专题 日本能源政策面临的选择
海洋能源的前景

木下健 [作者简介]

[2012.11.26] 其它語言 : ENGLISH | 日本語 | 繁體字 |

在力图实现能源多样化的趋势日益加强的今天,蕴藏着巨大潜能的海洋能源正受到人们越来越多的关注。本文探讨了日本海洋能源的利用潜力、研究开发的现状和课题。

落后于欧洲的日本海洋能源研究开发

以1973年第一次石油危机为契机掀起了海洋能源利用研究热潮之后,直至1998年,日本一直在海洋能源利用研究开发领域保持了领军者的地位。然而,两次石油危机过去后,在实际海域开展海洋能源利用实验活动的国家不知不觉中悄然减少,由于始终无法将发电成本降至140日元/kWh以下,日本独立行政法人海洋研究开发机构(JAMSTEC)在三重县五所湾完成了Mighty Whale(※1)实验之后,实际海域研究项目就此宣告终结。

然而,在英国、葡萄牙和挪威等国,研究开发仍在继续。如图1所示,包括浮体式海上风力发电在内的海洋能源实验设备,在实际海域的试验装机容量,10年间稳步增长了10倍。在日本停止研究期间,国外分别针对潮汐能发电实验机SeaGen、海浪能发电装置Pelamis以及今后将成为可再生能源主力军的浮体式海上风力发电设备Hywind切实开展了实证试验。遗憾的是,日本落后了不止一轮,简直是两轮、三轮。我们可以举出许多原因。首先,全球变暖问题的得到广泛宣传,人们开始限制化石燃料的使用,这是一个很大的因素;其次,欧洲家门口的北海油田迫近枯竭,出于能源安全和创造就业的考虑,海洋能源在欧州受到青睐;第三个理由与第二个多少有些重叠,就是人们有效应用了以往在波涛汹涌的大海上开发深海石油过程中积累起来的海洋技术。

2050年能源状况预测 

在众说纷纭之中,多伦多大学的达尼・哈贝教授(※2)根据各种假设,就2050年全球能源状况平均值做了以下预测。

  • 风力发电量达到6000-12000GW
  • CSTP(太阳热)发电量达到6000-12000GW
  • BiPV(建材一体型太阳光发电)或PV(太阳光发电)发电量达到3000-4000GW
  • 地热、生物质能发电及水力发电量有所增加
  • 高压直流输电设施连接起可再生能源资源的主要供应地区与主要的需求地区
  • 超过使用年限40年的现有核电站全部废炉

以达尼・哈贝的预测上述各项都将得以实现,但其中大部分风力发电设施将建在海上,而且是近海。此外,尽管达尼・哈贝没有提及,随着近海浮体式海上风力发电的发展推广,波浪能发电、潮汐能发电的系统连接、施工和维修成本都将大幅下降。

换言之,从全球角度来看,可以认为,风力和太阳热能将成为基础再生能源的主体,然后太阳光能大约为它们的一半左右,还有一部分地热和生物质能发电,再加上波浪能、潮汐能和温度差等海洋能量。另一方面,由于大陆间系统海底电缆的成本较高,以及后面将谈到的“电网阻抗”的大幅度调整,“地产地消(当地生产、当地消费——译注)”的本地电网建设也会得到不断发展。在这一过程中,虽属中小规模,但却经济实惠的潮汐能和波浪能等海洋能源将会大显身手。

开发具有国际竞争力的技术

另一方面,在与国内其他再生能源进行成本比较时,尽管由于目前实证实验尚未结束,无法确认最终结果,但只要今后顺利开展实证实验,可以认为到2020年阶段,其成本将不会逊色于其他任何一种可再生能源。(表1)

图2显示了日本周边短期未来可利用的离岸距离30㎞、水深100m以内的海洋能源潜力。考虑到欧美国家将水深100m以上的系泊系统作为当前的技术开发目标,我们就能知道今后的利用对象将是更深水域,这将达到图表内数值的数十倍,意味着日本周围存在着巨大的能源资源。只是日本在国际竞争中属于后起力量,而且必须特别注意的是高人工费对开发工作的影响。与其他众多可再生能源一样,开发具有国际竞争力的技术对发展海洋能源而言同样具有关键意义。重要的是细致筛选海洋能源的种类,以及确定针对其系统中的哪个部分实施技术开发,从战略角度集中予以技术开发投资。

