基于集約理念的海上風電用海面積控制指標研究

胡恒 ,岳奇 ,丁寧 ,李學峰 ,董月娥 ,孟雪 ,王秋妍,邵文宏

(1.國家海洋技術中心 天津 300112;2.唐山市自然資源和規劃局 唐山 063000)

0 引言

黨的十八大將生態文明建設納入中國特色社會主義現代化建設“五位一體”的總體布局,將生態文明提到前所未有的高度,也對海洋生態文明建設提出新的要求,集約用海的發展理念進一步確立[1]。集約用海理念是統籌利用海洋資源、最大限度發揮效益、保障用海需求的重要內容之一,是推進海洋生態文明建設的根本要求。“十四五”時期是加快建設海洋強國的重要時期,我國邁入高質量發展新階段,人民群眾對美好生活的需要日益增長,各類行業用海規模迅速擴大。為正確處理開發利用與資源保護的關系,必須改變粗放的開發利用模式,集約用海理念將成為我國海洋可持續發展的根本方針。

海上風電作為我國可再生能源發展的重點領域,“十四五”期間將進入新的發展時期。各沿海地區相繼出臺規劃,海上風電規模將大幅提升,規劃海上風電場址面積超過7 000 km2。隨著風電技術的發展和突破,海上風電項目規模不斷增加,單機容量不斷提高。由于需要安裝眾多的風機以及鋪設密集的海底電纜和漫長的輸電電纜,海上風電場影響的海域面積是其占用海域面積的數倍[2],海洋空間資源供給矛盾與沖突日益突出,已逐漸成為當下及未來一段時期亟須解決的重要難題。

本研究系統分析現有海上風電場包絡海域面積、確權海域面積等數據,采用集約化的空間資源開發理念,結合海上風電用海的特征與問題,提出科學、可操作的海上風電用海面積控制指標體系,提高海上風電項目用海集約性,促進經濟效益、社會效益和環境效益的統一,推動海上風電發展更好地契合海洋可持續發展戰略與未來發展趨勢。

1 集約理念在海洋資源配置中的應用

我國在“十四五”時期要推動綠色發展,促進人與自然和諧共生,強調全面提高資源利用效率。自然資源部非常重視集約用海的指導與管理,明確提出集約用海的相關要求。在宏觀層面,要求“以加快轉變海洋經濟發展方式為目標,處理好保障發展與保護資源的關系,優化用海布局,調整用海結構,改變傳統的分散用海、粗放用海方式,實行集中適度規模開發,提高單位岸線和用海面積的投資強度,實現海域資源的合理配置”;在微觀層面,要求“控制單個項目用海面積,制定不同行業單個用海項目面積標準,防止圈海占海和浪費海域資源”以及“圍填海項目盡量不占用岸線,確實要占用的,應壓縮到最低限度,保護自然岸線,延長人工岸線,保留公共通道,打造親水岸線”。

通過對相關政策文件進行梳理可以發現,很多政策文件都將集約用海作為基本原則,并提出具體要求?！度珖Ｑ蠊δ軈^劃(2011—2020年)》將集約用海作為指導思想和基本原則,明確提出節約集約利用岸線和海域空間;《國務院關于印發全國海洋主體功能區規劃的通知》將集約開發作為基本原則,主要目標明確提出提高海洋空間利用效率;《國務院關于加強濱海濕地保護 嚴格管控圍填海的通知》將節約集約作為嚴控新增圍填海和處理圍填海歷史遺留問題的主要原則;《海籍調查規范》(HY/T 124-2009)將節約岸線作為宗海界址界定的基本原則;《建設項目用海面積控制指標(試行)》規定主要建設項目用海集約管控指標和具體要求,將促進海域海岸線資源節約集約利用作為目的,將節約優先、集約高效作為控制原則;《海岸線保護與利用管理辦法》將集約節約利用岸線作為占用人工岸線項目建設的基本原則,同時要求嚴格執行建設項目用海控制標準,提高人工岸線利用效率;《圍填海管控辦法》將集約節約利用作為圍填海管控的基本原則;國家海洋局《貫徹落實<圍填海管控辦法>的指導意見》和《貫徹落實<圍填海管控辦法>的實施方案》提出全面促進海域資源集約節約利用的總體要求,堅持集聚發展、節約集約,工作目標包括圍填海集約節約利用水平全面提升;《自然資源部關于進一步明確圍填海歷史遺留問題處理有關要求的通知》將集約利用的基本原則貫穿處理圍填海歷史遺留問題的始終;自然資源部、國家發展和改革委員會《關于貫徹落實<國務院關于加強濱海濕地保護嚴格管控圍填海的通知>的實施意見》將集約節約作為基本原則;《海域使用論證技術導則》將堅持集約節約用海作為海域使用論證的基本原則,要求項目用海的平面布置體現集約節約精神;《國家海洋局關于進一步規范海上風電用海管理的意見》規定海上風電用海面積控制要求,鼓勵海上風電與其他海洋開發利用活動分層立體開發海洋資源。

