编者按

人类对地球化石燃料的过度开发利用，导致二氧化碳大量排放，严重威胁全球气候与生态。面对未来传统能源枯竭、化石能源对地球环境破坏的威胁，人们开始向深海、太空和生物质寻找更加清洁的可再生能源。

从今天起，本报国际专题推出“可再生能源前沿观察”系列报道，聚焦各国在可再生能源或能源循环利用方面的前沿探索，以助力推进碳达峰、碳中和发展战略。

2017年10月，挪威国家石油公司位于英国苏格兰东北海岸的全球首座漂浮式海上风电场正式投产运营。图为拖船拖动风力发电机驶往远海风电场安装。 视觉中国

5月18日，丹麦、德国、比利时、荷兰等四国政府首脑在“北海海上风电峰会”上签署联合声明，承诺到2030年，海上风电装机总量将达到65吉瓦，到2050年将四国的海上风电装机提高至150吉瓦，将北海打造成欧洲的“绿电中心”。

同一天，欧盟发布“为欧盟重新供能”投资方案，总额约3000亿欧元，以实现加快向清洁能源转型。按照方案，其中约860亿欧元将用于可再生能源，包括海洋能源。

能源开发重心将由陆地转向海洋

能源，是20世纪工业革命的动力，也是21世纪信息技术革命的动力。当下，人类最主要的能源是化石燃料，如煤炭、石油和天然气。然而，伴随着全世界的能源需求量不断上升，化石燃料存储量也在不断减少。另一方面，化石燃料燃烧产生的碳排放正在加速地球气候的暖化。国际能源署日前发布报告指出，2021年，全球能源领域二氧化碳排放量达到363亿吨，同比上涨6%，超过了新冠肺炎疫情暴发前的水平，创下历史最高纪录。

陆上能源的极度开发、二氧化碳的过度排放导致的污染问题，促使人类逐渐把目光投向拥有巨大能源潜力的海洋。海洋能源一般是指海洋中蕴含的清洁无污染的可再生自然能源，包括波浪能、潮汐能、温差能、洋流能、盐差能等，被誉为“蓝色能源”。其中，除潮汐能和洋流能是月球和太阳引潮力的作用产生以外，其他均产生于太阳辐射。在更广义的范围上，海上风能也同样是重要的海洋清洁能源。

海洋是潜力巨大的可再生能源宝藏

据世界能源理事会预测，全球海洋总能源(不包括海上风能)预计超过每年200万太瓦·时，但可以被利用的海洋能仅为每年2000-92000太瓦·时。2021年6月发布的全球可再生能源现状报告显示,海洋发电在可再生能源发电中所占比例仅有0.02%，大多数海洋发电项目侧重于规模相对较小的示范项目和不到1兆瓦的试点项目。目前，全球新增的海洋发电总装机容量约624兆瓦。海洋发电活动主要集中在欧洲，特别是部署在苏格兰海岸大量的潮汐涡轮机。

海洋能源的资源潜力空间巨大，尽管经过几十年的发展努力，它在很大程度上仍未得到大规模的开发利用。随着时间的推移，海洋能源发电技术逐渐成熟，其潜力也开始得到释放。2017-2020年，全球海洋能源市场融资规模逐年上升，其中2020年全球海洋能源市场的融资金额达到3.6亿美元，相较2019年增长9%。海洋能源市场正在逐渐形成。经济合作与发展组织的研究报告表明，海洋能源产业对中长期经济增长和创造就业岗位具有重要贡献潜力，欧盟估计到2035年海洋能源产业将创造近4万个就业岗位。更乐观的估计，到2035年，仅英国的海洋能源产业就将创造2万个就业岗位。

但目前而言，海洋能源利用在技术方面仍存在不少风险和不确定性，比如开发难度较大、能量密度不高、稳定性较差、分布不均匀。此外，海洋能源开发还面临诸如归属权之类的法律依据问题，比如印度和孟加拉国在孟加拉湾海洋能源开发方面就有近40年的领海争端。生态环境也是海洋能源开发无法回避的问题，比如发电设备产生电磁辐射、影响水流进而改变局部海洋环境等等，都存在未知数。

5月18日，欧盟委员会主席冯德莱恩出席在丹麦举行的“北海海上风电峰会”，力挺海洋清洁能源。视觉中国

潮汐能原理

潮汐能是指受月球和太阳对地球产生的引潮力的作用而周期性涨落所产生的势能。潮汐能发电技术一般是通过建筑拦潮坝，利用潮水涨落形成的水位差，使具有一定水头的潮水流过安装在坝体内的水轮机带动发电机发电的技术，原理与水力发电相似。

