważają pływy dobowe, czyli jeden cykl na dobę. Część oceanów, w tym wybrzeże Pacyfiku Ameryki Północnej, wykazuje typy mieszane.

Niektóre miejsca charakteryzują się pływami 15-metrowymi, a niektóre nawet 30-metrowymi. Z kolei na otwartym oceanie amplituda astronomiczna pływu wynosi zaledwie 0,5-1 m. Większe wartości, obserwowane w portach i zatokach, są wynikiem rezonansu i topograficznego wzmocnienia fali pływowej. Jeżeli czas przejścia fali przez zatokę zbliży się do okresu pływu, dochodzi do rezonansu, a amplituda może wzrosnąć kilkunastokrotnie.

Z perspektywy energetycznej liczy się nie tylko amplituda pływu, ale przede wszystkim prędkość prądu pływowego. Energia kinetyczna prądu rośnie z sześcianem jego prędkości, więc prąd o prędkości 3 m/s niesie w sobie 27 razy więcej energii kinetycznej niż prąd o prędkości 1 m/s. Dlatego najlepszymi lokalizacjami dla turbin podmorskich są wąskie cieśniny i przylądki, gdzie woda jest "ściskana" i przyspiesza.

Jak działa elektrownia pływowa?

Istnieją dwa główne podejścia technologiczne, różniące się zasadniczo ingerencją w środowisko morskie.

• Elektrownia grodowa (tama pływowa)

Zasada działania opiera się na piętrzeniu wody, gromadzeniu energii potencjalnej, a następnie uwalnianiu jej przez turbiny. Wymagana różnica poziomów powinna wynosić co najmniej 5 m, aby instalacja była opłacalna ekonomicznie. Turbiny stosowane w takich elektrowniach to najczęściej turbiny Kaplana tej samej rodziny co turbiny w klasycznych elektrowniach wodnych.

Pierwsza i przez dekady jedyna duża elektrownia pływowa to La Rance w Bretanii (Francja), uruchomiona w 1966 roku. Działa na zasadzie tamy piętrzącej wodę w estuarium rzeki Rance. Przy odpływie lub przypływie woda przepływa przez turbiny zainstalowane w tamie, wytwarzając elektryczność. Moc zainstalowana La Rance wynosi 240 MW, a roczna produkcja ok. 500–540 GWh.

W 2011 roku Korea Południowa uruchomiła elektrownię Sihwa Lake (254 MW), która dziś jest największą elektrownią pływową spiętrzenia na świecie. 

Podejście to ma istotne wady. Wymaga budowy masywnej infrastruktury hydrotechnicznej, permanentnie zaburza migrację ryb i wprowadza zmiany w osadzaniu się sedymentów. Jest to opłacalne tylko w nielicznych lokalizacjach o wyjątkowo dużych pływach. Projekt budowy tamy na rzece Severn w Wielkiej Brytanii (potencjalnie 8 600 MW mocy zainstalowanej) dyskutowany jest od lat 70. XX wieku, lecz do dziś nie zyskał akceptacji ze względu na destrukcyjny wpływ na środowisko przyrodnicze estuarium.

• Turbiny podmorskie (prąd pływowy)

Nowocześniejsza i znacznie mniej inwazyjna technologia. Turbiny zanurzone w morzu pracują jak wiatraki pod wodą, z tą różnicą, że woda jest 830 razy gęstsza od powietrza, więc turbina o średnicy 20 m wytwarza ogromne ilości energii nawet przy prąd prędkości 2-3 m/s.

Przełomowym projektem jest farma MeyGen w szkockiej cieśninie Pentland Firth, jednym z najbardziej energetycznych kanałów morskich na świecie (prędkości prądu do 4 m/s). Pierwsze turbiny uruchomiono komercyjnie w 2016 roku. Przez kolejne lata instalacja funkcjonowała bez przerwy, dostarczając cenne dane operacyjne. Projekt docelowo przewiduje rozbudowę do 398 MW. Dla lokalnej sieci energetycznej Szkocji byłoby to istotne uzupełnienie rosnącego parku wiatrowego.

