本文最初发布于 Undark。
苏格兰北部尖端外的奥克尼群岛，由于其独特的地理位置，异常地能够见证海洋的巨大力量。在这个群岛的西岸，海浪不知疲倦地拍打着礁石。在其众多的海峡中，潮汐每天两次将大量海水从北大西洋推向北海，又将其拉回，它们在鲁赛岛、韦斯特雷岛、伊代岛以及无数其他岛屿之间穿梭。
欧洲海洋能源中心（European Marine Energy Centre, EMEC）是全球领先的波浪能和潮汐能技术开发和测试机构之一，选择在此落户也就不足为奇了；这家非营利机构在奥克尼群岛设有波浪能和潮汐能的测试设施。
EMEC 的波浪能测试场位于奥克尼最大岛屿西岸的比利亚克鲁（Billia Croo）。去年春天一个相对平静的日子里，EMEC 的市场与传播经理丽莎·麦肯齐（Lisa MacKenzie）从比利亚克鲁测试场眺望着灰色的海水。“我们的平均波高为 2-3 米，”她说，大约相当于 6.5 到 10 英尺。“但在冬季极端天气条件下，我们曾出现过超过 20 米（65 英尺以上）的巨浪。”
周围的景观风光旖旎，几乎没有树木。麦肯齐说，如果直接向西航行，你遇到的第一个陆地就是加拿大。
EMEC 成立于 2003 年，此前曾接受英国下议院科学与技术委员会（现更名为科学、创新与技术委员会）的建议。迄今为止，它已获得约 5300 万美元的公共投资；其资助者包括欧盟、英国政府、苏格兰政府和奥克尼群岛议会。超过 20 家企业客户使用过 EMEC 的设施，并且在该中心测试过的海洋能源转换器比世界任何其他地方都多。
比利亚克鲁设施于 2004 年启用，占用的是从当地农民那里租用的土地。一排排变压器，装在和紧凑型汽车大小差不多的绿色箱子里，沿着测试场停车场的小边线排列。一座与周围环境融为一体的朴素石墙小屋，是该设施的控制中心，里面装满了电子开关设备。测试泊位设在近海，EMEC 的客户可以在那里测试各种波浪能转换装置，电缆沿海底延伸至控制小屋。产生的任何电力也可以直接输送到英国国家电网。
波浪和产生它们的风一样，都不是恒定的；两者本质上都是可变的。而且它们是相互关联的：风将能量传递给海洋，然后海洋在更长的时间尺度上以波浪的形式耗散能量。正如麦肯齐所说，波浪是风的余波。
利用波浪的能量是从海洋获取动能的一种方式；另一种方式是利用潮汐的能量。在这两种能源中，潮汐能更为恒定，因为潮汐的运行规律如同钟表般，受到月亮和太阳的引力作用。
EMEC 在伊代岛南端附近运营着一个并网潮汐能测试设施。“我们的最大潮汐流速超过每秒 4 米，相当于大约 8 节，”麦肯齐说。“所以，在最高潮时，每小时约有五十亿吨海水流经那里。”
正如麦肯齐所说，波浪是风的余波。
而这种潮汐流相对可预测——远比例如风能或太阳能要可预测，因为风雨和多云会阻碍风能和太阳能的利用。“我们可以预测未来 200 年的潮汐，”麦肯齐说。“这意味着我们可以预测未来 200 年的潮汐发电量。”
毫无疑问，地球的海洋蕴藏着巨大的能量。根据 2021 年发表在《英国皇家学会 A 辑》上的一项研究，仅潮流能就能提供相当于英国年用电量的 11%。Ocean Energy Europe（全球最大的海洋能源专业人士网络）的首席执行官 Rémi Gruet 表示，海洋能源是“当今地球上最大、尚未开发的能源资源”。
问题是，这些能源能否经济地利用——或者说，从水中提取瓦特的想法是否注定成为绿色能源探索中的一个旁枝末节？经过在 EMEC 等潮汐能设施以及全球其他小型设施中数十年的测试，只有少数商业波浪能和潮汐能发电厂投入运行，它们对全球能源产量贡献甚微。即使在奥克尼这个在海洋能源开发领域处于领先地位的地方，波浪能和潮汐能也仅占该岛屿能源消耗的一小部分。
“我们可以预测未来 200 年的潮汐发电量。”
值得注意的是，波浪能和潮汐能的发展远落后于其他形式的可再生能源。“可以肯定地说，我们目前离风能或太阳能产业还有很长的路要走，”美国能源部水力发电技术办公室的海洋能源技术经理 Carrie Schmaus 说。
