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能源岛:深远海域海上风电破局关键

日期:2021-11-25    来源:能源科创  作者:廖圣瑄,陈可仁

国际风力发电网

2021
11/25
16:32
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关键词: 风电装机 海上风电 风电项目

近年来,风电场选址从陆地走向海洋,从近海走向远海,海上风电的发展为实现“3060”碳中和、碳达峰的目标添砖加瓦。我国除东海西南部、台湾海峡和东沙群岛区域外,大部分近海区域年均风速都在8m/s以下,但从近海到远海,风资源情况逐渐变好,离岸距离也更远,开发难度较大。为了加大对远海风能的利用,探索能源岛类型的新型发展模式成为当前主要研究对象。

目前,我国主流的海上风电机组安装在近海区域,远海风电产业仍处于起步阶段。能源岛主要用于连接远海大型风电机组,其建造相当于建立起一座海上能源枢纽,用于发电、储能及制氢等。以能源岛为中心,辐射式建立海上风力发电机可以更高效地利用海上风能,同时,在能源岛宏观设计时横向相连,可以向更远的海域继续探索,为进一步拓展远海风电开发项目打下基础。面对近海可用海域逐渐缩小,风能密度不如远海的现状,能源岛计划有望成为由近及远的破局关键。

海上风电发展与布局

2020年我国海上风电新增装机3.1GW,总装机规模达到10GW。从规模和总量上看,截止2020年底我国海上风电总装机仅次于英国,位居世界第二。根据国际可再生能源署预测,为实现巴黎气候协定,到2050年全球海上风电装机总容量将接近1000GW,而截止2020年底全球海上风电装机总量只有35.3GW,海上风电发展还有很长的路要走。

利用远海风能是海上风电未来发展的趋势,德国、英国等海上风电大国都已布局深远海域风电项目,2020年欧洲在建海上风电场平均离岸距离44公里。英国计划到2030年安装40GW海上风电,大力发展浮式海上风电,2020年英国在建水深最深的风场正是浮式项目,水深达67米。丹麦能源署公布了建立能源岛的计划,能源岛选址需考虑到多方因素,暂未公布确切地址,但据信将位于日兰半岛以西的北海上,距海岸线80-120公里,每个能源岛海上风电装机容量至少为10GW。据悉,丹麦能源岛项目将于2050年之前建设完成,届时可以支撑180GW容量的海上风电机组。从我国规划上来看,2021开年以来,沿海各省着眼于“十四五”发展规划,出台的政府工作报告进一步明确发展海上风电。

浙江省“十四五”规划中提出,重点推进海上风电发展,打造近海及深远海海上风电应用基地+海洋能+陆上产业基地发展新模式,到2025年,力争全省海上风电装机容量达500万千瓦。同时,浙江省对远海风电发展进行了规划,提出开展象山、洞头和苍南深远海风电开发,明确出台海上风电补贴。江苏省发布的“十四五”规划提出,将有序推进海上风电集中连片、规模化开发和可持续发展,打造国家级海上千万千瓦级风电基地,海上风电新增约1212万千瓦。

广东省政府工作报告提出,将进一步扩大海上风电装机规模,到2025年底全省累计建成投产装机容量达1500万千瓦。同时,广东省能源局明确了中央补贴取消后,广东地方的海上补贴标准,2022年、2023年全容量并网项目每千瓦补贴为1500元、1000元。

福建省政府工作报告中指出,“十四五”期间加快海上风电装备产业升级,开展深远海海上风电基地示范工程。沿海各省大力推展海上风电开发项目,在政策上有利于我国海上风电行业的发展。

各省逐渐出台深远海风电开发项目,虽未涉及到能源岛建设方案,但在指导方向上有利于能源岛模式远海风电的开发与探索。

我国建设能源岛的可行性

从风资源分布上来看,根据国家气候中心研究结果显示,我国海域5~50米水深、70米高度海上风能储量约5亿千瓦,而50米水深以上的深水区域风能储量约为13亿千瓦,远高于浅水区域。我国深海海域离岸较远,开发能源岛,建立远海风电机组有助于增加深水海域风能的开发。

