2010年以来,全球风能持续增长,海上风力发电量每年增长近30%。世界各国需要迅速增加可再生能源供应,以满足不断增长的需求和迅速减少排放的政策。尽管如此紧迫,海上风能目前提供的电力还不到世界电力供应的1%。许多建造风电场的主要浅水区都在开发中。但从下面的全球装机容量图来看,海上风电的潜力在很大程度上仍有待开发。
所有现有的近海风力涡轮机都是通过固定的基础连接到海底的,这主要是一个大型钢管桩,过渡到海底上方的涡轮桅杆。这些所谓的固定底部涡轮机的水深在50或60米。
但是最近的一些项目,包括苏格兰海岸的Hywind海上风电场和葡萄牙的windflaat海上风电场,都表明建造浮式风力涡轮机是可能的。一个6兆瓦的涡轮机,就像在Hywind风电场使用的那样,可以产生足够的电能为4000个英国家庭供电。
(海上风电=浅灰色,陆上风电=深灰色)
但是,要想在2050年为全球90亿人口提供等量的家庭用电,就需要大约50万台海上风力涡轮机——比目前的数量增加100倍——再加上为未来能源需求提供电力的额外能力。
虽然浮动风电场在技术上可行,但成本却十分高昂。在海上做任何事都很昂贵。为了建造一座1千兆瓦的固定底部风电场,完成必要的现场调查的成本在1500万英镑左右。该风电场的安装和调试费用约为6.5亿英镑,而运营和维护的持续成本约为每年7500万英镑。在它的使用周期内(可能是大约25年),还需要有3亿英镑,直到退役。
然而,浮式风力发电厂的设计和技术尚处于早期阶段,其成本甚至更高。2019年,海上风能的交付价格在每兆瓦时36至45英镑之间,而目前的浮式风能拍卖价格则超过了这一价格的两倍。
海洋安装结构部件体积也非常大。6MWD的海上风机直径154米,每个叶片的长度与A380飞机翼展相同。西门子Gamesa 10MW涡轮的转子直径为193米,而美国国家可再生能源实验室的15MW试验涡轮机的直径为240米。在海洋中建造、安装、操作、监测、维护和退役这种规模的基础设施,绝非易事。
虽然能源公司通常在遥远的海上建造,但一个单独的浮式风力涡轮机所产生的能量比一个海上石油或天然气钻井平台要少得多。在其使用寿命内,根据两种结构的尺寸,它可能会减少1000倍。因此,可再生能源同样的能源产量需要更多的基础设施。在海上安装海上风力涡轮机并将其保留在那里需要变得更便宜,以匹配海上石油或天然气的能源生产成本。
从传统的海洋工程中可以学到很多东西来帮助向可再生能源过渡。但是,通过做更多的相同的事情,或者提高现有方法和技术的效率,不可能实现必要的成本削减。
这就是为什么可能需要新技术来使浮式风电场具有成本效益。例如,使用机器人和其他自主技术来控制海上工程活动,从调查海床到操作、检查和维护浮动风力涡轮机,可以降低工人的风险,并对这些复杂系统进行更有效的控制。
对于目前正在建设的大规模开发项目,人们对海上风电场的常规检查将是不切实际的,当然对于那些计划在未来的项目。内置在浮式风电场所有部分的智能传感器可以持续评估结构部件的运行情况。
通过数字化运维来告诉我们在设计过程中最有效的锚具,或者在操作过程中系泊缆是否有失效的风险。
最新的技术已经可以使用天气数据来控制涡轮叶片的位置,最大限度地提高叶片产生的能量,或者防止在大风或风暴中造成损坏。随着对未来技术的投资,海上浮式发电厂将有助于提高全世界的可再生能源产能。