海洋能
依海而富，向海而興——如何利用好巨大的海洋能源寶庫
2023-07-03 10:00海洋是地球重要的組成部分。人類歷史上以利用陸地能源為主，但海洋能源正在成為新一輪能源轉型的關注重點。在全球范圍內，政府、科研機構和企業正加大對海洋能源研究與開發的投入，力求減少對化石燃料的依賴，減輕環境壓力，應對氣候變化。海洋能源作為一種清潔、可再生的能源，不僅具有巨大的潛力，而且在許多方面擁有優勢。海洋能源中有三種重要的能源：海洋油氣、海上風電和深海能源，其潛力巨大，但也面臨一定開發障礙。如何對其進行更好的開發，正是海洋學科不斷探索的重要課題。
01
海洋能源成為能源轉型新焦點
傳統的陸地能源，如煤炭、陸地石油和天然氣，不僅儲量有限，而且在開采和使用過程中對環境造成了嚴重污染。正因如此，開發海洋能源成為了一個迫切的需求，以滿足持續增長的全球能源需求并減輕環境壓力。海洋是地球重要的組成部分。地球表面的總面積約為5.1億平方千米，其中海洋的總面積約為3.61億平方千米，約占地球總面積的71%。海洋內存儲了約13億立方米的海水，包含了地球上97%的水資源，其能源儲量也非常豐富。全球一半的人口生活在海岸線100公里以內的區域，而其他大多數人口也十分靠近湖泊、河流或沼澤。
海洋能源正逐漸崛起，引領新一代能源革命。從定義上來說，海洋能源是埋藏于大陸架和深海海床的化石能源和可再生的各類海洋能，具體包括潮汐、波浪、溫度差、鹽度梯度、海流、海上風電等。本文主要討論其中最主要的三種能源，同時也是和海洋學科關系最為密切的：海洋油氣、海上風電和深海能源。
02
海洋油氣的開發
隨著陸地油氣的開采殆盡，海洋油氣成為了新的能源增長極。2021年，中國海洋原油、天然氣產量分別為5464萬噸、196億立方米，同比增長5.8%、5.4%，其中海洋原油增量占全國總增量的80%以上，創歷史最高水平；海洋天然氣資源開發逐步向深水、超深水邁進，產量穩健增長。
1.鉆井平臺
在海洋中進行油氣開采時，首先用物探船去確定油氣分布區域，了解具體蘊藏石油的海域，并使用鉆井平臺去挖掘海洋油氣。鉆井平臺最初為固定式鉆井平臺，一經安裝便無法移動，現在已基本被淘汰。隨后有了可以垂直移動的自升式鉆井平臺，它具有一定的靈活性，但還是難以應對惡劣的海洋環境，最多只適于一百多米水深的作業。面對更深水處的油氣資源，就需要使用半潛式鉆井平臺，它可以改變自身的重心，同時配上四周安裝的錨鏈與大馬力推進器、衛星定位、氣象監測等技術手段，就可以基本保證水平和垂直方向的穩定性。“海洋石油981”半潛式鉆井平臺的作業水深已達到3000?米，鉆頭達0.5米，最大鉆探深度超過15000米[2]。
2.海洋油氣生產加工
鉆井平臺鉆取出的油氣還夾雜著大量的泥沙和雜質，因此還需要生產加工和運輸。平臺同樣有三種形式，第一種是近岸生產平臺，在陸地上的工廠里進行加工環節。隨著海水深度增大，與岸邊距離變遠，就要用到第二種加工模式：海上加工模式，把加工設備緊湊地布局在一艘大船上，再加上自動化?控制系統以及船艙的儲存功能，一座化工廠便被巧妙地塞進了一艘船里，這便是生產儲油船(英文簡稱FPSO) 。有了它，?海上油氣在生產、匯集之后能直接在海上完成加工，而后經由油輪送往陸地。隨著水深達到400米以上，就需要使用水下生產系統，減小受天氣影響，提高可靠性，并配合遠程控制系統降低成本。可即便如此，生產儲油船單純作為船只，船體的穩定性有限，并不能從容應對惡劣的深海環境。第三種加工方式是采用半潛式生產儲卸油平臺，如“深海一號”，這種平臺可以在更深的海域工作，提供更強大的穩定性，并可重復使用。深海一號是全球首座10萬噸級深水半潛式生產儲卸油平臺，總高度達120米，相當于40層樓高，若從空中俯瞰，其面積相當于兩個標準足球場，最大排水量達11萬噸， 相當于近2艘“山東艦”航母，而作業深度則達到1500米。其生產的天然氣，只需一天即可經過香港到達粵港澳大灣區，每年可向灣區供氣30億立方米，相當于大灣區1/4的民生用氣需求。
