“双碳”目标下海洋可再生能源资源开发利用

王项南，麻常雷

（国家海洋技术中心，天津300112）

0 引言

海洋可再生能源一般是指依附于海水水体的可再生能源［1］，主要包括波浪能、潮流能、潮汐能、温差能、盐差能等。开发利用海洋可再生能源，就是将上述能源资源转化为可用的能源形式（通常是电能）。广义的海洋可再生能源还包括利用海洋空间进行开发利用的海上风能、海上太阳能、海底地热能等能源。不同国家和地区对海洋可再生能源的定义有所区别，欧洲地区将海上风能与波浪能、潮流能等统称为海上可再生能源，而美国通常将海上油气、海上风能与波浪能、潮流能等统称为海洋能源。本文围绕我国波浪能、潮流能、潮汐能、温差能及盐差能资源的开发利用展开论述。在认识到海洋能开发利用对于节能减排的重大意义后，世界上的主要海洋国家都在大力发展海洋能，尤其是英、美等国更是在近年来加大投入力度。我国海洋能资源丰富，具有极大的开发潜力。加快海洋能技术研发，推动海洋能规模化利用，发展海洋能产业，将有力支撑我国碳达峰、碳中和目标的实现。

1 开发海洋可再生能源对经济发展的影响

近年来，积极应对气候变化、发展低碳经济已成为国际社会的普遍共识。根据《巴黎协定》，缔约方将在21世纪末“把全球平均气温较工业化前水平升高控制在2 ℃之内，并为把升温控制在1.5 ℃之内而努力”。《巴黎协定》反映出全球向绿色低碳转型、构建清洁能源体系已成为趋势［2］。从全球来看，主要经济体都制定了明确的中长期减排目标。如英国2011 年通过“碳预算”法案，规定到2025 年将在1990 年基础上减排50%、2030 年减排60%、2050年减排80%。在节能减排目标驱动下，发展可再生能源已成为许多国家推进能源转型的核心内容和应对气候变化的重要途径，全球可再生能源开发利用规模不断扩大。近期，英、美等主要经济体更是提出了各自的碳中和时间表。全球海洋能资源的巨大储量，将为各国碳中和提供重要的支撑手段。同时要认识到，海洋能开发利用需要重点解决海洋能资源不稳定、能量密度较低、海上生存条件恶劣等问题，才能加快提升海洋能技术成熟度。

此外，经济合作与发展组织（OECD）2015 年发布的一项研究结果表明，国际海洋可再生能源产业对未来中长期经济增长和创造就业具有重要贡献潜力，特别是欧洲沿海国家，欧盟估计到2035 年海洋可再生能源产业将创造4 万个就业岗位［3］。同时，开发利用海洋可再生能源还具有保持能源供给独立性等优势。随着越来越多国际知名企业的进入，国际海洋可再生能源产业化进程不断加快，有望成为未来能源供给的重要组成部分和未来海洋经济的重要增长点［4］。

2 全球海洋可再生能源资源十分丰富

全球海洋可再生能源资源的储量理论上远超过人类的能源需求，年可发电量为2 000 000 TW·h，是全球电力消费量的数十倍，未来海洋可再生能源开发主要取决于技术的发展水平［5］。

美国能源部下属的可再生能源国家实验室于2021 年2 月发布了《美国海洋能发展机遇展望》，对美国沿海各州及远海的海洋可再生能源资源总体状况进行了综合评估。结果显示，美国沿海各州所属海域的温差能、波浪能、潮流能资源技术可开发量为2 300 TW·h/a，相当于全美2019 年用电量的47%。如果再加上太平洋及加勒比海地区偏远海域的温差能资源，美国温差能、波浪能、潮流能资源技术可开发量将高达6 400 TW·h/a，是美国全国电力需求的1.6倍［6］。

《英国海洋可再生能源的未来》报告中指出，英国波浪能资源年技术可开发量高达381 TW·h，潮流能资源年技术可开发量高达21 TW·h。英国海洋能资源可以满足全国电力需求量约20%［7］。

3 我国海洋可再生能源资源开发潜力巨大

我国海洋可再生能源资源总量丰富，仅近海海域的海洋可再生能源资源技术可开发量就超过70 GW，深远海海域的波浪能资源远远超过近岸海域。此外，深远海的洋流能资源也比较丰富［8］。

根据2004年原国家海洋局组织的“我国近海海洋综合调查与评价”专项开展的海洋能资源调查与评价，我国近海海洋可再生能源资源理论装机容量约697 GW，具有巨大的开发潜力，见表1。

表1 我国近海海洋可再生能源资源统计Tab.1 Statistics of marine renewable energy resources in offshore waters of China GW

3.1 潮汐能资源

我国潮汐能资源主要集中在东海沿岸，浙江省潮汐能资源最多，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，具有很好的潮汐电站建设条件，如图1 所示［9］。潮汐能资源最优港湾包括浙江省钱塘江口、三门湾，福建省兴化湾、三都澳、湄洲湾等。

