海洋能發電裝置均化成本研究

王芳

(國家海洋技術中心　天津　300112)

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海洋能發電裝置均化成本研究

王芳

(國家海洋技術中心天津300112)

近年來,海洋能利用的研究與探索仍是可再生能源領域備受關注的課題之一，研究熱點更多集中在對海洋能發電裝置的研究上，然而研究成本過高是制約海洋能技術發展的因素之一。在新能源發電領域，國際上通常采用能源均化(發電)成本(levelized cost of energy，LCOE)方法來對不同發電技術和規模的能源項目進行比較。借鑒能源均化成本(LCOE)的計算模式，對引導和推進海洋可再生能源技術和產業發展具有重要意義。文章首先闡述海洋能LCOE的影響因素，并以波浪能和潮流能為例介紹英、美兩國如何推算其開發成本，進而探討降低能源成本的可能性，為我國海洋能發電裝置提供參考。

海洋能；能源成本；均化(發電)成本；成本控制

1　引言

當前各國之間圍繞海洋的競爭日趨激烈，在海洋能的開發利用上，起步較早的美國、英國等先進國家和地區走在前列，但在發展過程上各國普遍面臨技術不成熟、成本比較高等困難，導致海洋能源的大規模應用存在難題，多數國家還處于試驗、小規模應用階段。

為了實現海洋能行業的長期可持續發展，使能源成本降至與海洋風能發電和其他傳統發電相同的水平是關鍵所在。目前的各種激勵措施，如“可再生能源義務證書 (ROCS)”等，都是為提供一個與其他更為成熟的發電方式公平競爭的環境；然而英國ROCS將于2017年讓位于下一代能源計劃，這將在業界產生更大的不確定性。

在新能源發電領域，國際上通常采用能源均化(發電)成本(levelized cost of energy，LCOE)[1]方法來對不同發電技術和規模的能源項目進行比較。LCOE在國際上不僅被用于學術建模分析，也常見于政策討論等領域，是一種被廣泛認知的透明的計算手段。研究表明，不同國家或地區的能源尤其是新能源的LCOE有很大不同，而在我國尚缺少這方面的公開研究。本文將探討海洋能LCOE的影響因子，以波浪能技術和潮流能技術為例，介紹美國、英國如何推算其開發成本，以期豐富有關研究，并為我國能源發展戰略提供參考。

2　海洋LCOE的影響因素

2.1直接影響因素

計算海洋能裝置的能源成本，需要包括投資成本和運行成本，以及累積發電量，其中貼現率也被用來計算未來成本的現值(圖1)。

圖1　海洋能裝置的能源成本

設備的投資成本包括安裝和項目管理，大多發生在項目的初期階段；而運行成本，如維護、租金和保險則貫穿整個項目周期，其中還需考慮到拆撤成本。

以千瓦時計算的發電成本取決于陣列裝置的發電總量，因此裝置在特定位置的發電量是計算能源成本的關鍵值。這將取決于可再生資源的可用性、將資源轉換成電能的裝置特性、裝置的可用性以及對綜上所述的可操作的時間比例。負荷系數(LF)可通過以下公式計算[2]：

式中：AEP(Annual Energy Production)為年發電量，單位是kW·h；R為額定裝機量，單位是MW。

貼現率將未來的成本和收益轉成現值成本，以此計算單位產能，即貼現率是“金錢成本”的折射，在LCOE計算公式中屬于一個重要變量，用來反映項目的預期風險以及貨幣市場利率和市場融資(債務或股本)走勢。

均化(發電)成本計算方法是通過使用貼現率將未來各個時段的支出折算成在某一選定日期(通常是電廠投產日期)的現值。對未來各個時間的發電量也進行同樣的貼現計算。支出的現值按照類型(投資、燃料、運行和維護)增加，對發電量現值采用類似的方法累加到一個單一的數值。假設所發生的運行和維護成本與發電量是每年恒定的，則均化(發電)成本可通過下列公式表示[3]：

式中：LCOE為能源均化(發電)成本；SCI為電廠的資金成本；SLD為具體的均化拆卸成本；LF為設施的負荷系數；r為貼現率；n為設備使用壽命；OM為年化的運行和維護成本。

