引用本文
薛碧颖, 陈斌, 邹亮. 我国海洋无碳能源调查与开发利用主要进展[J].中国地质调查, 2021,8(4): 53-65.
XUE Biying, CHEN Bin, ZOU Liang. Main progress in investigation, development and utilization of marine carbon-free energy in China[J].Geological Survey of China, 2021,8(4): 53-65.  
doi: 10.19388/j.zgdzdc.2021.04.06
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我国海洋无碳能源调查与开发利用主要进展
薛碧颖1,2, 陈斌1,2, 邹亮1,2
1.中国地质调查局青岛海洋地质研究所,山东 青岛 266071
2.海洋国家实验室海洋矿产资源评价与探测技术功能实验室,山东 青岛 266071
通信作者简介: 陈斌(1979—),男,博士,正高级工程师,主要从事海洋地质与海洋资源环境等方面的研究。Email: chenbin1007@hotmail.com。

第一作者简介: 薛碧颖(1992—),女,硕士,工程师,主要从事海洋地质与海洋资源环境等方面的研究。Email: biying_xue@163.com。

收稿日期: 2021-07-05 修回日期: 2021-08-13
摘要

海洋可再生能源属于无碳能源,包括潮汐能、潮流能、波浪能、温差能、盐差能和风能等多种形式。文章介绍了国内外海洋无碳能源的开发利用现状,重点阐述了我国海洋无碳能源储量、分布及其开发利用条件,以及我国海洋无碳能源发展存在的问题和开发利用前景。开发利用海洋无碳能源符合碳中和发展需求,在能源转换中占有重要地位,对沿海和海岛经济发展、生态环境保护和海洋国防建设具有十分重要的战略意义。

关键词: 无碳能源; 海洋能; 资源量; 开发利用
中图分类号:P743;TK8 文献标志码:A 文章编号:2095-8706(2021)04-0053-13
Main progress in investigation, development and utilization of marine carbon-free energy in China
XUE Biying1,2, CHEN Bin1,2, ZOU Liang1,2
1. Qingdao Institute of Marine Geology, China Geological Survey, Shandong Qingdao 266071, China
2. Laboratory for Marine Mineral Resources, Qingdao National Laboratory for Marine Science and Technology, Shandong Qingdao 266071, China
Abstract

Ocean renewable energy is a carbon-free energy, including tidal energy, tidal current energy, wave energy, thermal gradient energy, salinity gradient energy and wind energy. With the rapid development of society, the demand for energy has been increasing and the development and utilization of marine energy has been paid more attention to around the world. The authors of this paper have introduced the development and utilization conditions, the existing problems and the prospects of marine energy in China. The development and utilization of marine energy is in conformance to the requirements of carbon neutral development and would play an important role in energy conversion, which is of great strategic significance to the coastal and island economic development, ecological environment protection and marine national defense construction.

Keyword: carbon-free energy; marine energy; resources; development and utilization
0 引言

海洋中蕴藏着丰富的能源资源, 由于海洋面积占地球表面积的71%, 所以理论上海洋资源量要高于陆地资源量。依据海洋能资源的开采方法和存在形式, 将其划分为海底化石能源、海洋非常规能源和海洋可再生能源3种。海洋可再生能源一般包括潮汐能、潮流能、波浪能、温差能和盐差能, 而广义的海洋可再生能源还包括海洋上空的风能, 上述这些能源都属于无碳能源, 也称为清洁能源, 具有可再生性和不污染环境等优点, 是一种亟待开发的新能源。

