溫差能與低溫海水資源綜合利用研究

付強，王國榮，周守為，鐘林，張理，余興勇 ，楊浦

（1. 中海油研究總院有限責任公司，北京 100028；2.西南石油大學機電工程學院，成都 610500；3. 南方海洋科學與工程廣東省實驗室（湛江），廣東湛江 524013）

一、前言

海洋溫差能是一種穩(wěn)定且儲量巨大的可再生能源，經濟高效地進行開發(fā)是世界清潔能源發(fā)展的潛力方向之一。我國近岸海洋能資源潛在量約為6.97×108kW，60%以上分布在南海；其中溫差能技術可開發(fā)量占比高達34%，具有穩(wěn)定、全時段、可再生等優(yōu)點 [1,2]。然而，溫差能發(fā)電技術和設備復雜程度高、建設及運行成本高、投資回報周期長、整體技術成熟度不及商業(yè)級利用規(guī)模，這些問題導致海洋溫差能電站發(fā)展受到嚴重制約 [3,4]。世界海洋強國多年來持續(xù)保持資源投入，以促進海洋能技術的研發(fā)與應用。

目前，我國在溫差能及低溫海水利用研究方面尚處于起步階段，技術與應用研究空間廣闊 [5]。一方面，海洋溫差能發(fā)電（OTEC）的技術裝備尚不成熟，深層低溫海水取水裝置及建設成本占到整個溫差能發(fā)電裝置的50%，投資回報率偏低；另一方面，我國液化天然氣（LNG）冷能資源浪費較為嚴重，利用率最高的冷能發(fā)電技術國產化水平不高，核心技術裝備水平落后于發(fā)達國家。例如，廣東省作為21世紀海上絲綢之路的重要支點，毗鄰南海具有地理優(yōu)勢，海洋能資源豐富 [6]；截至2020年年底，已有6座大型LNG氣化站投產運營，年接收LNG能力超過1×107t，每噸LNG在氣化成天然氣過程中可產生約240 kW·h的冷能，但大部分冷能以海水外排方式被直接浪費，還可能造成周邊環(huán)境冷污染與生態(tài)破壞 [7~9]。

在溫差能開發(fā)技術及裝備的發(fā)展過程中，溫差能發(fā)電及綜合利用的復雜程度最高，涵蓋溫差能制冷、海水淡化、金屬提取、食品保健等細分方向；相關前沿技術多處于實驗階段，示范電站規(guī)模還停留在百千瓦級，技術及裝備的成熟度未能滿足商業(yè)化要求。因此，在當前溫差能發(fā)電理論研究、室內實驗與小試原理樣機驗證可行的基礎上，適時開展溫差能發(fā)電、LNG冷能回收綜合利用中試基地建設，既可促進我國溫差能發(fā)電技術裝備水平提升，也能回收處于大量浪費狀態(tài)的LNG冷能；在降低CO2排放量的同時，為未來大型商業(yè)級溫差能發(fā)電技術與裝備的發(fā)展提供堅實支撐，為我國溫差能與低溫海水資源綜合利用提供技術與應用示范。

二、海洋溫差能發(fā)電的研究進展

（一）概念提出與應用探索

OTEC基本原理指，利用海洋表面的溫海水加熱低沸點液體工質并使之氣化，或通過降壓使海水氣化，然后將高壓氣體輸送到透平機做功；透平機旋轉并帶動發(fā)電機轉動發(fā)電，高壓氣體轉變?yōu)榈蛪簹怏w；最后利用從海底提取的冷海水將做功后的乏汽冷凝，使之重新變?yōu)橐后w，從而形成系統(tǒng)循環(huán) [10]（見圖 1）。