2.2間接影響因素

除上述公式所涉及的直接影響因素外，人為及潛在的間接影響因素也不容忽視，主要包括以下幾方面。

(1)項目風險。對風險的評估是影響海洋能源項目融資的一個重要因素，在工程計算中使用的實際回報率均取決于融資項目所涉及的整體風險評估，視為高風險的超支項目或收益較低的項目往往需要較高回報率以吸引項目投資商。主要包括：項目風險，即所有的項目都有不可預見事件和成本超支的風險，海洋環境就其特性而言存在極端的海洋氣象條件，可能導致正在安裝的設備和船舶損害及延誤；技術風險，是與特定技術相關的額外風險，將取決于是否安全可靠地執行技術研發并產生預期成果，海洋能源陣列技術難免存在失誤風險，包括在設計、安裝和運行實踐階段的風險；其他風險，具體體現為缺乏明確的有關補貼制度及對技術的政治支持。

(2)項目開發商的角色。成功的海洋能發電項目除政府財政支持外，還離不開項目開發商投入大量資源和資金，以促進在未來發展陣列式規模發電；在各國實踐中不難發現，項目的主要投資方除政府外就是能源公司，而后者的支持力度遠遠不及政府的扶持力度。因此，海洋能未來投資的一個關鍵問題是，如何促使海洋能源項目成為能源公司愿意投資的項目，以期降低開發成本、形成規模化發展，更好應用于市場。

(3)項目開發和許可成本。在海洋能裝置制造和安裝之前，還要開展一系列的評估和調查工作，如選址、環境影響評估、工程設計準備、計算實施成本、獲取必要的許可權限等，只有通過相關機構獲得批準才能開展初期的設計工作，所有與這些活動相關的成本均被列入“項目開發和許可成本”。

(4)電網連接和傳輸成本。電網連接成本與距主電網系統的距離有關，確保恰當地連接到輸電網絡從而得到最優成本；傳輸收費標準也反映了加強遠程電網連接的需求。

(5)能源均化(發電)。成本是一種較為清晰計算某一特定能源系統成本的方法，然而鑒于可供參考的資料以及實際運行經驗的缺乏，有關成本和性能參數職能只基于少量資料進行評估，僅以此作為技術發展狀態和技術風險管理的客觀手段。

3　國際推算海洋能成本走向

波浪能和潮流能裝置基本都處于初期發展階段，借鑒風能及其他可再生能源技術取得的經驗將降低波浪能和潮流能的投資成本。但由于實際經驗很少，這種論斷只得到少量數據的驗證。目前的投資成本估算僅是從單一樣機獲得的，其數值很可能高于未來技術更成熟的商業化機型。

根據聯合國政府間氣候變化專門委員會減緩氣候變化第三工作組出臺的《可再生能源和減緩氣候變化特別報告》“海洋能”一章中的第七部分內容，在為數不多的對未來成本的研究中，美國電力研究所(Electric Power Research Institute，EPRI)在2005年利用預期布放在加利福尼亞沿海的“海蛇”號波浪能發電裝置進行商業化項目成本的理論研究[4]。假設整個電站規模為213×500 kW(106.5 MW)、設計壽命為20年、設備利用率為95%，計算得到LCOE值；研究結論是：安裝2.79億美元(2 620美元/kW)的投資成本，7.5%的貼現率，38%的設備利用率，1 310萬美元(123美元/kW)的年均運行和維護成本，10年后的改造成本為2 810萬美元(264美元/kW)，那么LCOE將達到13.4美分/kW·h。

2006年，英國碳信托(Carbon Trust)根據搜集到的大量投資成本數據對波浪能和潮流能樣機和前商業化發電裝置的現時成本進行評估，并發布評估結果：波浪能發電裝置的投資成本為7 700～16 100美元/kW、中值為11 875美元/kW，潮流能發電樣機的投資成本為8 600～14 300美元/kW、中值為11 400美元/kW，一些概念性潮流能發電裝置的投資成本或許更高；項目研究估算英國早期波浪能電站的LCOE為21～79美分/kW·h，而早期潮流能電站的LCOE為16～32美分/kW·h[5]。

