“雙碳”目標下海洋可再生能源資源開發(fā)利用

王項南，麻常雷

（國家海洋技術(shù)中心，天津300112）

0 引言

海洋可再生能源一般是指依附于海水水體的可再生能源［1］，主要包括波浪能、潮流能、潮汐能、溫差能、鹽差能等。開發(fā)利用海洋可再生能源，就是將上述能源資源轉(zhuǎn)化為可用的能源形式（通常是電能）。廣義的海洋可再生能源還包括利用海洋空間進行開發(fā)利用的海上風(fēng)能、海上太陽能、海底地?zé)崮艿饶茉?。不同國家和地區(qū)對海洋可再生能源的定義有所區(qū)別，歐洲地區(qū)將海上風(fēng)能與波浪能、潮流能等統(tǒng)稱為海上可再生能源，而美國通常將海上油氣、海上風(fēng)能與波浪能、潮流能等統(tǒng)稱為海洋能源。本文圍繞我國波浪能、潮流能、潮汐能、溫差能及鹽差能資源的開發(fā)利用展開論述。在認識到海洋能開發(fā)利用對于節(jié)能減排的重大意義后，世界上的主要海洋國家都在大力發(fā)展海洋能，尤其是英、美等國更是在近年來加大投入力度。我國海洋能資源豐富，具有極大的開發(fā)潛力。加快海洋能技術(shù)研發(fā)，推動海洋能規(guī)?；?，發(fā)展海洋能產(chǎn)業(yè)，將有力支撐我國碳達峰、碳中和目標的實現(xiàn)。

1 開發(fā)海洋可再生能源對經(jīng)濟發(fā)展的影響

近年來，積極應(yīng)對氣候變化、發(fā)展低碳經(jīng)濟已成為國際社會的普遍共識。根據(jù)《巴黎協(xié)定》，締約方將在21世紀末“把全球平均氣溫較工業(yè)化前水平升高控制在2 ℃之內(nèi)，并為把升溫控制在1.5 ℃之內(nèi)而努力”?！栋屠鑵f(xié)定》反映出全球向綠色低碳轉(zhuǎn)型、構(gòu)建清潔能源體系已成為趨勢［2］。從全球來看，主要經(jīng)濟體都制定了明確的中長期減排目標。如英國2011 年通過“碳預(yù)算”法案，規(guī)定到2025 年將在1990 年基礎(chǔ)上減排50%、2030 年減排60%、2050年減排80%。在節(jié)能減排目標驅(qū)動下，發(fā)展可再生能源已成為許多國家推進能源轉(zhuǎn)型的核心內(nèi)容和應(yīng)對氣候變化的重要途徑，全球可再生能源開發(fā)利用規(guī)模不斷擴大。近期，英、美等主要經(jīng)濟體更是提出了各自的碳中和時間表。全球海洋能資源的巨大儲量，將為各國碳中和提供重要的支撐手段。同時要認識到，海洋能開發(fā)利用需要重點解決海洋能資源不穩(wěn)定、能量密度較低、海上生存條件惡劣等問題，才能加快提升海洋能技術(shù)成熟度。

此外，經(jīng)濟合作與發(fā)展組織（OECD）2015 年發(fā)布的一項研究結(jié)果表明，國際海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)對未來中長期經(jīng)濟增長和創(chuàng)造就業(yè)具有重要貢獻潛力，特別是歐洲沿海國家，歐盟估計到2035 年海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造4 萬個就業(yè)崗位［3］。同時，開發(fā)利用海洋可再生能源還具有保持能源供給獨立性等優(yōu)勢。隨著越來越多國際知名企業(yè)的進入，國際海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)化進程不斷加快，有望成為未來能源供給的重要組成部分和未來海洋經(jīng)濟的重要增長點［4］。

2 全球海洋可再生能源資源十分豐富

全球海洋可再生能源資源的儲量理論上遠超過人類的能源需求，年可發(fā)電量為2 000 000 TW·h，是全球電力消費量的數(shù)十倍，未來海洋可再生能源開發(fā)主要取決于技術(shù)的發(fā)展水平［5］。

美國能源部下屬的可再生能源國家實驗室于2021 年2 月發(fā)布了《美國海洋能發(fā)展機遇展望》，對美國沿海各州及遠海的海洋可再生能源資源總體狀況進行了綜合評估。結(jié)果顯示，美國沿海各州所屬海域的溫差能、波浪能、潮流能資源技術(shù)可開發(fā)量為2 300 TW·h/a，相當于全美2019 年用電量的47%。如果再加上太平洋及加勒比海地區(qū)偏遠海域的溫差能資源，美國溫差能、波浪能、潮流能資源技術(shù)可開發(fā)量將高達6 400 TW·h/a，是美國全國電力需求的1.6倍［6］。

