近海低碳能源电力产业技术及成本的现状与挑战Ⅰ：现状分析.pdf

综述54与车辆2023年第4 期移动电源近海低碳能源电力产业技术及成本的现状与挑战1：现状分析杨灏强威威刘涛1尚晓龙苏善斌万东兴1孙玉红（1.华能酒泉风电有限责任公司，甘肃，酒泉7 3 5 0 0 0；2.郑州财经学院管理学院，河南，郑州4 5 0 0 0 0）摘要：近海低碳能源是指利用海洋资源，如风能、太阳能、波浪能、潮流能等来生产清洁电力的技术。近海低碳能源技术具有可再生性、环境友好性、经济效益性等优点，是未来海洋经济发展的重要方向。近海低碳能源技术目前还面临着一些问题，主要包括技术成熟度不高、开发成本较高、运维困难、海洋环境影响等。本文以海上风电、海上光伏、波浪能发电、潮流能发电等为主要分析对象，就其发展现状、面临的问题与挑战、未来发展方向进行详细讨论。本篇为第1 部分：现状分析，将对海上固定式和漂浮式风电、海上桩基式和漂浮式光伏、多种波浪能发电装备、潮流能发电装备等，分别从技术发展现状、成本管理、规模效应等角度进行综述和讨论，以期为海上低碳电力能源的发展提供参考。关键词：电力能源；海上风电；海上光伏；波浪能；潮流能；发展现状Doi:10.3969/j.issn.1003-4250.2023.04.0013中图分类号：TM文献标志码：A文章编号：1 0 0 3-4 2 5 0（2 0 2 3）0 3-0 0 5 4-0 61引言近海低碳能源是指离陆地较近海域内的低碳能源，通常指近岸约2 0 0 海里以内海域。近海区域发展低碳能源相对于陆上和深远海具有几个好处：首先，近海低碳能源的开发成本相对较低，因为近海海域的水深较浅，风速较稳定，海底地质结构较简单，设备的安装、维护和运输都比较方便；其次，近海低碳能源的电力消纳相对较容易，因为近海海域靠近沿海电力负荷中心，可以减少电网建设和输电损耗，提高电力供应的安全性和稳定性；最后，近海低碳能源的环境影响相对较小，因为近海海域的生态系统较为稳定，设备的噪音、磁场、影响等对海洋生物的干扰较小，也不会破坏海岸线的景观近海低碳能源具有资源丰富、技术成熟、环境友好、经济效益等优势，是应对全球气候变化和实现能源转型的重要途径之一 1 。作为世界上最大的能源生产消费国和最大的温室气体排放国，我国一直在积极推进能源消费革命和供给革命，构建多元清洁的能源供应体系 2 。我国拥有约3.2 万公里的海岸线和3 0 0 万平方公里的领海面积，具有丰富的近海低碳能源资源。在离岸2 0 0 公里范围内，风能资源技术开发潜力约2 2.5 亿千瓦 3,4 ，大陆沿岸区域波浪能理论储量为7 0 0 0 万千瓦，可开发潮汐能为2 0 0 0 万千瓦。南海表层与深层温差2 0 以上，尤其适用于温差能发电，预计南海可开发温差能为5亿千瓦。此外，我国还拥有一定规模的海洋太阳能、生物质能、盐差能等资源 5,6 。本文将主要从海上风电、海上光伏、波浪能、潮流能等能源种类的角度出发，分析我国近海固定式和漂浮式风力发电机、桩基式和漂浮式光伏发电装备、多种波浪能发电装备和潮流能发电机等新型低碳能源装备技术发展及其成本管理现状，并对现状进行讨论和总结。2海上风电产业现状分析目前海上风电主要存在两种技术路线：一种是固定式风力发电机，一种是漂浮式风力发电机。截止2 0 2 2 年底，全球风力发电新增装机容量为77.6GW，中国新增陆上并网风电3 2.5 8 GW，海上新增并网风电5.0 5 GW，风电发电量占全部电源年基金项目：国机研究院青年科研基金资助（SINOMAST-QNJJ-2022-07）55与车辆2023年第4 期移动电源总发电量的8.8%。单位千瓦造价成本方面，陆上造价约为4 8 0 0 元/kW6500元/kW，海上造价约为11500元/kW。目前，海上风电度电成本已经降至0.31元/kWh0.34元/kWh，预计到2 0 2 5 年降至0.270.30元/kWh，到2 0 3 0 年降至0.2 3 元/kWh0.27元/kWh7。