海水養(yǎng)殖可再生能源利用現(xiàn)狀及減排舉措

宋嫻麗 王君霞 王琦 吳瑩瑩 李友訓(xùn) 逄劭楠

（1 山東省海洋科學(xué)研究院 山東青島 266104 2 日照市海洋與漁業(yè)研究院 山東日照 276800）

中國(guó)是世界上最大的海水養(yǎng)殖國(guó)家，也是全球能源消耗大國(guó)，2019 年我國(guó)海水養(yǎng)殖產(chǎn)量達(dá)2.07×107t［1］。在能源危機(jī)和環(huán)保督察雙重壓力下，因高耗能導(dǎo)致的海水養(yǎng)殖成本增加、生態(tài)環(huán)境惡化同人民日益增長(zhǎng)的水產(chǎn)品需求之間的矛盾日漸突出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2019 年全國(guó)漁民家庭經(jīng)營(yíng)漁業(yè)人均支出中燃料及加冰費(fèi)用占19.73%［1］。世界上近30 個(gè)沿海國(guó)家開發(fā)利用海洋可再生能源，部分國(guó)家已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化運(yùn)行，中國(guó)還處在起步階段［2］。近年來(lái)，我國(guó)沿海陸續(xù)開發(fā)了太陽(yáng)能、地?zé)崮艿瓤稍偕茉囱a(bǔ)充替代煤電消耗，然而由于科技成果轉(zhuǎn)化率低、研發(fā)周期長(zhǎng)、投資風(fēng)險(xiǎn)和維護(hù)成本雙高等困境而發(fā)展緩慢。2020 年9 月22 日，國(guó)家主席習(xí)近平在第七十五屆聯(lián)合國(guó)大會(huì)一般性辯論上發(fā)表重要講話，提出“中國(guó)將提高國(guó)家自主貢獻(xiàn)力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030 年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)［3］。海水養(yǎng)殖作為實(shí)現(xiàn)“海洋負(fù)排放”的重要組成部分，對(duì)于發(fā)展藍(lán)碳經(jīng)濟(jì)作用巨大［4］。利用可再生能源可大幅降低海水養(yǎng)殖生產(chǎn)周期內(nèi)煤、電的消耗，據(jù)估算，每省1 t 煤可減少CO2排放2.5 t～2.7 t，而每省1 kWh 電，可減少CO2排放0.78 kg［5］。因此，持續(xù)推進(jìn)海水養(yǎng)殖業(yè)可再生能源及其他節(jié)能減排技術(shù)的研究與應(yīng)用是發(fā)展低碳漁業(yè)、轉(zhuǎn)變漁業(yè)經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式并實(shí)現(xiàn)漁業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇。

1 陸基海水養(yǎng)殖主要耗能途徑

我國(guó)北方地區(qū)工廠化養(yǎng)殖企業(yè)每年有4～6 個(gè)月的時(shí)間需要為水體升溫，升溫幅度可達(dá)到22 ℃［5］。通常利用工廠廢熱水、鍋爐升溫或電加溫，后2 種方式因能耗高、污染重及減排壓力大等問題成為近年來(lái)環(huán)保督察整治的重點(diǎn)。除保溫加熱外，生產(chǎn)期內(nèi)日常照明、充氧、提水、尾水處理、制冰冷凍等設(shè)備耗電量巨大。研究表明：煤、電等傳統(tǒng)能源成本占工廠化養(yǎng)殖企業(yè)總成本的比例為31.20%，育苗場(chǎng)能源成本占總成本的36.33%，鍋爐能耗占育苗場(chǎng)總能耗的92.78%，海水泵電耗最大，占總電耗的70.59%［6］。比較而言，海水池塘養(yǎng)殖以電耗能為主，通常用于日常充氧、泵提納水及冷凍冰鮮飼料等。據(jù)筆者調(diào)研資料顯示，每年養(yǎng)冬夏兩茬的工廠化養(yǎng)蝦車間每1 000 m2用電量大約4×105kWh，而一個(gè)生產(chǎn)季對(duì)蝦池塘養(yǎng)殖耗電量平均為5.25×103kWh/hm2。

