发展绿色海洋技术 支持海洋经济可持续发展

高艳波,柴玉萍,刘玉新,王 芳

(国家海洋技术中心 天津 300112)

发展绿色海洋技术 支持海洋经济可持续发展

高艳波,柴玉萍,刘玉新,王 芳

(国家海洋技术中心 天津 300112)

随着全球性的能源短缺、环境污染和气候变暖问题日益突出,绿色技术的重要性和紧迫性日益凸显。发展绿色海洋技术,贯彻落实科学发展观、支持海洋经济可持续发展是未来海洋技术发展的重要目标。文章将论述国内外在绿色海洋可再生能源技术、绿色海洋生物质能开发利用技术、绿色造船技术及其自治式水下潜器技术的进展。

发展;绿色海洋技术;海洋经济;可持续发展

1 发展背景

目前,世界经济正处于大调整大变革中,无论是发展中国家还是发达国家,都想抓住绿色经济发展带来的契机,培育以低碳排放为特征的新的经济增长点。发展绿色海洋技术,支持社会经济可持续发展是未来海洋技术发展的重要目标。目前世界海洋强国都在大力发展绿色海洋技术,其中在海洋可再生能源技术、海洋生物质能开发利用技术、造船技术及其自治式水下潜器技术的取得了令人瞩目的成果,有力支持了绿色海洋技术的发展。

2 发展现状

2.1 绿色海洋可再生能源技术

海洋可再生能源技术已成为发展低碳经济、节能减排及产业结构调整的重要技术支撑和能源供给的重要保障,也成为发达国家技术输出的重要内容之一。海洋可再生能源受重视的背景:一是低碳经济和国际温室气体排放路线图;二是化石能源日益短缺。

英国最为典型,它有丰富的海洋可再生能源,潮汐能资源为欧洲的1/2,使用潮流发电装置SeaGen能使英国所需电力的1/5从海洋中获取;2003年英国首次提出低碳经济概念,2009年又发布了《英国低碳转换计划》,并重申:英国政府不仅要通过发展、应用和输出低碳技术创造新的商机和就业机会,而且要在支持世界各国向低碳经济转型发展方面成为欧洲乃至世界的先导[1]。可再生能源的开发利用已使苏格兰地区实现了产业结构转型和低碳经济发展。英国重点开发海洋潮流能、波浪能和海上风能,相关技术已实现商业化。750千瓦级的离岸式波浪能转换器已投入运行,计划总装机容量2 250 kW;被称为世界上第一个商业化的潮流发电装置SeaGen,有可能带来海洋能源利用领域的“革命”,到2015年英国基于SeaGen技术的潮流发电总功率将达到50万kW。2008年英国政府确定在10年内建成33 000 MW风力发电能力的目标,包括英吉利海峡在内的全部英国大陆架上都将开发风力发电园区,可向2 500万户家庭供应电力。2009年,继Pelamis公司研制成功“海蛇”(Seasnake)波能发电装置后,南安普顿大学又研制成功被称为“巨蟒”的新型波浪能发电装置。该装置通身用橡胶制成,长约200 m、直径达7 m,重量轻,而“海蛇”则是不锈钢、混凝土和橡胶的混合体。“巨蟒”由波能采集和转换器两大系统组成。由于橡胶材料的伸缩性,它捕获海浪能的本领更强,经欧洲海洋能中心现场测试,“巨蟒”捕获海浪能的能力约是“海蛇”的3倍,平均可达到1 MW的功率[2]。英国规划到2011年时,31%的电力生产来自于可再生能源,到2020年这一比例将进一步提升至50%,其中由波浪和潮汐产生的电能将达到1 300 MW[3]。

在欧洲地区,海上风能发电被普遍看好。欧盟《战略能源技术计划》(SET)草案提出,要在2020年前努力实现风电发电占所有供电的1/5。欧盟国家是传统的风电强国,依靠逐步积累的经验已经有能力开发技术难度更高的海上风电设备,因此欧盟不少国家已经把海上风电作为未来开发的重点。虽然目前海上风电提供的电力尚不足总量的0.3%,但欧盟仍欲将海上风电总装机容量从目前的15亿W跃升至2030年的1 500亿W[4]。