图1 我国近海潮汐能资源分布［9］Fig.1 Vertical tidal energy distribution in offshore waters of China［9］

3.2 潮流能资源

浙江省沿岸海域潮流能资源最丰富，占我国近海潮流能资源潜在量50%以上，舟山海域各水道潮流能资源尤为丰富，各水道位于诸多岛屿之间，海况平稳，海底底质类型为基岩，非常适合布放座底式潮流能发电装置，如图2所示［9］。山东、江苏、福建、广东、海南和辽宁等省潮流能资源占我国总量38%。

图2 我国近海潮流能资源分布［9］Fig.2 Axis tidal energy distribution in offshore waters of China［9］

3.3 波浪能资源

广东省和海南省近海波浪能资源占我国波浪能资源总量的55%以上。福建南部、广东东北部、海南西南部以及台湾大部分沿岸海域波浪能能量密度大于4 kW/m，如图3所示［9］。

图3 我国近海波浪能资源分布［9］Fig.3 Wave energy distribution in offshore waters of China［9］

3.4 温差能资源

我国南海温差能资源丰富，南海东南部海域和西沙群岛附近海域1 000 m 等深线处距离海南岛或其他海岛不足100 km，具有较好的温差能电站建设条件，如图4所示［9］。

图4 我国南海海域温差能资源分布［9］Fig.4 Temperature difference energy distribution in the South China Sea［9］

3.5 盐差能资源

我国沿海河流众多，年入海径流丰富，盐差能资源总量大但地理分布不均，季节变化剧烈且年际变化明显。我国盐差能资源主要分布在上海市和广东省海域。

4 我国海洋可再生能源技术进展

海洋可再生能源具有开发潜力大、可持续利用、绿色清洁等优势，但相对于传统化石能源，海洋可再生能源能量密度低、稳定性较差，因而海洋可再生能源开发利用难度较大［10］。近年来，我国海洋能技术水平提升较快。潮流能和波浪能总体技术成熟等级已接近6 级（示范试验阶段），涌现出一批具有产业化前景的技术成果。潮流能、波浪能电站已实现并网发电，深海网箱养殖的波浪能供电技术已开始推广应用。潮汐能技术保持国际领先水平。

4.1 技术进展

我国海洋能装机规模位居世界前列。2020 年，我国海洋能累计装机约8 MW，位居世界第五，年并网发电量约7 GW·h，主要为潮汐能发电。潮流能和波浪能累计装机约4 MW，占全球在运行的潮流能和波浪能装机25%以上［11］。

我国潮汐能技术成熟度已达9级。总装机容量4.1 MW 的江厦潮汐电站，规模仅次于韩国始华湖电站、法国朗斯电站、加拿大安纳波利斯电站，位居世界第四。

我国潮流能技术近年快速发展，成熟度为6—7级，使我国成为世界上为数不多的掌握规模化潮流能开发利用技术的国家。目前约有20 台机组完成了海试，最大单机功率650 kW，部分机组实现了长期示范运行。浙江舟山联合动能新能源开发有限公司于2016 年3 月在舟山秀山岛海域下水的兆瓦级LHD 潮流能示范平台于2016 年8 月实现并网发电，截至2020 年年底，总装机容量达1.7 MW，先后共安装了7 台垂直轴和水平轴机组，最大机组功率为400 kW。该平台的连续发电时间、累计发电量等指标处于国际先进水平。浙江大学于2017 年11 月在舟山摘箬山岛海域实现了650 kW 水平轴潮流能机组并网发电，是目前国内单机功率最大的潮流能机组。

我国波浪能技术成熟度为5—6 级。科研人员针对我国波浪能资源特点，研发出小功率波浪能发电装置，目前约有30 台装置完成了海试，最大单机功率500 kW，已初步实现为偏远海岛供电。近年来还探索了波浪能网箱养殖、导航浮标供电等应用。中科院广州能源所研制的鹰式波浪能发电装置，基于振荡浮子式工作原理，采用漂浮安装方式。2012年起，中科院广州能源所在珠海万山岛海域先后布放了10 kW 和100 kW 鹰式波浪能发电装置，首次实现我国利用波浪能为海岛居民供电。2018年10月，200 kW 鹰式波浪能发电装置在南海永兴岛完成并网试验。2020 年7 月，500 kW 鹰式波浪能发电装置开始在广东万山岛海域海试。

我国温差能技术成熟度为4—5 级。自然资源部第一海洋研究所于2012年利用电厂排水余热，研制了15 kW 温差能发电试验装置，在温差为19.7 ℃时，透平发电效率约为73%。2017 年开展了高效氨透平、热交换器等关键技术研发，并搭建了10 kW温差能实验室模拟系统。国家海洋技术中心于2011年针对小型海洋观测平台供电问题，开展了200 W温差能发电技术研究。

