宋娴丽 王君霞 王琦 吴莹莹 李友训 逄劭楠

（1 山东省海洋科学研究院 山东青岛 266104 2 日照市海洋与渔业研究院 山东日照 276800）

中国是世界上最大的海水养殖国家，也是全球能源消耗大国，2019 年我国海水养殖产量达2.07×107t［1］。在能源危机和环保督察双重压力下，因高耗能导致的海水养殖成本增加、生态环境恶化同人民日益增长的水产品需求之间的矛盾日渐突出。据统计，2019 年全国渔民家庭经营渔业人均支出中燃料及加冰费用占19.73%［1］。世界上近30 个沿海国家开发利用海洋可再生能源，部分国家已经实现了商业化运行，中国还处在起步阶段［2］。近年来，我国沿海陆续开发了太阳能、地热能等可再生能源补充替代煤电消耗，然而由于科技成果转化率低、研发周期长、投资风险和维护成本双高等困境而发展缓慢。2020 年9 月22 日，国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话，提出“中国将提高国家自主贡献力度，采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030 年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和”的目标［3］。海水养殖作为实现“海洋负排放”的重要组成部分，对于发展蓝碳经济作用巨大［4］。利用可再生能源可大幅降低海水养殖生产周期内煤、电的消耗，据估算，每省1 t 煤可减少CO2排放2.5 t～2.7 t，而每省1 kWh 电，可减少CO2排放0.78 kg［5］。因此，持续推进海水养殖业可再生能源及其他节能减排技术的研究与应用是发展低碳渔业、转变渔业经济发展方式并实现渔业高质量发展的必然选择。

1 陆基海水养殖主要耗能途径

我国北方地区工厂化养殖企业每年有4～6 个月的时间需要为水体升温，升温幅度可达到22 ℃［5］。通常利用工厂废热水、锅炉升温或电加温，后2 种方式因能耗高、污染重及减排压力大等问题成为近年来环保督察整治的重点。除保温加热外，生产期内日常照明、充氧、提水、尾水处理、制冰冷冻等设备耗电量巨大。研究表明：煤、电等传统能源成本占工厂化养殖企业总成本的比例为31.20%，育苗场能源成本占总成本的36.33%，锅炉能耗占育苗场总能耗的92.78%，海水泵电耗最大，占总电耗的70.59%［6］。比较而言，海水池塘养殖以电耗能为主，通常用于日常充氧、泵提纳水及冷冻冰鲜饲料等。据笔者调研资料显示，每年养冬夏两茬的工厂化养虾车间每1 000 m2用电量大约4×105kWh，而一个生产季对虾池塘养殖耗电量平均为5.25×103kWh/hm2。

2 海水养殖可再生能源利用种类

海洋可再生能源主要包括太阳能、地热能、风能、水能、生物质能、海洋能等非石化能源［7］。目前我国海水养殖可再生能源种类主要有太阳能、地热能、风能、生物质能和波浪能等，主要用途为调控温度（冬季升温和夏季降温）及规模化渔业园区及偏远、离岸养殖作业区的能源补充和供应等，而具体选择哪一种能源方式则取决于当地的地理条件和空间、资源优势。

2.1 太阳能

太阳能（solar energy）也称为光伏能，是一种利用太阳的热辐射能产热或发电的清洁可再生能源。太阳能发电一般可分为半导体发电和太阳能热发电2 种。充分利用太阳能不仅可以减少煤、石油和天然气等化石燃料的消耗，还可以减少温室气体的排放，已经成为国家新能源产业的重点发展战略［8］。中国拥有丰富的太阳能资源，将太阳能应用于水产增养殖业的研究也开展了近40 年。目前此类研究美国、日本、意大利、德国和法国等国家已经实用化［9］。在设施养殖中，人们利用蓄热设备提高太阳能的利用率，将热量储存于水中与需要加热的水体进行热交换［10］。“渔光互补”是将分布式光伏电站科学配置于渔业养殖园区土地闲置区域，被认为是东南沿海发达地区最优的发展方式，近年来逐步向中西部地区拓展［11］。此外，间接换热式太阳能水体升温和光伏发电集成系统可用于冬季养殖水体升温和夏季光伏发电，太阳能和浅层热能相结合也可以作为替代锅炉升温的一种方式。太阳能还可以作为声纳渔业资源分布智能探测系统、水产养殖监测系统、太阳能投饵机、水质浮标监测系统及水质调控机等设备的常用驱能方式［12-15］。

2.2 地热能

地热能（Geothermal Energy）是由地壳抽取的天然热能，作为一种零碳、清洁能源，其开发利用对于碳中和具有重要价值。据报道，全球每年地热直接利用可防止7 810 t C 和2.526×108t CO2排放到大气中［16］。近年来，地热能被广泛应用于海水鱼类、刺参育苗及对虾循环水养殖中［6，17-19］。2020 年中国水产养殖开发利用地热能装机容量为482 MW，比2015 年增长122%。中国地热能水产养殖已遍布20 多个省的47 个地热田，建有养殖场约300 处［20］。通常地源热泵消耗1 kW 的能量用户可以得到4 kW 以上的热量或冷量，利用地源热泵和地热井技术，可使养殖能耗比传统养殖模式降低34%。在过去的十几年，工厂化流水养殖模式对地下水和地热的无序使用和开采，导致地下水资源逐渐枯竭及电力的更大消耗。相比之下，循环水养殖模式系统能值产出率与环境负载率之比（ESI）较高，其对地下水资源和地热资源的合理维护和有序开发表现出较好的可持续性［6］。“十三五”期间，我国一批重大的地热能开发利用项目的顺利实施，使得浅层地热能技术更加成熟、可靠［21］。

