深遠(yuǎn)海島礁能源保障模式研究

敬佳佳 黃順瀟 鐘林

(西南石油大學(xué)能源裝備研究院，四川 成都 610500)

我國(guó)深遠(yuǎn)海島礁是海洋運(yùn)輸和海洋開(kāi)發(fā)的前哨，在維護(hù)祖國(guó)海洋權(quán)益上具有極其重要的戰(zhàn)略地位。深遠(yuǎn)海島礁建設(shè)對(duì)電力、淡水、冷能等資源的需求巨大，其能源保障特別是供電保障一直是制約深遠(yuǎn)海島礁發(fā)展亟待解決的瓶頸問(wèn)題[1]。目前深遠(yuǎn)海島礁的能源供給采用船舶補(bǔ)給模式，方式單一，且受惡劣海洋環(huán)境影響較大，補(bǔ)給安全無(wú)法保障；補(bǔ)給柴油發(fā)電釋放的有害氣體易破壞島礁脆弱的生態(tài)環(huán)境。

因此，亟待開(kāi)展深遠(yuǎn)海島礁能源保障模式及產(chǎn)業(yè)發(fā)展路線戰(zhàn)略研究，探索LNG、氫能、風(fēng)電、光電及海洋能等低碳、零碳能源多能源互補(bǔ)的新模式[2]，從而促進(jìn)深遠(yuǎn)海島礁海洋產(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展，維護(hù)和保障深遠(yuǎn)海的國(guó)防安全，結(jié)合我國(guó)深遠(yuǎn)海島礁分布區(qū)域、分布特點(diǎn)、能源需求、供給保障方式、產(chǎn)業(yè)裝備需求情況等，制定一條適合我國(guó)深遠(yuǎn)海島礁能源保障的有效模式。

1 國(guó)內(nèi)外島礁能源保障現(xiàn)狀及分析

國(guó)外成熟島礁面積大，人口多，能耗量大，主要以旅游、農(nóng)業(yè)為主，這些島礁未來(lái)大力發(fā)展旅游業(yè)，將降低傳統(tǒng)化石燃料發(fā)電，大力開(kāi)發(fā)可再生新能源[3]。馬爾代夫群島發(fā)展最成熟，其人口密度大，總能耗量大。法羅群島面積最大，由于其主要產(chǎn)業(yè)為農(nóng)業(yè)，其人口密度小，總能耗量大。

國(guó)內(nèi)成熟島礁主要以旅游為主，還有海洋學(xué)研究與工業(yè)，其成熟發(fā)展后，能耗量巨增，且對(duì)環(huán)境綠色環(huán)保要求較高，符合我國(guó)“雙碳”目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)成熟島礁能源消費(fèi)依賴原煤，環(huán)保壓力較大，且原煤運(yùn)輸不便，能源補(bǔ)給效率低[4]。國(guó)內(nèi)外島礁能供現(xiàn)狀見(jiàn)表1。

表1 國(guó)內(nèi)外島礁能供現(xiàn)狀調(diào)研總結(jié)表

深遠(yuǎn)海島礁數(shù)量眾多，遠(yuǎn)離大陸、生態(tài)環(huán)境脆弱、能源需求不均、島礁功能單一、能供模式不成熟。

深遠(yuǎn)海島礁要在未來(lái)發(fā)揮優(yōu)勢(shì)作用，實(shí)現(xiàn)能源保障安全，是建設(shè)遠(yuǎn)程基地、啟動(dòng)深遠(yuǎn)海開(kāi)發(fā)的先決條件，是經(jīng)濟(jì)建設(shè)和國(guó)防建設(shè)的根本保證，需要更加完善的能供模式和產(chǎn)業(yè)鏈支撐。我國(guó)深遠(yuǎn)海島礁未來(lái)將具備旅游、康養(yǎng)、漁業(yè)、科考、航線管理與綜合補(bǔ)給等多種功能，能源需求量將劇增，抗風(fēng)險(xiǎn)保障能力也將提高。目前能供模式供給量擴(kuò)容難度大，供應(yīng)鏈抗風(fēng)險(xiǎn)能力不足，排放不符合“雙碳”目標(biāo)，難以適應(yīng)島礁未來(lái)的發(fā)展需求，需要更加完善的能供模式和產(chǎn)業(yè)鏈支撐。

