淺談深遠海域風電發展前景

上海綠色環保能源有限公司 ■ 李子林 施岐璘

0 引言

我國是能源消費大國，目前化石能源消費比重較大?！丁笆濉蹦茉匆巹潯诽岢觥扒鍧嵉吞?、綠色發展”的理念，將發展清潔低碳能源作為調整能源結構的主攻方向。風能是目前技術比較成熟的新能源，保守估計我國可供開發的風能資源在10億kW，其中海上風能資源為7.5億kW，且較多分布于離岸較遠的深遠海區域。因此，未來深遠海域風電將是主要發展方向。

國內外風電的發展都經歷了從陸上風電到近海風電，乃至深遠海域風電的歷程。我國海上風能資源豐富，加快海上風電項目的探索，推進深遠海域風電示范項目的建設，對于緩解近海海域的用海矛盾、促進風能產業的科技創新、調整能源結構和轉變經濟發展方式都有重要意義。

1 海上風電發展現狀

1.1 歐洲海上風電及深遠海域漂浮式風電發展現狀

丹麥風能研究和咨詢機構MAKE發布的《全球海上風電市場報告》顯示，2017年歐洲海上風電新增并網容量達到創紀錄的3148 MW，其中包括首座投運的漂浮式海上風電項目——坐落于英格蘭海域的Hywind風電場。該項目于2015年底開始籌備，共包含5臺6 MW風電機組，已于2017年10月18日正式投產，截至目前，風電場的運行狀況良好，并經受住了極端海況(大風、大浪)的考驗。

隨著海上風電場離岸距離和水深的不斷增加，漂浮式平臺成了海上風電項目經濟、可行的首選。約20年前，歐美開始研究承載風電機組的漂浮式平臺，對多種基礎形式進行了模擬驗證，并于近幾年陸續開展樣機及示范風電場的建設。除了前述的Hywind風電場，法國首個漂浮式風電機組“Floatgen”也已投入運行；同時美國、日本也在積極探索海上漂浮式風電技術，特別是在福島核事故后，日本已經加快海上漂浮式風電機組的驗證和推廣工作。

1.2 國內海上風電及深遠海域漂浮式風電發展現狀

我國海上風電起步于2008年，“上海東海大橋100 MW海上風電示范項目”于2008年開工建設，2010年成功并網發電。該示范項目的成功實施，拉開了我國近海海上風電大規模開發建設的序幕。截至2016年底，我國海上風電裝機容量為1630 MW；截至2017年8月31日，我國開工建設的海上風電項目共19個，項目總裝機容量為4799.05 MW，主要分布在江蘇、福建，其中江蘇8個在建項目，共計2305.55 MW，福建6個在建項目，共計1428.4 MW。

黨的十八屆五中全會進一步明確了建設清潔低碳、安全高效的現代能源體系的目標。2016年3月，國家發展和改革委員會、國家能源局聯合發布了《能源技術革命創新行動計劃(2016～2030)》，闡明了世界能源科技的發展趨勢，明確指出能源技術創新在能源革命中起決定性作用，并將“深海風能”提上日程。同月，上海市發展和改革委員會發布了《關于開展＜上海市深遠海域海上風電重大示范工程前期研究〉課題研究工作的通知》，立足于上海市科創中心，確立“創新引領，高端示范”研究目標，集中上海市海上風電產業的優勢資源，部署深遠海域海上風電重大示范工程研究工作。同年6月，國家發展和改革委員會、國家能源局、工業和信息化部聯合印發了《中國制造2025——能源裝備實施方案》，明確要求開展“海上漂浮式風電機組以及各種基礎形式”及“海上風電海上運輸船、吊裝船等施工維護裝備”的技術攻關。

上海作為國內第一個海上風電示范項目的所在地，率先開展深遠海域風電具有積極意義。由上海綠色環保能源有限公司牽頭，組織上?？睖y設計研究院有限公司、上海電氣風電設備有限公司、華銳風電科技(集團)股份有限公司、中交第三航務工程局有限公司、上海交通大學、同濟大學、上海電力學院、上海電力設計院共9家以上海本土企業為主的單位和機構組建成立產、學、研科研攻關聯合體，開展深遠海域漂浮式風電的課題研究，正式拉開了我國漂浮式風電開發的序幕。2017年4月，由9家單位組成的科研聯合體完成初步課題研究工作，并順利通過由水電水利規劃設計總院牽頭負責的項目驗收。

