国内外海洋温差能发电技术最新进展及发展建议

岳 娟，于 汀，李大树，李志川，吴勇虎

（中海油研究总院，北京 100028）

国内外海洋温差能发电技术最新进展及发展建议

岳 娟，于 汀，李大树，李志川，吴勇虎

（中海油研究总院，北京 100028）

国际社会对能源安全、生态环境保护及应对气候变化等问题日益重视，加快开发利用海洋能已成为世界沿海国家和地区的普遍共识。海洋温差能因其“可持续24 h无间歇发电、清洁无污染”等特点受到各国青睐，纷纷通过制定中长期发展路线和布局以推动海洋温差能技术发展。文中对温差能开发利用技术进展情况进行了总结归纳，对比了国外已建项目的技术特点，重点对近年来国外海洋温差能开发利用技术最新进展进行总结，对海洋温差能发展趋势及前景进行展望，并结合实际情况对我国开展海洋温差能开发利用技术提出建议。

海洋温差能发电；进展；发展建议

随着经济的飞速发展，国际社会对保护生态环境、应对气候变化等环境问题日益重视，加上化石能源日渐枯竭，海洋能作为清洁可再生能源逐渐走入人们的视野，加快开发利用海洋能已成为世界沿海国家和地区的普遍共识和一致行动。海洋温差能作为海洋能的一个能种，因其可持续24 h无间歇发电、蕴藏量巨大、清洁无污染等优点[1]广泛受到学者关注。海洋温差能是海洋能中能量最稳定、密度最高的一种，在温差12～20℃时折合成有效水头为210～570 m，已具有相当水力能的强度，能量密度较高。温差能开发利用发展历史悠久，迄今为止以美、日、法等为代表的发达国家对海洋温差能开发利用技术开展了大量的研究工作，处于世界领先水平。我国温差能开发利用技术仍处在温差能发电装置原理研究，虽然近些年有了一些进展，但与国外相比，仍存在较大的差距。

本文对温差能开发利用技术进展情况进行了总结归纳，并对比了国内外已建项目的技术特点，重点对近年来国外海洋温差能开发利用技术最新进展进行总结，对海洋温差能发展趋势及前景进行展望，并结合我国实际情况对我国开展海洋温差能开发利用技术提出建议。

1 温差能开发利用技术国外进展

迄今为止以美、日、法等国为代表的发达国家对海洋温差能开发利用技术开展了大量的研究工作，处于世界领先水平。通过资料及文献的调研，2013年以后，温差能的开发技术发展向着商业化目标又迈进了一步，主要进展如下。

1.1 国外在建及运行项目进展

（1）日本冲绳县50 kW海洋温差能电站

2013年3月，冲绳县久米岛50 kW海洋温差能发电（Ocean Thermal Energy Conversion，OTEC）电站首次发电成功[2]。该温差能电站由日本冲绳海洋深水研究院于2013年建成，采用闭式朗肯循环，最大发电功率为50 kW，表层海水温度为27℃，冷水源抽取612 m深处海水，温度为8.8℃，循环系统采用的是闭式系统，工质为四氟乙烷（R134a）。

图1 冲绳县50 kW温差能发电装置

（2）美国夏威夷100 kW温差能电站

以美国洛克希德·马丁公司和马凯公司为突出代表的公司多年来一直致力于海洋温差能开发利用技术的研发，完成了大量的实验和测试，拥有多年的研究基础和经验。

图2 夏威夷100kW OTEC发电系统

2010年，马凯公司在美国夏威夷自然能源实验室（NELHA）建成OTEC热交换测试系统。2014年，安装完成透平发电机及两台换热器（图为安装现场），建成100 kW OTEC示范电站。2015年8月试发电成功并连网[3]。据报道，该电站耗资500万美元建成，是目前世界上最大的利用可再生的清洁能源发电站，是全球第一个真正的闭式温差能电站并成功并入美国国家电网。

