我国海洋港口新能源技术应用发展探析

伍婧 ,  涂敏 ,  严新平 ,  杨家其 ,  易秋宇

中国工程科学 ›› 2024, Vol. 26 ›› Issue (4) : 234 -244.

PDF (667KB)
中国工程科学 ›› 2024, Vol. 26 ›› Issue (4) : 234 -244. DOI: 10.15302/J-SSCAE-2024.04.017
工程管理

我国海洋港口新能源技术应用发展探析

作者信息 +

Application of New Energy Technologies in Marine Ports of China

Author information +
文章历史 +
PDF (682K)

摘要

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。本文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。

Abstract

Promoting the application of new energy technologies in marine ports is an important way to realize the carbon peaking and carbon neutrality goals and achieve the sustainable development of ports in China. This study summarizes the current situation and trends of energy consumption in marine ports of China and analyzes the basic attributes of the application of new energy technologies in marine ports from three dimensions: economical efficiency, demand, and maturity; it involves offshore wind power, photovoltaic power generation, hydrogen energy, tidal energy, and biomass energy. Factors that constrain the application of new energy technologies in China's marine ports are further discussed from three aspects: technology, economical efficiency, and technological policy. Our research indicates that the mismatch between the development level and application needs of new energy technologies, lack of centralized technology-development platforms, inadequate profit models, and imperfect standards and policies collectively constrain the application of new energy sources in marine ports of China. Therefore, we propose the following suggestions: (1) establishing a collaborative research and development system for key core technologies to overcome technical difficulties and reduce application costs, (2) issuing guidance on multi-energy integration networks for ports to establish a multi-energy-complementary energy supply system, (3) optimizing the incentive mechanism for the application of new energy technologies in ports to enhance the enthusiasm of ports to apply new energy sources, and (3) improving the standards and norms for renewable energy application in ports to build a novel energy-storage supporting mechanism.

关键词

海洋港口 / 港口用能 / 新能源 / 属性分析 / 多能融合

Key words

marine port / port energy consumption / new energy / attribute analysis / multi-energy integration

引用本文

引用格式 ▾
伍婧,涂敏,严新平,杨家其,易秋宇. 我国海洋港口新能源技术应用发展探析[J]. 中国工程科学, 2024, 26(4): 234-244 DOI:10.15302/J-SSCAE-2024.04.017

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

一 前言

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[1]。《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（2023—2027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[2]。

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[3,4]，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[5]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[6,7]，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[8]，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[9]、投资成本[10]、政策标准支持[11]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[12]，新加坡裕廊港在仓库屋顶安装光伏电池，年发电量超过1.2×107 kW·h[13]；我国天津港部署了3台5 MW风力发电机、0.4 MW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[14]，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%[15]。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6.8×108 kW·h、汽油和柴油为8.6×104 t、燃料油为9.8×104 t、天然气为1.8×104 t[16,17]；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%[18]。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1968.9 kW，发电量为2.02×106 kW·h/a，可减少碳排放1900 tCO2/a。风电的引入同样改善了港口电网结构并减少了碳排放 [19]。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6.25 GW）。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%。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。此外，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（1 kg氢的燃烧相当于3 kg汽油或4.5 kg焦炭的燃烧[20]）。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1000 kg/d。

（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[21,22]。以青岛港为例，氢气的出厂价为27~28元/kg，加上运费后港口加氢站的到站价为42~43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10 kW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4.3×104 kW·h，每年节约电费1.75万元~2.62万元，回收成本周期为8~11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3000 kW、年发电量为5.4×106 kW·h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8~10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/kW·h下降至2022年的0.077美元/kW·h[23]，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%。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30 MW振动炉排锅炉配套的小型机组，生物质消耗量约为1×106 t/a。然而，生物质能发电过程能耗较高（折算标准煤耗超过630 g/kW·h），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下。黑龙江、山东等省份的典型项目平均单位投资为9217元/kW[24]，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，解决我国资源生态问题。《国家综合立体交通网规划纲要》（2021年）要求，交通能源动力系统向清洁化、低碳化、高效化发展。鉴于海洋港口自身能耗较高，在我国海运体量庞大、承担95%的对外贸易运输量的背景下，绿色港口建设得到国家层面的高度重视[25]。《水运“十四五”发展规划》（2021年）、《绿色交通“十四五”发展规划》（2021年）、《交通运输部关于新时代加强沿海和内河港口航道规划建设的意见》（2024年）等政策文件，都支持开展风电、光伏发电等分布式发电技术以及岸电技术的港口应用，加强港口区域的生态环境保护和污染治理工作。构建生态优先的现代化港口逐渐成为发展主流。

