一、前言
海洋溫差能是一種穩定且儲量巨大的可再生能源，經濟高效地進行開發是世界清潔能源發展的潛力方向之一。我國近岸海洋能資源潛在量約為 6.97×108 kW，60% 以上分佈在南海；其中溫差能技術可開發量佔比高達 34%，具有穩定、全時段、可再生等優點 [1,2]。然而，溫差能發電技術和裝置複雜程度高、建設及執行成本高、投資回報週期長、整體技術成熟度不及商業級利用規模，這些問題導致海洋溫差能電站發展受到嚴重製約 [3,4]。世界海洋強國多年來持續保持資源投入，以促進海洋能技術的研發與應用。
目前，我國在溫差能及低溫海水利用研究方面尚處於起步階段，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佔到整個溫差能發電裝置的 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電技術國產化水平不高，核心技術裝備水平落後於發達國家。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 1×107 t，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，還可能造成周邊環境冷汙染與生態破壞 [7~9]。
在溫差能開發技術及裝備的發展過程中，溫差能發電及綜合利用的複雜程度最高，涵蓋溫差能製冷、海水淡化、金屬提取、食品保健等細分方向；相關前沿技術多處於實驗階段，示範電站規模還停留在百千瓦級，技術及裝備的成熟度未能滿足商業化要求。因此，在當前溫差能發電理論研究、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電技術裝備水平提升，也能回收處於大量浪費狀態的 LNG 冷能；在降低 CO2 排放量的同時，為未來大型商業級溫差能發電技術與裝備的發展提供堅實支撐，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範。
二、海洋溫差能發電的研究進展
（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並使之氣化，或透過降壓使海水氣化，然後將高壓氣體輸送到透平機做功；透平機旋轉並帶動發電機轉動發電，高壓氣體轉變為低壓氣體；最後利用從海底提取的冷海水將做功後的乏汽冷凝，使之重新變為液體，從而形成系統迴圈 [10]（見圖 1）。
圖 1 海洋溫差能發電系統原理
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），完成了溫差能發電技術驗證，建立了千瓦級發電樣機，為大型化電站發展積累經驗，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、示範電站建設，如美國在夏威夷分別建造了 210 kW 岸基試驗電站、100 kW 示範電站，後者在 2015 年實現併網發電 [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），建立商業級大型電站，以溫差能發電為主，涵蓋海水淡化、海水製冷、食品開發、農業、養殖業、醫療保健等方面的產業開發，向著高技術含量、高附加值的綜合開發模式演進 [17]。目前，我國正處於第二階段，完成了功率為 15 kW 的 OTEC 系統研製，但尚未建立示範電站，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利用研究，建成了多座海洋溫差能示範電站並試執行。也要注意到，當前已建成的 OTEC 專案，裝機規模普遍較小（最大為 1 MW 透平發電機組），都處於示範執行階段，實現商業化開發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、建設執行成本高，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佔總成本的 40%~50%），溫差能電站的經濟性明顯低於同級別裝機容量的海上風力發電專案。
（二）海洋溫差能發電的關鍵技術
1. 迴圈技術
溫差能發電效率取決於系統的迴圈方式。按工質和流程的不同分為開式迴圈、閉式迴圈、混合式迴圈，其中閉式迴圈最為成熟，基本達到商業化水平 [19]；在閉式迴圈系統的基礎上，發展了朗肯迴圈、Kalina 迴圈、上原迴圈及相應的改進方案，迴圈熱效率提高到了 5% 左右。國內機構在 Kalina 迴圈的基礎上，發展了國海迴圈、中國海洋大學新迴圈，迴圈熱效率為 4.17%，但仍處於室內實驗階段 [10]。整體來看，國內迴圈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、製造、鋪設與管理，一直是 OTEC 系統的技術難點，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範電站的工程需求，開發了高密度聚乙烯大直徑管道以及相應的繫泊系統、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；後續聯合美國洛克希德 · 馬丁公司研發了強度更高、耐久性更好的連續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，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，既可解決資源閒置問題，還能產生經濟效益，產業發展空間廣闊 [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；發電之外的其他收益達到 25 億日元 / 年 [16]。國內的相關研究處於起步階段，鮮有公開報道。
4. 高效工質選用技術
