基于深海海洋能開發(fā)的海洋命運(yùn)共同體構(gòu)建路徑思考

趙強(qiáng),王紅麗

(1.自然資源部第一海洋研究所 海洋地質(zhì)與成礦作用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 青島 266061;2.青島海洋科學(xué)與技術(shù)試點(diǎn)國(guó)家實(shí)驗(yàn)室 海洋地質(zhì)過程與環(huán)境功能實(shí)驗(yàn)室 青島 266237 3.鹽城師范學(xué)院城市與規(guī)劃學(xué)院 鹽城 224007)

0 引言

海洋命運(yùn)共同體是人類命運(yùn)共同體在海洋領(lǐng)域的具體表現(xiàn),有利于破除海洋環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的“公地悲劇”和海洋資源開發(fā)領(lǐng)域的“圈地思維”,為全人類謀福利,是中國(guó)積極參與全球海洋治理而貢獻(xiàn)的中國(guó)智慧和中國(guó)方案。然而要想將“中國(guó)倡議”變?yōu)椤皣?guó)際共識(shí)”,消除來自不同意識(shí)形態(tài)的猜疑、誤解和偏見,化美好的愿景為成功的實(shí)踐和精彩的現(xiàn)實(shí),須將海洋命運(yùn)共同體理念落實(shí)在具體行動(dòng)上。

隨著陸地資源的日漸枯竭,人類社會(huì)正面臨嚴(yán)峻的資源與環(huán)境危機(jī),資源豐富但尚未充分開發(fā)的深海成為人類可持續(xù)發(fā)展的希望所在,同時(shí)是海洋命運(yùn)共同體建設(shè)的重要領(lǐng)域。除儲(chǔ)量極為豐富的礦產(chǎn)資源外,深海還是儲(chǔ)量近乎無限的可再生能源寶庫,理論上可滿足人類社會(huì)所有的能源需求且清潔、低碳和無污染,有巨大潛力成為未來海洋經(jīng)濟(jì)的重要支柱,支撐人類的可持續(xù)發(fā)展。深海海洋能開發(fā)須建設(shè)跨越大洋的移動(dòng)平臺(tái)體系和傳輸管道系統(tǒng),將眾多沿海國(guó)家緊密相連,極度依賴國(guó)際合作,因而與深海礦產(chǎn)資源開發(fā)相比,深海海洋能開發(fā)具有更顯著的“共商、共建、共享”屬性,能為海洋命運(yùn)共同體建設(shè)開辟更為廣闊的合作空間。

隨著海洋科技的快速發(fā)展,大規(guī)模開發(fā)深海海洋能的條件逐漸成熟。尤其是氫能源時(shí)代的開啟為深海海洋能開發(fā)開辟重要通道,使深海溫差能發(fā)電制氫后供陸地所需。憑借巨大的資源儲(chǔ)量,深海海洋能開發(fā)技術(shù)一旦突破,必將對(duì)全球能源格局產(chǎn)生重大而深遠(yuǎn)的影響。經(jīng)過數(shù)十年的持續(xù)研發(fā),發(fā)達(dá)國(guó)家已在深海海洋能開發(fā)技術(shù)方面取得明顯的領(lǐng)先優(yōu)勢(shì),我國(guó)亟須在深海海洋能開發(fā)領(lǐng)域加大投入并奮起直追。

1 建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)和構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體

黨的十八大以來,我國(guó)相繼提出建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的要求以及構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體的倡議。對(duì)我國(guó)而言,建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)與構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體并行不悖,即在建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)的過程中推動(dòng)構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體,在構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體的過程中實(shí)現(xiàn)海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)目標(biāo)。

海洋強(qiáng)國(guó)不僅是社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)的應(yīng)有之義,而且應(yīng)作為建設(shè)社會(huì)主義現(xiàn)代化強(qiáng)國(guó)的重要支撐而先期實(shí)現(xiàn);由于陸地資源的日漸枯竭,深海開發(fā)至關(guān)重要。構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體有利于尋找更多的朋友,消除潛在的發(fā)展風(fēng)險(xiǎn)和障礙,使海洋強(qiáng)國(guó)之路行穩(wěn)致遠(yuǎn);要想在深海領(lǐng)域推動(dòng)構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體,根本上還要依賴重大海洋基礎(chǔ)設(shè)施工程,將各沿海國(guó)家連接成為“利益交織,命運(yùn)與共”的整體。

我國(guó)歷來高度重視深海礦產(chǎn)資源勘探開發(fā),在深海海底多金屬結(jié)核、多金屬硫化物和富鈷鐵錳結(jié)殼等領(lǐng)域開展全方位布局。相比之下,深海海洋能的技術(shù)水平和研發(fā)力量較為落后,有可能成為我國(guó)深海開發(fā)的薄弱環(huán)節(jié)。

2 深海海洋能開發(fā)的戰(zhàn)略意義和價(jià)值

深海海洋能是相對(duì)淺海海洋能而言的,主要包括深海溫差能和深海波浪能。深海波浪能的儲(chǔ)量非常豐富,但主要富集于狂暴的南大洋且開發(fā)難度太大,因此在淺海波浪能開發(fā)實(shí)現(xiàn)廣泛商業(yè)化前,深海波浪能開發(fā)不具有可行性。本研究中的深海海洋能主要指深海溫差能。

深海溫差能是指海洋表層與深層海水之間的溫差儲(chǔ)存的熱能,利用這種熱能可以實(shí)現(xiàn)熱力循環(huán)并發(fā)電。只有當(dāng)表層與深層海水的溫差大于20℃時(shí)才有開發(fā)價(jià)值,因而深海溫差能主要富集于20°S-20°N的熱帶海域[1]。深海溫差能發(fā)電(海洋熱能轉(zhuǎn)換,OTEC)的設(shè)想于1881年由法國(guó)科學(xué)家阿松瓦爾提出[2],而后由其學(xué)生克勞德完成原理實(shí)驗(yàn)并成功在古巴馬坦薩斯海灣建成首個(gè)深海溫差能發(fā)電裝置[3]。

