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(jìn)行開發(fā)利用的海上風(fēng)能、海上太陽能、海底地?zé)崮艿饶茉础２煌瑖液偷貐^(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(rèn)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)模化利用，發(fā)展海洋能產(chǎn)業(yè)，將有力支撐我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實現(xiàn)。

1 開發(fā)海洋可再生能源對經(jīng)濟(jì)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(jì)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(jì)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(jì)體都制定了明確的中長期減排目標(biāo)。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(biāo)驅(qū)動下，發(fā)展可再生能源已成為許多國家推進(jìn)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(kuò)大。近期，英、美等主要經(jīng)濟(jì)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(rèn)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(jì)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(jì)增長和創(chuàng)造就業(yè)具有重要貢獻(xiàn)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(jìn)入，國際海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)化進(jìn)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(jì)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(yuǎn)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(jī)遇展望》，對美國沿海各州及遠(yuǎn)海的海洋可再生能源資源總體狀況進(jìn)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(dāng)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(yuǎn)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(dá)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(dá)381 TW·h，潮流能資源年技術(shù)可開發(fā)量高達(dá)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(yuǎn)海海域的波浪能資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過近岸海域。此外，深遠(yuǎn)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(jī)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(jìn)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(jìn)展

我國海洋能裝機(jī)規(guī)模位居世界前列。2020 年，我國海洋能累計裝機(jī)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(jī)約4 MW，占全球在運行的潮流能和波浪能裝機(jī)25%以上［11］。

我國潮汐能技術(shù)成熟度已達(dá)9級。總裝機(jī)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(jī)組完成了海試，最大單機(jī)功率650 kW，部分機(jī)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(jī)容量達(dá)1.7 MW，先后共安裝了7 臺垂直軸和水平軸機(jī)組，最大機(jī)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(biāo)處于國際先進(jìn)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(jī)組并網(wǎng)發(fā)電，是目前國內(nèi)單機(jī)功率最大的潮流能機(jī)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(jī)功率500 kW，已初步實現(xiàn)為偏遠(yuǎn)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(biāo)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(yuǎn)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(jìn)水平差距不大，潮流能和波浪能與國際先進(jìn)水平差距較小，溫差能、鹽差能等海洋能技術(shù)與國際先進(jìn)水平差距較大［12］?？傮w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(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)理、最佳功率跟蹤及負(fù)載特性匹配等基礎(chǔ)研究亟須加強(qiáng)。

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(yuǎn)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(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一的檢測與認(rèn)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(jìn)展較為緩慢。

5 我國海洋可再生能源開發(fā)利用展望

碳達(dá)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(jī)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(jī)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(jī)容量超過30 GW 的目標(biāo)，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)?；_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(yuǎn)海開發(fā)、海上能源補(bǔ)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(yuǎn)海島和深遠(yuǎn)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(jìn)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(jī)組傳動系統(tǒng)及密封單元可靠性、整機(jī)安全性、低成本運維等問題，研究潮流能機(jī)組及其陣列化應(yīng)用對海洋環(huán)境的影響。

偏遠(yuǎn)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(yuǎn)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(yuǎn)海錨泊及運維等問題，開展南海溫差能綜合利用示范。

深遠(yuǎn)海裝備海洋能長期穩(wěn)定供電技術(shù)。發(fā)展深遠(yuǎn)海波浪能、深遠(yuǎn)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(yuǎn)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(jī)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)。