海洋溫差發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迴圈的熱效率 [10]。國外已建成的溫差能示範電站，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型別 [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採用 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）海洋溫差能發電的關鍵裝備
1. 換熱器
換熱器（含冷凝器、蒸發器）是影響 OTEC 系統迴圈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值模擬，在 Xenesys 公司的協助下開發了鈦材料板式換熱器，迴圈效率提高約 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]；後續將進一步提高換熱器的效率指標。
2. 透平機
透平機作為 OTEC 系統的動力輸出環節，對發電系統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 小型海洋溫差發電透平機研究，但在大型商業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佈與研究情況
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 4.7×106 km2 ，除南海外的其他海域水深普遍只有數十米。海洋水溫具有明顯的地區差異和季節性變化：渤海、北黃海易受大陸氣候的影響，南黃海、東海處於近岸海流系統與外海海流系統的匯合區域，水溫情況主要受海流的影響；南海處於亞熱帶與熱帶，終年溫度較高，水溫分佈具有明顯的熱帶深海特徵。南海表層水溫冬夏一致，除北部沿岸外的大部分割槽域水溫為 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 深度以下的海盆區深層水溫最低為 2.36 ℃，無季節變化，開發利用條件良好。
我國海洋溫差能理論裝機容量為 3.67×108 kW，約佔我國海洋能總量的 50%；技術可開發裝機容量為 2.57×107 kW，按 2% 的利用率計算，年發電量超過 5.7×109 kW·h [28]。南海海域的溫差能資源佔我國蘊藏總量的 96%（根據估算可減排溫室氣體超過 5×109 t/a），蘊藏量的分佈特點是：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佔比較高；夏、秋兩季蘊藏豐富，集中在中部、東部水深較大的區域；冬季蘊藏量小，整體分佈較為均勻，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後于海洋強國。當前的工作集中在迴圈理論方面，海洋溫差能開發處於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 冷能發展溫差能實驗電站
LNG 在輸送給使用者使用前需提前氣化，通常以表層海水作為熱源；氣化後的海水相較於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電的冷水源。相較於深層冷海水， LNG 冷能具有更為穩定的全天候供應能力，易於控制調節；相比利用海水溫差，基於 LNG 冷能的海洋溫差能電站冷量調控更加靈活，發電穩定性更優。
LNG 冷能 – 海洋溫差能實驗電站，可作為溫差能發電技術的實驗平臺，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。依託該方案，可探索溫差能發電系統的高效迴圈方式，測試換熱器效能，論證發電系統經濟性，測試新技術新裝備效能，探索海水空調製冷、海水淡化等綜合開發利用模式。
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，用後廢棄（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（約佔總成本的 40%~50%），相應產業模式不具有成本優勢，發展規模受到制約。此外，單一利用方式可能會對環境造成影響，如未能利用的營養鹽類將不可避免引起海岸富營養化現象，排放的冷水乾擾海洋生態平衡。
解決深層海水利用中的資源閒置問題，就是要充分利用海水包含的各類資源，使其在綜合利用之後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；依託基地，建立兆瓦級海洋溫差能示範電站、海水空調示範專案、海水淡化示範專案；在水資源利用方面，探索綜合利用策略及路線，佈局深層海水冷能開發 – 水資源綜合利用產業鏈，為在中長期建成海洋能及深層海水開發實驗基地奠定基礎。
圖 3 深層海水綜合利用基地規劃示意圖
五、我國溫差能發展方向及低溫海水資源利用產業分析——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 6.926×1011 kW·h，居全國首位；省內機組發電量為 4.78×1011 kW·h，呈現明顯的供不應求態勢[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電模式。面向未來應用需求，應積極發展穩定可靠、成本低廉、清潔環保的電力供給。
在政策層面，《廣東省加快發展海洋六大產業行動方案（2019—2021 年）》提出，實施海洋電子資訊、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發展行動計劃方案，推動海洋經濟高質量發展，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 4.65×108 t [31]，間接體現了對新型電力供給需求的迫切性。在此背景下，溫差能發電作為海洋清潔可再生的能源型別，將有機會獲得能源行業和社會發展層面的高度關注。
（二）資源量及開發基礎
