能源島：深遠海域海上風電破局關鍵

文 | 廖圣瑄 陳可仁

作者供職于龍源（北京）風電工程設計咨詢有限公司、龍源電力集團新能源發(fā)展研究中心

近年來，風電場選址從陸地走向海洋，從近海走向遠海，海上風電的發(fā)展為實現(xiàn)“3060”碳中和、碳達峰的目標添磚加瓦。我國除東海西南部、臺灣海峽和東沙群島區(qū)域外，大部分近海區(qū)域年均風速都在8m/s以下，但從近海到遠海，風資源情況逐漸變好，離岸距離也更遠，開發(fā)難度較大。為了加大對遠海風能的利用，探索能源島類型的新型發(fā)展模式成為當前主要研究對象。

目前，我國主流的海上風電機組安裝在近海區(qū)域，遠海風電產(chǎn)業(yè)仍處于起步階段。能源島主要用于連接遠海大型風電機組，其建造相當于建立起一座海上能源樞紐，用于發(fā)電、儲能及制氫等。以能源島為中心，輻射式建立海上風力發(fā)電機可以更高效地利用海上風能，同時，在能源島宏觀設計時橫向相連，可以向更遠的海域繼續(xù)探索，為進一步拓展遠海風電開發(fā)項目打下基礎。面對近海可用海域逐漸縮小，風能密度不如遠海的現(xiàn)狀，能源島計劃有望成為由近及遠的破局關鍵。

海上風電發(fā)展與布局

2020年我國海上風電新增裝機3.1GW，總裝機規(guī)模達到10GW。從規(guī)模和總量上看，截止2020年底我國海上風電總裝機僅次于英國，位居世界第二。根據(jù)國際可再生能源署預測，為實現(xiàn)巴黎氣候協(xié)定，到2050年全球海上風電裝機總?cè)萘繉⒔咏?000GW，而截止2020年底全球海上風電裝機總量只有35.3GW，海上風電發(fā)展還有很長的路要走。

利用遠海風能是海上風電未來發(fā)展的趨勢，德國、英國等海上風電大國都已布局深遠海域風電項目，2020年歐洲在建海上風電場平均離岸距離44公里。英國計劃到2030年安裝40GW海上風電，大力發(fā)展浮式海上風電，2020年英國在建水深最深的風場正是浮式項目，水深達67米。丹麥能源署公布了建立能源島的計劃，能源島選址需考慮到多方因素，暫未公布確切地址，但據(jù)信將位于日蘭半島以西的北海上，距海岸線80-120公里，每個能源島海上風電裝機容量至少為10GW。據(jù)悉，丹麥能源島項目將于2050年之前建設完成，屆時可以支撐180GW容量的海上風電機組。

從我國規(guī)劃上來看，2021開年以來，沿海各省著眼于“十四五”發(fā)展規(guī)劃，出臺的政府工作報告進一步明確發(fā)展海上風電。

浙江省“十四五”規(guī)劃中提出，重點推進海上風電發(fā)展，打造近海及深遠海海上風電應用基地+海洋能+陸上產(chǎn)業(yè)基地發(fā)展新模式，到2025年，力爭全省海上風電裝機容量達500萬千瓦。同時，浙江省對遠海風電發(fā)展進行了規(guī)劃，提出開展象山、洞頭和蒼南深遠海風電開發(fā)，明確出臺海上風電補貼。

江蘇省發(fā)布的“十四五”規(guī)劃提出，將有序推進海上風電集中連片、規(guī)模化開發(fā)和可持續(xù)發(fā)展，打造國家級海上千萬千瓦級風電基地，海上風電新增約1212萬千瓦。

廣東省政府工作報告提出，將進一步擴大海上風電裝機規(guī)模，到2025年底全省累計建成投產(chǎn)裝機容量達1500萬千瓦。同時，廣東省能源局明確了中央補貼取消后，廣東地方的海上補貼標準，2022年、2023年全容量并網(wǎng)項目每千瓦補貼為 1500元、1000元。

福建省政府工作報告中指出，“十四五”期間加快海上風電裝備產(chǎn)業(yè)升級，開展深遠海海上風電基地示范工程。沿海各省大力推展海上風電開發(fā)項目，在政策上有利于我國海上風電行業(yè)的發(fā)展。

各省逐漸出臺深遠海風電開發(fā)項目，雖未涉及到能源島建設方案，但在指導方向上有利于能源島模式遠海風電的開發(fā)與探索。

我國建設能源島的可行性

從風資源分布上來看，根據(jù)國家氣候中心研究結果顯示，我國海域5~50米水深、70米高度海上風能儲量約5億千瓦，而50米水深以上的深水區(qū)域風能儲量約為13億千瓦，遠高于淺水區(qū)域。我國深海海域離岸較遠，開發(fā)能源島，建立遠海風電機組有助于增加深水海域風能的開發(fā)。

