波浪能有望破解海上絲綢之路電力困境。

自然資源部日前公布的《2020年中國海洋經(jīng)濟統(tǒng)計公報》顯示，2020年，全國海洋生產(chǎn)總值80010億元，我國與“21世紀(jì)海上絲綢之路”沿線國家貨物進出口總額達到12624億美元。

然而，隨著海上絲綢之路的不斷延伸，電力瓶頸也日益凸顯。

海軍大連艦艇學(xué)院教員鄭崇偉在接受《中國科學(xué)報》采訪時坦言，“絲路沿線用電總量僅為世界水平的61%，部分國家農(nóng)村用電普及率甚至只有40%。生活用電尚且存在巨大缺口，工業(yè)用電更是難以保障。”

如何破局?用好波浪能這一海上絲綢之路無處不在的資源寶庫，成為一條出路。

打破電力困境

“由于邊遠(yuǎn)海島遠(yuǎn)離大陸，電力困境一直是世界性難題。”鄭崇偉告訴記者，邊遠(yuǎn)海島通常采用船舶補給的柴油發(fā)電，但這種方式存在傳統(tǒng)島礁柴油發(fā)電面臨的生態(tài)脆弱、補給線易被切斷、惡劣海況影響補給等難題。

一方面惡劣海況會影響船舶補給，當(dāng)海況大于5級時，船舶基本無法補給，受冷空氣、季風(fēng)潮、氣旋等惡劣天氣影響，邊遠(yuǎn)海島經(jīng)常面臨斷水?dāng)嚯姷娘L(fēng)險;另一方面距離及海盜等因素容易導(dǎo)致補給線斷裂，且防護難度較大。此外，柴油發(fā)電還會釋放有害氣體，破壞島礁生態(tài)，且一旦發(fā)生，很難修復(fù)。

不過，鄭崇偉同時指出，海況較差也意味著波浪能蘊藏豐富，可以因地制宜在島礁周邊實施海浪發(fā)電。“波浪能在海洋能中能量最高，無時不有、無處不在。此外，海浪發(fā)電裝置可懸浮于海表，不僅不占用海島土地資源，而且抗臺風(fēng)打擊、船舶撞擊能力強，能量供應(yīng)比太陽能穩(wěn)定。”

在他看來，隨著電力問題的解決，海水淡化也會迎刃而解，從而有助于島礁實現(xiàn)電力和淡水的自給自足。“這既是突破‘海上絲綢之路’能源困局的重要途徑之一，也是推動互聯(lián)互通、展開國際合作的良好契機”。

“雖然海洋可再生能源逐漸成為世界各國追逐的新焦點，尤其是波浪能和海上風(fēng)能，但總體而言，海洋可再生能源的開發(fā)和利用仍處于初級階段，還應(yīng)通過法律、減免稅收等措施加大支持力度。”鄭崇偉補充道。

突破選址瓶頸

實際上，波浪能也有不足之處。鄭崇偉指出，由于海水具有腐蝕性，進而要求波浪發(fā)電裝置材料具有抗腐蝕、廉價、耐久和可靠的特點，因此投資造價高昂。

此外，波浪能季節(jié)性、周期性變化顯著，增加了開發(fā)利用難度，需要充分掌握資源特征。“但與陸上資料相比，海洋資料稀缺，制約了波浪能評價，包括海浪發(fā)電精準(zhǔn)選址、業(yè)務(wù)運行、長期規(guī)劃等。”鄭崇偉說。

他表示，海洋可再生能源開發(fā)的主要難點在于提升采集和轉(zhuǎn)換效率，資源評估和裝備研發(fā)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。雖然各國在海洋能裝備研發(fā)方面已取得顯著成效，但資源評估仍面臨資源等級區(qū)劃、涌浪監(jiān)測預(yù)警、資源動態(tài)預(yù)報能力不足等瓶頸。

“合理的等級區(qū)劃是資源開發(fā)選址設(shè)計的關(guān)鍵依據(jù)，目前較通用的是美國能源部提供的風(fēng)能等級區(qū)劃方案，但該方案只考慮了資源特征，未考慮選址設(shè)計密切關(guān)注的環(huán)境風(fēng)險和成本效益。”鄭崇偉指出。

金風(fēng)科技總裁曹志剛在2020中國新能源高峰論壇上指出，成本問題仍是海上風(fēng)電行業(yè)發(fā)展的痛點，需要在技術(shù)、施工、運維、管理等方面進行大量技術(shù)創(chuàng)新，研發(fā)出真正適合中國海域的海上風(fēng)電技術(shù)。

鄭崇偉表示，現(xiàn)有資源等級區(qū)劃結(jié)果固定不變，不能滿足多樣化的資源開發(fā)選址需求。例如，邊遠(yuǎn)海島的海洋能開發(fā)通常最關(guān)注資源可利用率，近岸商業(yè)發(fā)電則更關(guān)注資源富集程度、并網(wǎng)難度等。此外，基于傳統(tǒng)方案資源區(qū)劃結(jié)果的區(qū)域性差異并不顯著。