圖1 海洋溫差能發(fā)電系統(tǒng)原理

1881年，法國人Arsonval J D提出了OTEC概念。目前海洋溫差能開發(fā)利用技術取得了突破性、實質性進展 [10]。從世界各國尤其是美國、日本的發(fā)展歷程來看，階段劃分如下：第一階段（20世紀80年代開始），完成了溫差能發(fā)電技術驗證，建立了千瓦級發(fā)電樣機，為大型化電站發(fā)展積累經驗，以美國50 kW Mini-OTEC、日本鹿兒島50 kW試驗電站為代表 [11,12]；第二階段（20世紀90年代開始），完成了百千瓦級樣機制造、示范電站建設，如美國在夏威夷分別建造了210 kW岸基試驗電站、100 kW示范電站，后者在2015年實現(xiàn)并網發(fā)電 [13,14]；第三階段（當前），探索深層海水資源綜合多級利用以期降低發(fā)電成本，日本研究進展較快，建立了離島溫泉水-海洋深層水發(fā)電模型、久米島深層水多級利用模型 [15,16]；第四階段（未來），建立商業(yè)級大型電站，以溫差能發(fā)電為主，涵蓋海水淡化、海水制冷、食品開發(fā)、農業(yè)、養(yǎng)殖業(yè)、醫(yī)療保健等方面的產業(yè)開發(fā)，向著高技術含量、高附加值的綜合開發(fā)模式演進 [17]。目前，我國正處于第二階段，完成了功率為15 kW的OTEC系統(tǒng)研制，但尚未建立示范電站，相關技術及裝備相比世界先進水平差距明顯 [18]。

以美國、日本、法國為代表，眾多海洋強國積極開展海洋溫差能開發(fā)利用研究，建成了多座海洋溫差能示范電站并試運行。也要注意到，當前已建成的OTEC項目，裝機規(guī)模普遍較?。ㄗ畲鬄? MW透平發(fā)電機組），都處于示范運行階段，實現(xiàn)商業(yè)化開發(fā)仍需突破效率偏低的瓶頸問題。在當前技術水平條件下，溫差能電站單機功率低、建設運行成本高，特別是冷水源成本居高不下（深層海水取水設施相關費用約占總成本的40%~50%），溫差能電站的經濟性明顯低于同級別裝機容量的海上風力發(fā)電項目。

（二）海洋溫差能發(fā)電的關鍵技術

1. 循環(huán)技術

溫差能發(fā)電效率取決于系統(tǒng)的循環(huán)方式。按工質和流程的不同分為開式循環(huán)、閉式循環(huán)、混合式循環(huán)，其中閉式循環(huán)最為成熟，基本達到商業(yè)化水平 [19]；在閉式循環(huán)系統(tǒng)的基礎上，發(fā)展了朗肯循環(huán)、Kalina循環(huán)、上原循環(huán)及相應的改進方案，循環(huán)熱效率提高到了5%左右。國內機構在Kalina循環(huán)的基礎上，發(fā)展了國海循環(huán)、中國海洋大學新循環(huán)，循環(huán)熱效率為4.17%，但仍處于室內實驗階段 [10]。整體來看，國內循環(huán)方式研究與國際先進水平存在差距，尤其缺乏溫差能電站的實際應用經驗。

2. 大直徑冷水管制造、安裝及管理技術

長距離深海管道的設計、制造、鋪設與管理，一直是OTEC系統(tǒng)的技術難點，也是主要的成本來源 [4]。美國馬凱公司針對夏威夷海洋溫差能示范電站的工程需求，開發(fā)了高密度聚乙烯大直徑管道以及相應的系泊系統(tǒng)、鋪設方案；管道取水深度達1000 m，管徑達10 m，水中質量超過2300 t；后續(xù)聯(lián)合美國洛克希德·馬丁公司研發(fā)了強度更高、耐久性更好的連續(xù)增強型玻璃纖維取水管 [5,14]。我國尚未關注此方面的技術研發(fā)，導致技術積累匱乏，不足以支撐大型電站工程建設。

3. 多極綜合利用技術

溫差能發(fā)電抽取的低溫深層海水包含了溫差能、各類物質資源，多階段地開展資源利用，既可解決資源閑置問題，還能產生經濟效益，產業(yè)發(fā)展空間廣闊 [20]。日本對深層海水的利用最為成熟，提出了離島海洋深層水-溫泉水、久米島溫差能利用模型等；發(fā)電之外的其他收益達到25億日元/年 [16]。國內的相關研究處于起步階段，鮮有公開報道。

