我国海洋港口新能源技术应用发展探析.docx

我国海洋港口新能源技术应用发展探析推进我国海洋港口新能源技术应用是落实“双碳”战略目标、实现海洋港口可持续发展的重要途径。近年来，海洋港口的新能源技术应用研究进展较快，涉及风能、太阳能、氢能、潮汐能、生物质能等新型能源技术，为优化港口能源配置、加速港口绿色转型提供了支撑。中国工程院严新平院士研究团队在中国工程院院刊中国工程科学2024年第4期发表我国海洋港口新能源技术应用发展探析一文。文章总结了我国海洋港口用能的现状及趋势，从经济性、需求度、成熟度3个维度出发，剖析了涉及海上风电、光伏发电、氢能、潮汐能、生物质能的海洋港口新能源技术应用的基本属性；进一步从技术性、经济性、技术政策性3个方面讨论了我国海洋港口中各类新能源技术应用的制约因素。研究发现，我国新能源技术发展水平与应用需求不匹配、集中性技术发展平台缺乏、盈利模式不健全、现有标准与政策不完善等因素，共同制约了各类新能源技术在海洋港口中的应用。为此建议，建立关键核心技术协同攻关体系、合力突破技术难题以降低应用成本，发布港口多能融合网络指导意见、建立多能互补综合能源供给体系，优化港口新能源技术应用激励机制、提升港口应用新能源积极性，健全港口可再生能源应用的标准和规范、构建新型储能配套机制。一、前百海洋港口是国家经济发展的重要枢纽，而伴生的环境问题一直是制约海洋港口发展的关键因素。随着海洋港口业务的迅速增长，我国有近四成港口城市的细颗粒物（PM2.5）年平均浓度、臭氧年平均浓度超标，这与海洋港口的污染排放密切相关。绿色交通“十四五”发展规划（2021年）提出，推进绿色港口和绿色航道建设，推广应用新能源，构建低碳交通运输体系。加快建设交通强国五年行动计划（20232027年）提出，加强港口污染防治和生态环境保护，推动港口用能低碳化、多元化发展。加快新能源技术在海洋港口的应用，是落实“双碳”战略目标的关键环节，也是缓解港口环境污染、实现港口可持续发展的重要途径。近年来，海洋港口的新能源技术应用研究进展较快，涉及风能、太阳能、氢能、潮汐能、生物质能等新型能源技术，为优化港口能源配置、加速港口绿色转型提供了支撑。例如，在综合评估港口低碳运营现状的基础上，界定了港口综合能源系统的基本概念，剖析了系统结构、发展动力和面临的挑战，进而明确“能流-物流耦合”是未来港口综合能源系统的关键特征之一；探讨了能源交易、碳捕集与封存、储能系统优化、多能源互补协同等关键技术，为港口可持续发展提供了直接参考。当然，新能源技术的推广应用也面临技术成熟度、投资成本、政策标准支持等方面的问题，在妥善解决后将进一步提升应用空间。与此同时，港口新能源技术应用实践正在伴随企业、政府、社会需求面的扩大而稳步展开。在具体案例方面，印度金奈港评估了港口利用光伏发电供能的可行性并实施了试点工程，新加坡裕廊港在仓库屋顶安装光伏电池，年发电量超过L2XIOkW-h；我国天津港部署了3台5MW风力发电机、0.4MW光伏电站，青岛港推进“风光储氢”一体化发展并着力构建全场景“氢能港口”。我国海洋新能源具有资源丰富且潜力大、政策支持明确、产业化进程快速等特点。随着风电、光伏发电、氢能源等的逐步接入，海洋港口正在由原先的依赖化石能源与电网供电转向以电网供电为主、可再生能源发电为辅的低碳化发展模式。展望未来，我国海洋港口用能将呈现以多能源融合的综合能源系统为主的发展趋势，但面临着多能流融合及不确定性场景下系统运行特性的挑战；需深化相关研究才能保障海洋港口的可持续发展。针对于此，本文从我国海洋港口用能现状和发展趋势出发，分析港口主要新能源技术应用的多维属性，涵盖初始投资、运维成本等经济性属性，政策法规推行力度、港口需求迫切程度、港口作业人员及船员适应度等需求度属性，技术应用功能效果、转化效果、应用限制等成熟度属性；进一步剖析海洋港口新能源技术应用的经济性、技术性、技术政策性等制约因素，提出促进推广应用的发展举措，助力海洋港口绿色低碳转型。