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8 Z& c2 F+ T+ P8 r 海洋是地球重要的组成部分。人类历史上以利用陆地能源为主，但海洋能源正在成为新一轮能源转型的关注重点。在全球范围内，政府、科研机构和企业正加大对海洋能源研究与开发的投入，力求减少对化石燃料的依赖，减轻环境压力，应对气候变化。海洋能源作为一种清洁、可再生的能源，不仅具有巨大的潜力，而且在许多方面拥有优势。海洋能源中有三种重要的能源：海洋油气、海上风电和深海能源，其潜力巨大，但也面临一定开发障碍。如何对其进行更好的开发，正是海洋学科不断探索的重要课题。
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海洋能源成为能源转型新焦点 2 }, h" E+ p9 q) I: x% Q
传统的陆地能源，如煤炭、陆地石油和天然气，不仅储量有限，而且在开采和使用过程中对环境造成了严重污染。正因如此，开发海洋能源成为了一个迫切的需求，以满足持续增长的全球能源需求并减轻环境压力。海洋是地球重要的组成部分。地球表面的总面积约为5.1亿平方千米，其中海洋的总面积约为3.61亿平方千米，约占地球总面积的71%。海洋内存储了约13亿立方米的海水，包含了地球上97%的水资源，其能源储量也非常丰富。全球一半的人口生活在海岸线100公里以内的区域，而其他大多数人口也十分靠近湖泊、河流或沼泽。
7 E' ^" Q; d6 a, B 海洋能源正逐渐崛起，引领新一代能源革命。从定义上来说，海洋能源是埋藏于大陆架和深海海床的化石能源和可再生的各类海洋能，具体包括潮汐、波浪、温度差、盐度梯度、海流、海上风电等。本文主要讨论其中最主要的三种能源，同时也是和海洋学科关系最为密切的：海洋油气、海上风电和深海能源。 ; v3 X2 Y. Z8 o- y+ M! x
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图1 海洋油气 0 `: m) Z! A% N/ G7 L" z
图片来源：中海油服官网
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图2 海上风电
: s! A9 c; B- C- O8 j6 M 图片来源网络
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图 3 深海矿物
3 K& B3 `+ j3 G% O 图片来源：中科院深海所 # y" Q& i) s4 K2 A) S" m# O
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; p6 ]7 M1 F7 h 海洋油气的开发 7 G- | l3 ^0 j# I7 U. h3 b
随着陆地油气的开采殆尽，海洋油气成为了新的能源增长极。2021年，中国海洋原油、天然气产量分别为5464万吨、196亿立方米，同比增长5.8%、5.4%，其中海洋原油增量占全国总增量的80%以上，创历史最高水平；海洋天然气资源开发逐步向深水、超深水迈进，产量稳健增长。
( {! }# R2 W, v) M/ { D, E7 c 1.钻井平台
; n; K$ B4 d# d* O( o6 y' U 在海洋中进行油气开采时，首先用物探船去确定油气分布区域，了解具体蕴藏石油的海域，并使用钻井平台去挖掘海洋油气。钻井平台最初为固定式钻井平台，一经安装便无法移动，现在已基本被淘汰。随后有了可以垂直移动的自升式钻井平台，它具有一定的灵活性，但还是难以应对恶劣的海洋环境，最多只适于一百多米水深的作业。面对更深水处的油气资源，就需要使用半潜式钻井平台，它可以改变自身的重心，同时配上四周安装的锚链与大马力推进器、卫星定位、气象监测等技术手段，就可以基本保证水平和垂直方向的稳定性。“海洋石油981”半潜式钻井平台的作业水深已达到3000 米，钻头达0.5米，最大钻探深度超过15000米[2]。 2 B) o9 O" s# J. ~4 ^* A0 Z0 M
2.海洋油气生产加工 $ e2 O1 n' x9 Z% ^
钻井平台钻取出的油气还夹杂着大量的泥沙和杂质，因此还需要生产加工和运输。平台同样有三种形式，第一种是近岸生产平台，在陆地上的工厂里进行加工环节。随着海水深度增大，与岸边距离变远，就要用到第二种加工模式：海上加工模式，把加工设备紧凑地布局在一艘大船上，再加上自动化 控制系统以及船舱的储存功能，一座化工厂便被巧妙地塞进了一艘船里，这便是生产储油船(英文简称FPSO) 。有了它， 海上油气在生产、汇集之后能直接在海上完成加工，而后经由油轮送往陆地。随着水深达到400米以上，就需要使用水下生产系统，减小受天气影响，提高可靠性，并配合远程控制系统降低成本。可即便如此，生产储油船单纯作为船只，船体的稳定性有限，并不能从容应对恶劣的深海环境。第三种加工方式是采用半潜式生产储卸油平台，如“深海一号”，这种平台可以在更深的海域工作，提供更强大的稳定性，并可重复使用。深海一号是全球首座10万吨级深水半潜式生产储卸油平台，总高度达120米，相当于40层楼高，若从空中俯瞰，其面积相当于两个标准足球场，最大排水量达11万吨， 相当于近2艘“山东舰”航母，而作业深度则达到1500米。其生产的天然气，只需一天即可经过香港到达粤港澳大湾区，每年可向湾区供气30亿立方米，相当于大湾区1/4的民生用气需求。 9 }4 m. v u4 w: H