4. 高效工質選用技術

海洋溫差發(fā)電的溫差一般保持在20 ℃左右，應尋找適合這種小溫差工況的工質以有效提高循環(huán)的熱效率 [10]。國外已建成的溫差能示范電站，使用過的工質有R22（氟利昂）、R717（氨）、R32（二氟甲烷）等，其中R717被視為相對理想的工質類型 [21,22]。國內機構雖然提出R125/R600A（1：1）混合工質、液化石油氣（LNG）替代工質等方案，但已建成或設計中的溫差能樣機基本采用R717 [23]。新型高效工質研究難度較大，國內多為實驗研究，缺乏實際應用的平臺和經驗。

（三）海洋溫差能發(fā)電的關鍵裝備

1. 換熱器

換熱器（含冷凝器、蒸發(fā)器）是影響OTEC系統(tǒng)循環(huán)效率的關鍵因素之一。日本佐賀大學研究團隊針對板式換熱器進行了大量試驗和數(shù)值模擬，在Xenesys公司的協(xié)助下開發(fā)了鈦材料板式換熱器，循環(huán)效率提高約10%，冷、熱水流量均達到3300 m3/h的設計值 [24]。自然資源部第一海洋研究所完成了SOS316L材料板式換熱器設計，冷、熱水流量分別為129 m3/h、125.3 m3/h [25,26]；后續(xù)將進一步提高換熱器的效率指標。

2. 透平機

透平機作為OTEC系統(tǒng)的動力輸出環(huán)節(jié)，對發(fā)電系統(tǒng)性能起著決定性作用。自然資源部第一海洋研究所牽頭開展了10 kW小型海洋溫差發(fā)電透平機研究，但在大型商業(yè)化透平裝置方面與國際先進水平存在較大差距 [27]。

三、我國海洋溫差能資源分布與研究情況

我國大陸海岸線長度超過18 000 km，島嶼和半島眾多，包括渤海、黃海、東海、南海在內的海洋總面積約為4.7×106km2，除南海外的其他海域水深普遍只有數(shù)十米。海洋水溫具有明顯的地區(qū)差異和季節(jié)性變化：渤海、北黃海易受大陸氣候的影響，南黃海、東海處于近岸海流系統(tǒng)與外海海流系統(tǒng)的匯合區(qū)域，水溫情況主要受海流的影響；南海處于亞熱帶與熱帶，終年溫度較高，水溫分布具有明顯的熱帶深海特征。南海表層水溫冬夏一致，除北部沿岸外的大部分區(qū)域水溫為28.6 ℃；100~300 m深度的次表層水溫為12~20 ℃；500~800 m深度的深層水溫在5 ℃以下；1000 m深度以下的海盆區(qū)深層水溫最低為2.36 ℃，無季節(jié)變化，開發(fā)利用條件良好。

我國海洋溫差能理論裝機容量為3.67×108kW，約占我國海洋能總量的50%；技術可開發(fā)裝機容量為2.57×107kW，按2%的利用率計算，年發(fā)電量超過5.7×109kW·h [28]。南海海域的溫差能資源占我國蘊藏總量的96%（根據(jù)估算可減排溫室氣體超過5×109t/a），蘊藏量的分布特點是：春季溫差能蘊藏量較小，集中在中部，西沙群島附近海域蘊藏量占比較高；夏、秋兩季蘊藏豐富，集中在中部、東部水深較大的區(qū)域；冬季蘊藏量小，整體分布較為均勻，東沙群島附近海域因暖水層厚度增加而具有最高的溫差能蘊藏量。

我國海洋溫差能儲量比較豐富，但技術關注少、工作起步晚，相關基礎與應用研究明顯滯后于海洋強國。當前的工作集中在循環(huán)理論方面，海洋溫差能開發(fā)處于實驗室理論研究及試驗階段，主要研究機構有中國科學院、國家海洋局、中國海洋大學、中國海洋石油集團有限公司、天津大學等。