《英國海洋可再生能源的未來》報告中指出，英國波浪能資源年技術(shù)可開發(fā)量高達381 TW·h，潮流能資源年技術(shù)可開發(fā)量高達21 TW·h。英國海洋能資源可以滿足全國電力需求量約20%［7］。

3 我國海洋可再生能源資源開發(fā)潛力巨大

我國海洋可再生能源資源總量豐富，僅近海海域的海洋可再生能源資源技術(shù)可開發(fā)量就超過70 GW，深遠海海域的波浪能資源遠遠超過近岸海域。此外，深遠海的洋流能資源也比較豐富［8］。

根據(jù)2004年原國家海洋局組織的“我國近海海洋綜合調(diào)查與評價”專項開展的海洋能資源調(diào)查與評價，我國近海海洋可再生能源資源理論裝機容量約697 GW，具有巨大的開發(fā)潛力，見表1。

表1 我國近海海洋可再生能源資源統(tǒng)計Tab.1 Statistics of marine renewable energy resources in offshore waters of China GW

3.1 潮汐能資源

我國潮汐能資源主要集中在東海沿岸，浙江省潮汐能資源最多，福建省潮汐能年平均功率密度最大。福建省和浙江省大部分海域潮差不低于4 m，具有很好的潮汐電站建設(shè)條件，如圖1 所示［9］。潮汐能資源最優(yōu)港灣包括浙江省錢塘江口、三門灣，福建省興化灣、三都澳、湄洲灣等。

圖1 我國近海潮汐能資源分布［9］Fig.1 Vertical tidal energy distribution in offshore waters of China［9］

3.2 潮流能資源

浙江省沿岸海域潮流能資源最豐富，占我國近海潮流能資源潛在量50%以上，舟山海域各水道潮流能資源尤為豐富，各水道位于諸多島嶼之間，海況平穩(wěn)，海底底質(zhì)類型為基巖，非常適合布放座底式潮流能發(fā)電裝置，如圖2所示［9］。山東、江蘇、福建、廣東、海南和遼寧等省潮流能資源占我國總量38%。

圖2 我國近海潮流能資源分布［9］Fig.2 Axis tidal energy distribution in offshore waters of China［9］

3.3 波浪能資源

廣東省和海南省近海波浪能資源占我國波浪能資源總量的55%以上。福建南部、廣東東北部、海南西南部以及臺灣大部分沿岸海域波浪能能量密度大于4 kW/m，如圖3所示［9］。

圖3 我國近海波浪能資源分布［9］Fig.3 Wave energy distribution in offshore waters of China［9］

3.4 溫差能資源

我國南海溫差能資源豐富，南海東南部海域和西沙群島附近海域1 000 m 等深線處距離海南島或其他海島不足100 km，具有較好的溫差能電站建設(shè)條件，如圖4所示［9］。

圖4 我國南海海域溫差能資源分布［9］Fig.4 Temperature difference energy distribution in the South China Sea［9］

3.5 鹽差能資源

我國沿海河流眾多，年入海徑流豐富，鹽差能資源總量大但地理分布不均，季節(jié)變化劇烈且年際變化明顯。我國鹽差能資源主要分布在上海市和廣東省海域。

4 我國海洋可再生能源技術(shù)進展

海洋可再生能源具有開發(fā)潛力大、可持續(xù)利用、綠色清潔等優(yōu)勢，但相對于傳統(tǒng)化石能源，海洋可再生能源能量密度低、穩(wěn)定性較差，因而海洋可再生能源開發(fā)利用難度較大［10］。近年來，我國海洋能技術(shù)水平提升較快。潮流能和波浪能總體技術(shù)成熟等級已接近6 級（示范試驗階段），涌現(xiàn)出一批具有產(chǎn)業(yè)化前景的技術(shù)成果。潮流能、波浪能電站已實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖的波浪能供電技術(shù)已開始推廣應(yīng)用。潮汐能技術(shù)保持國際領(lǐng)先水平。

4.1 技術(shù)進展

我國海洋能裝機規(guī)模位居世界前列。2020 年，我國海洋能累計裝機約8 MW，位居世界第五，年并網(wǎng)發(fā)電量約7 GW·h，主要為潮汐能發(fā)電。潮流能和波浪能累計裝機約4 MW，占全球在運行的潮流能和波浪能裝機25%以上［11］。

我國潮汐能技術(shù)成熟度已達9級?？傃b機容量4.1 MW 的江廈潮汐電站，規(guī)模僅次于韓國始華湖電站、法國朗斯電站、加拿大安納波利斯電站，位居世界第四。

