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路的尽头是海的入口——海上风电在中国

潘嘉业(可道|文以载道观察员)

从上山伐木到开山取矿,人类在开掘自然资源的道路上从未停下脚步。对于化石能源如此,对可再生能源亦然。在陆上风电已经成为众多山坡原野上一道风景的今天,工程师们又把目光投向了海风。当你下次乘坐跨洋航班踏上旅程,不妨在即将离开或者到达陆地时瞄一眼舷窗外的海面,或许就能看到下面的这副景象——

图一、海上风车(图片来源于网络)

今天,就让我们说说海上风电那些事。

一、缘起北欧的海上风电

海上风电最早诞生在瑞典——斯堪的纳维亚半岛的海风不止播撒了北欧大地的独特的人文风情,也赋予了他们丰富的能源储备。不甘受制于陆上风电的种种局限,瑞典的工程师在上个世纪90年初开发出了世界上第一台海上风电机组:其装机容量为220kW(千瓦),离岸距离250m,水深6m,已于1998年停运。

在此以后,第一个海上风电场(1991年,波罗的海丹麦洛兰岛西北),第一个MW(兆瓦)级海上风电机组(2000年,瑞典,单机容量1.5MW),第一个商业化规模的海上风电场(2001年,丹麦Middelgrunden风电场)……

——北欧人民在摸索中确立了海上风电的“摩尔定律”:即不断提高的单机容量、不断扩大的总体规模,并向着更深、更远的海洋开发。截止岛2015年底,欧洲各国累计吊装3230台海上风电机组,装机容量达到了11027.3MW。包括在建的风电场在内,欧洲目前共有84个海上风电场,分布于11个国家。

作为风电技术的“2.0”版本,海上风电在世界范围内备受青睐,而这一点在中国体现得尤为突出。

二、海上风电凭什么火爆中国?

不同于在欧洲平衡稳固、一步一个脚印的发展的节奏,海上风电在中国初一登场,便似乎光环笼罩全身,成了政府、开发方和设计院眼中的不折不扣的“爆款“,下一个能源投资的风口。在《能源技术革命创新行动计划(2016—2030年)》、《风电发展“十二五”规划》等文件中,国家能源局、发改委均明文鼓励大力发展海上风电、研发大型海上风机,并明确提出要求,2020年底需达到2000万千瓦的海上风电装机容量——这将基本相当于整个三峡水电站的装机容量(2240万千瓦)。

要问国家为何从部委层级就如此地重视海上风电的开发,在小编看来,那还真是顺理成章。比起陆上风电,海上风电除了具有不占地、沙尘少、运行稳定以及粉尘零排放等诸多环境方面的优势之外,更是凭借以下三点成为了能源界不可阻挡的新势力:

图二、海上风车(图片来源于网络)

1.潜能造就无限可能

陆地上可开发的风能资源越来越少,而中国得天独厚的自然条件,造就了近海丰富的风能资源。背靠欧亚大陆,面朝太平洋海域,我国东部沿海开放水域的风速较高且稳定。海域中水深5-15米的海域面积十分辽阔,而这正是最适合海上风机的水深深度。特别是江苏等地沿海、滩涂及近海具有开发风电的良好条件。根据《中国风电发展路线图2050》对我国陆地和近海100米高度风能资源技术开发量的分析计算,我国近海水深5~50米范围内,风能资源的潜在开发量可以达到5000亿瓦,相当于中国一年全社会的用电量。

2.效率即正义

海上风电的风机比起自己陆上的同胞,确实可以说是战斗力爆表。由于植被和地貌造成的不平整,风在上岸后强度会被削减许多。因此,平坦开放的海面上的风力比岸上的风力更加强劲,也更加稳定。根据工程咨询公司Ramboll测算,在同等自然条件下,海上风电单个风机的发电量可以达到陆上同样机组的1.5倍。不仅如此,在噪音管理上,海上风电也颇具优势——由于远离海岸和人群,海上风机可以允许更快的转速,这也使其能够更高效地捕捉风力资源。

图三、风力发电亦由诸多问题(图片来源于网络)

3.天时不如地利。

不夸张的说,海上风电的出现对中国的电网来说绝对是“救世主“般的存在。中国的电能资源的分布与需求一直以来存在着结构性的矛盾:西部用电需求较小,但是能源资源比较丰富。近些年的经济下行造成的用电需求不足、本地消纳能力有限、外送通道不畅等原因,装机容量过剩的情况愈发严重。

图四、2015年甘肃与全国发电设备平均利用时间比对;制图:潘嘉业

举例告诉来说,2015年甘肃省6000千瓦及以上电厂火电设备利用小时数3778小时,低于全国551小时;风电设备利用小时数1184小时,低于全国544小时;太阳能发电设备利用小时数1061小时,低于全国72小时。2015年甘肃弃风、弃光率分别达到39%和31%。大量的弃风、弃光现象造成了新能源资源的巨大浪费。花费巨大资金投资的风电和太阳能设施无法得到有效的利用,实在是令人扼腕叹息。

