海水養殖可再生能源利用現狀及減排舉措

宋嫻麗 王君霞 王琦 吳瑩瑩 李友訓 逄劭楠

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

中國是世界上最大的海水養殖國家，也是全球能源消耗大國，2019 年我國海水養殖產量達2.07×107t［1］。在能源危機和環保督察雙重壓力下，因高耗能導致的海水養殖成本增加、生態環境惡化同人民日益增長的水產品需求之間的矛盾日漸突出。據統計，2019 年全國漁民家庭經營漁業人均支出中燃料及加冰費用占19.73%［1］。世界上近30 個沿海國家開發利用海洋可再生能源，部分國家已經實現了商業化運行，中國還處在起步階段［2］。近年來，我國沿海陸續開發了太陽能、地熱能等可再生能源補充替代煤電消耗，然而由于科技成果轉化率低、研發周期長、投資風險和維護成本雙高等困境而發展緩慢。2020 年9 月22 日，國家主席習近平在第七十五屆聯合國大會一般性辯論上發表重要講話，提出“中國將提高國家自主貢獻力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030 年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和”的目標［3］。海水養殖作為實現“海洋負排放”的重要組成部分，對于發展藍碳經濟作用巨大［4］。利用可再生能源可大幅降低海水養殖生產周期內煤、電的消耗，據估算，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，持續推進海水養殖業可再生能源及其他節能減排技術的研究與應用是發展低碳漁業、轉變漁業經濟發展方式并實現漁業高質量發展的必然選擇。

1 陸基海水養殖主要耗能途徑

我國北方地區工廠化養殖企業每年有4～6 個月的時間需要為水體升溫，升溫幅度可達到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環保督察整治的重點。除保溫加熱外，生產期內日常照明、充氧、提水、尾水處理、制冰冷凍等設備耗電量巨大。研究表明：煤、電等傳統能源成本占工廠化養殖企業總成本的比例為31.20%，育苗場能源成本占總成本的36.33%，鍋爐能耗占育苗場總能耗的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。據筆者調研資料顯示，每年養冬夏兩茬的工廠化養蝦車間每1 000 m2用電量大約4×105kWh，而一個生產季對蝦池塘養殖耗電量平均為5.25×103kWh/hm2。

2 海水養殖可再生能源利用種類

海洋可再生能源主要包括太陽能、地熱能、風能、水能、生物質能、海洋能等非石化能源［7］。目前我國海水養殖可再生能源種類主要有太陽能、地熱能、風能、生物質能和波浪能等，主要用途為調控溫度（冬季升溫和夏季降溫）及規模化漁業園區及偏遠、離岸養殖作業區的能源補充和供應等，而具體選擇哪一種能源方式則取決于當地的地理條件和空間、資源優勢。

2.1 太陽能

太陽能（solar energy）也稱為光伏能，是一種利用太陽的熱輻射能產熱或發電的清潔可再生能源。太陽能發電一般可分為半導體發電和太陽能熱發電2 種。充分利用太陽能不僅可以減少煤、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，已經成為國家新能源產業的重點發展戰略［8］。中國擁有豐富的太陽能資源，將太陽能應用于水產增養殖業的研究也開展了近40 年。目前此類研究美國、日本、意大利、德國和法國等國家已經實用化［9］。在設施養殖中，人們利用蓄熱設備提高太陽能的利用率，將熱量儲存于水中與需要加熱的水體進行熱交換［10］?！皾O光互補”是將分布式光伏電站科學配置于漁業養殖園區土地閑置區域，被認為是東南沿海發達地區最優的發展方式，近年來逐步向中西部地區拓展［11］。此外，間接換熱式太陽能水體升溫和光伏發電集成系統可用于冬季養殖水體升溫和夏季光伏發電，太陽能和淺層熱能相結合也可以作為替代鍋爐升溫的一種方式。太陽能還可以作為聲納漁業資源分布智能探測系統、水產養殖監測系統、太陽能投餌機、水質浮標監測系統及水質調控機等設備的常用驅能方式［12-15］。

2.2 地熱能

地熱能（Geothermal Energy）是由地殼抽取的天然熱能，作為一種零碳、清潔能源，其開發利用對于碳中和具有重要價值。據報道，全球每年地熱直接利用可防止7 810 t C 和2.526×108t CO2排放到大氣中［16］。近年來，地熱能被廣泛應用于海水魚類、刺參育苗及對蝦循環水養殖中［6，17-19］。2020 年中國水產養殖開發利用地熱能裝機容量為482 MW，比2015 年增長122%。中國地熱能水產養殖已遍布20 多個省的47 個地熱田，建有養殖場約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，利用地源熱泵和地熱井技術，可使養殖能耗比傳統養殖模式降低34%。在過去的十幾年，工廠化流水養殖模式對地下水和地熱的無序使用和開采，導致地下水資源逐漸枯竭及電力的更大消耗。相比之下，循環水養殖模式系統能值產出率與環境負載率之比（ESI）較高，其對地下水資源和地熱資源的合理維護和有序開發表現出較好的可持續性［6］?！笆濉逼陂g，我國一批重大的地熱能開發利用項目的順利實施，使得淺層地熱能技術更加成熟、可靠［21］。