5月13日，英国投资460万英镑的FastBlade工厂正式启用。这座工厂安装了世界上第一个潮汐涡轮叶片快速测试设施，按照设计，这些叶片须能够承受恶劣海洋条件20年，转速比其他同类设施更快的同时，所需能源也明显更少。

作为一种成熟的海洋能发电技术，传统拦坝式潮汐能技术早在数十年前就已实现商业化运行。目前，国际上在运行的拦坝式潮汐电站主要采用单库方式。如建于1966年的法国朗斯电站，采用单库双向工作方式，即通过拦坝形成一个水库，在涨潮时或落潮时均可发电；而建于1984年的加拿大安纳波利斯电站以及2011年建成的韩国始华湖电站，均采用单库单向工作方式，只有一个水库，只在落潮时发电。

除了传统拦坝式潮汐能技术之外，英国、荷兰等国研究机构还开展了开放式潮汐能开发利用技术研究，即利用天然形成半封闭或封闭式的澙湖，在澙湖围坝上建设潮汐电站，利用澙湖内外涨落潮时形成的水头推动涡轮机发电，由于无需在河口拦坝施工，因而对海域生态损害很小。

虽然潮汐发电与水力发电很相似，但海水腐蚀性及海生物附着等对电站及水轮机有影响，建造拦坝对当地海域生态环境也会有一定影响，使得各国建设潮汐电站都较为谨慎。

位于英国苏格兰的欧洲海洋能源中心潮汐能涡轮发电机已并网发电。 视觉中国

温差能原理

海水温差能是指以表层海水和深层海水温度差的方式所产生的海洋热能。海洋温差能转换的基本原理是利用海洋表面的温海水加热某些低沸点媒介物质并使之汽化，或通过降压使海水汽化以驱动机器发电，同时利用从深层提取的冷海水将做功后的上述汽化物冷凝，使之重新变为液体，形成系统循环。

1881年，法国物理学家雅克-阿尔塞纳·达松瓦尔提出了温差能发电的概念，然而，直到1926年，全球首个海洋温差能实验装置才在古巴建成。但是，由于发电系统的水泵等所耗电力比其所发出的电力更大，结果纯发电量为负值。1979年，建在夏威夷的海洋温差能发电系统第一次发出了15kW的净发电容量。从技术上实现了温差能发电的可能。

目前，运营相对成熟的是美国夏威夷和日本冲绳的海洋能温差技术发电项目，连续多年运营良好，积累了大量的经验。从技术层面，建设一个10兆瓦的浮式海洋能温差技术发电项目已经存在可行性。不过，将海洋温差发电能力扩展到100兆瓦则还需要技术上进一步突破，比如要有大直径的、可靠的冷水取水管，这需要10兆瓦浮式海洋能温差技术发电项目运营一段时期后提供的相应的数据和技术支持。

国际温差能技术如今已经进入到综合开发阶段，除了用于发电外，在海水淡化、制氢、空调制冷、深水养殖等方面有着广泛的综合应用前景。例如，在深海冷水养殖方面，目前在美国夏威夷海洋牧场由海洋温差能转换派生的海水养殖业已投入5000万美元，用于养殖龙虾、比目鱼、海胆和海藻。热带岛屿国家成为温差能发电应用的潜在市场。

盐差能原理

盐差能主要存在于河海交接处，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，以化学能的形态存在。盐差能发电技术主要包括缓压渗透法、反向电渗析法以及蒸汽压法，其核心技术主要在渗透膜的研究上。

2009年，挪威Statkraft公司建成了一座利用压力延缓渗透法产生渗透压的盐差能示范装置，这是全球首个海洋盐差能发电示范系统，后来由于膜污染而停止运行。2014年，利用反向电渗析技术的盐差能发电站在荷兰阿夫鲁戴克拦海大坝投入运营。

目前，海洋盐差能发电技术处于瓶颈期，渗透膜、压力交换器等关键技术和部件研发仍需突破，尤其是渗透膜技术，其成本占到了盐差能发电装置总成本的五到八成。

洋流能原理

洋流能是指月球和太阳的引潮力使海水产生周期性的往复水平运动而形成的动能。洋流能的发电原理和风力发电类似，即将水流的动能转化为机械能，进而将机械能转化为电能。

今年3月，英国SM公司的加拿大洋流能项目完成海底电缆铺设，整个项目预计将向加拿大输送高达9兆瓦的电力。

当下，洋流能技术已经基本成熟并进入商业化运营阶段，不少大容量的项目进入筹划及建设中，其中英国正在筹建的项目较多，英国是目前世界洋流能技术的领跑者，也是世界上洋流能开发利用较早、较多的国家。