二、我国海洋港口用能现状和趋势（一）我国海洋港口用能现状海洋港口能源消耗集中在港口机械、停泊船舶两大类设施上，传统的能量来源是以柴油为主的化石能源；在过去的数十年间，大量的燃油使用造成了港区及其附近区域的空气污染。受海洋港口绿色可持续发展目标的牵引，港口新能源技术逐步出现并得到广泛应用。1 .整体能源应用情况目前，我国海洋港口用能仍然以电能、柴油、汽油等二次能源为主，在典型港口的能源消耗中柴油等化石能源消费占比约为66%。例如，货物吞吐量居世界首位的宁波舟山港，2020年的能源消耗情况为：电能为6.8XIO-kW-h、汽油和柴油为8.6XIO4t、燃料油为9.8×IO4t、天然气为1.8X104匕作为我国北方最大的综合性对外贸易港的天津港，2021年的柴油、电力消耗分别占港口能源总消耗量的42.9%、43.8%o可见，电能、柴油、汽油在港口能源消费中的占比居高不下。2 .新能源技术应用情况随着海洋港口设施的现代化和电气化发展，电能作为清洁、高效的能源形式得到了更多的应用。例如，港口岸电、电动岸桥、自动导引车、电动集装箱搬运车等设备的使用，提高了港口能源效率并减少了港口碳排放；港口电能来源也逐步由火电转为清洁能源发电，太阳能、风能、潮汐能、生物质能等成为港口清洁能源发电的主要类型。在太阳能方面，港口通常具有良好的光照条件，配置分布式并网系统并在楼顶等露天处安装光伏电站，可实现自主供电和余电并网。例如，青岛港的分布式光伏发电项目的装机总容量为1968.9kW,发电量为2.02X106kWha,可减少碳排放1900tC02ao风电的引入同样改善了港口电网结构并减少了碳排放。2023年，宁波舟山港启动梅山低碳码头示范工程“风光储”一体化项目建设，包含5台风力发电机（单台功率为6.25GW）o潮汐能是相对稳定的可再生能源，应用管状机组的潮汐电站效率接近87%0生物质能主要通过转化港口周边及运营过程中的化工废物、生活垃圾等生物质源，为港口提供电力和热力。止匕外，氢能源也在逐步接入港口能源系统，相比化石燃料无多余碳排放且具有较高的热值（Ikg氢的燃烧相当于3kg汽油或4.5kg焦炭的燃烧）。山东港建设了全国首个港口低碳清洁能源供给体系,加氢能力超过100Okgd0（二）我国海洋港口用能趋势1 .新能源接入与应用多样化在未来的海洋港口发展规划中,化石能源比例将逐步降低并最终被完全替代，新能源在促进节能减排、实现碳中和的过程中发挥关键作用。通过智能化能源管理系统,港口将实时监控和优化氢能、风能、太阳能、潮汐能、生物质能等的接入与应用，实现多种能源之间的互补和协同，以提高能源利用效率、降低碳排放，为港口可持续发展提供坚实支撑。2 .港口作业全电化全电化是海洋港口能源转型的发展目标、降本增效的必然选择。电能的更高比例应用，将支持实现能源消费的零污染物排放，所具有的稳定性和可控性也将显著提升港口作业的效率和安全性。为了实现全电化，妥善处理化石能源与可再生能源的协同发展关系是关键。未来，港口需追求能源类型的多元化与互补性，通过集成优化策略确保各种能源资源的高效融合与利用。3 .多能源融合建设以可再生能源充分利用、能源自洽为目标的海洋港口多能源融合系统，是支撑海洋港口作业全电化的重要方式。多能源融合系统主要包括源侧、网侧、荷侧、储侧：源侧指风电、光伏发电等清洁能源，氢能，大电网等的融合；网侧指针对交/直流混联配电网、电化学储能、氢能“注储供”等开展高渗透率清洁能源消纳和多能源协同控制；荷侧指基于绿氢制取、氢动力车辆（如叉车、空箱堆高机、集装箱卡车）、船舶岸电等可调负荷保障系统的高效安全运行；储侧指采用多种储能装置作为中间件（存储富余能源）并对港口、船舶等微网进行有序地充放电，以协调控制多能源并提升能源利用率。