新能源技术在满足海洋港口对绿色、高效能源需求的基础上，支持港口提升运营效率、降低运营成本、建立环境保护形象，有利于港口增强综合竞争力。在环境保护方面，我国港口电网现阶段主要以火电作为电力来源，在响应环境保护、促进可持续发展方面表现不佳，亟需应用新能源技术来优化港口的用能结构。新能源技术与自动化技术、智能化管理相结合，将为港口运营效率变革创造条件：电动化的港口搬运设备、集装箱运输车可以提高作业的效率和安全性，智能化的物流信息系统以物流车辆合理调度和路径优化的方式降低能耗。在品牌效应方面，减少温室气体、环境污染物的排放有助于改善港口的环境保护形象，吸引环境保护意识较强的货主和船公司选择该港口作为物流节点。

我国海洋港口的作业人员、船员等，在技术培训、实际操作经验积累、政策支持等措施的保障下逐步提高对港口新能源技术的适应程度，为新能源技术的港口和船舶拓展应用创造了良好条件。

（三） 成熟度分析

1 海上风电

我国海上风电技术起步稍晚，近年来发展迅速，目前新增装机数量居世界首位，2023年的总装机容量为38 GW，占世界海上风电累计装机容量的50%。海上风电场朝着大型化、规模化、集群化方向发展，我国企业研发的18 MW海上直驱风电机组有多项指标世界领先[26]。海上风电机组的基础型式逐步从国外引进向自主研发转变，我国企业研发了漂浮式基础结构，完成“三峡引领号”“海装扶摇号”“海油观澜号”等漂浮式海上风电示范项目。海上风电场所处环境特殊，海上风电运维面临故障率高、可达性差、成本高等严峻挑战[27]，正处于试验阶段的数字化海上风电运维系统有助于降低运维成本并提升运维安全性。储能技术在海上风电领域展现出调峰、调频、电网稳定、清洁替代等效益，但面向复杂的海洋环境，需强化技术研发与成本控制以优化储能工程应用。

2 光伏发电

我国光伏发电技术发展速度较快，以硅材料、硅片、电池、组件为核心的晶体硅太阳能电池产业化技术体系，兆瓦级光伏与建筑结合的系统设计集成技术为代表。2023年，我国光伏新增装机容量为216.88 GW，继续居于世界首位。分布式光伏发电是光伏发展的重要方向，能够有效利用港口空间、与港内环境和建筑相协调，但此类项目具有“小、零、散”的特点且发电波动性明显。我国正在探索新的海上光伏发展模式，在土地／水面占用、光照条件需求、发电效率提升等方面具有显著优势，发展潜力突出。储能技术也在快速发展，包括锂离子电池在内的主流储能技术，其能量密度、循环寿命、综合成本等都在不断优化。

3 氢气制备、储运及氢燃料电池

我国是世界上最大的氢气生产国和消费国，2022年的氢气产量约为3.533×107 t，超过世界总产量的1/3。然而，我国主要生产灰氢（由煤炭、天然气等化石燃料制备，过程中会产生大量的温室气体），2022年的煤制氢产量为1.985×107 t（占比56%）。最具有发展潜力的绿氢（由可再生能源电解水制备）还处于起步阶段，风电制氢、光伏发电制氢是未来绿氢制备的主要方式。在氢能储备方面，我国以高压气态与深冷液态储氢技术路线为主，自主开发的刚带错绕式技术处于国际领先水平。在氢能运输方面，长管拖车、管道输送、氨化运输是主要模式，其中管道输氢因规模大、距离远、安全经济的优势被视为工程首选，但面临管材耐氢性不足、关键部件国产化率偏低等挑战；中低压非金属管道输氢技术尚处于探索初期，有待攻关突破[28,29]。

氢燃料电池直接将氢气、氧气的化学能转换为电能，无需经过热能、机械能的中间转换，发电效率超过50%。我国氢燃料电池与国际领先水平相比存在一定差距，但发展势头迅猛，已具备规模化应用能力。

在海洋港口氢能源技术应用方面，我国进入世界先进行列。山东港实施了“氢进万家”示范工程，构建了基于氢能的智慧生态码头，应用了氢电耦合直流微网轨道吊系统，实现氢能与电能的互补利用，平均能耗降低28%以上。

4 潮汐能发电

基于潮汐的规律性运动和高能量密度的特点，潮汐能发电技术具有较高的发电效率，也因周期性、可预测性而能设计出更加稳定可靠的供电能力；用能场景受限于潮汐资源的特定分布，应用场景相对单一。公开资料显示，我国潮汐能资源蕴藏量为1.1×108 kW，可开发总装机容量为2.179×107 kW。在潮汐能观测／预测、水轮发电机组设计及运行等方面，实现了高效潮汐发电机组的永磁技术、高精度控制系统的集成应用，研发了270°电动变桨技术、300 kW潮流能发电机组。然而，潮汐能发电站投入较大，目前国内总装机容量仍然较小且发展相对缓慢。