我國潮流能技術(shù)近年快速發(fā)展，成熟度為6—7級，使我國成為世界上為數(shù)不多的掌握規(guī)?；绷髂荛_發(fā)利用技術(shù)的國家。目前約有20 臺機組完成了海試，最大單機功率650 kW，部分機組實現(xiàn)了長期示范運行。浙江舟山聯(lián)合動能新能源開發(fā)有限公司于2016 年3 月在舟山秀山島海域下水的兆瓦級LHD 潮流能示范平臺于2016 年8 月實現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電，截至2020 年年底，總裝機容量達1.7 MW，先后共安裝了7 臺垂直軸和水平軸機組，最大機組功率為400 kW。該平臺的連續(xù)發(fā)電時間、累計發(fā)電量等指標處于國際先進水平。浙江大學(xué)于2017 年11 月在舟山摘箬山島海域?qū)崿F(xiàn)了650 kW 水平軸潮流能機組并網(wǎng)發(fā)電，是目前國內(nèi)單機功率最大的潮流能機組。

我國波浪能技術(shù)成熟度為5—6 級?？蒲腥藛T針對我國波浪能資源特點，研發(fā)出小功率波浪能發(fā)電裝置，目前約有30 臺裝置完成了海試，最大單機功率500 kW，已初步實現(xiàn)為偏遠海島供電。近年來還探索了波浪能網(wǎng)箱養(yǎng)殖、導(dǎo)航浮標供電等應(yīng)用。中科院廣州能源所研制的鷹式波浪能發(fā)電裝置，基于振蕩浮子式工作原理，采用漂浮安裝方式。2012年起，中科院廣州能源所在珠海萬山島海域先后布放了10 kW 和100 kW 鷹式波浪能發(fā)電裝置，首次實現(xiàn)我國利用波浪能為海島居民供電。2018年10月，200 kW 鷹式波浪能發(fā)電裝置在南海永興島完成并網(wǎng)試驗。2020 年7 月，500 kW 鷹式波浪能發(fā)電裝置開始在廣東萬山島海域海試。

我國溫差能技術(shù)成熟度為4—5 級。自然資源部第一海洋研究所于2012年利用電廠排水余熱，研制了15 kW 溫差能發(fā)電試驗裝置，在溫差為19.7 ℃時，透平發(fā)電效率約為73%。2017 年開展了高效氨透平、熱交換器等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)，并搭建了10 kW溫差能實驗室模擬系統(tǒng)。國家海洋技術(shù)中心于2011年針對小型海洋觀測平臺供電問題，開展了200 W溫差能發(fā)電技術(shù)研究。

我國鹽差能技術(shù)成熟度為3級。中國海洋大學(xué)開展了100 W 緩壓滲透式鹽差能發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)研究。

4.2 產(chǎn)業(yè)發(fā)展

我國海洋能產(chǎn)業(yè)已開始從起步階段向成長階段過渡。我國海洋能技術(shù)提升較快，突破了潮流能連續(xù)并網(wǎng)發(fā)電、波浪能深遠海發(fā)電等技術(shù)，舟山秀山島兆瓦級潮流能示范工程、“澎湖號”波浪能養(yǎng)殖網(wǎng)箱供電示范工程等運行效果良好，一批代表性技術(shù)具備了產(chǎn)品化基礎(chǔ)。

4.3 存在的問題

目前，我國潮汐能技術(shù)與國際先進水平差距不大，潮流能和波浪能與國際先進水平差距較小，溫差能、鹽差能等海洋能技術(shù)與國際先進水平差距較大［12］。總體來看，我國海洋能技術(shù)的發(fā)展主要存在以下問題：海洋能基礎(chǔ)研究比較薄弱，原創(chuàng)性技術(shù)較少；海洋能公共平臺能力建設(shè)進展緩慢，發(fā)電裝置轉(zhuǎn)換效率、可靠性和穩(wěn)定性普遍不高，示范應(yīng)用效果不佳、裝機規(guī)模偏低。

我國海洋能基礎(chǔ)研究相對薄弱，在海洋能發(fā)電理論研究方面，跨學(xué)科、多領(lǐng)域交叉的應(yīng)用基礎(chǔ)研究開展較少，能量俘獲與轉(zhuǎn)換機理、俘獲系統(tǒng)對海洋環(huán)境的適應(yīng)性及響應(yīng)控制、裝置結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境下的腐蝕及疲勞作用機理、最佳功率跟蹤及負載特性匹配等基礎(chǔ)研究亟須加強。

我國海洋能開發(fā)利用關(guān)鍵技術(shù)未取得突破、示范應(yīng)用規(guī)模較小。潮汐能技術(shù)水平雖位居世界前列，但尚未實現(xiàn)萬千瓦級潮汐電站建設(shè)實踐。潮流能、波浪能、溫差能等發(fā)電裝置均存在可靠性和穩(wěn)定性較差等問題，距離產(chǎn)品化應(yīng)用水平尚有差距［13］。此外，我國海洋能裝置示范應(yīng)用規(guī)模（不足百千瓦級）遠小于國際上的兆瓦級水平。