英国计划到2030年海上风电总装机容量达到330亿W。目前英国来自岸上及海上风力发电站的电量足够供应150万家庭使用,其中,海上风力发电量占总发电量的20%。2009年2月,英国能源与气候变化部(department fo r energy and climate change)宣称,在未来10年里将在海上新建5 000～7 000个风力涡轮机,装机容量250亿W,相当于25个大型燃煤发电厂。

英国离岸海上风田“伦敦阵列”2009年开工,计划修建341座大型风力涡轮机,该风田位于肯特郡和艾塞克斯郡的海岸,可产生100万kW的电力,为2012年的伦敦奥运会提供足够的电力,年可减排190万t二氧化碳。苏格兰罗宾里格(Robin Rig)海上风田2010年投入运营,距海岸约9 km,由60台3 000 kW的风机组成,年可发电5.5亿kW·h,年减排23万t二氧化碳。在建的大加巴德海上风田,采用140台3 600 kW的风电机组,总装机容量50.4万kW,年减排100万t二氧化碳,2009年重点建设海上工程,计划2011年商业化运营。2009年10月,英国能源技术研究所宣布,将投入2 000万英镑研究海上浮动风电场,运用开采石油的浮动钻井技术发展水深可达300 m的海上浮动风电场。挪威国家石油海德鲁公司和国家电力公司正在与英国就建设近海浮动式风力发电园项目进行谈判,计划建设9个近海风力发电园,设计装机容量250亿W,最高投资额3 000亿挪威克朗。

德国也在大力发展海上风电,计划在2008—2020年投资7亿英镑,在汉堡近海建设30万kW的海上风田,为全国提供30%的发电量。2009年8月开工建设的阿尔法·文图斯海上风力发电场,离岸45 km,欧洲现有海上风电场离岸最远才20 km。9月,德国联邦交通部长蒂芬泽称,政府打算在北海和波罗的海建40个海上风电园,其中北海30个,波罗的海10个,总装机容量为120亿W,可满足1 200万家庭用电需求,并为德国北部创造3万个工作岗位。

2009年9月8日,挪威能源巨头——挪威国家石油海德罗公司(StatoilHydro)宣称,被称为Hyw ind的世界首个海上漂浮式风力发电站在挪威北海正式启用。Hyw ind高65 m,重达5 300 t,发电量为2.3 MW,位于挪威卡莫伊岛(Karmoey)附近10 km处。发电机设置在一个浮动平台上,由3根缆索与海底固定,压舱物是水和岩石。Hyw ind用于水深120～700 m的离岸海域。项目总投资4亿挪威克朗(约合6 600万美元)。2008—2025年,挪威将投资440亿美元开发海上风电。

美国重点开发波浪能,在建波浪能电站48个,每年将发电21亿kW·h。美国总统奥巴马声称“美国准备在新能源和环保问题上重新领导世界”。美国点吸收离岸波能发电技术已向规模化和实用化发展,2009年2月,美国海洋动力技术公司(OPT)开发的点吸收式波能发电浮标(Pow erBuoy)阵列投入运行,开始为美国海军的海底水声监听站供电。该装置单机最大功率150 kW,多个浮标可以随意组合成阵列,目前该浮标阵列总装机容量约1万kW,锚泊在距新泽西海岸120 km、水深约1 006 m的海域,发出的电力经波能发电分集器(Wave Hub)由水下电缆输送到监听站。该项技术解决了深海观测和军事设施的长期供电问题,标志深海水下供电技术取得重大进展。同时,该技术可适应不同波长的波浪,可以与海上风能和太阳能互补,提供更大功率和更稳定的电能,被作为OPT旗舰产品重点开发,且OPT与美国海军和海军陆战队已签订多个技术服务合同。

韩国重点发展潮汐、潮流和海上风力电站。即将建成世界上规模最大的始华湖潮汐电站,装机容量25.4万kW,可年替代石油86万桶;2008—2015年,将建设30万kW的潮流发电站和总容量为60万kW的海上风力发电群。日本2008年研发出太阳能和风能相结合的30万kW“海上浮动环保发电站”。