“海洋可再生能源的開發(fā)利用亟須建立一套兼顧資源特征、環(huán)境風(fēng)險、成本效益，具備動態(tài)自適應(yīng)能力，滿足多樣化開發(fā)需求，并充分展現(xiàn)資源等級區(qū)域性差異的等級區(qū)劃方案。”鄭崇偉強調(diào)。

保障運行安全

涌浪具有巨大能量，一方面使海洋平臺和船舶面臨發(fā)生中垂中拱等嚴(yán)重威脅，另一方面有利于開展涌浪發(fā)電。“掌握涌浪傳播特征對防范其威脅和利用其發(fā)電有重要意義，目前研究可展現(xiàn)涌浪大致傳播方向，但不能準(zhǔn)確展現(xiàn)其傳播路徑、速度、衰減率。“鄭崇偉說。

他指出，雖然目前的氣象和海洋預(yù)報產(chǎn)品非常豐富，但關(guān)于海洋能的動態(tài)預(yù)報產(chǎn)品并不多見，嚴(yán)重影響海洋能資源采集效率。因此，亟須建立一套能夠展現(xiàn)涌浪傳播路徑、速度、源頭、衰減率的涌浪監(jiān)測預(yù)警模型。

“涌浪監(jiān)測預(yù)警模型可以告訴工程人員涌浪的來源、路徑，傳播至所關(guān)注的海域還需多少時間及剩余能量，從而防范涌浪造成的巨大威脅，為海洋能裝置、海洋平臺、遠(yuǎn)洋航海等提供安全保障。”鄭崇偉說。

他認(rèn)為還應(yīng)構(gòu)建一套精準(zhǔn)的海洋可再生能源預(yù)報模型。“人們通過天氣預(yù)報可以安排未來幾天的計劃，海洋可再生能源也應(yīng)該通過短期資源預(yù)報，提升資源的采集和轉(zhuǎn)換效率，保障未來的并網(wǎng)、電力調(diào)度等。”

建設(shè)海洋能源大數(shù)據(jù)

國際能源署海洋能源系統(tǒng)發(fā)布的《2020年科學(xué)狀況報告：世界海洋可再生能源發(fā)展的環(huán)境影響》稱，作為一個新興產(chǎn)業(yè)，海洋可再生能源還沒有全面的商業(yè)部署，缺乏基線數(shù)據(jù)和發(fā)電裝置安裝后的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)不足將持續(xù)擾亂人們對真實風(fēng)險和感知風(fēng)險的認(rèn)知能力。

在鄭崇偉看來，我國與部分國家在海洋數(shù)據(jù)方面仍存在一定差距，如何從體量大、信息密度低的原始數(shù)據(jù)中提取有用信息，并形成數(shù)據(jù)集，是高效開展海洋建設(shè)的關(guān)鍵。

為了突破這一瓶頸，他從讀博士期間就在中國科學(xué)院院士李崇銀的指導(dǎo)下開展相關(guān)研究，并以海洋新能源開發(fā)、遠(yuǎn)洋航海、防波堤設(shè)計等實際需求為牽引，對龐大的原始數(shù)據(jù)展開分析。

經(jīng)過十余年的攻關(guān)，鄭崇偉團隊終于創(chuàng)建出一套“海上絲綢之路”可再生能源評估和大數(shù)據(jù)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)體系。“其他國家提供的主要是體量大、信息密度低的原始數(shù)據(jù)，我們提供的是成品數(shù)據(jù)，能顯著縮短建設(shè)周期。”鄭崇偉表示，該體系突破了海洋能源開發(fā)面臨的智能選址、長期規(guī)劃、涌浪威脅防范等瓶頸，為“海上絲路”電力優(yōu)化布局、環(huán)境安全保障提供了科學(xué)依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

中國海洋大學(xué)教授王晶在引用相關(guān)成果時評價，鄭崇偉團隊采用數(shù)值模擬方法，利用高分辨率海浪數(shù)據(jù)，系統(tǒng)全面分析了中國海域波浪能資源特征，在中國海域波浪能開發(fā)中扮演著重要角色，填補了這一領(lǐng)域的認(rèn)知，為波浪能資源評估提供了重要參考。

鄭崇偉認(rèn)為，海洋能源的選址研究必須與具體工程建設(shè)、海洋能源大數(shù)據(jù)建設(shè)相結(jié)合，要將海洋能源選址方案應(yīng)用于海浪發(fā)電、海上風(fēng)電的示范工程建設(shè)，推動與“海上絲綢之路”沿線國家(地區(qū))的成果共享。

“海洋能源大數(shù)據(jù)建設(shè)是支撐海浪發(fā)電、海上風(fēng)電等高質(zhì)量建設(shè)的關(guān)鍵所在，但提及海洋大數(shù)據(jù)，科研人員的第一反應(yīng)往往是ECMWF等機構(gòu)，我國的海洋數(shù)據(jù)亟待完善并提高認(rèn)可度。” 在鄭崇偉看來，海上絲綢之路建設(shè)面臨的一系列瓶頸，歸根結(jié)底是學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)問題，應(yīng)與沿線國家(地區(qū))共建海洋可再生能源與環(huán)境前沿交叉學(xué)科，開設(shè)海上絲綢之路相關(guān)課程，拓寬相關(guān)領(lǐng)域?qū)W術(shù)交流研討，推動“海洋命運共同體”理念深入民心。