为合理应对气候变化和能源消费结构的改变, 全球正在逐步迈入以可再生能源为主的可持续能源时代, 海洋可再生能源已经成为重要组成部分。据国际可再生能源署统计, 2020年全球新增可再生能源装机容量相比上一年增长幅度大于45%, 新增可再生能源装机容量约2.80× 108kW, 预计未来2 a可再生能源增量将占全球电力总增量的90%[1]。全球海洋能蕴藏量约为776× 108 kW[2], 由于海洋能仍处于研发初期, 发电装机容量仅有53× 104 kW[1]。目前, 世界上已有30多个国家参与海洋能的开发, 欧洲无论是自然资源、技术水平还是产业规模都居于领先地位, 亚太、中东和非洲等地区的国家研发力度也在不断加强。开发利用海洋可再生能源符合碳中和发展需求, 在能源转换中占有重要地位, 对沿海和海岛经济发展、生态环境保护和海洋国防建设具有十分重要的战略意义。

1 海洋无碳能源开发利用现状
1.1 潮汐能开发利用现状

潮汐能的主要利用方式是潮汐发电。潮汐发电的原理就是在海湾入口或有潮汐的河口建筑堤坝、厂房和水闸, 与外海隔开形成水库, 利用涨落潮时库内水位与外海潮位之间形成的水位差推动水轮机发电。潮汐能发电技术已经基本成熟。潮汐能发电研究在世界上已有200多a的历史, 早在18世纪, 法国就开始研究如何利用潮汐能发电, 1912年世界上第一座潮汐电站于德国建成[3]。20世纪20年代, 陆续提出了多座潮汐电站的设计方案, 但直到1967年世界上第一座大型潮汐电站才在法国正式投入商业运行[4]。目前, 全球运行、在建、设计及研究的潮汐电站达100余座[5]。全球潮汐能的理论蕴藏量为30× 108 kW, 其中10× 108 kW集中在浅海海域, 但潮汐能蕴藏量中只有一小部分可以利用[3]。

我国潮汐能在开发利用技术水平、发电装置和设备等方面已具备较好的理论基础和丰富的实践经验。我国潮汐电站建设始于20世纪50年代中期, 曾经建设了76座潮汐电站, 但由于未进行正规的勘测设计和选址规划, 海水腐蚀和生物附着等问题也没有得到合理解决, 大部分潮汐电站短暂运行后就停办甚至废弃。我国目前仍在运行的潮汐电站有3座, 分别是浙江温岭江厦潮汐电站、浙江海山潮汐电站和山东白沙口潮汐电站。其中, 江厦潮汐电站是装机容量最大的电站, 总装机容量达到3 200 kW, 位于全球第四[6]。在我国东南沿海, 有许多能量密度较高且自然环境条件优越的站址位于潮汐能资源较丰富区, 平均潮差约4~5 m。福建的大官坂、八尺门和浙江的健跳港、黄墩港站址已进行过前期调查勘测、规划设计和可行性研究工作, 具有近期开发价值。

1.2 潮流能开发利用现状

潮流能发电的基本原理类似于风力发电, 首先将海水的动能转换为机械能, 然后再将机械能转换为电能。潮流能发电装置与潮汐能发电机组不同, 它属于开放式的海洋能捕获装置, 根据其叶轮旋转轴与水流方向的空间关系可分为水平轴式和垂直轴式两种结构。潮流能发电技术研究起步较晚, 但发展很快。潮流能发电方案最早由美国提出, 1985年在墨西哥湾海域和纽约市的河中进行了潮流能发电的试验。英国从20 世纪90年代初开始研究潮流能发电, 1994年在苏格兰近海进行潮流发电试验[7]。全球多个国家的研发机构已参与到潮流能技术的研究中, 目前基本处于试验和大规模商业化运行的早期阶段, 许多大装机容量的潮流能站址正在筹划建设当中[8]。

我国潮流能利用技术研究目前处于技术示范阶段。20世纪70年代末, 浙江省舟山市率先进行了潮流能发电机组试验[9, 10]。2002年, 我国第一座潮流实验电站在浙江省舟山市岱山县龟山水道建成, 总装机容量为70 kW。2020年, 浙江大学在舟山摘箬山岛研发的潮流能试验电站最大发电功率达到637 kW, 使我国潮流能开发利用向低成本、规模化应用迈出了重要一步。