2017年9月28 日，上海市發展和改革委員會進一步明確了推進深遠海域風電示范項目的前期工作，爭取2019年立項，2020年開工。

從時間節點來看，我國深遠海域風電的發展落后于歐美國家。只有整合全產業鏈優勢，通過科技創新，推進深遠海域風電示范項目的開展，才能縮小這方面的差距。

2 國內深遠海域風電發展趨勢

2.1 深遠海域海上風電開發潛力巨大

據最新的海上風能資源普查成果顯示，我國在5～25 m水深、70 m高度海域的海上風電開發潛力約為5億kW。根據中國氣象局研究顯示，我國大部分海上風能資源分布在50 m水深線以外。另外，就我國東南部風能資源情況而言，在平均風速、風功率密度、湍流情況方面，近海優于陸地，遠海優于近海，總體而言，遠海風能資源情況更好。

根據粗略估計，我國海域及公海經濟專屬區內，深海區域50 m水深以上海域的風電開發潛力至少為10億kW以上。

2.2 深遠海域風電開發有利于海洋多功能區劃的協調

2016年11月4 日，國家海洋局發布了《關于進一步規范海上風電用海管理的意見》(以下簡稱《意見》)。《意見》要求海上風電開發要充分發揮海洋空間規劃控制性作用，優化海上風電場選址。按照《意見》規定，海上風電場選址一般不得占用港口航運區，要嚴格、科學地論證與海洋功能區劃的符合性，不能損害所在功能區的基本功能，避免對國防安全和海上交通安全產生不利影響。

深遠海域風電開發與近海風電開發相比，其主動與近海其他功能用海錯位，能盡量為其他功能用海留出空間，有助于近海海洋功能區劃的協調。

2.3 深遠海域風電開發有利于近海海域環境保護

目前，近海風電開發，包括工程建設和后續運維，會對近海海域生態環境造成一定壓力，隨著海上風電規模日益增加，近海海洋環境影響問題可能會慢慢凸顯。深遠海域風電開發有助于海洋尤其是近海海域的環境保護。

綜合考慮深遠海域風電開發的巨大潛力，以及盡量規避近海風電場開發對我國海洋功能區劃的影響、利益相關方協調難度和生態環境影響等多方面因素，深遠海域風電開發將會是海上風電產業未來發展的必然趨勢。而開展深遠海域海上風電關鍵技術的研究和攻關，掌握深遠海域漂浮式風電關鍵技術，是開展深遠海域海上風電研究的基礎和前提。

3 深遠海域漂浮式風電項目的可行性

由上海綠色環保能源有限公司牽頭的科研聯合體通過對多個課題的研究論證了深遠海域風電項目的可行性，論證內容主要涉及海域、基礎平臺、風電機組、場內集電線路、施工、經濟性等方面。

3.1 深遠海域風電場選址研究

結合《上海市風電發展中長期規劃研究》，通過與海洋、海事、農委等相關利益部門的共同論證，選取了圖1所示的海域作為某方案后期深遠海域風電示范項目的擬選海域。該海域位于上海市東側的國家經濟專屬區，根據《海洋法條約》的規定，該區域可以建設海上風電場等利用風力能源的海上工程。該海域風能資源豐富，風向及強度穩定，氣象條件適宜，不存在如臺風、雷電、暴雨等頻繁氣象災害的情況；場址區海域泥沙質為比較均勻的粉沙質淤泥，工程地質條件與水文條件良好，滿足項目選址的自然條件。

圖1 深遠海域示范項目擬選海域

3.2 深遠海域風電場接入系統研究

分別從交流輸電系統的可行性與直流系統的可行性兩方面對深遠海域風電場輸電系統的可行性方案進行了研究。分析與調查結果表明，交流輸電系統與直流輸電系統均適用于深遠海域風電的接入。但在現階段，交流輸電系統在經濟性、可靠性上更優于直流輸電系統。