我國海洋能技術(shù)公共服務(wù)平臺建設(shè)滯后。海洋能技術(shù)開展示范應(yīng)用還面臨著用海用地難、審批手續(xù)繁瑣等問題。借鑒國外經(jīng)驗，建設(shè)海洋能海上公共測試場與示范區(qū)，為海洋能發(fā)電裝置提供標準統(tǒng)一的檢測與認證服務(wù)體系，是解決這一系列問題的有效手段。國際上運行時間最長的歐洲海洋能中心（EMEC）建于2003 年，已經(jīng)為全球數(shù)十臺海洋能裝置提供了權(quán)威的測試服務(wù)。相比而言，國內(nèi)海洋能公共服務(wù)平臺進展較為緩慢。

5 我國海洋可再生能源開發(fā)利用展望

碳達峰、碳中和背景下我國海洋可再生能源開發(fā)利用大有可為：我國近海海洋可再生能源技術(shù)可開發(fā)量超過60 GW，具有巨大的減排潛力。根據(jù)國際能源署海洋能系統(tǒng)（IEA OES）測算，每千瓦海洋能裝機容量可以減少CO2排放1.667 t/a［14］。據(jù)此測算，我國海洋可總裝機容量如果超過30 GW，每年可減少CO2排放5 000萬t。

5.1 我國海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要路徑

為實現(xiàn)2060 年我國海洋能裝機容量超過30 GW 的目標，需要從高效低成本發(fā)電裝備技術(shù)研發(fā)、拓展應(yīng)用領(lǐng)域、制定產(chǎn)業(yè)激勵政策等方面共同推動海洋能的規(guī)模化開發(fā)利用。

部署高效低成本海洋能發(fā)電裝備技術(shù)研發(fā)。通過研發(fā)及優(yōu)化新材料、新工藝，提高潮流能、波浪能、溫差能轉(zhuǎn)換效率，以及發(fā)電裝備的可靠性和海上生存性，推動海洋能發(fā)電成本快速降低［15］。

拓展海洋能利用技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域。結(jié)合深遠海開發(fā)、海上能源補給、海上國防建設(shè)、制淡制冷等應(yīng)用，提升海洋能發(fā)電之外的附加值，推動海洋能盡快成為偏遠海島和深遠海海上活動的能源保障。

制定并落實產(chǎn)業(yè)激勵政策。加快制定海洋能上網(wǎng)電價激勵政策，推動海洋能電站試行上網(wǎng)電價單獨審批，探索商業(yè)性金融、股權(quán)融資等手段在海洋能開發(fā)利用中的應(yīng)用［16］，推動海洋能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進程。

5.2 我國海洋可再生能源技術(shù)發(fā)展重點方向

近海潮流能規(guī)?；眉夹g(shù)。研發(fā)兆瓦級潮流能高可靠、低成本發(fā)電技術(shù)，重點解決潮流能機組傳動系統(tǒng)及密封單元可靠性、整機安全性、低成本運維等問題，研究潮流能機組及其陣列化應(yīng)用對海洋環(huán)境的影響。

偏遠海島波浪能利用技術(shù)。研發(fā)兆瓦級波浪能俘獲與轉(zhuǎn)換技術(shù)，重點解決漂浮式發(fā)電平臺深遠海錨泊及運維、波浪能與海上風(fēng)能集成等技術(shù)，推廣波浪能與養(yǎng)殖網(wǎng)箱、海水淡化等技術(shù)耦合［17］。

溫差能綜合開發(fā)利用技術(shù)。研發(fā)兆瓦級溫差能發(fā)電、冷海水直接應(yīng)用及海水淡化等綜合利用技術(shù)，重點解決冷海水管道材料及工程應(yīng)用、深海水養(yǎng)殖及高值營養(yǎng)元素提取制取、深遠海錨泊及運維等問題，開展南海溫差能綜合利用示范。

深遠海裝備海洋能長期穩(wěn)定供電技術(shù)。發(fā)展深遠海波浪能、深遠海低流速海流能、深海海泥電池等自主創(chuàng)新技術(shù)，為深遠海觀測裝備提供系列化、輕便型的供電產(chǎn)品。

新型自主創(chuàng)新海洋能發(fā)電技術(shù)。突破海洋能發(fā)電新機理新方法，開展摩擦納米波浪能發(fā)電、柔性結(jié)構(gòu)波浪能發(fā)電等自主創(chuàng)新技術(shù)研發(fā)。