2.3 風能

風能（Wind Energy）是空氣流動所產生的動能，亦是太陽能的一種轉化形式。風能在國外水產增養殖業的主要轉換形式為機械能、電能和熱能［22］。目前風能利用的主要方式是風力提水、風力發電和風力致熱［10］。其中，風力提水分為傳統的風力直接提水與風力發電提水2 種方式。荷蘭、丹麥、英國、美國、俄國等國家風力提水技術相對成熟，比較而言，我國的風力提水技術的應用并未形成規模化。風力發電主要應用在供電不便地區的水產設施養殖中，通常小型風電特別是1 000 W以下的機組可基本滿足設施生產所需電能。日本早在20 世紀80 年代就開始使用風力致熱技術進行溫室加熱和設施養殖。據報道，25 kW 的渦流式風力熱能轉換裝置在風速為8 m/s時，每小時可產生8.37×104kJ 熱量，即相當于1 L 石油的發熱量［11］。而目前我國風力致熱技術的研究起步較晚，基本處于空白狀態。此外，近年來開發的風能海水淡化裝置的研發為滿足離岸網箱養殖、海洋牧場平臺的生活用水供應提供了一種行之有效的方法和途徑［23］，而風光互補發電系統可為海水養殖區提供電力補充［24］。

2.4 生物質能

生物質能（Biomass Energy）是太陽能以化學能形式貯存在生物質中的能量形式，被認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。海洋生物質能是海洋植物利用光合作用將太陽能以化學能的形式貯存的能量形式，其主要來源為海洋微藻和大型海藻等［25］。海洋微藻生物質能開發主要圍繞制備生物質燃油、商業化減排及微藻高值化綜合利用3 個方面。大型海藻含有豐富的碳水化合物和甘露醇，可以轉化為甲醇和燃料乙醇等。近年來，日本開發了利用馬尾藻大規模生產汽車用乙醇技術，預計到2020 年，10 000 km2海域1 a 可收獲6 500 t 的干藻，生產約2×106L 的燃料乙醇，可以替代現有日本汽車燃油消耗量的1/3。與國際上海洋生物質能的研發相比，我國擁有國際上最大規模的海藻生產基地、海藻科技隊伍及先進的海藻產能技術開發平臺，但在海藻能源開發方面明顯不足，海藻的乙醇、甲醇轉化技術研究相對滯后，微藻封閉式光生物反應器的低成本規?；夹g尚未攻克，海藻的栽培局限于近海，且現有的海藻產能試驗規模不大、海藻能源技術與產品的評估系統尚待完善［25］。

2.5 波浪能

波浪能（Wave Energy）是指海洋表面波浪所具有的動能和勢能，屬于海洋能的一種。世界各國主要通過發電的形式開發和利用波浪能，其能量大小與傳播速率和風速、風與水相互作用的距離有關。按照能量一次轉換機械能的特征，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，瑞典、比利時、愛爾蘭及芬蘭等國分別開發了不同形式的波浪能轉換器和波能發電裝置。我國的波浪能開發也取得了一系列進展。由中國海洋大學主持研制了10 kW 級組合型振蕩子波能發電裝置于2014 年投入試運行；由廣州能源所主持研制的10 kW 鷹式波能發電裝置于2016 年完成了第二階段海試工作。波浪能作為深海網箱養殖及海洋牧場平臺能源補給具有非常重要的應用價值，然而，由于波浪能資源評估數據不足，裝置安全性與耐久性難以保證及裝置轉換效率偏低等問題，目前尚未有可商業化運行的波浪能裝置。

3 海水養殖可再生能源利用面臨的問題及減排舉措

海水養殖可再生能源開發與利用作為碳匯漁業、節能減排、綠色可持續發展的重要舉措，對于實現海洋負排放、“碳中和”目標具有十分重要的現實意義。近年來，我國的可再生能源的推廣應用均呈現出“政府熱、市場冷”的現象，具體表現在：技術創新尚不足以驅動能源利用方式的轉變；單純財政補助尚不足以推動可再生能源應用示范項目的進一步實施；初期投資成本較高，整體設計、科學規劃、產能評估技術滯后；技術規范及管理制度不規范等嚴重限制了可再生能源技術的規范化應用等。針對以上共性問題，可從技術開發和政策管理兩方面尋找解決途徑。

技術上，開展海水養殖過程中碳指紋與碳足跡標識體系構建，量化不同養殖模式下的能耗需求，篩選潛在能源補給方式；加大多種可再生能源利用技術的創新力度，鼓勵開發多種能源形式耦合利用模式；利用海水養殖過程中產生的過剩營養物質產生的生物絮團培養海洋微藻，開發生物質能；開展養殖有機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略定位，對不同資源類型的優先發展進行排序；針對可再生能源的綜合利用技術、能效評估技術，制定相應的技術標準和操作規范；對供電部門實施清潔能源最低配額制，自上而下開拓發展空間；對海洋可再生能源技術研究與開發經費給予保障，對于可再生能源應用單位給予生態補償或稅收優惠。依照“生態優先、減排增匯、無害化治理、高值化利用”的原則，通過源頭減排、過程控制、末端治理、資源化利用等途徑，逐步實現海水養殖生命周期內的“碳中和”目標。