薛碧穎， 陳斌， 鄒亮

(1.中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局青島海洋地質(zhì)研究所，山東 青島 266071； 2.海洋國(guó)家實(shí)驗(yàn)室海洋礦產(chǎn)資源評(píng)價(jià)與探測(cè)技術(shù)功能實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266071)

0 引言

海洋中蘊(yùn)藏著豐富的能源資源，由于海洋面積占地球表面積的71%，所以理論上海洋資源量要高于陸地資源量。依據(jù)海洋能資源的開采方法和存在形式，將其劃分為海底化石能源、海洋非常規(guī)能源和海洋可再生能源3種。海洋可再生能源一般包括潮汐能、潮流能、波浪能、溫差能和鹽差能，而廣義的海洋可再生能源還包括海洋上空的風(fēng)能，上述這些能源都屬于無(wú)碳能源，也稱為清潔能源，具有可再生性和不污染環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，是一種亟待開發(fā)的新能源。

為合理應(yīng)對(duì)氣候變化和能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的改變，全球正在逐步邁入以可再生能源為主的可持續(xù)能源時(shí)代，海洋可再生能源已經(jīng)成為重要組成部分。據(jù)國(guó)際可再生能源署統(tǒng)計(jì)，2020年全球新增可再生能源裝機(jī)容量相比上一年增長(zhǎng)幅度大于45%，新增可再生能源裝機(jī)容量約2.80×108kW，預(yù)計(jì)未來(lái)2 a可再生能源增量將占全球電力總增量的90%[1]。全球海洋能蘊(yùn)藏量約為776×108kW[2]，由于海洋能仍處于研發(fā)初期，發(fā)電裝機(jī)容量?jī)H有53×104kW[1]。目前，世界上已有30多個(gè)國(guó)家參與海洋能的開發(fā)，歐洲無(wú)論是自然資源、技術(shù)水平還是產(chǎn)業(yè)規(guī)模都居于領(lǐng)先地位，亞太、中東和非洲等地區(qū)的國(guó)家研發(fā)力度也在不斷加強(qiáng)。開發(fā)利用海洋可再生能源符合碳中和發(fā)展需求，在能源轉(zhuǎn)換中占有重要地位，對(duì)沿海和海島經(jīng)濟(jì)發(fā)展、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和海洋國(guó)防建設(shè)具有十分重要的戰(zhàn)略意義。

1 海洋無(wú)碳能源開發(fā)利用現(xiàn)狀

1.1 潮汐能開發(fā)利用現(xiàn)狀

潮汐能的主要利用方式是潮汐發(fā)電。潮汐發(fā)電的原理就是在海灣入口或有潮汐的河口建筑堤壩、廠房和水閘，與外海隔開形成水庫(kù)，利用漲落潮時(shí)庫(kù)內(nèi)水位與外海潮位之間形成的水位差推動(dòng)水輪機(jī)發(fā)電。潮汐能發(fā)電技術(shù)已經(jīng)基本成熟。潮汐能發(fā)電研究在世界上已有200多a的歷史，早在18世紀(jì)，法國(guó)就開始研究如何利用潮汐能發(fā)電，1912年世界上第一座潮汐電站于德國(guó)建成[3]。20世紀(jì)20年代，陸續(xù)提出了多座潮汐電站的設(shè)計(jì)方案，但直到1967年世界上第一座大型潮汐電站才在法國(guó)正式投入商業(yè)運(yùn)行[4]。目前，全球運(yùn)行、在建、設(shè)計(jì)及研究的潮汐電站達(dá)100余座[5]。全球潮汐能的理論蘊(yùn)藏量為30×108kW，其中10×108kW集中在淺海海域，但潮汐能蘊(yùn)藏量中只有一小部分可以利用[3]。

我國(guó)潮汐能在開發(fā)利用技術(shù)水平、發(fā)電裝置和設(shè)備等方面已具備較好的理論基礎(chǔ)和豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。我國(guó)潮汐電站建設(shè)始于20世紀(jì)50年代中期，曾經(jīng)建設(shè)了76座潮汐電站，但由于未進(jìn)行正規(guī)的勘測(cè)設(shè)計(jì)和選址規(guī)劃，海水腐蝕和生物附著等問題也沒有得到合理解決，大部分潮汐電站短暫運(yùn)行后就停辦甚至廢棄。我國(guó)目前仍在運(yùn)行的潮汐電站有3座，分別是浙江溫嶺江廈潮汐電站、浙江海山潮汐電站和山東白沙口潮汐電站。其中，江廈潮汐電站是裝機(jī)容量最大的電站，總裝機(jī)容量達(dá)到3 200 kW，位于全球第四[6]。在我國(guó)東南沿海，有許多能量密度較高且自然環(huán)境條件優(yōu)越的站址位于潮汐能資源較豐富區(qū)，平均潮差約4～5 m。福建的大官坂、八尺門和浙江的健跳港、黃墩港站址已進(jìn)行過前期調(diào)查勘測(cè)、規(guī)劃設(shè)計(jì)和可行性研究工作，具有近期開發(fā)價(jià)值。

