海洋可再生能源是一种可源源不断产生的清洁能源。在能源转型和应对全球气候变化的压力下，海洋可再生能源以其不占用土地空间、资源分布广泛、开发潜力大、可持续利用、绿色清洁等优势，成为全球可再生能源发展的重要组成部分和当前国际能源领域研究开发的热点和前沿。海洋能源有着巨大的减排潜力，每千瓦海洋能装机容量每年能够减少1.67吨二氧化碳排放量。全球海洋能总储量巨大，海洋能的实用化开发与商业化利用如果得以合理开发，各种海洋能发电量之和理论上将远超当前全球每年电力消费需求。
海洋可再生能源减排潜力巨大
当前，全球新一轮能源革命和科技革命正在深度演变，大力发展海洋可再生能源已经成为全球能源转型和应对气候变化的重大战略方向和一致宏大行动。海洋可再生能源是以潮汐能、潮流能、波浪能、温差能、盐差能等多种形式存在于海洋之中，以海水为能量载体。
近年世界各国均出台多项措施来推动海洋能研究和产业多元化发展，据国际能源署海洋能系统技术合作计划预测，全球海洋能装机规模到2025年将超过3亿千瓦并实现二氧化碳减5亿吨；欧盟委员会出台一系列政策支持海洋能发展，包括《欧盟绿色协议》和《海上可再生能源战略》，加大对海洋能产业的支持力度，鼓励各国将海洋能发展纳入其2030年国家能源和气候计划中；美国出台《基础设施投资和就业法案》为包括海洋能在内的全国各种基础设施项目提供大量资金；美国能源部为波浪能技术走向商业化提供融资机会且正在资助一系列致力于海洋能发展的倡议；澳大利亚出台《海上电力基础设施法案》为支持海洋能发展迈出了重要的一步。中国国家发改委、国家能源局于2022年6月1日印发《“十四五”可再生能源发展规划》，明确强调要建设现代化海洋产业体系目标。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》在“积极拓展海洋经济发展空间”中明确作出“推进海洋能规模化利用”的部署安排。从海洋能储量分布及研究开发现状中可以看出我国当前海洋能总资源高达10亿kw，其中通过太阳、月球、地球三者引力作用的潮汐能总装机规模可达2179万kw，波浪能理论可利用功率高达1285万kw，潮流能理论可利用功率高达1394万kw，温差能理论可利用功率高达17.47亿～218.65 亿kw，盐差能理论可利用功率高达1.14亿kw。
海洋可再生能源是当前我国要构建清洁低碳、安全高效现代能源体系的重要抓手，为深入贯彻新发展理念，加快构建新发展格局，以及实现“十四五”时期我国经济转型升级、高质量发展的总体要求，必须不断提升海洋可再生能源发展的核心竞争力，从而全面促进资源节约集约利用，更快达成“双碳”目标。
1.波浪能
波浪能是指受到地球引力影响在地表海平面的海水进行有规律周期性起伏运动而形成的波浪所具有的动能（通过水体运动的形式）和势能（水团偏离海平面的位势）。一方面是海水经太阳辐射照射后地表海水温度迅速上升并与深海海水形成较大温差从而造成海水流动；另一方面受到太阳引力影响在地表形成风能，风能再把能量传递给地表海水以机械能储存的形式进行能量交互，波浪能是太阳能的演变形态。海洋表面波浪的能量是与浪波高度平方、浪波运动频次及整体迎波面狭长成正比。波浪能是诸多海洋可再生能源中最不稳定的能源，但是其具有品味最高、分布最广、能流密度大、取之不竭及环境影响小等优势，成为海洋能研究与开发的焦点，波浪能的实际功率大小与海水流速、风速、风向等诸多要素有关。