世界海洋可再生能源的開發(fā)利用對我國的啟示*

王寶森,徐春紅,陳 華

(國家海洋標準計量中心 天津 300112)

世界海洋可再生能源的開發(fā)利用對我國的啟示*

王寶森,徐春紅,陳 華

(國家海洋標準計量中心 天津 300112)

在傳統(tǒng)能源日漸枯竭以及環(huán)境污染日益嚴重的情況下,以可再生能源為主的能源結構正逐漸取代以化石燃料為主的能源結構。海洋可再生能源作為一種儲量巨大的可再生清潔能源受到了廣泛的重視。文章在廣泛整理、分析世界不同種類海洋可再生能源開發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎上,結合我國海洋可再生能源開發(fā)利用實際及存在的問題,嘗試提出我國海洋可再生能源的發(fā)展建議:明確我國海洋可再生能源狀況,科學制定開發(fā)利用規(guī)劃;考慮潛在環(huán)境問題,慎重推進海洋能發(fā)電站的巨型化;加強技術研發(fā),促進海洋能資源的綜合利用;開展國際合作,加速我國海洋能技術的發(fā)展。

海洋可再生能源;開發(fā)利用;發(fā)展策略

1 引言

能源是人類社會發(fā)展的關鍵,隨著經濟的不斷發(fā)展,人類對能源的需求越來越大。傳統(tǒng)的煤炭、石油、天然氣等化石能源消耗加快、儲量日漸枯竭,同時化石燃料燃燒引起的環(huán)境污染問題也日漸顯現(xiàn)。這促使世界各國都積極的探尋可能的替代資源。海洋是世界上最大的太陽能采集器,海洋可再生能源作為一種不斷再生、永續(xù)利用,對環(huán)境危害較小的能源受到了廣泛的重視。海洋可再生能源通常是指依附于海水中的可再生的自然能源,主要包括潮汐能、波浪能、海 (潮)流能、溫差能、鹽差能和生物質能,更廣義的海洋可再生能源還包括海洋表面的風能和太陽能。從能量形式來看,潮汐能、海 (潮)流能和波浪能都是機械能,溫差能屬于熱能,鹽差能則是化學能。

我國是一個能源生產和消費大國,為滿足經濟發(fā)展的需要,每年需大量進口化石能源。2010年中國石油凈進口量達到創(chuàng)紀錄的25 367萬t,石油進口依存度約為60%。同時我國也是海洋大國,擁有300萬km2的海洋國土以及3.2萬km余海岸線 (包括島嶼岸線),海洋能資源豐富。同時東部沿海地區(qū)經濟發(fā)達,電力負荷密集,電網強大,能夠為大規(guī)模海洋能的開發(fā)和利用創(chuàng)造條件。我國《可再生能源發(fā)展 “十二五”規(guī)劃》提出:要加快推進海洋能技術進步。到2015年,建成總容量5萬k W的各類海洋能電站,為更大規(guī)模的發(fā)展奠定基礎。因此,海洋可再生能源將是中國未來能源結構中的重要組成部分。

本研究在分析研究世界不同種類海洋可再生能源開發(fā)利用現(xiàn)狀的基礎上,結合我國海洋可再生能源開發(fā)利用實際及存在的問題,嘗試提出我國海洋可再生能源的發(fā)展建議。

2 世界海洋可再生能源開發(fā)利用現(xiàn)狀

2.1 潮汐能

潮汐能是指因月球和太陽引力的變化引起的海水周期性的漲落而產生的勢能[1]。根據(jù)世界能源會議 《1992年能源資源調查報告書》,全世界潮汐能可開發(fā)量為10億～11億k W,年發(fā)電量約12 400億k W·h[2]。人類很早之前就學會了利用潮汐能,曾經利用它搬運石塊、推動水輪機等,但利用潮汐發(fā)電則始于20世紀。20世紀60年代世界上第一個商業(yè)性潮汐電站建成,70年代以后潮汐能發(fā)電進一步以降低大規(guī)模商業(yè)性生產的造價為目標,到現(xiàn)在人類對于潮汐能的利用已經進入了實質性的應用階段。據(jù)不完全統(tǒng)計,目前在英國、法國、俄羅斯、加拿大、印度、韓國等13個國家運行、設計、在建、研究及建議的電站達139座[3]。