9 U% |* Q+ J4 |" p! H. S6 A8 l 图4 深海一号作业图
1 q0 y5 B1 }, M% N* { 图片来源：腾讯网 4 I4 u4 _5 n& \5 T" F% ^
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海上风电的开发
1 l* K5 G& h# t( p" h' V, q. h 第二种海洋能源是海上风电。风能是重要的可再生能源之一，海上风能资源丰富，极具发展潜力。中国拥有超18000公里海岸线，较适宜大规模开发海上风电。近10年全球海上风电年均增长速度近30%，深远海漂浮式风电技术快速发展，海上风能等海洋可再生能源在促进跨行业合作和能源低 碳转型中发挥着越来越独特的作用[3]。截止到2022年底，世界上最大的风机由中国成功制造。其直径达到252米，单机容量为16兆瓦，叶轮扫风面积约5万平方米，约等于七个标准足球场。目前我国的海上风电投运规模已达到全球的45%以上，预计到“十四五”末，中国海上风电投运规模将达60吉瓦。以1500千瓦的风机机组为例，机组叶片大约有35米长( 约12层楼高) 。风力发电机每转动一周，大概需要4-5秒(但这时的叶尖速度可达280多公里每小时，堪比高铁速度) ，可以产生约1.4度电。在正常满功率的情况下，一天的发电量就可供15个家庭使用1年。这样一台风力发电机，每年可以减排 3000吨二氧化碳、15吨二氧化硫、9吨二氧化氮。海上风电发电利用小时数高、不占用陆地资源、不消耗水资源，适宜大规模开发，发电效率普遍比陆上风电高出20%-40%。 3 D; l4 J7 h; Z# ?3 z; v! }" I+ _
值得一提的是，由于海面上没有任何遮挡物，因此光照强度高，因此海洋光伏发电也大有可为。虽然海上光伏产业在中国处于初级阶段，需要进一步加强技术研发、政策支持和资金投入。政府已认识到其潜在价值并开始布局。沿海各省份也开始意识到推动海上光伏开发建设有利于沿海省份突破土地约 束，拓展新能源发展空间，对优化调整省内能源结构、推进海洋强省建设以及助力经济社会绿色低碳高质量发展有重要意义。我国大陆海岸线长1.8万公里。根据美国发布的《世界概况》(The World Factbook) 数据，中国海岸线世界排名第八。可以想象，可安装海上光伏的海域将非常广阔。
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! S3 d, p9 g5 _8 _" B 深海矿物的开发 & S. a5 U: z3 [, _
深海矿物能源，如铜、镍、钴等，都比陆地上更为丰富。多金属结核、多金属硫化物与富钴结壳相对于陆地储量，仅东太平洋CC区的钴储量就为陆地储量的3.4~6倍，镍储量为陆地储量的1.8~3倍，铜储量为0.2~0.3倍。开展深海矿产资源勘探与开发是应对矿物资源危机的有效途径。 $ P4 C6 G) [# P# k5 @
可燃冰具有巨大的开采潜力。可燃冰（也称作甲烷水合物，天然气水合物) 是一种由天然气与水在高压低温条件下形成的类冰状的结晶物质，分布于深海沉积物或陆域的永久冻土中。因其外观像冰一样而且遇火即可燃烧，所以被称作“可燃冰”。它是一种燃烧值高、清洁无污染的新型能源，分布广泛而且储量巨大[4]。2017年南海北部神狐海域，“蓝鲸一号”海上钻井平台成功进行了首次可燃冰试采，取得试开采的历史性突破。开采区域位于南海神狐海域水深1266米海底以下203-277米的可燃冰矿藏。开采的甲烷含量最高达99.5%，圆满完成预定目标，对促进我国能源安全保障、优化能源结构，甚至对改变世界能源供应格局，都具有里程碑意义。
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图5 可燃冰 4 W2 m8 ~4 [/ l( |; P) `
图片来源网络 6 g7 w, a- A" |" n: S# p$ d8 Q; M