从海域情况来看,丹麦能源署目前公布的人造岛屿海床较浅,平均深度在26m左右。对比我国海域,渤海平均水深18m,大部分区域水深在20m以下,施工条件相对较好。

从地理上看,渤海北接辽宁,南临山东,在渤海建立能源岛可以同时向北京、天津和山东等省供能,消纳能力较好。

东海大陆架平均水深72m,大部分海域水深在60到140m,大部分海域属于深海风电范围,目前开发水平受限。台湾海峡风条件较好,且海峡中下段有台中浅滩、台湾浅滩类水深较浅的海域,海洋环境条件与欧洲类似,但存在台风带来的不利影响。总体来说我国海况与欧洲差异较大,探索能源岛模式需要按照自身条件进行针对性建设。

从岛屿情况来看,我国岛屿存在小岛多、大岛少,无人岛多、有人岛少的情况,东海岛屿总数约占全国60%,南海约占30%,黄、渤海约占10%。在能源岛规划时,可以直接采用自然岛屿进行改造,也可以搭建人造平台,前者所耗成本远低于后者。东海、南海海域岛屿众多,但海水较深,为进一步推进我国海上风电发展,结合其海岛众多的地理条件,建立能源岛是加大深远海域海上风电发开力度的有效途径。

从技术角度上来讲,能源岛开发仍应以自然岛屿开发为主,岛上基础设施建设难度较低。深远海域采用固定桩基础成本非常高,需要积极开发浮式基础的海上风电技术,然而我国海上风电起步较晚,目前浮式基础项目很少,技术水平仍需进一步提高。同时,远海风电风况好于近海,还需要开发更大容量的机组。

从经济性角度进行分析,前期需要投入一定的成本对能源岛进行规划和建设,但后期带来的收益要高于前期投入。能源岛的经济性主要体现在以下几个方面:第一,能源岛建立在深远海域,基本不涉及到养殖的场址,不用给与渔业高额的补偿费用;第二,我国深远海域风况要好于近海区域,更好的风资源意味着更大容量的机组,可以带来更高的发电量和收益率;第三,以能源岛作为中转站,对海上风电机组各组件进行临时储运,可以降低海岸运输成本;第四,升压站建立在海上时,为满足其防腐和维护需求,海上升压站设备费用会多出1500万元,还需要大型船机进行安装,配置在能源岛上可以减少这部分成本;第五,以能源岛作为运维枢纽,配备码头和机场可以降低运维成本。

中国能源岛模式探索

目前,国内在建的海上风电项目大部分布置在近海区域,风场中心离岸最远的项目距离海岸线72公里。随着国内生态保护力度不断增大,海上风电机组选址时还需为渔业、港航和军事区域等做出让步,加快开发远海风电的呼声越来越高。

将能源岛建设成能量储存、转换和运输中心可以降低海陆输能成本。目前,国内海上风电机组直接将电能变压后输电上岸,国外正大力研发海上风电制氢项目,将氢能运输上岸。建立升压站,构建柔性直流输电系统,以电力的形式向陆地输电是远海风电利用的重要方式。除了以电的形式向陆地输能外,以能源岛作为基地建立工厂集中制备、运输和储存氢气,还可以通过氢的形式输能。相较于将电能传输到陆地后再电解制氢,在能源岛上电解水直接制氢,通过管道运输到陆地的成本低于前者。

以能源岛为枢纽建立集中式远海风电场有利于产生规模效应,以岛为单位设计的海上风电机组群可以通过模块化生产降低制造成本。在能源岛配套设施选择上,通过配置码头、小型机场等设施可以降低运维成本,缩短事故反应处理时间;通过配备储能设施,可以保障电力系统安全稳定运行;通过配备仓库、海水淡化装置等可以降低运输安装成本。