1.2 潮流能開發(fā)利用現(xiàn)狀

潮流能發(fā)電的基本原理類似于風(fēng)力發(fā)電，首先將海水的動(dòng)能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后再將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。潮流能發(fā)電裝置與潮汐能發(fā)電機(jī)組不同，它屬于開放式的海洋能捕獲裝置，根據(jù)其葉輪旋轉(zhuǎn)軸與水流方向的空間關(guān)系可分為水平軸式和垂直軸式兩種結(jié)構(gòu)。潮流能發(fā)電技術(shù)研究起步較晚，但發(fā)展很快。潮流能發(fā)電方案最早由美國(guó)提出，1985年在墨西哥灣海域和紐約市的河中進(jìn)行了潮流能發(fā)電的試驗(yàn)。英國(guó)從20 世紀(jì)90年代初開始研究潮流能發(fā)電，1994年在蘇格蘭近海進(jìn)行潮流發(fā)電試驗(yàn)[7]。全球多個(gè)國(guó)家的研發(fā)機(jī)構(gòu)已參與到潮流能技術(shù)的研究中，目前基本處于試驗(yàn)和大規(guī)模商業(yè)化運(yùn)行的早期階段，許多大裝機(jī)容量的潮流能站址正在籌劃建設(shè)當(dāng)中[8]。

我國(guó)潮流能利用技術(shù)研究目前處于技術(shù)示范階段。20世紀(jì)70年代末，浙江省舟山市率先進(jìn)行了潮流能發(fā)電機(jī)組試驗(yàn)[9-10]。2002年，我國(guó)第一座潮流實(shí)驗(yàn)電站在浙江省舟山市岱山縣龜山水道建成，總裝機(jī)容量為70 kW。2020年，浙江大學(xué)在舟山摘箬山島研發(fā)的潮流能試驗(yàn)電站最大發(fā)電功率達(dá)到637 kW，使我國(guó)潮流能開發(fā)利用向低成本、規(guī)?；瘧?yīng)用邁出了重要一步。

1.3 波浪能開發(fā)利用現(xiàn)狀

波浪能的利用技術(shù)主要有2種基本原理，一種是利用物體在波浪作用下的升沉和搖擺運(yùn)動(dòng)將波浪能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，另一種是利用波浪爬高將波浪能轉(zhuǎn)換為水的勢(shì)能； 通過能量轉(zhuǎn)換裝置將波浪的能量轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，然后通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、氣輪機(jī)、水輪機(jī)或油壓馬達(dá)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。波浪能開發(fā)利用技術(shù)起步較早。1965年，日本最早研發(fā)成功微型波力發(fā)電裝置，主要用于航標(biāo)燈的使用。20世紀(jì)80年代，以為邊遠(yuǎn)沿海和海島(離岸距離小于20 km)供電為目標(biāo)，英國(guó)、日本、挪威等國(guó)陸續(xù)建成了20余個(gè)波浪能轉(zhuǎn)換裝置或電站[11-12]。目前，國(guó)際上已有多個(gè)大型示范站實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期示范運(yùn)行，振蕩水柱式、振蕩浮子式和越浪式等波浪能發(fā)電技術(shù)已較為成熟，波浪能極有可能成為下一個(gè)具有商業(yè)化價(jià)值的能源資源[7]。

我國(guó)對(duì)波浪能利用技術(shù)還不成熟，仍處于海況示范研究階段。盡管對(duì)波浪能的研究已經(jīng)開展了30多a，但只有10 W航標(biāo)燈用微型波力發(fā)電裝置已經(jīng)形成商業(yè)化產(chǎn)品[13]。目前，波浪能轉(zhuǎn)換裝置已完成實(shí)驗(yàn)室模型試驗(yàn)階段，部分工程樣機(jī)也已經(jīng)完成海試，我國(guó)基本實(shí)現(xiàn)了波浪能發(fā)電技術(shù)的自主創(chuàng)新，正在突破高效轉(zhuǎn)換、實(shí)用化等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。2020年6月，山東威海淺海海上綜合實(shí)驗(yàn)場(chǎng)和廣東珠海萬(wàn)山波浪能實(shí)驗(yàn)場(chǎng)完成建設(shè)，首臺(tái)裝機(jī)功率達(dá)500 kW的鷹式波浪能發(fā)電裝置“舟山號(hào)”正式交付[14]，它是我國(guó)目前單臺(tái)裝機(jī)功率最大的波浪能發(fā)電裝置，為我國(guó)繼續(xù)開展波浪能利用技術(shù)的工程化、實(shí)用化和規(guī)?；难邪l(fā)工作積累了發(fā)電裝置并網(wǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)。