1.3 波浪能开发利用现状

波浪能的利用技术主要有2种基本原理, 一种是利用物体在波浪作用下的升沉和摇摆运动将波浪能转换为机械能, 另一种是利用波浪爬高将波浪能转换为水的势能; 通过能量转换装置将波浪的能量转换为机械能, 然后通过传动机构、气轮机、水轮机或油压马达驱动发电机发电。波浪能开发利用技术起步较早。1965年, 日本最早研发成功微型波力发电装置, 主要用于航标灯的使用。20世纪80年代, 以为边远沿海和海岛(离岸距离小于20 km)供电为目标, 英国、日本、挪威等国陆续建成了20余个波浪能转换装置或电站[11, 12]。目前, 国际上已有多个大型示范站实现了长期示范运行, 振荡水柱式、振荡浮子式和越浪式等波浪能发电技术已较为成熟, 波浪能极有可能成为下一个具有商业化价值的能源资源[7]。

我国对波浪能利用技术还不成熟, 仍处于海况示范研究阶段。尽管对波浪能的研究已经开展了30多a, 但只有10 W航标灯用微型波力发电装置已经形成商业化产品[13]。目前, 波浪能转换装置已完成实验室模型试验阶段, 部分工程样机也已经完成海试, 我国基本实现了波浪能发电技术的自主创新, 正在突破高效转换、实用化等多项关键技术。2020年6月, 山东威海浅海海上综合实验场和广东珠海万山波浪能实验场完成建设, 首台装机功率达500 kW的鹰式波浪能发电装置“ 舟山号” 正式交付[14], 它是我国目前单台装机功率最大的波浪能发电装置, 为我国继续开展波浪能利用技术的工程化、实用化和规模化的研发工作积累了发电装置并网运行经验。

1.4 温差能开发利用现状

温差发电是指利用海水的温差进行发电, 其基本原理是借助一种工作介质, 使表层海水中的热能向深层冷水中转移, 从而做功发电。例如, 使用低沸点的二硫化碳、氨或氟利昂做介质, 在表层温水热力作用下气化、沸腾, 吹动透平机发电, 再利用深层冷水把工作介质凝结成液态, 一直循环往复, 保持发电机运行[15]。温差能技术研发起步较晚。最先提出利用海水温差发电设想的是法国物理学家阿松瓦尔, 1926年海水温差发电试验成功。1930年, 古巴建造了世界上第一座海水温差发电站[16]。在温差能领域, 美国和日本技术最为先进, 先后研建了一些示范性电站[17]。目前, 世界海洋温差能发展着重于解决供电和饮用水、发展海水养殖和淡化海水制氢等产业, 同时利用海水中稀有元素的分离和提取, 提高海洋温差能发电技术所带来的经济效益[18]。

我国温差能开发利用技术在示范规模和净输出功率方面还存在明显差距。2004年, 天津大学成功研发了利用温差能驱动的水下滑翔器[19]。2012年, 中国海洋大学完成首个小型自主式海洋剖面观测平台海洋温差能发电试验系统[20]。同年, 自然资源部第一海洋研究所成功研制了总装机容量为15 kW的温差能发电试验装置, 建成了我国首座运行的温差能试验电站[21, 22]。目前, 我国温差能发电装置处于试验验证阶段, 总装机容量与国外相比仍存在量级上的差异。

1.5 盐差能开发利用现状

盐差能是指2种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能, 在自然界中主要存在于河流入海处, 由于淡水和海水的盐度存在差异, 海水相对于淡水存在渗透压以及稀释热、吸收热、浓淡电位差等浓度差能, 这种能量可以转换成电能[23]。盐差能利用技术尚处于实验室和中试规模研究阶段, 离实际开发利用的距离还比较大。1939年, 美国首次提出盐差能发电的设想, 日本、瑞典等国都在积极研究盐差能开发利用技术。目前, 高效、低成本渗透膜的研制等关键技术仍未得到较好解决。