海洋是世界上最大的太陽能集熱器和儲(chǔ)能系統(tǒng),深海溫差能約占海洋可再生能源儲(chǔ)量的90%。不同研究人員對(duì)深海溫差能開發(fā)潛力的估算有較大出入[4-6],有研究表明利用海洋環(huán)流模型估算深海溫差能的可采儲(chǔ)量達(dá)300億k W,是全球總裝機(jī)容量的數(shù)倍[1]。深海溫差能作為儲(chǔ)量巨大的可再生清潔能源,具有受晝夜和季節(jié)影響小、不存在間歇以及不占用土地資源等特點(diǎn),被國(guó)際社會(huì)普遍認(rèn)為是最具開發(fā)價(jià)值和潛力的海洋資源。深海溫差能開發(fā)對(duì)于應(yīng)對(duì)全球氣候變化、捍衛(wèi)國(guó)家能源安全、加快進(jìn)入氫能源時(shí)代、支撐深海礦產(chǎn)資源開發(fā)以及推動(dòng)構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體均具有重要意義。

2.1 應(yīng)對(duì)全球氣候變化

應(yīng)對(duì)氣候變化和實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展是當(dāng)今人類社會(huì)面臨的2個(gè)重大問題。人類進(jìn)入工業(yè)化時(shí)代以來,能源消耗量急劇增加,在短短的100余年內(nèi)便將地球數(shù)億年來累積的化石能源消耗過半,造成大氣中二氧化碳含量以每年約2 ppm的速度[7]極速增加。作為重要的溫室氣體之一,大氣中二氧化碳含量的增加直接導(dǎo)致氣候變暖、冰川消融、海平面上升和海洋酸化等全球環(huán)境變化現(xiàn)象[8],間接加劇生態(tài)系統(tǒng)惡化、加快物種滅絕速度以及加大旱澇災(zāi)害頻率和強(qiáng)度,從而嚴(yán)重威脅人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展。為此,2016年170余個(gè)國(guó)家的領(lǐng)導(dǎo)人齊聚聯(lián)合國(guó)總部并共同簽署《巴黎協(xié)定》[9],旨在加強(qiáng)對(duì)氣候變化威脅的全球應(yīng)對(duì),主要路徑是大力發(fā)展可再生能源并實(shí)現(xiàn)對(duì)常規(guī)化石能源的革命性替代。作為潛力巨大的可再生能源,深海溫差能可為減少溫室氣體排放以及推動(dòng)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的清潔和低碳轉(zhuǎn)型開辟新的來源,為有效應(yīng)對(duì)全球氣候變化做出重要貢獻(xiàn)。

2.2 捍衛(wèi)國(guó)家能源安全

我國(guó)能源供需矛盾突出,能源安全已經(jīng)成為國(guó)家重大經(jīng)濟(jì)安全問題之一。自2011年起我國(guó)超過美國(guó)成為世界第一能源消費(fèi)大國(guó),隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的進(jìn)一步發(fā)展,未來多年的能源需求總量還會(huì)進(jìn)一步升高。常規(guī)化石能源是我國(guó)一次能源消費(fèi)的主體,作為“富煤貧油少氣”的國(guó)家,煤炭一直是我國(guó)能源消費(fèi)的主力,而石油和天然氣則大量依賴進(jìn)口。巨大的能源支出不僅加重國(guó)家發(fā)展負(fù)擔(dān),而且提高國(guó)家能源風(fēng)險(xiǎn)。

為化解能源危機(jī)和擺脫能源依賴,近年來我國(guó)大力發(fā)展非化石能源。根據(jù)《中國(guó)能源電力發(fā)展展望2020》,到2050年我國(guó)電力總裝機(jī)容量可能達(dá)到47億～57億k W,到2060年我國(guó)新能源裝機(jī)容量將占總裝機(jī)容量的66%,新增裝機(jī)容量將以光伏和陸上風(fēng)電為主,氣電、核電和水電均緩慢增長(zhǎng)。此外,《中國(guó)能源電力發(fā)展展望2020》提出以化石能源和可再生能源滿足未來我國(guó)的所有能源需求,而對(duì)深海可再生能源開發(fā)未做前瞻性考慮,在一定程度上加大我國(guó)生態(tài)環(huán)境壓力。深海屬于全人類共同財(cái)產(chǎn),深海溫差能有巨大潛力成為支撐人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重要清潔能源,其大規(guī)模開發(fā)一旦實(shí)現(xiàn),可為國(guó)家發(fā)展開辟穩(wěn)定的清潔能源供應(yīng)渠道,實(shí)現(xiàn)氫能源對(duì)油氣能源的戰(zhàn)略接替,從而有效捍衛(wèi)國(guó)家能源安全,助推我國(guó)能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)的清潔和低碳轉(zhuǎn)型。

2.3 加快進(jìn)入氫能源時(shí)代

目前全球氫能源開發(fā)已取得長(zhǎng)足進(jìn)步,人類正快速步入氫能源時(shí)代。根據(jù)國(guó)際氫能源委員會(huì)的報(bào)告[10],到2050年全球終端能源需求的18%將來自氫能源,氫能源的市場(chǎng)規(guī)模將超過2.5萬億美元。根據(jù)《2050年世界與中國(guó)能源展望》[11],2035年前后氫能源汽車的商業(yè)化成本和便捷性可與傳統(tǒng)汽車競(jìng)爭(zhēng),2050年氫能源占交通用能的比重可達(dá)到32.9%。目前氫能源已經(jīng)成為備受關(guān)注的新能源發(fā)展熱點(diǎn),美國(guó)、日本、韓國(guó)和歐盟等國(guó)家和地區(qū)以及一些傳統(tǒng)能源公司都相繼制定氫能源產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和政策[12-15],越來越多的汽車和金融公司也紛紛涉足氫能源相關(guān)業(yè)務(wù),并形成多產(chǎn)業(yè)協(xié)同創(chuàng)新發(fā)展的新格局。全球眾多政府和跨國(guó)企業(yè)已在氫能源發(fā)展戰(zhàn)略上達(dá)成一致,即氫能源開發(fā)將成為全球產(chǎn)業(yè)和能源革命的發(fā)展方向。面對(duì)世界氫能源迅猛發(fā)展的大勢(shì),我國(guó)亦不甘落后,2019年的《政府工作報(bào)告》寫入氫能源開發(fā),各地方政府的氫能源扶持政策[16]和氫能源產(chǎn)業(yè)園區(qū)如雨后春筍般涌現(xiàn)[17];根據(jù)中長(zhǎng)期規(guī)劃,到2025年我國(guó)氫能源產(chǎn)值將超過5 100億元,并最終發(fā)展成萬億市場(chǎng)。