整套发电系统形成高40 inch的塔状，为今后在该岛建造10 MW大型海水温差发电站做准备。该系统共有两台换热器，每台换热器的热负荷为2 MW[4]。换热器费用约占总投资的30%。由于换热系统是模块化组件，因此可以进行适当的小规模测试。例如，原型换热器的横截面积为1 m2，高为2～8 m，需要设计海水流量为0.25 m3/s。氨工质循环系统配有两台工质循环泵和储存罐。该装置还可以通过海水流速、温度差、氨流量测蒸发器和冷凝器的性能。

此外，NELHA可以提供98 m3的冷海水及相应温海水[5]。深层海水通过620 m深的40 inch海水管道或914 m深的55 inch管道获得（1 inch=25.4 mm），约占总投资的10%。是全球可以提供深海水流量最大的实验室。

（3）法属留尼汪岛10 MW OTEC项目

法属留尼汪岛10 MW岸基式温差能发电站，该项目由法国国有船舶制造集团（以下简称DCNS）资助[6]。2008年DCNS开始着手筹备，2009年4月DCNS与留尼汪岛区域政府第一次签署可行性研究协议[7]，同年10月第二次签署合约确立了陆地和海上两方面的实施方案，得到岛上圣皮埃尔大学的技术支持。2010年2月15日，法国总统萨科奇访问留尼汪岛时指定该岛为OTEC技术的示范及实验基地。2012年，陆上的研制工作完成，从南特运往海上组装调试。2013年完成模型样机的安装，进入测试阶段。面临的主要挑战在于深海冷水管的固定，船舶在留尼汪岛的抛锚情况，水泵管道的数值建模以及环境的考量研究等。目标是在2030年拥有大功率的OTEC发电站组，总发电量将达到100～150 MW。

图3 留尼汪岛10MW OTEC项目设计方案及样机[8]

（a）样机安装 2013年，法国DCNS公司在法属留尼汪岛成功建造并安装一台实验样机。采用岸式，以避免锚定、浮动平台1 000 m长柔性冷海水管等海洋工程相关问题。与10 MW OTEC电站比较，实验样机为1/200的比例原型[9]，目标是产生15 kW等效功率。

但考虑到规模和成本原因，没有安装交流发电机，此外，受规模限制，这个岸基样机不发电。冷源和热源均由热泵模拟，通过调节可以模拟全年的温海水温度，从23～28℃均可。而冷海水温度通常相对稳定，设置约为5℃。为了使样机尽可能接近10 MW OTEC发电装置，它们采用了相同的工作压力。

（b）关于热交换装置 用于样机的换热器尺寸为长3～4 m，用于电站的实际尺寸长达到12 m，直径达4 m[10]。经实验测试显示，板式蒸发器每平方米的换热量大于管壳式蒸发器。板式蒸发器和管壳式蒸发器，两者之间最重要的区别是氨的消耗量，板式蒸发器需要37 L且产生的净发电量更多，而管壳式蒸发器需要270 L。尽管如此，板式蒸发器也具有一些缺点，如：实验导致沿程损失增加（海水泵消耗增加）、结垢问题、材料（铝）腐蚀，添加隔板导致空间损失和成本提高。

考虑到以上缺点，还需对蒸发器及对应水泵消耗做其他探索，并开展其他热力循环形式的研究。研究人员提出的模型模拟方法可以用该实验样机来验证。

（c）岛上可再生能源项目分布（如图4）

图4 留尼汪岛可再生能源项目分布图[11]

（d）热经济分析 对20 kW OTEC装置进行热经济分析可以计算发电成本。一台OTEC装置产生20.1 kW，其中冷海水泵及暖海水泵耗能共10 kW，当海水的单位成本为零时，发电成本约为0.363美元/kWh[12]。20 kW OTEC装置的单位成本估计值与10 MW OTEC电站的单位成本0.44美元/kWh相差不大。

如果温海水用焚烧厂或太阳能热电厂的废热水来代替，那么OTEC发电成本将随着供应的热水的单位成本线性增加。对于某些地区，如有较稳定的25℃温海水，或有来自于发电厂冷凝器的温排水，温差能是经济上可行的可再生能源。对于规模较大的OTEC电站，减少海水泵消耗（特别是深海水）对降低OTEC发电成本、提高发电效率尤为重要。