5 生物质能发电

生物质能发电在我国清洁能源中的占比偏小，但发展态势稳健，如纯凝发电机组系统的综合发电效率超过30%。2022年，我国生物质能发电装机容量为4.132×107 kW，发电量为1.824×1011 kW·h。燃煤机组耦合生物质发电、热电联产等，相较传统的单一发电方式具有更高的应用价值，如采用热电联产方式时系统的综合效率超过80%。位于山东省日照市、由中国华能集团有限公司运营的大型燃煤机组耦合生物质发电示范项目，规划生物质发电容量为34 MW，预计年发电量为1.7×108 kW·h，可高效利用生物质燃料9.55×104 t，将减少1.4×105 t碳排放和19 t烟尘。

6 小结

应用新能源技术不仅可以有效应对海洋港口能耗大、污染重的问题，而且能够从提升运营效率、降低运营成本、改善环境保护形象等方面增强海洋港口的综合竞争力，为构建现代化绿色港口提供了关键支撑（见表1）。

四 我国海洋港口新能源技术应用的制约因素

（一） 技术性制约因素

1 海上风电技术应用的制约因素

海上风电技术发展较为成熟，未来海上风电容量也有较大空间，市场前景广阔；但是现有不少技术因素阻碍了海上风电在港口的应用，弃风限电现象频繁发生。① 关键部件国产化率低，高度依赖进口，尤其是高端轴承、叶片原材料的自有产能不足，成为制约规模化发展的重要因素。② 深远海风电技术不成熟，项目开发面临技术交叉、复杂度高的挑战，特别是高精度动力全耦合仿真技术存在不足，蕴含了潜在的技术风险与不确定性。③ 风电消纳仍是问题，这是因为海上风能因震荡性、间歇性、风剪切、偏航误差等因素易致电力系统不稳定，深远海风电的输电距离、开发规模、接入电压等级等均进一步提升，加大了海上风电规划难度以及与电网的联系密切程度。

2 光伏发电技术应用的制约因素

在海洋港口应用场景下，光伏发电并网过程可能直接影响整个电力供应的稳定性和可靠性，相应的技术性制约因素分为3个方面。① 并网电压波动大。温度、光照、季节等外部环境因素都会对光伏发电的并网运行产生影响。为了确保电网的安全稳定运行，需要在电力系统中进行电压波动的分析及记录，再结合现场情况采取适当的电压波动控制措施与补偿策略。② 发电调节成本高。光伏发电具有随机性和波动性，为了确保电网的安全稳定运行，需要配备适当的调峰电源和调频机组作为补充，以平抑光伏发电的波动、确保电网的供需平衡和频率稳定。这些配套措施在一定程度上抬高了电力应用成本。③ 电网调度操作繁琐。当前的电力系统没有采用自动调度技术，光伏发电系统因难以主动控制而没有参与电网频率与电压的调节过程。大规模、大容量的分布式光伏电源接入配电网后，加大了电网调度的难度。

3 氢能技术应用的制约因素

氢能源被视为显著促进碳中和进程的可再生能源类型，如氢燃料电池具有能量转化率高、绿色环保等优点，氢气可通过清洁能源电解水制备。然而，目前的氢能应用技术水平达不到全程高效和清洁。① 清洁能源电解水制氢尚处于起步发展阶段。电解制氢所需的电能，在国内主要为热能或其他形式能源转化得来，相应的热电转化效率仅有30%~40%；对应地，其他能源转化成为氢能的总效率只有25%~34% [30]，必然需要更加先进的技术以克服转化率偏低的不足。② 氢燃料电池制造水平不高。氢燃料电池构造特殊、原材料成本较高、技术研发周期长，氢燃料电池应用过程的安全性也需提升，这些都是氢燃料电池规模化发展亟待解决的难题。

4 潮汐能发电技术应用的制约因素

潮汐能由潮水涨落产生的势能和动能转化而成，我国常用的潮汐能发电技术（如筑坝式发电、潮汐能流发电）的成熟度均有待提高。① 发电机输出不稳定。潮汐发电具有显著的间歇性和波动性，在实际运行过程中发电机组利用率偏低，也伴随着明显的输出功率波动。② 选址条件苛刻。筑坝式发电站应用较多，但选址要求严格，如浙江省、江苏省、环渤海区域的潮汐能源资源相对丰富，但能够满足潮汐电站建设条件的理想站址不多，客观上限制了沿海地区潮汐能发电站的建设规模。