2 我國海上風電集約用海現狀

根據全球風能理事會(GWEC)、中國風能協會(CWEA)公布的相關數據,2021年中國海上風電裝機規模創歷史最高,累計裝機總量一躍趕超英國,成為全球海上風電發展最快的國家。2021年我國新增海上風電機組2 603臺,新增海上風電裝機容量14.48 GW (同比增長276.7%);新增海上風電裝機容量前三位的地區依次是江蘇、廣東、浙江,其中江蘇新增裝機容量達到4.99 GW,占比34.5%[3-5]。

在我國現行的海上風電政策及指導文件中,針對集約用海的控制要求為《國家海洋局關于進一步規范海上風電用海管理的意見》提出的每10萬kW用海面積控制在16 km2。本研究以2021 年全國2 m分辨率遙感影像為底圖數據,范圍為海岸線向海一側延伸100 km,提取海上風電設施信息并疊加海上風電用海數據,分析95個海上風電項目的用海情況。通過對海上風電項目的包絡海域面積、風電場容量等的梳理分析,有75個風電場符合上述控制要求(達到15 km2),有20個風電場超過20 km2。

3 存在的問題

3.1 海上風電場確權用海面積小,而實際占用海域面積大

通常情況下,海上風電場采用風電機組成列方式布置,風電場內部須預留足夠的風緩沖區。在95個海上風電用海項目中,風電機組的間距為400～1 200 m。海上風電場建設的工程內容主要包括機組樁基基礎、升壓站、海底電纜,涉及的用海方式主要包括透水構筑物和海底電纜管道。風電場內部的風電基樁之間須鋪設海底電纜以實現電力和數據的傳輸,在95個海上風電用海項目中,每建設100 MW海上風電場須鋪設海底電纜的平均長度約為100 km。根據海底電纜管道保護的相關規定,海底電纜管道兩側各500 m 屬于保護范圍,禁止開展的海洋開發利用活動包括挖沙、鉆探、打樁、拋錨、養殖等,這就導致風電基樁之間的海域雖不確權,但實際具有較強的排他性,因此風電場實際影響的海域面積應為風電場的最外緣包絡范圍。在95個海上風電用海項目中,每建設100 MW 海上風電場須占用海域的平均面積約為13 km2,而確權用海面積僅約占其實際占用海域面積的10%[6-7]。

3.2 海上風電用海具有排他性,造成海洋空間破碎化

在海洋生態系統中,海水、海洋生物具有典型的連通性和流動性,而海上風電場采用的區塊式布置形式直接造成海洋生態系統和海洋空間資源的碎片化,更是擠占其他海洋開發利用活動空間。尤其是升壓站至登陸點之間鋪設的海底電纜將海岸帶割裂成條帶狀,阻礙海岸帶與外海的聯系,限制未來可能的海洋開發利用活動。由于風電場各風機之間、風機與升壓站之間以及升壓站與登陸點之間須鋪設海底電纜,風電場內部海域逐漸破碎化且具有一定的排他性,只能兼容部分類型的其他用?；顒覽6]。

3.3 海上風電場平面布局不規則

根據《國家海洋局關于進一步規范海上風電用海管理的意見》等文件,單個海上風電場的外緣邊線包絡海域面積,每10 萬kW 原則上應控制在16 km2,但未明確風電場外緣邊線包絡海域面積的確定方式,導致同一海上風電場可能存在多種外緣邊線劃定方式,尤其是單排或不規則形狀的風電場。