海上风电新增装机容量主要为固定式风力机 8 ，全球漂浮式风力机已有装机容量约为202.55MW9，尚未真正商业化运行，预计到2 0 2 6年实现漂浮式风力机的商业化，到2 0 3 0 年实现大规模漂浮式风力机运营。高度：3 2 4 m高度：2 6 0 mA38079.8m时间：19901995 20002005201020152020埃菲尔铁塔风轮直径：40m50m112m126m145m164m220m图1风力发电机发展趋势目前，海上风力机一直在向着大型化发展，其整体高度已经达到2 6 0 m高度，与法国埃菲尔铁塔相当，是世界上最大的旋转机械（图1）。固定式基础是当前海上风电商业市场的主流形式，有多种基础形式，如重力式、单桩式、多桩式、三脚架式、导管架式等，主要适用于水深不超过6 0 m的海域，具有结构稳定、技术及产业配套成熟、成本相对低廉的优点。固定式风力机对海底地质要求较高，对海洋生态影响和安装运维难度较大。同时，由于其成本随水深增加而急剧增加，增大单级容量是其降低度电成本的重要技术路径。目前我国已成功下线的最大风电机组是由三峡集团和金风科技联合研制的GWH252-16MW海上风电机组，该风力机直径2 5 2 m，单机额定功率为1 6 MW，于2 0 2 2 年1 1月2 3 日在福建三峡海上风电产业园下线。远景能源的EN-252/14MW是全国已量产的最大海上风电机组，已批量交付粤港澳大湾区最大风电场、中国广核集团惠州港口1 0 0 万千瓦海上风电项目二期。此外，明阳智能和中国海装还分别对外发布了MySE18.X-28X和H260-18MW海上风力机，其额定功率均为1 8 MW，风轮直径分别为2 8 0 m和2 6 0 m。漂浮式基础是一种新兴的支撑形式，有立柱式、半潜式、张力腿式和驳船式等 1 0 ，适用于水深超过60米的海域，具有对海底地质要求较低、对海洋生态影响较小、安装运维难度较小的优点，但其结构稳定性较差，需要搭配锚泊系统和控制系统以增强浮台稳定性 ；且因为技术及产业配套不成熟，其成本相对较高 1 2 。固定式风力机成本随着水深、离岸距离增加而增加，但漂浮式风力机成本变化相对平稳，因而在深远海领域具有一定经济优势，而其目前技术不成熟、成本较高的问题也会随着技术突破和产业链规模化效应而有望进一步降低。表1 所示为国内外漂浮式风力机发电装备的案例。目前我国已成功运行的三台漂浮式风力机分别是三峡集团和明阳智能联合开发的“引领号”、中国海装开发的“扶摇号”和中国海洋石油公司开发的“观澜号”，三者都采用半潜式基础。“引领号 浮式风力机的额定功率为5.5 MW，风轮直径1 5 8 m，于2021年1 2 月在广东阳江成功并网发电；“扶摇号”浮式风力机的额定功率为6.2 MW，风轮直径1 5 2 m，于2 0 2 3 年8 月在广东湛江罗斗沙海域离网运行发电；“观澜号”浮式风力机的额定功率为7.2 5 MW，风轮直径1 5 8 m，于2 0 2 3 年5 月在海南文昌附近接入海上油田群电网成功运行发电。除此以外，明阳智能还发布了全球最大的漂浮式海上风电机组MySE16.X-260，额定功率为1 6 MW，风轮直径2 6 0 m，在汕尾粤东漂浮式海洋能源智能智造基地下线，计划投运在设计水深2 0 0 米、离岸距离1 0 千米的挪威海域。表1国内外漂浮式风力发电机案例时间项目名称国家装机容量2009Hywind1Norway2.3MW2011WindFloatAtlanticPhase1Portugal2MW2013FukushimaFORWARDJapan2MW2015Fukushima