氫能源開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)在于獲取大規(guī)模且廉價(jià)的氫氣。目前制氫的主要方式包括氯堿工業(yè)副產(chǎn)氫、電解水制氫、化工原料制氫(甲醇裂解、乙醇裂解和液氨裂解等)、石化資源制氫(石油裂解和水煤氣法等)和新型制氫(生物質(zhì)和光化學(xué)等)。2017年全球氫氣產(chǎn)量約為6 000萬t,其中96%來自熱化學(xué)重整,而電解水制氫僅占4%[18],原因在于電解水制氫的成本高昂。然而要真正叩開氫能源時(shí)代的大門,大規(guī)模制氫必須擺脫對(duì)化石能源的依賴,因此利用可再生能源制氫是進(jìn)入氫能源時(shí)代的必然要求。

氫氣是二次能源,制氫須大量消耗一次能源。從遠(yuǎn)期來看,利用“可控?zé)岷司圩儭钡哪芰渴抢硐氲闹茪浞桨?但據(jù)美國(guó)能源部預(yù)測(cè)這可能在30～50年后才會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。從近期來看,規(guī)?；_發(fā)棄水、棄光和棄風(fēng)等清潔能源是獲取廉價(jià)氫氣的重要方法,但因其規(guī)模有限僅能算是補(bǔ)充性能源渠道,而大規(guī)模開發(fā)陸地可再生能源制氫則遠(yuǎn)不如直接用電更加經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。從中遠(yuǎn)期來看,建立專門的深海浮動(dòng)發(fā)電平臺(tái),將潛力巨大而尚待開發(fā)的深海溫差能利用起來發(fā)電制氫,可一舉解決大規(guī)模氫氣來源和深海溫差能資源閑置的問題,因而可能是通往氫能源時(shí)代的最佳路徑,從而加速氫能源時(shí)代的到來。

值得關(guān)注的是,2019年韓國(guó)發(fā)布《氫能經(jīng)濟(jì)發(fā)展路線圖》[12],希望以氫燃料電池汽車和燃料電池為核心,將韓國(guó)打造成世界最高水平的氫能源經(jīng)濟(jì)領(lǐng)先國(guó)家,使韓國(guó)從化石燃料資源匱乏國(guó)轉(zhuǎn)型為清潔氫能源產(chǎn)出國(guó)。日本是最重視氫能源開發(fā)的國(guó)家,2017年發(fā)布《氫能源基本戰(zhàn)略》[13]提出在全球率先實(shí)現(xiàn)“氫社會(huì)”,以擺脫能源困境和確保能源安全,甚至期待未來占據(jù)該產(chǎn)業(yè)鏈頂端并成為能源出口國(guó)。日本和韓國(guó)均是世界排名前列的石油進(jìn)口國(guó),嚴(yán)重缺乏常規(guī)化石能源,但都力爭(zhēng)成為氫能源時(shí)代的能源出口國(guó),不免令人質(zhì)疑其制氫的能源來自何處?從近年來日本和韓國(guó)在深海溫差能發(fā)電方面所采取的舉措不難推測(cè),深海溫差能發(fā)電制氫將是其重要選項(xiàng)。

2.4 支撐深海礦產(chǎn)資源開發(fā)

礦產(chǎn)資源是國(guó)家建設(shè)和社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ),而諸多陸地礦產(chǎn)資源有可能在未來數(shù)十年甚至十?dāng)?shù)年內(nèi)枯竭。根據(jù)《全球礦業(yè)發(fā)展報(bào)告2019》[19],全球銻、錫、金、鋅、鉛和銀的儲(chǔ)產(chǎn)比小于20年,而鎳、銅、鎢、錳、鉻、鋯和鈷的儲(chǔ)產(chǎn)比小于50年。與此同時(shí),上述礦產(chǎn)資源大多在深海有著極為豐富的儲(chǔ)量,在不遠(yuǎn)的將來,開發(fā)深海礦產(chǎn)資源是人類實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。截至2021年,國(guó)際海底管理局(ISA)已與22個(gè)承包商簽訂31個(gè)為期15年的深海海底多金屬結(jié)核、多金屬硫化物和富鈷鐵錳結(jié)殼勘探合同[20]。自2017年以來,國(guó)際海底管理局通過“年度承包者大會(huì)”制度對(duì)深海礦產(chǎn)資源的開發(fā)規(guī)章、數(shù)據(jù)共享和環(huán)境管理等開展多年探討,并在全球形成從勘探向開發(fā)轉(zhuǎn)變的共識(shí)。目前國(guó)際海底管理局正加快制定深海礦產(chǎn)資源開發(fā)的國(guó)際規(guī)則,并有望在短期內(nèi)獲得通過。