1.2 国外规划中项目最新进展

海洋能温差能开发利用技术作为未来海洋能发展的重要方向，近年来世界各国也纷纷通过广泛开展国际交流和合作等方式加快该领域的迅速发展。

（1）法国船级社批准韩国海洋温差能转换电站

2016年3月，国际领先的船级社，法国国际检验集团(简称BV)，首次原则上批准韩国船舶与海洋工程研究院（简称KRISO）设计的1 MW海洋温差能发电站。该OTEC电站建造完成后，将安装于南太平洋基里巴斯共和国南塔瓦海岸，形式为漂浮式，离岸安装。

图5 KRISO海洋热能转换电站

KRISO设计的1 MW海洋热能转换电站，是首个可实用的此类电站，可为今后100 MW商业化电站建立铺路的基础电站。该电站为宽度35 m的八边形[13]，有四层甲板，重6 700 t，锚定在水深1 300 m、离岸6 km的海面之处。冷水管长度1 000 m、管径1.2 m，将底层海水泵入平台上使用。BV原则上的批准，意味该设计是可行的，可以实现的，并且解决了在适合的海洋气象条件下运行的基本技术问题。BV的认证工作包括海洋气象/流体动力学分析、系泊分析、稳定性分析、立管设计和系统概念设计的验证等。

（2）印度海军计划建造OTEC电站，发展绿色能源

2015年，印度海军计划在安达曼-尼科巴群岛，通过建立20 MW[14]OTEC发电基地，为该生态岛供电。安达曼-尼科巴群岛是印度联邦的海外联合属地，是安达曼群岛、十度海峡和尼科巴群岛的统称，处于孟加拉湾与缅甸海之间，缅甸以南，距离印度大陆800 km。

发电将用于海军设施和岛上的空军基地。DCNS集团已经完成了有关该离岸式OTEC电站部署的预可行性研究。该OTEC基地的建成，标志着该岛柴油发电的结束，开启了依靠清洁可持续能源开展海军行动的新模式。

印度海军热衷于绿色能源。在最近一次的海军参谋长招待会上展示了该OTEC基地的比例尺模型，这个模型曾经也给总理莫迪展示过。

（3）马提尼克岛16 MW漂浮式温差能项目（NEMO项目）

2015年，DCNS与Akuo能源公司合作，计划在法属马提尼克岛建造16 MW漂浮式OTEC电站[15]（以下简称NEMO项目），该岛位于加勒比热带海域。项目总体目标是，2019-2020年完工，可供35 000户家庭用电，实现孤岛能源自给，满足日益增长的马提尼克岛供能需求[16]。NEMO项目得到法国当局支持，总投资29.6亿欧元，其中来自欧洲NER300基金7.2亿欧元的资助[17]。该试点还有海上风能等其它形式的海洋能设施，进行多能互补。

图6NEMO项目概念图

2016年2月，瑞典高分辨率海底测量供应商MMT和Reach Subsea，获得NEMO项目的签约合同，目的是测量该电站所在区域的地球物理和地质环境，计划在2016年第一季度的两个月开展。MMT公司与Reach Subsea合作利用二代动力定位系统“Stril Explorer”号潜水器对热带水域的火山斜坡地质进行资源调查，该潜水器装有水下机器人及与物探工作相关的配置。该电站的水下电缆通往加勒比海法属马提尼克岛西海岸的贝尔方丹镇。

（4）夏威夷计划建造100 MW漂浮式温差能电站

2015年，美国计划在夏威夷建造一个100 MW浮式温差能电站[18]。冷海水将从1 000 m深处抽取，冷水管径达10 m，水中的重量将超过2 300 t。这样的冷水管在海洋工程中前所未有，不过洛克希德·马丁公司在海上的浮动温差能平台上开发了一种制造这种玻璃纤维管的方法。面对的另一工程挑战是如何将大型、灵活和精细的冷水管安全降低到海洋中，因为它在平台的甲板上是逐段制造的。马凯公司设计了完成这项任务的系统，并在码头建立并测试了一个1/20的比例模型用以研究。

