【研究观点】新一代海洋能技术方向及产业化发展趋势

2023年12月18日


本期,我们将聚焦大会主题——“海洋能技术创新发展”讨论新一代海洋能技术方向及产业化发展趋势?


640 (55).png


PART.01


海洋能技术发展推动产业转型


全球能源绿色低碳转型稳步推进,可再生能源消费占比持续上升,能源结构持续优化。随着能源转型与气候变化压力笼罩之下,海洋可再生能源以其分布蕴藏量之广、清洁利用持续性、绿色可再生性、造价高污染小以及可开发性等优势脱颖而出,海洋能技术由此成为当前国际能源领域研究开发的前沿与热点趋势,也成为中国海洋产业转型升级和海洋经济高质量发展的有力支撑。


海洋能技术已逐步进入国际能源领域研究开发的前端视野。随着气候挑战与经济放缓压力下,全球绿色能源转型迫在眉睫,潮汐、波浪等海洋能因其大蕴藏量与分布范围极广,从而成为国际关注的可再生能源新焦点。


近年来,欧盟、美国、澳大利亚、中国等纷纷出台政策框架,推动海洋能加速发展,其中以欧洲发展最为迅速:2021年欧洲潮汐能、波浪能新增装机容量分别占到全球总量的2/3和1/2。据国际可再生能源署预测,随着各类海洋能源技术的发展,全球海洋能装机容量预计未来5年可达3.0千兆瓦,至2030年和2050年分别可达70千兆瓦和350千兆瓦。由此可见,可再生海洋资源与相关海洋能技术已成为全球发展的战略性技术储备,是世界能源安全以及实现碳中和“双碳”目标的能源支撑与重要保障。


根据12月10日电力规划设计总院在京发布的《中国能源发展报告2023》显示:中国海洋油气勘探成果显著,油气产量再创新高,海上风电新装机重返高速增长轨道,海洋油气与新能源融合发展成为热点方向。报告指出,中国能源科技创新能力不断提高,大容量海上风机、海风无淡化制氢、超临界CO2发电技术、潮汐能发电、水下油气等技术加速迭代升级。海洋能技术正在逐步成为保障能源安全的重要支撑和实现绿色低碳转型的重要驱动力。


640 (56).png

数据来源:《中国能源发展报告2023》2023-10-08


据《中国能源发展报告2023》中显示,2023年全球海洋原油产量约2760万桶/天,同比增长1.7%;海洋天然气产量约1.2万亿立方米,增长32亿立方米。全球1500米以上超深水天然气产量有望大幅增长15.5%。海洋油气的产量大幅增升离不开海洋勘探技术的多方面突破,其中深水钻井技术是海洋油气勘探必不可少的核心技术之一。中国石油大学团队在深水钻井技术中钻研数十年,发明了钻井设计技术以及三合一安全高效钻井作业控制技术,使得深水浅层钻井平均作业时间由10天降至4.5天,实现深水钻井技术关键核心技术装备产业化。核心技术装备取得重大突破,进而推进海上勘探技术向精度化、精准化发展,外加工程技术的进步,最终助力海洋油气勘探开发,向世界阐明中国海洋油气勘探有能力进入“超深水时代”。


PART.02


政策保障助力海洋能技术发展


中国正在大力推动海洋能源内容日的开发利用,包括海上风电和潮汐能等。据自然资源部数据显示,2023年上半年我国海上风电新增并网容量215万干瓦,同比增长102%。此外,我国已经成为全球第二大海上风电市场,海上风电总容量超过德国,仅次于英国。


为了推动海洋能技术的发展,中国政府还出台了一系列的政策措施,比如减税降费、鼓励创新、金融扶持等,这些政策措施的落地实施,带动了中国海洋经济的全面复苏。新修订的《海洋环境保护法》自2023年1月1日起正式施行,其中明确了政府在海洋环境保护中的责任,规定沿海的县级以上地方人民政府,要对其管理海域的海洋环境质量负责。《“十四五”海洋经济发展规划》提出要加快构建现代海洋产业体系,着力提升海洋科技自主创新能力,协调推进海洋资源保护与开发,维护和拓展国家海洋权益,畅通陆海连接,增强海上实力,走依海富国、以海强国、人海和谐、合作共嬴的发展道路。


640 (57).png


PART.03


海洋能技术发展现状



海上风电技术发展推进绿色能源转型



近年来,中国海上风电产业高速发展,随着技术不断突破、跨产业融合发展持续推进,中国海上风电装机实现连续两年位居全球首位。据《中国能源发展报告2023》中预计,2023年中国海上风电全年新增并网装机容量将达604万千瓦,累计并网装机容量达3650万千瓦,同比增长约20%。