5 生物质能发电技术应用的制约因素

生物质能发电技术利用储存在生物质中的化学能（替代传统的化石燃料）进行发电。我国生物质能资源量极大，但受限于技术应用不成熟，总利用率不足10%。① 供应链复杂。生物质能发电供应链涉及生物质燃料的生产、收集、储存、运输、消耗等过程，参与的企业和组织有电厂、第三方物流、经纪人、农户等，多条供应链交叉并形成网状结构；这种结构的供应链上任一环节出现问题都可能影响整个供应链的流畅性，带来整体资源利用效率低下、成本增加等问题[31]。② 发电技术面临突破瓶颈。我国生物质能发电技术研究起步较晚，技术成熟度需要进一步提高。以主流的生物质能发电技术中的直接燃烧发电技术为例，一些农作物秸秆中含有较多的氯、钾、钠，这些物质因熔点低而在高温下容易结焦，直接影响其他物质受热和锅炉换热，致使环境效益不及预期。

（二） 经济性制约因素

1 海洋港口新能源产业链配套方面的制约因素

新能源整个产业链都以应用或相关服务为对象、价值增值为目标、各利益相关机构为载体、风险共担和利润共享为导向，具有明显的协同效应和动态增值特征。在海洋港口领域，新能源产业链配套建设的完善程度直接关系到港口运营的绿色化转型与可持续发展，而单一环节的问题都将制约新能源技术的应用成熟度。

海上风电产业链的参与主体包括上游的风力发电机零部件制造商，中游的风力发电机整机制造商、海缆和塔架等重要设施制造商，下游的安装商和开发运维商。从产业链的角度看，制约海上风电产业发展的主要因素有：上游的关键零部件制造技术存在短板，主轴承、超长碳纤叶片、变流器等产品的国产化率偏低，批量制造能力不强；中游的海缆、整机制造产能过剩，而先进技术应用不足、产品质量存在隐患，影响海上风电在港口应用的稳定性；下游的海上风电运维市场培育时间较短，智能化运维能力不强[32]。

光伏发电产业链由上游的硅矿开采与晶体硅原材料供应、中游的单晶硅与多晶硅电池组件制造、下游的光伏发电系统建设等环节构成[33]；产业链条较长、涉及多个行业和部门，其稳定性受到基础原料和产品供应不稳定因素的影响。从产业链的角度看，制约光伏发电产业发展的主要因素有：原材料和关键零部件（如多晶硅、绝缘栅双极晶体管模块）等进口占比较高、供需失衡明显；上中游减碳压力与下游光伏组件需求之间存在矛盾；光伏组件回收产业发展滞后，产业链条的终端和再循环领域未能闭环运行。

氢能产业链企业较多分布在燃料电池零部件及应用方面，上游主要是氢气的制备，中游包括氢气储运及加注，下游指氢气应用。制约氢能源上游发展的问题表现在制氢设备成本偏高、全程清洁能源参与的制氢技术不成熟。制约氢能源中游发展的问题表现在：氢能的危险化学品属性是制约港口区域加氢站建设、储氢、运氢的关键因素；港口区域相关配套设施有所不足，而港口作为多部门（如安全、交通、海关、边检、消防、环保）参与的重点监管对象，需要配备完善的安全设施才能确保氢能技术在港口的安全和稳定应用；在氢能运输方面，专门为港口流动机械供氢的企业极少、运输方式较为单一，导致氢能运输成本较高；氢能车辆的较高价格也是制约氢能港口应用的重要因素。氢能设备在环境保护、社会效益方面具有突出优势，但经济性依然不佳，导致港口企业作为氢能车辆的终端用户，对氢能技术的推广应用仍持保守态度。

潮汐能产业链主要包括上游的原材料供应、中游的发电设备制造和电站建设、下游的输配电和终端应用。从产业链的角度看，制约潮汐能发电技术应用的主要因素有：上游环节需要特种钢材、合金材料、高强度复合材料等，这些材料的质量一致性不佳，也易受世界市场的波动影响而致成本上升或供应不足；中游环节存在电站选址难度大、建设周期长、投资回报率低的问题；下游环节中电网接入调度适配性和灵活性不强，发电设备运营维护成本较高，专业化人才和技术保障不足。

生物质能发电的产业链主要包括上游的农作物秸秆、城市固体有机垃圾等原料处理行业以及装置设备行业，中游的生物质能发电企业，下游的电力行业。从产业链的角度看，制约海洋港口生物质能发电应用的主要因素有：上游的原料资源分布不均、存在季节性波动，收集和运输成本偏高，加上大部分发电设备来自进口，即使在国家补贴后多数生物质电厂仍可能亏损；中游的发电技术整体水平不高，具有自主知识产权的核心关键技术缺乏；下游的电能消纳能力弱，在电网接入时存在审批难、价格低的问题。

2 新能源技术发展商业模式方面的制约因素

市场模式、盈利能力是维持新能源可持续发展的关键因素。新能源技术的初期投资和运维成本较高，需建立可持续的盈利模式以吸引投资并促进中长期运营。在海洋港口应用方面，市场的整体导向良好，但存在因商业模式缺陷而引发的一些问题。