4 問題的成因

4.1 受用海范圍界定限制

根據《海籍調查規范》,我國現有海上風電項目的用海方式和面積根據單個風電基樁及施工運維所占用的海域空間確定。其中,單個風電基樁的計算范圍為以基樁中心點為圓心、中心點至風電基樁基礎最外緣點外擴50 m 為半徑的圓,而連接風電基樁的海底電纜的計算范圍為電纜管道外緣線向兩側外擴10 m,并沒有將風電場實際占用的海域均納入用海面積,其目的是鼓勵海上風電的發展,減少項目用海的海域使用金成本,但也導致海上風電場實際影響的海域面積遠大于其確權面積。同時,海上風電項目在風電場布局設計時主要考慮工程造價和發電的經濟效益,較少考慮海域空間資源的價值。

4.2 集約用海尚未形成體系

在現有政策文件中,風電集約用海管理尚未形成體系,對于風電集約用海提出的指標過于單一,且缺少約束力。目前唯一明確的指標為“海上風電每10萬kW 的用海面積為16 km2”,但對風電場范圍界定仍未提出明確要求,在執行的過程中具有較大的彈性和空間,亟須進一步構建具有可操作性、規范化的設計準則與規范,對風電場選址、風電場設計和風機選型等各方面提出要求,找到風電場發電效率和占用海域面積的平衡點,提高風電場用海集約性。

5 集約用海指標體系的構建

根據我國海上風電集約用?，F狀以及存在的問題,本研究從風電場選址、設計、技術要求等角度出發提出完整和具有可操作性的指標體系,可在風電規劃、開發建設階段為海上風電大規模、集約化發展提供理論支撐(表1)。

表1 海上風電集約用海指標體系Table 1 Index system of intensive sea use of offshore wind power

5.1 項目選址與海纜路由

風電場選址應嚴格遵守《國家海洋局關于進一步規范海上風電用海管理的意見》提出的海域布局要求,即海上風電的離岸距離不少于10 km、灘涂寬度超過10 km 時海域水深不少于10 m。隨著近海風電場址開發殆盡,海上風電場的離岸距離與水深將逐步增加。除潮間帶風電場外,目前建設的近海風電場基本符合此要求。在未來長期的海上風電場規劃與開發過程中,“雙十”規定存在進一步提升的空間。

《國家海洋局關于進一步規范海上風電用海管理的意見》對于規劃符合性的要求為海上風電場建設用海須符合主體功能區規劃和功能區劃,推薦在功能區管控要求已明確兼容海上風電的區域布置,不得在港口航運區、保護區和保留區等區域布置;對于功能區管控要求沒有明確兼容海上風電的區域,須科學論證風電場與功能區基本功能的兼容性,同時海上風電開發利用要避免影響國防安全和交通安全等。海上風電的所有用海方式(如構筑物、海底電纜、填海造地)都應符合此要求。由于海上風電的生態影響尚未有明確的研究結論,大規模海上風電機組對候鳥遷徙的影響以及電磁輻射對海洋生物的影響尚不明確,風電場須避讓生態保護紅線,開發利用海洋可再生能源不能以犧牲海洋生態環境為代價。

5.2 風電場設計與技術要求

目前的海上風電相關政策鮮有對單機容量的具體要求。2019年《福建省海上風電項目競爭配置辦法(試行)》規定,原則上采用的風電機組應具有自主知識產權,且單機容量不低于8 MW。由于我國南北海域的風能資源條件差異較大,不宜提出統一的單機容量要求。與此同時,由于海上風電場址通常在集中區域劃分,參照山東、江蘇、廣東等地的發展規劃,集中區域的風能資源條件相近,可對選用風機的技術水平提出分區域、動態的要求。在海上風電集中規劃區域,當某容量風機累計裝機超過100 MW 時,該發電能力的風機在該區域可被認定為運用成熟,則該區域后續批復項目采用的風機單機容量不得低于100 MW。隨著海上風電建設的離岸距離逐漸增大,平均風速逐漸提高,風機的施工難度和海纜的安裝成本都會提升,因此從風力條件、成本控制、技術發展、發電能力等角度對單機容量提出要求符合現實條件,對海上風電大規模發展具有促進作用。