1.4 溫差能開發(fā)利用現(xiàn)狀

溫差發(fā)電是指利用海水的溫差進(jìn)行發(fā)電，其基本原理是借助一種工作介質(zhì)，使表層海水中的熱能向深層冷水中轉(zhuǎn)移，從而做功發(fā)電。例如，使用低沸點(diǎn)的二硫化碳、氨或氟利昂做介質(zhì)，在表層溫水熱力作用下氣化、沸騰，吹動(dòng)透平機(jī)發(fā)電，再利用深層冷水把工作介質(zhì)凝結(jié)成液態(tài)，一直循環(huán)往復(fù)，保持發(fā)電機(jī)運(yùn)行[15]。溫差能技術(shù)研發(fā)起步較晚。最先提出利用海水溫差發(fā)電設(shè)想的是法國(guó)物理學(xué)家阿松瓦爾，1926年海水溫差發(fā)電試驗(yàn)成功。1930年，古巴建造了世界上第一座海水溫差發(fā)電站[16]。在溫差能領(lǐng)域，美國(guó)和日本技術(shù)最為先進(jìn)，先后研建了一些示范性電站[17]。目前，世界海洋溫差能發(fā)展著重于解決供電和飲用水、發(fā)展海水養(yǎng)殖和淡化海水制氫等產(chǎn)業(yè)，同時(shí)利用海水中稀有元素的分離和提取，提高海洋溫差能發(fā)電技術(shù)所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益[18]。

我國(guó)溫差能開發(fā)利用技術(shù)在示范規(guī)模和凈輸出功率方面還存在明顯差距。2004年，天津大學(xué)成功研發(fā)了利用溫差能驅(qū)動(dòng)的水下滑翔器[19]。2012年，中國(guó)海洋大學(xué)完成首個(gè)小型自主式海洋剖面觀測(cè)平臺(tái)海洋溫差能發(fā)電試驗(yàn)系統(tǒng)[20]。同年，自然資源部第一海洋研究所成功研制了總裝機(jī)容量為15 kW的溫差能發(fā)電試驗(yàn)裝置，建成了我國(guó)首座運(yùn)行的溫差能試驗(yàn)電站[21-22]。目前，我國(guó)溫差能發(fā)電裝置處于試驗(yàn)驗(yàn)證階段，總裝機(jī)容量與國(guó)外相比仍存在量級(jí)上的差異。

1.5 鹽差能開發(fā)利用現(xiàn)狀

鹽差能是指2種含鹽濃度不同的海水之間的化學(xué)電位差能，在自然界中主要存在于河流入海處，由于淡水和海水的鹽度存在差異，海水相對(duì)于淡水存在滲透壓以及稀釋熱、吸收熱、濃淡電位差等濃度差能，這種能量可以轉(zhuǎn)換成電能[23]。鹽差能利用技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室和中試規(guī)模研究階段，離實(shí)際開發(fā)利用的距離還比較大。1939年，美國(guó)首次提出鹽差能發(fā)電的設(shè)想，日本、瑞典等國(guó)都在積極研究鹽差能開發(fā)利用技術(shù)。目前，高效、低成本滲透膜的研制等關(guān)鍵技術(shù)仍未得到較好解決。

我國(guó)鹽差能在技術(shù)上處于原理探索和實(shí)驗(yàn)室研究階段。1979年前后開始鹽差能發(fā)電研究，2015年，國(guó)家海洋可再生能源專項(xiàng)資金首次設(shè)立鹽差能項(xiàng)目，中國(guó)海洋大學(xué)的“鹽差能發(fā)電技術(shù)研究與試驗(yàn)”項(xiàng)目獲得資助[23]，通過對(duì)鹽差能相關(guān)技術(shù)的研究與試驗(yàn)來(lái)解決發(fā)電技術(shù)的關(guān)鍵問題。高成本的膜材料是限制鹽差能技術(shù)發(fā)展的主要因素，目前鹽差能仍處于理論研究階段。

1.6 風(fēng)能開發(fā)利用現(xiàn)狀

風(fēng)力發(fā)電原理是利用風(fēng)力促使風(fēng)車葉片帶動(dòng)風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)，通過增速作用將旋轉(zhuǎn)速度提升進(jìn)而使得發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行發(fā)電。風(fēng)能發(fā)電起步晚，但發(fā)展迅速，技術(shù)日趨成熟, 規(guī)模急劇擴(kuò)大。1991年，丹麥建成首個(gè)海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)，到2006年末，全球運(yùn)行的裝機(jī)容量超過90×104kW的海上發(fā)電場(chǎng)幾乎全都在歐洲[24]，歐洲的海上風(fēng)電技術(shù)水平代表了國(guó)際先進(jìn)水平。與陸地風(fēng)場(chǎng)相比，海上風(fēng)電場(chǎng)具有土地資源占用少、地形地貌影響小、風(fēng)力資源豐富、單機(jī)容量更大等優(yōu)點(diǎn)[25]。