尽管如此，对于这项技术的支持者来说，海洋被视为一个几乎取之不尽的能源宝库，等待着被开发，前提是政府能够提供所需的公共投资，将这个行业推向快车道。“那里存在着能源资源，”总部位于爱丁堡的 Orbital Marine Power Ltd 公司首席执行官 Andrew Scott 说。“问题是，你愿意花多少钱来获取这种能源？”
从理论上看，世界海洋的能量是毋庸置疑的：据估计，潮流能的全球资源量约为每年 1,200 太瓦时（1 太瓦等于一万亿瓦特），而波浪能的能量更为丰富，每年可达近 30,000 太瓦时——理论上足够满足全人类 10 倍的能源需求。
尽管潮汐能和波浪能看起来很有前景，但广泛推广的障碍却相当可观：技术规模化生产的巨大成本；官僚障碍；环境问题，包括对鱼类和海洋哺乳动物的潜在影响；以及潮汐能方面的地理限制。人们还担心海平面上升可能会显著改变洋流，从而影响当前或规划中的潮汐能发电设施。在《可再生能源与可持续能源评论》（Renewable and Sustainable Energy Reviews）期刊上发表的一篇 2022 年论文中，Danial Khojasteh 及其合著者指出，“在河口利用潮汐能方案的潜力时，应谨慎做出长期管理决策。”
成本问题至关重要。华盛顿大学研究海洋可再生能源的机械工程师 Brian Polagye 表示，尽管潮汐能和波浪能的成本可能在下降，但风能和太阳能的成本下降速度更快。这意味着潮汐能和波浪能同时可以说是成功和失败的。
Polagye 说：“在你的价格下降到与其他发电形式具有竞争力之前——无论是直接竞争，还是在获得补贴达到那个点之前——这些技术真的无法腾飞。”尽管如此，他补充道：“我确实认为这些技术在我们的能源系统中扮演着长期的角色。”
能源部水力发电技术办公室的 Schmaus 将波浪能和潮汐能描述为一个新兴产业（本故事采访的其他几位受访者也持此观点）。她以风电行业早期为例，指出当时各种涡轮机设计都被测试过。“然后，在某个时刻，技术实现了融合，”她说。“现在我们有了大家都熟悉的三叶片涡轮机。海洋能源仍处于这个概念构思阶段。我们还没有实现技术融合。”
对于这项技术的支持者来说，海洋被视为一个几乎取之不尽的能源宝库，等待着被开发。
她表示，她部门的目标之一是学习小型示范项目，扩大设计规模，并降低成本。这种规模化正是 Scott 的 Orbital Marine 公司在奥克尼群岛尝试实现的。他们公司开发了 O2 潮流能发电机——这是世界上最强大的此类设备——位于伊代岛南部的福尔的沃斯（Fall of Warness），并通过 EMEC 的潮汐能测试场并入电网。（麦肯齐将该项目描述为“我们最大的成功故事之一。”）O2 是一座 240 英尺长的类似潜艇（但它漂浮在水面）的结构，有两个水下臂，每个臂都支撑着一个双叶片涡轮机。在去年春天格拉斯哥举行的年度全能源大会（All-Energy conference）的一个宽敞展厅里接受采访时，以及后来通过电子邮件，Scott 谈了他对公司的愿景以及潮流能的潜力。他说，Orbital Marine 公司希望在未来几年内在福尔的沃斯场地再增加六台涡轮机，并最终可能再增加十二台。
Scott 承认存在严峻的技术挑战——特别是设计能够承受海水盐分和污垢数月或数年的机械设备的难度。而且他多年来也见过不少不切实际的提议。他回忆说，有时“简直是笑话”。他说，人们看到了风能取得的巨大进展，便认为风能的成功可以在水下轻易复制。
“人们会说，‘直接‘海军化’它，在潮汐应用中也会同样成功。’”他继续说道。“就是这么幼稚。”
但 Scott 说，许多早期的挑战已经克服。他指出，O2 目前为奥克尼提供了约 10% 的电力，足以满足约 2,000 户家庭的用电需求。由于该岛人口稀少，风能丰富，奥克尼的实际发电量超过了当地的需求，这意味着该岛屿已经是英国电网的净贡献者——其中一部分电力就来自 O2。Scott 表示，他预计 Orbital Marine 公司在涡轮机阵列预计 20 年的使用寿命内，每年将从电力销售中获得约 1750 万美元的收入。“我们正处于开始增长商业收入和利润的关键阶段，”Scott 说。