2.3 风能

风能（Wind Energy）是空气流动所产生的动能，亦是太阳能的一种转化形式。风能在国外水产增养殖业的主要转换形式为机械能、电能和热能［22］。目前风能利用的主要方式是风力提水、风力发电和风力致热［10］。其中，风力提水分为传统的风力直接提水与风力发电提水2 种方式。荷兰、丹麦、英国、美国、俄国等国家风力提水技术相对成熟，比较而言，我国的风力提水技术的应用并未形成规模化。风力发电主要应用在供电不便地区的水产设施养殖中，通常小型风电特别是1 000 W以下的机组可基本满足设施生产所需电能。日本早在20 世纪80 年代就开始使用风力致热技术进行温室加热和设施养殖。据报道，25 kW 的涡流式风力热能转换装置在风速为8 m/s时，每小时可产生8.37×104kJ 热量，即相当于1 L 石油的发热量［11］。而目前我国风力致热技术的研究起步较晚，基本处于空白状态。此外，近年来开发的风能海水淡化装置的研发为满足离岸网箱养殖、海洋牧场平台的生活用水供应提供了一种行之有效的方法和途径［23］，而风光互补发电系统可为海水养殖区提供电力补充［24］。

2.4 生物质能

生物质能（Biomass Energy）是太阳能以化学能形式贮存在生物质中的能量形式，被认为是解决化石资源短缺和温室气体排放等全球性问题的有效途径。海洋生物质能是海洋植物利用光合作用将太阳能以化学能的形式贮存的能量形式，其主要来源为海洋微藻和大型海藻等［25］。海洋微藻生物质能开发主要围绕制备生物质燃油、商业化减排及微藻高值化综合利用3 个方面。大型海藻含有丰富的碳水化合物和甘露醇，可以转化为甲醇和燃料乙醇等。近年来，日本开发了利用马尾藻大规模生产汽车用乙醇技术，预计到2020 年，10 000 km2海域1 a 可收获6 500 t 的干藻，生产约2×106L 的燃料乙醇，可以替代现有日本汽车燃油消耗量的1/3。与国际上海洋生物质能的研发相比，我国拥有国际上最大规模的海藻生产基地、海藻科技队伍及先进的海藻产能技术开发平台，但在海藻能源开发方面明显不足，海藻的乙醇、甲醇转化技术研究相对滞后，微藻封闭式光生物反应器的低成本规模化技术尚未攻克，海藻的栽培局限于近海，且现有的海藻产能试验规模不大、海藻能源技术与产品的评估系统尚待完善［25］。

2.5 波浪能

波浪能（Wave Energy）是指海洋表面波浪所具有的动能和势能，属于海洋能的一种。世界各国主要通过发电的形式开发和利用波浪能，其能量大小与传播速率和风速、风与水相互作用的距离有关。按照能量一次转换机械能的特征，波浪能装置可分为振荡水柱型、聚波越浪型和振荡型。近年来，瑞典、比利时、爱尔兰及芬兰等国分别开发了不同形式的波浪能转换器和波能发电装置。我国的波浪能开发也取得了一系列进展。由中国海洋大学主持研制了10 kW 级组合型振荡子波能发电装置于2014 年投入试运行；由广州能源所主持研制的10 kW 鹰式波能发电装置于2016 年完成了第二阶段海试工作。波浪能作为深海网箱养殖及海洋牧场平台能源补给具有非常重要的应用价值，然而，由于波浪能资源评估数据不足，装置安全性与耐久性难以保证及装置转换效率偏低等问题，目前尚未有可商业化运行的波浪能装置。

3 海水养殖可再生能源利用面临的问题及减排举措

海水养殖可再生能源开发与利用作为碳汇渔业、节能减排、绿色可持续发展的重要举措，对于实现海洋负排放、“碳中和”目标具有十分重要的现实意义。近年来，我国的可再生能源的推广应用均呈现出“政府热、市场冷”的现象，具体表现在：技术创新尚不足以驱动能源利用方式的转变；单纯财政补助尚不足以推动可再生能源应用示范项目的进一步实施；初期投资成本较高，整体设计、科学规划、产能评估技术滞后；技术规范及管理制度不规范等严重限制了可再生能源技术的规范化应用等。针对以上共性问题，可从技术开发和政策管理两方面寻找解决途径。

技术上，开展海水养殖过程中碳指纹与碳足迹标识体系构建，量化不同养殖模式下的能耗需求，筛选潜在能源补给方式；加大多种可再生能源利用技术的创新力度，鼓励开发多种能源形式耦合利用模式；利用海水养殖过程中产生的过剩营养物质产生的生物絮团培养海洋微藻，开发生物质能；开展养殖有机固体废弃物资源化利用研究，减轻外部能耗的输入压力。

政策上，明确海洋可再生能源的战略定位，对不同资源类型的优先发展进行排序；针对可再生能源的综合利用技术、能效评估技术，制定相应的技术标准和操作规范；对供电部门实施清洁能源最低配额制，自上而下开拓发展空间；对海洋可再生能源技术研究与开发经费给予保障，对于可再生能源应用单位给予生态补偿或税收优惠。依照“生态优先、减排增汇、无害化治理、高值化利用”的原则，通过源头减排、过程控制、末端治理、资源化利用等途径，逐步实现海水养殖生命周期内的“碳中和”目标。