《一、前言》

一、前言

面對能源短缺、環境污染、氣候變化等人類共同的難題,一場以大力開發利用可再生能源為主題的能源革命在世界范圍內興起 [1]。十九大報告中指出,要推進能源生產和消費革命,構建清潔低碳、安全高效的能源體系。2020 年 9 月和 12 月,習近平主席分別在第七十五屆聯合國大會和氣候雄心峰會上宣布將提高國家自主貢獻力度,提出到 2030 年,非化石能源占一次能源消費比重將達到 25% 左右,風電、太陽能發電總裝機容量將達到 1.2×109 kW 以上;二氧化碳排放力爭于 2030 年前達到峰值,努力爭取于 2060 年前實現碳中和 [2,3]。這一系列措施進一步明確了新時代我國能源發展的方向。

我國能源供應和能源需求呈逆向分布,在資源上(包括新能源資源)“西富東貧、北多南少”,在需求上恰恰相反。我國海上風電資源豐富,同時具有運行效率高、輸電距離短、就地消納方便、不占用土地、適宜大規模開發等特點,海上風電將成為我國大力發展可再生能源的必然選擇。“十三五”期間,我國海上風電雖然得到快速發展,但是截至 2019 年年底累計裝機只有 6.42×106 kW,相比海上風電已進入規?;A段的英國、德國等歐洲國家,我國仍處于商業化發展初期階段,“十四五”期間面臨著諸多挑戰。

為推動我國海上風電高質量發展,支撐我國能源轉型,2019 年 9 月,中國工程院正式啟動“海上風電支撐我國能源轉型發展戰略研究”重大咨詢項目,旨在從戰略高度上明確我國海上風電的發展戰略,從實踐層面上策劃我國海上風電的發展路徑,為海上風電的高質量發展提供咨詢建議。

本文作為“海上風電支撐我國能源轉型發展戰略研究”項目的階段性成果,對我國海上風電這一新興重大技術和產業的戰略發展方向進行系統性的分析和研究。在分析我國能源發展現狀、趨勢及面臨挑戰的基礎上,研判海上風電在我國能源轉型中的前景和地位,并梳理影響海上風電發展的重點技術領域,最后針對目前海上風電發展存在的問題,研究提出相關對策建議,為我國經濟建設和能源轉型提供堅強、綠色、持續的支撐。

《二、我國能源革命的緊迫性》

二、我國能源革命的緊迫性

隨著經濟社會的高速發展,我國經濟總量已躍居世界前列。與之相應的能源消耗總量也持續大幅增長,目前已成為世界上最大的能源生產國和消費國。2019 年我國能源生產總量達到 3.97×109 tce,發電量達到 7.14×1012 kW · h,包括可再生能源發電裝機在內的指標均達到世界首位。2019 年我國一次能源消費總量達到 4.86×109 tce,其中煤炭占比為 57.7%,石油占比為 18.9%,天然氣占比為 8.1%,非化石能源占比為 15.3% [4]。在我國能源電力事業取得舉世矚目成就的同時,能源資源約束日益加劇,生態環境問題突出,調整結構、提高能效和保障能源安全的壓力進一步加大,能源發展面臨一系列嚴峻挑戰。

《(一)能源消費總量持續增加,能源利用效率較低》

(一)能源消費總量持續增加,能源利用效率較低

21 世紀初以來,我國一次能源消費總量持續增長,年均增長近 2×108 tce,有力支撐了我國經濟社會的快速發展。我國單位國內生產總值(GDP)能耗從 1978 年的 15.66 t/ 萬元下降到 2019 年的 0.49 t/ 萬元,但仍高于世界平均水平 50% 左右。多年來,我國 GDP 增長過多依靠投資和出口拉動,高能耗產業發展過快。我國能源轉化和利用效率偏低,先進高效能源技術普及率仍然較低,煤炭等化石能源清潔高效利用技術發展不平衡,部分行業開發應用滯后,能源優質化利用程度不高,與發達國家差距明顯,節能潛力巨大。

《(二)用能結構不夠綠色,碳減排壓力大》

(二)用能結構不夠綠色,碳減排壓力大

我國“富煤、貧油、少氣”的能源資源稟賦,使煤炭一直在我國一次能源生產和消費結構中占據主導地位。2019 年我國煤炭占一次能源消費比重約為 57.7%,非化石能源近年來有所增長,占比為 15.3%,與世界平均水平(15.7%)相當。2019 年全球能源相關 CO2 排放總量為 3.42×1010 t,我國 CO2 排放量位于全球第一,排放量為 9.8×109 t,是美國的 2 倍,歐盟的 3 倍。2020 年 12 月,習近平主席在氣候雄心峰會上宣布到 2030 年,中國單位國內生產總值二氧化碳排放將比 2005 年下降 65% 以上。在全球二氧化碳排放量止增的同時,我國排放量仍在繼續上升,為實現這一目標,未來溫室氣體減排壓力巨大。