能源岛的建立还有利于进一步开发海洋资源,进行海上实验。在发电领域,能源岛可以在风力发电的基础上探索波浪能、温差能及海流能等与风能互补发电的模式。此外,能源岛的建立还可以进一步推进“风渔一体化”,2021年广东省政府工作报告指出,“十四五”期间大力发展深远海智能养殖平台和远洋渔业,这无疑是促进“风渔融合”新的机遇。尝试将远海地区海上牧场与海上风电相结合,以能源供给为主体,渔业旅游业为辅助,有利于挖掘能源岛更多的潜在价值,提高整体经济效益。

总得来说,目前能源岛产生效益的方式主要有供电、供氢和牧鱼,以团组块状的商业形态围绕能源岛布置。供电环节将会是能源岛的主体,发电时以海上风电为主,可进一步开发潮流能发电等模式,为未来海洋能的进一步利用打好基础。供氢角度存在较大的问题是送氢上岸,海底管道输氢基础建设成本高,同时管道复合材料依赖进口,解决好这些问题将更好地推动能源岛的发展。风渔互补的模式则需要与当地政府和渔民进行协商合作,以便更好地利用能源岛资源。发电企业应积极寻求与当地政府、管道公司和渔民等合作,通过更加多元化的收益模式提高能源岛的回报率。

从消纳区域来看,我国用电量大的地区主要集中在东部沿海,这些区域陆上土地资源成本较高,风能密度较差,开发陆上风电难度较大。目前,我国沿海区域仍以火电供能为主,在进一步推进碳达峰、碳中和的背景下,建立能源岛,将风电场选址区域向深远海域延展有利于缓解将来火电比例减少带来的供能压力。

从宏观布局上来看,渤海中部水深较浅,风速比近岸区域好,适合能源岛布局;东海远海区域渔业发展较好,岛屿众多,有利于能源岛进一步开发风渔互补;台湾海峡风况最好,存在岛礁,可开发大容量风电机组环绕的能源岛。为完善能源岛的发展,需配套深远海岛屿建设和海底输氢产业链。

能源岛的建设可以作为探索更加深远海域的跳板,每一个能源岛都可以作为一个中转站,点亮一片海域。纵横交织的能源网从近海铺向远海,无论是用于制氢还是供电,对我国海上风电的发展都能起到巨大的推进作用。企业将目光聚焦于能源岛的建设,可以抢占深远海域开发的先机,提前谋划离岸更远区域的海上风电布局。

构建能源岛尚存问题和建议

目前,制约我国能源岛发展的主要问题仍是成本过高。根据2020年财政部、国家发展改革委和国家能源局下发的《关于促进非水可再生能源发电健康发展的若干意见》,2021年12月31日后新增的海上风电项目将不再纳入中央财政补贴范围。失去补贴后,海上风电项目的收益率将有所下降,未来仍需进一步降低风电机组制造成本和吊装成本等。从制氢成本来看,虽然通过能源岛制氢输氢经济性更好,但我国氢能需求侧发展缓慢,消纳难度大。在未来深度脱碳的背景下,随着氢能行业的发展,能源岛制氢的效益将有所提高。

鉴于人工造岛成本过高,建议能源岛选址时尽量在自然岛屿基础上进行开发,以提高整体收益率。在风电机组选型上,由于深远海域海水较深,我国海床地质较为复杂,建议选用漂浮式机组可以更好地降低风机成本。然而,我国漂浮式海上风电机组研发起步较晚,进一步发展产业技术和降低项目成本是目前主要的问题。在输电领域可以采用直流动态输电,以减小线路损耗,同时减小风电间歇式并网问题带来的影响。当前我国海上风电技术尚不成熟,在保证风机安全稳定运行的前提下,建议尽量提高单机容量,以提高收益率。目前,国内还没有出台深远海域相关的开发政策与管理机制,发展能源岛的远海风电开发模式还需要政府的推动指导。不论如何,在“3060”的背景下,远海风电将会是海上风电未来的发展方向。


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