法國的朗斯潮汐電站、加拿大安納波利斯潮汐電站以及我國的江夏潮汐電站,是當今世界已建成并長期運行的三大潮汐能電站。朗斯潮汐電站建于1968年,位于法國西北部圣馬洛灣以南的朗斯河口,是世界上第一個商業(yè)性電站,也是目前世界最大的潮汐發(fā)電站,總裝機容量24萬k W,年發(fā)電量為5.44×108k W·h[4]。1984年,加拿大在芬迪灣建成安納波利斯潮汐電站,安裝了當時世界上單機容量最大的貫流式水輪發(fā)電機組,實現(xiàn)全年發(fā)電量約45億k W·h。不過,該電站同時也暴露出較多的環(huán)境問題,成為各界爭論的焦點。我國的江廈潮汐試驗電站位于浙江溫嶺西南的江廈港上,1972年開始建設,至2007年10月共6臺機組發(fā)電,總裝機容量3 900 k W,年發(fā)電量穩(wěn)定在600萬k W·h余。

2.2波浪能

海洋波浪能是指由于太陽能的不均勻分布導致空氣流動,進而在海面產生的短周期波所儲存的勢能和動能。據(jù)世界能源委員會統(tǒng)計,全球可利用的波浪能達20億k W。波浪發(fā)電是繼潮汐發(fā)電之后,發(fā)展最快的一種海洋能利用方式。1911年,世界上第一臺波浪能發(fā)電裝置研制成功[5];20世紀60年代,日本的益田善雄開發(fā)成功世界上第一個海浪發(fā)電裝置,用于航標燈,并投入商品化生產,這是世界第一個、也是最成功的商業(yè)化波能產品;80年代以后,波浪能的開發(fā)轉向以為邊遠沿海和海島供電為目的的實用性、商業(yè)化的中小型裝置為目標[3];現(xiàn)在的波能利用技術已經歷了裝置發(fā)明、實驗室試驗、實海況示范等階段,進入了降低成本、探索商業(yè)化應用的階段。

目前,日本、英國、美國、德國、加拿大和挪威等國都在開展波能利用的研究,其技術原理大都基于物體在波浪作用下的升沉和搖擺,將波浪能轉換為物體的機械能或者利用波浪的爬升將波浪能轉換成水的勢能等。其中較為著名的是日本80年代初與美國、英國、加拿大、愛爾蘭合作建造的 “海明”號波能發(fā)電船,總裝機容量1 250 k W,可向岸邊輸送電力,發(fā)電成本低于當?shù)夭裼偷陌l(fā)電成本[3]。1998年,日本研制的名為 “巨鯨”的波能發(fā)電裝置在三重縣五所灣離岸海域下水投入商業(yè)運營,該裝置不僅可吸收波能發(fā)電,還具有獨立能源平臺的功能[6]。英國擁有世界上最好的波浪能源,是20世紀80年代世界波浪能研究中心。1990年和1994年分別建成75 k W和2萬k W的振蕩水柱式和固定式岸基波力電站;1995年,在克萊德河口海灣建成世界上首臺商用波浪發(fā)電機,裝機容量2 000 k W[7];2000年,世界上第一個波浪發(fā)電廠在Islay島試運行,發(fā)電量500 k W。此外,21世紀初英國又發(fā)明了一種名為 “海蛇(Pelamis)”的獨特波能利用裝置,采用筏式和液壓系統(tǒng),裝機容量為700 k W,是目前世界上裝機容量最大的波能發(fā)電裝置。該裝置已在葡萄牙北部海岸投入商業(yè)化運行,最終建設目標是實現(xiàn)500 k W電力,滿足35萬個家庭的使用。

2.3 海(潮)流能

海 (潮)流能是指流動的海水所具有的動能,主要指海底水道和海峽中由于潮汐導致的有規(guī)律的海水流動。海流能量的大小與流速和流量成正比。一般認為,最大流速在2 m/s以上的海流才有實際開發(fā)利用的價值。全世界海(潮)流能的理論估計值在500～1 000 GW量級[8]。海(潮)流能利用的研究始于20世紀70年代,研究進展比較緩慢,20世紀90年代,攔海建壩的潮汐發(fā)電因生態(tài)環(huán)境問題受阻,人們才開始重視潮流發(fā)電。與河流發(fā)電相比,海(潮)流能發(fā)電不受洪水和季節(jié)影響,水量和流速較穩(wěn)定,能量來源可靠。

世界上開展海 (潮)流能開發(fā)利用研究的國家主要有美國、英國、加拿大等。美國是世界上最早開展海流發(fā)電研究的國家。1973年,美國首先提出 “科里奧利斯”巨型海流發(fā)電裝置方案,當海流速度為2.3 m/s時,可實現(xiàn)發(fā)電83 MW;1985年分別進行了2 k W和20 k W海流發(fā)電裝置試驗;2002年啟動了RITE工程,工程計劃歷時10年安裝30臺水下潮流發(fā)電機組,向電網輸送10 MW電力[9]。英國是目前世界上潮流能發(fā)電技術最先進的國家,2003年投運首臺300 k W Sea Flow型潮流能發(fā)電機組; 2008年投運1.2 MW的Sea Gen型潮流能發(fā)電機組;目前,英國正在蘇格蘭和北威爾士建設大型潮流能發(fā)電場[9]。