表1 新能源的经济性

  现在 2015 2020 2030
太阳光 (26〜40日元/kWh) 23日元/kWh 14日元/kWh 7日元/kWh
陆上风力 9〜15日元/kWh   7〜11日元/kWh 5〜8日元/kWh
海上风力 (9〜15日元/kWh)   12〜17日元/kWh 8〜11日元/kWh
太阳热 13〜30日元/kWh   10〜15日元/kWh 5〜17日元/kWh
波浪能 (30〜50日元/kWh) 〜40日元/kWh 〜20日元/kWh 5〜10日元/kWh
海洋温差   40〜60日元/kWh 15〜25日元/kWh 8〜13日元/kWh

参考:NEDO可再生能源技术白皮书、2010年

表2 离岸距离30km、水深100m以内的海洋能源潜力

    海上风力 波浪能 海洋温差 洋流 潮流 潮汐
最大可利用发电量(TWh/年) 现有技术水平 524 19 47 10 6 0.38
未来技术水平 723 87 156 10 6 0.38
核电换算   相当于118台机组         
电力管区 最大可利用发电量 [MWh/年]
波浪能(现状) 波浪能(未来) 温差(现状) 温差(未来)
北海道电力 0 7,236,461 0 244,404
东北电力 0 15,651,842 0 13,339,728
东京电力 10,696,748 25,897,889 19,268,496 53,658,504
北陆电力 0 6,731,359 0 5,077,296
中部电力 0 0 0 5,234,976
关西电力 0 1,910,293 654,372 3,894,696
中国电力 0 133,240 0 4,446,576
四国电力 0 0 504,576 4,706,748
九州电力 0 9,295,762 4,446,576 29,588,652
冲绳电力 8,175,971 20,302,351 22,051,548 35,651,448
合计 18,872,719 87,159,197 46,925,568 155,843,028
核电换算 3.6台机组 17台机组 8.9台机组 30台机组

出所:NEDO

必须引入新一代输电系统

正如前文所述,日本拥有极其可观的海洋可再生能源资源,却在海洋能源研究开发领域落后了不止一轮,甚至两轮、三轮,到底原因何在?让我们一起来思考一下。首先,非常遗憾的一点是,不仅是海洋能源,可再生能源的利用也大大落后于欧美各国。在欧美一些行动积极的国家,除水力以外的可再生能源发电量比例已达到约10%,而日本尚不足1%。

首要问题是日本的输电系统。要想大幅引入属于变动供电源的自然能源作为基础能源,需经过以下三个阶段。

第一阶段:设定一个要达到总发电量百分之几的目标,可通过预测每天电力需求和发电量的集中管理方式来进行调整。这是欧洲国家的现行方式。而我国则还必须强化各个电力公司之间的基础系统。

第二阶段:这是迈向第三阶段的准备期,除了根据每个地区的特点建设智能电网,采用分散管理式的需求调节外,还必须增设并积极利用抽水蓄能电站(利用电力负荷低谷时的剩余电力抽水至上水库,在电力负荷高峰期再放水至下水库发电的能源储存方法,即抽蓄发电)、充实固定型蓄电池等旨在实现安定供电的基础设施,促使其发电量占到总发电量的30%左右。

第三阶段:为了使发电量达到总发电量的40-50%,除了采用新一代电流控制技术,即大力改进电网阻抗,在全国范围内建设“地产地消”的本地电网,还要修建旨在应对突发性电站脱网的蓄电坝(大型固定型蓄电池和抽蓄发电),引入能适应电力负荷变化的电网转换系统。

2050年以前,日本大概也能建成、而且必须建成这样的电网。否则,能源需求将受制于积弊难除的老旧电网,大家只能忍受计划停电,最终不得不接受经济停滞的现实。相反,如果能革新电网,就可以实现可再生能源的“地产地消”,同时促进地区社会的振兴。为了适应“地产地消”这种模式,较之超大型风电场,适宜于小规模且应对灵活度大的波浪能发电和潮汐能发电将成为某些地区的重要选择。