640 (58).png

三峡福清兴化湾海上风电场。新华社记者 林善传 摄


海洋能源依托海上风电技术融合开发实现绿色能源转型,由此海上风电、光伏发电成为其中绿色能源的重要组成,风电和光伏成为主要电力来源,加之海上输电技术、海洋工程技术、风机机组技术、运维技术四大海上风电技术的助力,在深远海风电开发利用关键技术和核心装备研发,两大目标分别于2035前实现深远海风电平价上网,实现国内海上二氧化碳封存工程示范并逐步推广;2050年实现生产侧新能源转型,使风电、光伏发电成为能源在生产结构转变上的主力。海力风电等可再生资源将持续加大在海洋大规模碳减排、封存的关键核心领域攻关力度,进而推进绿色能源转型,实现“双碳”目标。



聚焦潮汐、波浪能:全球海洋能技术先锋



波浪能:目前全球已研发了多种波浪能转换技术装置,主流的技术类型包括:点吸式技术(point absorbers)又名震荡浮子技术、振荡水柱技术(oscillating water column)、越浪式技术(overtopping)、衰减式(attenuator)技术等技术,其中点吸式、振荡水柱式的技术成熟度较高,已进入预商业化阶段。


潮汐能:目前,全球多国正在部署潮汐能发电项目,据国际可再生能源署和欧洲海洋能协会预计,到2050年,全球海洋清洁能源总装机容量有望达到35亿千瓦,并创造68万个直接就业岗位,预计今年有望成为潮汐能大规模部署元年。潮汐能发电主要有两种技术路径:单水库式(单向运行、双向运行)、双水库式(单向运行、双向运行、抽水增能发电)。在潮汐能方面,英国被认为拥有世界上最好的潮汐资源与领先的关键核心装备技术,其关键核心装备技术运行已基本成熟,数十年前已实现商业化运行。英国政府也于今年宣布将大力推进潮汐能技术建设与规划,引领世界推动潮汐能可持续发展,以更快速度部署潮汐能和波浪能技术。


640 (59).png


PART.04


中国海洋能技术实践与研究成果



海洋能学角度阐释气候演变的低纬驱动



这项研究首次从能量学角度阐释了气候演变的低纬驱动,即海洋是地球气候系统最大的热储库。人为释放CO2所产生的过剩热量,90%以上进入了海洋。要探索海洋热含量变化机制,仅靠仪器观测记录不足,亟需长期地质记录来解答。采用浮游有孔虫表层种和温跃层种的壳体地球化学,重建过去36万年以来西太平洋暖池上层(0-200米)海洋热含量,与地球气候系统模式CESM瞬变数值模拟的结果一致;同时,重建的表层海水剩余氧同位素也与热含量变化一致,而与中国石笋记录的大气降雨氧同位素在岁差周期上反相位变化,说明上层海洋热含量可以通过季风/台风调控海洋和大陆之间的水汽传输和氧同位素分馏 。



北极海冰-海洋动力遥感协同观测与航道保障应用



中国科研人员建立了北极海冰和海洋动力环境的7种关键参数的卫星遥感反演算法,突破了高分辨率合成孔径雷达北极海冰和海洋动力协同观测的瓶颈,面向全球发布和共享了系列高级遥感产品,在高水平期刊发表论文8篇。基础研究的突破支撑了北极航道空间观测保障服务体系的建立,向中远海运特运公司2021年度北极东北航道航行提供海冰与海洋动力遥感观测信息150余次,为航路规划、风险规避等起到了关键支撑作用,显著提升了我国海运公司在北极航行的商业竞争力 。



深海矿产混输智能装备系统“长远号”海试成功



中国首套深海矿产混输智能装备系统“长远号”成功研制并于2021年8月在南海圆满完成海试。海试克服了复杂恶劣海况影响,下放深度达519米,总运行时间超56小时,稳定运行体积浓度超11%,关键核心部件混输泵稳定运行流量大于每小时240立方米,最大流量每小时356立方米,实现了真实海洋环境下系统布放回收等混输全过程的健康监测、智能调控和预警决策 。



摩擦纳米发电网络的能量管理技术



通过对发电机网络的能量管理,在负载电阻上得到平稳持续的电压输出,实现给电容充电时储存能量提高96倍,并能持续驱动温度计测量水温,且每10秒钟无线发射信号一次。有利于实现更有效的水波能利用。



轮缘式潮流能发电技术



将导流罩、发电机及叶轮集成为一个整体,利用潮流来发电,作为一种新型水下潮流发电技术,轮缘驱动捕获海洋能的效率非常高,基本上不需要人工参与维护,同时可以结合海上风电、海上光伏协同利用。


