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欧洲海上风电 助力全球清洁替代发展

日期:2021-05-17    来源:全球能源互联网资讯  作者:王维

国际风力发电网

2021
05/17
09:29
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关键词: 欧洲海上风电 海上风电产业 清洁能源产业

风能作为可再生能源三大主要发电形式之一,其发电技术迭代迅速,政策扶持力度强,度电成本逐年下降,未来产能还将持续快速上升。目前,虽然海上风电装机容量不及陆上风电,但海上风能资源丰富、波动性小,具有更广阔的开发前景。因此,世界多国都制定了宏伟的战略与规划,以推动海上风电发展。一直以来,欧洲是全球海上风电开发的领航者,积极实施海上风电战略能源技术计划(SET),助力全球清洁替代发展,推动欧洲实现2050年碳中和目标。

欧洲海上风电发展概况

欧洲海上风电装机容量全球领先。据欧洲风能协会数据,截至2020年底,全球海上风电累计装机容量32.5GW,欧洲区域装机容量占比约77%达25GW。2020年,全球海上风电新增装机容量为5.21GW,其中欧洲区域新增占比约56%达2.91GW。欧洲海上风电项目主要集中在北海、爱尔兰海和波罗的海,累计装机容量分别达19.8GW、2.93GW和2.22GW,如图1所示。

图 1 欧洲海上风电场分布(截至 2020 年底)

发展特点

一是风力发电机组单机容量不断增大。从19世纪中叶到21世纪初,风力发电机组(简称风机)经历了170年的发展,最大单机容量已由1kW增加至14MW。自2018年以来,美国通用、德国西门子歌美飒、丹麦维斯塔斯三家风机研发与制造巨头,相继推出大容量风机,使欧洲海上风电项目平均单机容量迅速从4MW增加至8.2MW,如图2所示。2019年,英国可再生能源发展机构(ORE Catapult)宣布将在三年内实现风机单机容量达20MW。由此可见,风机容量大型化已在业界形成共识,采用大容量风机不但可以大幅提高发电量,还能节约运维成本、提高海上风电经济性。采用大容量风机将是未来海上风电发展的必然趋势。

图 2 2010—2020 年欧洲海上风电项目风机平均单机容量

二是风电厂选址向远海跃进。随着风电成本逐年下降,欧洲海域近海风电厂逐渐饱和;风机安装技术不断进步,使欧洲海上风电场离岸距离越来越远。2000—2019年,欧洲每年投运的所有海上风电场平均离岸距离由1km增加至59km,如图3所示。美国国家可再生能源实验室(NERL)预测,2025年海上风电场的平均离岸距离将增加到70km。目前,英国在建的Dogger Bank海上风电场离岸距离已高达125—290km。

图 3 北海海上风电项目平均离岸距离及水深

海上风电项目离岸越远,水深越大,对风机的重力支撑技术要求越高。一般固定式基础风机仅适用于水深不超过60m的海域风电建设项目,而漂浮式基础风机在水深60—1000m范围内技术可行。考虑到安装建造成本和海上风电经济性,漂浮式基础或将成为未来远海风电发展的重要支撑平台。

测算表明,80%的欧洲海上风能资源均位于水深大于60m的深海区域,漂浮式海上风电的技术潜在开发容量可达4000GW。目前,全球首个漂浮式海上风电示范项目Atlantic已部分并网,标志着漂浮式风电已进入商业化应用阶段,欧洲海上风电向远海发展的序幕已拉开,未来十年欧洲将有7GW漂浮式海上风电投入开发建设。

三是风电场运营向无补贴发展。欧洲作为最早发展海上风电的地区之一,其海上风电价格补贴经历了二十多年逐步降低的过程,其电价政策也从固定电价转向浮动补贴机制,从政府定价转向竞价机制,从而使海上风电度电成本进一步降低。例如,英国从可再生能源配额制转向差价合约电价政策(CfD)后,其海上风电开发成本下降超过50%;德国在转变政策后,已有三个海上风电项目通过竞标实现零补贴。