当然，世界上大多数地区都没有奥克尼那样极端的潮汐流。“这是一个利基市场，”Scott 承认。“但它所存在的地方，代表着一种密度极高的可再生能源。因为水的密度是空气的 800 倍。”
虽然有些地区比其他地区拥有更强的潮汐，但只要有陆地与海洋交汇的地方，几乎都能找到波浪。在爱丁堡大学校园内的 FloWave 海洋能源研究中心进行的一次访问中，一家名为 Mocean Energy 的公司的一个团队在一个巨大的圆形水箱中测试了一个浮动波浪能转换器，水箱直径约 80 英尺。水箱四周的桨叶制造出试图模仿海上条件的波浪。
目前，还没有一种优选的从波浪中获取能量的方法——就像没有一种优选的制造潮流能涡轮机的方法一样——因此正在测试各种设计。Mocean 测试的那种使用简单的发电机将波浪的动能转化为电能。随着 Mocean 的转换器随着波浪起伏，该公司技术总监兼联合创始人 Chris Retzler 谈到了商业化的道路，他说他希望在 12 到 18 个月内推出一款产品，并在三到四年内推出“规模大得多、并网的机器”。
“人们会说，‘直接‘海军化’它，在潮汐应用中也会同样成功。就是这么幼稚。”
Retzler 表示，目前，无论是在投资还是商业化方面，波浪能和潮汐能都落后于风能，但这种差距可能正在缩小。“风能行业当然取得了巨大的成功——但它的起步方式相似，都是从小规模试验开始，逐步积累，”他说。“我们在这里也遵循着类似的模式。我们通过实践学习。”
Retzler 还指出，波浪能具有长期的可靠性，与风能和太阳能具有更大的小时和日波动性之间存在自然的共生关系。“海洋正在随时间储存风能，”他说。“波浪需要一段时间才能积累起来，然后需要很长时间才能衰减。这使得能源的产生更加平稳。因此，波浪能可以提供更稳定的贡献，从而填补风能和太阳能留下的空白。”
美国传统上在海洋能源技术方面并非重要参与者，但这可能正在改变。位于俄勒冈州海岸的成熟测试设施 PacWave North，很快将迎来 PacWave South，这是一个目前正在更深水域建造的、位于纽波特以南的更大设施。PacWave 由能源部、俄勒冈州以及其他公共和私人实体资助，它自诩为美国第一个预先获得许可、商业规模、并网的开放水域测试设施。
俄勒冈州立大学海洋学家、PacWave 的首席科学家 Burke Hales 将 PacWave 描述为在概念上与苏格兰的 EMEC 相似，后者是 PacWave 的设计合作伙伴之一。“PacWave 会更大，[拥有]更多的总功率容量，更多的泊位，更多的独立设备，”他说。Hales 引用了能源部的数据，这些数据表明波浪能可以满足该国 15% 的电力需求。
虽然俄勒冈州海岸以巨浪闻名，但其他地方可能更适合利用当地地理优势的小规模项目。例如，在美国阿拉斯加西南部的一个名为 Igiugig 的村庄，有一个示范项目，通过水下涡轮机从 Kvichak 河的河口获取能源。这比目前该社区以高昂成本运输柴油的状况有了巨大的改进。
美国可能还有其他项目即将推出。2022 年，能源部承诺拨款 3500 万美元“以推进潮汐和河流电流能源系统”，这是该国此类投资中最大的一笔。
回到奥克尼，SAE Renewables 公司去年冬天宣布，他们的佩特兰海峡（Pentland Firth，分隔奥克尼与苏格兰大陆的海峡）潮流能阵列已达到生产 50 吉瓦时电力的里程碑。更北边的设德兰群岛，Nova Innovation 公司去年为其潮汐能阵列增加了一台涡轮机，该阵列自 2016 年以来一直在为当地的家庭和企业供电。
在欧洲，2021 年新增了约 2.2 兆瓦的潮流能装机容量，而前一年仅为 260 千瓦。相比之下，欧洲在 2021 年安装了超过 17 吉瓦的风力发电装机容量（其中 87% 是陆上风电）。到 2022 年，风能占欧洲能源消耗的比例已远远超过三分之一。