2 海水養(yǎng)殖可再生能源利用種類

海洋可再生能源主要包括太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、水能、生物質(zhì)能、海洋能等非石化能源［7］。目前我國(guó)海水養(yǎng)殖可再生能源種類主要有太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、生物質(zhì)能和波浪能等，主要用途為調(diào)控溫度（冬季升溫和夏季降溫）及規(guī)模化漁業(yè)園區(qū)及偏遠(yuǎn)、離岸養(yǎng)殖作業(yè)區(qū)的能源補(bǔ)充和供應(yīng)等，而具體選擇哪一種能源方式則取決于當(dāng)?shù)氐牡乩項(xiàng)l件和空間、資源優(yōu)勢(shì)。

2.1 太陽(yáng)能

太陽(yáng)能（solar energy）也稱為光伏能，是一種利用太陽(yáng)的熱輻射能產(chǎn)熱或發(fā)電的清潔可再生能源。太陽(yáng)能發(fā)電一般可分為半導(dǎo)體發(fā)電和太陽(yáng)能熱發(fā)電2 種。充分利用太陽(yáng)能不僅可以減少煤、石油和天然氣等化石燃料的消耗，還可以減少溫室氣體的排放，已經(jīng)成為國(guó)家新能源產(chǎn)業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展戰(zhàn)略［8］。中國(guó)擁有豐富的太陽(yáng)能資源，將太陽(yáng)能應(yīng)用于水產(chǎn)增養(yǎng)殖業(yè)的研究也開展了近40 年。目前此類研究美國(guó)、日本、意大利、德國(guó)和法國(guó)等國(guó)家已經(jīng)實(shí)用化［9］。在設(shè)施養(yǎng)殖中，人們利用蓄熱設(shè)備提高太陽(yáng)能的利用率，將熱量?jī)?chǔ)存于水中與需要加熱的水體進(jìn)行熱交換［10］?！皾O光互補(bǔ)”是將分布式光伏電站科學(xué)配置于漁業(yè)養(yǎng)殖園區(qū)土地閑置區(qū)域，被認(rèn)為是東南沿海發(fā)達(dá)地區(qū)最優(yōu)的發(fā)展方式，近年來(lái)逐步向中西部地區(qū)拓展［11］。此外，間接換熱式太陽(yáng)能水體升溫和光伏發(fā)電集成系統(tǒng)可用于冬季養(yǎng)殖水體升溫和夏季光伏發(fā)電，太陽(yáng)能和淺層熱能相結(jié)合也可以作為替代鍋爐升溫的一種方式。太陽(yáng)能還可以作為聲納漁業(yè)資源分布智能探測(cè)系統(tǒng)、水產(chǎn)養(yǎng)殖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、太陽(yáng)能投餌機(jī)、水質(zhì)浮標(biāo)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及水質(zhì)調(diào)控機(jī)等設(shè)備的常用驅(qū)能方式［12-15］。

2.2 地?zé)崮?/h3>

地?zé)崮埽℅eothermal Energy）是由地殼抽取的天然熱能，作為一種零碳、清潔能源，其開發(fā)利用對(duì)于碳中和具有重要價(jià)值。據(jù)報(bào)道，全球每年地?zé)嶂苯永每煞乐? 810 t C 和2.526×108t CO2排放到大氣中［16］。近年來(lái)，地?zé)崮鼙粡V泛應(yīng)用于海水魚類、刺參育苗及對(duì)蝦循環(huán)水養(yǎng)殖中［6，17-19］。2020 年中國(guó)水產(chǎn)養(yǎng)殖開發(fā)利用地?zé)崮苎b機(jī)容量為482 MW，比2015 年增長(zhǎng)122%。中國(guó)地?zé)崮芩a(chǎn)養(yǎng)殖已遍布20 多個(gè)省的47 個(gè)地?zé)崽?，建有養(yǎng)殖場(chǎng)約300 處［20］。通常地源熱泵消耗1 kW 的能量用戶可以得到4 kW 以上的熱量或冷量，利用地源熱泵和地?zé)峋夹g(shù)，可使養(yǎng)殖能耗比傳統(tǒng)養(yǎng)殖模式降低34%。在過(guò)去的十幾年，工廠化流水養(yǎng)殖模式對(duì)地下水和地?zé)岬臒o(wú)序使用和開采，導(dǎo)致地下水資源逐漸枯竭及電力的更大消耗。相比之下，循環(huán)水養(yǎng)殖模式系統(tǒng)能值產(chǎn)出率與環(huán)境負(fù)載率之比（ESI）較高，其對(duì)地下水資源和地?zé)豳Y源的合理維護(hù)和有序開發(fā)表現(xiàn)出較好的可持續(xù)性［6］?！笆濉逼陂g，我國(guó)一批重大的地?zé)崮荛_發(fā)利用項(xiàng)目的順利實(shí)施，使得淺層地?zé)崮芗夹g(shù)更加成熟、可靠［21］。

