潮汐能：翻轉能源版圖的海洋力量

全球正加速對抗氣候變遷、減少對溫室氣體排放的化石燃料依賴，而一種歷史悠久的能源正逐漸嶄露頭角——潮汐能。受月球與太陽的引力作用及地球自轉影響，海水得以規律地漲落，使潮汐能正成為一種日益可靠的再生能源。

潮汐能與水力發電最大的相似之處，在於兩者同樣都是利用水流發電。然而，與傳統水力發電相比，潮汐能通常不需建造大型水壩、屏障或水庫，佔地較小；且依技術不同，甚至可將對當地生態系統的影響降至最低。

這些優勢使潮汐能成為沿海社區極具吸引力的能源解決方案，不僅能提供穩定的再生能源，還有助於減少碳排放。與間歇性的風力發電和太陽能不同，潮汐能具備高度可預測性，受月球與太陽引力驅動，確保穩定供電。此外，潮汐發電技術可設計為低環境影響，部分技術甚至能與現有的沿海基礎設施整合，進一步減少生態干擾。

開發潮汐能，不僅能為當地電網供電，提升能源自主性，還能減少對化石燃料的依賴，並兼顧海洋生態。然而，早在現代社會發現潮汐能的潛力之前，古代文明早已洞悉其威力了。

潮汐能的歷史足跡

潮汐能的歷史可追溯至兩千多年前，早在西元前 1 世紀，羅馬帝國便已開始使用潮汐磨坊。

這些早期系統利用潮汐水位的漲落，為磨坊提供動力。典型的潮汐磨坊設有水車或槳葉，放置於潮汐水道或潮汐盆地中。當潮水上漲時，湧入的水推動水車轉動，透過齒輪系統帶動磨石，將穀物研磨成麵粉。當潮水退去，水閘釋放出儲存的水，等待下一次漲潮時重啟運作。

在許多潮汐磨坊中，水車不僅作為研磨穀物的動力來源，還能調節水流，使其在潮流強勁的地區更為高效。到了 7 至 8 世紀，潮汐磨坊已廣泛應用於歐洲，特別是在英國、法國及低地國家等潮汐條件良好的地區。這些系統不僅可用於研磨穀物，還能抽水、鋸木，發揮多種功能。

即使蒸汽動力逐漸取代傳統水車磨坊，仍有部分潮汐磨坊持續運作至 19 世紀，展現其持久的實用價值。這些早期潮汐磨坊的創新設計，為今日先進的潮汐發電技術奠定了基礎，讓人類得以延續並發展這項再生能源。

潮汐能的最大優勢是什麼？

潮汐能最顯著的優勢在於其高效的能源轉換率。與水力發電類似，渦輪機從潮汐能收集的能量中，大約有 80% 能轉化為可用電力。

然而，潮汐發電系統只能在潮汐流動時產生電力，通常每個潮汐週期的發電時間為 4 至 6 小時。這種間歇性特質意味著潮汐發電在潮汐週期之間會出現停頓。雖然潮汐能具備高度可預測性，但相較於風力和太陽能發電，潮汐發電的發電時長較短，因此能量供應的穩定性相對較低。

可預測性與可靠性

潮汐能是最具可預測性的再生能源之一，因為潮汐受月球與太陽引力驅動，呈現規律的週期變化。這使得潮汐發電可提前數年準確預測，讓其比風力與太陽能這類依賴天氣條件的再生能源更加可靠。

不受天氣影響的潮汐能，每天都能穩定發電，只要潮汐週期持續運行，就不會中斷。這不僅能為沿海社區提供穩定的能源供應，甚至有潛力為更廣泛的國家電網提供電力支援。

由於潮汐能具備高度可預測性與穩定性，它可以作為風力與太陽能等間歇性再生能源的良好補充。例如，當太陽能或風力發電因天氣因素導致輸出減少時，潮汐發電可填補電力缺口，提供更加穩定、持續的能源供應。結合潮汐能、風力與太陽能的混合發電系統，不僅能有效提升電網穩定性，還能進一步降低對化石燃料的依賴。

現代潮汐能如何運作？

總體而言，潮汐發電系統主要可分為兩大類：潮差發電（其中潮汐堰壩是最常見的形式）與潮汐海流發電。潮差發電的原理與傳統水力發電相似，透過水位落差讓水流衝擊渦輪產生電力；而潮汐海流發電的運作方式則更類似風力發電，利用洋流的動能推動葉片式渦輪旋轉，進而驅動發電機。不同的潮汐發電技術適用於各自特定的環境條件與運行需求。

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潮差指的是漲潮與退潮之間的垂直高度差，這是一項衡量海平面受月球與太陽引力作用，以及地球自轉影響而上升與下降的指標。潮差越大，能產生的潮汐能量就越多。在潮差較大的地區——有時可達 15 公尺以上——就可獲取更多可利用的能量。

