世界海洋可再生能源的开发利用对我国的启示*

2014-04-04王宝森徐春红

海洋开发与管理 2014年6期

关键词：海洋能潮汐波浪

王宝森,徐春红,陈华

(国家海洋标准计量中心天津 300112)

世界海洋可再生能源的开发利用对我国的启示*

王宝森,徐春红,陈华

(国家海洋标准计量中心天津 300112)

在传统能源日渐枯竭以及环境污染日益严重的情况下,以可再生能源为主的能源结构正逐渐取代以化石燃料为主的能源结构。海洋可再生能源作为一种储量巨大的可再生清洁能源受到了广泛的重视。文章在广泛整理、分析世界不同种类海洋可再生能源开发利用现状的基础上,结合我国海洋可再生能源开发利用实际及存在的问题,尝试提出我国海洋可再生能源的发展建议:明确我国海洋可再生能源状况,科学制定开发利用规划;考虑潜在环境问题,慎重推进海洋能发电站的巨型化;加强技术研发,促进海洋能资源的综合利用;开展国际合作,加速我国海洋能技术的发展。

海洋可再生能源;开发利用;发展策略

1 引言

能源是人类社会发展的关键,随着经济的不断发展,人类对能源的需求越来越大。传统的煤炭、石油、天然气等化石能源消耗加快、储量日渐枯竭,同时化石燃料燃烧引起的环境污染问题也日渐显现。这促使世界各国都积极的探寻可能的替代资源。海洋是世界上最大的太阳能采集器,海洋可再生能源作为一种不断再生、永续利用,对环境危害较小的能源受到了广泛的重视。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、温差能、盐差能和生物质能,更广义的海洋可再生能源还包括海洋表面的风能和太阳能。从能量形式来看,潮汐能、海 (潮)流能和波浪能都是机械能,温差能属于热能,盐差能则是化学能。

我国是一个能源生产和消费大国,为满足经济发展的需要,每年需大量进口化石能源。2010年中国石油净进口量达到创纪录的25 367万t,石油进口依存度约为60%。同时我国也是海洋大国,拥有300万km2的海洋国土以及3.2万km余海岸线 (包括岛屿岸线),海洋能资源丰富。同时东部沿海地区经济发达,电力负荷密集,电网强大,能够为大规模海洋能的开发和利用创造条件。我国《可再生能源发展 “十二五”规划》提出:要加快推进海洋能技术进步。到2015年,建成总容量5万k W的各类海洋能电站,为更大规模的发展奠定基础。因此,海洋可再生能源将是中国未来能源结构中的重要组成部分。

本研究在分析研究世界不同种类海洋可再生能源开发利用现状的基础上,结合我国海洋可再生能源开发利用实际及存在的问题,尝试提出我国海洋可再生能源的发展建议。

2 世界海洋可再生能源开发利用现状

2.1 潮汐能

潮汐能是指因月球和太阳引力的变化引起的海水周期性的涨落而产生的势能[1]。根据世界能源会议《1992年能源资源调查报告书》,全世界潮汐能可开发量为10亿～11亿k W,年发电量约12 400亿k W·h[2]。人类很早之前就学会了利用潮汐能,曾经利用它搬运石块、推动水轮机等,但利用潮汐发电则始于20世纪。20世纪60年代世界上第一个商业性潮汐电站建成,70年代以后潮汐能发电进一步以降低大规模商业性生产的造价为目标,到现在人类对于潮汐能的利用已经进入了实质性的应用阶段。据不完全统计,目前在英国、法国、俄罗斯、加拿大、印度、韩国等13个国家运行、设计、在建、研究及建议的电站达139座[3]。

法国的朗斯潮汐电站、加拿大安纳波利斯潮汐电站以及我国的江夏潮汐电站,是当今世界已建成并长期运行的三大潮汐能电站。朗斯潮汐电站建于1968年,位于法国西北部圣马洛湾以南的朗斯河口,是世界上第一个商业性电站,也是目前世界最大的潮汐发电站,总装机容量24万k W,年发电量为5.44×108k W·h[4]。1984年,加拿大在芬迪湾建成安纳波利斯潮汐电站,安装了当时世界上单机容量最大的贯流式水轮发电机组,实现全年发电量约45亿k W·h。不过,该电站同时也暴露出较多的环境问题,成为各界争论的焦点。我国的江厦潮汐试验电站位于浙江温岭西南的江厦港上,1972年开始建设,至2007年10月共6台机组发电,总装机容量3 900 k W,年发电量稳定在600万k W·h余。

