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潮汐堰は、潮汐力によって湾や川に出入りする大量の水のエネルギーを捕捉するために使用されるダムのような構造物です。[ 1 ] [ 2 ]
従来のダムのように片側に水をせき止めるのではなく、潮汐堰は満潮時に湾や川に水を流し込み、干潮時に水を放出します。これは、潮汐の流れを測定し、潮汐サイクルの重要なタイミングで水門を制御することによって行われます。これらの水門には、水が出入りする際のエネルギーを回収するためにタービンが設置されています。[ 1 ]
潮汐ダムは、潮力発電の最も古い方法の1つであり、潮力水車は6世紀にはすでに開発されていました。1960年代には、ロシアのキスラヤ・グバに1.7メガワットのキスラヤ・グバ潮力発電所が建設されました。ほぼ同時期に、フランスのブルターニュに240メガワットのラ・ランス潮力発電所が建設され、1966年11月に稼働を開始しました。 [ 3 ]ラ・ランスは、 2011年に韓国で254メガワットの始華湖潮力発電所が稼働を開始するまで、45年間世界最大の潮汐ダムでした。[ 4 ]しかし、世界的に見ても他に例はほとんどありません。
潮力発電における堰堤方式は、潮汐の影響を受ける湾や河川に堰堤を建設する方式です。堰堤の壁に設置されたタービンは、河口域、湾、または河川への水の流入と流出によって発電します。これらのシステムは、静水頭または圧力水頭（水圧の高さ）を発生させる水力発電ダムに似ています。湾や潟湖の外側の水位が内側の水位に対して変化すると、タービンは発電することができます。
堰堤の基本要素は、ケーソン、堤防、水門、タービン、および船舶用閘門です。水門、タービン、および船舶用閘門は、ケーソン（非常に大きなコンクリートブロック）内に収容されます。堤防は、ケーソンで密閉されていない水域を密閉します。潮力発電に適用できる水門は、フラップゲート、垂直昇降ゲート、ラジアルゲート、および昇降セクターです。
このような発電所はごくわずかしか存在しない。最初の発電所はフランスのランス川にあるランス潮力発電所で、1966年から稼働しており、240MWを発電している。より規模の大きい254MWの発電所が2011年に韓国の始華湖で稼働を開始した。小規模な発電所としては、ファンディ湾のアナポリス・ロイヤル発電所や、ロシアのキスラヤ・グバの小さな入り江にある発電所などがある。イングランドのブリーン・ダウンからウェールズのカーディフ近郊のラヴァーノック・ポイントまで、セヴァーン川に堰を建設する計画がいくつか検討されている。
堰堤システムは、河口域に事実上のダムを建設することに伴う高額な土木インフラ整備費用に依存している。環境問題への意識が高まるにつれ、多くの生物種の生息地である広大な生態系を変化させることによる悪影響を理由に、人々は堰堤建設に反対するようになった。
満潮になるまで水門を通して貯水池に水が満たされます。その後、水門が閉じられます。（この段階で、さらに水位を上げるために「ポンプ」が行われる場合があります。）十分な水頭を堰を越えて確保するために、海面が下がるまでタービンゲートは閉じられたままになります。水頭が再び低くなるまでタービンが発電するようにゲートが開かれます。その後、水門が開かれ、タービンが切り離され、貯水池が再び満たされます。このサイクルは潮の満ち引きに合わせて繰り返されます。干潮発電（流出発電とも呼ばれる）は、潮の満ち引きの方向が変わるときに発電が行われることからその名が付けられました。
貯水池は、満潮時に発電するタービンによって満たされます。これは一般的に干潮時の発電よりも効率がはるかに劣ります。なぜなら、貯水池の上半分（干潮時の発電が行われる場所）の容積が、下半分（満潮時に最初に満たされる場所）の容積よりも大きいためです。したがって、発電されるタービン出力にとって重要な、貯水池側と堰の海側との間の利用可能な水位差は、干潮時の発電よりも急速に減少します。貯水池に流れ込む河川は、干潮時の発電のようにエネルギーポテンシャルを高めるのではなく、さらに低下させる可能性があります。もちろん、河川の流入がない「ラグーン」モデルでは、これは問題になりません。
