姜勇，趙喜喜，田敬云，王健，趙中華

(青島國家海洋科學(xué)研究中心 青島 266071)

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我國海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀以及山東省未來發(fā)展思路*

姜勇，趙喜喜，田敬云，王健，趙中華

(青島國家海洋科學(xué)研究中心 青島 266071)

自20世紀(jì)70年代，海洋可再生能源受到各沿海國家特別是發(fā)達(dá)國家的重視。近年來，我國高度重視海洋可再生能源的開發(fā)利用，已在技術(shù)開發(fā)和示范研究等領(lǐng)域取得重大突破。文章分析了山東省發(fā)展海洋可再生能源的意義和優(yōu)勢，提出海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展建議。

海洋可再生能源；山東；發(fā)展建議

能源是人類生存和社會發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，隨著常規(guī)化石燃料能源逐漸枯竭和污染導(dǎo)致環(huán)境惡化問題日趨嚴(yán)重，加速開發(fā)利用有利于人類社會可持續(xù)發(fā)展的可再生能源已成為共識[1]。海洋可再生能源以其無污染、環(huán)保等特點(diǎn)吸引了眾多科學(xué)家的目光，成為可再生能源研究的重要領(lǐng)域。我國海岸線漫長，海洋可再生能源資源豐富，近年來，國家實(shí)施海洋資源開發(fā)和可再生能源利用等發(fā)展戰(zhàn)略，先后出臺了《中華人民共和國可再生能源法》《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》和《海洋可再生能源發(fā)展綱要(2013-2016年)》等文件，又制訂了《海洋可再生能源專項(xiàng)資金管理暫行辦法》，設(shè)立海洋可再生能源發(fā)展專項(xiàng)資金，加快推動海洋能開發(fā)利用研究。

山東是一個(gè)能源消費(fèi)大省，既面臨節(jié)能減排和環(huán)境治理的壓力，又擁有海洋可再生能源資源開發(fā)利用的巨大潛力[2]。加強(qiáng)技術(shù)儲備、推動海洋可再生能源利用，不僅促進(jìn)海洋產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化升級，也是實(shí)現(xiàn)社會經(jīng)濟(jì)與自然環(huán)境和諧發(fā)展的重要選擇。山東的海洋科研實(shí)力居全國前列，集聚了實(shí)力雄厚的海洋科研機(jī)構(gòu)和人才資源，在波浪能、潮流能、溫差能和海洋生物質(zhì)能等領(lǐng)域研究中處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。2011年，《山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)發(fā)展規(guī)劃》明確提出建設(shè)國家海洋新能源研究院和青島可再生能源綜合試驗(yàn)示范基地，如何結(jié)合國家戰(zhàn)略目標(biāo)和建設(shè)山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)的需求，整合人才、技術(shù)優(yōu)勢以及研發(fā)力量，提高自主創(chuàng)新能力，推動海洋能的集成創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)開發(fā)，打造海洋能源綜合研究基地和海洋能源裝備制造基地，值得深入研究和思考。

1 海洋可再生能源開發(fā)利用現(xiàn)狀

海洋可再生能源通常指海洋中所蘊(yùn)藏的可再生的自然能源，主要為潮汐能、潮(海)流能、波浪能、溫差能、鹽差能和海洋生物質(zhì)能，不同標(biāo)準(zhǔn)劃分其包含的能源種類略有不同[3]。更廣義的海洋可再生能源還包括海洋風(fēng)能和海洋表面的太陽能[4]，由于海上風(fēng)能和海洋太陽能與陸地風(fēng)能、太陽能利用形式?jīng)]有本質(zhì)上的不同，因此不在本文討論范圍之內(nèi)。海洋可再生能源的主要利用形式為發(fā)電和生物燃料制備。目前除潮汐發(fā)電已實(shí)際應(yīng)用之外，其他海洋能的利用尚處于技術(shù)開發(fā)、示范研究或基礎(chǔ)研究階段。

1.1 潮汐能

我國潮汐能蘊(yùn)藏量為1.1億kW，主要集中在東南沿海，尤其是浙江三門灣至福建平潭島之間的海灣。山東沿岸潮汐能理論儲量約為40.83萬kW，主要集中在山東半島南部沿岸[5]。潮汐發(fā)電研究的歷史已有100多年，是海洋能中開發(fā)研究和利用最早、最成熟的一種，現(xiàn)已進(jìn)入實(shí)用階段，目前世界最大的潮汐能電站是韓國始華湖的25.4萬kW壩式潮汐能發(fā)電站。潮汐電站的經(jīng)濟(jì)性和環(huán)保性存在較大爭議，世界各國對此都采取比較審慎的態(tài)度。

