导读

本文从微观的视角出发，分析海上风电发展的驱动和制约因素，进而对我国海上风电的未来发展进行分析判断。

海上风电快速发展的机遇

1、风电的巨大潜能

国际能源署开展了一项新的地理空间分析，以评估各国的海上风能潜力。该分析基于最新的全球风速和风质量数据，同时考虑了最新的风电机组设计。对于安装在距海岸60公里以内、水深60米以内的水域，海上风能潜力是每年36000TWh。全球电力需求目前为23000TWh。在进入更深的水域后，浮式风电释放的潜力能够满足2040年世界总电力需求的11倍。新地理空间分析表明，仅海上风力发电就可以满足许多国家几倍的电力需求，包括欧洲、美国和日本。

国际能源署与伦敦帝国理工大学合作为海上风电发展进行了详细的风能潜力评估。他们利用“Renewables.ninja”建模工具进行全球地理空间分析，基于欧洲中程天气预报中心(ECMWF) (ERA-5)最新的卫星数据再分析。采用目前最新的风电机组(10MW)不同风速下功率曲线，合成20MW风机的功率曲线。评估区域仅为可进行海上风力发展的地区，不包括指定作竞争用途的地区(即渔业、航运、国防、油气勘探和生产区域)、环境保护的地区(不包括联合国规定的用于自然保护的海洋规划区)及海底电缆和地震断裂带附近的11个地区。

风资源质量的评估基于新项目的平均容量系数以及各区域年平均风速。评估显示，南北极的风能资源的质量普遍较高 (图1)。在欧洲，北海、波罗的海、比斯开湾、爱尔兰海和挪威海，近海风电的年平均发电容量系数约为45-65%，高于美国(40-55%)、中国(35-45%)和日本(35-45%)的这一数据。在南美和新西兰沿海地区，容量系数也很高，约50-65%。印度的中等风速资源区平均容量系数30-40%。一般来说，在靠近赤道的地区，例如东南亚和西非部分地区，平均容量系数相对较低。

图1  全球海上风电平均容量系数仿真值

容量系数的评估为海上风电发展潜力评估奠定了基础，再根据单位风场面积年额定发电量等参数，经过评估可知，全球海上风电的风能潜力超过12万GW，每年可产生超过42万TWh的电力。不过，这项评估并没有考虑其他的限制因素，如输配基础设施的可用性，以及其他与市场相关的问题等，但这一数据足以证明海上风电的巨大潜能。

STEPS将海上风能潜力与各国电力需求相比较，根据评估预测，到2040年，许多国家将能够通过海上风电满足本国电力需求。例如，在欧洲(不包括格陵兰岛和海外领土)，海上风能潜力是需求的十倍以上(图2)；日本海上风电可提供其需求9倍以上的电能；在美国，不包括阿拉斯加和夏威夷，海上风电可以提供其两倍的电力需求；印度和中国将能够满足绝大部分电力需求，印度海上风电潜力接近每年6000TWh，中国每年为8300TWh。

图2  STEPS中2040年各地风资源潜能与其电力需求之比

中国主要城市附近的浅海水域已具有每年生产近4700TWh的风能潜力，其中超过1800TWh在靠近海岸的区域，可以以相对较低的成本进行开发。

2、可再生氢的需求增加

海上风电的高容量系数和低成本，使它可以在低碳氢的生产中发挥重要作用。目前，每年氢的使用量大约有7000万吨(70Mt)，主要用于石油炼制和化学生产，但几乎所有的氢都是由化石燃料产生的。利用低碳能源生产氢有助于支持清洁能源转型，例如，低碳氢可以用于减少许多工业领域二氧化碳排放，如钢铁、化工以及交通运输领域。氢燃料电池非常适合于为重型卡车供能，低碳氢在航空和航运领域可能有其他用途。