据有关部门调研显示全球约70%的面积是海洋，波浪能全球资源总量达2tw，我国拥有3.2×104 km海岸线、300×104 km2海洋国土面积，沿岸和近海及毗邻海域的波浪能约为5.74×1011 kw，理论年发电量1401.17×108 kw·h，技术可开发装机容量为1470.59×104 kw，年发电量为1288.22×104 kw·h，沿海波浪能能流密度为每米2k～7kw，每米海岸线能流足以满足20个家庭的电力消耗。国务院在2021年10月26日印发《2030年前碳达峰行动方案》中明确表明，当下正在构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，要大力实施可再生能源替代行动，其中包括积极推动波浪能发电的应用。据国家知识产权专利局统计，我国波浪能专利申请始于1985年，截至目前申请已公开专利4412件，并于2021年达到申请量阶段性顶峰，该年专利申请量为历年之最共计606件。山东威海浅海海上综合实验场和广东珠海万山波浪能实验场于2020年6月完成建设，并研制出首台装机功率达500kw鹰式波浪能发电装置“舟山号”，它是我国目前单台装机功率最大的波浪能发电装置。2022年6月兆瓦级波浪能发电平台在东莞正式开工建造，实现在远海岛礁的并网示范，建成以波浪能为主体电源的新型电力系统示范岛。
目前研究波浪能发电工作基本原理是利用波浪能转换器在海洋地表波浪作用下进行360旋转（横摇运动）和上下漂浮，将波浪能转化为机械势能，或利用海洋地表波浪的运动将波浪能直接转化为水的重力势能。波浪能应用场景较为宽泛，可用于海水淡化、发电蓄水及制氢工艺等多种运用方式，其中最为主要的是波浪能发电。由于波浪能具有不稳定的特点，目前并未大规模应用，小功率波浪能发电已在灯塔、导航浮标等应用场景进行推广应用。要想波浪能进行大规模应用的重要环节是波浪能转换装置，通常波浪能转化为电能需要三级进程：第一级是沉浮在海水中受波载体装置，通过其在海水中的旋转沉浮运动将海洋中的波浪能吸纳进来；第二级是能量平稳中间转换装置，它的设计结构优于一级受波载体装置，可以将一级受波载体装置吸纳的波浪能进行平滑输出转换为发电机所需的能量；第三极转为主要是运用储能双向变流器系统，对电力进行转化成输出用户所需电能。波浪能装置子系统主要包括水动力子系统、能量摄取子系统、反作用子系统及控制子系统。
当前波浪能装置可以大致归纳为振荡水柱式、振荡体式和越浪式三种装置类型（见图1）。未来波浪能发展趋势要针对发电装置的适应性差、能量转化率低、稳定性弱等不足之处进行创新研究，逐步演化为多自由度、阵列化发电、多能互补耦合发电、多功能的综合平台。
2.潮汐能
潮汐能是地球通过自转产生机械势能并受到太阳和月球的牵引力作用将能量传递给海洋，海洋潮汐能循环规律与太阳、月球、地球三者之间相互作用息息相关。受到地球自转影响，当月球面向海平面时，地球引力和月球引力产生较强引力耦合作用形成涨潮，当地球自转海平面背向月球时二者之间引力耦合作用较弱则形成退潮，地球自转时间为23小时56分4秒，这种振幅将近1米的深海波浪形式浪潮以12小时25分为一周期由东向西传播。在每月农历的初一、十五，月球、太阳都在地球一侧且呈一条直线，此时太阳和月球引力耦合作用对浪潮的振幅作用最强，所以每个月会产生两次较大潮汐。在海岸线边缘有许多海沟、岩石等不规则物体而导致海洋潮汐呈现出复杂变化。潮汐在经过该区域时会损失约1/3的能量，我们完全可以将损失能量通过特定技术转换成电能。潮汐能是一种蕴藏量极大的可再生能源。潮汐能的主要利用方式为发电，通过利用靠海的河口或海湾与外海隔开形成一个天然水库以便存蓄大量海水，海湾缺口处安装水轮发电机组（低水头、大流量），在涨潮时海湾内蓄水水位线低于海水水位，受到重力势能的影响大量海水涌入海湾，这时涌入的大量海水会形成正向推动力驱动水轮机组实现动能向机械能转换，水轮机组叶片不断旋转驱使发电机发电以此来实现机械能向电能转换。