2.2波浪能

海洋波浪能是指由于太阳能的不均匀分布导致空气流动,进而在海面产生的短周期波所储存的势能和动能。据世界能源委员会统计,全球可利用的波浪能达20亿k W。波浪发电是继潮汐发电之后,发展最快的一种海洋能利用方式。1911年,世界上第一台波浪能发电装置研制成功[5];20世纪60年代,日本的益田善雄开发成功世界上第一个海浪发电装置,用于航标灯,并投入商品化生产,这是世界第一个、也是最成功的商业化波能产品;80年代以后,波浪能的开发转向以为边远沿海和海岛供电为目的的实用性、商业化的中小型装置为目标[3];现在的波能利用技术已经历了装置发明、实验室试验、实海况示范等阶段,进入了降低成本、探索商业化应用的阶段。

目前,日本、英国、美国、德国、加拿大和挪威等国都在开展波能利用的研究,其技术原理大都基于物体在波浪作用下的升沉和摇摆,将波浪能转换为物体的机械能或者利用波浪的爬升将波浪能转换成水的势能等。其中较为著名的是日本80年代初与美国、英国、加拿大、爱尔兰合作建造的 “海明”号波能发电船,总装机容量1 250 k W,可向岸边输送电力,发电成本低于当地柴油的发电成本[3]。1998年,日本研制的名为 “巨鲸”的波能发电装置在三重县五所湾离岸海域下水投入商业运营,该装置不仅可吸收波能发电,还具有独立能源平台的功能[6]。英国拥有世界上最好的波浪能源,是20世纪80年代世界波浪能研究中心。1990年和1994年分别建成75 k W和2万k W的振荡水柱式和固定式岸基波力电站;1995年,在克莱德河口海湾建成世界上首台商用波浪发电机,装机容量2 000 k W[7];2000年,世界上第一个波浪发电厂在Islay岛试运行,发电量500 k W。此外,21世纪初英国又发明了一种名为 “海蛇(Pelamis)”的独特波能利用装置,采用筏式和液压系统,装机容量为700 k W,是目前世界上装机容量最大的波能发电装置。该装置已在葡萄牙北部海岸投入商业化运行,最终建设目标是实现500 k W电力,满足35万个家庭的使用。

2.3 海(潮)流能

海 (潮)流能是指流动的海水所具有的动能,主要指海底水道和海峡中由于潮汐导致的有规律的海水流动。海流能量的大小与流速和流量成正比。一般认为,最大流速在2 m/s以上的海流才有实际开发利用的价值。全世界海(潮)流能的理论估计值在500～1 000 GW量级[8]。海(潮)流能利用的研究始于20世纪70年代,研究进展比较缓慢,20世纪90年代,拦海建坝的潮汐发电因生态环境问题受阻,人们才开始重视潮流发电。与河流发电相比,海(潮)流能发电不受洪水和季节影响,水量和流速较稳定,能量来源可靠。

世界上开展海 (潮)流能开发利用研究的国家主要有美国、英国、加拿大等。美国是世界上最早开展海流发电研究的国家。1973年,美国首先提出 “科里奥利斯”巨型海流发电装置方案,当海流速度为2.3 m/s时,可实现发电83 MW;1985年分别进行了2 k W和20 k W海流发电装置试验;2002年启动了RITE工程,工程计划历时10年安装30台水下潮流发电机组,向电网输送10 MW电力[9]。英国是目前世界上潮流能发电技术最先进的国家,2003年投运首台300 k W Sea Flow型潮流能发电机组; 2008年投运1.2 MW的Sea Gen型潮流能发电机组;目前,英国正在苏格兰和北威尔士建设大型潮流能发电场[9]。

2.4 温差能和盐差能

海水温差能是指蕴藏在表层温海水和底层冷海水之间的热能[1],是蕴藏量最大的海洋可再生能源,被寄予最大的期望,研究投资最多。相对于潮汐能、海流能等机械能来说,温差能属于热能在发电能量转换效率和设备成本上都不具有优势。但是,温差能利用在发电的同时还可以产生淡水等副产品,这一点是值得注意的[10]。目前,世界上仅有美国和日本等几个国家建造了温差试验电站或装置,技术已接近成熟,但尚未达到商业化水平。美国自20世纪60年代中期开始温差能利用研究,1979年在夏威夷建成世界上第一座闭路循环式海洋温差发电站,该装置发电机额定功率50 k W[3]。

海水盐差能是指海水和淡水之间或两种含盐浓度不同的海水之间的化学电位差能[1]。1973年以色列科学家首先研制了一台浓差能实验室发电装置,证明了发电的可能性[3]。随后日本、美国、瑞典等国相继开展了研究工作,但均属于基础理论研究和原理性实验研究。目前,盐差能发电的主要技术难点有两个:一是向高水头海水池泵入高盐度海水耗能大;二是大型半透膜的技术难度和造价高。