2.3 風(fēng)能

風(fēng)能（Wind Energy）是空氣流動(dòng)所產(chǎn)生的動(dòng)能，亦是太陽(yáng)能的一種轉(zhuǎn)化形式。風(fēng)能在國(guó)外水產(chǎn)增養(yǎng)殖業(yè)的主要轉(zhuǎn)換形式為機(jī)械能、電能和熱能［22］。目前風(fēng)能利用的主要方式是風(fēng)力提水、風(fēng)力發(fā)電和風(fēng)力致熱［10］。其中，風(fēng)力提水分為傳統(tǒng)的風(fēng)力直接提水與風(fēng)力發(fā)電提水2 種方式。荷蘭、丹麥、英國(guó)、美國(guó)、俄國(guó)等國(guó)家風(fēng)力提水技術(shù)相對(duì)成熟，比較而言，我國(guó)的風(fēng)力提水技術(shù)的應(yīng)用并未形成規(guī)?；?。風(fēng)力發(fā)電主要應(yīng)用在供電不便地區(qū)的水產(chǎn)設(shè)施養(yǎng)殖中，通常小型風(fēng)電特別是1 000 W以下的機(jī)組可基本滿足設(shè)施生產(chǎn)所需電能。日本早在20 世紀(jì)80 年代就開始使用風(fēng)力致熱技術(shù)進(jìn)行溫室加熱和設(shè)施養(yǎng)殖。據(jù)報(bào)道，25 kW 的渦流式風(fēng)力熱能轉(zhuǎn)換裝置在風(fēng)速為8 m/s時(shí)，每小時(shí)可產(chǎn)生8.37×104kJ 熱量，即相當(dāng)于1 L 石油的發(fā)熱量［11］。而目前我國(guó)風(fēng)力致熱技術(shù)的研究起步較晚，基本處于空白狀態(tài)。此外，近年來(lái)開發(fā)的風(fēng)能海水淡化裝置的研發(fā)為滿足離岸網(wǎng)箱養(yǎng)殖、海洋牧場(chǎng)平臺(tái)的生活用水供應(yīng)提供了一種行之有效的方法和途徑［23］，而風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電系統(tǒng)可為海水養(yǎng)殖區(qū)提供電力補(bǔ)充［24］。

2.4 生物質(zhì)能

生物質(zhì)能（Biomass Energy）是太陽(yáng)能以化學(xué)能形式貯存在生物質(zhì)中的能量形式，被認(rèn)為是解決化石資源短缺和溫室氣體排放等全球性問題的有效途徑。海洋生物質(zhì)能是海洋植物利用光合作用將太陽(yáng)能以化學(xué)能的形式貯存的能量形式，其主要來(lái)源為海洋微藻和大型海藻等［25］。海洋微藻生物質(zhì)能開發(fā)主要圍繞制備生物質(zhì)燃油、商業(yè)化減排及微藻高值化綜合利用3 個(gè)方面。大型海藻含有豐富的碳水化合物和甘露醇，可以轉(zhuǎn)化為甲醇和燃料乙醇等。近年來(lái)，日本開發(fā)了利用馬尾藻大規(guī)模生產(chǎn)汽車用乙醇技術(shù)，預(yù)計(jì)到2020 年，10 000 km2海域1 a 可收獲6 500 t 的干藻，生產(chǎn)約2×106L 的燃料乙醇，可以替代現(xiàn)有日本汽車燃油消耗量的1/3。與國(guó)際上海洋生物質(zhì)能的研發(fā)相比，我國(guó)擁有國(guó)際上最大規(guī)模的海藻生產(chǎn)基地、海藻科技隊(duì)伍及先進(jìn)的海藻產(chǎn)能技術(shù)開發(fā)平臺(tái)，但在海藻能源開發(fā)方面明顯不足，海藻的乙醇、甲醇轉(zhuǎn)化技術(shù)研究相對(duì)滯后，微藻封閉式光生物反應(yīng)器的低成本規(guī)?；夹g(shù)尚未攻克，海藻的栽培局限于近海，且現(xiàn)有的海藻產(chǎn)能試驗(yàn)規(guī)模不大、海藻能源技術(shù)與產(chǎn)品的評(píng)估系統(tǒng)尚待完善［25］。