FORWARDJapan7MW2016FukushimaFORWARDJapan5MW2017HywindPilotParkUK30MW2018FloatGenFrance2MW2018IDEOLKitakyushuDemoJapan3MW2019KincardineUK2MW2019TeraSparDemonstrationNorway3.6MW2020WindFloatAtlautic2Portugal25MW2020DemoSATHSpain2MW2021三峡引领号中国5.5MW2022海装扶播号中国6.2MW2023海油观澜号中国7.25MW2023明阳MySE16.X-260中国16MW56移动电源与车辆2023年第4 期3海上光伏产业现状分析海上光伏是指在海洋上利用光伏技术建立起发电站，具有发电量高、土地占用少、易与其它产业相结合等特点 1 3 。2 0 2 2 年光伏新增并网容量87.41GW，发电量占全部电源年总发电量的4.9%，单位千瓦造价成本约为3 7 4 0 4 1 3 0 元，但主要为陆上光伏。海上光伏项目的总投资成本高于陆上光伏项目，目前尚未处于补贴与研发阶段，缺少真实成本数据；但从2 0 2 2 年山东省海上光伏招标项目来看，总投资约6 7 5 亿元，总装机1 1 2 5 万千瓦，单位千瓦研发造价估算为6 0 0 0 元，开发成本较高。随着技术进步和规模效应，海上光伏成本具有较大的降价空间。与海上风力机类似，海上光伏也有两种方式：桩基固定式光伏电站和漂浮式光伏电站 1 4 。前者主要在滩涂、潮间带等水深较小、地质稳定的区域布设，其优点是结构稳固，受海洋环境影响较小，并且可与水产养殖等产业实现渔光互补 1 5 ；缺点是建设成本较高，对土地资源有一定占用，且不适用于水深较大的海域。对于水深较大的区域，通常采用漂浮式光伏电站。这种方式的优点是不占用土地资源，可利用更广阔的海域空间；缺点是技术难度较大，受海洋波动影响较大，对浮体、锚固等部件的防腐蚀和安全性要求较高 1 6,1 7 。在项目实施上，山东省于2 0 2 2 年率先启动海上光伏规模化布局，拟打造“环渤海”、“沿黄海”两大千万千瓦级海上光伏基地。国家电投山东能源有限公司在山东的海阳、文登两地分别开展HG34、HG32等2 个固定式海上光伏项目，共计4 7 0 万千瓦。两个项目分别于2 0 2 3 年4 月和5 月成功运行并离网发电，为以后海上光伏项目开发提供了重要的实证数据经验。对于漂浮式光伏项目，2 0 2 2 年10月国电投依托山东半岛南3 号海上风电场资源，建设的全球首个风光同场的5 0 0 kW漂浮式光伏实证项目成功离网发电，该漂浮式光伏电站离岸距离30km，设计水深3 0 m，设计极端浪高1 0 m。然而，海上波浪环境较为复杂，浪高水深，风浪对漂浮式光伏设备的冲击、海上过剩的紫外线曝射、海浪翻涌进入光伏结构区域的积水等都会加速漂浮式光伏电站的损坏，因此，目前漂浮式光伏相关技术正处于研发-验证的初级阶段，需要持续的技术突破才能保证海上光伏的健康发展。4波浪能产业现状分析波浪能是指海洋中的波浪所蕴含的能量，具有储量巨大、分布广泛、稳定可靠等特点。我国拥有丰富的波浪能资源，沿岸和近海及毗邻海域的波浪能理论可开发利用量约为5.7 8 1 0 8 kW18.19。开发利用波浪能对缓解我国能源危机、保障能源安全、实现碳中和目标等具有重要意义。波浪能目前处于研发阶段，参考度电成本约为6.3 元/kWh20,21，远高于海上风电开发成本，需要随着技术迭代和产业发展进一步降低成本。波浪能发电技术形式主要包括振荡体式、振荡水柱式和聚波越浪式等 2 1,2 2 ，其技术原理如图2 所示。其中，振荡体式是一种利用浮体在波浪作用下的振荡或摇摆等运动来吸收波浪能量的装置，是目前研究最为广泛的波能转换装置，具有结构简单、成本低、适应性强、扩展性好等优点 2 3 。振荡水柱式波浪能发电装置利用一个与海水相通的气室，波浪作用下气室内的水柱往复运动，气室内空气容积发生变化，进而由空气驱动叶轮，带动发电机发电。该装置的优点是旋转叶轮不与海水接触，可靠性较高，缺点是效率较低。聚波越浪式波浪能发电装置利用水道将波浪升至高水位水库形成水位差，利用水位差产生的势能直接驱动水轮发电机发电。