在深海礦產(chǎn)資源開發(fā)技術(shù)方面,許多國(guó)家已成功試采[21-23],雖然與陸地礦產(chǎn)資源開發(fā)相比成本仍較高,但隨著科技進(jìn)步,尤其是機(jī)器人和人工智能技術(shù)的快速發(fā)展,技術(shù)條件已不再是深海礦產(chǎn)資源開發(fā)的最大阻礙。除技術(shù)條件外,深海礦產(chǎn)資源開發(fā)還是高耗能產(chǎn)業(yè),須有大量能源作為支撐。在全球能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)向清潔和低碳轉(zhuǎn)型的背景下,未來的深海礦產(chǎn)資源開發(fā)不能依賴常規(guī)化石能源,也不能依賴陸地的可再生能源(成本高),唯有依賴深海自身(可再生能源)才是最佳解決途徑。深海溫差能開發(fā)將為深海礦產(chǎn)資源開發(fā)提供大量廉價(jià)而清潔的可再生能源,從而助推深海礦產(chǎn)資源開發(fā)的早日實(shí)現(xiàn)。

2.5 推動(dòng)構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體

海洋命運(yùn)共同體的最終實(shí)現(xiàn)須在調(diào)節(jié)各國(guó)在海洋領(lǐng)域的利益和紛爭(zhēng)中凝聚全人類最大共識(shí),推動(dòng)文化交流融合,增進(jìn)全人類共同福祉。在海洋領(lǐng)域,全人類的最大福祉就是海洋環(huán)境的保護(hù)和深海資源的公正、有序與和平開發(fā)。其中,構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體的基礎(chǔ)在于海洋環(huán)境的保護(hù),而重點(diǎn)則在于深海資源的開發(fā)。與西方文化相比,中國(guó)文化更加重視和諧與包容,更有希望將未來的深海資源開發(fā)導(dǎo)向公正、有序與和平。

目前全球深海礦產(chǎn)資源勘探與開發(fā)有陷于“圈地思維”的風(fēng)險(xiǎn),國(guó)家之間的技術(shù)鴻溝也可能造成新的不公。開發(fā)規(guī)則如何制定還有待觀察,然而無論礦區(qū)如何分配,深海礦產(chǎn)作為固定的不可再生資源,其開發(fā)天然具有獨(dú)占性和排他性特征。而深海溫差能是流動(dòng)的可再生資源,不專屬于某國(guó)和某地,其開發(fā)須由各國(guó)在法律、制度、設(shè)施和后期維護(hù)等方面開展深度合作并結(jié)成利益共同體,因此深海溫差能開發(fā)更有利于推動(dòng)構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體。

3 深海溫差能開發(fā)的研究現(xiàn)狀和應(yīng)用前景

3.1 研究現(xiàn)狀

3.1.1 國(guó)外

深海溫差能發(fā)電技術(shù)近50年來得到較快的發(fā)展。美國(guó)從20世紀(jì)60年代開始研究溫差能發(fā)電技術(shù),并于1979年在夏威夷建成首個(gè)溫差能發(fā)電裝置;該裝置額定功率為50 kW,凈輸出功率為18.5 k W,系統(tǒng)驗(yàn)證溫差能開發(fā)的可行性[24]。受20世紀(jì)70年代石油危機(jī)的影響,美國(guó)曾制定深海溫差能開發(fā)的宏大計(jì)劃,擬利用墨西哥灣暖流的熱能在東部沿海建立500座海洋熱能發(fā)電站,發(fā)電能力達(dá)2億k W;但限于當(dāng)時(shí)的技術(shù)條件以及石油美元確立帶來的能源危機(jī)消解,美國(guó)對(duì)溫差能發(fā)電的研究熱情急速冷卻。與此同時(shí),以美國(guó)洛克希德·馬丁公司和馬凱公司為代表的企業(yè)多年致力于深海溫差能開發(fā)技術(shù)研發(fā),完成大量的實(shí)驗(yàn)和測(cè)試,擁有多年的研究基礎(chǔ)和經(jīng)驗(yàn)。2013年洛克希德·馬丁公司計(jì)劃建設(shè)全球第一座10 MW陸基OTEC電站,但最后因其他原因終止;2015年馬凱公司在夏威夷建成100 k W的OTEC示范電站并成功并入美國(guó)國(guó)家電網(wǎng),該電站成為全球第一個(gè)真正的閉式溫差能電站[25]。

日本早在1981年即在太平洋赤道附近建設(shè)100 k W實(shí)驗(yàn)電站,2013年沖繩縣久米島50 k W的OTEC電站首次發(fā)電成功[26]。2009年法國(guó)國(guó)有船舶制造集團(tuán)在法屬留尼汪島進(jìn)行10 MW岸基OTEC電站研發(fā)測(cè)試,并計(jì)劃在法屬馬提尼克島建設(shè)16 MW漂浮式OTEC電站以及在安達(dá)曼-尼科巴群島建設(shè)20 MW的OTEC電站。2016年韓國(guó)船舶與海洋工程研究院在南太平洋建成1 MW的OTEC電站,并計(jì)劃在美屬維爾京群島建造15 MW的OTEC電站以及在薩摩亞等地建設(shè)OTEC電站或海水空調(diào)(SWAC)裝置[26]。此外,荷蘭Bluerise B V公司正在斯里蘭卡建造10 MW的OTEC電站,法國(guó)巴多集團(tuán)計(jì)劃為馬爾代夫建造2 MW的OTEC系統(tǒng),倫敦貝爾-皮里電力公司計(jì)劃在菲律賓建設(shè)10 MW的OTEC電站。

總之,近年來國(guó)外的深海溫差能開發(fā)技術(shù)取得實(shí)質(zhì)性進(jìn)展,10 MW級(jí)和20 MW級(jí)的OTEC電站將陸續(xù)建成并將成為研發(fā)100 MW級(jí)OTEC電站的基石。深海溫差能開發(fā)產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程的不斷加快在很大程度上得益于科技的進(jìn)步,盡管溫差能發(fā)電的成本尚不能與其他可再生能源競(jìng)爭(zhēng),但隨著相關(guān)技術(shù)的改進(jìn),其成本將進(jìn)一步降低。

3.1.2 國(guó)內(nèi)