我國(guó)已具備建設(shè)大型海上風(fēng)電場(chǎng)的能力和經(jīng)驗(yàn)。2007年，我國(guó)首座海上風(fēng)力發(fā)電站建成投產(chǎn)，標(biāo)志著我國(guó)海上風(fēng)力發(fā)電有了實(shí)質(zhì)性突破。2010年，上海東海大橋海上風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)運(yùn)行，成為我國(guó)第一個(gè)海上風(fēng)電示范項(xiàng)目，也是全球歐洲之外第一個(gè)海上風(fēng)電項(xiàng)目[26]。至2017年底，我國(guó)海上風(fēng)電累計(jì)裝機(jī)容量已達(dá)279×104kW，海上風(fēng)電目前已基本具備大規(guī)模開發(fā)條件。

2 我國(guó)海洋無(wú)碳能源調(diào)查狀況

我國(guó)對(duì)海洋無(wú)碳能源的開發(fā)利用十分重視，自20世紀(jì)50年代開始，先后開展了5次大規(guī)模的全國(guó)海洋無(wú)碳能源調(diào)查。

1958年，水利電力部開展第一次全國(guó)沿海潮汐能資源普查。全國(guó)500處港灣、河口壩址的潮汐能資源，年理論蘊(yùn)藏量約2 751.6×108kW·h，裝機(jī)容量約1.1×108kW，可開發(fā)裝機(jī)容量約0.35×108kW，年發(fā)電量約874.3×108kW·h[27]。

1978年，水利電力部進(jìn)行第二次全國(guó)沿海潮汐能資源普查。對(duì)全國(guó)沿海單壩址可開發(fā)裝機(jī)容量大于500 kW 的33個(gè)河口和156個(gè)海灣的潮汐能資源進(jìn)行了調(diào)查，總理論裝機(jī)容量為0.22×108kW[28]。

1986年，水利電力部和國(guó)家海洋局組織全國(guó)沿海農(nóng)村海洋能資源區(qū)劃調(diào)查，我國(guó)近海200 kW以上壩址的潮汐能裝機(jī)容量為0.22×108kW。雖然此次調(diào)查評(píng)估的壩址數(shù)較第二次調(diào)查增加了約76%，但由于新增的港灣面積偏小，潮汐能裝機(jī)容量?jī)H增加了約1%[29]。

上述3次調(diào)查均屬于“粗摸家底”式的普查，2004年和2010年又先后開展了全國(guó)范圍內(nèi)更深入細(xì)致的資源調(diào)查研究。2004年，國(guó)家海洋局組織實(shí)施的“我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)”專項(xiàng)(908專項(xiàng))對(duì)我國(guó)沿海地區(qū)潮汐能、波浪能、潮流能、溫差能、鹽差能和風(fēng)能等海洋無(wú)碳能源相關(guān)要素進(jìn)行了調(diào)查，結(jié)果顯示： 除臺(tái)灣外，我國(guó)海洋無(wú)碳能源總蘊(yùn)藏量為15.80×108kW，理論年發(fā)電量為13.84×1012kW·h[3]。2010年，在908專項(xiàng)的基礎(chǔ)上，我國(guó)進(jìn)一步開展了潮汐能、潮流能和波浪能優(yōu)選區(qū)的資源勘查和選址規(guī)劃的海洋能專項(xiàng)調(diào)查。

3 我國(guó)海洋無(wú)碳能源儲(chǔ)量、分布及其開發(fā)利用條件

3.1 潮汐能

潮汐能資源主要與潮差有關(guān)。我國(guó)近海受天文、徑流以及海灣形態(tài)等多種因素影響，平均潮差的分布及變化特征較為復(fù)雜，總趨勢(shì)為東海最大，黃海和渤海次之，南海最小。東海沿岸海域基本屬于中潮區(qū)(2.0 m≤平均潮差<4.0 m)或者強(qiáng)潮區(qū)(平均潮差≥4.0 m)，坎門以南水域，除東山為中潮區(qū)外，其余均為強(qiáng)潮區(qū)[30]； 黃海大部分海域?qū)儆谥谐眳^(qū)，山東半島東北及連云港東南附近海域平均潮差小于2.0 m，屬于弱潮區(qū)[30]； 渤海和南海大部分為弱潮海區(qū)(平均潮差<2.0 m)，只有遼東灣附近的水域年平均潮差超過2.0 m，屬于中潮海區(qū)，其余海域平均潮差均小于2.0 m[31]。