03
海上風電的開發
第二種海洋能源是海上風電。風能是重要的可再生能源之一，海上風能資源豐富，極具發展潛力。中國擁有超18000公里海岸線，較適宜大規模開發海上風電。近10年全球海上風電年均增長速度近30%，深遠海漂浮式風電技術快速發展，海上風能等海洋可再生能源在促進跨行業合作和能源低 碳轉型中發揮著越來越獨特的作用[3]。截止到2022年底，世界上最大的風機由中國成功制造。其直徑達到252米，單機容量為16兆瓦，葉輪掃風面積約5萬平方米，約等于七個標準足球場。目前我國的海上風電投運規模已達到全球的45%以上，預計到“十四五”末，中國海上風電投運規模將達60吉瓦。以1500千瓦的風機機組為例，機組葉片大約有35米長(?約12層樓高) 。風力發電機每轉動一周，大概需要4-5秒(但這時的葉尖速度可達280多公里每小時，堪比高鐵速度) ，可以產生約1.4度電。在正常滿功率的情況下，一天的發電量就可供15個家庭使用1年。這樣一臺風力發電機，每年可以減排 3000噸二氧化碳、15噸二氧化硫、9噸二氧化氮。海上風電發電利用小時數高、不占用陸地資源、不消耗水資源，適宜大規模開發，發電效率普遍比陸上風電高出20%-40%。
值得一提的是，由于海面上沒有任何遮擋物，因此光照強度高，因此海洋光伏發電也大有可為。雖然海上光伏產業在中國處于初級階段，需要進一步加強技術研發、政策支持和資金投入。政府已認識到其潛在價值并開始布局。沿海各省份也開始意識到推動海上光伏開發建設有利于沿海省份突破土地約 束，拓展新能源發展空間，對優化調整省內能源結構、推進海洋強省建設以及助力經濟社會綠色低碳高質量發展有重要意義。我國大陸海岸線長1.8萬公里。根據美國發布的《世界概況》(The World Factbook) 數據，中國海岸線世界排名第八。可以想象，可安裝海上光伏的海域將非常廣闊。
04
深海礦物的開發
深海礦物能源，如銅、鎳、鈷等，都比陸地上更為豐富。多金屬結核、多金屬硫化物與富鈷結殼相對于陸地儲量，僅東太平洋CC區的鈷儲量就為陸地儲量的3.4~6倍，鎳儲量為陸地儲量的1.8~3倍，銅儲量為0.2~0.3倍。開展深海礦產資源勘探與開發是應對礦物資源危機的有效途徑。
可燃冰具有巨大的開采潛力。可燃冰（也稱作甲烷水合物，天然氣水合物)?是一種由天然氣與水在高壓低溫條件下形成的類冰狀的結晶物質，分布于深海沉積物或陸域的永久凍土中。因其外觀像冰一樣而且遇火即可燃燒，所以被稱作“可燃冰”。它是一種燃燒值高、清潔無污染的新型能源，分布廣泛而且儲量巨大[4]。2017年南海北部神狐海域，“藍鯨一號”海上鉆井平臺成功進行了首次可燃冰試采，取得試開采的歷史性突破。開采區域位于南海神狐海域水深1266米海底以下203-277米的可燃冰礦藏。開采的甲烷含量最高達99.5%，圓滿完成預定目標，對促進我國能源安全保障、優化能源結構，甚至對改變世界能源供應格局，都具有里程碑意義。