20世紀(jì)50年代中期我國開始建設(shè)潮汐電站，目前還在正常運(yùn)行的潮汐能電站只剩下2座，分別是總裝機(jī)容量3 900 kW和150 kW的浙江溫嶺江廈站和浙江玉環(huán)海山站。江廈潮汐試驗(yàn)電站是我國最大的潮汐能電站，2013年國家海洋可再生能源專項(xiàng)資金項(xiàng)目“溫州甌飛萬千瓦級潮汐電站建設(shè)工程預(yù)可研”啟動，該項(xiàng)目裝機(jī)容量擬定為45萬kW，建成后年發(fā)電量將達(dá)9.27億kW·h，規(guī)模世界第一。

我國小型潮汐發(fā)電站技術(shù)基本成熟，已具備開發(fā)中型(萬千瓦級)潮汐電站的技術(shù)條件，但存在的問題是裝機(jī)容量小，單位造價(jià)高于水電站，水輪發(fā)電機(jī)組尚未定型標(biāo)準(zhǔn)化，電站水工建筑的施工方法和技術(shù)與國際先進(jìn)水平尚有一定差距。

1.2 波浪能

我國沿岸波浪能資源平均理論總功率為1 284萬kW，以臺灣、浙江、福建和廣東東部沿岸最富集。山東沿岸波浪能理論平均波功率達(dá)161萬kW，主要分布在山東半島北岸的龍口和渤海海峽的北隍城區(qū)段，半島南岸的千里巖和小麥島區(qū)段[5]。目前，歐洲、日本等地區(qū)的波浪能利用研究技術(shù)最為成熟。2008年，葡萄牙建成的阿古撒多拉波能發(fā)電廠是世界上第一個(gè)商業(yè)化波浪能發(fā)電廠，發(fā)電量為2 250 kW·h。

國內(nèi)自20世紀(jì)80年代初開始對固定式和漂浮式振蕩水柱波能裝置以及擺式波能裝置等進(jìn)行研究，山東的波浪能利用技術(shù)處于國內(nèi)領(lǐng)先地位。中國海洋大學(xué)的振蕩水柱波能裝置的相關(guān)研究成果已應(yīng)用于韓國濟(jì)州島500 kW波能電站。該校研制的“10千瓦級組合型振蕩浮子波能發(fā)電裝置”在青島齋堂島海域已成功投放，可在大潮差海域?qū)崿F(xiàn)24 h全天候自主控制運(yùn)行發(fā)電。山東大學(xué)承擔(dān)的海洋可再生能源專項(xiàng)“120 kW漂浮式液壓海浪發(fā)電站中試項(xiàng)目”也已在榮成海驢島投放成功。

我國微型波力發(fā)電技術(shù)已經(jīng)成熟，并已商品化，小型波浪發(fā)電技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入世界先進(jìn)行列，但波浪能發(fā)電裝置示范試驗(yàn)的規(guī)模遠(yuǎn)小于挪威和英國，轉(zhuǎn)換方式類型遠(yuǎn)少于日本，且裝置運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性等還有待提高。

1.3 潮流能

我國沿岸潮流能約為1 200萬kW，屬于世界上功率密度最大的地區(qū)之一，尤其是舟山群島海域的諸水道最富集。山東沿岸潮流能理論平均功率為119萬kW，主要分布于廟島群島諸水道，尤其是北隍城北側(cè)[5]。國際上從事潮流能開發(fā)的主要有美國、英國、意大利等，2008年英國MCT公司在位于愛爾蘭北部海床下，完成了1 200 kW的SeaGen潮流發(fā)電機(jī)安裝，標(biāo)志著世界上第一個(gè)商業(yè)化規(guī)模的潮流發(fā)電系統(tǒng)投入使用。從整體來看，潮流能裝置的技術(shù)已相對成熟，具備了開展商業(yè)化運(yùn)行的技術(shù)與工程基礎(chǔ)。

國內(nèi)潮流能研究始于20世紀(jì)80年代，水輪機(jī)性能的研究已達(dá)到國際先進(jìn)水平。山東的潮流能在裝機(jī)容量和水輪機(jī)性能等技術(shù)方面處于國內(nèi)領(lǐng)先。中國海洋大學(xué)研制的國內(nèi)首臺100 kW海洋潮流發(fā)電裝置運(yùn)行成功，水輪機(jī)直徑超過10 m，單臺裝置可滿足300戶居民日常用電。該校與中海油聯(lián)合承擔(dān)的“500 kW海洋能獨(dú)立電力系統(tǒng)示范工程”項(xiàng)目目前已將齋堂島建成我國北方最大海洋能示范基地。