我國(guó)近海潮汐能資源技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量大于500 kW的壩址共171個(gè)，總技術(shù)裝機(jī)容量約為2 282.91×104kW(表1)。我國(guó)近海潮汐能資源分布不均，主要集中在浙閩兩省，其技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量約為2 067.34×104kW，年發(fā)電量約為568.48×108kW·h，分別占全國(guó)的90.5%和90.7%。裝機(jī)容量大于106kW的電站有錢塘江口、三門灣、三都澳、興化灣、福清灣和湄州灣，占全國(guó)總裝機(jī)容量的61%。908專項(xiàng)調(diào)查結(jié)果表明，大于500 kW潮汐能資源可開發(fā)理論裝機(jī)容量為2 282.91×104kW(表1)，而中國(guó)沿海農(nóng)村海洋能資源區(qū)劃調(diào)查統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，大于200 kW潮汐能資源可開發(fā)理論裝機(jī)容量為2 173.6×104kW，理論上，200 kW以上潮汐能資源可開發(fā)理論裝機(jī)容量應(yīng)大于500 kW以上，出現(xiàn)上述相反的結(jié)論是由于中國(guó)沿海農(nóng)村海洋能資源區(qū)劃調(diào)查時(shí)間較早，且隨著自然演變和經(jīng)濟(jì)建設(shè)的發(fā)展，潮汐能資源的開發(fā)環(huán)境發(fā)生了較大變化。

表1 我國(guó)近海潮汐能站址資源統(tǒng)計(jì)[3,32-33]

浙閩兩省潮汐能資源豐富，開發(fā)利用條件最好(圖1)。從平均潮差和海岸類型看，平均功率密度和庫(kù)容大小以浙閩沿岸開發(fā)條件最為優(yōu)越，其次是遼東半島南岸東側(cè)和山東半島南岸北側(cè)。上述海域平均潮差大，海岸類型以基巖海岸為主，海灣較多，是潮汐電站建設(shè)的理想?yún)^(qū)域。

圖1 我國(guó)近海潮汐能資源分布(數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[3])

3.2 潮流能

我國(guó)渤海、黃海和東海沿岸海域潮流性質(zhì)為規(guī)則半日潮流，而南海沿岸海域潮流性質(zhì)為不規(guī)則半日潮流。黃海和東海近岸海域的潮流整體上強(qiáng)于渤海，東海的浙江沿岸海域、杭州灣、臺(tái)灣島北側(cè)以及臺(tái)灣淺灘都是流速較強(qiáng)的海區(qū)，最大潮流流速超過4 m/s[34]，南海的最強(qiáng)潮流區(qū)主要位于瓊州海峽西側(cè)的喇叭狀灣口和海南島西側(cè)，最大潮流流速約2 m/s[35]。

我國(guó)近海主要水道的潮流能資源蘊(yùn)藏量約為833.38×104kW，技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量約166.67×104kW。我國(guó)潮流能資源空間分布不均，浙江省沿岸海域潮流能資源最為豐富，約為516.77×104kW，占到我國(guó)潮流能蘊(yùn)藏量的50%以上，其次是山東、江蘇、福建、廣東、海南和遼寧六省，約占全國(guó)的38%，其他沿岸海域潮流能資源較少(圖2，表2)。

圖2 我國(guó)近海潮流能資源分布(數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[3])

表2 我國(guó)近海潮流能資源統(tǒng)計(jì)[3, 32, 36]

浙江省舟山群島海域是我國(guó)潮流能功率密度最高的海域，開發(fā)利用條件優(yōu)越。舟山海域擁有流速資源較好的眾多強(qiáng)潮流水道，開發(fā)利用潮流能電站選址選擇空間大，潮流能開發(fā)可減少對(duì)海上航運(yùn)和海洋工程的影響，具有很好的潮流能電站建設(shè)條件。舟山9條水道的潮流能蘊(yùn)藏量為114.8×104kW，其中蘊(yùn)藏量最豐富的3條水道分別是西堠門水道(28.1×104kW)、螺頭水道(27.4×104kW)和龜山航門水道(23.2×104kW)。除舟山海域外，瓊州海峽東口(20.8×104kW)、老鐵山北側(cè)(21.6×104kW)和小洋口外(25.9×104kW)海域的潮流能蘊(yùn)藏量也較為豐富[3]。

3.3 波浪能

波浪的波高和周期是波浪能大小的重要參數(shù)。我國(guó)近海波高的分布狀況表現(xiàn)為： 渤海和黃海沿岸海域平均波高較小，大部分海域年平均波高約0.5 m； 東海沿岸海域波高較大，福建北部的北礵站年平均波高可達(dá)1.3 m； 南海海域波高小于東海沿岸海域，年平均波高約0.8 m。波浪周期分布特征與波高類似，北部海域小于南海海域。

我國(guó)近海離岸20 km一線的波浪能蘊(yùn)藏量為1 599.52×104kW，理論年發(fā)電量1 401.17×108kW·h，技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量為1 470.59×104kW，年發(fā)電量為1 288.22×104kW·h(表3)。