タービンは、送電網の余剰エネルギーを利用して逆回転させることで、満潮時に貯水池の水位を上昇させることができます（干潮発電用）。発電出力は水頭に大きく依存するため、発電時にはこのエネルギーの大部分が回収されます。例えば、満潮時の水位が3メートル（10フィート）のときにポンプで61 センチメートル（2フィート）上昇した場合、干潮時には3.7メートル（12フィート）上昇していることになります。
もう一つのエネルギーダム構成形態は、二重水路型です。この方式では、2つの水路があり、一方は満潮時に満たされ、もう一方は干潮時に空になります。タービンは水路の間に設置されます。二重水路型は、発電時間を柔軟に調整でき、ほぼ連続的に発電できるという点で、通常の方式よりも優れています。しかし、通常の河口域では、ダムの長さが長くなるため、二重水路型は建設コストが非常に高くなります。ただし、このタイプの方式に適した地形もいくつか存在します。
潮汐プール[ 5 ]は、高潮位の河口の土地に建設された独立した囲い堰で、満潮時に水を閉じ込めて放流し、発電します。単一のプールの場合、約3.3 W/m 2です。異なる時間間隔で稼働する2つのラグーンにより、約4.5 W/m 2の連続的な発電が保証されます。強化型揚水発電[ 6 ]潮汐ラグーンシリーズは、満潮時よりも高い水位まで水位を上げ、断続的な再生可能エネルギーを使用して揚水します。約7.5 W/m 2です。つまり、10 × 10 km 2で24時間365日750 MWの一定出力が得られます。これらの独立した堰は、川の流れを妨げません。
河口に堰を設置すると、流域内の水と生態系にかなりの影響を与えます。近年、多くの政府は潮汐堰の認可に消極的になっています。潮汐発電所に関する研究により、河口に建設された潮汐堰は、大型ダムと同様の環境上の脅威をもたらすことがわかっています。大型潮汐発電所の建設は、河口への海水の流入と流出を変化させ、水文学と塩分濃度を変化させ、河口を生息地として利用する海洋哺乳類に害を及ぼす可能性があります。[ 7 ] フランス北部ブルターニュ海岸沖にあるラ・ランス発電所は、世界で最初にして最大の潮汐堰発電所でした。また、20年間稼働している潮汐発電システムの生態学的影響の本格的な評価が 行われた唯一の場所でもあります。[ 8 ]
フランスの研究者たちは、潮汐堰の建設段階における河口の隔離が動植物に悪影響を及ぼしたが、10年後には「新たな環境条件への生物学的適応が様々な程度で見られた」ことを発見した。[ 8 ]
ラ・ランスの建設により生息地を失った種もあったが、放棄された空間に他の種が定着したことで生物多様性に変化が生じた。また、建設の結果、砂州が消失し、サン・セルヴァン海岸がひどく損傷し、水門で制御される水路である水門付近に高速の流れが発生した。[ 9 ]
濁度（水中に懸濁している物質の量）は、盆地と海の間で交換される水量が減少することによって低下します。これにより太陽光が水中により深く浸透し、植物プランクトンの生育環境が改善されます。これらの変化は食物連鎖を通じて伝播し、生態系全体に変化をもたらします。
潮汐フェンスとタービンは、適切に建設されれば、潮汐堰堤よりも環境への脅威が少ない。潮汐フェンスとタービンは、潮流発電機と同様に、潮汐流の運動エネルギーに完全に依存しており、水路や河口を塞ぐためにダムや堰堤を使用しない。堰堤とは異なり、潮汐フェンスは魚の回遊を妨げたり、水文学を変えたりしないため、これらの選択肢は深刻な環境影響なしに発電能力を提供する。潮汐フェンスとタービンは、フェンスとタービンが環境を考慮して建設されているかどうかによって、さまざまな環境影響をもたらす可能性がある。タービンの主な環境影響は、魚への影響である。タービンが十分にゆっくりと回転している場合、例えば25～50rpmの低速であれば 、魚の大量死は最小限に抑えられ、シルトやその他の栄養分が構造物を通過することができる。例えば、 1983年にセントローレンス水路に建設された20kWの潮汐タービンのプロトタイプでは、魚の大量死は報告されていない。潮汐フェンスは水路を塞ぐため、魚や野生生物が水路を移動するのが困難になります。魚の死亡を減らすために、ケーソン壁とローターフォイルの間の隙間が魚が通り抜けられるほど十分に大きいフェンスを設計することができます。アザラシやイルカなどの大型海洋哺乳類は、フェンスまたは海洋哺乳類が検出された際にタービンを自動的に停止するソナーセンサー自動ブレーキシステムによってタービンから保護することができます。[ 7 ]