我國潮流能利用研究還處于應(yīng)用示范研究階段，在提高水輪機(jī)性能、完善設(shè)計(jì)方法、擴(kuò)大單機(jī)容量以及電力并網(wǎng)技術(shù)、電站群體化技術(shù)、急流和強(qiáng)風(fēng)浪下水輪機(jī)、載體及錨泊系統(tǒng)運(yùn)行可靠性與安全性等方面還有很多技術(shù)問題待研究。

1.4 溫差能

我國溫差能資源豐富，可開發(fā)儲量約為億千瓦量級，其中90%以上在南海[5]。在世界溫差能研究領(lǐng)域，美國與日本的技術(shù)最為先進(jìn)。1990年在日本鹿兒島縣建成的1 000 kW岸基封閉循環(huán)式發(fā)電站，是世界上最大的實(shí)用型海水溫差發(fā)電系統(tǒng)。

溫差能開發(fā)利用處于商業(yè)化開發(fā)前期階段，循環(huán)過程、熱交換器、工質(zhì)以及海洋工程等大部分技術(shù)已接近成熟，具備設(shè)計(jì)建造規(guī)模萬千瓦級溫差能發(fā)電裝置的能力。2012年國家海洋局第一海洋研究所設(shè)計(jì)建造了我國首個(gè)15 kW溫差能發(fā)電裝置。該裝置突破了氨工質(zhì)透平制作的關(guān)鍵技術(shù)，采用了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的熱力循環(huán)，海洋熱能利用效率提高到5.1%，達(dá)到國際領(lǐng)先水平。但總體來說，我國溫差能開發(fā)利用技術(shù)仍處在關(guān)鍵技術(shù)研究階段，還未進(jìn)入海況試驗(yàn)階段。

1.5 鹽差能

我國的鹽差能理論功率約為1.14億kW，主要集中在長江和珠江等河口[6-7]。美國和以色列最早開展鹽差能研究，1976年以色列制造了一套滲透法裝置，驗(yàn)證了鹽差能利用的可行性。我國于1979年開始鹽差能發(fā)電的研究，1985年西安冶金建筑學(xué)院研制了一套可利用干涸鹽湖鹽差發(fā)電的試驗(yàn)裝置。目前鹽差能因受發(fā)電成本高、設(shè)備投資大、能量轉(zhuǎn)化效率低、能量密度小的限制，研究總體還處于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)水平。

1.6 海洋生物質(zhì)能源

微藻能源目前已成為生物能源研究的熱點(diǎn)，美國從1976年起啟動了微藻能源研究項(xiàng)目，已從實(shí)驗(yàn)室階段走向中試和工業(yè)生產(chǎn)階段。其培育的富油工程小環(huán)藻，實(shí)驗(yàn)室條件下脂質(zhì)含量可達(dá)60%以上，比自然狀態(tài)下微藻的脂質(zhì)含量提高3～12倍[8]。近5年來，中國、以色列、德國、西班牙、英國、澳大利亞、法國、日本和韓國等國家也開始重視微藻能源，但目前距離產(chǎn)業(yè)化仍然有一段路要走，成本高和難以規(guī)?；_展是微藻能源開發(fā)的兩大“瓶頸”問題[9]。

我國微藻基礎(chǔ)研究力量較強(qiáng)，擁有一大批淡水和海水微藻種質(zhì)資源，在微藻大規(guī)模養(yǎng)殖方面走在世界前列。大連化學(xué)物理研究所等單位在產(chǎn)氫微藻方面以及清華大學(xué)等單位在產(chǎn)油淡水微藻方面具有一定的研究基礎(chǔ)。2011年，科技部啟動了我國微藻能源方向首個(gè)“973”計(jì)劃項(xiàng)目“微藻能源規(guī)?；苽涞目茖W(xué)基礎(chǔ)”，致力于突破微藻能源規(guī)?；苽涞暮诵募夹g(shù)，提高微藻能源規(guī)?；苽湎到y(tǒng)的效率。