廣東省海洋能主要為波浪能、鹽差能、溫差能，其中溫差能佔比最大；特別在省內東南海域，年溫差能密度達 5×109 J/m³，可全年進行有效開發，裝機容量相當於 3 個“華龍一號”核電站，發展前景可觀 [32]。與此同時，廣東省 LNG 產業發達，氣化站數量位居全國第一，保守預計至 2022 年年末 LNG 氣化站合計年接收規模為 2.1×107 t。以珠海 LNG 氣化站為例，截至 2020 年 6 月，累計進口總量超過 1×107 t，總計產生冷能約 2.42×109 kW·h，若成功回收相當於節省用煤 9.68×105 t、減排 CO2 2.42×106 t [33,34]。
廣東省海洋生產總值連續多年位居全國首位，是我國海洋經濟發展的核心區域。根據 2020 年廣東海洋經濟發展報告，2019 年廣東省海洋生產總值為 21 059 億元，同比增長 9%，佔地區生產總值的 19.6%，佔全國海洋生產總值的 23.6%；在海洋工程技術、裝備製造研發、海洋新能源開發利用、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]。
因此，在廣東省開展 LNG 冷能回收 – 溫差能發電、深層海水資源綜合開發，具有良好的技術經濟合理性；透過率先建設試驗電站，解決溫差能發電關鍵技術和裝備短板，積累研發與應用經驗，推動我國中長期大規模商業化電站的發展。
（三）經濟可行性分析
1. 發電效益分析
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 / 熱水取水設施佔比約為 40%~50%，換熱器佔比約為 30%，發電及配套設施佔比約為 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），若依託其建設兆瓦級溫差能示範電站，可節省抽取深層海水相關設施投資約 5000 萬元，為商業級溫差能發電技術與裝備研發提供實驗平臺，兼作冷能回收利用示範。
表 1 珠海 LNG 氣化站基本引數 [34]
基於珠海 LNG– 溫差能電站無需新建低溫海水取水設施的前提，可以節省 50% 的建設成本；估測電站最大功率可達 1250 kW，考慮電站執行過程中各環節能量損耗，並假設最終可轉換電能的比例為 2%，則電站發電量為 1.7×107 kW·h/a；考慮電站自身運轉的能源消耗，假設電能淨輸出佔比為 50% （即發電淨輸出為 8.5×106 kW·h/a），以電價 0.5 元 / （kW·h）計算，該電站年收益為 425 萬元。溫差能電站發展初期建設成本高昂，由於過多專用裝置的設計生產，美國夏威夷百千瓦級岸基式示範電站的地面建設費用摺合 3200 萬元 [13]。在珠海現有氣化器基礎上進行溫差能電站建設，為了實現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，需對現有氣化器進水量進行調控，增添裝置成本約 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 技術發展，加快 OTEC 技術儲備。因此從平衡投資效益的角度出發，建議優先開展百千瓦級電站建設，在實現技術目標的同時顯著減少投資規模。
2. 綜合利用效益分析
透過回收 LNG 冷能，可低成本地開展海洋溫差能利用，探索示範基地發展新模式，直接減少碳排放；待溫差能利用技術成熟後，融入深層海水綜合利用的諸多環節，提高產業的綜合經濟效益。在 LNG 冷能回收 – 溫差能電實驗站的基礎上，增設深層冷海水的取水設施，抽取天然深層海水用於發電、製冷、水資源的多級利用，即可建立深層海水綜合利用示範基地。例如，日本久米深水綜合利用發展模式，建設費用預計為 5.3 億元，而年度總盈利可達 5 億元，設計收回成本僅需 2 年（見表 2）。
表 2 日本久米深水綜合利用模式效益 [15]
廣東省宜借鑑國際先進經驗，採取“三步走” 發展策略：①複製現有發展模式，如製冷、海水淡化等；②吸收技術並擴充套件業務，如金屬提取、高經濟價值漁業、海藻生產、食品、保健、美容等；③研究未來需求明確、附加值高的業務方向，儲備鹽差能、生物利用等技術。該綜合利用基地建成後，將進一步提升廣東省在我國海洋經濟發展領域的示範作用，推動廣東省海洋傳統產業結構調整。以廣東省綜合利用示範基地為依託，將深層海水冷能開發 – 水資源綜合利用模式輻射至南海，成為海洋能產業技術的輸出基地；推動我國掌握海洋能開發領域技術制高點，提升海洋能開發的國際影響力。
六、結語
本文總結了國內外 OTEC 及綜合利用的發展模式、技術裝備面臨的挑戰，針對南海溫差能資源分佈情況、廣東省 LNG 冷能資源浪費現狀，探討了以 LNG 冷能替代深層冷海水進行溫差能發電的新途徑。以珠海 LNG 氣化站為例，分析了 LNG 冷能回收 – 溫差能發電、低溫冷海水綜合利用示範基地發展模式，提出了開發新型技術裝備、探索低溫海水多級利用等未來重點發展方向建議。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，促進南海區域成為 21 世紀海上絲綢之路的重要區域和關鍵支點。
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併發揮示範作用，廣東省可在一過程中發揮積極作用。為此，建議依託現有產業基礎，整合優勢資源，重點開發海洋溫差能、深層海水資源，相關舉措如下。
一是合理提供財政稅收、專案審批、土地利用等方面的政策支援。鼓勵海洋溫差能、LNG 冷能開發，提升溫差能技術裝備水平，培育深層海水利用產業；統籌論證深層海水發電和中長期開發利用，納入沿海邊遠地區經濟振興支援範疇，促進我國新型綠色能源的規模化開發應用。
二是持續保持原始創新力度，加強重點和關鍵領域溫差能利用的技術研發，適時制定溫差能綜合利用產業叢集發展規劃。到 2025 年，完成規劃編制，實現技術裝置整體國產化，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鏈，實現溫差能的大規模商業開發。
三是發揮廣東省的產業基礎優勢，建立溫差能與低溫海水資源綜合利用示範基地。積極佈局深層海水冷能開發 – 水資源綜合利用產業鏈，面向全國發揮示範和輻射作用（尤其是南海及其他島礁），形成溫差能發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。