图3  生产1Mt氢所需的海上风电容量

3、公众接受度

由于海上风电远离陆地的天然属性，使其不像其他技术那样面临公众抗拒的问题，如陆上风能和太阳能光伏所面临的噪音和视觉冲击等问题。

海上风电发展的制约因素

作为一项有望快速发展的技术，海上风电面临诸多挑战。开发商必须建立高效的供应链，解决与海洋生物生存相关的环境问题，并论证其在近期竞标中承诺的大幅成本削减在其他市场和一系列海洋条件下是可以复制的。海上风电开发商还必须成功应对一系列技术和监管挑战，尤其是海洋规划和陆上电网基础设施的发展，以便将海上生产的电力有效输送至需求端。强劲的增长也可能带来新的挑战，比如获得足够数量的稀土材料，这些元素对大型海上风电机组至关重要。如果要充分发挥海上风能的潜力，为清洁能源的未来做出巨大贡献，就必须克服这些挑战。

1、高效供应链

海上风电发展的一个关键挑战是发展高效的供应链，从而降低项目风险以及降低成本。在这一供应链中包括优良的风电机组和基础设计及其按时交付、透明的长期规划、法律法规保障等，使得整个行业得以健康有序发展。期间政府将扮演重要角色，包括规划明确发展目标，建立健全行业法规等。在供应链中，设备和操作的标准化也有助于降低成本，并通过最大限度地利用与油气行业的协同效应来追求更高效益。

2、环境问题

世界自然基金会WWF在2014年提出，海上风电项目可能会对海洋鱼类、哺乳动物和鸟类产生潜在的负面影响，包括栖息地的变化、施工过程中的伤害、运行噪音、碰撞风险以及电磁场的规避或吸引。另一方面，一些研究也指出了潜在的好处，包括提高生物种群数量和改善生态连通性。丹麦能源署对丹麦horn Rev项目开展了长期环境研究，鱼类可能会被吸引到基础附近，风机基础为其提供遮蔽处所，并可能增加项目区域内的物种数量。虽然整体影响存在不确定性，但在海上风电场的整个生命周期内，重视环境问题，以保护生物多样性是非常重要的。世界自然保护联盟IUCN有一套关于海洋保护区的指导方针，可供业界参考。

3、陆上电网发展

支持陆上电网基础设施的开发对于有效整合海上风电项目的电力生产至关重要。如果没有适当的陆上电网的扩张与合理布局，海上风电将不能得到合理的利用，甚至影响其开发。

海上风电发展的作用

根据STEPS和SDS的估计，海上风电成本的下降将导致海上风电的扩张。政策也将是这一扩张的重要影响因素。随着海上风电的扩张，海上风电作为一项相对成熟的技术，可以帮助实现环境目标，同时有助于提高电力的安全性和经济性。

1实现环境目标

根据STEPS估计，在接下来的20年里，全球海上风力发电的15倍增长有助于几个关键地区脱碳电力的供应，也使发电引起的二氧化碳排放量平均下降三分之一以上。如果没有海上风电的贡献，以现有发电组合的平均水平计算，未来20年全球累计二氧化碳排放量将增加约5Gt。根据国际能源署数据，欧盟减排1.4Gt二氧化碳，美国减排0.5Gt，中国减排1.7Gt(图4)。

图4  各地由于海上风电使用而减少的二氧化碳排放量

2、油气行业协同

海上风力发电和油气行业共享各自供应链的技术和要素，使彼此有进一步互利和协同发展的空间。

世界许多油气公司纷纷布局海上风电，荷兰壳牌、挪威Equinor、丹麦Φrsted这些老牌油气公司都有海上风电开发或相关合作项目。

国际能源署估计，一个标准的海上风电项目全寿命期约40%的成本与海上油气行业有显著的协同效应。根据STEPS所述，在欧洲和中国有4000亿美元的市场机会，SDS评估这一数据大约5500亿美元 (图5)。海上风电的基础和水下结构可以从油气行业学习其设计安装经验，还可以借鉴油气结构在安装和运营期间在船舶利用方面的经验。大型海上风电项目所需的海上变电站和风电机组内部线路建设，也可受益于与石油和天然气行业的合作。此外，在安装阶段之后，还有各种设备和服务上的交叉协同。比如油气平台的维护和检查及其安全标准也可用于海上风电场的运维。石油和天然气平台附近的风电场可以为其提供低碳电力，降低排放且可以降低成本。另外废弃的油气田还可以用来储存二氧化碳，其气体压缩设备，可以由附近的海上风力发电场供电。