沿海各省深海風能儲量及占比

從海域情況來看，丹麥能源署目前公布的人造島嶼海床較淺，平均深度在26m左右。對比我國海域，渤海平均水深18m，大部分區(qū)域水深在20m以下，施工條件相對較好。從地理上看，渤海北接遼寧，南臨山東，在渤海建立能源島可以同時向北京、天津和山東等省供能，消納能力較好。

東海大陸架平均水深72m，大部分海域水深在60到140m，大部分海域?qū)儆谏詈ｏL電范圍，目前開發(fā)水平受限。臺灣海峽風條件較好，且海峽中下段有臺中淺灘、臺灣淺灘類水深較淺的海域，海洋環(huán)境條件與歐洲類似，但存在臺風帶來的不利影響。總體來說我國海況與歐洲差異較大，探索能源島模式需要按照自身條件進行針對性建設。

從島嶼情況來看，我國島嶼存在小島多、大島少，無人島多、有人島少的情況，東海島嶼總數(shù)約占全國60%，南海約占30%，黃、渤海約占10%。在能源島規(guī)劃時，可以直接采用自然島嶼進行改造，也可以搭建人造平臺，前者所耗成本遠低于后者。東海、南海海域島嶼眾多，但海水較深，為進一步推進我國海上風電發(fā)展，結合其海島眾多的地理條件，建立能源島是加大深遠海域海上風電發(fā)開力度的有效途徑。

從技術角度上來講，能源島開發(fā)仍應以自然島嶼開發(fā)為主，島上基礎設施建設難度較低。深遠海域采用固定樁基礎成本非常高，需要積極開發(fā)浮式基礎的海上風電技術，然而我國海上風電起步較晚，目前浮式基礎項目很少，技術水平仍需進一步提高。同時，遠海風電風況好于近海，還需要開發(fā)更大容量的機組。

從經(jīng)濟性角度進行分析，前期需要投入一定的成本對能源島進行規(guī)劃和建設，但后期帶來的收益要高于前期投入。能源島的經(jīng)濟性主要體現(xiàn)在以下幾個方面：第一，能源島建立在深遠海域，基本不涉及到養(yǎng)殖的場址，不用給與漁業(yè)高額的補償費用；第二，我國深遠海域風況要好于近海區(qū)域，更好的風資源意味著更大容量的機組，可以帶來更高的發(fā)電量和收益率；第三，以能源島作為中轉(zhuǎn)站，對海上風電機組各組件進行臨時儲運，可以降低海岸運輸成本；第四，升壓站建立在海上時，為滿足其防腐和維護需求，海上升壓站設備費用會多出1500萬元，還需要大型船機進行安裝，配置在能源島上可以減少這部分成本；第五，以能源島作為運維樞紐，配備碼頭和機場可以降低運維成本。

中國能源島模式探索

目前，國內(nèi)在建的海上風電項目大部分布置在近海區(qū)域，風場中心離岸最遠的項目距離海岸線72公里。隨著國內(nèi)生態(tài)保護力度不斷增大，海上風電機組選址時還需為漁業(yè)、港航和軍事區(qū)域等做出讓步，加快開發(fā)遠海風電的呼聲越來越高。

將能源島建設成能量儲存、轉(zhuǎn)換和運輸中心可以降低海陸輸能成本。目前，國內(nèi)海上風電機組直接將電能變壓后輸電上岸，國外正大力研發(fā)海上風電制氫項目，將氫能運輸上岸。建立升壓站，構建柔性直流輸電系統(tǒng)，以電力的形式向陸地輸電是遠海風電利用的重要方式。除了以電的形式向陸地輸能外，以能源島作為基地建立工廠集中制備、運輸和儲存氫氣，還可以通過氫的形式輸能。相較于將電能傳輸?shù)疥懙睾笤匐娊庵茪洌谀茉磵u上電解水直接制氫，通過管道運輸?shù)疥懙氐某杀镜陀谇罢摺?/p>

以能源島為樞紐建立集中式遠海風電場有利于產(chǎn)生規(guī)模效應，以島為單位設計的海上風電機組群可以通過模塊化生產(chǎn)降低制造成本。在能源島配套設施選擇上，通過配置碼頭、小型機場等設施可以降低運維成本，縮短事故反應處理時間；通過配備儲能設施，可以保障電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行；通過配備倉庫、海水淡化裝置等可以降低運輸安裝成本。