集中性技术发展平台缺乏，研究难以形成合力。一些专业设备依赖进口，在实际生产中遇到的技术难题得不到及时有效的解决，反映出我国新能源开发利用核心技术的成熟度仍待提升。新能源产业研究机构分散在高校和科研院所，缺乏专注于海洋港口新能源技术的集中性技术发展平台，在一定程度上制约了整个产业的技术创新和进步。

产业进入门槛不高，整体质量管控不力。部分新能源产业的准入门槛偏低，众多企业受政策引导而跨业涌入。例如，我国风力发电机整机制造商已接近200家且数量继续增加，导致产业过度竞争甚至恶性竞争，不利于产业质量管控；光伏产业的设备闲置率也在走高。这些问题直接削弱了海洋港口新能源技术应用的效率和稳定性。

能源系统用能单一，绿色转型动力不足。液化天然气在海洋港口中的应用比例越来越高，经济效益良好、环境保护效益突出，但无法实现“零碳排放”，仅是近中期的过渡性能源形式。风电、光伏发电等既具有波动性，也难以长期储存。氢能制取虽有一定规模，也可支持跨地区、跨季节的能量转化，但在应用上存在经济性劣势，导致港口企业推广应用的积极性不高[34]。

资源分布高度集中，实际需求未获响应。电网企业通过发电计划来调度各发电厂，实施用电计划来调控电力负荷，实际上隔开了发电企业与电力用户的直接联系。当前的资源配置为“集中式”，即产业垄断性强、企业权限集中、资源高度汇聚、大电网统一供电。在电源规划方面采用的是“自下而上、分级审批”的流程，主要以投资主体资格、建设可行性为评审标准，而忽略了电网的消纳能力、单一电源与区域内其他电源的负荷协调性等因素。这种规划方式在一定程度上导致电源建设的功利性、对利用效率及环境污染的不充分关注，不利于港口新能源发电的接入与消纳。因此，可再生能源面临着高安装能力与低利用能力的冲突[35]。

（三） 技术政策性制约因素

为了引导我国新能源技术创新与应用、提升海洋港口的绿色生产效率，近年来管理部门发布了关联的政策文件与行业规范，起到了积极的引导和规范作用。然而，以氢能源为代表的部分新能源，因缺乏专门的标准和规范而不利于海洋港口中的推广应用。

海洋港口氢燃料安全使用标准尚未健全。如将氢气定性为化工原料，则制备氢气的过程就属于化工项目，因而氢气制取兼具危险化工项目、能源项目的属性。关于加氢站建设项目，暂时没有统一的审批标准，导致港口新能源布局实践困难。港口作业机械的绿色化标准覆盖范围不全面，部分使用清洁能源的作业机械种类划分不明确；氢能源车等设备在港口使用还处于起步阶段，有关操作人员检查流程、车辆维护、氢气加注等都没有明确的执行标准。需要尽快明确监管部门，制定和发布氢燃料推广、操作、建设等标准。

整个氢能产业链缺少统一的标准与政策。尽管《加氢站通用要求》（GB/T 43674—2024）已正式发布以规范加氢站的建设和服务，但具体实施效果有待验证。氢能源车的使用未有明确的标准，各地对氢能源燃料使用的补助政策没有统一。氢能源储能调度运行的政策环境也亟待完善。

五 我国海洋港口新能源技术应用的推进措施

（一） 建立关键核心技术协同攻关体系，加快突破技术难题并降低应用成本

针对海洋港口新能源技术应用中的关键技术问题，建议国家相关管理部门联合部署重点技术攻关项目，强化基础性技术研发，聚焦节能降碳、多能源融合、“源网荷储”一体化等瓶颈环节，形成产业链上各环节项目基准收益等投资论证所需的科学依据。加强新技术、新能源、新装备的创新应用，健全以国家级重点实验室和工程研究中心、国家能源创新平台以及地方、企业、高校等创新平台为骨干，具有梯次衔接特征的技术创新平台体系，完善创新力量运行机制和跨学科、跨领域攻关协作机制，建设绿色港口创新联盟。通过资源共享、优势互补，共同推进海洋港口的新能源技术研发和产业化应用。

（二） 优化港口新能源技术应用的激励机制，以经济支持手段提升港口应用意愿

国家层面对新能源使用没有发布统一的激励指导政策，不仅限制了海洋港口的绿色转型速度，也使港口在争取地方财政支持时面临不确定性。建议国家相关管理部门加强跨部门协作、联合开展研究，在政策全周期（制定、实施、评估）中加强各层级协同，加快发布海洋港口新能源推广应用方面的激励性指导政策。重点关注氢能源，针对港口推广应用氢能源相关的燃料采购成本、车辆购置成本、车辆改造成本、车辆维护成本、技术培训成本等，以财政补贴、税收减免、低息贷款等形式进行适当的经济激励，增强港口企业应用意愿并积极扩大应用规模。