通過(guò)以上調(diào)研得出，柴油發(fā)電穩(wěn)定，發(fā)電量大，目前所有島礁以柴油發(fā)電為主，但是需要考慮供應(yīng)鏈成本和碳排放等因素。風(fēng)光等新能源儲(chǔ)量豐富，綠色清潔，符合未來(lái)環(huán)保要求，可以逐步擴(kuò)大其發(fā)電占比，但是需要配套相應(yīng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)。

目前各島礁已經(jīng)建成新能源發(fā)電裝置運(yùn)行狀況不理想，仍有一些重點(diǎn)問(wèn)題需要解決。例如風(fēng)光能發(fā)電不穩(wěn)定，需要規(guī)劃部署電池儲(chǔ)能系統(tǒng)，組成微電網(wǎng)，島礁電網(wǎng)建設(shè)成本高，供電系統(tǒng)不成熟，風(fēng)機(jī)、光伏設(shè)備選型對(duì)海島環(huán)境適應(yīng)性較差，加之維護(hù)困難，部分設(shè)備出現(xiàn)問(wèn)題后處于閑置狀態(tài)造成資源浪費(fèi)，儲(chǔ)能系統(tǒng)設(shè)備選型對(duì)海島環(huán)境適應(yīng)性較差，性能衰減較快，使用壽命短，風(fēng)機(jī)運(yùn)行會(huì)產(chǎn)生噪音對(duì)島礁居民生活和生態(tài)環(huán)境存在一定影響，甚至影響到島礁機(jī)場(chǎng)的建設(shè)[5]。

作為島礁主要且穩(wěn)定的能源供給，LNG比柴油更適合作為深遠(yuǎn)海島礁主要能源，其發(fā)電低碳高效，沿海資源豐富，運(yùn)輸靈活，并且深遠(yuǎn)海是LNG進(jìn)口主要運(yùn)輸通道，可以就近利用航線運(yùn)輸資源，以此將LNG輻射至整個(gè)深遠(yuǎn)海。

2 深遠(yuǎn)海島礁能源供給模式分析

深遠(yuǎn)海島礁目前主要依靠柴油供能，光伏和風(fēng)電作為補(bǔ)充，其中柴油發(fā)電占比最大，為90%，如圖1所示。在未來(lái)發(fā)展中，能源需求量將迅速增加，且要求環(huán)境綠色環(huán)保，旅游業(yè)占比會(huì)進(jìn)一步擴(kuò)增，需要制定一條適用于深遠(yuǎn)海島礁的能源供給保障新模式。

圖1 深遠(yuǎn)海島礁能源供給占比

2.1 光伏在深遠(yuǎn)海島礁供能的特點(diǎn)

深遠(yuǎn)海光伏儲(chǔ)量豐富，深遠(yuǎn)海日照強(qiáng)度高，太陽(yáng)總輻射量大，潛在年光伏能源量達(dá)40 000億kW級(jí)別。2020年，海南光伏總發(fā)電量為14.29億kWh，同比增加3.43%。根據(jù)國(guó)家發(fā)展改革委、國(guó)家能源局和省委省政府的工作部署，“十四五”期間大力推進(jìn)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)，海南省本著“統(tǒng)籌規(guī)劃、依法合規(guī)，因地制宜、業(yè)主自愿，政府引導(dǎo)、企業(yè)參與”的原則，大力推進(jìn)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目建設(shè)，力爭(zhēng)“十四五”期間投產(chǎn)300萬(wàn)kW。光伏建筑可以一體化發(fā)展，鼓勵(lì)在公共設(shè)施廣泛開(kāi)發(fā)建設(shè)屋頂分布式光伏電站。光伏發(fā)電設(shè)備可以安裝在島礁近海，節(jié)約島礁陸地面積。

面對(duì)島礁高鹽高溫高濕度的嚴(yán)峻工況，光伏元器件的防腐蝕能力弱，供應(yīng)商設(shè)備故障率高，深遠(yuǎn)海發(fā)電技術(shù)匱乏。海上設(shè)備安裝困難，設(shè)備吊裝與項(xiàng)目建設(shè)實(shí)施困難大。且光伏發(fā)電設(shè)備相對(duì)昂貴，相比風(fēng)電發(fā)電量少，占比面積大，發(fā)電不穩(wěn)定，目前深遠(yuǎn)海島礁缺乏微電網(wǎng)蓄能整流設(shè)施。