目前，全球最大规模的洋流能发电项目是英国SIMEC亚特兰蒂斯能源公司的MeyGen项目，已并网发电3500万千瓦时。英国开发海上能源的Nova公司在威尔士设德兰群岛安装的4台洋流能机组累计并网发电时长已超35000小时。此外、美国、加拿大、韩国、法国均有洋流能发电项目投入运营或者试验，洋流能将迎来更加广阔的发展。

不过，洋流能在获能装置形式方面，还缺少长期运行的技术性能和成本数据，很难对不同形式的装置进行精确的评定。此外，随着技术的进步，欧洲国家开始向洋流能资源丰富的较深水域发展，此前固定式的安装方式不再适用，最新研制的漂浮式涡轮机，由于没有达到固定式涡轮机的稳定性，还需要开展全尺度装置样机海试。

波浪能原理

海洋波浪能是由风能转化而来的一种能量，风吹过海洋，通过海水-空气相互作用把能量传递给海水，形成波浪。波浪能发电是利用物体在波浪作用下的运动、波浪压力的变化及波浪在海岸的爬升等所具有的机械能进行发电。

2021年9月，美国CalWave电力科技公司在加州海岸成功试运行其CalWave X1波浪能发电项目，主要验证该系统在海域的性能和可靠性。据了解，该项目完全在水下运行，不造成视觉影响，且由于水深不同、与海岸距离不同，使得该系统既能保证高性能，还可以在风暴条件下自动关闭。

英国也有许多公司在开发波浪能系统。2021年6月，英国海洋能源技术公司的“蓝色X”波浪机开始在苏格兰大陆北部的欧洲海洋能源中心开展测试。而拥有丰富海洋资源的苏格兰更是在2011年就提出了苏格兰波浪能计划（WES），截至2018年，WES已获得2440万欧元的政府资金支持，用于发展61个波浪能创新项目。

仅仅2019年，全球波浪能的市场价值为4380万美元，预计到2027年将达到1.411亿美元，复合年增长率为17.8%。美国官方数据显示，全球有16个国家在进行波浪能发电研究，英国、美国、澳大利亚、丹麦和西班牙等国的波浪能开发技术和应用规模居世界领先地位。

尽管全球有不少波浪能发电装置进行了长期海试，但恶劣环境下装置的生存能力、长期工作可靠性、高效能量转换等关键技术问题仍然有待突破。与此同时，由于各国海域地理位置不同，波浪能资源形态各有特点，所需波浪能装置的大小规格不同。而波浪能技术类别分散，处于不同的技术发展阶段，并且发电装置的合理规格尚在实践摸索中。

海洋蕴藏巨大的能量。视觉中国

远海风电

海上风电主要依靠风力涡轮机技术，与陆上风力涡轮机相似。海上风电一直在快速发展，从全球来看，海上风电已经进入大规模发展阶段。截至2019年年底，全球海上风电累计并网容量接近3000万千瓦。

目前，海上风电发展已呈现从近海向远海深水化发展特点。以欧洲为例，近年来海上风电项目的水深持续增大，2020年欧洲在建海上风电项目平均水深36米，预计未来将进一步增加。从资源规模的角度看，远海深海的区域面积大、风力资源好，可开发的潜力大。研究显示，全球大部分海上风力资源位于水深超过60米的海域。

2020年7月，由开发浮式风电技术的美国原理动力公司研发、被誉为世界上第一个的浮动半潜风力发电场全面投入运营。在这个发电场，三台风力涡轮机全部使用半潜式地基，通过系泊技术将风力涡轮机安装在100米深的水域中，从而使风力涡轮机在恶劣天气和海况下保持稳定。此外，风力涡轮机使用干船坞组装技术，从而实现低成本快速组装，并可以使用标准的拖船拖曳风力涡轮机平台。

海上风电技术正在快速发展，但还是存在一些工程技术问题有待解决。例如，在海洋环境中海洋基础设施和悬浮支撑结构的设计和建设优化问题；高速运转下噪声和叶片腐蚀问题；发电储电和海水养殖等海上基础设施的共享问题。远海风电的技术难题也成为全球电力科技竞争的新高地。

（撰文 申卫峰）

（原标题《寻找深海里的“蓝色能源”》）