自20世紀(jì)80年代初,中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所、中國(guó)海洋大學(xué)和國(guó)家海洋技術(shù)中心等陸續(xù)開展深海溫差能開發(fā)研究。2005年天津大學(xué)研制用于混合式深海溫差能開發(fā)的200 W氨飽和蒸汽試驗(yàn)用透平;2012年自然資源部第一海洋研究所(原國(guó)家海洋局第一海洋研究所)利用電廠溫排水研制15 k W的OTEC試驗(yàn)裝置[27],在溫差為19.7℃時(shí)達(dá)到額定功率為15 k W,透平發(fā)電效率約為73%,并于2017年開展高效氨透平和熱交換器等關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)[28-29]。自2016年開始,中國(guó)海油集團(tuán)公司通過引進(jìn)國(guó)際先進(jìn)技術(shù),開展深海溫差能開發(fā)技術(shù)研究。

與國(guó)外相比,國(guó)內(nèi)的深海溫差能開發(fā)技術(shù)存在明顯差距,具體體現(xiàn)在研發(fā)力量分散、缺少專門研發(fā)機(jī)構(gòu)和公共研發(fā)平臺(tái)以及創(chuàng)新力度明顯不足等方面,而最重要的是缺少深海溫差能開發(fā)的長(zhǎng)期規(guī)劃。

3.2 應(yīng)用前景

深海溫差能的發(fā)展?jié)摿ξ阌怪靡?但其能否成為具有戰(zhàn)略價(jià)值的清潔能源以支撐人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展還有賴相關(guān)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。自從1881年利用深海溫差能發(fā)電的設(shè)想產(chǎn)生以來,現(xiàn)有OTEC電站的基本原理一直未有重大變化,都是利用海洋表面的溫海水加熱某些低沸點(diǎn)工質(zhì)并使之汽化,或通過降壓使海水汽化以驅(qū)動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電,同時(shí)利用海底的冷海水將做功后的乏汽冷凝,使之重新變?yōu)橐后w,如此循環(huán)往復(fù)。由于冷、熱源之間的溫差較小,20℃溫差下的理論最大熱力循環(huán)效率為6.77%,朗肯循環(huán)效率僅為3%,混合工質(zhì)高效熱力循環(huán)使目前的熱力循環(huán)效率提升到約5%[28],而這一能量轉(zhuǎn)換效率仍然較低。

與此同時(shí),深海溫差能發(fā)電還有熱電海洋熱能轉(zhuǎn)換(TE-OTEC)的技術(shù)路線,即利用塞貝克效應(yīng)將深海溫差能直接轉(zhuǎn)換為電能。具體方法為:將P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體在熱端連接,則在冷端可得到1個(gè)電壓;1個(gè)PN連接所能產(chǎn)生的電動(dòng)勢(shì)能有限,而將多個(gè)PN連接串聯(lián)起來就可得到足夠的電壓并成為溫差能發(fā)電機(jī)。該技術(shù)路線無須以工質(zhì)流體為中介,省卻機(jī)械能轉(zhuǎn)換的環(huán)節(jié)[30],在設(shè)計(jì)上更為簡(jiǎn)潔且安全性和可靠性更高。然而TE-OTEC發(fā)電的效率通常比常規(guī)OTEC電站還低,其效率的提升高度依賴熱電材料的優(yōu)值(ZT值),而數(shù)十年來尋找高優(yōu)值材料的進(jìn)展緩慢,從而極大地限制這一技術(shù)路線的發(fā)展。

近十年來,隨著熱電材料科技的進(jìn)步,原本在概念上存在的二維、一維乃至零維材料有了實(shí)現(xiàn)的可能。近年來已發(fā)現(xiàn)多種ZT值接近3的熱電材料,如Pb Te(ZT=2.6)、Sn1-xSe(ZT=2.8)和Cu2-xSe[31],而室溫下的熱電材料ZT值已達(dá)到2.4[32]。據(jù)估算,如果ZT值超過3,TE-OTEC發(fā)電的效率可接近理想卡諾機(jī)發(fā)電;如果ZT值達(dá)到4,TE-OTEC發(fā)電技術(shù)便具有廣泛的商業(yè)價(jià)值;如果ZT值達(dá)到6,TE-OTEC發(fā)電的效率即接近地?zé)岚l(fā)電;如果ZT值達(dá)到20,TEOTEC發(fā)電的效率將接近燃煤機(jī)組發(fā)電。2019年奧地利維也納工業(yè)大學(xué)的恩斯特·鮑爾團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)由鐵、釩、鎢和鋁元素組成的薄膜合金材料的ZT值為5～6[33],實(shí)現(xiàn)近年來熱電材料領(lǐng)域的重大突破;但也有研究認(rèn)為熱電材料的屬性要在相同方向測(cè)量才有效,而此類薄膜合金材料在屬性測(cè)量方面存在困難,因而其ZT值可能被高估[31]。2019年日本豐田和住友的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)在Cu2Se中測(cè)得超過400的ZT值,并在340～400 K的狹窄溫度區(qū)間內(nèi)得到超過±2 m V/K的巨塞貝克效應(yīng)[34-35];研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為這種巨塞貝克效應(yīng)是由兩相共存的相變過程中自調(diào)諧載流子的濃度效應(yīng)所引起,震驚學(xué)界。盡管相關(guān)研究仍須進(jìn)一步檢驗(yàn)和改進(jìn),但由熱電材料突飛猛進(jìn)的發(fā)展趨勢(shì)推測(cè),新型高ZT值熱電材料的研究可能隨時(shí)取得重大突破。常溫?zé)犭姴牧涎芯恳坏┤〉弥卮笸黄撇?yīng)用,深海溫差能開發(fā)便會(huì)展現(xiàn)光明前景。