四、LNG冷能回收與低溫海水資源綜合利用基地方案構想

（一）回收LNG冷能發(fā)展溫差能實驗電站

LNG在輸送給用戶使用前需提前氣化，通常以表層海水作為熱源；氣化后的海水相較于海洋表層海水溫差較大，可利用氣化器排出的冷海水作為溫差能發(fā)電的冷水源。相較于深層冷海水，LNG冷能具有更為穩(wěn)定的全天候供應能力，易于控制調節(jié)；相比利用海水溫差，基于LNG冷能的海洋溫差能電站冷量調控更加靈活，發(fā)電穩(wěn)定性更優(yōu)。

LNG冷能-海洋溫差能實驗電站，可作為溫差能發(fā)電技術的實驗平臺，推動我國溫差能利用核心技術的突破和積累，穩(wěn)步縮小與國際先進水平的差距，相應基地方案構想如圖2所示。依托該方案，可探索溫差能發(fā)電系統(tǒng)的高效循環(huán)方式，測試換熱器性能，論證發(fā)電系統(tǒng)經濟性，測試新技術新裝備性能，探索海水空調制冷、海水淡化等綜合開發(fā)利用模式。

圖2 LNG冷能回收-溫差能電站實驗基地構想方案

（二）深層海水綜合利用基地方案的必要性

深層海水包含溫差能、各類物質資源，目前大部分深層海水利用都是單一目的，用后廢棄（僅一級利用）而造成巨大的資源浪費。單一利用方式面臨深層取水設施建造的高成本問題（約占總成本的40%~50%），相應產業(yè)模式不具有成本優(yōu)勢，發(fā)展規(guī)模受到制約。此外，單一利用方式可能會對環(huán)境造成影響，如未能利用的營養(yǎng)鹽類將不可避免引起海岸富營養(yǎng)化現(xiàn)象，排放的冷水干擾海洋生態(tài)平衡。

解決深層海水利用中的資源閑置問題，就是要充分利用海水包含的各類資源，使其在綜合利用之后具有與地表水相似的特性（再將其排回大海）。因此，深層海水的多級綜合利用是應有之義，宜在儲備海洋溫差能電站技術的基礎上，進一步建設綜合利用基地（見圖3），包括冷/熱海水取水設施、換熱實驗平臺；依托基地，建立兆瓦級海洋溫差能示范電站、海水空調示范項目、海水淡化示范項目；在水資源利用方面，探索綜合利用策略及路線，布局深層海水冷能開發(fā)-水資源綜合利用產業(yè)鏈，為在中長期建成海洋能及深層海水開發(fā)實驗基地奠定基礎。

圖3 深層海水綜合利用基地規(guī)劃示意圖

五、我國溫差能發(fā)展方向及低溫海水資源利用產業(yè)分析——以廣東省為例

（一）能源需求及政策情況

截至2020年年底，廣東省全社會用電量為6.926×1011kW·h，居全國首位；省內機組發(fā)電量為4.78×1011kW·h，呈現(xiàn)明顯的供不應求態(tài)勢 [29]。廣東省各類機組中，包括煤電、氣電等在內的火電仍是主要的發(fā)電模式。面向未來應用需求，應積極發(fā)展穩(wěn)定可靠、成本低廉、清潔環(huán)保的電力供給。

在政策層面，《廣東省加快發(fā)展海洋六大產業(yè)行動方案（2019—2021年）》提出，實施海洋電子信息、海上風電、海洋生物、海洋工程裝備、天然氣水合物、海洋公共服務等產業(yè)發(fā)展行動計劃方案，推動海洋經濟高質量發(fā)展，全面建設海洋強省 [30]；《廣東省2020年度碳排放配額分配實施方案》明確，年度配額總量為4.65×108t [31]，間接體現(xiàn)了對新型電力供給需求的迫切性。在此背景下，溫差能發(fā)電作為海洋清潔可再生的能源類型，將有機會獲得能源行業(yè)和社會發(fā)展層面的高度關注。