在退潮时海湾内部水位线高于海水水位促使海水回流形成落差力，驱使水轮机反方向转动实现发电。目前潮汐能最成熟的利用形式是潮汐发电，潮汐能发电对生态环境影响可忽略不计，整个发电进程不产生温室气体及污染物且地理环境要求多为天然条件不占用耕地，不受季节性、洪水及枯水期等水文条件影响。经国际相关专家进行合理预估，全世界理论潮汐能发电可达1.2×1012 kw·h。我国大陆沿海区域潮汐能资源较为丰富，理论蕴藏量约为1.1×108 kw，可开发利用约为0.2179×108 kw，其中大陆沿海海岸线和岛屿海岸线长达6134.9km和11673.9km，在海岸线附近建设多座潮汐能电站。我国对潮汐能的开发利用较为久远，自建国以来我国对潮汐能发电领域就十分重视，有关部门陆续在上海崇明及山东乳山等多个沿海地区建设潮汐能电站。目前，我国潮汐能发电站大多采用筑坝式、单双库等形式。表1为我国部分潮汐发电站现状。
潮汐能是一种绿色无污染的可再生能源，通过海水潮汐发电不仅仅有助于我国构建清洁低碳、安全高效的现代能源体系，更是一种重要的国防建设后备能源保障。潮汐发电站全年总发电量稳定，不存在人口迁徙及农田淹没等棘手问题，而且可以通过建设防海大坝来促淤围垦大片海涂地，将海洋化工产业、水工建筑、海上物流交通运输、渔业养殖等多个领域搭建成综合平台进行复合利用。在建设潮汐电站时不需要大兴土木搭建大型高坝，这样即使出现地震海啸等自然灾害时不至于对沿海下游城市造成毁灭性打击。潮汐电站在建设初期与传统的火力发电厂相比投资较高，然而在建成后度电成本低，且几乎不需要进行维护，不受一次能源价格的影响，从长期发展的角度来看具有良好的经济效益和社会效益。建设潮汐发电站可以有效降低海浪和海水流速，从而减少沿海地区的风暴影响，可以使海水中复杂悬浮物迅速下沉至海底，减少对防海大坝的冲击，当地渔民出海捕鱼时潮汐发电站可为其提供休憩区域。通过气象部门统计，建设潮汐发电站使台风造成的损失减小5%，养殖业损失减少10%。潮汐发电站在发电时会使海洋原来谐振条件发生变化，对潮流和潮坡的影响较大，在冬季时可使海水表面温度降低，随之海水含盐度也会出现变化，海水结冰厚度也会出现骤变，乃至太阳光照照射深度变浅使海底生物改变洄游路线等一系列影响。
3.温差能
海洋温差能指的是海洋上层与深层之间存在较高温差，从而具有可利用热源能量，其本质来源于太阳辐射能且极具有开发利用价值、清洁低碳、安全高效、高品质热能等诸多特性，在温差12～20℃时折合成有效水头为210～570m，已具有相当水力能的强度。全球海洋可吸收太阳辐射能量约为4×1013 kw，大部分辐射能量存贮至海洋表层，海水深度在1000m以上深处时温度接近零点，且大量深层海水从南北极受到地球引力影响缓慢流向赤道，由此产生大尺度海洋环流。可利用海洋常年20℃左右垂直温差这巨大稳定能源来进行热力循环发电，这称为海洋温差能发电。温差能具有可转化电能大、发电波动小、清洁可再生、单位能量密度高、绿色无污染等诸多优点，积极开发海洋温差能资源对实现我国科技兴海战略具有重要意义。