根據《礦產資源法實施細則》有關規定， 國務院已正式批準將可燃冰列為中國第173個礦種。南海可燃冰礦產資源開發成為我們國家海洋戰略的核心之一。可燃冰蘊含的天然氣資源達到已知常規天然氣資源的數十倍[5]。根據勘測結果，按所提供的能量比例來換算，我國可燃冰總量相當于800億噸石油。在2022年，我國一年進口石油5.4億噸，如果將這些可燃冰投入使用，將會極大減緩我國對進口石油的依賴。從海底地層的縱斷面來看，可以發現海底地層是逐層分布的，而可燃冰的富集區域一般對溫度和壓力有一定要求，一般而言，它穩定存在的條件要求是低溫高壓的環境。目前清華大學的陳道毅教授團隊就在進行新一代南海可燃冰開采、固碳和地質修復三聯技術的研究，利用CO2水合物穩定性大于天然氣水合物的原理，進行CO2水合物的置換開采，不僅實現可燃冰的有效開采，同時也保證在開采結束后，把CO2以水合物的形式儲存在海底沉積物層。可燃冰的開采也存在地質風險。在開采過程中，隨著可燃冰的分解，海底邊坡的下滑滑力減小，進而安全系數會降低，這時就面臨較大風險，很容易就會發生海底滑坡甚至系列性的地質災害，這是目前很多科研工作者正在探索的問題。
總之，隨著全球能源需求的不斷增長和對環境保護的日益關注，海洋能源的開發顯得愈加重要[6]。我國作為擁有豐富長海岸線的國家，具備豐富的海洋能源潛力，包括海上風電、海上光伏和潮汐能等。然而，要實現海洋能源的廣泛應用，仍需克服許多挑戰，如技術研發、成本降低、政策支持和資金投入等。我們應該繼續加大在海洋能源領域的研究與開發力度，促進產業技術創新，培育相關人才，并與其他國家加強國際合作，共享技術和經驗。
在未來，隨著海洋能源技術的不斷成熟和產業規模的擴大，海洋能源有望成為中國新能源產業的重要支柱，為實現綠色低碳高質量發展、優化能源結構和保護生態環境做出貢獻[7]。讓我們共同期待中國海洋能源產業在新的歷史時期取得更加輝煌的成就。
參考文獻：
[1]楊木壯,金慶煥. 我國海洋能源礦產資源潛力與開發利用策略[C]//中國地質?學會海洋地質專業委員會,中國海洋學會海洋地質分會.海洋地質、礦產資源?與環境學術研討會論文摘要集.2006:1.
[2]馬延德,石強. 自升式鉆井平臺發展趨勢和關鍵技術研究[C]//中國造船工程?學會.2015年中國造船工程學會優秀學術論文集. 2016:10.
[3]吳兆娣.對海上風能利用的探討[C]//中國市政工程華北設計研究總院有限?公司,《煤氣與熱力》雜志社有限公司,中國建設科技集團股份有限公司.2022?供熱工程建設與高效運行研討會論文集.2022:5.DOI:10.26914/c.cnki-?hy.2022.057725.
[4]張輝,金偉晨,趙羿羽等. 天然氣水合物開發裝備技術體系研究與展望[C]//?北京造船工程學會.北京造船工程學會2018-2019年學術論文集.2020:7.?DOI:10.26914/c.cnkihy.2020.026567.
[5]何步新. 能源新貴一煤層氣及可燃冰[C]//《科技創輝煌》編輯委員會.科技創?輝煌——中國創新成果與學術精典.西苑出版社,2011:4.
[6]Das?Tapas?K. Passive?flow?control via tip grooving and stall fencing?mechanisms?of?a?marine?energy?harvesting?turbine.Journal[J]//Scien-?tific?reports.?Volume 13 , Issue 1 . 2023. PP 2677-2677.
[7]Dou?D.Energy?Structure?Optimization?and?Economic?Growth[C]//?Research?Institute?of?Management?Science?and?Industrial?En-?gineering.Proceedings?of?2017 5th?International?Conference?on Machinery,Materials?and?Computing?Technology(ICMMCT?2017).At-?lantis?Press,2017:6.