我国盐差能在技术上处于原理探索和实验室研究阶段。1979年前后开始盐差能发电研究, 2015年, 国家海洋可再生能源专项资金首次设立盐差能项目, 中国海洋大学的“ 盐差能发电技术研究与试验” 项目获得资助[23], 通过对盐差能相关技术的研究与试验来解决发电技术的关键问题。高成本的膜材料是限制盐差能技术发展的主要因素, 目前盐差能仍处于理论研究阶段。

1.6 风能开发利用现状

风力发电原理是利用风力促使风车叶片带动风轮旋转, 通过增速作用将旋转速度提升进而使得发动机进行发电。风能发电起步晚, 但发展迅速, 技术日趋成熟, 规模急剧扩大。1991年, 丹麦建成首个海上风力发电场, 到2006年末, 全球运行的装机容量超过90× 104 kW的海上发电场几乎全都在欧洲[24], 欧洲的海上风电技术水平代表了国际先进水平。与陆地风场相比, 海上风电场具有土地资源占用少、地形地貌影响小、风力资源丰富、单机容量更大等优点[25]。

我国已具备建设大型海上风电场的能力和经验。2007年, 我国首座海上风力发电站建成投产, 标志着我国海上风力发电有了实质性突破。2010年, 上海东海大桥海上风电场并网运行, 成为我国第一个海上风电示范项目, 也是全球欧洲之外第一个海上风电项目[26]。至2017年底, 我国海上风电累计装机容量已达279× 104 kW, 海上风电目前已基本具备大规模开发条件。

2 我国海洋无碳能源调查状况

我国对海洋无碳能源的开发利用十分重视, 自20世纪50年代开始, 先后开展了5次大规模的全国海洋无碳能源调查。

1958年, 水利电力部开展第一次全国沿海潮汐能资源普查。全国500处港湾、河口坝址的潮汐能资源, 年理论蕴藏量约2 751.6× 108 kW· h, 装机容量约1.1× 108 kW, 可开发装机容量约0.35× 108 kW, 年发电量约874.3× 108 kW· h[27]。

1978年, 水利电力部进行第二次全国沿海潮汐能资源普查。对全国沿海单坝址可开发装机容量大于500 kW 的33个河口和156个海湾的潮汐能资源进行了调查, 总理论装机容量为0.22× 108 kW[28]。

1986年, 水利电力部和国家海洋局组织全国沿海农村海洋能资源区划调查, 我国近海200 kW以上坝址的潮汐能装机容量为0.22× 108 kW。虽然此次调查评估的坝址数较第二次调查增加了约76%, 但由于新增的港湾面积偏小, 潮汐能装机容量仅增加了约1%[29]。

上述3次调查均属于“ 粗摸家底” 式的普查, 2004年和2010年又先后开展了全国范围内更深入细致的资源调查研究。2004年, 国家海洋局组织实施的“ 我国近海海洋综合调查与评价” 专项(908专项)对我国沿海地区潮汐能、波浪能、潮流能、温差能、盐差能和风能等海洋无碳能源相关要素进行了调查, 结果显示: 除台湾外, 我国海洋无碳能源总蕴藏量为15.80× 108 kW, 理论年发电量为13.84× 1012 kW· h[3]。2010年, 在908专项的基础上, 我国进一步开展了潮汐能、潮流能和波浪能优选区的资源勘查和选址规划的海洋能专项调查。

3 我国海洋无碳能源储量、分布及其开发利用条件
3.1 潮汐能

潮汐能资源主要与潮差有关。我国近海受天文、径流以及海湾形态等多种因素影响, 平均潮差的分布及变化特征较为复杂, 总趋势为东海最大, 黄海和渤海次之, 南海最小。东海沿岸海域基本属于中潮区(2.0 m≤ 平均潮差< 4.0 m)或者强潮区(平均潮差≥ 4.0 m), 坎门以南水域, 除东山为中潮区外, 其余均为强潮区[30]; 黄海大部分海域属于中潮区, 山东半岛东北及连云港东南附近海域平均潮差小于2.0 m, 属于弱潮区[30]; 渤海和南海大部分为弱潮海区(平均潮差< 2.0 m), 只有辽东湾附近的水域年平均潮差超过2.0 m, 属于中潮海区, 其余海域平均潮差均小于2.0 m[31]。