深海溫差能開發(fā)須借助海上固定或移動(dòng)浮式平臺(tái)。在移動(dòng)浮式平臺(tái)方面,石油鉆井行業(yè)在海上平臺(tái)系泊和錨固方面已積累大量技術(shù),現(xiàn)有技術(shù)和施工工藝已可構(gòu)建至少100 MW容量的OTEC移動(dòng)浮式平臺(tái),且有30年的運(yùn)行壽命和承受強(qiáng)烈風(fēng)暴的能力[36]。但就未來的深海溫差能開發(fā)而言,移動(dòng)浮式平臺(tái)的規(guī)模和使用壽命仍須數(shù)倍提升。2012年我國(guó)提出160萬t的千米級(jí)超大平臺(tái)整體設(shè)計(jì)方案,我國(guó)第一座海上核動(dòng)力項(xiàng)目平臺(tái)建設(shè)也取得重大進(jìn)展,這些成果都可作為深海溫差能發(fā)電移動(dòng)浮式平臺(tái)的研發(fā)基礎(chǔ)。此外,OTEC電站的排水量很大,1座400萬k W的OTEC發(fā)電平臺(tái)如以5%的熱電轉(zhuǎn)換效率計(jì)算,其總排水量將達(dá)4 000 m3/s,已接近黃河汛期流量,足以改變平臺(tái)周邊海域的水體結(jié)構(gòu),從而對(duì)海洋生態(tài)環(huán)境造成不利影響;為盡可能減少排水對(duì)海洋環(huán)境和水體結(jié)構(gòu)的不利影響,須將水排入與周邊海域溫度相近的水層,且排水層的厚度要盡可能薄,使其被周邊水體快速消解,這就要求移動(dòng)浮式平臺(tái)的規(guī)模須達(dá)到千米級(jí)。

OTEC發(fā)電平臺(tái)的電力須轉(zhuǎn)換為氫氣才能在陸地上使用。按照現(xiàn)有制氫工藝,我國(guó)已示范生產(chǎn)的電解水制氫設(shè)備的單臺(tái)制氫能力已達(dá)5 000 m3/h,單臺(tái)設(shè)備全年可制氫3 800 t;以每個(gè)深水移動(dòng)浮式平臺(tái)安裝100臺(tái)該類型制氫設(shè)備計(jì),在電力充足的情況下,單座移動(dòng)浮式平臺(tái)可年產(chǎn)氫氣超過30萬t。為便于氫氣的儲(chǔ)藏和運(yùn)輸,還可用二氧化碳和氫氣反應(yīng)生產(chǎn)甲醇[37],采用該技術(shù)的千噸級(jí)液態(tài)太陽燃料合成示范項(xiàng)目已于2020年通過驗(yàn)收[38]。

以目前電解水制氫的能效50%計(jì),每座移動(dòng)浮式平臺(tái)的發(fā)電功率須超過270萬k W。設(shè)想的OTEC發(fā)電平臺(tái)大小為1 500 m×400 m,兩側(cè)搭載小型獨(dú)立可拼接的單個(gè)功率為10萬k W的OTEC發(fā)電單元,便于維修或更換,每個(gè)OTEC發(fā)電單元的占地空間為100 m×100 m;抽、排水管泵體系以及制氫和儲(chǔ)氫設(shè)備均集中于平臺(tái)主框架內(nèi);在平臺(tái)頂面鋪設(shè)太陽能電池板作為輔助電源,以啟動(dòng)平臺(tái)管泵體系運(yùn)作(圖1)。

圖1 300萬kW深海溫差能發(fā)電平臺(tái)

未來深海溫差能開發(fā)可同時(shí)采用OTEC和TE-OTEC模式,并綜合開發(fā)太陽能[39](圖2)。據(jù)估算,添加熱電模塊比僅使用太陽能和閉式溫差能可在能效上提高6.27%,其中熱電材料的ZT值估計(jì)為0.9;隨著材料科學(xué)的進(jìn)步,未來能效還有較大的提升空間。

圖2 深海溫差能綜合開發(fā)

4 深海溫差能的全球開發(fā)構(gòu)想

全球深海溫差能主要富集于20°S-20°N的熱帶海域。在東北信風(fēng)和東南信風(fēng)的持續(xù)吹拂下,該海域在赤道兩側(cè)分別形成由東向西流動(dòng)的北赤道暖流和南赤道暖流,二者遇到陸地阻隔后分化和折返,在靠近赤道的海域又形成北赤道逆流和南赤道逆流并再次浩蕩東歸。赤道暖流、赤道逆流以及2°S-2°N之間的赤道潛流共同構(gòu)成熱帶海洋上層橫貫大洋的復(fù)雜環(huán)流系統(tǒng)。深海溫差能全球開發(fā)應(yīng)充分利用熱帶大洋環(huán)流的特點(diǎn),科學(xué)布設(shè)發(fā)電平臺(tái)。

以太平洋為例。北赤道暖流從加利福尼亞半島尖端的東南部開始向西橫貫太平洋,長(zhǎng)約1.4萬km,寬度為10°N-22°N,厚約200 m,流速冬季快、夏季慢,平均為0.2～0.3 m/s;至菲律賓東岸,北赤道暖流的1個(gè)分支向南與南赤道暖流北向分支匯合成東向的赤道逆流,而主流則北上形成黑潮。與北赤道暖流相對(duì)應(yīng),由東南信風(fēng)引起的南赤道暖流東起科隆群島附近,向西穿越太平洋,寬度為3°N-20°S,8月的平均流速為0.5～0.6 m/s;至新幾內(nèi)亞島附近,南赤道暖流的1個(gè)分支向北加入赤道逆流,而主流則向南形成東澳大利亞暖流。北赤道逆流是全球大洋中最強(qiáng)的赤道逆流,夏季的寬度為4°N-10°N,冬季向南移動(dòng)約2';從菲律賓外海向東流經(jīng)1.5萬km到達(dá)巴拿馬灣,流動(dòng)幅寬為300～700 km;流速西部快、東部慢,平均流速為0.4 m/s,最快時(shí)達(dá)1.5 m/s。南赤道逆流的寬度為5°S-10°S,西起所羅門群島附近海面,向東可達(dá)秘魯海岸附近;流速也是西部快、東部慢,在170°E處約為0.15～0.30 m/s。