该装置优点是可靠性较高，但受坡道地形限制，对建造选址要求较高，且在小波高海况下发电效率偏低，扩展性差。动力摄取系绒空气透平一振荡洋子气流振荡蓄水池水轮机质量体水柱报满铺周系统海床图2三种波浪能发电装置型式57与车辆2023年第4 期移动电源由于振荡体式波浪能发电装置成本低、适应性强、技术成熟，目前波浪能装置的主要技术路线就是振荡体式发电装置。波浪能发电装置也分固定式和漂浮式两种路线，其中固定式装置只能利用局部的波浪资源，且一般布置在海岸线附近的海床上，因为可能会对海岸线或海底生态产生影响；而漂浮式不受海底地形和水深限制，可以利用更大范围的波浪资源，因而成为主要的发展方向。例如，中国科学院广州能源研究所研制的鸭式系列、哪吒系列和鹰式系列装置，在不同海域和海况下均取得了良好的发电效果。广州能源所于2 0 1 3 年建成的“鹰式一号”（额定功率1 0 kW）是我国首个漂浮式波浪能发电装置；之后，2 0 1 5 年建成“万山号”（额定功率100kW）是首个百千瓦级工程样机 2 4 ；2 0 1 8 年该所开发了2 6 0 kW漂浮式波浪能装置，并于当年成功并入三沙市永兴岛电网；然后，该所分别于2 0 2 0年、2 0 2 1 年开发额定功率5 0 0 kW的两款波浪能发电装置，分别为“舟山号”和“长山号”，后者还配备了5 0 0 kWh的储能系统；2 0 2 3 年6 月，广东珠海投运了“南鲲号 波浪能发电装置，该装置最大功率是1MW，是我国目前首个兆瓦级波浪能发电装置。此外，漂浮式波浪能发电装置由于可在海域内移动，也非常适合跟海水养殖业相结合。例如，中科院2019年建成的“澎湖号”波浪能养殖平台于珠海蜘洲岛养殖渔场成功投运。该平台是一个集波浪能发电、养殖、旅游、通讯为一体的综合平台，配备了60kW波浪能发电装置和6 0 kW太阳能发电装置，采用钢结构和软体网形成1.5 万m3的养殖水体，具有2 0 人居住空间和3 0 0 m仓储空间 2 5 。漂浮式发电装置的一系列突破为我国海洋牧场发展提供了强有力的技术支撑和示范作用。5潮流能产业现状分析潮流能发电装置是一种利用海水流动的动能转换为电能的装置。我国潮流能资源丰富，特别是浙江、福建、广东、海南等沿海地区 2 6 。潮流能发电产业也正处于研发阶段，缺少真实的成本数据支撑，目前潮流能发电上网指导电价为2.5 8 元/kWh，相对较高，需要持续的技术创新和产业配套降低开发成本 2 7 。与风力机类似，潮流能装置有水平轴式和垂直轴式两种结构。水平轴潮流机与水平轴风力机一样，效率较高、自启动性能好，若增加变桨或偏航机构还可适应更复杂的多向潮流环境；而垂直轴潮流机不需要偏航机构，但效率低且自启动性能差。与风力发电机组技术路线一样，水平轴潮流机是目前发展的主要方向。目前国内有多个水平轴潮流机示范项目 2 8,2 9 。浙江舟山林东3.4 MW海洋潮流能发电示范项目于2 0 1 6 年启动，首期1 MW机组于当年8月成功并网发电，是世界首座海洋潮流能发电站，也是世界上连续并入电网运行时间最长的潮流能发电项目；2 0 2 22年，该项目完成了第四代1.6MW奋进号 机组的研发，并于当年4 月正式并网运行。林东海洋潮流能发电项目采用模块化潮流机设计，可安装多个涡轮模块形成整体发电系统；机组配备双向变浆技术，可适应双向潮流流向 2 7 。浙江大学于2 0 1 7 年在舟山定海区建设的摘箬山岛海洋能试验平台下线了6 5 0 kW潮流机，并于2 0 2 0年改进后再次并网发电，最大发电功率6 3 7 kW。该海洋能示范平台已为浙大研发的6 0 kW、1 2 0 k W水平轴系列机组 3 0,3 1 ，以及国电联合动力的3 0 0 kW水平轴机组、杭州江河水电的3 0 0 kW水平轴机组等机型提供了海试服务。三峡集团在2 0 2 0 年建设的舟山潮流能发电示范项目是我国首个具备公共测试和示范功能的公益开放型国家级潮流能试验场 3 2 ，该项目计划规模为2.5 MW,平均水深3 1 米，最大潮流流速为每秒3.8 6 米，目前已完成4 5 0 kW潮流发电示范机组的建设和并网。