海洋能源开发研究大大落后于欧美的第二个问题在于没有设立实证试验站。要在大海中建设海洋能源开发基地,需要在实际海域开展实证实验以推算建设费用、运转率、耐用性、维护费用,但开展实证试验的费用和劳力投入非常巨大;并且,为确保试验海域,要与目前的海域利用者达成协议也需要花费大量的财力和劳力。进而还必须通过多项繁杂的批准手续,而且,尽管投入如此巨大的费用和人力,在实验结束之后也必须要撤除,于是有得耗费巨额资金。用于监控数据的测量仪和缆线等装备仅做一次性使用,浪费十分严重。因此,欧洲早在10多年前就充实完善了海洋能源利用实证试验站,如今有10多个试验站在欧洲各地得到有效利用。如后文所述,近年来,日本终于也启动了海洋能源实证试验站点建设计划。希望这些实证试验站点今后不断开发出高性能、低成本、具有国际竞争力的设备。

确保实证试验站与达成海域利用协议

导致海洋能源开发研究之所以大大落后于欧美的第三个问题,是难以就相关海域的利用达成协议。在有意开发利用海洋能源的海域内,以渔业营生的渔民和设有航线的轮船公司等各方的利害关系错综复杂。在欧洲,随着海上风力发电在20世纪90年代后半期的发展,近海的海上风力发电开发需要与渔民以及相关国家进行协调,所以欧洲人开始寻找合理的问题解决方法,现在主要采用的是通过海洋空间计划(Marine Spatial Planning)和海洋综合管理(Integrated Ocean Management)达成协议的方法。也就是说,对相关地区的环境、渔业活动和海上交通等将带来怎样的影响,依据有说服力的具体的数据信息,多层面分阶段地最终达成协议——通过这种方法形成的海洋空间计划正日益得到推广普及。

日本海上保安厅也根据名为“沿岸海域环境保护情报CeisNet”的Web-GIS地理信息系统,制作了旨在了解、把握相关海域情况的“海洋信息录”。今后,我们期待在海洋空间的利用上能够合理而迅速地达成协议。作为海洋能源而言,选定合适地点的关键,主要有以下几个要素。

  • 海洋再生能源赋存量
  • 水深、底质、波浪、风、洋流
  • 渔业信息(渔业权、各种捕捞方法下的许可渔业活动等)

实际上,此外还有两点将大大地影响协议的达成。

  • 各个渔业协会的经营状态、内部纷争的历史
  • 渔民进取心的强烈程度

目前,水产行会法禁止渔业行会从事电力事业,但我们可以认为,如果渔业行会也能参与电力事业生产可再生能源,将之用于鱼苗生产、陆上养殖、远海养殖、电动渔船等新型水产事业,促进能源的“地产地消”,这将有助于振兴地方经济。

激发再生能源发展地区居民的“公民自豪感”

目前的电源三法(※3)单纯追求的是经济价值的分配,即便取得了一定的成果,仍不得不说它对振兴地方经济所发挥的作用是非常有限的。再生能源的选址,是以与自然环境共生为基础的生存方式的自发选择,希望它作为面向未来的伦理价值,激发出地区全体居民的“公民自豪感(civic pride)”(对城市和地区的自豪与热爱)。

在经济高速增长时期的重化工业走向衰退的同时,欧美各国在城市重建和以再生能源为核心的智能城市等领域进行了大量尝试,遗憾的是现实中很多都是失败的例子。我们可以在为数不多的成功案例中看到一个共同点,那就是它们都激发了地区全体居民的公民自豪感。

庆幸的是,日本也在1998年3月31日召开内阁会议通过了“21世纪国土宏伟规划”,这成为了旨在制定沿岸区域综合管理计划的指针,作为制定和推进综合管理计划的体制,它要求建立沿岸区域综合管理协议会。该规划确定,除了狭义上的利害关系者外,为了确保实效性,行政机关应带头组织民间企业、渔民、居民、NPO等相关各方的代表人员共同参与,在征得多数同意后即可决定筹划总体计划。非常遗憾的是,由于这项内阁决议并未形成具有强制力的法令,所以很难说它具备实效性。在此过程中,为了回应海洋能源相关人士的要求,内阁官房综合海洋政策本部(总理大臣出任本部长,有关部门的大臣担任委员)于2012年5月25日决定,将通过完善大规模的综合实证试验海域,稳步实现我国海洋可再生能源的实用化、商业化。

进展中的项目 

环境省的长崎县五岛海域浮体式海上风能发电项目

根据2011-2015年的计划,目前正在开展2MW级浮体式海上风力发电实证试验。构建地区协调机制的实证调查、气象与海象况观测、安全设计评估、维护管理、环境影响评估等相关工作正在顺利展开。这是全球第三个浮体式海上风力发电实证试验,有关方面还在研究用于今后开展地区协调的环境影响评估法。