3.3 深遠海域漂浮式風電基礎可行性研究

通過對國外漂浮式風電基礎平臺調研后發現，深遠海域漂浮式基礎主要有3種形式，分別為立柱式、半潛式及張力腿式，如圖2所示。

圖2 深遠海域漂浮式基礎的3種形式

1)立柱式。采用壓載來降低重心，直到重心低于浮心，以獲得靜穩性；用懸鏈線或張緊線來錨泊；具有吃水較深、安全系數大、工程量較大、成本相對較高的特點。

2)半潛式。通過利用多個距離較遠的小水線面面積來獲得靜穩性，具有吃水深、結構穩定、對海床地質條件要求較高、成本高的特點。

3)張力腿式。通過錨泊張力超過浮體所提供的浮力來獲得靜穩性，具有吃水較淺、穩定性好、設計靈活、成本相對較低的特點。

根據國內擬選風電場的水文特點(水深在50 m左右)，目前主要考慮的基礎形式為張力腿式，同時開展半潛式基礎的研究。

3.4 深遠海域風電漂浮式風電機組可行性研究

基于目前假定的環境條件域及張力腿式的漂浮式平臺基礎形式，海上風電機組采用漂浮式風電機組方案在技術上是可行的。但同時也存在很多問題，比如，如何保證風電機組在漂浮式平臺上的正常穩定運行，如何保證風電機組在遠海極限工況下的自持能力，如何實現風電機組遠程自檢及復位，如何調整風電機組的控制策略以保證風電機組功率曲線的正常等。

3.5 深遠海域漂浮式風電機組施工方案可行性研究

漂浮式風電機組施工涉及較多難點，比如，基礎的預拼裝技術、錨泊系統選型與施工技術、平臺與風電機組海上運輸與安裝技術等，施工工藝與裝備在國內都無先例可循。因此，通過國外調研及國內創新，形成了深遠海域漂浮式基礎施工與裝備成套的技術，并形成了張力腿平臺基地分體拼裝與整機調試及海上整體安裝的思路。按照國內現有制造業水平，深遠海域風電基礎制造及安裝問題不大，后期對專用運輸船舶方面會有新的需求。

3.6 深遠海域風電項目的經濟性

根據英國阿特金斯設計咨詢公司和葡萄牙電力新能源研究中心調研掌握的數據，在目前的設計水平下，深海風電機組不含遠海電網接入，單位造價在2.6～2.8萬元/kW；接入系統的造價則與升壓站的建設情況及傳輸距離有關，同時還與傳輸電壓等級有關。

按照目前初步科研成果的測算，我國能將深海風電機組造價控制在2.5萬元/kW左右(不含接入、送出系統)，略低于國外水平。如果全部按照深遠海域選擇漂浮式基礎來建設，若考慮250 MW級建設規模加上電網送出系統，則項目總投資將增加至約73.2億元。按年等效滿負荷利用小時數為2800 h測算，在滿足內部收益率10%的基礎上，其上網電價將為1.2599元/kWh(含稅)。

未來隨著研究的深入及產業規模化，技術和工藝逐步成熟和升級后，造價會適當的下降

，對應合理電價期望值也會相應下降。另外，總體造價與風電場實際水深相關，如果淺水區沿用固定式基礎，造價也會相應下降，對應電價也會相應下降。

4 深遠海域風電發展前景

2015年11月30 日，習近平總書記在“巴黎氣候變化大會”等國際場合做出莊嚴承諾，“中國2020年非化石能源占一次能源消費比重達到15%，2030年非化石能源占一次能源消費比重達到20%”；2016年9月3日，我國正式加入《巴黎氣候變化協定》。在現有陸上風電和近海風電趨近于飽和的情況下，開展深遠海域風能利用，符合《巴黎氣候變化協定》，符合習總書記重要講話精神，符合我國綠色發展的理念，對于風能的合理利用具有積極意義。隨著技術的不斷成熟，使得深遠海域漂浮式風電在我國的發展成為可能，屆時，遠海更好的風能資源也將助推深遠海域漂浮式風電項目成為未來海上風電的藍海。