（三） 出台港口多能融合网络指导意见，突破当前市场领域瓶颈

海洋港口的多能融合需考虑经济性，这是因为各类新能源技术成本差异明显，在成本优化后才能全面开展商用。建议在《关于促进新时代新能源高质量发展的实施方案》《水运“十四五”发展规划》《“十四五”工业绿色发展规划》等政策文件的基础上，国家相关管理部门联合研究并发布“关于港口多能融合网络的指导意见”，涵盖以岸电技术、电力驱动港口机械为代表的海洋交通电气化，以氢能为代表的零碳燃料技术等细分方向；促进港口与多能源网络的深度融合，加快构建以电力为主、其他清洁能源为辅的多能融合港口现代能源体系。此外，推动交通、电力部门制定多能互补发展的配套政策，保障海洋港口区域“风光水火储”多能互补项目的顺利实施：明确能源互补原则、系统与大能源网的功率交换模式、可再生能源占比等要素，确定不同的能源利用形式在多能互补微网中的效率和成本计算标准以及适应综合能源系统的评价方法，制定港口多能互补项目实施技术导则、消防设计验收与状态监测评价等强制性要求、安全评估标准。

（四） 研究制定港口可再生能源及清洁燃料加注站审批等规制，完善政策框架体系

海洋港口需要建立配套体系、技术标准、安全规范，才能促进新能源的广泛采用。建议加快制定相关审批标准、设备绿色化标准、作业规程（或指南），精准支撑海洋港口的新能源、清洁能源应用。储能是提升海洋港口综合能源系统调节能力的重要手段，港口企业评估后认为，新能源侧消纳强配储能虽然存在成本上升的情况，但新能源利用率的提高也将驱动形成一定的利润空间。建议按照市场化储能、非市场化储能合理划分港口储能资源：前者由港口作为市场主体投资，新能源发电的盈余电能通过市场化渠道回收成本；后者由电网公司投资，通过输配电价回收成本。对于市场化储能，制定科学公平的市场准入和价格机制，提高港口企业应用新能源的积极性；以市场化方式获取收益，也将促使港口企业扩大储能规模、优化储能布局。

利益冲突声明

本文作者在此声明彼此之间不存在任何利益冲突或财务冲突。

Received date: June 7, 2024; Revised date: July 29, 2024

Corresponding author: Tu Min is an associate professor from the School of Transportation and Logistics Engineering, Wuhan University of Technology. Her major research fields include port planning & management, transportation system analysis and optimization. E-mail: tumin0929@sina.com

Funding project: Chinese Academy of Engineering project “Strategic Research on ‘Accelerating the Construction of World-class Marine Ports’ Driven by Innovation in Shandong Province” (2023-DFZD-25); Asian Development Bank project (20233h0326)

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

夏冬飞, 成慧慧, 邵雯, 蓝港先锋2023: 中国主要港口空气与气候协同力评价 [R]. 北京: 亚洲清洁空气中心, 2023.
[2]

Xia D F, Cheng H H, Shao W, et al. Langang pioneer 2023: Evaluation of the synergy between air and climate in major ports in China [R] Beijing: Asia Clean Air Center, 2023.
[3]

向坚刚. 建绿色港口 创绿色丝路 [J]. 中国港口, 2019 (12): 27‒28.
[4]

Xiang J G. Building a green port and creating a green silk road [J]. China Ports, 2019 (12): 27‒28.
[5]

叶峻涵, 杨平, 屈博, 新能源接入港口岸电系统设计与仿真 [J]. 现代电子技术, 2023, 46(12): 101‒108.
[6]

Ye J H, Yang P, Qu B, et al. Design and simulation of new energy access port shore power system [J]. Modern Electronics Technique, 2023, 46(12): 101‒108.
[7]

侯慧, 甘铭, 吴细秀, 考虑移动氢能存储的港口多能微网两阶段分布鲁棒优化调度 [J]. 中国电机工程学报, 2024, 44(8): 3078‒3093.
[8]

Hou H, Gan M, Wu X X, et al. Two-stage distributionally robust optimal scheduling for port multi-energy microgrid considering mobile hydrogen energy storage [J]. Proceedings of the CSEE, 2024, 44(8): 3078‒3093.
[9]

邰能灵, 王萧博, 黄文焘, 港口综合能源系统低碳化技术综述 [J]. 电网技术, 2022, 46(10): 3749‒3764.
[10]

Tai N L, Wang X B, Huang W T, et al. Review of low-carbon technology for integrated port energy systems [J]. Power System Technology, 2022, 46(10): 3749‒3764.
[11]

Iris C, Lam J S L. Optimal energy management and operations planning in seaports with smart grid while harnessing renewable energy under uncertainty [J]. Omega, 2021, 103: 102445.
[12]

方斯顿, 赵常宏, 丁肇豪, 面向碳中和的港口综合能源系统(一): 典型系统结构与关键问题 [J]. 中国电机工程学报, 2023, 43(1): 114‒135.
[13]