（二）資源量及開發(fā)基礎

廣東省海洋能主要為波浪能、鹽差能、溫差能，其中溫差能占比最大；特別在省內東南海域，年溫差能密度達5×109J/m3，可全年進行有效開發(fā)，裝機容量相當于3個“華龍一號”核電站，發(fā)展前景可觀 [32]。與此同時，廣東省LNG產業(yè)發(fā)達，氣化站數(shù)量位居全國第一，保守預計至2022年年末LNG氣化站合計年接收規(guī)模為2.1×107t。以珠海LNG氣化站為例，截至2020年6月，累計進口總量超過 1×107t，總計產生冷能約 2.42×109kW·h，若成功回收相當于節(jié)省用煤9.68×105t、減排CO22.42×106t [33,34]。

廣東省海洋生產總值連續(xù)多年位居全國首位，是我國海洋經濟發(fā)展的核心區(qū)域。根據(jù)2020年廣東海洋經濟發(fā)展報告，2019年廣東省海洋生產總值為21 059億元，同比增長9%，占地區(qū)生產總值的19.6%，占全國海洋生產總值的23.6%；在海洋工程技術、裝備制造研發(fā)、海洋新能源開發(fā)利用、科技服務資源共享平臺等方面具有良好的基礎，代表了國內先進水平 [35]。

上述問題是十分重要的，如果沒有認識到建筑是由構件組成的，就無法將信息（Information）輸入到正確位置并相應地提取相關信息。在真實環(huán)境中建造房屋的過程實際上是在工廠生產構件，然后經過轉運，最后在現(xiàn)場進行構件裝配的過程。而BIM所做的工作相應的是在虛擬環(huán)境中對構件的信息進行處理。該目標的達成，需要在方案設計階段就要有“構件”思想，并且將后者貫穿到設計、生產和建造的全過程。而當前的施工圖無法有效地指導施工，也是因為這個問題。

因此，在廣東省開展LNG冷能回收-溫差能發(fā)電、深層海水資源綜合開發(fā)，具有良好的技術經濟合理性；通過率先建設試驗電站，解決溫差能發(fā)電關鍵技術和裝備短板，積累研發(fā)與應用經驗，推動我國中長期大規(guī)模商業(yè)化電站的發(fā)展。

（三）經濟可行性分析

1. 發(fā)電效益分析

日本久米深水綜合利用計劃（2017年）建造的兆瓦級（1250 kW）溫差能電站 [16]，是開展相關經濟可行性分析的良好參照：在溫差能電站成本中，冷/熱水取水設施占比約為40%~50%，換熱器占比約為30%，發(fā)電及配套設施占比約為20%。

LNG接收站自建的泵站、水處理、高低溫海水管道等設施，可沿用到LNG氣化。以珠海LNG接收站為例（見表1），若依托其建設兆瓦級溫差能示范電站，可節(jié)省抽取深層海水相關設施投資約5000萬元，為商業(yè)級溫差能發(fā)電技術與裝備研發(fā)提供實驗平臺，兼作冷能回收利用示范。

表1 珠海LNG氣化站基本參數(shù) [34]

基于珠海LNG-溫差能電站無需新建低溫海水取水設施的前提，可以節(jié)省50%的建設成本；估測電站最大功率可達1250 kW，考慮電站運行過程中各環(huán)節(jié)能量損耗，并假設最終可轉換電能的比例為2%，則電站發(fā)電量為1.7×107kW·h/a；考慮電站自身運轉的能源消耗，假設電能凈輸出占比為50%（即發(fā)電凈輸出為8.5×106kW·h/a），以電價0.5元/（kW·h）計算，該電站年收益為425萬元。溫差能電站發(fā)展初期建設成本高昂，由于過多專用設備的設計生產，美國夏威夷百千瓦級岸基式示范電站的地面建設費用折合3200萬元[13]。在珠海現(xiàn)有氣化器基礎上進行溫差能電站建設，為了實現(xiàn)樣機實驗過程中表層海水溫度與氣化器排水溫度常年維持在20 ℃左右，需對現(xiàn)有氣化器進水量進行調控，增添設備成本約1000萬元，則電站總建設成本約2600萬元（3200萬元×50%+1000萬元），據(jù)此估算需6年收回成本。