图5  全球海上风电投资费用以及与油气行业的潜在可协同费用

3、提高能源安全和经济性

对电力部门而言，海上风能充沛而持续稳定的特点使其为电力系统充分供电保障，这在可再生能源中是独一无二的。因此，它可以成为清洁能源转型中电力安全的关键因素。在依赖进口燃料发电的地区，海上风力发电可以通过提高自给自足和能源负担能力来改善能源安全。例如，一个1GW的海上风电场可以替代8亿立方米的天然气进口而产生的高效燃气发电量。

海上风电的优势使其在低碳电力和低成本氢的生产中更具竞争力。这些都是实现环境目标的关键。如果没有海上风电的发展，欧盟、中国和美国的电力脱碳工作将需要更多地依赖陆上风能和太阳能光伏发电。总体而言，海上风电让能源转型变得更经济可行，限制了灵活性需求上升带来的挑战，并可能最终加速脱碳进程。

综上，从全球看向中国，千尧科技对国内海上风电做出如下判断：

1、机遇

能源转型是党的十九大加快生态文明体制改革、建设美丽中国重大方略的具体要求，是履行《巴黎协定》中我国碳减排承诺的重要途径。在这一背景下，沿海各省市均已规划或正在规划海上风电建设。如海上风电先行者上海、江苏、福建、以及如火如荼建设中的广东省、目前着手规划的广西自治区等。

经过多年发展，中国海上风电进步迅速。2019年，全国风电新增并网装机2574万千瓦，其中陆上风电新增装机2376万千瓦、海上风电新增装机198万千瓦。截止2019年底，全国风电累计装机2.1亿千瓦，其中陆上风电累计装机2.04亿千瓦、海上风电累计装机593万千瓦，风电装机占全部发电装机的10.4%。2019年风电发电量4057亿千瓦时，首次突破4000亿千瓦时，占全部发电量的5.5%。而且，风电装备研发和制造技术快速提升、工程勘测设计技术不断进步、海上风电技术快速发展和新兴技术应用不断涌现。

2、限制因素

国内海上风电仍然发展尚未成熟。虽然海上风电经过了多年发展，但仍然存着经验不足的问题，许多行业技术尚未成熟，包括机组、输电及运行维护等。

由于海上环境的特殊性，海上风电主机设备价格更高，单桩、导管架等风机基础施工程序复杂，还需采购配备施工船舶、打桩锤等专业装备，这些因素导致了海上风电建设成本维持在较高水平。投资成本逐步升高。随着海上风电项目逐步向更远的外海转移以及选址的复杂性，海上风电项目的初始投资成本将进一步提高。

3、带动作用

小编看来，海上风电的带动作用是多方面的。除文中所提的节能减排和能源安全外，从国际视角上看，我国发展海上风电还有助于兑现国际承诺、提升国家形象，以及实现国家战略规划目标。从国内视角看，发展海上风电有助于促进行业的持续进步，带动产业链发展，促进就业和GDP增长。

除与油气行业协同发展外，海上风电可以带动智慧海洋、海洋牧场等海洋产业的发展。一方面因为海上风电建设前期对海域环境开展了深入全面的调查，掌握了海域充分的数据，为海洋产业提供了天然的数据基础，节省了时间和资金成本；另一方面海上风电建设后提供了完善的基础设施，即海上结构、电力、通讯等，也为海洋产业提供了便利，在同一海域发展海洋产业可以实现明显的协同作用，节省大量的成本。