海洋温差能发电系统根据所用工作介质及原理的不同可分为闭式循环和开式循环（见图2、图3）。闭式循环海洋温差发电机系统是由蒸发器、涡轮机、发电机、冷凝器等几部分组成，其原理是通过低温海水泵抽取大量深层低温海水进入整个循环系统中的冷水管道，深层低温海水在抽取过程中会因为初始温度、泵送排量、管柱材料等诸多因素影响出现温度上升，为此要实现otec高效稳定发电必须保证抽取深层低温海水时刻保持低温状态。通过高温海水泵抽取海洋表层温水进入循环系统中热力管道，热力管道将温水输送至充满氨水（氨标准蒸发温度是-33.35℃）的蒸发器中，将氨水蒸发成沸腾的氨蒸汽，氨蒸汽由热力管道输送至涡轮机并带动涡轮机运转，涡轮机带动发电机发电。随之逸出氨蒸汽则会汇入冷凝器，将抽取的大量深层低温海水灌入冷凝器中进行液化成氨水后由氨升压泵输送至蒸发器中循环利用，如此反复循环从海水中不断获得电力；开式循环海洋温差发电机系统工作原理是将海水作为工作介质通过海水泵把海水抽送至闪蒸器，经过闪蒸蒸发器处理后的海水转变成海水蒸汽，蒸汽通过热力管道输送至涡轮机并带动涡轮机运转，涡轮机的叶片旋转带动发电机发电完成机械能向电能的转化，做完功后的蒸汽通过冷凝器后可生成淡水。
4.海流能
海流能是指海水在受地球引力影响形成较为稳定流动所具有的动能。相较于波浪能的不稳定性，海流能的变化趋势及流动均较为规律，海流能拥有一定的可预见性与随机性，其所具有能量与流速平方和流量成正比，海流能具有能量密度大、储量丰富、可预测性强等诸多天然优势。据估计全球海流能可利用资源高达5tw，世界各国均大力开发利用海流能。
海流能发电是通过海流能捕获装置捕获流经固定区域内的海流所产生的动能并将动能转换为电能。当下主流海流能发电系统包括变换器与耗能负载两大部分，主要包含水轮机、三相磁同步发电机、不可控桥式整流器、变换器、蓄电池、逆变器以及控制系统。海流能捕获装置在深海中利用稳定流动的海水驱动水轮机叶片高速旋转把海水动能转化为叶轮机机械能，从而完成能量捕获。叶轮机连锁带动永磁同步发电机共同转动，永磁同步发电机内部完成切割磁感线运动后产生电能。在海流能发电系统安装设置储能系统将产生的电能整流成直流输入至变换器，储能系统与直流负载进行并联以此来平衡发电机的输出频率。最终储能系统中的电能通过逆变器或斩波器将直流变交流后并入公共电力网络。
5.盐差能
盐差能发电是指不同盐浓度的海水或淡水和海水之间在交汇时会发生由低浓度液体流向高浓度液体的物理渗透反应，具有化学电位差从而产生巨大的海水渗透压并驱动水轮机组进行发电。盐差能的能量与渗透压和淡水量（渗透水量）成正比，在江河入海处的海水渗透压可以相当于240m高水位落差。其中1m3淡水流入海水中可释放能量约0.61kw·h，经估算全球盐差能高达30tw，其中可利用提取为2.6tw，其能量甚至比温差能还要大。我国沿岸江河年平均入海净流量约为1.5×1012～1.6×1012m3，其中我国主干道河流流量约为1.4×1012～1.5×1012m3，中国沿海地区盐差能蕴藏量高达3.58×1015kj左右，理论上发电功率达1.14×108 kw。我国盐差能资源主流分布于沿海城市周边，其中在长江以南近海河口的盐差能蕴含量约占全国92%。长江流域盐差能理论存储量为2.214×1015 kj，占全国61.8%；珠江流域盐差能理论存储量6.949×1015 kj，占全国19.4%。盐差能具有能量密度高、可操作范围广、无污染等诸多优势，逐渐成为一种更具潜力和吸引力的技术。