我国盐差能技术成熟度为3级。中国海洋大学开展了100 W 缓压渗透式盐差能发电关键技术研究。

4.2 产业发展

我国海洋能产业已开始从起步阶段向成长阶段过渡。我国海洋能技术提升较快，突破了潮流能连续并网发电、波浪能深远海发电等技术，舟山秀山岛兆瓦级潮流能示范工程、“澎湖号”波浪能养殖网箱供电示范工程等运行效果良好，一批代表性技术具备了产品化基础。

4.3 存在的问题

目前，我国潮汐能技术与国际先进水平差距不大，潮流能和波浪能与国际先进水平差距较小，温差能、盐差能等海洋能技术与国际先进水平差距较大［12］。总体来看，我国海洋能技术的发展主要存在以下问题：海洋能基础研究比较薄弱，原创性技术较少；海洋能公共平台能力建设进展缓慢，发电装置转换效率、可靠性和稳定性普遍不高，示范应用效果不佳、装机规模偏低。

我国海洋能基础研究相对薄弱，在海洋能发电理论研究方面，跨学科、多领域交叉的应用基础研究开展较少，能量俘获与转换机理、俘获系统对海洋环境的适应性及响应控制、装置结构在海洋环境下的腐蚀及疲劳作用机理、最佳功率跟踪及负载特性匹配等基础研究亟须加强。

我国海洋能开发利用关键技术未取得突破、示范应用规模较小。潮汐能技术水平虽位居世界前列，但尚未实现万千瓦级潮汐电站建设实践。潮流能、波浪能、温差能等发电装置均存在可靠性和稳定性较差等问题，距离产品化应用水平尚有差距［13］。此外，我国海洋能装置示范应用规模（不足百千瓦级）远小于国际上的兆瓦级水平。

我国海洋能技术公共服务平台建设滞后。海洋能技术开展示范应用还面临着用海用地难、审批手续繁琐等问题。借鉴国外经验，建设海洋能海上公共测试场与示范区，为海洋能发电装置提供标准统一的检测与认证服务体系，是解决这一系列问题的有效手段。国际上运行时间最长的欧洲海洋能中心（EMEC）建于2003 年，已经为全球数十台海洋能装置提供了权威的测试服务。相比而言，国内海洋能公共服务平台进展较为缓慢。

5 我国海洋可再生能源开发利用展望

碳达峰、碳中和背景下我国海洋可再生能源开发利用大有可为：我国近海海洋可再生能源技术可开发量超过60 GW，具有巨大的减排潜力。根据国际能源署海洋能系统（IEA OES）测算，每千瓦海洋能装机容量可以减少CO2排放1.667 t/a［14］。据此测算，我国海洋可总装机容量如果超过30 GW，每年可减少CO2排放5 000万t。

5.1 我国海洋可再生能源产业发展主要路径

为实现2060 年我国海洋能装机容量超过30 GW 的目标，需要从高效低成本发电装备技术研发、拓展应用领域、制定产业激励政策等方面共同推动海洋能的规模化开发利用。

部署高效低成本海洋能发电装备技术研发。通过研发及优化新材料、新工艺，提高潮流能、波浪能、温差能转换效率，以及发电装备的可靠性和海上生存性，推动海洋能发电成本快速降低［15］。

拓展海洋能利用技术的应用领域。结合深远海开发、海上能源补给、海上国防建设、制淡制冷等应用，提升海洋能发电之外的附加值，推动海洋能尽快成为偏远海岛和深远海海上活动的能源保障。

制定并落实产业激励政策。加快制定海洋能上网电价激励政策，推动海洋能电站试行上网电价单独审批，探索商业性金融、股权融资等手段在海洋能开发利用中的应用［16］，推动海洋能技术产业化进程。

5.2 我国海洋可再生能源技术发展重点方向

近海潮流能规模化利用技术。研发兆瓦级潮流能高可靠、低成本发电技术，重点解决潮流能机组传动系统及密封单元可靠性、整机安全性、低成本运维等问题，研究潮流能机组及其阵列化应用对海洋环境的影响。

偏远海岛波浪能利用技术。研发兆瓦级波浪能俘获与转换技术，重点解决漂浮式发电平台深远海锚泊及运维、波浪能与海上风能集成等技术，推广波浪能与养殖网箱、海水淡化等技术耦合［17］。

温差能综合开发利用技术。研发兆瓦级温差能发电、冷海水直接应用及海水淡化等综合利用技术，重点解决冷海水管道材料及工程应用、深海水养殖及高值营养元素提取制取、深远海锚泊及运维等问题，开展南海温差能综合利用示范。

深远海装备海洋能长期稳定供电技术。发展深远海波浪能、深远海低流速海流能、深海海泥电池等自主创新技术，为深远海观测装备提供系列化、轻便型的供电产品。

新型自主创新海洋能发电技术。突破海洋能发电新机理新方法，开展摩擦纳米波浪能发电、柔性结构波浪能发电等自主创新技术研发。