我國(guó)波浪能資源分布極不均勻(圖3)。在空間上，南方沿岸海域的波功率密度高于北方沿岸海域，外海海域的波功率密度高于近岸海域[36]。渤海大部分海域年平均波功率密度小于1 kW/m； 黃海海域年平均波功率密度介于1～2 kW/m； 東海海域年平均波功率密度高于渤海和黃海，約為3～10 kW/m； 南海海域波浪能資源最豐富，年平均波功率密度為4～18 kW/m，特別是海南島南部海域，年平均波功率密度為6～20 kW/m。在時(shí)間上，由于我國(guó)沿海地區(qū)以季風(fēng)氣候?yàn)橹?，波浪能季?jié)性特征明顯，一般情況下，秋、冬季波功率密度高于春、夏季。

圖3 我國(guó)近海波浪能資源分布(數(shù)據(jù)來(lái)源于文獻(xiàn)[3])

我國(guó)沿岸有很多條件相對(duì)較好的地區(qū)可供波浪能開發(fā)利用。浙閩沿岸、廣東東部和山東半島南部中段沿岸等海域具有近岸水深淺、地形坡度大、波功率密度相對(duì)較高、季節(jié)變化不明顯等優(yōu)點(diǎn)，有利于發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)和安裝，可提高總體轉(zhuǎn)換效率，是我國(guó)波浪能開發(fā)利用條件最為理想的地區(qū)。

3.4 溫差能

我國(guó)近海海域的表層海水和深層海水溫差的分布特征有所差異。受太陽(yáng)輻射年周期變化的影響，表層水溫的年周期非常明顯： 渤海表層水溫年較差較大，一般為23～28 ℃； 黃海為16～25 ℃； 東海為14～25 ℃； 南海表層水溫年較差最小，普遍在10 ℃以下。黃海在每年的5～10月有黃海冷水團(tuán)出現(xiàn)，其上部海水溫度大于20 ℃； 東海黑潮區(qū)表層海水溫度約22～29 ℃，1 000 m以下終年水溫小于4 ℃，海水溫差可達(dá)18 ℃以上； 南海表層水溫均在25 ℃以上，500～800 m以下水溫小于5 ℃，海水溫差約為20～24 ℃[36]。一般情況下，表層海水和深層海水溫差大于18 ℃的海域適合開發(fā)溫差能資源。

我國(guó)近海海域溫差能資源儲(chǔ)量豐富，主要儲(chǔ)藏于南海，其次是東海。據(jù)王傳崑等[37]和吳文等[38]估算，我國(guó)近海海域的溫差能資源理論蘊(yùn)藏量為1 518.9×1016kJ，其中，黃海海域溫差能蘊(yùn)藏量為14.1×1016kJ，東海海域溫差能蘊(yùn)藏量為208.8×1016kJ，南海海域溫差能蘊(yùn)藏量為1 296×1016kJ。908專項(xiàng)調(diào)查結(jié)果表明，南海表層與深層海水溫差大于等于18 ℃，水體蘊(yùn)藏的溫差能為1 160×1016kJ(表4)。

表4 我國(guó)近海溫差能資源統(tǒng)計(jì)[37-38]

溫差能空間分布差異較大。渤海和黃海海域平均水深較淺，溫差能開發(fā)利用難度較大。東海外陸架水深地形變化迅速，溫差能資源豐富，開發(fā)條件較好，是岸基式溫差能開發(fā)的優(yōu)良站址。南海溫差能資源最豐富，其資源蘊(yùn)藏量分布具有明顯的季節(jié)特征： 春季蘊(yùn)藏量小，主要集中在南海中部，西沙群島附近海域蘊(yùn)藏量較大； 夏、秋兩季蘊(yùn)藏量豐富，主要集中在南海中部和東部水深較大的海域； 冬季蘊(yùn)藏量最小，整體分布較為均勻。南海北部海域距離大陸近，開發(fā)利用便利； 南海南部深水海域溫差能資源豐富，開發(fā)條件優(yōu)越，具有廣闊的開發(fā)前景，但因其距離大陸最遠(yuǎn)，目前不具備大規(guī)模開發(fā)條件，可以優(yōu)先為島嶼開發(fā)利用； 南海中部深水海域西部分布著西沙群島，西沙群島由大陸坡臺(tái)階上的島礁組成，邊坡陡峭，有利于陸基式或陸架式溫差電站站址建設(shè)。

3.5 鹽差能

鹽差能資源蘊(yùn)藏量取決于河流入海的淡水量，所以鹽差能資源的分布具有與河流入海流量分布相同的不均勻性。鹽差能資源主要分布在沿岸河口地區(qū)，入海流量越大鹽差能資源最多，我國(guó)鹽差能資源主要分布在長(zhǎng)江口及其以南的河流入?？谘匕?，特別是在夏季，徑流量增加顯著，例如夏季長(zhǎng)江口附近鹽度大幅度下降，鹽度可達(dá)到0.2‰～0.3‰[39]。

