蓝海经济 | 刘斐齐：海洋能技术与产业发展现状及趋势展望 - 潮汐能技术

超级爸爸 · 发表于海洋科普 2024-5-8 13:52:38

引言

全球海洋能资源丰富，作为一种可再生能源，海洋能开发将有助于降低人类社会发展对化石能源的依赖，推动世界能源消费结构向低碳化、清洁化方向转型。目前，世界多国在积极开展海洋能研究，推动相关技术发展和规模化利用。同时，党的十八大作出建设海洋强国的重大部署，海洋能资源的开发利用将加强中国在能源领域和大国竞争的能力和水平，维护国家能源安全。本文围绕海洋能的资源情况、产业发展和竞争格局进行了总结和分析，提出了海洋能未来发展的挑战和机遇。

1 海洋能概述

1.1 海洋能的概念

海洋能是指依附于海水水体的可再生自然能源，其主要利用方式是发电[1]。根据中国最新海洋及相关产业分类，海洋能发电主要包含了海洋潮汐能、波浪能、潮流能、温差能、盐差能发电和其他[2]。

1.2 海洋能的特点

海洋能具有总蕴藏量大、可利用形式多、可预测性强、可持续利用、绿色清洁等优点[3]，不仅可将其用于供电，还可用于生产淡水或满足热能需求等[4]。海洋能也具有能量密度较低、资源分布不够均匀、资源开发工况较差等不足，在开发利用方面面临较大困难和挑战。

1.3 全球资源概况

海洋能资源评估处于初步阶段，资源潜力随技术发展而有所不同。海洋能理论资源潜力足以满足当前和未来的全球电力需求，不同技术组合情况下，海洋能年发电量可达到45万亿千瓦时至130万亿千瓦时，为2020年全球发电总量的1.7～4.8倍[3-5]。国际可再生能源署（IRENA）报告显示，温差能、波浪能、盐差能和潮汐/潮流能开发潜力分别占到了全球海洋能开发潜力的58%、39%、2%和2%，全球海洋能资源的理论开发潜力如表1所示[6]。

表1 全球海洋能资源统计[6]

Table 1. Global ocean energy resource potential

我国海洋能资源总量丰富，目前国家已经基本摸清海洋能资源总量和分布状况，完成了重点开发区资源评估及选划。近海海洋能资源理论装机容量约为697吉瓦，技术可开发量超过70吉瓦；深远海海域的波浪能资源远超近海海域，同时具有丰富的洋流能资源[7-8]。

表2 中国近海海洋能资源统计

Table 2. Assessment of China offshore ocean energy resource

2 国内外发展现状

2.1 产业现状

随着全球能源绿色低碳转型，海洋能开发日益受到重视，但仍主要处于技术研发阶段，产业规模较小，且经济性不高。据统计，目前全球已有31个国家开展了海洋能利用研究工作[6]，其中，美国、加拿大、澳大利亚、芬兰、法国、爱尔兰、意大利、葡萄牙、西班牙、瑞典和英国等国家一直处于海洋能源产业开发的前沿，开展了较多的测试项目并投入较多研发资金。截至2020年底，全球潮汐能、潮流能、波浪能、温差能和盐差能发电累计装机容量分别达到了521.5兆瓦、10.6兆瓦、2.31兆瓦、0.23兆瓦和0.05兆瓦[6]，潮汐能发电累计装机容量占海洋能累计装机容量的98%以上。目前海洋能平准化发电成本仍处于较高水平，潮汐能/潮流能平准化发电成本约为0.2～0.45美元/千瓦时，波浪能平准化发电成本约为0.3～0.55美元/千瓦时[6]。

图1 全球海洋能累计装机容量[6]

Figure 1. Global ocean energy deployment

中国海洋能发展也已经由装备开发进入到了应用示范发展阶段。根据国际能源署测算，中国运行和在建海洋能发电装机规模约为7.5兆瓦（其中潮汐能4.35兆瓦，潮流能2.15兆瓦，波浪能1兆瓦），年并网发电量约为7吉瓦时[7,9]。