Potencjał energetyczny pływów

Energia pływów nie jest rozłożona równomiernie po kuli ziemskiej. Największe zasoby skupiają się w stosunkowo niewielu regionach, zdeterminowanych lokalną topografią dna morskiego i liniową obrysem wybrzeża.

Wybrzeże Atlantyckie Europy to jedno z najzasobniejszych miejsc na świecie. Szacuje się, że sama Wielka Brytania posiada ok. 50% europejskiego potencjału energii pływów, co odpowiada 20–30% krajowego zużycia energii elektrycznej. Kluczowe lokalizacje to Pentland Firth, The Skerries u wybrzeży Walii oraz irlandzkie wybrzeże Atlantyckie.

W Azji Korea Południowa posiada potencjał rzędu 6,5 GW w samym Morzu Żółtym. Z kolei Chiny intensywnie inwestują w badania nad energią pływów w rejonie Zhejiang i Fujian. Zasoby oceaniczne ChRL szacuje się na ponad 200 GW, choć znaczna część leży w trudno dostępnych lub ekologicznie wrażliwych lokalizacjach.

Zatoka Fundy w Kanadzie jest prawdopodobnie najbardziej rozpoznawalnym zasobem pływowym na świecie. Szacowany potencjał wynosi od 7 do 17 GW w zależności od przyjętej metodologii. Trwają tu wieloletnie projekty testowe, m.in. z udziałem firmy FORCE (Fundy Ocean Research Center for Energy). Alaska, dzięki licznemu archipelagowi i nieregularnemu wybrzeżu, kryje zasoby rzędu 47 GW, jednak ich eksploatacja wymaga rozwiązania problemu dostępu i infrastruktury sieciowej.

• Zobacz również: Owce na farmie fotowoltaicznej? To nie żart, tylko biznes z marżą do 40%

Zalety – dlaczego warto?

Nie można tego wystarczająco podkreślić, że pływy są przewidywalne z niemal absolutną pewnością na dziesiątki lat do przodu. Tabele pływów dla portów na całym świecie wydawane są z kilkuletnim wyprzedzeniem i w praktyce nie mylą się o więcej niż minuty. Ta właściwość czyni energię pływów unikatowym składnikiem koszyka energetycznego.

Korzystny jest również fakt, że woda jest 830 razy gęstsza od powietrza. Turbina podmorska o promieniu 10 m pracująca przy prędkości prądu 3 m/s wytwarza tyle mocy co turbina wiatrowa o promieniu ok. 60 m przy wietrze 10 m/s. Choć prędkości prądów pływowych są znacznie niższe od typowych prędkości wiatru, wysoka gęstość medium roboczego rekompensuje ten niedobór i pozwala budować bardziej kompaktowe instalacje.

Podobnie jak wszystkie OZE, energia pływów nie wiąże się z emisją CO₂ w fazie operacyjnej. Zasoby paliwa w postaci pływów są praktycznie niewyczerpalne w ludzkiej perspektywie czasowej i nie zależą od cen surowców, geopolityki ani łańcuchów dostaw.

Istotne ograniczenia

Pomimo istotnych plusów, bardzo istotne są też i minusy, mocno wpływające na rozwój tej technologii. Ekonomicznie opłacalna energia pływów wymaga albo dużej amplitudy albo znacznych prędkości prądu. Takie warunki spełnia stosunkowo mała liczba lokalizacji na świecie. Kraje śródlądowe i te o łagodnych pływach jak Morze Śródziemne i Bałtyk są praktycznie wykluczone z bezpośredniego korzystania z tej technologii.

Przez niską dojrzałość technologiczną, obecny koszt energii pływowej wynosi od 150 do 400 USD/MWh, co czyni ją jedną z najdroższych spośród OZE. Dla porównania, koszt energii z lądowej farmy wiatrowej w Europie to 30–60 USD/MWh, a ze słonecznych instalacji fotowoltaicznych w dobrych lokalizacjach poniżej 30 USD/MWh.