我國(guó)22條主要入海河流的鹽差能資源總蘊(yùn)藏量為1.13×108kW，年發(fā)電量約9 907×108kW·h，若取可開發(fā)其中的10%，則技術(shù)可開發(fā)量為0.11×108kW。我國(guó)主要河口鹽差能資源蘊(yùn)藏量見表5。

表5 我國(guó)近海鹽差能資源統(tǒng)計(jì)[3,40-41]

鹽差能總蘊(yùn)藏量豐富但地理分布不均。我國(guó)主要入海河流的鹽差能資源蘊(yùn)藏量約為1.13×108kW，技術(shù)可開發(fā)裝機(jī)容量約為1 130.9×104kW。長(zhǎng)江口及其以南沿岸海域鹽差能資源蘊(yùn)藏量達(dá)1.07×108kW，占全國(guó)總量的94%，其中長(zhǎng)江口資源蘊(yùn)藏量最大，約為0.77×104kW，占全國(guó)總量的68%。受河流入海水量和海水鹽度影響，鹽差能季節(jié)變化和年際變化顯著，一般汛期鹽差能資源量可占到全年的60%以上，對(duì)鹽差能開發(fā)利用裝置以及裝機(jī)容量的確定造成一定困難。

3.6 風(fēng)能

同陸地風(fēng)能資源相比，我國(guó)海上風(fēng)能資源較為豐富。渤海海區(qū)年平均風(fēng)功率密度可達(dá)200～500 W/m2，年平均風(fēng)速為6～9 m/s； 黃海海區(qū)年平均風(fēng)功率密度可達(dá)250～600 W/m2，年平均風(fēng)速為7～9.5 m/s； 臺(tái)灣海峽和東海南部海區(qū)風(fēng)能最為豐富，年平均風(fēng)功率密度達(dá)500～1 500 W/m2，年平均風(fēng)速為7～11 m/s； 南海北部灣海區(qū)年平均風(fēng)功率密度達(dá)200～600 W/m2，年平均風(fēng)速為6.5～10 m/s[42]。通過風(fēng)場(chǎng)數(shù)值模擬和風(fēng)能資源計(jì)算，我國(guó)近海50 m等深線以淺海域10 m高度風(fēng)能資源總蘊(yùn)藏量為8.83×108kW，技術(shù)可開發(fā)量為5.70×108kW(表6)。

表6 我國(guó)近海50 m等深線以淺海域10 m高度風(fēng)能資源統(tǒng)計(jì)[3, 42]

江蘇、山東和遼寧三省海洋風(fēng)能資源蘊(yùn)藏量較大的原因是50 m等深線離岸相對(duì)較遠(yuǎn)，統(tǒng)計(jì)的海域范圍大，而海南省海域由于50 m等深線離岸較近，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)的海域范圍小，故海洋風(fēng)能資源蘊(yùn)藏量較小。但海南省近岸深水海域海洋風(fēng)能開發(fā)利用可能性較大，因?yàn)樯詈ｏL(fēng)電場(chǎng)已經(jīng)成為目前海洋能開發(fā)的發(fā)展方向。

我國(guó)海洋風(fēng)能資源好，風(fēng)速大，風(fēng)功率密度高。我國(guó)近海50 m等深線以內(nèi)60%以上的海域面積年平均風(fēng)功率密度為150 W/m2，屬于豐富區(qū)和較豐富區(qū)。我國(guó)沿海灘涂面積大，地形平坦，近海30～50 m水深的海域廣闊，適合海洋風(fēng)能的開發(fā)利用，沿海地區(qū)人口密集、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、電力緊張，海洋風(fēng)能發(fā)電便于入網(wǎng)。

4 我國(guó)海洋無(wú)碳能源開發(fā)利用存在的問題、開發(fā)利用前景分析及建議對(duì)策

4.1 開發(fā)利用存在的問題

海洋無(wú)碳能源的主要利用形式就是發(fā)電，除鹽差能利用技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室研究階段外，其他無(wú)碳能源的發(fā)電技術(shù)均得到不同程度的研究與應(yīng)用。我國(guó)開發(fā)利用潮汐能的技術(shù)相對(duì)成熟，浙江溫嶺江廈潮汐試驗(yàn)電站已實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)發(fā)電并進(jìn)入商業(yè)化運(yùn)營(yíng)，總裝機(jī)容量位居世界第四。潮流能和波浪技術(shù)處于示范試驗(yàn)階段，已取得了一系列發(fā)電裝置專利和科研成果。溫差能利用技術(shù)也取得了較大進(jìn)步，研制成功了低裝機(jī)容量的發(fā)電試驗(yàn)裝置。我國(guó)風(fēng)電設(shè)備制造和自主創(chuàng)新能力不斷提升，海上風(fēng)電發(fā)展迅速，山東、江蘇海上風(fēng)電基地已初具規(guī)模。總體上，我國(guó)的海洋無(wú)碳能源開發(fā)已擁有部分成熟技術(shù)，但已有技術(shù)的發(fā)電裝置轉(zhuǎn)換效率低，在能量轉(zhuǎn)換和能量穩(wěn)定等方面的關(guān)鍵技術(shù)亟待突破，大多數(shù)技術(shù)商業(yè)化開發(fā)還需深入研究完善。