《(三)油氣對外依存度持續增高,能源安全形勢嚴峻》

(三)油氣對外依存度持續增高,能源安全形勢嚴峻

我國化石能源的儲采比非常低,遠遠低于世界平均水平。2019 年我國石油、天然氣、煤炭的儲采比分別為 18.7 年、47.3 年和 37 年,世界石油、天然氣、煤炭平均儲采比為 49.9 年、49.8 年和 132 年,石油僅為世界平均水平的約 1/3,煤炭僅為世界平均水平的約 1/4。2017 年我國超過美國成為全球第一大石油進口國,2019 年原油消費量達到 6.4×108 t,產量為 1.9×108 t,進口量為 5.1×108 t,對外依存度達 71%。自 2018 年起我國成為最大天然氣進口國,2019 年天然氣消費量為 3.001×1011 m3 ,產量為 1.762×1011 m3 ,進口量為 1.391×1011 m3 ,對外依存度達到 43% [5]。隨著全球地緣政治變化、國際能源需求增加和資源市場爭奪加劇,我國能源安全形勢嚴峻。

《(四)產能過剩,同質化嚴重,技術創新能力不足》

(四)產能過剩,同質化嚴重,技術創新能力不足

當前能源及其相關領域,特別是煤炭、鋼鐵和煤電行業的投資過剩、產能過?,F象較為普遍??萍际峭七M經濟發展和社會進步的根本動力,也是一個國家核心競爭力的重要標志。新能源產業屬于戰略性新興產業和技術密集型產業,尚有大型軸承和齒輪箱、控制系統等部分核心設備和工具軟件還嚴重依賴進口,需要攻克其中的“卡脖子”關鍵技術。高比例新能源并網系統受到新能源波動性、間歇性和不確定性等的影響,供電可靠性不高,且容易受極端天氣等影響,亟需從電力系統基礎理論、規劃方法、調度運行技術等角度研發解決高比例新能源接入電網造成安全運行與可靠供電等問題。此外,在新能源領域,國家和行業標準尚不完善,技術研發缺乏大型測試平臺。

《三、海上風電在能源轉型發展中的地位和前景》

三、海上風電在能源轉型發展中的地位和前景

《(一)海上風電將成為我國大力發展可再生能源的必然選擇》

(一)海上風電將成為我國大力發展可再生能源的必然選擇

1. 海上風能資源豐富,風電效率高

我國擁有超過 1.8×104 km 的大陸海岸線,可利用海域面積超過 3×106 km2 ,5~50 m 水深、70 m 高度的海上風電可開發資源量約為 5×108 kW [6];考慮到 70 m 以上的技術開發能力,實際可開發資源量更多。海上風速高,風機單機容量大,年運行小時數最高可達 4000 h 以上,海上風電效率較陸上風電年發電量多出 20%~40%,具有更高的能源效益;海上風電場遠離陸地,不受城市規劃影響,也不必擔心噪音、電磁波等對居民的影響。

2. 海上風電靠近東部負荷中心,就地消納方便

我國絕大部分陸地風能、太陽能資源分布在西北部,北部和西北部煤炭資源占全國的 76%,西南部水能資源占全國的 80%,而中東部負荷需求則占全國的 70% 以上。能源基地大多遠離負荷中心,最大距離達到 3000 km。中國工程院《我國未來電網格局研究(2020 年)咨詢意見》指出,隨著我國西部產業發展和東部清潔能源的開發,東部和西部源荷不平衡程度將降低,“西電東送”規模會出現拐點,“西電東送”也面臨著不可持續問題。中國工程院咨詢研究團隊預測,2030 年我國中東部地區最大用電負荷將達到 9.7×108 kW,需受入電力超過 3.6×108 kW,必須采取“集中開發、遠距離輸送”與“分布式開發、就地消納”并舉模式。緊鄰東部負荷中心的海上風電大規模開發,能夠減輕“西電東送”通道建設壓力;海上風電與“西電東送”的水電還能在出力上形成季節互補。發展海上風電能夠進一步提高可再生能源占比,加快能源結構轉型。