潮差發電系統最適合運行於潮汐運動強勁、沿海地區寬廣且水深較淺的地點。典型案例包括加拿大芬迪灣 (Bay of Fundy)，其潮差可高達 16 公尺；英國塞文河出海口 (Severn Estuary)，其潮差超過 13 公尺。其他擁有適宜條件的國家還包括韓國、法國，以及中國部分沿海地區，這些地方通常擁有潮汐起伏顯著的天然港灣、河口或沿岸地區。

如果您希望更深入瞭解潮差發電的計算方式，以下是一個能量計算公式： = ⋅ ⋅ ⋅ ℎ²

其中：

． 為水的密度

． 為重力加速度

． 為攔截面積（集水區域）

．ℎ 為潮差（漲潮與退潮的高度差）

潮差與可攔截水域的面積越大，能產生的能源就越多。

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另一方面，潮汐海流發電指的是潮汐流動時產生的水體水平運動。這些潮流運動是由月球與太陽的引力牽引海水往復移動所形成，使得水流快速穿梭，宛如水下的河流。可流經狹窄水道，或沿著海岸甚至在島嶼之間流動。

適合利用潮汐海流發電的最佳地點包括蘇格蘭彭特蘭灣 (Pentland Firth)，那裡的潮流速度可達 10 節，英格蘭默西河出海口 (Mersey Estuary) 也是潛在場址。義大利與西西里島之間的美西納海峽 (Strait of Messina) 及紐西蘭的庫克海峽 (Cook Strait) 也有強勁且穩定的潮汐海流，能產生足夠能源，支撐當地社區與工業需求。

這些快速流動的潮汐海流所蘊含的能量可透過潮汐海流發電機來轉換成電力，其運作方式與水下風力渦輪相似。當水流經渦輪時，葉片會隨之轉動，這股動能便會轉換為電力，進而提供給家庭與企業，甚至整座沿海城市。

相較於依靠水位升降的潮差發電系統，潮汐海流發電直接利用水流運動，因此對於水流強勁且穩定的區域來說，是更具彈性的選擇。此外，由於潮汐海流發電機可直接安裝於海底，相較於大型潮汐堰壩，對周圍環境的影響也相對較小。

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潮汐堰壩是一種河口堰壩，類似於大型水壩。這些堰壩通常建造於潮差較大的河口或出海口（即部分封閉、連接河川／溪流與開放海域的水體），能夠在漲潮時蓄水，並在退潮時透過渦輪釋放水流發電。

潮汐堰壩所產生的電力，取決於可攔截水域面積與潮汐高低差的平方。因此，在潮差大且地理條件適合的地區，建造專用的大型蓄水池是最具效益的方式。

與傳統河川水力發電不同，河流水力發電的水流通常只能單向流動，但潮汐堰壩的設計可以是單向發電或雙向發電（又稱「雙向發電模式」）。單向發電：傳統模式通常僅在潮汐週期的某一階段發電，例如退潮時，水流從水庫經渦輪排出，驅動發電機產生電力。

雙向發電：兩個潮汐階段都可發電，不僅可在漲潮時水流進入水庫時發電，也可在退潮時水流排出時發電。潮汐堰壩發電是採用單向或雙向發電模式，通常取決於當地的潮差條件：潮差越大的地區，通常更適合單向發電，而潮差較小或穩定的地區，則可能選擇雙向發電模式。

潮汐發電系統總結：

．潮差發電：利用漲潮與退潮的高度差來產生能源。

．潮汐海流發電：利用水流的運動帶動渦輪旋轉發電。

．潮汐堰壩發電：建造水壩截住潮水，並透過渦輪釋放水流，將潮汐能量轉換為電力。

還有哪些其他新興的潮汐發電技術？

除了相對成熟的潮汐堰壩發電和潮汐海流發電之外，還有其他正在開發中的新技術，可進一步利用波浪能來發電，其中包括潮汐潟湖發電與動態潮汐能大壩。然而，這兩種技術目前仍主要處於理論階段，尚未真正商業化應用。

潮汐潟湖發電亦屬於潮差發電的一種形式，但不同之處在於，它不需要依賴河口地形來建造。顧名思義，潟湖指的是與海洋部分隔離的半封閉水域，而潮汐潟湖是獨立建造的結構，可安置於潮差較大的海域，形成人工湖泊。

其運作方式與潮汐堰壩相似，透過堤壩在漲潮時蓄水，並在退潮時釋放水流驅動渦輪發電。此外，潮汐潟湖也能採用雙向發電模式，在水流進出潟湖時皆能發電。且相較於潮汐堰壩，潮汐潟湖發電對當地環境的影響較小。