2.4 溫差能和鹽差能

海水溫差能是指蘊藏在表層溫海水和底層冷海水之間的熱能[1],是蘊藏量最大的海洋可再生能源,被寄予最大的期望,研究投資最多。相對于潮汐能、海流能等機械能來說,溫差能屬于熱能在發(fā)電能量轉換效率和設備成本上都不具有優(yōu)勢。但是,溫差能利用在發(fā)電的同時還可以產生淡水等副產品,這一點是值得注意的[10]。目前,世界上僅有美國和日本等幾個國家建造了溫差試驗電站或裝置,技術已接近成熟,但尚未達到商業(yè)化水平。美國自20世紀60年代中期開始溫差能利用研究,1979年在夏威夷建成世界上第一座閉路循環(huán)式海洋溫差發(fā)電站,該裝置發(fā)電機額定功率50 k W[3]。

海水鹽差能是指海水和淡水之間或兩種含鹽濃度不同的海水之間的化學電位差能[1]。1973年以色列科學家首先研制了一臺濃差能實驗室發(fā)電裝置,證明了發(fā)電的可能性[3]。隨后日本、美國、瑞典等國相繼開展了研究工作,但均屬于基礎理論研究和原理性實驗研究。目前,鹽差能發(fā)電的主要技術難點有兩個:一是向高水頭海水池泵入高鹽度海水耗能大;二是大型半透膜的技術難度和造價高。

3 我國海洋可再生能源開發(fā)利用現(xiàn)狀

我國是海洋大國,海洋能資源總量近30億k W,開發(fā)利用潛力巨大,以東南沿海及海島地區(qū)最具資源優(yōu)勢,但海洋能開發(fā)利用技術除潮汐能外大多落后于世界先進水平。我國海洋能開發(fā)利用的研究始于20世界50年代,最初僅是開發(fā)潮汐能資源。目前,我國正在運行的潮汐電站有浙江溫嶺的江廈站、浙江玉環(huán)的海山站和山東乳山的白沙口站3座,其中江夏潮汐試驗電站最大,裝機容量3 200 k W[11]。波浪能和海 (潮)流能利用的研究還處于早期示范研究階段,中科院廣州能源所正開展波浪能發(fā)電裝置小型示范研究,哈爾濱工程大學、中國海洋大學等開展潮流能發(fā)電裝置的小型示范研究[11]。溫差能和鹽差能發(fā)電處于實驗室模擬試驗階段。

自2010年開始,我國開始設立海洋可再生能源專項資金,累計投資4億元,共支持了64項海洋可再生能源開發(fā)利用項目,重點解決潮流能發(fā)電裝置海上試驗的技術難點,優(yōu)先支持波浪能和潮流能發(fā)電的示范應用,對現(xiàn)有的潮汐電站進行增效擴容改造,逐步實現(xiàn)可靠運行,構建初具規(guī)模的海洋能示范基地。

4 對我國海洋可再生能源開發(fā)利用的啟示

我國的 《可再生能源發(fā)展 “十二五”規(guī)劃》提出 “加快推進海洋能技術進步。建設海洋能、風能與太陽能技術互補的海島獨立示范電站;建設1～2個萬千瓦級潮汐能電站和若干潮流能并網示范電站。到2015年,建成總容量5萬千瓦的各類海洋能電站”。為實現(xiàn)上述目標,建議應從以下幾個方面著手開展海洋可再生能源的開發(fā)和利用。

4.1 明確我國海洋可再生能源狀況,科學制定開發(fā)利用規(guī)劃

由于對海洋能資源的基本狀況缺乏整體認識,沒有形成系統(tǒng)的發(fā)展方向、目標和計劃,使得我國海洋能的開發(fā)利用基本處于試驗和探索階段。而海洋能開發(fā)利用技術較先進的美國、英國、日本等國都以不同的方式制定了海洋能發(fā)展規(guī)劃,如2010年美國發(fā)布的 《美國海洋水動力可再生能源技術路線圖》(The United States Marine Hydrokinetic Renewable Energy Technology Roadmap)、英國發(fā)布的《海洋能源行動計劃2010》等,都極大地促進了這些國家海洋能技術的研發(fā)和應用[12]。我國發(fā)布的 《可再生能源發(fā)展 “十二五”規(guī)劃》提出了我國海洋能開發(fā)利用的目標,但是缺乏系統(tǒng)、詳細的規(guī)劃和發(fā)展戰(zhàn)略。因此,需要有關部門根據(jù)我國海洋能分布的特點和發(fā)展狀況制定詳細的步驟和措施。

