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碳达峰、碳中和背景下海洋可再生能源资源开发利用

来源:中机院  时间:2021-11-29  点击:
  梳理我国海洋可再生能源开发利用中存在的主要问题,分析我国海洋可再生能源减排潜力,对“双碳”背景下我国海洋可再生能源的中长期发展愿景进行展望,并对近期的海洋可再生能源开发利用技术发展以及规模化开发利用重点进行分析。

  碳达峰、碳中和目标下能源电力绿色转型战略的实施,为我国海洋可再生能源资源开发利用提供了至关重要的发展机遇。在介绍我国海洋可再生能源开发利用开展的工作以及取得的重要进展的基础上,梳理我国海洋可再生能源开发利用中存在的主要问题,分析我国海洋可再生能源减排潜力,对“双碳”背景下我国海洋可再生能源的中长期发展愿景进行展望,并对近期的海洋可再生能源开发利用技术发展以及规模化开发利用重点进行分析。
 
   一、我国海洋可再生能源技术进展
  海洋可再生能源具有开发潜力大、可持续利用、绿色清洁等优势,但相对于传统化石能源,海洋可再生能源能量密度低、稳定性较差,因而海洋可再生能源开发利用难度较大。近年来,我国海洋能技术水平提升较快。潮流能和波浪能总体技术成熟等级已接近 6 级(示范试验阶段),涌现出一批具有产业化前景的技术成果。潮流能、波浪能电站已实现并网发电,深海网箱养殖的波浪能供电技术已开始推广应用。潮汐能技术保持国际领先水平。
 
  1、技术进展
  我国海洋能装机规模位居世界前列。2020年,我国海洋能累计装机约 8 MW,位居世界第五,年并网发电量约7 GW·h,主要为潮汐能发电。潮流能和波浪能累计装机约 4 MW,占全球在运行的潮流能和波浪能装机25%以上。
 
  我国潮汐能技术成熟度已达9级。总装机容量4. 1 MW 的江厦潮汐电站,规模仅次于韩国始华湖电站、法国朗斯电站、加拿大安纳波利斯电站,位居世界第四。
 
  我国潮流能技术近年快速发展,成熟度为 6—7级,使我国成为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。目前约有 20 台机组完成了海试,最大单机功率 650 kW,部分机组实现了长期示范运行。浙江舟山联合动能新能源开发有限公司于 2016 年 3 月在舟山秀山岛海域下水的兆瓦级 LHD 潮流能示范平台于 2016 年 8 月实现并网发电,截至 2020 年年底,总装机容量达 1. 7 MW,先后共安装了 7 台垂直轴和水平轴机组,最大机组功率为400 kW。该平台的连续发电时间、累计发电量等指标处于国际先进水平。浙江大学于 2017年 11月在舟山摘箬山岛海域实现了 650 kW 水平轴潮流能机组并网发电,是目前国内单机功率最大的潮流能机组。
 
  我国波浪能技术成熟度为 5—6 级。科研人员针对我国波浪能资源特点,研发出小功率波浪能发电装置,目前约有 30 台装置完成了海试,最大单机功率500 kW,已初步实现为偏远海岛供电。近年来还探索了波浪能网箱养殖、导航浮标供电等应用。中科院广州能源所研制的鹰式波浪能发电装置,基于振荡浮子式工作原理,采用漂浮安装方式。2012年起,中科院广州能源所在珠海万山岛海域先后布放了10 kW和100 kW鹰式波浪能发电装置,首次实现我国利用波浪能为海岛居民供电。2018年10月,200 kW 鹰式波浪能发电装置在南海永兴岛完成并网试验。2020年7月,500 kW鹰式波浪能发电装置开始在广东万山岛海域海试。
 
  我国温差能技术成熟度为 4—5 级。自然资源部第一海洋研究所于2012年利用电厂排水余热,研制了15 kW温差能发电试验装置,在温差为19. 7 ℃时,透平发电效率约为 73%。2017年开展了高效氨透平、热交换器等关键技术研发,并搭建了10 kW温差能实验室模拟系统。国家海洋技术中心于 2011年针对小型海洋观测平台供电问题,开展了 200 W温差能发电技术研究。
 
  我国盐差能技术成熟度为3级。中国海洋大学开展了 100 W 缓压渗透式盐差能发电关键技术研究。
 
  2、产业发展
  我国海洋能产业已开始从起步阶段向成长阶段过渡。我国海洋能技术提升较快,突破了潮流能连续并网发电、波浪能深远海发电等技术,舟山秀山岛兆瓦级潮流能示范工程、“澎湖号”波浪能养殖网箱供电示范工程等运行效果良好,一批代表性技术具备了产品化基础。
 