美國加利福尼亞州為“可再生能源輸送行動”所作的一項研究顯示，潮流能發電(布放在加利福尼亞州)成本為1～3美分/kW·h[6]。

潮汐電站被認為是最成熟的海洋能技術，因為目前已經持續運行的潮汐電站實例很多，不過有關成本的數據卻很少。潮汐電站的成本估計為4 500～5 000美元/kW，運行和維護成本約為100美元/kW/a[7]。

海洋溫差能發電技術(OTEC)沒有長期持續性的運行經驗，因此很難預測當前的成本以及未來的發展趨勢。有關OTEC的最新成本估算來自洛克希德馬丁公司，估計10 MW的試驗電站的投資成本為32 500美元/kW；而達到商業化階段的100 MW電站，成本將降低到10 000美元/kW[8]。

有關波浪能發電的各種理論分析表明，近期波浪能的LCOE可與20世紀80年代的風能相媲美。目前還不清楚英國碳信托(Carbon Trust)和美國電力研究所公布的較低LCOE值是如何得出的，可能是采用了比常用標準更低的成本數據或更高的性能參數。與其他能源相比，潮汐能技術的投資成本較高，潮汐電站工程的規模一般大于其他海洋能項目，因為只有通過規模效應才能降低發電的單位成本。而OTEC技術只能通過新材料和建筑技術等領域取得的進步才能提高其在經濟和技術方面的可行性。在海洋能LCOE估算中，最大的不確定因素是對長期利用率及運行和維護成本的估算，這些都需要實際的運行數據積累。

4　降低成本的可能性探討

由于海洋能技術仍處于發展階段，尚未形成規模化發展，鑒于風能產業經驗，在裝機數量增加后，通過生產效率自然提高、經驗積累、規模經濟效應和技術創新等，將有望降低成本。

4.1“學習曲線”效應

“學習曲線”效應可能是驅動降低LCOE的一個重要因素。20世紀80年代初到2008年近30年時間里，風電產業“學習率”達到11%[9]。作為一類估計，海洋能產業(不包括已經相對成熟的潮汐能)也可以達到11%的“學習曲線”。以英國碳信托給出的投資成本中值點位為例，11%的學習率意味著當裝機容量達到2010年9倍的規模時，投資成本可下降到2010年的約1/3(波浪能和潮流能初始裝機容量均假設為5 MW)。

也就是說，通過研發所獲取的專業知識，同樣也豐富了整個行業的學術經驗。設備建模(在設備和陣列級別)、試驗、水槽測試和海上測試都能提供全方位的學習機會，通過“知識儲備庫”的運用，為未來項目的發展提供最優設計，以此降低能源成本。

4.2規模化生產

規模化和批量生產為降低成本提供重要契機。逐步擴大規模可以通過以下幾種不同方式降低成本。

(1)大規模裝置。總的來說， 由于制造和安裝成本不會隨著能量輸出而呈線性增加，大規模設備成本會較低(以每千瓦裝機量來衡量)。然而設備的升級卻和與海面的相互作用相關，如潮汐渦輪機的葉片長度可能會受到現場水深的影響，波浪能裝置尺寸也會受到造波條件的位置影響等，盡管如此，裝置在尺寸上進行升級改造的可能性還是很大[10]。但考慮到升級改造所產生的高昂材料費用，就需要找到一種折中方式來實現最高的成本效益。

(2)裝置的數量。多臺裝置陣列化安裝可以降低電廠安裝和配套設施的成本(以每兆瓦裝機量衡量)。陣列式規模安裝所帶來的收益體現在可以購買更大更專業的安裝船，在電纜連接成本、項目開發、站位動員和其他項目成本中允許安裝多臺設備，以此達到更好的利用率；在一個基礎設施上共享系泊點或安裝多個設備，以此通過共享高昂的基建設施和安裝成本來均衡其經濟效益。