我国目前已具备发展大型潮汐能发电站的技术基础;潮流能发电技术研究及开发方面与世界先进水平相差并不悬殊,均处于试验阶段;波浪发电技术研究虽起步较晚,但发展很快;温差能发电技术研究及开发方面与世界先进水平有较大的差距;海洋风能发电起步晚,核心技术不在我们手里;利用规模小于欧美。

2.2 绿色海洋生物质能开发利用技术

近年来,以海洋微藻为主的海洋生物质能开发利用技术研究逐渐成为发达海洋国家的研究热点。微藻富含多种脂质,硅藻的脂质含量高达70%～85%,世界上有近10万种硅藻。全球石油俱乐部评估,1 hm2微藻年产96 000 L生物柴油,而1 hm2大豆只能生产446 L柴油。

2007年9月,美国Vertigro过程公司在德州El Paso的海藻研发中心正式启动商业运营,开始大量生产快速生长的海藻,并以此作为原料,用于生物燃料的生产。目前生物反应器工业化试验一直很顺利,已证明闭环生物反应器系统能成功地在长时间内生产海藻。在实验室内高速海藻筛选设备可优化海藻生长条件。目前,Vertigro公司已与葡萄牙和南非的合作伙伴签约,将海藻的工业化生产推向商业化应用。美国犹他(U tah)州立大学的科学家,利用一种全新技术从藻类中提取出了油,并将其转化为生物柴油燃料,而且期望到2009年能得到在价格上有竞争力的生物柴油。同年,西班牙阿利坎特市生物燃料系统公司开发出一种生物燃料系统,在2 m3的水中每天生产6 kg的“生态石油”,这比种植大豆等生物燃料作物的效率要高数千倍,下一个目标是建立一个以“生态石油”为燃料的电厂,发电能力为30 MW[5]。

2008年6月,美国蓝宝石(Sapphire)能源公司宣布,以海藻为原料生产的辛烷值为91的可再生汽油将推向市场,这一创新工艺以海藻为起始原料直接生产汽油。壳牌公司与美国夏威夷HR生物石油公司组建合资企业Cellena公司,在夏威夷建设利用海藻生长和生产植物油用以转化为生物燃料的中型装置。西雅图生质柴油的母公司Imperium Renewables筹款1 000万美元,用于生物质柴油的开发。同年10月,英国碳基金公司(Carbon Trust)计划耗资2 600万英镑,开发利用藻类生产道路交通和航运燃料。

2009年美国生物技术公司OriginOil表示,正在加快推进一项以海藻为原料生产生物燃料关键技术的商业化进程。该技术使用超声波和电磁脉冲来击穿海藻细胞壁,释放海藻细胞内所含的油,然后向海藻溶液中注入二氧化碳以降低溶液的p H值,同时分离出溶液中的生物质油和水,所获取的油料进一步加工处理,水可以循环使用。一步法抽提工艺全过程只需几分钟,减少了投资和操作成本,与现有的海藻制油技术相比,不需要使用溶剂来抽提油。O riginOil已经与Desmet Ballestra合作,以加快推进一步法工艺的商业化进程。美国A lgenol公司开始在墨西哥Sonoran地区利用海藻制取1亿加仑乙醇,计划到2012年底增加到10亿加仑乙醇,这相当于美国现有乙醇生产能力的10%以上。A lgenol公司在美国马里兰州拥有世界上最大的海藻养殖场,其目标是研究这种微生物在海水或新鲜水中的生长,并进行技术拓展,以达到在美国沿海建立海藻制乙醇生产基地的目的。

2008年,韩国海洋研究院和江原大学合作,利用韩国济州地区的浒苔和孔石莼,成功生产了生物乙醇。浒苔是一种绿藻,通过光合作用生成原料淀粉,含有50%的碳水化合物,用作生物乙醇原料价值很高。从形成蓝藻水华的孔石莼中萃取的淀粉生产的生物乙醇,比用石花菜生产的生物乙醇具有更高的浓度和萃取率。2009年,韩国海洋研究院宣布,研发出从海藻中提取生物乙醇的高压液化技术(HPL T),通过压力制造液体对海藻类组织进行完全的均质化,成功地提取了作为乙醇原料的糖。研究小组还发现,利用酿酒酵母SC1024的变异菌株可以生产出浓度为每升160 g的乙醇。以HPL T技术为基础的生物乙醇提取技术,已在韩国及美国、欧洲、中国和日本申请国际专利。据称,这是世界上第一项用液体溶解海藻类生物量的技术。