截至2019年6月,欧洲已有四个海上风电项目实现零补贴平价上网,且平价上网项目数量正在快速增加。其中,全球最大的无补贴海上风电项目Hollandse Kust Zuid预计2023年全面投运,如表2所示。欧洲海上风电已率先迎来了平价上网时代,将积极推动远海风电开发进程,助力欧洲清洁替代发展。

表 1 欧洲未来三年新增浮式海上风电项目

表 2 欧洲“零补贴”海上风电项目

成本分析

近海风电发电成本逐年下降。自2010年以来,全球海上风电度电成本已下降29%至0.115$/kWh,其中,海上风电装机成本下降18%,容量系数从2010年的37%增至2019年的44%;由于风机尺寸和容量增大以及海上风电厂数量增多带来成本协同效益,运维成本也相应下降。预测表明,未来十年海上风电度电成本将下降到0.05—0.10$/kWh之间。其中,竞拍和购电协议(PPA)最新数据显示,2023年海上风电的全球拍卖价格将较2019年下降29%至0.082$/kWh。

图 4 全球近海海上风电平均发电成本

远海风电发电成本高企。欧洲海上风电发展至今,近海风能资源越来越稀缺,远海风场建设和运维的成本高企,与目前竞标电价快速下降的趋势形成强烈反差。例如,2020年初投产的Hornsea One海上风场项目,总装机达到1220MW,是目前世界装机容量最大的海上风电项目,上网电价高达0.19$/kWh。

欧洲海上风电发展趋势

风电外送向海上电网汇集发展

欧洲提出全新海上风电并网方案。截至2020年底,北海已投运60个海上风电厂,安装有3601台不同容量的风机。若按照传统的辐射式(点到点)组网,将导致近海区域电缆拥挤(图5.a)。欧洲风能协会等机构提出建设海上电网,高效接入海上风电构想(图5.b),不仅可以解决近海区域电缆拥挤问题,更重要的是可以实现不同海上风电场电力互济,将海上风电送出和跨国互联有机结合,可以大大节约通道建立成本,将电力更经济地输送到负荷中心。

图 5 海上风电组网模式

建造海上风电枢纽岛。2018年,荷兰输电运营商、北海能源巨头TenneT联合丹麦输电运营商Energinet,计划在北海建造三座人工岛屿,作为海上风电场和陆上电网的连接枢纽。每座风电枢纽岛设计面积约6平方公里,设有港口、机场等交通设施。岛上的主要设备是直流换流站。周围风场将电能通过交流电缆传输至岛上进行换流,再以高压或特高压直流电的形式将电能送到陆上电网。风电枢纽岛将多个国家的电网互联,可在不同国家之间进行调峰。

欧洲海上风电日趋汇集,换流站的建设以及运维工作规模化、集中化,将极大提升效率、降低成本,推动海上风电更大规模发展。

风电场由送电向制氢发展

就地制氢是海上风电未来发展方向。当前全球每年生产8000万吨氢中仅有1%的氢由绿色能源产生,大部分来自天然气和煤炭,每年碳排放达8.3亿吨,超过全球航运业碳排放总量。需要约820GW的风力发电能力,才能生产当前所需的氢气量。预计到2050年,全球每年将需要约5亿吨氢气,这将需要高达4000 GW的可再生能源发电能力。海上风电就地制氢除了使能源输送成本更低、氢气更易储存外,将更好满足氢气作为生产原料推动钢铁、航空等电气化较困难行业清洁转型的未来需求。

结论

通过对欧洲海上风电发展情况的分析,可以预见未来欧洲海上风电将向远海发展,单机容量更大、装机规模更大,由单一送电方式向集群并网发展,实现电、氢多能转化,实现多国跨海电力互济、助力全球绿色低碳转型。


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