2.5 波浪能

波浪能（Wave Energy）是指海洋表面波浪所具有的動(dòng)能和勢(shì)能，屬于海洋能的一種。世界各國(guó)主要通過(guò)發(fā)電的形式開發(fā)和利用波浪能，其能量大小與傳播速率和風(fēng)速、風(fēng)與水相互作用的距離有關(guān)。按照能量一次轉(zhuǎn)換機(jī)械能的特征，波浪能裝置可分為振蕩水柱型、聚波越浪型和振蕩型。近年來(lái)，瑞典、比利時(shí)、愛爾蘭及芬蘭等國(guó)分別開發(fā)了不同形式的波浪能轉(zhuǎn)換器和波能發(fā)電裝置。我國(guó)的波浪能開發(fā)也取得了一系列進(jìn)展。由中國(guó)海洋大學(xué)主持研制了10 kW 級(jí)組合型振蕩子波能發(fā)電裝置于2014 年投入試運(yùn)行；由廣州能源所主持研制的10 kW 鷹式波能發(fā)電裝置于2016 年完成了第二階段海試工作。波浪能作為深海網(wǎng)箱養(yǎng)殖及海洋牧場(chǎng)平臺(tái)能源補(bǔ)給具有非常重要的應(yīng)用價(jià)值，然而，由于波浪能資源評(píng)估數(shù)據(jù)不足，裝置安全性與耐久性難以保證及裝置轉(zhuǎn)換效率偏低等問題，目前尚未有可商業(yè)化運(yùn)行的波浪能裝置。

3 海水養(yǎng)殖可再生能源利用面臨的問題及減排舉措

海水養(yǎng)殖可再生能源開發(fā)與利用作為碳匯漁業(yè)、節(jié)能減排、綠色可持續(xù)發(fā)展的重要舉措，對(duì)于實(shí)現(xiàn)海洋負(fù)排放、“碳中和”目標(biāo)具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。近年來(lái)，我國(guó)的可再生能源的推廣應(yīng)用均呈現(xiàn)出“政府熱、市場(chǎng)冷”的現(xiàn)象，具體表現(xiàn)在：技術(shù)創(chuàng)新尚不足以驅(qū)動(dòng)能源利用方式的轉(zhuǎn)變；單純財(cái)政補(bǔ)助尚不足以推動(dòng)可再生能源應(yīng)用示范項(xiàng)目的進(jìn)一步實(shí)施；初期投資成本較高，整體設(shè)計(jì)、科學(xué)規(guī)劃、產(chǎn)能評(píng)估技術(shù)滯后；技術(shù)規(guī)范及管理制度不規(guī)范等嚴(yán)重限制了可再生能源技術(shù)的規(guī)范化應(yīng)用等。針對(duì)以上共性問題，可從技術(shù)開發(fā)和政策管理兩方面尋找解決途徑。

技術(shù)上，開展海水養(yǎng)殖過(guò)程中碳指紋與碳足跡標(biāo)識(shí)體系構(gòu)建，量化不同養(yǎng)殖模式下的能耗需求，篩選潛在能源補(bǔ)給方式；加大多種可再生能源利用技術(shù)的創(chuàng)新力度，鼓勵(lì)開發(fā)多種能源形式耦合利用模式；利用海水養(yǎng)殖過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)剩營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)產(chǎn)生的生物絮團(tuán)培養(yǎng)海洋微藻，開發(fā)生物質(zhì)能；開展養(yǎng)殖有機(jī)固體廢棄物資源化利用研究，減輕外部能耗的輸入壓力。

政策上，明確海洋可再生能源的戰(zhàn)略定位，對(duì)不同資源類型的優(yōu)先發(fā)展進(jìn)行排序；針對(duì)可再生能源的綜合利用技術(shù)、能效評(píng)估技術(shù)，制定相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和操作規(guī)范；對(duì)供電部門實(shí)施清潔能源最低配額制，自上而下開拓發(fā)展空間；對(duì)海洋可再生能源技術(shù)研究與開發(fā)經(jīng)費(fèi)給予保障，對(duì)于可再生能源應(yīng)用單位給予生態(tài)補(bǔ)償或稅收優(yōu)惠。依照“生態(tài)優(yōu)先、減排增匯、無(wú)害化治理、高值化利用”的原則，通過(guò)源頭減排、過(guò)程控制、末端治理、資源化利用等途徑，逐步實(shí)現(xiàn)海水養(yǎng)殖生命周期內(nèi)的“碳中和”目標(biāo)。