海上風電的用海區域須有統一的劃分標準?？紤]風電用海的排他性,不應排除同一個風電項目中不同分區的間隔區域,尤其是對于中間布置升壓站與海底電纜的情況。對于外形不規則的風電場,應采用凸多邊形將風機及海上升壓站全部包絡在內。通過對已批復風電場排布方式的分析,場址形狀近似矩形、內部風機為2～3排平行排列的風電場的用海效率普遍較高。在大規模深遠海風電基地規劃中,凸多邊形可充分表示單個風電場址的用海范圍,有利于整體規劃。矩形、平行四邊形、梯形的類似設計既符合風電機組集中排列要求,又減少不同風電場之間的間隔。

通過對已建設風電場的統計分析,目前風電機組的平均行間距為風機葉輪直徑的9.5倍,行內間距為風機葉輪直徑的3.5～4.0倍。由于無限擴大單機的用海面積并不會明顯提高風能利用率,理論上建議最大行間距不超過風機葉輪直徑的10倍,行內間距不超過風機葉輪直徑的5倍。對于不同的風電場須根據風力與技術條件進行設計,綜合考慮仿真分析的結果與已建設近海風電場的設計情況,推薦海上風電場行間距為風機葉輪直徑的8～10倍,行內間距為風機葉輪直徑的3.5～5.0倍。

5.3 用海范圍及確權面積控制

針對規范性文件規定的“海上風電每10萬kW的用海面積為16 km2”,建議進一步提高對用海集約程度的要求。隨著風電場離岸距離的增加,風電場可利用的海域會更加開闊,受其他用海方式以及岸線或海島形狀的影響更小。2018年后批復的海上風電項目基本符合用海集約指標的規定,多數用海項目嚴格按照16 km2的用海面積進行設計。隨著海上風電技術的發展,可將該指標進一步收緊為15 km2。

在風電場區域內,風機、升壓站和海底電纜都是確權用海的組成部分,其中海底電纜設計是評價風電場建設水平的重要元素。根據《鋪設海底電纜管道管理規定》,海底電纜的用海范圍為電纜外緣向兩側各外擴10 m。據統計,目前大部分海上風電場內構筑物與海纜的的確權比例約為4%。當確權比例遠低于5%時,該風電場設計的集約程度和海域利用率均較低,因此建議風電場址范圍內構筑物與海纜的確權比例不低于5%。

6 建議

6.1 自規劃階段起嚴格遵守集約用海體系

根據政策要求,全國及各沿海地區的海上風電發展規劃由國家能源局統一組織編制和管理,各地區的海上風電工程規劃確定場址范圍和裝機容量,每個風電場的用海集約程度在規劃階段即大致確定。而在現行規劃中普遍存在規劃與政策不符的情況,因此自然資源管理部門需要在規劃階段就對風電場的選址、規模、布置等問題提出符合國土空間規劃、風電用海政策的明確意見,保證風電規劃符合集約用海要求。

6.2 鼓勵先進海上風電技術應用

隨著海上風電迅猛發展,單機容量不斷增高,為滿足深水遠岸的發展趨勢,風機基礎設計水平與施工建設能力逐步提升。技術的不斷創新為更大規模的海上風電發展提供良好基礎,新技術的應用可以提高風電場的發電能力和用海效率,滿足開發更廣闊海域的技術要求,同時降低發電成本,使平價上網成為可能。在規模化、平價化的整體趨勢下,海上風電集約用海既是政策要求,也是實現風電可持續發展的保障。政府部門需要根據海上風電發展情況,及時調整規劃及政策,鼓勵先進海上風電技術應用,提高風電場的用海效率。

6.3 靈活運用并及時調整集約用海體系

我國的海上風電政策順應時代背景不斷改進,相關的技術規范逐步完整,集約用海體系在不同的發展階段也應不斷更新。我國南北海域的自然條件存在差異,各沿海地區應基于風電發展現狀,結合本研究提出的海上風電用海面積控制指標體系,提出更加具體的技術要求。針對指標體系中的各項指標,明確區分約束性與參考性的要求,結合風電項目的實際情況進行設計。風電場的設計過程必須遵守約束性指標,同時盡量滿足參考性指標。自然資源管理部門應在規劃、設計、批復的各個階段充分發揮監督作用,提出集約用海指導建議。