我国海洋生物质能发展目前已解决了海带、紫菜和裙带菜等海藻的大规模培养技术,开展了螺旋藻、盐藻和小球藻等微藻的藻种选育、大规模培养和产业化工作,在大型海藻栽培和微藻养殖的某些方面达到了国际领先水平,积累了一批具有产能前景的藻种资源。

2.3 绿色造船技术

专家预计,涉足绿色技术造船市场的公司将引领造船和海上运输业,生态友好船舶可以为全球的二氧化碳排放减少3.3%。船舶节能减排技术方面的研发,主要包括船型设计、船舶辅助能源和可再生能源利用以及综合利用各种措施。各国船企正采取多种措施,发展生态友好船舶技术,努力实现节能减排目标。国际海事组织正在制订船舶减少温室气体排放的标准。

目前,以节能环保为代表的低碳船舶技术正成为韩国和日本造船业的研发重点。尤其是在当前低碳经济成为热潮的背景下,这一技术将成为竞争法宝。韩国和日本越是在产业低谷时期,越注重研发高科技的低碳船舶产品,这是支持韩国和日本船企领先全球造船产业的秘籍。

2009年以来,韩国主要造船企业已经在“低碳”船舶领域有所突破。三星重工公布了建造环保船的计划,宣布了开发可以减少30%温室气体排放的生态友好船等3项重大战略,并成为全球第一家宣布了建造开发生态友好船、减少温室气体排放详细计划及倡导绿色造船的企业,主要技术包括:设计形状最佳、可以使燃油效率最大化的船舶,开发包括热回收系统和低温燃烧装置在内的可以提高能源效率的技术,开发液化天然气和氢燃料电池以及二氧化碳收集技术,应用绿色技术开发13 000标箱级集装箱船。STX造船海洋成功研发出“绿色之梦”生态环保船舶;三星造船开发出“三星最优航线评估系统”软件;现代重工开发出柴电混合动力巡逻舰。韩国大宇造船与德国船用柴油机生产商MAN Diesel合作,将大宇的低温高压气体供应系统技术与MAN Diesel的4T50 M E-GI低速柴油机主机结合,开发可在非天然气运输船上使用天然气作为燃料的4T50M E-GI型主机,以降低营运开支和减少排放污染物,假如将有关主机应用在一艘14 000箱集箱船上,每年将最少节省1 200万美元营运费。这些船舶凭借更低的油耗、排放以及更高的推进效率而受到各国船东的普遍欢迎,除价格手段外,节能、环保技术将成为韩国造船企业抢夺订单的又一把利器[6]。

面对世界竞争,日本船业的发展战略是发展专利技术,占据船舶技术领导地位。近5年来,日本造船专利总数占世界造船总专利数的32%,位居世界第一。2009年“御夫座领袖号”太阳能货船试航成功,全新环保概念货柜船设计可减少69%的二氧化碳排放量。日本三菱重工与日本邮船(N YK)合作,研发船底喷射气泡技术,期望通过“空气润滑系统”,降低航行时的水阻力,实现降低10%二氧化碳排放量的目标。日本旭洋船厂采用了半球形SSS船首建造2 000车位的纯汽车运输船,预计其风阻力将比传统的方形PCC船首减少50%,在北太平洋海洋和大气状况下运行时,理论上每年可以节省800 t燃油和减少2 500 t二氧化碳排放。日本邮船设计研发了集装箱船模型“超级环保船2030”,船全长352 m,甲板上被太阳能发电板覆盖,8张伸出的船帆像翅膀可将风转变为推力,采用可拆卸的集装箱式燃料电池作为主要动力源,这使船体重量减少了约两成,相比现在以柴油机为动力的船舶可减少近7成的二氧化碳排放。日商船三井公司研发环保型混合动力汽车运输船,将于2012年下水,该船采用太阳能发电技术和锂电池技术的混合电源系统,在远洋航行中可以减少5成的二氧化碳排放;靠港停泊时由电池为船舶供电,关闭柴油发电机组,可实现在港湾内航行以及装卸时的零排放。日本东京大学日前制订了开发新概念风力助推船舶新计划,目标是在3年内完成新船型设计和进行商业化推广,新概念船将以风力作为主要动力,传统的燃油发动机为辅助动力,采用碳复合材料制造的大型灵活风帆自动航行系统,一艘好望角型散货船将需要9张帆,每张帆的面积1 000 m2。