目前获取盐差能技术包括反电渗析技术（red）和压力延迟渗透技术（pro）。反电渗析法是利用氯离子、钠离子两种不同盐浓度溶液来进行发电，通过离子交换膜选择性透过氯离子、钠离子并在两电极处形成电势差，从而产生外部电流。反电渗析系统由离子交换膜、阴阳电极、隔板、外部负载、两种不同浓度盐溶液组成，其中离子交换膜是关键核心要素，可分为阴离子交换膜（aem）和阳离子交换膜（cem），当负电离子和正电离子在通过时该膜会进行选择性甄别，将两种带电离子分隔开来形成电化学电位进而产生电荷。把多张离子交换膜叠加在一起时阳离子和阴离子会在膜的每次相互交错累积起电势，从而成为发电驱动力。压力延迟渗透技术是通过利用半透膜将低浓度溶液（如河流、微咸水或废水）中的水输送到高浓度溶液（海水、盐水）中从而提取盐梯度能量的技术。当半透膜两侧低浓度溶液和高浓度溶液的浓度梯度达到动态平衡时，高浓度溶液中的势能逐步上涨，并驱动涡轮机转动把机械能转化为电能。
我国海洋可再生能源开发利用展望
为更快实现到达“碳中和”时我国海洋能装机量超过30gw的宏伟目标，需从以下六个方面同步协调促进海洋能可再生能源规模化开发利用。
一是全面部署低成本海洋能装备制造技术开发应用。通过“揭榜挂帅”“赛马制”等创新机制开展海洋能开发利用新材料、新技术、新装备、新工艺攻关，提升波浪能、潮汐能、盐差能、海流能、温差能等领域创新能力，不断提高装备制造技术的能量转换效率和可靠性，构建国际先进的多元化多层次海洋新能源开发科技创新平台，加速推进产学研合作项目，切实推动海洋能重大技术研发、重大装备制造和规模化水平，统筹推动装备制造技术降本增效。
二是完善顶层设计，加大政策性保障。加强对海洋能基础理论研究、创新型海洋能示范性装置等方面的持续性资金支持力度。拓宽海洋能发展融资渠道并探索商业性金融、股权融资等手段，逐步建立稳定持续的多元化资金投入机制，设立“海洋能源利用与转化基金” 细化落实产业激励政策，加快制定海洋能上网电价激励政策。
三是重视海洋可再生能源基础性研究。加强研发与技术人员培育，充分调动科研院所、高校与骨干企业的科研力量，重点突破提高多种海洋能综合利用的能量转换效率、装备稳定性、系泊避险技术、防腐防污技术、收放运维技术和多能互补技术等关键技术，超前部署重点领域前沿性、颠覆性技术攻关，构建面向未来的战略性技术储备优势。加强高效转换的基础理论与室内、海上先进测试技术的全面支撑，充分利用海上综合试验场的条件，引领国家在本领域的原始创新与技术创新。构建国际先进的多元化多层次海洋新能源开发科技创新平台，加速推进产学研合作项目，切实推动海洋能重大技术研发、重大装备制造和规模化水平。
四是强化海洋可再生能源示范性工程应用。加强海洋能国家重点实验室和海上试验场等平台建设，不断搭建海洋可再生能源相关标准体系，为海洋能产业化发展奠定技术和标准化基础。加强海洋能资源高效利用技术装备开发和工程示范，促进海洋清洁能源多元化开发与应用，通过产研结合的方式适时扩大各类海洋能示范工程规模并不断加快推进我国海洋能发电技术达到规模化、商业化应用水平。
五是深化海洋可再生能源国际合作。充分利用我国能源技术和产业优势加强与发达国家的技术研发、转让和能力建设等合作，加速推动我国海洋能技术和产业实现跨越式发展。抓住“一带一路”机遇以及依靠双多边合作机制和平台，推动沿线国家海洋能源技术和装备推广。积极参与世界海洋能合作平台和发展计划逐步提高我国在国际可再生能源署、国际能源署海洋能系统技术合作计划等国际组织中的影响力。
六是拓展海洋能可再生能源多元化应用场景。积极拓展海水淡化和制冷、海水制氢、深海远洋开发、海岛开发、海上能源供应、海上国防建设等多个领域应用。通过建设多能互补的海洋能源和海洋能源陆上传输网络，促进清洁海洋能成为偏远岛屿和深远海洋活动的能源保障。拓展海洋能应用新场景，除为海岛及其通讯、海洋监测等提供电力外，还应与海水养殖、海水淡化、海洋采矿等场景相结合以实现海洋能技术和产业不断相互促进。做到按需定制，解决海上设备能源供给问题，形成海洋能应用新技术、新业态和新场景。