2.2 風(fēng)電在深遠(yuǎn)海島礁供能的特點(diǎn)

深遠(yuǎn)海風(fēng)能儲(chǔ)量豐富，風(fēng)速常年可達(dá)6.5 m/s。年風(fēng)能資源總儲(chǔ)量約為828萬(wàn)kW，風(fēng)能資源技術(shù)可開(kāi)發(fā)量約為128萬(wàn)kW。風(fēng)電相對(duì)光伏發(fā)電占比面積小，發(fā)電成本低。同樣發(fā)電量下，風(fēng)電場(chǎng)面積僅有光伏場(chǎng)的7.5%，發(fā)電成本為30%。海南省明確將于“十四五”期間加大海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)力度，根據(jù)規(guī)劃，臨高西北部、儋州西北部、東方西部、樂(lè)東西部和萬(wàn)寧東南部海域共計(jì)11個(gè)場(chǎng)址將作為開(kāi)發(fā)重點(diǎn)，總開(kāi)發(fā)容量約為1230萬(wàn)kW，總場(chǎng)址面積約1902平方公里。海上風(fēng)機(jī)利用率高、能量利用效率高、相較光伏抗深遠(yuǎn)海惡劣環(huán)境能力強(qiáng)，是目前海上新能源首選。

同樣面對(duì)島礁高鹽高溫高濕度的嚴(yán)峻工況，風(fēng)電元器件的防腐蝕能力和海上安裝技術(shù)還需進(jìn)一步加強(qiáng)。特別是風(fēng)電在發(fā)電時(shí)會(huì)產(chǎn)生噪音，影響島礁生態(tài)環(huán)境，甚至機(jī)場(chǎng)的建設(shè)，一般會(huì)將風(fēng)電場(chǎng)設(shè)置在深遠(yuǎn)海，相關(guān)設(shè)備的安裝與維護(hù)將會(huì)面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2.3 溫差能在深遠(yuǎn)海島礁供能的特點(diǎn)

由于溫差能具有可再生、清潔、能量輸出波動(dòng)小等優(yōu)點(diǎn)，因此被視為極具開(kāi)發(fā)利用價(jià)值與潛力的海洋能資源。海南省集中了全國(guó)約96%的溫差能能源，理論年發(fā)電量達(dá)2251億kW。溫差能發(fā)電適合與海洋資源綜合利用產(chǎn)業(yè)相結(jié)合，溫差能發(fā)電產(chǎn)生淡水和冷水，其中淡水可以緩解島礁淡水需求，冷水可以為島礁制冷，節(jié)約能源[6]。

我國(guó)在溫差能設(shè)備制造方面與國(guó)外先進(jìn)水平相比差距仍較大，且島礁也缺乏相應(yīng)的基礎(chǔ)條件與設(shè)施來(lái)支持溫差能發(fā)電。但溫差能發(fā)電前景光明，應(yīng)深入研發(fā)相關(guān)技術(shù)，解決溫差能在深遠(yuǎn)海島礁發(fā)電的難題，最終實(shí)現(xiàn)綠色崛起和科學(xué)發(fā)展的戰(zhàn)略。

2.4 LNG在深遠(yuǎn)海島礁供能的特點(diǎn)

海南省天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量超10萬(wàn)億m3，同時(shí)深遠(yuǎn)海占據(jù)海運(yùn)地利，獲取LNG資源便利。2021年海南天然氣公司累計(jì)為各地持續(xù)輸送液化天然氣109.47萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)3.67%，保障了深遠(yuǎn)海及內(nèi)地沿海地區(qū)液化天然氣的穩(wěn)定供應(yīng)?！笆奈濉逼陂g，海南省將全面推進(jìn)“氣化海南”建設(shè)，努力提升油氣勘探開(kāi)發(fā)力度，LNG已被海南重視并使用，海南省使用海氣和LNG的混合氣發(fā)電，對(duì)海南電網(wǎng)供電穩(wěn)定起著重要作用，同時(shí)為海南自貿(mào)港建設(shè)不斷輸送綠色能源。