借助于熱帶太平洋環(huán)流系統(tǒng),OTEC平臺(tái)可在相對(duì)穩(wěn)定的洋流通道內(nèi)循環(huán)往復(fù)移動(dòng)而不致四處漂移,從而使平臺(tái)運(yùn)行相對(duì)安全可控。可在平臺(tái)漂移軌跡下方布設(shè)跨越大洋的海底輸氣管道,并每隔一定距離(至少2 000 km,具體須根據(jù)平臺(tái)漂移速度以及制氫和儲(chǔ)氫能力而定)設(shè)置1個(gè)接收氫氣的平臺(tái),將制取的氫氣快速向陸地輸送。

與錨定式OTEC平臺(tái)相比,移動(dòng)浮式平臺(tái)的溫排水相當(dāng)于在200～300 m的深度以0.2～0.3 m/s的速度鋪設(shè)厚約10～20 m、寬約1～2 km的薄層“水毯”,能夠更快地被規(guī)模巨大的大洋表層環(huán)流所吸納和消解,經(jīng)過短暫的時(shí)間便能恢復(fù)至正常狀態(tài),不會(huì)使平臺(tái)周邊的海洋環(huán)境和水體結(jié)構(gòu)發(fā)生根本性改變,從而減小對(duì)海洋環(huán)境的不利影響?？稍跓釒窖蟓h(huán)流系統(tǒng)內(nèi)布設(shè)1 000座300萬k W的大型OTEC平臺(tái)(總功率為30億k W),其中北赤道暖流-赤道逆流系統(tǒng)與南赤道暖流-赤道逆流系統(tǒng)各500座。將每2座平臺(tái)編為1組,各組平臺(tái)即便布設(shè)于同一緯度,前后相距也有100 km以上;以0.2～0.3 m/s的平臺(tái)漂流速度計(jì),在下一組平臺(tái)抵達(dá)前,平臺(tái)排水有3 d以上的恢復(fù)期。如果各組平臺(tái)錯(cuò)開緯度1°布設(shè)成2排,則每排前后相距200 km以上,平臺(tái)排水的恢復(fù)期可超過7 d,從而保證熱帶大洋環(huán)流系統(tǒng)有充足時(shí)間恢復(fù)到自然狀態(tài)。

由于平臺(tái)排水能隨時(shí)被大洋環(huán)流帶走而不會(huì)在平臺(tái)附近聚集,OTEC平臺(tái)也可按不同緯度間隔布設(shè)固定浮式平臺(tái)。如此無須布設(shè)動(dòng)力裝置,排水管道的設(shè)計(jì)也更為簡(jiǎn)單;也無須另外布設(shè)氫氣接收平臺(tái),平臺(tái)制氫可直接經(jīng)由管道向陸地輸送,從而降低成本。

同理,在大西洋和印度洋赤道附近海域的熱帶環(huán)流系統(tǒng)內(nèi)可同樣布設(shè)此類OTEC平臺(tái),從而推動(dòng)深海溫差能的全球開發(fā)。

5 深海溫差能的全球開發(fā)路徑

深海溫差能開發(fā)的最終理想是綠色開發(fā)深?？稍偕茉?滿足人類可持續(xù)發(fā)展對(duì)清潔能源的需求,有效化解能源危機(jī),為構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體夯實(shí)根基。對(duì)我國(guó)而言,深海溫差能開發(fā)的最終目標(biāo)是為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展提供足夠的清潔能源,轉(zhuǎn)變高度依賴常規(guī)化石能源的能源生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu),快速進(jìn)入氫能源時(shí)代,徹底解除能源安全隱患,助力海洋強(qiáng)國(guó)建設(shè)。深海溫差能開發(fā)是規(guī)模浩大且耗時(shí)持久的宏偉工程,其實(shí)現(xiàn)路徑注定艱難曲折,我國(guó)須付出極大的耐心和努力,分階段和分區(qū)域?qū)崿F(xiàn)。

5.1 構(gòu)建南海藍(lán)色能源命運(yùn)共同體

我國(guó)的深海溫差能開發(fā)要從南海起步。以《南海各方行為宣言》和“南海行為準(zhǔn)則”為基礎(chǔ),與周邊國(guó)家深化合作,共同構(gòu)建南海藍(lán)色能源命運(yùn)共同體,共同開發(fā)南海深海溫差能,化爭(zhēng)議之海為和平之海和合作之海。

構(gòu)建南海藍(lán)色能源命運(yùn)共同體是構(gòu)建全球藍(lán)色能源命運(yùn)共同體的示范和先導(dǎo)項(xiàng)目,須突破深海溫差能開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)并降低開發(fā)成本,使深海溫差能開發(fā)達(dá)到商業(yè)化水平。應(yīng)加快建設(shè)國(guó)內(nèi)深海溫差能開發(fā)研究機(jī)構(gòu),有效利用國(guó)內(nèi)外研發(fā)力量,攻克深海溫差能發(fā)電裝置在高效轉(zhuǎn)換、高可靠性和低成本建造上的關(guān)鍵技術(shù)難關(guān);使用新材料和新技術(shù)打造海上無人智能浮動(dòng)平臺(tái),實(shí)施深海溫差能發(fā)電與制氫浮動(dòng)平臺(tái)示范工程,研發(fā)海上浮動(dòng)平臺(tái)抗風(fēng)暴、抗腐蝕和生物附著技術(shù),攻克海上平臺(tái)高效制氫和存儲(chǔ)等方面的關(guān)鍵技術(shù)難關(guān);研究并有針對(duì)性地減小深海溫差能開發(fā)裝置對(duì)海洋生物和海洋環(huán)境的不利影響;通過多方協(xié)商確立南海深海溫差能開發(fā)合作機(jī)制,聯(lián)合南海周邊國(guó)家建立深海溫差能測(cè)試平臺(tái)和研究基地以及海上浮動(dòng)平臺(tái)制造和維修基地,打造氫能源運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)。