  3、存在的问题
  目前,我国潮汐能技术与国际先进水平差距不大,潮流能和波浪能与国际先进水平差距较小,温差能、盐差能等海洋能技术与国际先进水平差距较大。总体来看,我国海洋能技术的发展主要存在以下问题:海洋能基础研究比较薄弱,原创性技术较少;海洋能公共平台能力建设进展缓慢,发电装置转换效率、可靠性和稳定性普遍不高,示范应用效果不佳、装机规模偏低。
 
  我国海洋能基础研究相对薄弱,在海洋能发电理论研究方面,跨学科、多领域交叉的应用基础研究开展较少,能量俘获与转换机理、俘获系统对海洋环境的适应性及响应控制、装置结构在海洋环境下的腐蚀及疲劳作用机理、最佳功率跟踪及负载特性匹配等基础研究亟须加强。
 
  我国海洋能开发利用关键技术未取得突破、示范应用规模较小。潮汐能技术水平虽位居世界前列,但尚未实现万千瓦级潮汐电站建设实践。潮流能、波浪能、温差能等发电装置均存在可靠性和稳定性较差等问题,距离产品化应用水平尚有差距。此外,我国海洋能装置示范应用规模(不足百千瓦级)远小于国际上的兆瓦级水平。
 
  我国海洋能技术公共服务平台建设滞后。海洋能技术开展示范应用还面临着用海用地难、审批手续繁琐等问题。借鉴国外经验,建设海洋能海上公共测试场与示范区,为海洋能发电装置提供标准统一的检测与认证服务体系,是解决这一系列问题的有效手段。国际上运行时间最长的欧洲海洋能中心(EMEC)建于 2003 年,已经为全球数十台海洋能装置提供了权威的测试服务。相比而言,国内海洋能公共服务平台进展较为缓慢。
 

       二、我国海洋可再生能源开发利用展望 

  碳达峰、碳中和背景下我国海洋可再生能源开发利用大有可为:我国近海海洋可再生能源技术可开发量超过 60 GW,具有巨大的减排潜力。根据国际能源署海洋能系统(IEA OES)测算,每千瓦海洋能装机容量可以减少 CO2排放 1. 667 t/a。据此测算,我国海洋可总装机容量如果超过30 GW,每年可减少CO2排放5 000万t。
 
  1、我国海洋可再生能源产业发展主要路径
 
  为实现 2060 年我国海洋能装机容量超过 30GW的目标,需要从高效低成本发电装备技术研发、拓展应用领域、制定产业激励政策等方面共同推动海洋能的规模化开发利用。
 
  部署高效低成本海洋能发电装备技术研发。通过研发及优化新材料、新工艺,提高潮流能、波浪能、温差能转换效率,以及发电装备的可靠性和海上生存性,推动海洋能发电成本快速降低。
 
  拓展海洋能利用技术的应用领域。结合深远海开发、海上能源补给、海上国防建设、制淡制冷等应用,提升海洋能发电之外的附加值,推动海洋能尽快成为偏远海岛和深远海海上活动的能源保障。
 
  制定并落实产业激励政策。加快制定海洋能上网电价激励政策,推动海洋能电站试行上网电价单独审批,探索商业性金融、股权融资等手段在海洋能开发利用中的应用,推动海洋能技术产业化进程。
 
 
  2、我国海洋可再生能源技术发展重点方向
 
  近海潮流能规模化利用技术。研发兆瓦级潮流能高可靠、低成本发电技术,重点解决潮流能机组传动系统及密封单元可靠性、整机安全性、低成本运维等问题,研究潮流能机组及其阵列化应用对海洋环境的影响。
 
  偏远海岛波浪能利用技术。研发兆瓦级波浪能俘获与转换技术,重点解决漂浮式发电平台深远海锚泊及运维、波浪能与海上风能集成等技术,推广波浪能与养殖网箱、海水淡化等技术耦合。
 
  温差能综合开发利用技术。研发兆瓦级温差能发电、冷海水直接应用及海水淡化等综合利用技术,重点解决冷海水管道材料及工程应用、深海水养殖及高值营养元素提取制取、深远海锚泊及运维等问题,开展南海温差能综合利用示范。
 
  深远海装备海洋能长期稳定供电技术。发展深远海波浪能、深远海低流速海流能、深海海泥电池等自主创新技术,为深远海观测装备提供系列化、轻便型的供电产品。
 
  新型自主创新海洋能发电技术。突破海洋能发电新机理新方法,开展摩擦纳米波浪能发电、柔性结构波浪能发电等自主创新技术研发。(作者:王项南 麻常雷)
 
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