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可再生能源|前沿研究丨海洋可再生能源的前景


本文选自中国工程院院刊《Engineering》2016年第1期
作者：Alistair G. L. Borthwick
来源：Marine Renewable Energy Seascape[J].Engineering,2016,2(1):69-78.
一、引言
能源是19世纪工业革命的动力 ， 也是21世纪信息技术革命的动力 。 现今 ， 世界总人口超过70亿 。 经济合作与发展组织(OECD)指出发达国家的人均能源使用量很高 ， 每年人均使用的油当量为4.4t ， 发展中国家的人均能源使用量也逐年升高 。 现在最主要的能源是化石燃料 ， 如煤炭、石油和天然气 。 最近石油价格的波动对整个能源行业都产生了巨大的影响 。 从2014年中期到2015年初 ， 每桶石油的价格从100美元下降到低于50美元 ， 使天然气和煤炭的市场价格也被调低 。
世界的能源需求量将会不断上升 ， 但从长期来看化石燃料的存储确实是有限的 。 数据显示 ， 过去27年能源领域的全球碳排放量和此前多年的总量相当 ， 化石燃料使用量占一次能源结构的80%以上 。 过去30年的温室气体排放量增长了约50% ， 碳排放量占当今全球温室气体排放量的60% 。 2014年 ， 煤炭、天然气和石油燃烧产生的碳排放量分别占总排放量的44%、20%和35% ， 同时排放出大量其他温室气体如甲烷和二氧化氮 。 化石燃料燃烧产生的碳排放量正加速气候变化 。 根据美国国家海洋和大气管理局(NOAA)的报道 ， “2015年前7个月世界大陆和海洋的气温是有历史记录以来最高的 ， 比20世纪的平均气温高0.85℃ 。 ”这个数据说明危机正在来临 。
很多政府部门正制订使用可再生新能源的方案以缓解人为导致的气候变化 ， 解决未来可能面临的化石燃料枯竭问题 ， 保障国家能源安全 。 能源工程师是解决问题的关键 。 提高能源利用率对经济和环境来说都是有益的 。 例如 ， 改善发动机可以使发动机燃烧效率高达60% ， 比现在的40%的峰值还高 。 然而 ， 预测模型和发动机技术还必须加以改进 ， 以制造出燃烧效率更高、碳排放量更低的发动机 。 未来发动机还需具有使用可替代燃料的能力 。 碳捕获与封存(CCS)就是一种接近零排放的技术 ， 它能够分离出发电厂和化学工厂产生的二氧化碳 ， 然后把它封存起来 ， 从而避免了二氧化碳向大气中的排放 。 虽然CCS技术很昂贵 ， 但它能对燃气轮机发电站进行脱碳 ， 从而减少二氧化碳向大气中的排放量 。
其他限制碳排放并能同时缩小能源缺口的方式就是投资核能和可再生能源技术 。 虽然核能可以源源不断地供应电能 ， 但是使用核能还存在放射性废弃物处理、可能的事故(如2011年3月日本福岛核电站三个反应堆的核泄漏事故)或对环境的破坏 ， 以及核武器的扩张等问题 。 根据国际能源署的报道 ， “可再生能源来源于自然 ， 并具有持续不断的属性 ， 它有很多种形式 ， 比如直接来自太阳或地球内部产生的热能 。 根据刚才的定义 ， 可再生能源还包括来自太阳、风、海洋、水力资源、生物、地热产生的电力和热能 ， 还有来自可再生资源的生物燃料和氢气 。 ”
二、海洋可再生能源
海洋可再生能源(MRE)包括海上风电、潮流、洋流、潮差、波浪能、海洋热能、盐度梯度和生物能等 。 Krewitt等预计到2050年可开采的海上风电能源可达16000(TW?h)?a–1 。 最近 ， Capps和Zender计算得出全球海上风电能源约有340000(TW?h)?a–1 。 虽然全球海洋总能源(不包括风能)预计超过2×106(TW?h)?a–1 ， 但是可以被利用的能源仅为2000~92000(TW?h)?a–1 。 Charlier和Justus估计理论上的潮汐能(包括潮流和潮差)潜力大概是26000(TW?h)?a–1 ， 其中8800(TW?h)?a–1来自浅海盆地；不过 ， 预测的技术潜力更低 。 波浪能总量大概为32000(TW?h)?a–1 ， 其中可开采的能源大约为5600(TW?h)?a–1 。 海洋热能转换(OTEC)潜力巨大 ， 理论上存在的能源为44000(TW?h)?a–1 。 盐度梯度可用能源大约为1650(TW?h)?a–1 。


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