山東微藻能源研究開展較早，中科院海洋研究所獲得了多株系油脂含量在30%～40%的高產(chǎn)能藻株，并成功研制了適宜藻類細(xì)胞工程培養(yǎng)的大型封閉式管道光生物反應(yīng)器。中國海洋大學(xué)收集了600余株海洋藻類種質(zhì)資源，建有200 m2余的程控海藻培育室，目前保有油脂含量接近70%的微藻品種。中國科學(xué)院青島生物能源與過程研究所與美國波音公司研發(fā)中心共同組建了可持續(xù)航空生物燃料聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，利用微藻生產(chǎn)航空生物燃油。

2 制約山東省海洋可再生能源發(fā)展的“瓶頸”

2.1 關(guān)鍵共性技術(shù)制約產(chǎn)業(yè)持續(xù)發(fā)展

山東省海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)取得了長足發(fā)展，也形成了較為完備的研發(fā)、設(shè)計(jì)、制造技術(shù)體系。但與國外先進(jìn)國家相比，在核心部件設(shè)計(jì)、高端裝備制造、大型裝備施工等關(guān)鍵技術(shù)上仍有較大差距，一些關(guān)鍵共性技術(shù)環(huán)節(jié)上仍然沒有取得重大突破，嚴(yán)重制約了海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展[10]。

2.2 海洋可再生能源推廣使用困難

海洋可再生能源具有瞬時(shí)量差異大，穩(wěn)定性、持續(xù)性差的特點(diǎn)，這決定了其開發(fā)使用難度大。海洋可再生能源發(fā)電的并網(wǎng)使用，一直都是世界性難題，運(yùn)行與維護(hù)費(fèi)用巨大，成為阻礙海洋可再生能源發(fā)展的因素。此外，由于海況惡劣、施工困難、建設(shè)周期較長、固定成本投入大、單位電量價(jià)格高，企業(yè)缺乏參與開發(fā)的積極性，也進(jìn)一步制約了海洋可再生能源的應(yīng)用推廣。

2.3 政策法規(guī)保障體系尚不完善

海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)是一個(gè)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，尚處于商業(yè)化發(fā)展的初期，需要政府制定規(guī)劃加以科學(xué)指導(dǎo)。但目前山東省尚未對海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展做出規(guī)劃，海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展重點(diǎn)、產(chǎn)業(yè)布局、能源結(jié)構(gòu)的匹配都不明確。同時(shí)，山東海洋可再生能源開發(fā)利用的地方法規(guī)未與國家同步，缺乏配套的地方性法規(guī)和產(chǎn)業(yè)政策文件。

3 促進(jìn)山東海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展建議

從目前情況看，海洋可再生能源中潮汐能發(fā)電技術(shù)比較成熟，山東也有白沙口潮汐電站的建造經(jīng)驗(yàn)，但潮汐能電站需大范圍圈占海岸線，受環(huán)境保護(hù)、安全等方面的嚴(yán)格限制難以大規(guī)模推廣應(yīng)用[11]。鹽差能仍處在基礎(chǔ)研究階段，應(yīng)用并不廣泛，同時(shí)由于鹽差能資源主要集中在大江大河的入?？诟浇?，而國內(nèi)大部分鹽差能集中的區(qū)域都位于航運(yùn)干線上，不具備大規(guī)模應(yīng)用及推廣的條件[12]。結(jié)合山東研究基礎(chǔ)和自然資源情況，以及海洋能技術(shù)發(fā)展趨勢，山東海洋新能源未來發(fā)展可以以“優(yōu)先發(fā)展潮流能、波浪能，大力發(fā)展海洋生物質(zhì)能，探索發(fā)展溫差能”為原則，加強(qiáng)集成創(chuàng)新突破行業(yè)共性關(guān)鍵技術(shù)，加速海洋可再生能源開發(fā)的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

3.1 加快制定山東海洋能開發(fā)利用總體規(guī)劃

立足國家目標(biāo)，瞄準(zhǔn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展，與國家《可再生能源發(fā)展“十二五”規(guī)劃》、海洋可再生能源專項(xiàng)、國家海洋局《海洋可再生能源發(fā)展綱要(2013-2016年)》、山東半島藍(lán)色經(jīng)濟(jì)區(qū)建設(shè)等緊密結(jié)合，抓緊制定《山東海洋可再生能源發(fā)展專項(xiàng)規(guī)劃》，健全相關(guān)政策及公益性服務(wù)體系，建立和完善海洋能源開發(fā)利用國家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，扶持發(fā)展產(chǎn)業(yè)服務(wù)體系，為海洋能產(chǎn)業(yè)化發(fā)展提供技術(shù)基礎(chǔ)和支撐保障。