3. 帶動沿海地區經濟發展,形成海洋經濟新的增長極

黨的十九大報告中明確要求堅持陸海統籌,加快建設海洋強國。發展海上風電,與大力發展海洋經濟、建設海洋強國戰略高度吻合。“十三五”期間,海上風電產業對沿??h域經濟的拉動作用初步顯現,廣東陽江,江蘇如東、大豐等地都在打造世界級海上風電基地,部分積聚區域年產值已超過 100 多億元,成為地方經濟支柱產業。據估算,目前沿海地區海上風電項目儲備總投資約為 1.6 萬億元,能夠有效地拉動沿海地區經濟發展,不僅助力海洋經濟再上新臺階,而且在當前形勢下形成新的產業鏈,對于穩增長穩就業起到重要作用。

根據各省規劃,到 2035 年,我國海上風電裝機將達到 1.3×108 kW 左右,與我國目前西電東送容量相當,對促進我國能源結構轉型和構建清潔低碳、安全高效的現代能源體系,將發揮舉足輕重的作用。海上風電綜合優勢明顯,東部地區可以把發展重心轉移到海上風電資源的開發,海上風電將支撐我國能源結構轉型和海洋經濟發展。未來中東部電力負荷也將形成以本地傳統電源、“西電東送”、就地分布式新能源和規?;I巷L電四點支撐的局面,結構見圖 1。

《圖 1》

圖 1 中東部電力負荷中心能源互補

《(二)國內外海上風電發展現狀及趨勢》

(二)國內外海上風電發展現狀及趨勢

1. 國內外海上風電的發展現狀

根據全球風能理事會(GWEC)統計數據, 2019 年全球海上風電新增裝機 6.1×106 kW,累計裝機容量達到 2.914×107 kW,比 2018 年增長了 35.5%。2015—2019 年,全球海上風電市場年均增長近 16%。中國連續兩年成為新增裝機容量最多的國家,全球新增 / 累計裝機容量情況見圖 2 和圖 3。

《圖 2》

圖 2 全球每年新增 / 累計裝機容量

《圖 3》

圖 3 各國 2019 年新增 / 累計裝機容量

2019 年我國海上風電新增裝機 1.98×106 kW,累計裝機 6.42×106 kW,提前 1 年完成了“十三五”末裝機 5×106 kW 的規劃目標,僅次于英國和德國,位居全球第三,海上風電裝機容量情況見圖 4。截至 2019 年年底,在建項目裝機 1.095×107 kW,已核準待建項目 4.048×107 kW。按照各省規劃,江蘇、廣東等是未來海上風電發展的重點區域,我國海上風電也將進入高速發展時期 [7]。

《圖 4》

圖 4 我國海上風電裝機容量

注:數據來自中國可再生能源學會風能專業委員會(CWEA)。

2. 國內外海上風電的發展趨勢

近些年歐美發達國家在大規模海上風電集中開發的技術集成與關鍵裝備領域進步巨大,海上風電總體呈現“由小及大、由近及遠、由淺入深”的發展趨勢,即單機額定容量逐步增大,海上風電機組進入 10 MW 時代;風電場規模越來越大,單體規模超過百萬千瓦,規?;_發趨勢明顯;風場離岸距離和水深不斷增加,分別超過 100 km 和 100 m,深遠?;厔菝黠@;競價上網成為海上風電發展最新模式,海上風電成本逐步下降。

《四、海上風電重點技術》

四、海上風電重點技術

《(一)風電機組技術》

(一)風電機組技術

目前海上風電機組向著“大容量、輕量化、高可靠”趨勢發展。國外最大單機容量達到 12 MW,國內最大單機容量為 10 MW,國內外供應商主要風機型號見表 1。

《表 1》

表 1 國內外供應商主要風機型號

1. 超長超柔葉片技術

葉片是影響風機性能和成本的關鍵部件,是衡量國家技術實力的標志之一 [8],通過彎扭耦合控制實現葉片的自適應降載,降低葉片單位長度的成本。通過合理的材料布置方案提高葉片面內的氣動阻尼,提高葉片可靠性。柔性葉片配合氣動附件的設計方案可以減少葉片的失速風險,保證機組的發電量。柔性葉片的彎扭耦合,柔性葉片與變槳系統耦合的穩定性,葉片變形動態測試等方面仍受制于國外的技術,相關部件材料 / 軟件等進口情況見表 2。