另一方面,东部沿海区域经济发达用电需求大,但能源资源比较匮乏,更加难以新建各类大型的电站 - 火电、核电、水电带来的环境、安全和生态风险难以使得项目落地;陆上可开发的风资源越来越少,传统风电的潜力也已经不大。

要解决这样的矛盾,无非有两种可能。一是通过远程送电、新建超高压电网系统,将华东、华南与华北、西北电网连接起来,实现“西电东送”。但是远距离输电的缺点也能明显,长距离的线路会加大电能在电网的损耗,并且需要新建大量的基础设施。

在这样的背景下,想方设法在用电需求大的区域新建发电设施则听起来更靠谱一些。Then guess what?海上风能资源最丰富的区域就在东南沿海经济发达的地区!海上发出的电能就近消化,毗邻用电需求高的区域,可以降低线路上的损耗,提高输电效率,并降低输送成本。就地理位置的优势这一点上,海上风电就值得得到国家的关注。

三、硬币的另一面 

俗话说的好,只说优点不谈缺点的科普文章都是在耍流氓。那小编还是要来“撕”一“撕”海上风电的硬伤。

海洋的自然条件赋予了新技术明显的优势以及……过人的缺点:

先是成本:为适应海上恶劣的环境,海上风电机组必须采取气密、干燥、换热和防腐等各项技术措施;机组的单机容量较大,并配套安装维修的专用设施(登机平台、起吊机等),这些都增加了海上风电的成本。

资料显示,陆上风电的建筑投资成本为800-1100欧元/千瓦左右,而海上风电则为1200-1800欧元/千瓦【1】。海上风电的成本基本上达到了陆上风电场的两倍。尽管海上风电的风力较大,同类的机组可多发电50%左右,但这仍然无法平衡较大的投资成本。

此外,海上风电场的经济可行性主要取决于场址的两大参数 - 水深和离岸距离,离岸距离不大、水面较浅的海域不适合建海上风电场。在传统风电都仍然需要依靠政府补贴才能弥补成本倒挂的现实面前,海上风电的成本成了它被大规模开发的最大的绊脚石。

不仅是成本的限制,中国风电的产业和技术发展也相对落后。前文就有提到海洋风电的单机容量是其发展的必然趋势,但是中国目前还没有掌握大型风电机组的总体设计技术,落后于市场需求。目前,市场的风电机组以兆瓦级为主,而国内最大功率的定型风电机组都在1000千瓦以内。这样的话就需要通过技术转让和合资建厂的方式生产风电机组。在这种情况下,我国海上风电发展无法得到关键技术或核心技术,不仅不能从本质上提高国际竞争力,而且容易在技术上陷入“知其然而不知其所以然”的尴尬境界。

总而观之,丰富的海上风能资源和不断进步的风电技术预示着未来海上风电崛起的必然。而在技术和成本方面的挑战仍然需要我们在做总体规划时更加务实。中国的海上风电尚处于初级发展的阶段,唯有在当下的实践中总结经验、研发创新,并寻找降低成本的途径,克服技术上的苦难,才能将清洁可持续的能源带入家家户户。

参考资料:

1.黄东风. 欧洲海上风电的发展[J]. 能源工程, 2008(2):24-27.

2.北极星风力发电网。http://news.bjx.com.cn/html/20160426/727926-2.shtml

3.百度百科。 http://baike.baidu.com/item/%E4%B8%89%E5%B3%A1%E6%B0%B4%E7%94%B5%E7%AB%99?sefr=enterbtn

4.国家可再生能源中心。http://www.cnrec.org.cn/cbw/fn/2014-12-29-459.html

5.Ramboll. http://www.ramboll.com/megatrend/feature-articles/wind

6. 配图标题1:人民网,华能江苏启东风力发电场噪声扰民:http://leaders.people.com.cn/n/2015/0116/c217816-26398874.html

标题2:北极星风力发电网,深圳能源一风电项目噪音大 附近居民难忍受:

http://news.bjx.com.cn/html/20150921/665688.shtml

标题3:舟山论坛,金塘风力发电场噪音严重扰民,为啥开始时要欺老百姓?:

http://bbs.zhoushan.cn/thread-653277-1-1.html

标题4:凤凰网,宿迁:4.2亿风电项目涉嫌未批先建 噪音扰民屡遭投诉:

http://js.ifeng.com/app/js/detail_2015_09/29/4407138_0.shtml

标题5:中国网,令人心烦的环保发电项目:风力发电噪音大 附近居民难以忍受:

http://media.china.com.cn/spbd/2015-09-21/507038.html

(文章仅代表作者个人观点)


作者简介:

潘嘉业:Ramboll Environ 环境顾问,佐治亚理工学院土木工程本科、环境工程硕士

责任编辑:李煜

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