LNG在深遠(yuǎn)海有著利用航線便利的優(yōu)勢(shì)，而中國(guó)是LNG第二進(jìn)口國(guó)，占全球總量的17.5%，截至2020年底，中國(guó)LNG終端總接收能力達(dá)到8700萬(wàn)t/年，同比增長(zhǎng)14.2%。海南省中海油公司正在發(fā)展浮式LNG船技術(shù)，深遠(yuǎn)海氣田的產(chǎn)出氣可以在船上加注、接收、液化、氣化并運(yùn)輸，節(jié)約管道鋪設(shè)費(fèi)用和陸地LNG站面積，能靈活滿足島礁不同量級(jí)能源需求，適合深遠(yuǎn)海能源供給。

LNG用途廣泛，除了直接用于發(fā)電廠發(fā)電以外，還可以作為化工原料、工業(yè)燃料、居民消費(fèi)，大大提高了能源利用效率。LNG還可在主要島嶼建設(shè)能源加注站，可以直接從周圍海上氣田運(yùn)輸過(guò)來(lái)，覆蓋周圍海域和島礁的交通、運(yùn)輸、民生等能源需求。

LNG發(fā)電綠色高效，綜合利用率>80%，每MW/年相比柴油減排CO2達(dá)770 t，發(fā)電成本為柴油的75%，對(duì)比LNG、柴油、煤炭三種能源，在相同的發(fā)電功率下，LNG的污染氣體最少，原材料消耗成本最低，運(yùn)費(fèi)最低，如圖2所示。

(a)

3 深遠(yuǎn)海島礁能源供給保障新模式

深遠(yuǎn)海各島礁在不同發(fā)展階段應(yīng)有對(duì)應(yīng)的能供模式和比例，就總體而言，深遠(yuǎn)海島礁的主要能源供給應(yīng)采用LNG，其特點(diǎn)能供靈活、發(fā)電高效、綠色清潔環(huán)保，輔助能源供給應(yīng)采用光伏、風(fēng)電、溫差能等新能源，其特點(diǎn)儲(chǔ)量豐富、綠色減排、符合我國(guó)“雙碳”目標(biāo)，應(yīng)急能源供給采用柴油，其特點(diǎn)發(fā)電技術(shù)成熟，供能穩(wěn)定，對(duì)島礁供電起安全保障作用，如圖3所示。

圖3 深遠(yuǎn)海島礁各能源占比

其中LNG主要用于旅游業(yè)，為島礁基礎(chǔ)設(shè)施和交通工具發(fā)電，光伏和風(fēng)電主要用于居民日常生活，在深遠(yuǎn)海和附近遠(yuǎn)離主要島礁的礁盤設(shè)置風(fēng)電場(chǎng)，在房屋屋頂和礁盤設(shè)置光伏板發(fā)電，柴油除了日常使用未能完全轉(zhuǎn)型的部分，其余用于保障政府與軍事部門的供電安全。

為保障上述能源供給模式順利進(jìn)行，需要對(duì)深遠(yuǎn)海島礁建設(shè)與發(fā)展提出一些新的要求。

為保障LNG能供：建設(shè)對(duì)應(yīng)的發(fā)電站和碼頭，匹配航線，優(yōu)化并建造浮式LNG船，增加運(yùn)輸體量，從深遠(yuǎn)海氣田運(yùn)輸LNG，建立LNG能源加注站，為附近島礁供能。

為保障新能源能供：海南省應(yīng)發(fā)展光伏和風(fēng)電相關(guān)防腐蝕技術(shù)與供應(yīng)商合作生產(chǎn)，建立微電網(wǎng)蓄能整流，研究深遠(yuǎn)海風(fēng)電技術(shù)，發(fā)展溫差能發(fā)電技術(shù)，建造島礁冷水降溫設(shè)施與淡水儲(chǔ)罐。

為保障柴油能供：設(shè)置備用柴油發(fā)電機(jī)組，建立柴油儲(chǔ)庫(kù)。

4 深遠(yuǎn)海LNG設(shè)備

深遠(yuǎn)海島礁數(shù)量眾多，能源需求不均，需要對(duì)應(yīng)的設(shè)備來(lái)滿足各個(gè)島礁不同的能源需求，以保障LNG在深遠(yuǎn)海島礁正常的運(yùn)輸供應(yīng)。