表3 中国运行和在建海洋能发电项目和规模

Table 3. China active and under construction ocean energy projects

2.2技术进展

2.2.1 潮汐能

潮汐能是目前发展最为成熟且已实现商业化应用的海洋能，主要利用方式是发电。潮汐能利用海湾、河口等地形，建筑水堤，形成水库，利用潮差所产生的能量进行发电，平均潮差3米以上即具有实际应用价值。就具体发电方式而言，潮汐能发电分为单库单向电站、单库双向电站和双库连续发电电站，由于双库连续发电经济性较差，应用较少。

表4 代表性潮汐能电站项目

Table 4. Typical tidal barrage projects

2.2.2 潮流能

潮流能发电原理是将水流水平运动产生的动能转化为机械能再转化为电能的过程，发电装置主要分为水平轴水轮机、垂直轴水轮机、潮流风筝、震荡水翼式、阿基米德螺旋式等方式[6,10]。载体方式分为桩柱式、底座式、漂浮式等。目前潮流能发电装置主要采用的是水平轴水轮机，占到了潮流能产业研发投资的76%，且已经实现了兆瓦级别的应用；垂直轴水轮机、潮流风筝和震荡水翼式仅有样机海试或小规模入网试验。阿基米德螺旋式尚未进行海试。水平轴潮流能水轮机主要包括风车式、空心贯流式和导流罩式三种。

（a）

桩柱式水平轴

（b）

底座式水平轴

（c）

漂浮式水平轴

图2 不同载体方式水平轴水轮机

Figure 2. Horizontal-axis turbines with different mounting types

（a）风车式

（b）空心贯流式

（c）导流罩式

图3 不同利用技术水平轴水轮机

Figure 3. Horizontal-axis turbines with different technologies

英国是目前潮流能发电技术最先进的国家，开发利用早、投产项目多。中国是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，技术研究机构包括浙江大学、哈尔滨工程大学等。浙江大学在舟山摘箬山岛研发的650千瓦大长径比高效水平轴海流能发电机组于2017年完成研制并成功并网发电，并于2020年再次并网发电。位于浙江舟山秀山岛东南海域的第一期LHD潮流能发电装置装机容量为1.7兆瓦，已连续并网运行约57个月，累计上网电力超过167万千瓦时；2022年2月，单机1.6兆瓦潮流能发电机组“奋进号”在舟山下海，使得LHD潮流能发电工程总装机容量达到3.3兆瓦，3月10日实现并网，并网功率为1.03兆瓦，标志着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。哈尔滨工程大学研发的“海能III”由两个300千瓦垂直轴式潮流能机组构成，采用漂浮式的载体方式，已进行过海试。

2.2.3 波浪能

波浪能发电主要是将海洋表面波浪的动能和势能转换为电能的过程。近年来，波浪能开发技术逐步走向成熟，部分装置实现了产业化应用，但目前波浪能技术种类较为分散，尚未有明确的技术方向，未进入到技术收敛期。波浪能发电一般可以分为振荡水柱式、浮子式和越浪式，又可进一步细分成多种技术领域。参考国际能源署，八种主要的波浪能利用装置分别是：振荡水柱式、衰减器式（筏式）、点吸收式、振荡摇摆式、旋转质量式、水下压差式、越浪式和激波式。

（a）

振荡水柱式

（b）

衰减器式

（c）

点吸收式

（d）

振荡摇摆式

（e）

旋转质量式

（f）

水下压差式

（g）

越浪式

（h）

激波式

图4 波浪能发电装置示意图和项目图

Figure 4. Different wave energy technologies (diagrams or project photos)

尽管全球多个波浪能发电装置进行了长期海试工作，但在恶劣环境下，发电装置的生存性、长期工作的可靠性、高效转换等关键技术问题仍然有待突破，且大部分项目均处于近岸状态运行。国外许多公司由于技术无法商业化或找不到买家而导致公司破产。总体上，波浪能利用技术欧洲国家起步早、发展较为先进，美国、日本紧随其后，中国起步较晚但发展迅速。