开发“风光水火储氢”一体化能源网络，将充分利用水路交通基础设施以及风电、光伏发电等丰富的新能源资源，完善船舶岸电、“风/光+储能+微电网”、车辆充电等清洁能源基础设施建设，驱动港口用能绿色化转变。三、我国海洋港口新能源技术应用多维属性分析海洋港口新能源技术应用的实施与推广，主要涉及经济性、需求度、技术成熟度3个维度的影响因素：低碳需求确立绿色技术的发展方向，技术成熟度依赖经济市场的检验，经济市场又对进一步的需求产生回应。经济性是港口企业在新能源技术应用上的首要考虑因素,具体反映在初始投资成本和运维成本；过高的成本投入会降低港口企业对新能源技术的接受度。需求度也是现阶段新能源技术应用的重点考虑因素，如果政策法规的引导力度越大、港口对能源转换的需求越强烈、港口作业人员及船员对新能源技术的适应性越好，那么新能源技术的港口适用性就越高。新能源技术成熟度则直接影响新能源在港口的应用效果，衡量指标有功能效果、转化效果、应用限制；功能效果直接影响技术的实际价值，转化效果决定技术的市场化和推广可行性，应用限制是评估技术潜在风险的重要因素。（一）经济性分析在海洋港口，与氢能源相关的主要基础设施是加氢站，相关建设成本主要包括压缩机（占比为30%）、储氢瓶及加氢系统（占比为28%）、土地建设（占比为19%）、其他（占比为23%）。加氢站分为外供氢、内制氢两类，成本差异体现在氢气运输及制氢装置成本上。外供氢加氢站细分为外供高压氢气加氢站、外供液氢加氢站。外供液氢加氢站在运输前将氢气温度降低到-253,因而需要添加额外的储氢瓶和冷却系统，所需场地面积更大、建设成本更高。以青岛港为例，氢气的出厂价为2728元kg,加上运费后港口加氢站的到站价为4243元/kg；加氢站的运营维护成本平均为25元/kg。若氢气的到站价能降低到40元kg,则使用氢燃料的经济性与传统化石能源接近。光伏发电技术经历了大规模使用的验证,技术进步和市场竞争也驱动光伏电池、组件成本的不断降低，使光伏发电接近平价能源。以青岛港前湾集装箱码头为例，在办公楼屋顶建造了IokW的分布式光伏电站，安装与前期准备总费用约为20万元；发电周期为25年，每年发电量约为4.3X104ldV41,每年节约电费1.75万元2.62万元，回收成本周期为811年。潮汐能电站的初始造价大约是水电站、火电站的2.5倍，1座设计装机容量为3000kW、年发电量为5.4×106kWh的港口潮汐能电站，总投资约为1530万元（初期机电设备投资占55%、土地投资占45%）。电站的设计使用年限为50年，年均折旧费用为21万元26万元，年均运维费用为8万元10万元，则每年可节省电费约200万元，回收成本周期为810年。海上风电项目中设备购置费用约占总成本的70%。近年来，海上风电的度电成本由2010年的0.189美元kWh下降至2022年的0.077美元kWh,体现出快速下降的趋势。尽管海上风电技术发展迅速、产业链更为完善、发电效率和抗风险能力都在提升，但零部件需要定期更换才能抵御台风、海水腐蚀等环境因素，相应的运维成本问题仍待解决，导致海上风电项目的投资风险依然较高。生物质能发电项目的成本主要包括设备成本、运维成本两部分;运维成本中的燃料成本占总成本的50%以上，折旧费约占总成本的16%o我国尚未建立涵盖“种植-收获-储存-运输-产品化加工”的完整生物质能产业链，对大型生物质发电厂的支撑不足；现有的生物质发电厂大多依赖30MW振动炉排锅炉配套的小型机组，生物质消耗量约为Ixlo6tao然而，生物质能发电过程能耗较高（折算标准煤耗超过630gkWh）,加之燃烧效率低下、易且受季节性和区域性因素影响、生物质资源的收集和储运面临困难，综合发电成本居高不To黑龙江、山东等省份的典型项目平均单位投资为9217元kW,在得到较高的电价补贴后依然仅能处于盈亏边缘。（二）需求度分析生态文明建设上升为国家重大任务。国务院关于加快建立健全绿色低碳循环发展经济体系的指导意见（2021年）提出，加快构建绿色低碳循环经济体系，解决我国资源生