4.2 開發(fā)利用前景分析

“十四五”期間，為實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和以及能源綠色低碳轉(zhuǎn)型的戰(zhàn)略目標(biāo)，清潔可再生能源是我國(guó)能源發(fā)展的主導(dǎo)方向。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2020年我國(guó)可再生能源利用規(guī)模達(dá)到6.8億t標(biāo)準(zhǔn)煤，相當(dāng)于替代煤炭近10億t，減少二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放量分別約達(dá)17.9億t、86.4萬(wàn)t和79.8萬(wàn)t[43]。截至2019年底，我國(guó)可再生能源發(fā)電裝機(jī)達(dá)到7.94億kW，其中水電裝機(jī)3.56億kW[44]，浙江模塊化大型海洋潮流能發(fā)電機(jī)組持續(xù)保持穩(wěn)定運(yùn)行，累計(jì)并網(wǎng)發(fā)電已超過180萬(wàn)度。改變能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)，逐步降低煤炭在能源結(jié)構(gòu)中的比重是實(shí)現(xiàn)碳中和的必由之路。充分發(fā)揮海洋無(wú)碳能源的作用，既可以逐步改善以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)和電力供應(yīng)結(jié)構(gòu)，使我國(guó)能源經(jīng)濟(jì)和環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展，也能解決沿海地區(qū)和海島的用電用能問題，使我國(guó)沿海地區(qū)生產(chǎn)生活用能條件不斷提升。

目前，海洋無(wú)碳能源的開發(fā)利用尚處于初步階段。從技術(shù)成熟度和經(jīng)濟(jì)效益上講，風(fēng)能最具有開發(fā)價(jià)值，其次是潮汐能、波浪能和潮流能，溫差能和鹽差能距實(shí)際應(yīng)用還有一段距離?；谖覈?guó)海洋無(wú)碳能源利用的實(shí)際情況，近岸海域及海島地區(qū)應(yīng)大力發(fā)展海洋風(fēng)能，因地制宜發(fā)展潮汐能，積極推進(jìn)波浪能、潮流能和溫差能開發(fā)實(shí)驗(yàn)，研究探索多種能源的綜合利用示范。

4.3 建議對(duì)策

通過多次專項(xiàng)調(diào)查，利用實(shí)測(cè)站位和數(shù)值模擬，基本上掌握了近海海洋無(wú)碳能源的資源狀況。但從總體上看，實(shí)測(cè)站位偏少且調(diào)查精度不足，觀測(cè)時(shí)間偏短，除在重點(diǎn)海灣進(jìn)行過潮汐能資源的開發(fā)規(guī)劃和設(shè)計(jì)研究外，尚未對(duì)潮流能、波浪能等其他海洋資源的重點(diǎn)海域、海島進(jìn)行過更深入細(xì)致的資源調(diào)查研究。海洋無(wú)碳能源的資源區(qū)劃指標(biāo)較為單一，僅根據(jù)資源蘊(yùn)藏量進(jìn)行劃分，未考慮開發(fā)利用的環(huán)境、地質(zhì)、生態(tài)等方面的因素。另外，在海洋無(wú)碳能源建站選址和開發(fā)利用綜合評(píng)價(jià)方面，我國(guó)海洋無(wú)碳能源建站選址尚未開展大面積的開發(fā)利用，僅在浙江和福建等沿海省份開展了電站選址、勘測(cè)、設(shè)計(jì)工作，可行性研究較多。

未來(lái)可根據(jù)地方和企業(yè)需求，對(duì)重點(diǎn)海域附近的海洋環(huán)境條件實(shí)施精細(xì)化調(diào)查和研究，進(jìn)一步查明海洋無(wú)碳能源分布及蘊(yùn)藏量，系統(tǒng)分析海域海底地貌、底質(zhì)狀況、地層結(jié)構(gòu)、海流和波浪分布特征以及臺(tái)風(fēng)、海嘯等災(zāi)害影響，開展不同開發(fā)規(guī)模下海洋生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)，綜合評(píng)價(jià)海洋無(wú)碳能源開發(fā)利用適宜性，提出各海洋無(wú)碳能源電站選址優(yōu)選建議，進(jìn)一步劃定海洋能資源分區(qū)，可為國(guó)家海洋可再生能源預(yù)留發(fā)展空間。