640 (60).png


中国海洋能技术发展势头迅猛,但在深入推进深海能源产业化发展中,关键核心装备技术的安全适用性、多能源开发的应用调查与评估、环境影响评价、产业集群化等实践发展需求,目前国内海洋能技术发展面临几个亟待解决的现状问题:海洋能关键核心装备技术持续创新问题、海洋能资源间的协同高效开发利用问题、海洋能技术的综合集成化发展水平问题、实践装备技术可靠持续性问题、海洋能多能互补系统的多应用场景波动问题以及维护技术装备成本问题。面对以上实践需求问题,亟需重视海洋能开发利用的关键核心技术,进行创新前沿性技术的颠覆性突破,高效协同攻关,扩大海洋能技术的实际应用拓展面,与各大企业、研究机构、相关部门与高校一起攻坚破关。实现海洋能技术的进一步转型发展与高效运作。在本次“FET中国企业家创新年会暨海南自贸港国际技术转移与产业创新论坛”中,我们也将与专业领域院士、中国社会科学院、中国科学院专家代表共同讨论海洋能技术发展方向与未来趋势。


PART.05


海南自贸港深海科技政策


海南省正在积极推动海洋科技创新,设立海南省深海技术创新中心,该中心致力于深海科技的协同创新,与国内各行业优势力量共同推动深海科技的发展 。第一在东方西部、文昌东北部、乐东西部、儋州西北部、临高西北部50米以浅海域优选5处海上风电开发示范项目场址,总装机容量300万千瓦,2025年实现投产规模约120万千瓦 。第二在崖州湾畔,海南立足海洋强省建设目标,发挥资源优势,重点布局“一市、一城、一港(三亚市、三亚崖州湾科技城、南山港)”,集聚优势资源,努力在深海探测、深海开发方面掌握关键核心技术,推进重大项目建设,发展“深蓝”特色产业,打造深海科技新高地。第三在符合国土空间规划的前提下,鼓励利用酒店、住宅、厂房等资源建设分布式光伏发电,推进海上风电、光伏、海洋能及其与海洋农牧、旅游等特色产业相结合的绿色低碳发展 。


640 (23).jpg


海南省还制定了一系列政策来支持海洋能技术的发展,印发《海南省海域使用论证报告评审工作实施办法》,明确自然资源和规划部门的海域使用论证评审监管主体责任,对标国家最新的论证评审政策和技术要求 。在深海进入方面,省财政拨付专项经费,购置“探索二号”科考船已入列,“深海勇士”号4500米载人潜水器、“奋斗者”号全海深载人潜水器、大型深海超高压模拟试验装置等国家海洋科技重大装备落户海南,通过小投入引进国家大资源模式,集聚深海领域科技资源,开展海洋科技创新活动。在深海探测方面,围绕深海、深渊探测,与中船集团合作,推动建设深海装备试验室和深海装备科研楼,促进中国深海、深渊探测的科学发展。在深海开发方面,在深海生物开发领域,联合国家化合物样品库,启动三亚深海化合物资源中心的建设,通过建设样本采集、分离提纯、样品生产改造及生物活性筛选鉴定等平台,推动崖州湾科技城成为资源独特、水平高超、产研融合的海洋药物原创策源地。




*参考文献及资料:

[1] 《关于海洋能源绿色转型的思考》陈嘉楠/中国海洋发展研究中心2023-11-13

[2]《中国海油智库报告:2023年海洋能源发展持续向好》新华财经 2023-12-11

[3]《海洋可再生能源装备技术发展研究》中国工程科学2023年第25卷第3期 2023-06-19

[4]《突破深海油气工程“卡脖子”技术,必须持续创新驱动!》澎湃新闻2020-10-02

[5]《中国能源发展报告2023》电力规划设计总院

[6]《今年或为潮汐能大规模部署元年》中国可再生能源学会 2023-07-19

[7]《刘吉臻院士:中国海上风电发展前景与关键技术》北极星风力发电网 2020-12-05

[8]《中国海上风电累计装机连续两年位居全球首位》人民日报 2023-08-10

[9]《海洋深水浅层钻井关键技术:迎接“超深水时代”的到来》新华网2022-11-18

[10]《向大海要能源:当海洋能站在商业化门口》澎湃新闻 2022-12-15

[11]《自然资源部涉海单位部署海洋科技工作重点》2023-03-14中国自然资源报

[12]《海南省海洋经济发展“十四五”规划 (2021-2025年)》2021年6月海南省自然资源和规划厅

*本文部分图片来源如下:

1.《智库报告:<中国能源发展报告2023>》科创中国 2023-10-08

2. 新华社、搜狐网