图7 100 MW OTEC电站概念图

OTEC有望作为一种可再生能源，以0.2美元/ kw·h的价格进行商业化规模发电。一座单个的商业规模OTEC电站可节省130万桶石油的燃烧，从而减少每年50万t的碳排量。不过，目前该技术还处于研究阶段。105 kW的OTEC电站供电只够120户家庭使用[19]。这意味将需要12个商业级电站来满足夏威夷100%的供电需求。

2 温差能开发利用技术国内进展

国家海洋局第一海洋研究所多年来致力于该领域的研究，并获得了大量研究成果。据最新报道，国家海洋局第一海洋研究所在国家海洋可再生能源专项资金支持下开展了“海洋温差能开发利用技术研究与试验”项目，建立了具有自主知识产权的热力学模型，研建了海洋温差能发电系统，成功地解决了密封、材质等关键技术问题，该系统转换效率达到了3%，最高达到3.8%，连续运行时间超过了1 000 h。

中国海油自2016年开始开展海洋能温差能开发利用技术研究，探索引进国际先进技术，开发我国海洋温差能开发利用技术的可行性，为建设大型温差能发电平台提供技术决策支持。

3 总结及建议

3.1 进展总结

综上所述，近年来，越来越多国际知名研究机构进军海洋温差能产业，海洋温差能产业化进程正在不断加快。国外温差能开发利用技术取得了实质性进展。这表明，实现利用温差能为目标用户发电的伟大设想指日可待。

虽然海洋温差能开发利用技术不断突破，但其投资成本高仍是制约其发展的重要原因。现有热交换器换热效率及其在海洋环境中运行可靠性较低，是制约海洋温差发电高效换热器发展的主要技术难题。海洋温差能开发还存在一些技术难点，主要体现在以下几个方面：（1）热机系统：温差较低（一般20～25℃左右）、系统循环热效率不高（朗肯循环3%）；（2）水管道系统：循环海水大流量导致海水管直径大（4～10 m）、管道布置有难度；（3）泵系统：抽取深层冷海水所要求的水泵功率大（系统自耗主要原因）、海水管进、出口对环境有影响；（4）换热系统：蒸发器和冷凝器要求高耗资昂贵；（5）设备防腐蚀技术：防止海水腐蚀。

3.2 发展建议

我国温差能开发利用技术尚处在温差能发电装置原理研究，虽然近些年有了一些进展，但与国外该领域资深研究机构相比，仍存在较大的差距。我国南海作为温差能资源储量丰富区域，居各类海洋能资源首位，具备良好的开发条件和开发前景。我国若希望成为我国温差能开发利用的排头兵，引进消化吸收再创新是迅速掌握关键技术、占领制高点的最佳途径。借鉴美国马凯海洋工程公司和法国DCNS公司的成功经验和发展道路，通过与国外该技术领域的研究权威机构广泛合作，结合国内海洋工程上丰富的经验和自身优势，联合开发，才能尽快实现温差能发电的目标。

参考文献：

[1]Frantz Sinama，Franck Lucas，François Garde.Modeling of ocean thermal energy conversion (OTEC)plant In Reunion Island[C]// Proceedings ofASME 2010 4th International Conference on EnergySustainability,May17-22,2010,Phoenix,Arizona,USA.

[2]The Okinawa Prefecture Ocean Thermal Energy Conversion Power Demonstration Project[EB/OL].http://otecokinawa.com/en/ Project/index.html.

[3]Makai Connects World’s Largest Ocean Thermal Plant to U.S.Grid.August 2015 [EB/OL].http://www.makai.com/makai-news/ 2015_08_29_makai_connects_otec/

[4]Makai’s OTEC turbine and two newheat exchangers arrive at the ocean energy research center in Hawaii.NEWS RELEASE.October 31,2014[EB/OL].www.makai.com.

[5]OTECHeat exchanger test facilityat NELHA.Dec 29,2015[EB/OL].http://www.makai.com/ocean-thermal-energy-conversion.

[6]éNergie Thermique Des Mers:Quelles Réalisations 2012,Mars[EB/OL].http://www.clubdesargonautes.org/energie/thermique.php.