4.2 考慮潛在環(huán)境問題,慎重推進海洋能發(fā)電站的巨型化

我國的海洋可再生能源豐富,但開發(fā)利用不足,規(guī)模也較小。以技術較先進的潮汐能為例,我國最大、世界第三的江廈潮汐電站,其總裝機容量也只有法國朗斯潮汐電站的1/60。大規(guī)模的開發(fā)海洋可再生能源能夠替代傳統(tǒng)化石能源,緩解能源緊缺,保證經濟持續(xù)快速增長,減少對環(huán)境的污染。但與此同時也應該考慮到在海洋能開發(fā)利用過程中存在一些潛在的生態(tài)問題,如潮汐電站會改變海水溫度和水質,影響浮游生物、魚類等的生長,建造攔潮壩可能會影響河口地下水和排水,加劇海岸侵蝕。因此,在大規(guī)模的開發(fā)利用海洋可再生能源的同時,也應慎重的考慮其可能對生態(tài)環(huán)境造成的影響。

4.3 加強技術研發(fā),促進海洋能資源的綜合利用

與其他發(fā)電技術相比,海洋能發(fā)電尚不成熟,技術難度大、成本高,不具有競爭力。但作為一種可再生能源,海洋能對環(huán)境友好,儲量豐富,利用潛力巨大,作為補充和替代化石燃料的能源具有開發(fā)利用的必要性。結合現(xiàn)階段海洋能開發(fā)利用的現(xiàn)實,筆者認為一方面應該加強海洋能開發(fā)利用基礎技術的研發(fā);另一方面是促進海洋能開發(fā)的綜合利用,多能互補,通過加強綜合利用降低發(fā)電成本,推動技術快速發(fā)展。促進海洋能發(fā)電的綜合利用,可以在潮汐電站水庫開展貝類、魚類養(yǎng)殖,在溫差電站利用深層冷水養(yǎng)殖貝類、魚類或用于建筑物降溫等。

4.4 開展國際合作,加速我國海洋能技術的發(fā)展

我國的海洋能開發(fā)利用技術除潮汐能外均處于起步階段,溫差能、鹽差能領域甚至剛剛涉及。而世界上很多國家的海洋能利用技術已經較為先進,如英國的潮汐能、波浪能開發(fā)利用、日本的波浪能發(fā)電技術以及美國的溫差能技術等。國際社會為促進世界海洋能的開發(fā)利用,為有關國家搭建了很多海洋能開發(fā)領域的交流平臺,如“世界海洋能源會議”(ICOE)、國際海洋能源系統(tǒng)協(xié)議等[13]。應積極利用這些平臺開展國際合作、加強學術交流,學習國外先進技術,參與聯(lián)合各國優(yōu)勢力量的科技攻關,加速我國海洋能技術的發(fā)展。

[1] 張理.我國海洋能開發(fā)利用思路的初步探索[J].中國造船,2012,53(增2):556-560.

[2] 戴慶忠.潮汐發(fā)電的發(fā)展和潮汐電站用水輪發(fā)電機組[J].東方電氣評論,2007,21(4):14.

[3] 王傳崑.國外海洋能技術的發(fā)展[J].太陽能,2008 (12).

[4] 謝秋菊,廖小青,盧冰,等.國內外潮汐能利用綜述[J].水利科技與經濟,2009,15(8):670-671.

[5] 張麗珍,羊曉晟,王世明,等.海洋波浪能發(fā)電裝置的研究現(xiàn)狀與發(fā)展前景[J].湖北農業(yè)科學,2011, 50(1):161-164.

[6] 龔媛.世界波浪發(fā)電技術的發(fā)展動態(tài)[J].電力需求側管理,2008,10(6):71-72.

[7] 劉全根.世界海洋能開發(fā)利用狀況及發(fā)展趨勢[J].能源工程,1999(2):5-8.

[8] 劉美琴,仲穎,鄭源,等.海流能利用技術研究進展與展望[J].可再生能源,2009,27(5):78-81.

[9] 戴慶忠.潮流能發(fā)電及潮流能發(fā)電裝置[J].東方電機,2010(2):51.

[10] 游亞戈,李偉,劉偉民,等.海洋能發(fā)電技術的發(fā)展現(xiàn)狀與前景[J].電力系統(tǒng)自動化,2010,34 (14):1-12.

[11] 馬龍,陳剛,蘭麗茜.淺析我國海洋能合理化開發(fā)利用的若干關鍵問題及發(fā)展策略[J].海洋開發(fā)與管理,2013,30(2):46-50.

[12] 王金平,鄭文江,高峰.國際海洋可再生能源研究進展及對我國的啟示[J].可再生能源,2012,30 (11):123-127.

[13] 劉賀青.金磚國家海洋能源利用對我國開展海洋能源國際合作的啟示[J].鄭州航空工業(yè)管理學院學報,2012,30(6):33-39.

海洋可再生能源專項資金項目(GHME2011ZC01).