能源島的建立還有利于進一步開發(fā)海洋資源，進行海上實驗。在發(fā)電領域，能源島可以在風力發(fā)電的基礎上探索波浪能、溫差能及海流能等與風能互補發(fā)電的模式。此外，能源島的建立還可以進一步推進“風漁一體化”，2021年廣東省政府工作報告指出，“十四五”期間大力發(fā)展深遠海智能養(yǎng)殖平臺和遠洋漁業(yè)，這無疑是促進“風漁融合”新的機遇。嘗試將遠海地區(qū)海上牧場與海上風電相結合，以能源供給為主體，漁業(yè)旅游業(yè)為輔助，有利于挖掘能源島更多的潛在價值，提高整體經(jīng)濟效益。

總得來說，目前能源島產(chǎn)生效益的方式主要有供電、供氫和牧魚，以團組塊狀的商業(yè)形態(tài)圍繞能源島布置。供電環(huán)節(jié)將會是能源島的主體，發(fā)電時以海上風電為主，可進一步開發(fā)潮流能發(fā)電等模式，為未來海洋能的進一步利用打好基礎。供氫角度存在較大的問題是送氫上岸，海底管道輸氫基礎建設成本高，同時管道復合材料依賴進口，解決好這些問題將更好地推動能源島的發(fā)展。風漁互補的模式則需要與當?shù)卣蜐O民進行協(xié)商合作，以便更好地利用能源島資源。發(fā)電企業(yè)應積極尋求與當?shù)卣⒐艿拦竞蜐O民等合作，通過更加多元化的收益模式提高能源島的回報率。

從消納區(qū)域來看，我國用電量大的地區(qū)主要集中在東部沿海，這些區(qū)域陸上土地資源成本較高，風能密度較差，開發(fā)陸上風電難度較大。目前，我國沿海區(qū)域仍以火電供能為主，在進一步推進碳達峰、碳中和的背景下，建立能源島，將風電場選址區(qū)域向深遠海域延展有利于緩解將來火電比例減少帶來的供能壓力。

從宏觀布局上來看，渤海中部水深較淺，風速比近岸區(qū)域好，適合能源島布局；東海遠海區(qū)域漁業(yè)發(fā)展較好，島嶼眾多，有利于能源島進一步開發(fā)風漁互補；臺灣海峽風況最好，存在島礁，可開發(fā)大容量風電機組環(huán)繞的能源島。為完善能源島的發(fā)展，需配套深遠海島嶼建設和海底輸氫產(chǎn)業(yè)鏈。

能源島的建設可以作為探索更加深遠海域的跳板，每一個能源島都可以作為一個中轉(zhuǎn)站，點亮一片海域。縱橫交織的能源網(wǎng)從近海鋪向遠海，無論是用于制氫還是供電，對我國海上風電的發(fā)展都能起到巨大的推進作用。企業(yè)將目光聚焦于能源島的建設，可以搶占深遠海域開發(fā)的先機，提前謀劃離岸更遠區(qū)域的海上風電布局。

構建能源島尚存問題和建議

目前，制約我國能源島發(fā)展的主要問題仍是成本過高。根據(jù)2020年財政部、國家發(fā)展改革委和國家能源局下發(fā)的《關于促進非水可再生能源發(fā)電健康發(fā)展的若干意見》，2021年12月31日后新增的海上風電項目將不再納入中央財政補貼范圍。失去補貼后，海上風電項目的收益率將有所下降，未來仍需進一步降低風電機組制造成本和吊裝成本等。從制氫成本來看，雖然通過能源島制氫輸氫經(jīng)濟性更好，但我國氫能需求側(cè)發(fā)展緩慢，消納難度大。在未來深度脫碳的背景下，隨著氫能行業(yè)的發(fā)展，能源島制氫的效益將有所提高。

鑒于人工造島成本過高，建議能源島選址時盡量在自然島嶼基礎上進行開發(fā)，以提高整體收益率。在風電機組選型上，由于深遠海域海水較深，我國海床地質(zhì)較為復雜，建議選用漂浮式機組可以更好地降低風機成本。然而，我國漂浮式海上風電機組研發(fā)起步較晚，進一步發(fā)展產(chǎn)業(yè)技術和降低項目成本是目前主要的問題。在輸電領域可以采用直流動態(tài)輸電，以減小線路損耗，同時減小風電間歇式并網(wǎng)問題帶來的影響。當前我國海上風電技術尚不成熟，在保證風機安全穩(wěn)定運行的前提下，建議盡量提高單機容量，以提高收益率。

目前，國內(nèi)還沒有出臺深遠海域相關的開發(fā)政策與管理機制，發(fā)展能源島的遠海風電開發(fā)模式還需要政府的推動指導。不論如何，在“3060”的背景下，遠海風電將會是海上風電未來的發(fā)展方向。