FSRU浮式液化存儲(chǔ)及再氣化裝置能夠滿足深遠(yuǎn)海島礁靈活的能供需求，F(xiàn)SRU是近年提出來(lái)的一種新型海上LNG裝備，它將LNG運(yùn)輸船和LNG接收站結(jié)合，集LNG接收、再氣化、存儲(chǔ)、外輸、轉(zhuǎn)移運(yùn)輸?shù)榷喾N功能于一體，是一種名副其實(shí)的海上大型移動(dòng)LNG站，其可以將LNG運(yùn)送至各深遠(yuǎn)海島礁后直接將LNG氣化對(duì)接天然氣管線對(duì)外進(jìn)行供氣，節(jié)約島礁建設(shè)成本，簡(jiǎn)化能源供應(yīng)產(chǎn)業(yè)鏈，能源供應(yīng)輻射海域面積大，能靈活地為各深遠(yuǎn)海島礁供能。

5 建設(shè)綜合能源示范小島的可行性

為推動(dòng)島礁能供模式發(fā)展，應(yīng)建立可參考可擴(kuò)展的綜合能源發(fā)展示范小島，以此為研究試驗(yàn)平臺(tái)，探索深遠(yuǎn)海島礁能源供給保障模式。

示范小島未來(lái)的規(guī)劃建設(shè)應(yīng)該是高度符合深遠(yuǎn)海發(fā)展的總體規(guī)劃，應(yīng)選擇深遠(yuǎn)海諸島中面積較大、人口集中、開(kāi)發(fā)利用強(qiáng)度較高的海島，隨著示范小島未來(lái)規(guī)劃發(fā)展(漁業(yè)、旅游業(yè))對(duì)新能源(LNG)的需求急劇上升，有著非常大的潛在市場(chǎng)。

目前大部分島礁供電主要依靠柴油機(jī)和光伏發(fā)電，根據(jù)未來(lái)發(fā)展規(guī)劃，漁業(yè)以及未來(lái)的旅游業(yè)將是示范小島的支柱產(chǎn)業(yè)，隨著漁業(yè)不斷發(fā)展，必將對(duì)冷庫(kù)容量、制冰能力等提出更高的要求，對(duì)電能供應(yīng)能力也將是巨大的考驗(yàn)。根據(jù)有關(guān)資料調(diào)研，開(kāi)發(fā)開(kāi)放后示范小島對(duì)電力的總體需求預(yù)計(jì)至少應(yīng)在5000 kW以上。示范小島應(yīng)建設(shè)有碼頭，或者具備建設(shè)大規(guī)模碼頭的條件，同時(shí)應(yīng)該具備合適的地理位置以及技術(shù)條件，用來(lái)實(shí)現(xiàn)罐區(qū)與管道建設(shè)，如圖4所示。

圖4 綜合能源示范小島

巨量的能源需求供應(yīng)仍將是未來(lái)的一個(gè)巨大考驗(yàn)，深遠(yuǎn)海周圍有著極其豐富的油氣資源，LNG清潔能源終將成為未來(lái)能源供給的主力軍。未來(lái)需采取以LNG為主，新能源為輔，柴油為應(yīng)急的新型能供模式來(lái)進(jìn)一步推動(dòng)綜合能源示范小島的發(fā)展。

6 結(jié)束語(yǔ)

結(jié)合我國(guó)深遠(yuǎn)海島礁分布區(qū)域、分布特點(diǎn)、能源需求、供給保障方式、產(chǎn)業(yè)裝備需求情況等，制定一條適合我國(guó)深遠(yuǎn)海島礁能源保障的有效模式，并談?wù)摿私ㄔO(shè)綜合能源示范小島的可行性。深遠(yuǎn)海島礁新的能供模式主要采用LNG為主要能供，發(fā)電高效，低碳低成本，且深遠(yuǎn)海有著良好的LNG發(fā)電基礎(chǔ)和資源。新能源為輔助能供，儲(chǔ)量豐富，綠色環(huán)保，符合我國(guó)“雙碳”目標(biāo)。柴油為應(yīng)急能供，發(fā)電穩(wěn)定成熟，保障島礁能供安全。