根据《矿产资源法实施细则》有关规定， 国务院已正式批准将可燃冰列为中国第173个矿种。南海可燃冰矿产资源开发成为我们国家海洋战略的核心之一。可燃冰蕴含的天然气资源达到已知常规天然气资源的数十倍[5]。根据勘测结果，按所提供的能量比例来换算，我国可燃冰总量相当于800亿吨石油。在2022年，我国一年进口石油5.4亿吨，如果将这些可燃冰投入使用，将会极大减缓我国对进口石油的依赖。从海底地层的纵断面来看，可以发现海底地层是逐层分布的，而可燃冰的富集区域一般对温度和压力有一定要求，一般而言，它稳定存在的条件要求是低温高压的环境。目前清华大学的陈道毅教授团队就在进行新一代南海可燃冰开采、固碳和地质修复三联技术的研究，利用CO2水合物稳定性大于天然气水合物的原理，进行CO2水合物的置换开采，不仅实现可燃冰的有效开采，同时也保证在开采结束后，把CO2以水合物的形式储存在海底沉积物层。可燃冰的开采也存在地质风险。在开采过程中，随着可燃冰的分解，海底边坡的下滑滑力减小，进而安全系数会降低，这时就面临较大风险，很容易就会发生海底滑坡甚至系列性的地质灾害，这是目前很多科研工作者正在探索的问题。 3 u# I3 c/ S9 n
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图6 可燃冰堆积分布图
6 h: n( ~) i6 f: r0 u 图片来源：搜狐网 ! `2 Q+ ?2 t+ S+ h
* ^& N5 P1 i5 y9 ?) ?! m Y 图7 由可燃冰分解引发海底滑坡的示意图 - Z* h: D( h2 m, i0 U
图片来源：华夏能源网
# y+ b4 R! p$ W& s* z& h 总之，随着全球能源需求的不断增长和对环境保护的日益关注，海洋能源的开发显得愈加重要[6]。我国作为拥有丰富长海岸线的国家，具备丰富的海洋能源潜力，包括海上风电、海上光伏和潮汐能等。然而，要实现海洋能源的广泛应用，仍需克服许多挑战，如技术研发、成本降低、政策支持和资金投入等。我们应该继续加大在海洋能源领域的研究与开发力度，促进产业技术创新，培育相关人才，并与其他国家加强国际合作，共享技术和经验。 ) ~: U$ B) r w9 U
在未来，随着海洋能源技术的不断成熟和产业规模的扩大，海洋能源有望成为中国新能源产业的重要支柱，为实现绿色低碳高质量发展、优化能源结构和保护生态环境做出贡献[7]。让我们共同期待中国海洋能源产业在新的历史时期取得更加辉煌的成就。 3 q$ G: W7 y* X2 V; D9 S
参考文献： 2 [- l) d: ?6 }& L w4 [! I! ]
; x8 {4 ~, }. ?, U: e& J0 g& R8 x' w [1]杨木壮,金庆焕. 我国海洋能源矿产资源潜力与开发利用策略[C]//中国地质 学会海洋地质专业委员会,中国海洋学会海洋地质分会.海洋地质、矿产资源 与环境学术研讨会论文摘要集.2006:1. ) D, R; W Y. w' c
[2]马延德,石强. 自升式钻井平台发展趋势和关键技术研究[C]//中国造船工程 学会.2015年中国造船工程学会优秀学术论文集. 2016:10. B# J0 D* Y9 {& }( f3 [7 h$ h
[3]吴兆娣.对海上风能利用的探讨[C]//中国市政工程华北设计研究总院有限 公司,《煤气与热力》杂志社有限公司,中国建设科技集团股份有限公司.2022 供热工程建设与高效运行研讨会论文集.2022:5.DOI:10.26914/c.cnki- hy.2022.057725. 9 A5 S$ E8 |+ b7 S# k
[4]张辉,金伟晨,赵羿羽等. 天然气水合物开发装备技术体系研究与展望[C]// 北京造船工程学会.北京造船工程学会2018-2019年学术论文集.2020:7. DOI:10.26914/c.cnkihy.2020.026567.
% K3 _' m; k* E [5]何步新. 能源新贵一煤层气及可燃冰[C]//《科技创辉煌》编辑委员会.科技创 辉煌——中国创新成果与学术精典.西苑出版社,2011:4.
$ A! Z4 ?7 y: l7 _' } [6]Das Tapas K. Passive flow control via tip grooving and stall fencing mechanisms of a marine energy harvesting turbine.Journal[J]//Scien- tific reports. Volume 13 , Issue 1 . 2023. PP 2677-2677.
. m$ ~" {. w% v5 S, K [7]Dou D.Energy Structure Optimization and Economic Growth[C]// Research Institute of Management Science and Industrial En- gineering.Proceedings of 2017 5th International Conference on Machinery,Materials and Computing Technology(ICMMCT 2017).At- lantis Press,2017:6.
3 l% K$ A- Y( {- u6 j9 L* F- Y 文字 | 陈礼睿
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