建設試驗性電站的主要目標是促進OTEC技術發(fā)展，加快OTEC技術儲備。因此從平衡投資效益的角度出發(fā)，建議優(yōu)先開展百千瓦級電站建設，在實現(xiàn)技術目標的同時顯著減少投資規(guī)模。

2. 綜合利用效益分析

表2 日本久米深水綜合利用模式效益 [15]

廣東省宜借鑒國際先進經驗，采取“三步走”發(fā)展策略：①復制現(xiàn)有發(fā)展模式，如制冷、海水淡化等；②吸收技術并擴展業(yè)務，如金屬提取、高經濟價值漁業(yè)、海藻生產、食品、保健、美容等；③研究未來需求明確、附加值高的業(yè)務方向，儲備鹽差能、生物利用等技術。該綜合利用基地建成后，將進一步提升廣東省在我國海洋經濟發(fā)展領域的示范作用，推動廣東省海洋傳統(tǒng)產業(yè)結構調整。以廣東省綜合利用示范基地為依托，將深層海水冷能開發(fā)-水資源綜合利用模式輻射至南海，成為海洋能產業(yè)技術的輸出基地；推動我國掌握海洋能開發(fā)領域技術制高點，提升海洋能開發(fā)的國際影響力。

六、結語

本文總結了國內外OTEC及綜合利用的發(fā)展模式、技術裝備面臨的挑戰(zhàn)，針對南海溫差能資源分布情況、廣東省LNG冷能資源浪費現(xiàn)狀，探討了以LNG冷能替代深層冷海水進行溫差能發(fā)電的新途徑。以珠海LNG氣化站為例，分析了LNG冷能回收-溫差能發(fā)電、低溫冷海水綜合利用示范基地發(fā)展模式，提出了開發(fā)新型技術裝備、探索低溫海水多級利用等未來重點發(fā)展方向建議。相關內容在為OTEC及綜合利用技術與裝備研究提供參考的同時，也期望為我國南海邊遠海島的能源供給提供新思路，促進南海區(qū)域成為21世紀海上絲綢之路的重要區(qū)域和關鍵支點。

我國OTEC技術與裝備水平亟待快速提升，電站建設經驗需要逐步積累；應適時啟動試驗性電站建設并發(fā)揮示范作用，廣東省可在一過程中發(fā)揮積極作用。為此，建議依托現(xiàn)有產業(yè)基礎，整合優(yōu)勢資源，重點開發(fā)海洋溫差能、深層海水資源，相關舉措如下。

一是合理提供財政稅收、項目審批、土地利用等方面的政策支持。鼓勵海洋溫差能、LNG冷能開發(fā)，提升溫差能技術裝備水平，培育深層海水利用產業(yè)；統(tǒng)籌論證深層海水發(fā)電和中長期開發(fā)利用，納入沿海邊遠地區(qū)經濟振興支持范疇，促進我國新型綠色能源的規(guī)模化開發(fā)應用。

二是持續(xù)保持原始創(chuàng)新力度，加強重點和關鍵領域溫差能利用的技術研發(fā)，適時制定溫差能綜合利用產業(yè)集群發(fā)展規(guī)劃。到2025年，完成規(guī)劃編制，實現(xiàn)技術設備整體國產化，單機功率達到兆瓦級；到2035年，初步建成溫差能產業(yè)體系，單機功率達到10兆瓦級；到2050年，建立完善的溫差能利用產業(yè)鏈，實現(xiàn)溫差能的大規(guī)模商業(yè)開發(fā)。

三是發(fā)揮廣東省的產業(yè)基礎優(yōu)勢，建立溫差能與低溫海水資源綜合利用示范基地。積極布局深層海水冷能開發(fā)-水資源綜合利用產業(yè)鏈，面向全國發(fā)揮示范和輻射作用（尤其是南海及其他島礁），形成溫差能發(fā)電及深層海水綜合利用工程建設能力，服務21世紀海上絲綢之路倡議。