[7]Ocean thermal energy conversion at Réunion Island:DCNS and Réunion regional council sign demonstrator agreement.Saint-Denis, Réunion Island,7 April 2009.[EB/OL].www.arer.org

[8]ETM-Energie Thermique des Mers[R].DCNS，2013.

[9]A Journoud，F Sinama，F Lucas.Experimental ocean thermal energy conversion (OTEC)project on the Reunion Island[C]//4th International Conference on Ocean Energy(ICOE 2012),17th October,Dublin.

[10]Ocean Thermal EnergyConversion.Amarine renewable energyproduction systemfor tropical areas[R].DCNS，2013.

[11]Jean Philippe Praene,Mathieu David,Frantz Sinama,et al.Renewable energy:Progressing towards a net zero energy island,the case ofReunion Island[J].Renewable and Sustainable EnergyReviews.2011.

[12]Jung-Yeul Jung,Ho Saeng Lee,Hyeon-Ju Kim,et al.Thermoeconomic analysis of an ocean thermal energy conversion plant[J]. Renewable Energy,2016,86:1086-1094.

[13]Bureau Veritas Approves Kriso Ocean Thermal Energy Converter.March 7,2016.[EB/OL].http://www.otecnews.org/2016/03/ bureau-veritas-approves-kriso-ocean-thermal-energy-converter/.

[14]French firm to help Indian Navy.OTEC power plant to come up at Vizag.Feb 16,2017.[EB/OL].http://www.deccanchronicle.com/ nation/current-affairs/160217/french-firm-to-help-indian-navy-otec-power-plant-to-come-up-at-vizag.html.

[15]Jean Castaing-Lasvignottes,AudreyJournoud,FrantzSinama,et al.Modélisation et simulation des échangeurs d’une installation de production d’électricité par énergie thermique des mers[C]//June 6,2016.

[16]Akuo Energy and DCNS awarded European NER 300*funding:a crucial step for the marine renewable energy sector.Sept 7,2014 [EB/OL]http://en.dcnsgroup.com/news/akuo-energy-and-dcns-awarded-european-ner-300-funding-a-crucial-step-for-themarine-renewable-energy-sector/

[17]Ocean EnergyEurope calls for newEU renewable energyfunding.July08,2014[EB/OL].http://www.offshorewind.biz/2014/07/08/ocean-energy-europe-calls-for-new-eu-renewable-energy-funding/.

[18]Largest OTECFacilityInaugurated in Hawaii.Oct 1,2015[EB/OL].http://www.powermag.com/largest-otec-facility-inaugurated-inhawaii/.

[19]Hawaii's MakingClean Power FromOcean Water.Aug30,2015[EB/OL].https://www.labroots.com/trending/technology/1600/hawaiis-making-clean-power-from-ocean-water.

Study on the Up-to-Date Progress and Suggestions for Ocean Thermal Energy Conversion Technologies

YUE Juan,YU Ting,LI Da-shu,LI Zhi-chuan,WU Yong-hu
CNOOC Research Institute,Beijing 100028,China

Currently,the international community has paid increasing attention to energy security,environmental protection and climate change.To accelerate the development and utilization of marine energies has become a common consensus and turned out into concerted action in a number of coastal countries and regions.Ocean thermal energy conversion (OTEC)is increasingly favored by countries owing to a 24/7 base-load and CO2-free renewable feature.Many countries have developed long-term development plans and layout and promoted the utilization of ocean thermal energy.This paper summarizes the technological progress of developing ocean thermal energy,compares the technical characteristics of completed overseas OTEC projects,focuses on the latest status of ocean thermal energy development and utilization in recent years.In this paper,the future development of ocean thermal energy is predicted and some suggestions on the development and utilization of ocean thermal energy are put forward based on the actual situation in China.

ocean thermal energy conversion(OTEC);technological progress;development trend

P743.4

A

1003-2029（2017）04-0082-06

10.3969/j.issn.1003-2029.2017.04.015

2017-04-10

中国海洋石油总公司科技项目资助“新型低碳清洁能源技术跟踪与探索研究”（CNOOC-KJZHKYZY2016-01）

岳娟（1986-），女，硕士，工程师，主要从事海洋能相关研究。E-mail：yuejuan2@cnooc.com.cn