潮流能和波浪能并不是从海洋中获取能量的唯一方式。在潮差大的河口或海湾，潮汐堤坝是另一种选择，这种做法可以追溯到公元 619 年。这个想法很简单：找到一个潮差大的入口，建造一个带有可以打开和关闭的闸门的堤坝（类似于传统的水力发电大坝）。潮水涌入时打开阀门，然后在潮水退去时将水引导通过涡轮机。到目前为止，潮汐堤坝在商业应用上比潮流能项目更常见，尤其是在法国（世界上第一个商业潮汐能项目，位于兰斯河河口，始建于 1966 年）和韩国。
与潮流能一样，潮汐堤坝在特定环境中也可能非常适合。例如，当荷兰和比利时等低洼国家正在建造堤坝和屏障以抵御海平面上升时，潮汐堤坝发电机可能会成为现有规划项目的一个自然补充。然而，人们担心潮汐堤坝可能会影响盐度和沉积物水平，并破坏沿海生态。
有趣的是，世界上潮汐最高的地方——芬迪湾（Bay of Fundy），分隔了新不伦瑞克省和新斯科舍省——却也经历了最大的失望。每天两次涌入该海湾的水量，理论上可以产生高达 2,500 兆瓦的电力——大约相当于两座大型核反应堆的发电量，足以满足新斯科舍省的电力需求。
但试图利用这些潮汐的努力一直充满坎坷。1984 年，一个潮汐堤坝发电站在该海湾建成，但由于技术问题和对海湾鱼类伤害的担忧，于 2019 年停止运营。潮流能项目也曾在该海湾尝试过，但同样举步维艰。去年，一家名为 Sustainable Marine Energy Canada 的公司，在进行了五年的测试和 4500 万美元的投资后，由于加拿大政府设置的官僚障碍，撤出了在该海湾的浮动潮汐涡轮机平台。该公司于去年春天宣布自愿破产，11 月，其一台浮动涡轮机平台从停泊处脱落，搁浅在海湾南岸。
行业内部人士一致认为，对于所有形式的波浪能和潮汐能来说，商业化的道路都需要大量的公共投资。2019 年的一项研究估计，一个商业规模的潮汐能项目成本为每兆瓦时 130 至 280 美元，而风能的成本约为每兆瓦时 20 至 40 美元。但 Orbital Marine 的 Scott 表示，将潮汐能视为昂贵而风能和太阳能更便宜的说法是误导性的，因为风能和太阳能获得的投资远超前者。他表示，绿色能源行业“在国家干预和补贴方面拥有所有这些历史背景”。“而整个体系是围绕税收和补贴构建的。”
Polagye 说，海洋能源项目的商业化之路似乎是一个悖论。“规模经济的形成是因为你建造了很多东西，”并且“你倾向于建造很多东西，因为它们是最具成本效益的，”他说。“所以这是一个鸡生蛋还是蛋生鸡的问题，对吧？”
“风能产业用了 20 年才实现商业化，用了 40 年才变得廉价，从 20 世纪 80 年代至今，所以我们仍然远远领先于平均水平。”
Gruet 也认为，波浪能和潮汐能之所以被认为落后，是由于公共投资不足。“与风能或太阳能行业在其发展早期所获得的补贴相比，该行业在任何形式上都未曾获得过类似的补贴，”他说。“这极大地减缓了我们的发展速度。”
他补充说，潮汐能发电的成本已经与浮式海上风力发电平台相当。“所以潮汐能和波浪能并没有落后，”他说。“风能产业用了 20 年才实现商业化，用了 40 年才变得廉价，从 20 世纪 80 年代至今，所以我们仍然远远领先于平均水平。”
对于 EMEC 的 MacKenzie 来说，世界海洋蕴藏的能量为她的祖国提供了一个弥补过去在可再生能源竞赛中犯错的机会。她回忆起 1987 年的一件事，当时英国能源大臣 Cecil Parkinson 在下议院就风能的潜力发表讲话。他说，原则上是个好主意，但他“看不到我们大量发电的日子”。
英国犹豫了——丹麦抓住了机会。“丹麦绝对赢得了那场比赛，”MacKenzie 说。“而这正是我们真正希望确保不会发生在波浪能和潮汐能身上的事情。”（如今，风能约占英国电力生产的三分之一。约 40% 来自煤炭、石油和天然气，而核能和生物能源分别占约 15% 和 11%。）
对于 Scott 来说，世界海洋中潜藏的能量是在应对气候变化灾难的斗争中的一项重要资源，即使其总体贡献与其他可再生能源相比仍然很小。“不作为不是一个选项，”他说。