Tak wysokie koszty wynikają z jeszcze małej skali instalacji, ekstremalnych wymagań materiałowych (korozja, zmęczenie materiału w cyklicznie obciążonym środowisku morskim), skomplikowanej logistyki instalacji i serwisu podmorskiego oraz wysokich kosztów przyłącza kablowego.

Pływy choć przewidywalne, nie synchronizują się z ludzkim rytmem zapotrzebowania na energię. Szczyt produkcji może przypadać na godzinę trzecią w nocy. Ponadto, ze względu na dobę księżycową trwającą 24 godziny i 50 minut, pory szczytowej produkcji przesuwają się codziennie o około 50 minut względem doby słonecznej. Oznacza to, że co około dwa tygodnie instalacja pływowa przez kilka dni produkuje maksimum energii w godzinach szczytu, a przez kolejne kilka dni głównie w nocy lub poza szczytem. Problem ten można częściowo rozwiązać stosując magazyny energii, ale dodaje to kosztów systemowych.

Stan rynku na świecie i w Polsce

Według danych Ocean Energy Europe na koniec 2024 roku łączna zainstalowana moc komercyjnych instalacji pływowych na świecie wynosiła ok. 500 MW, z czego lwia część to stare elektrownie grodowe. Moc zainstalowanych turbin prądowych stanowi ok. 30–40 MW, czyli promil zainstalowanej ogółem mocy OZE ogółem.

Europejski sektor turbin prądowych zdominowany jest przez kilku graczy: Orbital Marine Power (Szkocja) ze swoją turbina pływającą O2 (2 MW na jednostkę), Andritz Hydro Hammerfest (technologia AR1500 na 1,5 MW), Sabella (Francja) i Minesto (Szwecja), testujące tzw. "latawce głębinowe", czyli urządzenia poruszające się po trajektorii ósemki, by wielokrotnie przecinać prąd pływowy.

Strategia Unii Europejskiej dla morskiej energii odnawialnej zakłada osiągnięcie do 2050 roku mocy zainstalowanej 40 GW z energii pływów i fal łącznie, w ramach szerszego planu osiągnięcia neutralności klimatycznej. Cel ten wymaga przyspieszenia tempa wdrożeń o kilka rzędów wielkości w stosunku do obecnego.

Polska, pomimo długiego wybrzeża, jest pod względem energii pływów w niekomfortowej sytuacji. Bałtyk to morze wewnętrzne z minimalnymi pływami. Amplitudy rzędu 10–20 cm, prędkości prądów pływowych bliskie zeru w skali technicznie użytecznej. Bezpośrednia eksploatacja energii pływów nad Bałtykiem nie ma sensu ekonomicznego przy obecnych technologiach. Nie oznacza to jednak, że kraj jest odcięty od tej technologii. Polskie firmy i instytuty badawcze (m.in. Instytut Maszyn Przepływowych PAN w Gdańsku) uczestniczą w projektach europejskich i rozwijają kompetencje w zakresie inżynierii morskiej. Potencjalnie mogą eksportować technologie, komponenty i know-how do rynków zachodnioeuropejskich.

Polska rozwijająca offshore wind na Bałtyku buduje kompetencje portowe i morskie, które są transferowalne do sektora pływowego. Firmy uczestniczące w budowie morskich farm wiatrowych Bałtyk II czy Baltica mogą w przyszłości przesunąć część działalności na projekty pływowe w UK, Francji czy Irlandii.

Energia pływów morskich pozostaje jednym z najbardziej interesujących fizycznie filarów przyszłego systemu energetycznego, jej absolutna przewidywalność, ogromna gęstość energii i zerowa emisja CO₂ czynią ją technologią, której nie można pominąć w dyskusji o pełnej dekarbonizacji. Choć droga od dziś działających kilkudziesięciu megawatów do wielogigawatowej skali jest długa, przykłady MeyGen i Minesto pokazują, że ocean przestał być jedynie obiektem badań, zaczął być elektrownią. 

Źródła:zielona-energia.cire.pl, greenspark.com.pl, ec.europa.eu, fundacjaenergia.pl 

Materiał został przygotowany przez Koło Naukowe Odnawialnych Źródeł Energii “Grzała”
Amelia Przystał