近几年,国际海事组织(IMO)已经和正在制定实施一系列贯彻节能、减排、安全、环保和质量要求的国际造船新规范、新标准。如,船舶共同结构规范(CSR)、新船能效设计指数(EED I)、涂层新标准(PSPC)、目标型船舶建造标准(GBS)和压载水管理公约(BMW)等,这是对各国船舶工业和交通运输业提出的严峻挑战。日本和韩国等造船国家都把研究新标准、新规范,开发绿色环保型船舶作为其占领和抢夺未来市场的关键。

我国也在采取多种措施,积极发展节能环保船舶,并认真研究国际海事组织(IMO)的国际造船新规范、新标准。例如,中远集团计划在油轮上设计、安装一套由刚性铝制翼状太阳能电池板构成的高30 m的新型风帆,并能够自动侦测风向和太阳光而调整最佳角度,船舶可借风力推动,预计可因此节省2～4成的燃油消耗,同时可为船上设备提供总电力的5%,通过电脑连接至现有的导航系统,感应器会自动适应风向、风速调整太阳能帆,帮助船舶到达目的地;大连船舶重工集团在对新船能效设计指数计算、实船能效指数验证、市场机制的深入探讨的基础上,形成了新船能效设计指数的计算标准以及实船能效指数验证的相关规定,为“低碳”船开发奠定了基础,并通过先进的船型设计技术,高效的船、机、桨匹配,先进船舶余能利用等高新技术的广泛应用,使新研发的船舶产品具备先进的低碳特点,率先考虑了新船能效设计指数,先后开发出新型32万t超大型油船、11万t阿芙拉型成品油船、15.9万t苏伊士大型原油船,不仅提高了新产品开发的原创能力,而且赢得了市场。

2.4 自治式水下潜器技术

早在20世纪末,美国海军海洋局就是用百千克量级的小型自治式水下潜器技术(autonomous underw ater vehicle,AUV)替代几千千克量级的调查用潜器,从而大大节省海洋调查用燃料、人力、时间。美国伍兹霍尔研究所(W HO I)首先研制出小型的无人潜航器REMUS,使AUV技术进入了一个全新的发展阶段。其中REMUS100型净重仅31 kg,最大航程164 km,可搭载多种传感器。目前已形成了潜水深度100 m、600 m、6 000 m的产品系列,并有130多艘出售给世界30多个国家。该项技术和产品对我国禁售。水下滑翔器(autonomous underw ater glider,AUG)是AUV系列的一种新模式,美国已开发出Slocum、Slocum-E等4种AUG,2008年美国海军订购了100余套浅海型AUG[7]。

美国海军1999年提出了发展无人潜航器计划。在2004年的美国防务政策指南中,无人潜航器承担东亚复杂海域环境下的反潜任务。2005年发布了新的《无人潜航器总体规划》。在网络中心战和ISR(情报、侦察、监视)系统中,无人潜航器将执行侦察和监听、跟踪和预警、探雷和灭雷、声诱饵、目标探测与定位、通信中继与导航、电子或水声干扰、生化环境探测和水下攻击等任务。美国战略和预算评估中心的资深分析家,把发展无人潜航器提高到保持美国“优势制海权”的战略地位。据预测,到2020年前后,美军将拥有由1 000套以上无人潜航器,并组成水下无人舰队。“无人潜航器总体规划(UUV M aster Plan)”制订了未来50年内UUV军事应用的蓝图;美国国防部部长办公室2007—2032年无人系统路线图(unmanned system s roadmap)包含了UUV的未来发展及应用指南。美国的海上军事战略是近海作战,无人潜航器舰队的实现有可能改变未来海军作战模式。近年来,美国海军又提出了“绿色舰队计划”,尽可能减少舰船和武器装备的能耗,组织力量研究各种低能耗的海上武器装备,研究在潜艇中利用温差能技术,研究利用海洋中的微生物使海水中的二氧化碳转变成能源的技术。

