王項(xiàng)南，麻常雷

（國(guó)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(yáng)能、海底地?zé)崮艿饶茉?。不同?guó)家和地區(qū)對(duì)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(guó)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(guó)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(shí)到海洋能開發(fā)利用對(duì)于節(jié)能減排的重大意義后，世界上的主要海洋國(guó)家都在大力發(fā)展海洋能，尤其是英、美等國(guó)更是在近年來(lái)加大投入力度。我國(guó)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(dòng)海洋能規(guī)?；茫l(fā)展海洋能產(chǎn)業(yè)，將有力支撐我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

1 開發(fā)海洋可再生能源對(duì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的影響

近年來(lái)，積極應(yīng)對(duì)氣候變化、發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)已成為國(guó)際社會(huì)的普遍共識(shí)。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(shì)［2］。從全球來(lái)看，主要經(jīng)濟(jì)體都制定了明確的中長(zhǎng)期減排目標(biāo)。如英國(guó)2011 年通過(guò)“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(dòng)下，發(fā)展可再生能源已成為許多國(guó)家推進(jìn)能源轉(zhuǎn)型的核心內(nèi)容和應(yīng)對(duì)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(shí)間表。全球海洋能資源的巨大儲(chǔ)量，將為各國(guó)碳中和提供重要的支撐手段。同時(shí)要認(rèn)識(shí)到，海洋能開發(fā)利用需要重點(diǎn)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(wèn)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(xiàng)研究結(jié)果表明，國(guó)際海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)對(duì)未來(lái)中長(zhǎng)期經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)和創(chuàng)造就業(yè)具有重要貢獻(xiàn)潛力，特別是歐洲沿海國(guó)家，歐盟估計(jì)到2035 年海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)將創(chuàng)造4 萬(wàn)個(gè)就業(yè)崗位［3］。同時(shí)，開發(fā)利用海洋可再生能源還具有保持能源供給獨(dú)立性等優(yōu)勢(shì)。隨著越來(lái)越多國(guó)際知名企業(yè)的進(jìn)入，國(guó)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(lái)能源供給的重要組成部分和未來(lái)海洋經(jīng)濟(jì)的重要增長(zhǎng)點(diǎn)［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(chǔ)量理論上遠(yuǎn)超過(guò)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(fèi)量的數(shù)十倍，未來(lái)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(guó)能源部下屬的可再生能源國(guó)家實(shí)驗(yàn)室于2021 年2 月發(fā)布了《美國(guó)海洋能發(fā)展機(jī)遇展望》，對(duì)美國(guó)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(píng)估。結(jié)果顯示，美國(guó)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(guó)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(guó)全國(guó)電力需求的1.6倍［6］。

《英國(guó)海洋可再生能源的未來(lái)》報(bào)告中指出，英國(guó)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(guó)海洋能資源可以滿足全國(guó)電力需求量約20%［7］。

3 我國(guó)海洋可再生能源資源開發(fā)潛力巨大

我國(guó)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(guò)70 GW，深遠(yuǎn)海海域的波浪能資源遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)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(guó)家海洋局組織的“我國(guó)近海海洋綜合調(diào)查與評(píng)價(jià)”專項(xiàng)開展的海洋能資源調(diào)查與評(píng)價(jià)，我國(guó)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(jiàn)表1。

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

3.1 潮汐能資源

我國(guó)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(guó)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(guó)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(guó)總量38%。

圖2 我國(guó)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(guó)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(tái)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)鹽差能資源主要分布在上海市和廣東省海域。

4 我國(guó)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(shì)，但相對(duì)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(lái)，我國(guó)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(jí)已接近6 級(jí)（示范試驗(yàn)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(shí)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(guó)際領(lǐng)先水平。

4.1 技術(shù)進(jìn)展

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

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

我國(guó)潮流能技術(shù)近年快速發(fā)展，成熟度為6—7級(jí)，使我國(guó)成為世界上為數(shù)不多的掌握規(guī)模化潮流能開發(fā)利用技術(shù)的國(guó)家。目前約有20 臺(tái)機(jī)組完成了海試，最大單機(jī)功率650 kW，部分機(jī)組實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)期示范運(yùn)行。浙江舟山聯(lián)合動(dòng)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(jí)LHD 潮流能示范平臺(tái)于2016 年8 月實(shí)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(tái)垂直軸和水平軸機(jī)組，最大機(jī)組功率為400 kW。該平臺(tái)的連續(xù)發(fā)電時(shí)間、累計(jì)發(fā)電量等指標(biāo)處于國(guó)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(guó)內(nèi)單機(jī)功率最大的潮流能機(jī)組。