我国近海潮汐能资源技术可开发装机容量大于500 kW的坝址共171个, 总技术装机容量约为2 282.91× 104kW(表1)。我国近海潮汐能资源分布不均, 主要集中在浙闽两省, 其技术可开发装机容量约为2 067.34× 104 kW, 年发电量约为568.48× 108 kW· h, 分别占全国的90.5%和90.7%。装机容量大于106 kW的电站有钱塘江口、三门湾、三都澳、兴化湾、福清湾和湄州湾, 占全国总装机容量的61%。908专项调查结果表明, 大于500 kW潮汐能资源可开发理论装机容量为2 282.91× 104 kW(表1), 而中国沿海农村海洋能资源区划调查统计结果表明, 大于200 kW潮汐能资源可开发理论装机容量为2 173.6× 104 kW, 理论上, 200 kW以上潮汐能资源可开发理论装机容量应大于500 kW以上, 出现上述相反的结论是由于中国沿海农村海洋能资源区划调查时间较早, 且随着自然演变和经济建设的发展, 潮汐能资源的开发环境发生了较大变化。

表1 我国近海潮汐能站址资源统计[3, 32, 33] Tab.1 Statistical table of tidal energy station sites in offshore China[3, 32, 33]

浙闽两省潮汐能资源丰富, 开发利用条件最好(图1)。从平均潮差和海岸类型看, 平均功率密度和库容大小以浙闽沿岸开发条件最为优越, 其次是辽东半岛南岸东侧和山东半岛南岸北侧。上述海域平均潮差大, 海岸类型以基岩海岸为主, 海湾较多, 是潮汐电站建设的理想区域。

图1 我国近海潮汐能资源分布(数据来源于文献[3])Fig.1 Distribution of tidal energy resources in China (Data from reference [3])

3.2 潮流能

我国渤海、黄海和东海沿岸海域潮流性质为规则半日潮流, 而南海沿岸海域潮流性质为不规则半日潮流。黄海和东海近岸海域的潮流整体上强于渤海, 东海的浙江沿岸海域、杭州湾、台湾岛北侧以及台湾浅滩都是流速较强的海区, 最大潮流流速超过4 m/s[34], 南海的最强潮流区主要位于琼州海峡西侧的喇叭状湾口和海南岛西侧, 最大潮流流速约2 m/s[35]。

我国近海主要水道的潮流能资源蕴藏量约为833.38× 104 kW, 技术可开发装机容量约166.67× 104 kW。我国潮流能资源空间分布不均, 浙江省沿岸海域潮流能资源最为丰富, 约为516.77× 104 kW, 占到我国潮流能蕴藏量的50%以上, 其次是山东、江苏、福建、广东、海南和辽宁六省, 约占全国的38%, 其他沿岸海域潮流能资源较少(图2, 表2)。

图2 我国近海潮流能资源分布(数据来源于文献[3])Fig.2 Distribution of tidal current energy resources in China (Data from reference [3])

表2 我国近海潮流能资源统计[3, 32, 36] Tab.2 Statistical table of tidal current energy resources in offshore China[3, 32, 36]

浙江省舟山群岛海域是我国潮流能功率密度最高的海域, 开发利用条件优越。舟山海域拥有流速资源较好的众多强潮流水道, 开发利用潮流能电站选址选择空间大, 潮流能开发可减少对海上航运和海洋工程的影响, 具有很好的潮流能电站建设条件。舟山9条水道的潮流能蕴藏量为114.8× 104 kW, 其中蕴藏量最丰富的3条水道分别是西堠门水道(28.1× 104 kW)、螺头水道(27.4× 104 kW)和龟山航门水道(23.2× 104 kW)。除舟山海域外, 琼州海峡东口(20.8× 104 kW)、老铁山北侧(21.6× 104 kW)和小洋口外(25.9× 104 kW)海域的潮流能蕴藏量也较为丰富[3]。