海との水の交換量が減少するため、流域内の平均塩分濃度が低下し、生態系にも影響を及ぼします。 「潮汐ラグーン」はこの問題の影響を受けません。
河口域では、河川から海へと大量の堆積物が移動することがよくあります。河口域に堰堤を設置すると、堰堤内に堆積物が蓄積し、生態系や堰堤の運用に影響を与える可能性があります。
魚は水門を安全に通過できますが、水門が閉じると、魚はタービンを探し出して泳ぎ抜けようとします。また、一部の魚はタービン付近の水流から逃れることができず、吸い込まれてしまいます。最も魚に優しいタービン設計であっても、通過する魚の死亡率は約15%です（圧力低下、ブレードとの接触、キャビテーションなどによる）。代替の通過技術（魚道、魚用リフト、魚用エスカレーターなど）は、潮汐ダムのこの問題をこれまで解決できておらず、非常に高価な解決策を提供するか、ごく一部の魚しか利用しないかのいずれかです。魚の音波誘導に関する研究は継続中です。 オープンセンター型タービンは、魚がタービンの開いた中央部を通過できるようにすることで、この問題を軽減します。
最近、フランスで河川流水式タービンが開発されました。これは、傾斜した位置に取り付けられた非常に大きな低速回転のカプラン型タービンです。魚の死亡率のテストでは、魚の死亡率は5%未満であることが示されています。このコンセプトは、海洋潮流/潮力タービンへの応用にも非常に適しているようです。[ 10 ]
ダムから得られるエネルギーは水の量に依存します。水1体積に含まれる位置エネルギーは次のとおりです。 [ 11 ]
どこ：
係数が半分になるのは、水路の水がタービンを通過する際に、ダムにかかる水頭が減少するためです。最大水頭は、水路の水位がまだ高い状態にあることを前提として、低水位の瞬間にのみ得られます。
前提条件：
海水の質量＝海水の体積×海水の密度
満潮時の盆地内の水が持つ位置エネルギー = ½ × 面積 × 密度 × 重力加速度 × 潮位差の二乗
毎日、満潮が2回、干潮が2回あります。干潮時には位置エネルギーはゼロです。 したがって、1日あたりの総エネルギーポテンシャルは、1回の満潮時のエネルギー×2となります。
したがって、平均発電ポテンシャル＝発電ポテンシャル／1 日の時間
電力変換効率を30%と仮定すると、1日の平均発電量は104MW × 30%となる。
利用可能な電力は潮位差の二乗に比例するため、ダムは潮位差が非常に大きい場所に設置するのが最適です。ロシア、米国、カナダ、オーストラリア、韓国、英国などが適地として挙げられます。例えば、ファンディ湾では潮位共鳴 によって潮位差が増幅され、最大17メートル（56フィート）もの潮位差が発生します。
潮力発電事業は、初期投資費用が高い一方で、運営費用が非常に低いという特徴があります。そのため、潮力発電事業は収益を生み出すまでに何年もかかる可能性があり、投資家はこうしたプロジェクトへの参加をためらうかもしれません。
ランス潮力発電所の建設費1億ドルを回収するのに約20年かかったと報じられている。2024年現在潮力発電は原子力や太陽光発電よりもコストが低いため、60年間稼働しており、建設費を十分に回収している。[ 3 ]
政府は潮力発電に資金を提供できるかもしれないが、投資回収までのタイムラグや、大きな不可逆的なコミットメントのため、多くの政府は資金提供に消極的である。例えば、英国のエネルギー政策[ 12 ]は潮力エネルギーの役割を認識しており、潮力発電プロジェクトを承認する際には、地方議会が再生可能エネルギーに関するより広範な国家目標を理解する必要があると述べている。英国政府自身も技術的な実現可能性と利用可能な立地オプションを評価しているが、これらの目標を推進するための有意義なインセンティブを提供できていない。