3.2 盡快開展海洋能資源調(diào)查研究與評價(jià)工作

掌握海洋能資源儲量和分布情況是合理有效推進(jìn)海洋新能源發(fā)展的基礎(chǔ)和前提。為適應(yīng)山東未來海洋能發(fā)展以及站址選址等需求，盡快組織對各類海洋能資源進(jìn)行調(diào)查與評價(jià)，建立海洋能資源儲量分布和評估體系，為制定海洋能開發(fā)規(guī)劃、制定相關(guān)政策等提供科學(xué)依據(jù)。結(jié)合山東海域區(qū)位、自然資源、環(huán)境條件和開發(fā)利用相關(guān)要求，圍繞風(fēng)能(風(fēng)速、風(fēng)向)、太陽能(輻射量、日照時(shí)間)、潮汐能(潮時(shí)、潮高)、潮流能(流速、流向)、波浪能(波高、波向、波周期)、氣象參數(shù)、水溫、鹽度、海底地貌等要素，重點(diǎn)針對儲量分布、選址要求、分階段開發(fā)利用目標(biāo)以及環(huán)境保護(hù)措施等進(jìn)行調(diào)查，做到與現(xiàn)行全國海洋功能區(qū)劃相協(xié)調(diào)，為山東海洋能開發(fā)利用的持續(xù)、健康發(fā)展提供保障。

3.3 打造海洋能綜合研發(fā)平臺

海洋能利用技術(shù)依托于海洋環(huán)境動力學(xué)、海洋工程、電力與電子工程等多個(gè)學(xué)科，是多項(xiàng)技術(shù)的綜合利用和創(chuàng)新使用。中國海洋大學(xué)、國家海洋局第一海洋研究所等單位近年承擔(dān)完成了一批國家級、省級海洋能利用項(xiàng)目，是我國海洋能研究的重要力量。要立足山東的海洋學(xué)科優(yōu)勢和研究基礎(chǔ)，加強(qiáng)這些單位的協(xié)同創(chuàng)新，進(jìn)一步凝練科學(xué)研究方向，將海洋能研發(fā)納入國家實(shí)驗(yàn)室總體發(fā)展規(guī)劃框架內(nèi)。以提高海洋能綜合研發(fā)水平為目標(biāo)，開展集理論、技術(shù)、設(shè)備、評價(jià)等一體的綜合性研究平臺，發(fā)展較為完備的海洋能技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系，提高核心競爭力。

3.4 加強(qiáng)示范開發(fā)，打造高標(biāo)準(zhǔn)海上試驗(yàn)場

在青島齋堂島海域?qū)嵤┑摹?00 kW海洋能獨(dú)立電力系統(tǒng)示范工程”，是國家海洋可再生能源專項(xiàng)資金首批資助可再生能源發(fā)電示范工程，為海洋能發(fā)電裝置的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)行了一定規(guī)模的應(yīng)用嘗試。可以依托現(xiàn)有基礎(chǔ)，在相關(guān)海域規(guī)劃建設(shè)海洋能研發(fā)共性技術(shù)平臺與基于標(biāo)準(zhǔn)測試程序的海上測試場，專項(xiàng)用于海洋能新裝置試驗(yàn)、樣機(jī)驗(yàn)證、裝備監(jiān)測及認(rèn)證等，形成類似英國新能源與可再生能源中心和歐洲海洋能源中心之類的機(jī)構(gòu)，服務(wù)于海洋能利用技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展，建成我國專業(yè)化海洋能裝備及海洋儀器試驗(yàn)場。

3.5 推動海洋新能源裝備制造業(yè)發(fā)展

采取技術(shù)引進(jìn)與自主研制相結(jié)合的方式，加快科技成果轉(zhuǎn)化，在海洋能源裝備制造領(lǐng)域占得先機(jī)。海洋新能源裝備制造因地而異，技術(shù)含量高、不同海域條件的調(diào)校復(fù)雜，山東要發(fā)揮制造業(yè)基礎(chǔ)較好的優(yōu)勢，強(qiáng)化產(chǎn)、學(xué)、研、用的結(jié)合，加快對企業(yè)的引領(lǐng)，支持各類資本積極介入新能源領(lǐng)域，積極開展發(fā)電裝置產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造，與山東半島高端制造業(yè)基地等緊密結(jié)合，規(guī)劃布局發(fā)展產(chǎn)業(yè)集群，建設(shè)海洋新能源裝備制造基地。

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1005-9857(2015)09-0032-04