我國(guó)波浪能技術(shù)成熟度為5—6 級(jí)?？蒲腥藛T針對(duì)我國(guó)波浪能資源特點(diǎn)，研發(fā)出小功率波浪能發(fā)電裝置，目前約有30 臺(tái)裝置完成了海試，最大單機(jī)功率500 kW，已初步實(shí)現(xiàn)為偏遠(yuǎn)海島供電。近年來(lái)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(wàn)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(shí)現(xiàn)我國(guó)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(yàn)。2020 年7 月，500 kW 鷹式波浪能發(fā)電裝置開始在廣東萬(wàn)山島海域海試。

我國(guó)溫差能技術(shù)成熟度為4—5 級(jí)。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(yàn)裝置，在溫差為19.7 ℃時(shí)，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(shí)驗(yàn)室模擬系統(tǒng)。國(guó)家海洋技術(shù)中心于2011年針對(duì)小型海洋觀測(cè)平臺(tái)供電問(wèn)題，開展了200 W溫差能發(fā)電技術(shù)研究。

我國(guó)鹽差能技術(shù)成熟度為3級(jí)。中國(guó)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(guó)海洋能產(chǎn)業(yè)已開始從起步階段向成長(zhǎng)階段過(guò)渡。我國(guó)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(jí)潮流能示范工程、“澎湖號(hào)”波浪能養(yǎng)殖網(wǎng)箱供電示范工程等運(yùn)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(wèn)題

目前，我國(guó)潮汐能技術(shù)與國(guó)際先進(jìn)水平差距不大，潮流能和波浪能與國(guó)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(guó)際先進(jìn)水平差距較大［12］?？傮w來(lái)看，我國(guó)海洋能技術(shù)的發(fā)展主要存在以下問(wèn)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(tái)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(guó)海洋能基礎(chǔ)研究相對(duì)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(duì)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(guó)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(shí)現(xiàn)萬(wàn)千瓦級(jí)潮汐電站建設(shè)實(shí)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(wèn)題，距離產(chǎn)品化應(yīng)用水平尚有差距［13］。此外，我國(guó)海洋能裝置示范應(yīng)用規(guī)模（不足百千瓦級(jí)）遠(yuǎn)小于國(guó)際上的兆瓦級(jí)水平。

我國(guó)海洋能技術(shù)公共服務(wù)平臺(tái)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(wèn)題。借鑒國(guó)外經(jīng)驗(yàn)，建設(shè)海洋能海上公共測(cè)試場(chǎng)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(cè)與認(rèn)證服務(wù)體系，是解決這一系列問(wèn)題的有效手段。國(guó)際上運(yùn)行時(shí)間最長(zhǎng)的歐洲海洋能中心（EMEC）建于2003 年，已經(jīng)為全球數(shù)十臺(tái)海洋能裝置提供了權(quán)威的測(cè)試服務(wù)。相比而言，國(guó)內(nèi)海洋能公共服務(wù)平臺(tái)進(jìn)展較為緩慢。

5 我國(guó)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(guó)海洋可再生能源開發(fā)利用大有可為：我國(guó)近海海洋可再生能源技術(shù)可開發(fā)量超過(guò)60 GW，具有巨大的減排潛力。根據(jù)國(guó)際能源署海洋能系統(tǒng)（IEA OES）測(cè)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(cè)算，我國(guó)海洋可總裝機(jī)容量如果超過(guò)30 GW，每年可減少CO2排放5 000萬(wàn)t。

5.1 我國(guó)海洋可再生能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展主要路徑

為實(shí)現(xiàn)2060 年我國(guó)海洋能裝機(jī)容量超過(guò)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(lì)政策等方面共同推動(dòng)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(guò)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(dòng)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(guó)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(dòng)海洋能盡快成為偏遠(yuǎn)海島和深遠(yuǎn)海海上活動(dòng)的能源保障。

制定并落實(shí)產(chǎn)業(yè)激勵(lì)政策。加快制定海洋能上網(wǎng)電價(jià)激勵(lì)政策，推動(dòng)海洋能電站試行上網(wǎng)電價(jià)單獨(dú)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(dòng)海洋能技術(shù)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。

5.2 我國(guó)海洋可再生能源技術(shù)發(fā)展重點(diǎn)方向

近海潮流能規(guī)?；眉夹g(shù)。研發(fā)兆瓦級(jí)潮流能高可靠、低成本發(fā)電技術(shù)，重點(diǎn)解決潮流能機(jī)組傳動(dòng)系統(tǒng)及密封單元可靠性、整機(jī)安全性、低成本運(yùn)維等問(wèn)題，研究潮流能機(jī)組及其陣列化應(yīng)用對(duì)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(jí)波浪能俘獲與轉(zhuǎn)換技術(shù)，重點(diǎn)解決漂浮式發(fā)電平臺(tái)深遠(yuǎn)海錨泊及運(yùn)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(jí)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(diǎn)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(yíng)養(yǎng)元素提取制取、深遠(yuǎn)海錨泊及運(yùn)維等問(wèn)題，開展南海溫差能綜合利用示范。

深遠(yuǎn)海裝備海洋能長(zhǎng)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(cè)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)。