设置于长崎县五岛列岛中部的椛岛海域的“浮体式海上风力发电”试验机 图片提供:环境省

 

新能源与产业技术综合开发机构(NEDO)的海洋能源(波浪能、潮汐能、洋流、海洋温差)技术研究开发

根据2011-2015年的计划,目前正在展开4种(波浪能1种、潮汐能1种)实证试验和两种(潮汐能、温差)创新要素技术的开发工作。图2是可在台风袭来时沉入水下,躲避过大波浪的波浪能发电浮标。图3是设置在防波堤上的振动水柱式波浪能发电(Oscillating Water Column:OWC)装置。该堤坝工程墙体向外突出,可提高波浪能吸收效率。图4的波浪能发电设备,其动力输出装置利用了日本原创陀螺仪技术。图5是便于检查维修部、经济性非常优秀的可装卸式潮汐能发电装置。这四个项目都是在实际海域内的实证试验,此外还在开展如图6中像放风筝一样系泊于海中的黑潮发电和图7利用高性能热交换器的高效海洋温差发电的要素技术开发工作。

图2  三井造船的波浪能发电浮标发电示意图。这种构造还可以抵御台风。图像提供:三井造船株式会社

图3  用于防波堤的带有工程墙体的振动水柱式波浪能发电(OWC)设备  图像提供:海洋研究开发机构

图4  日本原创技术:陀螺仪式波浪能发电设备   图片提供:株式会社Jairo Dynamics

图5   便于维护的海底设置型潮汐能发电装置  图像提供:川崎重工业株式会社

图6  IHI、东芝、东大、三井物产战略研究所开发的单点系泊黑潮发电装置。图像提供:株式会社IHI

图7  利用高性能热交换器的高效海洋温差发电装置  出处:佐贺大学海洋能源研究中心

 

着眼于促进东北重建的清洁能源研发工作中的海洋能源

根据2012-2016年的计划,有效利用波浪能,使其作用于船舶的船舵驱动系统进行发电,并将这种形式的发电装置设置于灾区各地。这种装置将由当地的造船厂制造、组装,生产的电力在当地使用。这是一项振兴地方产业、能源“地产地消”的实证试验。

旨在实现未来成长与发展的技术开发

尽管削减成本并非只是日本国内的课题,但它对日本发展海洋能源来说尤为重要。也就是说,通常来看,海洋能源的输电成本,尤其是海底电缆的成本较高。但是,除了北海道和东北的部分地区外,与在山区修建风车相比,沿岸地区(near shore)的输电成本较低,而且对周边环境的影响也较小。此外,相对于受道路运输制约的大型风车,设备运输障碍也较少,所以可以实现大型化,并进一步降低成本。我们应该预见到不远的未来在近海(off shore)的发展,实现沿岸风电场的大型化,并立足于国际竞争力的观点,尽快解决具有前瞻性的浮体式海上风力发电的各种技术问题。采用浮体式发电技术,极其重要的一点是降低安装成本和维修成本。作业船的开发和一体化施工法的开发将是必不可缺的。通过组合潮汐能发电技术与波浪能发电技术,也很可能有助于降低成本。此外,还应该考虑如何制定综合计划来促使蓄电功能和渔业设施达到最佳状态。

(※1)^ 近海浮体式波浪能发电设备,不仅可以高效吸收波浪的上下运动,将之转化为电能,而且在实现设备后方海域稳定的功能上也令人瞩目

(※2)^ Danny Harvey, Carbon-Free Energy Supply, 2010

(※3)^ 供电源开发促进税法、特别会计相关法律(旧供电源开发促进对策特别会计法)、发电用设施周边地区建设法的总称。把作为电价的一部分征收的供电源开发促进税作为财源,对发电设施所在的市町村,以供电源所在地区对策补助金的形式予以回报的制度。其目的在于通过完善公共设施和支援地方振兴事业,促进发电设施的建设以及安全稳定的运转。(出处:kotobank.jp)

1978年完成东京大学工学系研究科船舶工学专业博士课程。1996年起任东京大学生产技术研究所教授。主攻船和海洋设施的运动流体力学和运动学。一般社团法人海洋能源资源利用推进机构(2008年3月成立)会长。

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