《表 2》

表 2 葉片相關部件材料 / 軟件等進口情況

2. 風電機組主軸承技術

風電機組主軸承式風機的核心樞紐,不但要具有防腐防潮等性能,還必須承載整個風機巨大震動沖擊 [9]。目前國內在主軸承設計布局等方面依然存在薄弱環節,一定程度上依靠國外引進技術,還需進一步深入研究整個軸系,設計適合我國沿海風情的軸承技術,相關設備進口情況見表 3。

《表 3》

表 3 主軸承、傳動鏈試驗檢測設備進口情況

3. 直驅永磁風力發電機

目前國內海上風力發電機類型主要有雙饋風機和永磁直驅風機兩種。它們的主要區別在于發電結構不同,傳動不同 [10]。永磁直驅風機相對雙饋風機效率更高、能耗較小、受風速等條件限制小,對于我國風電行業發展具有更重要的意義。但因永磁直驅風機制造成本較高,控制難度較大,技術還不成熟等問題,國內未來一段時間永磁直驅風機和雙饋風機仍將并行發展。雙饋式風機與永磁直驅式風機區別分析見表 4。

《表 4》

表 4 雙饋式風機與永磁直驅式風機的區別

4. 新型高效風能轉換裝置

在單風輪 Cpmax(風能利用系數最大值)達到 0.48的情況下,流過風輪后的風速僅降低20%左右,且主要通過風輪外葉展吸收能量,內葉展能量利用率很低,具有很高的能量梯級利用價值。串列式雙風輪機組結構緊湊,單位面積功率密度更高,單位面積內機位更多,總容量更大。雙風輪風機功率密度高、占地少,能夠有效提高能源利用率,具有較高風能利用系數。浙江某 300 MW 海上風電場,風場面積 47.5 km2 ,裝有 58 臺 5.2 MW 機組,如采用等功率雙風輪機組,可增加 20%~30% 機位。 

《(二)海上輸電技術》

(二)海上輸電技術

1. 海上風電單場送出技術

目前海上風電單場送出的技術主要有高壓交流輸電 (HVAC)、常規直流輸電 (LCC-HVDC)、柔性直流輸電 (VSC-HVDC)、分頻輸電 (FFTS) 四種方式[11,12],海上風電場輸電方式選擇主要參考風電場容量和離岸距離,詳細見表 5。海上風電場開發規模的擴大,輸電容量和輸電距離的增加,機組大型化、受端電網短路電流水平、電網安全穩定等因素,使得海上風電輸電直流化方向的發展趨勢愈加明顯。

《表 5》

表 5 海上風電場輸電方式選擇

2. 大規模海上風電集群組網送出技術

未來可用于大規模海上風電集群組網送出的方案主要有基于 HVAC 技術的場間交流并聯組網交流送出,基于 VSC-HVDC 的交流并聯組網柔直送出,基于 VSC-HVDC 的多端柔性直流輸電和基于 LCCHVDC 和 VSC-HVDC 的混合直流輸電。

《(三)海洋工程技術》

(三)海洋工程技術

海洋工程技術主要包括勘查工程技術、結構工程技術、巖土工程技術、建造技術以及運營維護技術五部分(見圖 5)。水深超過 50 m 的深海區域,如采用固定式基礎結構,造價將大幅增加,且目前技術難以實現,深海浮式風電場將成為海上風電場發展的新趨勢 [13]。2018 年江蘇亨通光電股份有限公司成功中標葡萄牙海上浮式風力發電輸出系統建設項目,為我國漂浮海上風電項目開發積累了成功經驗 [14]。

《圖 5》

圖 5 海洋工程技術總覽

《(四)運維技術》

(四)運維技術

1. 激光雷達檢測技術與風速實時預測

通過裝設于漂浮式平臺的激光測風雷達進行風資源觀測,可為設計規劃以及優化調度提供高精度風況指導;通過機艙式激光雷達實現前饋變槳降載運行。分析歷史數據及氣象數值信息建立預測模型 [15],輸入高精度測量數據進行模型計算,從而得到風速實時預測結果,為多尺度場級功率預測以及海上風電能量優化管理提供了測算依據,風速實時預測流程見圖 6。

《圖 6》

圖 6 風速實時預測流程圖

注:SCADA 指數據采集與監視控制系統。

2. 風電場尾流控制

構建面向控制的穩態尾流模型,量化機組間因尾流效應產生的功率耦合關系;通過優化問題的構建求解,降低尾流效應引起的功率損失,提高全場發電量。結合模態分解與頻域分析手段,分析尾流的動態特性,量化尾流效應對機組載荷的影響,實現功率–載荷協同優化,風電場尾流控制技術結構如圖 7 所示。