目前，中国波浪能发电技术研究主要机构包括中国科学院广州能源研究所（以下简称“广州能源研究所”）、中国电子科技集团公司、国家海洋技术中心、上海交通大学、中国海洋大学、中船重工和大连理工大学等。其中，广州能源研究所进展较大，先后推出了10千瓦概念样机“鹰式一号”、100千瓦工程样机“万山号”、260千瓦海上可移动能源平台“先导一号”、全国首座半潜式波浪能养殖网箱“澎湖号”（含60千瓦波浪能发电装置）、首台500千瓦鹰式波浪能发电装置“舟山号”以及总装机500千瓦，配备500千瓦时储能系统的“长山号”等。

2.2.4 温差能

温差能发电技术是一种通过利用海洋表层水和深海水域之间的温差（热梯度）来产生能量的过程或技术。一般可按照热力循环分为开式循环、闭式循环和混合式循环。为提高温差能利用效率和安全性，国际上自2010 年之后建成的温差能发电系统均采用闭式循环[11]。

国际上开展温差能技术研究的国家主要包括美国、日本、韩国、法国等，目前已经建造了百千瓦级温差能发电及综合利用示范电站。2013年Xenesys公司在日本冲绳开展的岸上闭式循环温差能发电项目通电，装机功率为50千瓦。2015年由美国MAKAI OCEAN ENGINEERING公司在夏威夷承建的岸上闭式循环温差能发电装置已经成功向美国电网输送电力，装机容量为100千瓦。2016年，韩国启动了1兆瓦漂浮式海洋温差能发电示范项目，预计将于2022年落地实施。法国也规划建设漂浮式海洋温差能发电示范项目。

中国海洋温差能研究集中在广州能源研究所、天津大学、海洋局第一研究所等机构。20世纪80年代广州能源所对开式循环过程进行了实验室研究。2018年，天津大学研制温差能通用供电平台，实现单剖面发电1.8瓦时，功率大于20瓦，用于为水下航行器供能。2017年，国家海洋局第一海洋研究所研建了室内海洋温差能发电系统，发电功率7.5千瓦无故障运行时间超过1000小时。中国尽管掌握了一定的温差能发电技术，但规模相对较小，距离商业化发展存在较大差距。

2.2.5 盐差能

盐差能发电是将盐浓度不同的海水之间的化学电位差能转化为电能的过程，主要分为渗透压法和反向电渗析法两种方法。挪威开展盐差能研究较为积极，Statkraft公司建造了15千瓦的水塔式渗透压盐差能装置，SaltPower公司正在开展渗透压盐差能商业化应用，REDstack公司开展了反向电渗析法样机研发。然而，全球范围内盐差能研究始终未能进入实际应用领域。

（a）

Statkraft渗透压法装置

（b）REDstack反向电渗析法装置

图5 海洋盐差能发电装置

Figure 5. Salinity gradient power generation devices

3 国内外主要参与企业

由于海洋能开发利用对技术水平要求高，且大部分技术在发展初期需要较大投资进行研发和测试，目前呈现两极化发展态势。大型跨国企业将海洋能技术开发作为企业发展方向培育但相对谨慎，当前处于消极态度。早期Siemens、GE等公司通过控股、收购和兼并等方式参与海洋能发展并提供技术服务，近期又通过资产和技术出售实现了公司的业务剥离。另一方面，诸多海洋能创业公司技术开发热情较高，但由于长期无法实现商业化导致一些公司破产或易主，存在较大风险。

国内目前多为央企、研究机构和院校在进行推进，主要依靠国家专项资金进行研发，与国外项目相比市场化程度低。

表5 海洋能开发利用主要企业

Table 5. Major participants in ocean energy development

4 未来发展趋势

根据国际可再生能源署和欧盟预测，到2030年和2050年，海洋能装机规模将分别达到10吉瓦和337吉瓦。潮汐能、潮流能、波浪能、温差能和盐差能技术将相继实现成熟和工业化推广。目前来看，海洋能发电技术基础性研究较多，但距离商业化大规模应用仍存在较大差距。不同的海洋能品种都需要结合资源赋存条件、具体工况场景加强技术研发和示范性项目建设。

潮汐能方面，尽管潮汐能发电装机容量在目前海洋能发电中占比高达98%，但已经超过10年没有大型项目开发。受选址资源的局限性、高投资成本和环保等影响，未来潮汐能技术发展将十分受限。