Fang S D, Zhao C H, Ding Z H, et al. Port integrated energy systems toward carbon neutrality (part Ⅰ): Typical topology and key problems [J]. Proceedings of the CSEE, 2023, 43(1): 114‒135.
[14]

林森, 文书礼, 朱淼, 海港综合能源系统低碳经济发展研究综述 [J]. 中国电机工程学报, 2024, 44(4): 1364‒1386.
[15]

Lin S, Wen S L, Zhu M, et al. Review on low-carbon and economic development of seaport integrated energy system [J]. Proceedings of the CSEE, 2024, 44(4): 1364‒1386.
[16]

曹菁菁, 雷阿会, 刘清, 虚实融合驱动智慧港口发展研究 [J]. 中国工程科学, 2023, 25(3): 239‒250.
[17]

Cao J J, Lei A H, Liu Q, et al. Smart port development driven by virtual‒real integration [J]. Strategic Study of CAE, 2023, 25(3): 239‒250.
[18]

孟祥雨. 绿色港口背景下的氢动力场桥投资决策模型及应用研究 [D]. 大连: 大连海事大学(硕士学位论文), 2023.
[19]

Meng X Y. Research on investment decision model and application of hydrogen powered field bridge under the background of green port [D]. Dalian: Dalian Maritime University (Master's thesis), 2023.
[20]

戴璐. “双碳”目标导向下绿色港口建设发展探究——以广西北部湾港为例 [J]. 中国市场, 2023 (23): 193‒196.
[21]

Dai L. Research on the construction and development of green ports under the guidance of “double carbon” goal—Taking Beibu Gulf Port as an example [J]. China Market, 2023 (23): 193‒196.
[22]

Misra A, Venkataramani G, Gowrishankar S, et al. Renewable energy based smart microgrids—A pathway to green port development [J]. Strategic Planning for Energy and the Environment, 2017, 37(2): 17‒32.
[23]

Song S, Poh K L. Solar PV leasing in Singapore: Enhancing return on investments with options [J]. IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2017, 67: 012020.
[24]

蒋一鹏, 袁成清, 袁裕鹏, “双碳”战略下中国港口与清洁能源融合发展路径探析 [J]. 交通信息与安全, 2023, 41(2): 139‒146.
[25]

Jiang Y P, Yuan C Q, Yuan Y P, et al. Pathway for integrated development of port and clean energy under strategy of carbon peaking and carbon neutralization in China [J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(2): 139‒146.
[26]

王宇, 李海波. “双碳”背景下港口机械电能替代技术分析 [J]. 港口科技, 2023 (1): 1‒4, 48.
[27]

Wang Y, Li H B. Analysis of substitution technology of electrical energy for port machinery under the background of “double carbon” [J]. Port Science & Technology, 2023 (1): 1‒4, 48.
[28]

陈金晶, 黎椿荣, 祝贵兵. 宁波舟山港碳排放量预测与分析 [J]. 浙江海洋大学学报(自然科学版), 2023, 42(6): 562‒567.
[29]

Chen J J, Li C R, Zhu G B. Prediction and analysis of carbon emission in Ningbo Zhoushan Port [J]. Journal of Zhejiang Ocean University (Natural Science), 2023, 42(6): 562‒567.
[30]

朱海燕. 宁波舟山港绿色港口发展水平评价研究 [D]. 长沙: 长沙理工大学(硕士学位论文), 2019.
[31]

Zhu H Y. Study on evaluation of green port development level of Zhoushan Port in Ningbo [D]. Changsha: Changsha University of Science & Technology (Master's thesis), 2019.
[32]

关于以能源转型为抓手 全面推进零碳港口建设的建议 [EB/OL]. (2022-08-10)[2024-06-07]. http://www.tjszx.gov.cn/yzjy/system/2022/08/10/030008225.shtml.
[33]

Suggestions on comprehensively promoting the construction of zero carbon ports through energy transformation [EB/OL] (2022-08-10)[2024-06-07]. http://www.tjszx.gov.cn/yzjy/system/2022/08/10/030008225.shtml.
[34]

黄龙显, 刘相华, 李一鹏, 重庆城开高速可再生能源利用方案研究 [J]. 公路交通技术, 2023, 39(6): 160‒167.
[35]

Huang L X, Liu X H, Li Y P, et al. Research on renewable energy utilization plan for Chongqing Chengkou‒Kaizhou expressway [J]. Technology of Highway and Transport, 2023, 39(6): 160‒167.
[36]

刘艳. 活性炭吸附储氢过程的热力学分析与模拟 [D]. 武汉: 武汉理工大学(硕士学位论文), 2010.
[37]

Liu Y. Thermodynamic analysis and simulation of hydrogen storage process by activated carbon adsorption [D]. Wuhan: Wuhan University of Technology (Master's thesis), 2010.
[38]