《圖 7》

圖 7 風電場尾流控制技術

注:CFD 計算流體動力學。

3. 風電場優化調度與控制

綜合風–浪–流–機的復雜耦合影響,從固有 / 可變兩個角度表征高可靠性前提下的機組功率調節特性,量化功率調節與機械載荷指標間的關系。構建群–場–機多層框架的風電場群協同優化調度方法,提高規?;I巷L電的并網友好性 [16]。風電場優化調度與控制流程如圖 8 所示。

《圖 8》

圖 8 風電場優化調度與控制

注:AGC 為自動發電控制;AVC 為自動電壓控制。

4. 設備智能檢測與維修

基于智能數字化檢測技術構建風電場大數據云平臺,實時更新與計算風場監控狀態、故障分析、設備監測及預警等 [17],以定期維護與故障預警維修相結合的形式,保障機組常規維護,及早發現故障并及時處理,減少故障導致的停機時間,海上風電場運維流程如圖 9 所示。建設區域化運維基地及智能調度策略,結合設備健康度檢測信息與精細化氣象預報,優化部署海上維修交通工具及檢修團隊,提高維修效率,降低運維成本。

《圖 9》

圖 9 海上風電場運維流程

《五、海上風電高質量發展的對策建議》

五、海上風電高質量發展的對策建議

《(一)加大海上風電資源勘察力度,建立資源評估體系》

(一)加大海上風電資源勘察力度,建立資源評估體系

建議政府部門和科研機構,對全國海上風電資源進行詳盡的勘測,建立資源評估體系,強力支撐國家能源戰略規劃、政策法規編制,引導和優化可再生能源項目投資布局。建議在相關教育專業設置和可再生能源資源堪察評估專業人才培養等方面予以重點支持。

《(二)提高海上風電對我國能源轉型發展的認識》

(二)提高海上風電對我國能源轉型發展的認識

革新我國能源資源稟賦理念,規范能源資源稟賦的內涵,旗幟鮮明地將海上風電等可再生能源作為國家能源規劃和戰略政策中不可或缺的組成部分;國內近海海上風電資源豐富,開發利用潛力巨大,且靠近東部電力負荷中心,就近消納方便,發展海上風電將成為我國能源結構轉型的重要戰略支撐,為海洋綜合開發利用與建設海洋強國貢獻力量。

《(三)加大國家層面的宏觀統籌與整體規劃》

(三)加大國家層面的宏觀統籌與整體規劃

“十四五”期間強化對海上風電的頂層設計,統籌未來電網建設格局,支持東部沿海加快形成海上風電統一規劃、集中連片、規?;瘽L動開發態勢,優化電力生產和輸送通道布局;聚焦“新基建”,加快廣東、江蘇等風能資源良好省份現有的海上風電基地建設,并逐步推動海上風電往深海、遠海方向發展,實現海上組網與就地消納;建議電網企業一同加入海上風電開發,統籌考慮電網格局、電力流和電網安全的影響,統一規劃建設海上電力輸送通道,減少不必要的重復投資。

《(四)聚焦“卡脖子”問題,加強科技創新》

(四)聚焦“卡脖子”問題,加強科技創新

海上風電技術和裝備要求高、科技內容豐富,利用“十四五”窗口期,建議科學技術部、發展和改革委員會、能源局聚焦海上風電全產業鏈“卡脖子”問題,加大科技攻關力度,提高裝備國產化率,推動關鍵核心技術實現國產化突破;開展全生命周期多維度技術經濟評價,建立引導海上風電科技創新的差異化政策扶持機制;在科研體制方面,探索面向國家需求的新型創新合作機制、激勵機制、人才培養機制。

《(五)健全政策扶持機制,引導海上風電產業健康發展》

(五)健全政策扶持機制,引導海上風電產業健康發展

改變一刀切、限定時限予以補償的機制,建立針對海上風電的階段性退坡補貼機制,避免海上風電片面追求規模、忽視質量的“搶裝潮”;調動地方財政補貼積極性,通過補貼實現海上風電產業鏈延伸和推動地方經濟轉型升級的良性循環;準確把握“放管服”政策尺度,避免陸上風電“4.95 萬千瓦現象”;開展全生命周期多維度技術經濟評價,建立引導海上風電科技創新的差異化政策扶持機制。