潮流能方面，未来大型化、模块化与阵列式潮流能并网发电将成为应用主流，目前主要项目集中在英国，同时澳大利亚、印度尼西亚、吉布提、韩国等国家也在积极布局，包括中国在内的一些国家仍停留在测试和示范应用工作。水平轴涡轮机尽管是目前在运行潮流能项目中的主流方向，并且与已经商业化运行的风力发电机相像，但一直未能实现商业化运行，随着近期其他潮流能发电技术的快速发展，未来的潮流能技术主流方向仍不明朗。

波浪能方面，呈现出大型化和专业服务小型化两大发展方向。一方面目前最大的波浪能利用项目装机容量已经超过1兆瓦，逐步趋于技术成熟；另一方面，波浪能项目开始服务于海上油气产业、水产养殖业，或与其他海上可再生能源发电项目如海上浮式风电、光伏发电相结合，选择了专业服务小型化路线。结合不同应用场景需求，多种波浪能发电技术路线正在并行发展，柔性材料或柔性结构形式的波浪能转换装置是技术发展的共性趋势。

温差能方面，发电技术仍处于研发阶段，技术开发主体仍以研究机构和高校为主，商业化运作较少。随着各类海岛项目的推进，温差能在岛屿能源利用方面的潜能有望被进一步挖掘，但仍相对依赖自然条件。

盐差能方面，发电技术仅处在理论阶段，距离实际应用还存在较大差距。

尽管不同海洋能技术发展程度不同，但面临的挑战和阻碍相似，技术、基础设施建设、金融、市场、政策法规、环境、社会政治等多方面的挑战，使其尚未实现规模化发展应用[6]。

表6 海洋能发展面临的挑战

Table 6. Challenges of ocean energy deployment

5 总结与展望

海洋能资源储量巨大，随着技术的进步和利用规模的扩大，有望成为重要的可再生能源发电来源。但目前不同品种的海洋能技术和商业化发展水平存在较大差异，整体发展缓慢，除潮汐能相对成熟外，其他海洋能均处于发展初期，以技术研发和项目示范为主，且分布相对集中，一直未能实现规模化利用。此外，前期研发工作仍主要集中在英国等国家。现阶段，海洋能发电成本居高不下，若想参与市场化竞争，仍存在很大的降本空间。受技术发展、资金投入等制约，海洋能发展仍存在很大的不确定性。因此，未来海洋能开发利用仍需要管理者加强顶层设计和管理，投资者努力打通产业链，摸索出可盈利的商业模式，以实现可持续发展。

基于海洋能资源潜力和特点，海洋能实现规模化利用仍然需要较长时间的努力，但考虑到海洋能“因海而生、向海而兴”的特点，可以在海洋特定场景中实现特色化发展，如在混合电力供应系统建设、与海洋经济协同发展等领域形成一定的商业模式，可以从分散式、小规模、专业化服务起步，逐步推动技术进步和产业发展，不断扩大形成产业规模。

混合电力系统建设方面，海洋能发电可依托输出相对稳定的特点，与其他可再生能源发电、储能等技术结合，形成综合能源供应系统，保证电力的稳定性、可靠性和可持续性。苏格兰、法国、韩国等多个国家都在规划和摸索海洋能与光伏发电、风力发电、漂浮式风力发电、抽水蓄能、储能、微电网和氢能混合电力供应系统建设的工作。与海洋经济协同发展方面，海洋能开发可以发挥资源就近优势，与岛屿供能、海水淡化、冷却/制冷、水产养殖、海上油气开采等实现协同发展，降低产业用能成本，助力产业发展，部分解决离岸、深远海等产业环境下实现清洁、持续供能的“痛点”问题，并通过海洋产业支撑，解决发电成本较高的问题。

参考文献

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[8] 刘玉新,王海峰,王冀,陈利博.海洋强国建设背景下加快海洋能开发利用的思考[J].科技导报,2018,36(14):22-25.

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[11] Herrera, J.; Sierra, S.; Ibeas, A. Ocean Thermal Energy

Conversion and Other Uses of Deep Sea Water: A

Review. J. Mar. Sci. Eng. 2021, 9, 356.

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本文刊登于《蓝海经济》第2期（2022年8月）

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编辑/排版：殷立欣常娜苍姗

审核：信息与实验研究平台

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