Mckinney J, Bond E, Crowell M, et al. Joint agency staff report on assembly bill 8: Assessment of time and cost needed to attain 100 hydrogen refueling stations in California [EB/OL]. [2024-06-08]. https://www.energy.ca.gov/publications/2015/joint-agency-staff-report-assembly-bill-8-assessment-time-and-cost-needed-attain.
[39]

Mayyas A, Mann M. Manufacturing competitiveness analysis for hydrogen refueling stations [J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2019, 44(18): 9121‒9142.
[40]

吴敬凯, 张安一方, 单楷越, 新型海上风电风机基础经济可行性评估 [J]. 水力发电学报, 2023, 42(12): 27‒34.
[41]

Wu J K, Zhang A Y F, Shan K Y, et al. Economic assessment of new type foundation for offshore wind turbines [J]. Journal of Hydroelectric Engineering, 2023, 42(12): 27‒34.
[42]

田宜水, 单明, 孔庚, 我国生物质经济发展战略研究 [J]. 中国工程科学, 2021, 23(1): 133‒140.
[43]

Tian Y S, Shan M, Kong G, et al. Development strategy of biomass economy in China [J]. Strategic Study of CAE, 2021, 23(1): 133‒140.
[44]

袁裕鹏, 袁成清, 徐洪磊, 我国水路交通与能源融合发展路径探析 [J]. 中国工程科学, 2022, 24(3): 184‒194.
[45]

Yuan Y P, Yuan C Q, Xu H L, et al. Pathway for integrated development of waterway transportation and energy in China [J]. Strategic Study of CAE, 2022, 24(3): 184‒194.
[46]

严新荣, 张宁宁, 马奎超, 我国海上风电发展现状与趋势综述 [J]. 发电技术, 2024, 45(1): 1‒12.
[47]

Yan X R, Zhang N N, Ma K C, et al. Overview of current situation and trend of offshore wind power development in China [J]. Power Generation Technology, 2024, 45(1): 1‒12.
[48]

罗小芳, 张晨阳, 王允, 海上风电运维管理技术现状和展望 [J]. 船舶工程, 2022, 44(2): 22‒30.
[49]

Luo X F, Zhang C Y, Wang Y, et al. Present situation and prospect of offshore wind power operation and maintenance management technology [J]. Ship Engineering, 2022, 44(2): 22‒30.
[50]

Hren R, Vujanović A, Van Fan Y, et al. Hydrogen production, storage and transport for renewable energy and chemicals: An environmental footprint assessment [J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2023, 173: 113113.
[51]

杜忠明, 郑津洋, 戴剑锋, 我国绿氢供应体系建设思考与建议 [J]. 中国工程科学, 2022, 24(6): 64‒71.
[52]

Du Z M, Zheng J Y, Dai J F, et al. Construction of green-hydrogen supply system in China: Reflections and suggestions [J]. Strategic Study of CAE, 2022, 24(6): 64‒71.
[53]

陈思晗, 张珂, 常丽萍, 传统和新型制氢方法概述 [J]. 天然气化工(C1化学与化工), 2019, 44(2): 122‒127.
[54]

Chen S H, Zhang K, Chang L P, et al. Overview of traditional and new hydrogen production methods [J]. Natural Gas Chemical Industry, 2019, 44(2): 122‒127.
[55]

苗新燕. 生物质发电厂燃料库存及调度优化研究 [D]. 北京: 华北电力大学(硕士学位论文), 2018.
[56]

Miao X Y. Study on fuel inventory and scheduling optimization of biomass power plant [D].Beijing: North China Electric Power University (Master's thesis), 2018.
[57]

夏云峰. 全球海上风电产业链发展情况概览 [J]. 风能, 2023 (12): 48‒59.
[58]

Xia Y F. Overview of global offshore wind power industry chain development [J]. Wind Energy, 2023 (12): 48‒59.
[59]

时波, 山成英. 光伏发电产业链思考 [J]. 青海金融, 2022 (3): 29‒32.
[60]

Shi B, Shan C Y. Thoughts on photovoltaic power generation industry chain [J]. Qinghai Finance, 2022 (3): 29‒32.
[61]

王汉. 新能源产业发展中的问题与对策分析 [J]. 电子技术, 2021, 50(10): 40‒41.
[62]

Wang H. Problems and countermeasures in development of new energy industry [J]. Electronic Technology, 2021, 50(10): 40‒41.
[63]

王君安, 高红贵, 颜永才, 能源互联网与中国电力企业商业模式创新 [J]. 科技管理研究, 2017, 37(8): 26‒32.
[64]

Wang J A, Gao H G, Yan Y C, et al. Business model innovation of energy Internet and Chinese utilities [J]. Science and Technology Management Research, 2017, 37(8): 26‒32.

基金资助

AI Summary AI Mindmap
PDF (667KB)

8247

访问

0

被引

详细
导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