在国家“863”计划的支持下,我国的自治式水下潜器技术有了很大的发展。从1992年起,继成功研制了“探索者”后,又研制了实用型CR-0l、CR-02型(6 000 m),可以进行多种深海资源调查[8]。

3 对策建议

实施绿色海洋技术发展战略,促进海洋经济可持续发展,需要有相应的措施作保障,需要有相应的政策来引导和保护。为此,笔者提出关于加速我国绿色海洋技术发展的对策建议。

3.1 确立绿色海洋技术的战略地位

研究制定相关规划和政策,统一认识、统筹规划、统一安排和协同发展。切实做好发展绿色海洋技术的统筹规划,把多元互补、洁净化和可持续发展作为基本政策,把绿色海洋技术紧密地和国土资源开发、国防建设和环境保护联系起来,以此来拉动绿色海洋技术发展利用。

3.2 突出产学研结合,加快技术创新和产业化示范开发

加大项目支持和政策扶持力度,支持建立绿色海洋技术研发基地,提升自主研发和工业化配套技术研发能力;通过项目合作,选择条件合适的企业,建立绿色技术产业化基地,增强规模化生产能力。创新产学研合作和运行机制,推动新兴海洋产业的形成和发展。

3.3 选准方向和重点,结合我国海洋可再生能源分布特点,利用适用技术因地制宜地开发利用不同类型的海洋可再生能源

借鉴国际上技术发展成果和经验,结合我国海洋能资源分布特点和技术成熟度,应该在继续保持我国在潮汐能技术国际领先地位的基础上,在不同资源类型发展优先性顺序安排方面,当前应该海上风能放在优先发展地位,潮汐能次之,以下分别是潮流能、波浪能、海洋生物质能、海洋温差能和盐差能。海洋温差能和海洋生物质能利用技术的研发要加大投资力度,扩大研究规模。

3.4 加快原始创新和集成创新,推动海洋生物质能产业发展

加强各单位的协作,围绕富油微藻的筛选培育、微藻规模培育技术与设备、微藻产氢技术和生物柴油炼制等环节,开展联合攻关。瞄准国家目标,积极组织联合申请国家项目,争取国家、省等各类科技计划支持。

3.5 发展绿色造船业,实现环境与经济的“双赢”

政府加大对企业的投资力度,提高企业竞争力,支持与激励重点发展高科技、高附加值、低污染的造船、修船、港口机械,让企业和公众今后在绿色造船业中切实受益。

3.6 加速发展AUV技术,使其实现商业化

AUV已成为国际上最重要的探查和作业平台,且功能日益完善。建议我国组织力量,发展多功能、实用化AUV和配套作业工具,实现装备之间的相互支持、联合作业、安全救助,能够顺利完成水下调查、搜索、采样、维修、施工和救捞等任务。

[1] 新华网.英国发布“低碳”国家战略计划[EB/OL].(2009-07-16)[2010-08-20].http://new s.xinhuanet.com/world/2009-07/16/content_11714821.htm.

[2] 国际新能源网.波浪能和潮汐能发电发展现状[EB/OL].(2010-03-18)[2010-05-21].http://www.in-en.com/newenergy/htm l/newenergy-1019101945600563.htm l.

[3] MUETZE A,V IN ING J G.Ocean wave energy conversion:a survey.[EB/OL].(2009-04-01)[2010-04-05].http://homepages.cae.w isc.edu/～vining/JVining_IAS06_WaveEnergySurvey.pdf.

[4] 科技日报.欧盟通过欧盟能源技术战略计划.[EB/OL].(2007-11-28)[2010-07-08].http://www.most.gov.cn/gnw kjdt/200711/t20071127_57437.htm.

[5] 赵中华,石磊,刘珊珊.生物质能源发展及海洋生物质能源展望[J].科学与管理,2008(4):13-15.

[6] 徐亚超,李苗苗,冯芸.中国造船业现状分析[J].网络财富,2010(3):62.

[7] 马伟锋,胡震.AUV的研究现状与发展趋势[J].火力与指挥控制,2008,33(6):10-13.

[8] 中国21世纪议程管理中心,国家海洋技术中心.海洋高技术进展[M].北京:海洋出版社,2010:216-220.