3 我国海洋可再生能源开发利用现状

我国是海洋大国,海洋能资源总量近30亿k W,开发利用潜力巨大,以东南沿海及海岛地区最具资源优势,但海洋能开发利用技术除潮汐能外大多落后于世界先进水平。我国海洋能开发利用的研究始于20世界50年代,最初仅是开发潮汐能资源。目前,我国正在运行的潮汐电站有浙江温岭的江厦站、浙江玉环的海山站和山东乳山的白沙口站3座,其中江夏潮汐试验电站最大,装机容量3 200 k W[11]。波浪能和海 (潮)流能利用的研究还处于早期示范研究阶段,中科院广州能源所正开展波浪能发电装置小型示范研究,哈尔滨工程大学、中国海洋大学等开展潮流能发电装置的小型示范研究[11]。温差能和盐差能发电处于实验室模拟试验阶段。

自2010年开始,我国开始设立海洋可再生能源专项资金,累计投资4亿元,共支持了64项海洋可再生能源开发利用项目,重点解决潮流能发电装置海上试验的技术难点,优先支持波浪能和潮流能发电的示范应用,对现有的潮汐电站进行增效扩容改造,逐步实现可靠运行,构建初具规模的海洋能示范基地。

4 对我国海洋可再生能源开发利用的启示

我国的《可再生能源发展 “十二五”规划》提出 “加快推进海洋能技术进步。建设海洋能、风能与太阳能技术互补的海岛独立示范电站;建设1～2个万千瓦级潮汐能电站和若干潮流能并网示范电站。到2015年,建成总容量5万千瓦的各类海洋能电站”。为实现上述目标,建议应从以下几个方面着手开展海洋可再生能源的开发和利用。

4.1 明确我国海洋可再生能源状况,科学制定开发利用规划

由于对海洋能资源的基本状况缺乏整体认识,没有形成系统的发展方向、目标和计划,使得我国海洋能的开发利用基本处于试验和探索阶段。而海洋能开发利用技术较先进的美国、英国、日本等国都以不同的方式制定了海洋能发展规划,如2010年美国发布的《美国海洋水动力可再生能源技术路线图》(The United States Marine Hydrokinetic Renewable Energy Technology Roadmap)、英国发布的《海洋能源行动计划2010》等,都极大地促进了这些国家海洋能技术的研发和应用[12]。我国发布的《可再生能源发展 “十二五”规划》提出了我国海洋能开发利用的目标,但是缺乏系统、详细的规划和发展战略。因此,需要有关部门根据我国海洋能分布的特点和发展状况制定详细的步骤和措施。

4.2 考虑潜在环境问题,慎重推进海洋能发电站的巨型化

我国的海洋可再生能源丰富,但开发利用不足,规模也较小。以技术较先进的潮汐能为例,我国最大、世界第三的江厦潮汐电站,其总装机容量也只有法国朗斯潮汐电站的1/60。大规模的开发海洋可再生能源能够替代传统化石能源,缓解能源紧缺,保证经济持续快速增长,减少对环境的污染。但与此同时也应该考虑到在海洋能开发利用过程中存在一些潜在的生态问题,如潮汐电站会改变海水温度和水质,影响浮游生物、鱼类等的生长,建造拦潮坝可能会影响河口地下水和排水,加剧海岸侵蚀。因此,在大规模的开发利用海洋可再生能源的同时,也应慎重的考虑其可能对生态环境造成的影响。

4.3 加强技术研发,促进海洋能资源的综合利用

与其他发电技术相比,海洋能发电尚不成熟,技术难度大、成本高,不具有竞争力。但作为一种可再生能源,海洋能对环境友好,储量丰富,利用潜力巨大,作为补充和替代化石燃料的能源具有开发利用的必要性。结合现阶段海洋能开发利用的现实,笔者认为一方面应该加强海洋能开发利用基础技术的研发;另一方面是促进海洋能开发的综合利用,多能互补,通过加强综合利用降低发电成本,推动技术快速发展。促进海洋能发电的综合利用,可以在潮汐电站水库开展贝类、鱼类养殖,在温差电站利用深层冷水养殖贝类、鱼类或用于建筑物降温等。

4.4 开展国际合作,加速我国海洋能技术的发展

我国的海洋能开发利用技术除潮汐能外均处于起步阶段,温差能、盐差能领域甚至刚刚涉及。而世界上很多国家的海洋能利用技术已经较为先进,如英国的潮汐能、波浪能开发利用、日本的波浪能发电技术以及美国的温差能技术等。国际社会为促进世界海洋能的开发利用,为有关国家搭建了很多海洋能开发领域的交流平台,如“世界海洋能源会议”(ICOE)、国际海洋能源系统协议等[13]。应积极利用这些平台开展国际合作、加强学术交流,学习国外先进技术,参与联合各国优势力量的科技攻关,加速我国海洋能技术的发展。

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