Global system value of tidal stream energy for cost-effective decarbonisation

世界正奔向一个电力几乎完全来自太阳和风能的未来。这种转变对于阻止气候变化至关重要，但也带来了一个棘手的问题：太阳并不总是照耀，风也不总是吹拂。当天气平静时，电网可能会出现电力短缺，迫使工程师建造大量的电池储能设备来储存能量以备后用。这些电池造价昂贵，且在制造过程中需要大量的稀有材料。科学家们早已知道，潮汐提供了另一种形式的力量。与风能和太阳能不同，海洋的涨落是由月球和太阳的引力驱动的，这使得它具有完美的预见性，并且完全不受天气影响。长久以来的大问题一直是：这种可靠的能源是否值得建造水下涡轮机的高昂代价，或者它仅仅是一个小众的奇观。

由牛津大学和普利茅斯大学研究人员开展的一项新研究通过观察整个电力系统，而非仅仅关注单个发电厂的成本，终于回答了这个问题。他们使用了一种复杂的计算机模型，模拟了全球二十个不同位置（从苏格兰多风的海岸到印度尼西亚阳光明媚的岛屿）的电力系统运作情况。在这些模拟中，他们测试了加入潮汐流能——即由随水流旋转的水下涡轮机产生的能量——如何改变净零电力系统的总成本和设计。结果显示，潮汐能的价值远比此前认为的要高，这并不是因为它建设成本低廉，而是因为它能成为风能和太阳能的完美搭档，使得整个系统能够以更少的昂贵电池储能和更少的资源来运行。

研究人员发现，潮汐能的价值在很大程度上取决于一个地区已经拥有哪些其他能源。在风能是主要可再生能源的地区，加入潮汐能会创造出一种强大的组合。由于风的力量可能连续几天变得难以预测，电网通常需要建造大量的额外风力涡轮机和电池，以确保始终有足够的电力。然而，潮汐遵循严格且可预测的时间表，每天涨落两次，期间伴有短暂的停歇。当这种可预测的节奏被加入到风能系统中时，它填补了风能留下的空白。研究表明，在这些以风能为主的地区，加入潮汐能可以将电力系统的总成本降低 20% 以上。它通过大幅减少对电池储能的需求来实现这一点，而电池储能往往是绿色电网中最昂贵的部分。事实上，在这些模拟实验中，所需的电池容量下降了 20% 到 55%。

在太阳能作为主导可再生能源的地区，情况略有不同，但依然积极。太阳能电池板在白天发电并在夜间停止工作，这是一个非常规律的模式。在这里加入潮汐能仍然有所帮助，但节省的成本相对较少，通常降低了不到 15% 的系统成本。这是因为太阳能和电池已经相当擅长处理昼夜循环。然而，即使在这些阳光充足的地区，潮汐能仍然发挥着至关重要的作用。它减少了约 15% 的电池储能需求，并有助于平滑电力供应，证明了它在几乎任何可再生能源组合中都有其地位。研究表明，潮汐独特的计时特性提供了风能和太阳能无法单独提供的另一种稳定性。

最令人惊讶的发现之一是，潮汐能能在多大程度上减少能源转型的物理足迹。建设一个净零世界需要大量的土地用于太阳能农场和风力发电场，以及大量像锂这样的关键材料用于电池。模拟显示，通过纳入潮汐能，在许多以风能为主的地区，开发所需的总面积可以减少 30% 以上。同样，对锂的需求也显著下降。在某些情况下，对电池容量的需求下降了多达 80%。这意味着潮汐能可以帮助解决我们在哪里建设所有这些新发电厂以及从哪里获取建设材料的问题，从而减轻对环境和全球供应链的压力。

研究人员还观察了随着世界向零碳排放迈进，潮汐能的价值是如何变化的。在以风能为主的系统中，随着碳排放限制变得更加严格，潮汐能的价值实际上也在增长。随着电网变得更加清洁并减少对化石燃料的依赖，对这种可预测且不受天气影响的能源的需求变得更加迫切。相比之下，在以太阳能为主的系统中，其价值保持稳定，但没有如此剧烈的增长。研究确定，一个地区风能与太阳能资源的比例是预测潮汐能贡献程度的一个良好指标。如果一个地方有很多风能且太阳能较少，潮汐能很可能会成为主要的成本节约手段。如果一个地方阳光非常充足，潮汐能仍会有所帮助，但它在拼图中占据的份额会较小。

这项工作挑战了看待新技术时的旧思维方式。长期以来，专家们仅根据单一单位电力的成本来评判像潮汐能这样的新技术。由于水下涡轮机的建设和维护目前仍然昂贵，它们常被认为在与廉价的太阳能面板竞争时成本过高。这项新研究认为，这种观点过于狭隘。它指出，一项技术的真正价值在于它如何融入整个系统。尽管潮ial涡轮机的建设成本高于太阳能电池板，但它们通过减少对电池和其他额外风力涡轮机等昂贵组件的需求，从而为整个系统节省了资金。研究结论认为，潮汐流能不仅仅是少数特定海岸线的局部奇观，更是构建一个更便宜、更高效、更具韧性的净零未来的全球性重要工具。

研究人员非常谨慎地将他们的发现与不同的情景进行了对比测试，包括未来技术成本的变化以及不同的电力需求模式。即使他们假设电池或风力涡轮机的成本可能大幅上升或下降，加入潮汐能带来的收益依然保持一致。模拟显示，潮汐能使整个系统更加稳健，这意味着系统不太容易受到其他技术成本意外变化的影响而失去平衡。这种韧性是其价值的关键组成部分。研究还指出，虽然最好的潮汐资源集中在少数特定地点，如苏格兰的彭特兰海峡和新西兰的库克海峡，但其益处并不局限于这些大型站点。包括日本和印度尼西亚在内的世界其他较小规模的站点也表现出了显著的系统级效益。

最终，这篇论文描绘了一个海洋在其中扮演核心角色的未来能源系统图景。通过利用潮汐那可预测的节奏，我们可以建立起不仅更清洁，而且更便宜、对地球资源需求更低的电力系统。这项研究为何时以及何处部署潮汐能提供了一条清晰的路线图，表明它是全球脱碳拼图中不可或缺的一块。它提醒我们，解决气候危机需要多种技术的多元化组合，每种技术都要发挥其独特优势，而不是依赖单一的解决方案。潮汐，凭借其古老而永恒不变的节奏，正为引导向可持续世界的转型提供着稳定的力量。