相較於潮汐潟湖發電，動態潮汐能大壩（Dynamic tidal power，或稱 DTP）是一項更大膽的技術構想，旨在透過大規模攔截潮汐流來發電。其原理為在開闊的沿海水域建造超大型水壩，這些長條形水壩與海岸線之間呈某個角度，長度可達 60 公里。水壩內部安裝渦輪發電機組，利用水壩兩側的潮差（即潮流的壓力差）來驅動渦輪發電。當潮流與水壩結構交互作用時，水壩兩側的潮差便會形成壓力差，進而促使水流通過渦輪，產生電能。

潮汐潟湖發電與動態潮汐能大壩均未普及——原因何在？

至今未能大規模推廣潮汐潟湖發電與動態潮汐能大壩，主因在於受到技術、財務及環境層面的重大挑戰。首先，潮汐潟湖發電需要高昂的前期投資，且其長期經濟可行性仍存在不確定性。例如，英國斯旺西灣 (Swansea Bay) 潮汐潟湖計畫便因建設成本過高，以及與其他再生能源相比的成本效益問題，導致該項目被無限期擱置。

動態潮汐能大壩面臨則面臨更嚴峻的挑戰。截至目前為止，此一技術仍未跨出理論範疇。其龐大的建設規模與缺乏驗證的原型技術，使其成為風險極高的投資項目。更重要的是，在當前能源發展趨勢下，已有其他更具可行性的替代方案，進一步降低動態潮汐能大壩實際投入應用的可能性。

潮汐發電的挑戰：成本

推廣潮汐發電的最大障礙在於高昂的成本。與風力發電或太陽能等其他再生能源相比，建造潮汐發電設施的前期投資極為龐大。這是因為潮汐發電需要昂貴且耐久性高的基礎設施，包括水壩、渦輪以及足以承受惡劣海洋環境的複雜工程技術。

以韓國始華湖潮汐發電站 (Sihwa Lake) 為例，該電站裝置容量達 254 兆瓦，是全球規模最大的潮汐發電站之一。其建造成本高達 2.98 億美元，於 2011 年完工。此外，潮汐發電每兆瓦的建置成本仍高於風力發電與太陽能等其他再生能源，進一步影響其經濟可行性與大規模應用的可能性。

環境問題

儘管潮汐發電對環境的影響遠不及化石燃料帶來的嚴重破壞，潮汐堰壩仍可能對生態系統造成一定程度的影響。研究人員指出，潮汐堰壩可能會破壞海底棲地（也就是水體底部提供生物棲息與生長的物理環境），進而干擾水下生態系統的運行模式。不過，與陸地上的太陽能發電場或風力發電機相比，潮汐發電設施通常佔地面積較小，對地表環境的影響相對較低。

另一項環境隱憂，則是潮汐堰壩可能改變沉積物累積及潮汐模式，甚至威脅洄游魚類的遷徙路線。此外，由於潮汐堰壩的結構與傳統蓄水水壩極為相似，兩者對環境的影響也有不少雷同之處。

至於潮汐海流發電設施，雖然其對環境的影響相對較小，但惡劣的海洋條件本身，卻對這類發電系統的長期運行帶來諸多挑戰。潮汐海流發電系統長期暴露於強勁的洋流、波浪衝擊及海水腐蝕之下，將逐步侵蝕設備材料與關鍵元件，影響系統的耐久性與整體效能。

儘管如此，潮汐發電與其他再生能源相同，在發電過程中不會產生任何溫室氣體排放。與化石燃料不同，潮汐發電不會釋放二氧化碳 (CO₂) 或其他有害的污染物到大氣中。因此，它仍然是對抗氣候變遷的重要工具之一。

潮汐能有未來嗎？

從理論上來看，潮汐能的全球潛力相當龐大。根據 2023 年的一項估算，全球潮汐能每年可產生 1,200 太瓦時的電力，約佔當年全球再生能源總發電量的 14%。然而，諷刺的是，這一數字正面臨海平面上升的威脅，因為地理條件變遷可能使原本理想的發電場址變得無法使用。

潮汐能具備多項獨特優勢，包括：可預測性高、供電穩定，且整體而言對環境友善。它特別適合沿海社區，並可作為風力發電與太陽能等間歇性再生能源的有效補充。雖然潮汐能仍面臨高昂的初始成本與對部分環境造成影響的挑戰，但隨著技術進步與成本降低，它仍然是一種極具發展潛力的再生能源解決方案。

潮汐能提供了一股可預測、永續的「藍色機遇」，或許海洋正是我們邁向更潔淨、更穩定能源未來的關鍵。

本文作者：艾倫·黃 (Allen Huang)

這篇文章 潮汐能：翻轉能源版圖的海洋力量 最早出現於 台灣地球日。