(3)規模化生產。相似設備的規模化生產可以降低成本，相比專用設計生產組件，通過批量生產可以降低整體單一組件的成本。

(4)工程支持。大型原始設備制造商投資給海洋能設備制造商，為海洋能技術發展帶來了資源和經驗。近期大型設備投資商如法國艦艇建造局(DCNS)、西門子和阿爾斯通，通過將其他行業的知識轉移到海洋能產業中，很可能帶來生產成本的降低[11]。

4.3創新

降低成本的重要機制之一是創新。創新包括設計或制造過程中發生的根本性改變，可以發生在整體設備和子系統的任一階段，也就是說創新貫穿于最初的新概念能源捕獲設計到創新性設備布放和操作流程。這種注重實驗和實踐的新方式明顯不同于當前單純依靠實踐獲得經驗，創新和學習是隨著實踐慢慢融合的。

在研發的早期階段，創新很可能發生在研究和開發環境中，繼而萌芽出開發和測試的新概念。隨著技術發展，當接近商業運行階段時，創新就會出現在產業化項目短期至中期的挑戰上，如開發創新型的安裝方法，以此作為大規模布放試驗的一部分。

5　結論和建議

借鑒國外海洋能發電裝置成本計算的先進方法，結合國內實際情況，推行能源成本估算是海洋能發電裝置自主產品創新發展的必然選擇。盡管目前海洋能技術發展處于初期階段，可供參考的資料以及實際運行經驗缺乏，英美的能源成本估算同樣存在較大的不確定性，但不可否認的是隨著新技術的不斷發展，更多的經驗累積將有助于降低成本。

對能源成本估算的方法有幾點建議。

(1)深入研究歐、美等國有關成本建模及成本分析公式，包括丹麥能源成本模型、美國能源局參考模型、美國國家可再生能源實驗室離岸風能模型、英國碳信托模型、西班牙TECNALIA模型、愛爾蘭HMRC公司開發的 NAVITAS模型、愛爾蘭梅努斯國立大學開發的TEOWEC軟件、EU-JRC(聯合研究中心)開發的經濟建模、葡萄牙波浪能中心開發的技術經濟建模等，對這些現有模型進行分析與總結，提煉出適合波浪能、潮汐能、潮流能、OTEC等LCOE計算通則。

(2)能源成本估算可以納入海洋能項目的立項論證、中期檢查和結題驗收等項目管理環節中，以此搜集相關技術的成本數據。

(3)建立“能源成本”數據庫，將搜集的成本數據分以不同類別，以年為單位繪制成本走勢圖，為政策制定者和投資商提供風險評估依據，更科學地制定技術發展路線圖。能源成本數據是一切政策扶持(發展路線圖、資金補助、電價補貼、稅收激勵等)、投資融資、風險評估等的基本依據，不斷降低制造成本、采用新技術、從其他行業獲取知識和經驗，通過實際運行來優化技術的未來發展。

我國自2011年加入“國際能源署海洋能系統實施協議”以來，先后多次參加執委會會議及參與海洋能國際合作項目。“能源成本”是該組織近期推出的短期項目，我國作為成員國也參與其中，通過該項目的實施和推進，有助于我國獲得來自世界更多更詳實的最新海洋能項目成本信息，也有助于我國通過借鑒與比較找出差距，尋求更有效的能源成本降低之路。

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On the Levelized Cost of Energy in the Development of Ocean Energy Devices

WANG Fang

(National Ocean Technology Center， Tianjin 300112， China)

In recent years，the ocean energy utilization and exploration has been one of the renewable energy topics and the research points have been focused on power generation devices.However，the high cost is one of the factors that restricts the development of ocean energy technology.In the field of new energy power generation，levelized cost of energy (LCOE) approach has been usually adopted to compare energy projects of different power generation technology and scale.Taking

of lessons from the LCOE calculation mode to guide and promote the development of marine renewable energy technology and industry is of great significance.This paper expounded the influence factors of Ocean Energy LCOE，and took wave energy and tidal current energy as examples to introduce the method of development cost calculation in the UK and the USA.The possibility of reducing energy costs was then discussed and advices for power generation devices in China were also provided in the paper.

Ocean energy，Energy costs，LCOE，Cost control

王芳，工程師，研究方向為海洋能政策，電子信箱：youyouqiao@126.com

P741

A

1005-9857(2016)04-0063-05