3.3 波浪能

波浪的波高和周期是波浪能大小的重要参数。我国近海波高的分布状况表现为: 渤海和黄海沿岸海域平均波高较小, 大部分海域年平均波高约0.5 m; 东海沿岸海域波高较大, 福建北部的北礵站年平均波高可达1.3 m; 南海海域波高小于东海沿岸海域, 年平均波高约0.8 m。波浪周期分布特征与波高类似, 北部海域小于南海海域。

我国近海离岸20 km一线的波浪能蕴藏量为1 599.52× 104 kW, 理论年发电量1 401.17× 108 kW· h, 技术可开发装机容量为1 470.59× 104 kW, 年发电量为1 288.22× 104 kW· h(表3)。

表3 我国近海波浪能资源统计[3, 36] Tab.3 Statistical table of wave energy resources in offshore China[3, 36]

我国波浪能资源分布极不均匀(图3)。在空间上, 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; 黄海海域年平均波功率密度介于1~2 kW/m; 东海海域年平均波功率密度高于渤海和黄海, 约为3~10 kW/m; 南海海域波浪能资源最丰富, 年平均波功率密度为4~18 kW/m, 特别是海南岛南部海域, 年平均波功率密度为6~20 kW/m。在时间上, 由于我国沿海地区以季风气候为主, 波浪能季节性特征明显, 一般情况下, 秋、冬季波功率密度高于春、夏季。

图3 我国近海波浪能资源分布(数据来源于文献[3])Fig.3 Distribution of wave energy resources in China (Data from reference [3])

我国沿岸有很多条件相对较好的地区可供波浪能开发利用。浙闽沿岸、广东东部和山东半岛南部中段沿岸等海域具有近岸水深浅、地形坡度大、波功率密度相对较高、季节变化不明显等优点, 有利于发电装置的设计和安装, 可提高总体转换效率, 是我国波浪能开发利用条件最为理想的地区。

3.4 温差能

我国近海海域的表层海水和深层海水温差的分布特征有所差异。受太阳辐射年周期变化的影响, 表层水温的年周期非常明显: 渤海表层水温年较差较大, 一般为23~28 ℃; 黄海为16~25 ℃; 东海为14~25 ℃; 南海表层水温年较差最小, 普遍在10 ℃以下。黄海在每年的5~10月有黄海冷水团出现, 其上部海水温度大于20 ℃; 东海黑潮区表层海水温度约22~29 ℃, 1 000 m以下终年水温小于4 ℃, 海水温差可达18 ℃以上; 南海表层水温均在25 ℃以上, 500~800 m以下水温小于5 ℃, 海水温差约为20~24 ℃[36]。一般情况下, 表层海水和深层海水温差大于18 ℃的海域适合开发温差能资源。

我国近海海域温差能资源储量丰富, 主要储藏于南海, 其次是东海。据王传崑等[37]和吴文等[38]估算, 我国近海海域的温差能资源理论蕴藏量为1 518.9× 1016 kJ, 其中, 黄海海域温差能蕴藏量为14.1× 1016 kJ, 东海海域温差能蕴藏量为208.8× 1016 kJ, 南海海域温差能蕴藏量为1 296× 1016 kJ。908专项调查结果表明, 南海表层与深层海水温差大于等于18 ℃, 水体蕴藏的温差能为1 160× 1016 kJ(表4)。

表4 我国近海温差能资源统计[37, 38] Tab.4 Statistical table of ocean thermal energy resources in offshore China[37, 38]