5.2 構(gòu)建RCEP藍(lán)色能源命運(yùn)共同體

經(jīng)過多年的談判,包括中國(guó)、日本、韓國(guó)、澳大利亞、新西蘭和東盟10國(guó)在內(nèi)的15方成員于2020年簽訂《區(qū)域全面經(jīng)濟(jì)伙伴關(guān)系協(xié)定》(RCEP)。此后,中國(guó)、日本和韓國(guó)商定在RCEP的基礎(chǔ)上進(jìn)一步打造“RCEP+”自貿(mào)區(qū)。

亞洲是未來全球經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)最快的地區(qū),也是能源需求增長(zhǎng)最快的地區(qū)。東亞和東南亞國(guó)家普遍能源匱乏且需求巨大,不同程度地面臨能源安全挑戰(zhàn)。RCEP成員在能源安全領(lǐng)域具有深切的合作意愿,在南海和西太平洋深海溫差能開發(fā)方面具有廣闊的合作空間。因此,在RCEP框架內(nèi)開展深海溫差能開發(fā)合作將極大地緩解各國(guó)對(duì)進(jìn)口能源的依賴,同時(shí)有利于節(jié)能減排,使能源消費(fèi)更加綠色和清潔并早日進(jìn)入氫能源時(shí)代。

值得注意的是,日本和韓國(guó)在深海溫差能開發(fā)方面較我國(guó)領(lǐng)先,且在氫能源汽車制造方面已處于全球領(lǐng)先地位。日本和韓國(guó)都已制定遠(yuǎn)大的氫能源發(fā)展目標(biāo),而深海溫差能開發(fā)是成功實(shí)現(xiàn)氫能源發(fā)展目標(biāo)的基石。因此,積極與日本和韓國(guó)開展深海溫差能開發(fā)合作,有利于快速提升我國(guó)深海溫差能開發(fā)的技術(shù)水平。

構(gòu)建RCEP藍(lán)色能源命運(yùn)共同體應(yīng)充分利用現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)鏈合作基礎(chǔ),充分發(fā)揮各國(guó)優(yōu)勢(shì),在中國(guó)、日本和韓國(guó)的合作中突破系列關(guān)鍵技術(shù)并形成產(chǎn)業(yè)示范,再逐步向其他RCEP成員輻射和推廣。各國(guó)應(yīng)充分協(xié)商,大國(guó)、強(qiáng)國(guó)和具有區(qū)位優(yōu)勢(shì)的國(guó)家應(yīng)適當(dāng)讓步,綜合考慮投資、人口、技術(shù)、領(lǐng)海和基礎(chǔ)設(shè)施等方面的貢獻(xiàn)公平分享成果,既讓人民享受廉價(jià)能源,又要兼顧企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。

5.3 構(gòu)建太平洋藍(lán)色能源命運(yùn)共同體

太平洋廣闊的深海蘊(yùn)藏豐富的溫差能資源,太平洋深海溫差能開發(fā)不僅可為周邊國(guó)家的發(fā)展提供源源不絕的清潔能源,而且可為深海礦產(chǎn)資源開發(fā)提供廉價(jià)能源和電力支撐。在依托RCEP開發(fā)西太平洋深海溫差能的基礎(chǔ)上,通過成立太平洋深海溫差能開發(fā)合作組織向太平洋全域擴(kuò)展,由各方政府和企業(yè)出資成立專業(yè)開發(fā)公司,實(shí)現(xiàn)共商、共建和共享,最終構(gòu)建太平洋藍(lán)色能源命運(yùn)共同體。

值得關(guān)注的是,太平洋深海溫差能開發(fā)將為太平洋島國(guó)帶來新的發(fā)展機(jī)會(huì),并可能使其成為全球重要的氫能源供應(yīng)基地以及浮動(dòng)平臺(tái)設(shè)備保障基地。太平洋島國(guó)是“一帶一路”和“人類命運(yùn)共同體”建設(shè)的重要組成部分,我國(guó)應(yīng)盡早布局,積極與太平洋島國(guó)合作開發(fā)深海溫差能,借助“中國(guó)-太平洋島國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展合作論壇”平臺(tái),全方位推進(jìn)與太平洋島國(guó)的合作關(guān)系。

5.4 構(gòu)建全球藍(lán)色能源命運(yùn)共同體

印度洋和大西洋的深海溫差能同樣具有巨大的開發(fā)價(jià)值。除波斯灣地區(qū)外,印度洋周邊國(guó)家普遍能源匱乏且需求巨大。維護(hù)印度洋地區(qū)的和平與穩(wěn)定是我國(guó)以及印度洋周邊國(guó)家的共同愿望和追求,我國(guó)應(yīng)發(fā)揮技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈和產(chǎn)能方面的優(yōu)勢(shì),積極參與并支撐印度洋深海溫差能開發(fā),推廣成熟的區(qū)域合作模式,進(jìn)一步推進(jìn)與印度洋周邊國(guó)家的友好往來和經(jīng)濟(jì)合作,構(gòu)建印度洋藍(lán)色能源命運(yùn)共同體。在構(gòu)建太平洋和印度洋藍(lán)色能源命運(yùn)共同體的基礎(chǔ)上,積極參與大西洋深海溫差能開發(fā),推動(dòng)構(gòu)建大西洋藍(lán)色能源命運(yùn)共同體,最終構(gòu)建全球藍(lán)色能源命運(yùn)共同體。

6 結(jié)語

深海是我國(guó)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)和構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體的重要領(lǐng)域,深海海洋能是人類可持續(xù)發(fā)展的重要戰(zhàn)略資源,因而深海海洋能開發(fā)對(duì)于我國(guó)建設(shè)海洋強(qiáng)國(guó)和構(gòu)建海洋命運(yùn)共同體具有極為重要的意義和價(jià)值。隨著大規(guī)模開發(fā)深海海洋能的條件日益成熟,我國(guó)亟須在深海海洋能開發(fā)方面加大研發(fā)投入、盡快占據(jù)技術(shù)前沿以及制定總體規(guī)劃,協(xié)調(diào)各國(guó)早日實(shí)現(xiàn)深海海洋能全球開發(fā)。