温差能空间分布差异较大。渤海和黄海海域平均水深较浅, 温差能开发利用难度较大。东海外陆架水深地形变化迅速, 温差能资源丰富, 开发条件较好, 是岸基式温差能开发的优良站址。南海温差能资源最丰富, 其资源蕴藏量分布具有明显的季节特征: 春季蕴藏量小, 主要集中在南海中部, 西沙群岛附近海域蕴藏量较大; 夏、秋两季蕴藏量丰富, 主要集中在南海中部和东部水深较大的海域; 冬季蕴藏量最小, 整体分布较为均匀。南海北部海域距离大陆近, 开发利用便利; 南海南部深水海域温差能资源丰富, 开发条件优越, 具有广阔的开发前景, 但因其距离大陆最远, 目前不具备大规模开发条件, 可以优先为岛屿开发利用; 南海中部深水海域西部分布着西沙群岛, 西沙群岛由大陆坡台阶上的岛礁组成, 边坡陡峭, 有利于陆基式或陆架式温差电站站址建设。

3.5 盐差能

盐差能资源蕴藏量取决于河流入海的淡水量, 所以盐差能资源的分布具有与河流入海流量分布相同的不均匀性。盐差能资源主要分布在沿岸河口地区, 入海流量越大盐差能资源最多, 我国盐差能资源主要分布在长江口及其以南的河流入海口沿岸, 特别是在夏季, 径流量增加显著, 例如夏季长江口附近盐度大幅度下降, 盐度可达到0.2‰ ~0.3‰ [39]。

我国22条主要入海河流的盐差能资源总蕴藏量为1.13× 108 kW, 年发电量约9 907× 108 kW· h, 若取可开发其中的10%, 则技术可开发量为0.11× 108 kW。我国主要河口盐差能资源蕴藏量见表5。

表5 我国近海盐差能资源统计[3, 40, 41] Tab.5 Statistics of salinity gradient energy resources in offshore China[3, 40, 41]

盐差能总蕴藏量丰富但地理分布不均。我国主要入海河流的盐差能资源蕴藏量约为1.13× 108 kW, 技术可开发装机容量约为1 130.9× 104 kW。长江口及其以南沿岸海域盐差能资源蕴藏量达1.07× 108 kW, 占全国总量的94%, 其中长江口资源蕴藏量最大, 约为0.77× 104 kW, 占全国总量的68%。受河流入海水量和海水盐度影响, 盐差能季节变化和年际变化显著, 一般汛期盐差能资源量可占到全年的60%以上, 对盐差能开发利用装置以及装机容量的确定造成一定困难。

3.6 风能

同陆地风能资源相比, 我国海上风能资源较为丰富。渤海海区年平均风功率密度可达200~500 W/m2, 年平均风速为6~9 m/s; 黄海海区年平均风功率密度可达250~600 W/m2, 年平均风速为7~9.5 m/s; 台湾海峡和东海南部海区风能最为丰富, 年平均风功率密度达500~1 500 W/m2, 年平均风速为7~11 m/s; 南海北部湾海区年平均风功率密度达200~600 W/m2, 年平均风速为6.5~10 m/s[42]。通过风场数值模拟和风能资源计算, 我国近海50 m等深线以浅海域10 m高度风能资源总蕴藏量为8.83× 108 kW, 技术可开发量为5.70× 108 kW(表6)。

表6 我国近海50 m等深线以浅海域10 m高度风能资源统计[3, 42] Tab.6 Statistical table of wind energy resources at 10m height in the sea below 50 m isobath in offshore China[3, 42]

江苏、山东和辽宁三省海洋风能资源蕴藏量较大的原因是50 m等深线离岸相对较远, 统计的海域范围大, 而海南省海域由于50 m等深线离岸较近, 导致统计的海域范围小, 故海洋风能资源蕴藏量较小。但海南省近岸深水海域海洋风能开发利用可能性较大, 因为深海风电场已经成为目前海洋能开发的发展方向。

我国海洋风能资源好, 风速大, 风功率密度高。我国近海50 m等深线以内60%以上的海域面积年平均风功率密度为150 W/m2, 属于丰富区和较丰富区。我国沿海滩涂面积大, 地形平坦, 近海30~50 m水深的海域广阔, 适合海洋风能的开发利用, 沿海地区人口密集、经济发达、电力紧张, 海洋风能发电便于入网。

4 我国海洋无碳能源开发利用存在的问题、开发利用前景分析及建议对策
4.1 开发利用存在的问题

海洋无碳能源的主要利用形式就是发电, 除盐差能利用技术仍处于实验室研究阶段外, 其他无碳能源的发电技术均得到不同程度的研究与应用。我国开发利用潮汐能的技术相对成熟, 浙江温岭江厦潮汐试验电站已实现并网发电并进入商业化运营, 总装机容量位居世界第四。潮流能和波浪技术处于示范试验阶段, 已取得了一系列发电装置专利和科研成果。温差能利用技术也取得了较大进步, 研制成功了低装机容量的发电试验装置。我国风电设备制造和自主创新能力不断提升, 海上风电发展迅速, 山东、江苏海上风电基地已初具规模。总体上, 我国的海洋无碳能源开发已拥有部分成熟技术, 但已有技术的发电装置转换效率低, 在能量转换和能量稳定等方面的关键技术亟待突破, 大多数技术商业化开发还需深入研究完善。

4.2 开发利用前景分析

“ 十四五” 期间, 为实现碳达峰、碳中和以及能源绿色低碳转型的战略目标, 清洁可再生能源是我国能源发展的主导方向。据统计, 2020年我国可再生能源利用规模达到6.8亿t标准煤, 相当于替代煤炭近10亿t, 减少二氧化碳、二氧化硫和氮氧化物排放量分别约达17.9亿t、86.4万t和79.8万t[43]。截至2019年底, 我国可再生能源发电装机达到7.94亿kW, 其中水电装机3.56亿kW[44], 浙江模块化大型海洋潮流能发电机组持续保持稳定运行, 累计并网发电已超过180万度。改变能源生产和消费结构, 逐步降低煤炭在能源结构中的比重是实现碳中和的必由之路。充分发挥海洋无碳能源的作用, 既可以逐步改善以煤炭为主的能源结构和电力供应结构, 使我国能源经济和环境协调发展, 也能解决沿海地区和海岛的用电用能问题, 使我国沿海地区生产生活用能条件不断提升。

目前, 海洋无碳能源的开发利用尚处于初步阶段。从技术成熟度和经济效益上讲, 风能最具有开发价值, 其次是潮汐能、波浪能和潮流能, 温差能和盐差能距实际应用还有一段距离。基于我国海洋无碳能源利用的实际情况, 近岸海域及海岛地区应大力发展海洋风能, 因地制宜发展潮汐能, 积极推进波浪能、潮流能和温差能开发实验, 研究探索多种能源的综合利用示范。

4.3 建议对策

通过多次专项调查, 利用实测站位和数值模拟, 基本上掌握了近海海洋无碳能源的资源状况。但从总体上看, 实测站位偏少且调查精度不足, 观测时间偏短, 除在重点海湾进行过潮汐能资源的开发规划和设计研究外, 尚未对潮流能、波浪能等其他海洋资源的重点海域、海岛进行过更深入细致的资源调查研究。海洋无碳能源的资源区划指标较为单一, 仅根据资源蕴藏量进行划分, 未考虑开发利用的环境、地质、生态等方面的因素。另外, 在海洋无碳能源建站选址和开发利用综合评价方面, 我国海洋无碳能源建站选址尚未开展大面积的开发利用, 仅在浙江和福建等沿海省份开展了电站选址、勘测、设计工作, 可行性研究较多。

未来可根据地方和企业需求, 对重点海域附近的海洋环境条件实施精细化调查和研究, 进一步查明海洋无碳能源分布及蕴藏量, 系统分析海域海底地貌、底质状况、地层结构、海流和波浪分布特征以及台风、海啸等灾害影响, 开展不同开发规模下海洋生态环境监测, 综合评价海洋无碳能源开发利用适宜性, 提出各海洋无碳能源电站选址优选建议, 进一步划定海洋能资源分区, 可为国家海洋可再生能源预留发展空间。

(责任编辑: 沈效群)

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