我国沿海有巨大的潮流能资源潜力，开发利用潮流能有助于提高能源供给的多样性和安全性，减少碳排放，保护海洋生态环境。我国正在加快推进潮流能技术研究和工程建设，为实现“碳达峰、碳中和 目标贡献力量。6结束语582023年第4 期移动电源与车辆近海低碳电力能源产业是具有巨大发展潜力和广阔市场前景的新兴产业，是实现“双碳”目标的重要途径之一。近海低碳能源具有资源丰富、技术先进、环境友好、经济效益等优势，对于促进经济与能源转型升级，保障能源安全，应对气候变化，保护生态环境等方面都具有重要意义。本文分析了近海低碳能源产业的发展现状和特点，讨论了其成本及影响因素，主要结论如下：(1）近海低碳能源产业是指利用近海区域的风能、太阳能、波浪能、潮流能等可再生能源进行发电的产业，它具有清洁、高效、可持续等优点，是应对气候变化和实现碳中和的重要途径之一；(2）近海低碳能源产业在全球范围内已经取得了显著的进展，尤其是在欧洲、中国、美国等国家和地区，近海风电和近海光伏的装机容量和发电量都呈现出快速增长的趋势，同时也带动了相关的技术创新和政策支持；(3）目前海上固定式基础的风电度电成本已经降至0.3 1 0.3 4 元/kWh，有望通过进一步产业升级实现平价上网；漂浮式风力机成本较高，预计到2026年实现漂浮式风力机的商业化运营；(4）海上光伏、波浪能和潮流能发电装置目前成本较高，还处于研发阶段，市场竞争力不足。除了成本问题以外，近海低碳能源产业的发展还面临着其他方面的挑战，例如用海问题、环境影响，以及大规模开发和风浪流复杂环境带来的能源装备可靠性问题；(5）随着“双碳 目标的逐步深入，该产业将在未来有更大的发展空间和潜力，可以为实现全球能源转型和绿色发展做出重要贡献。参考文献：1】顾洪宾，范慧璞，谢越韬，etal双碳背景下全球可再生能源领域发展机遇展望 J国际工程与劳务，2022,(09):22-5.2】陈向国中国正在构建多元清洁能源供应体系J节能与环保，2 0 2 1，（0 1)：2 2-53林玉鑫，张京业海上风电的发展现状与前景展望 J分布式能源，2 0 2 3，8(0 2)：1-1 0.4】李乔楚，杨瀚匀.“双碳”目标下能源转型对低碳发展的影响机理分析 J科技创业月刊，2 0 2 3，3 6（0 8)：19-22.5保罗弗兰克尔全球低碳转型发展现状和趋势J中国电力企业管理，2 0 2 2，（3 1)：2 4-5.6王群伟，杜倩，戴星宇面向碳中和的可再生能源发展：研究综述 J南京航空航天大学学报（社会科学版)，2 0 2 2，2 4(0 4)：7 9-8 9.7 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Economics,Zhengzhou,Henan,450000)Abstract:Offshore low-carbon energy refers to technology that uses marine resources,such as wind energy,solar energy,waveenergy,tidal energy,etc.,to produce clean electricity.Offshore low-carbon energy technology has the advantages of renewable nature,environmental friendliness,and economic efficiency,and is an important direction for future marine economic development.Offshore low-carbon energy technology currently faces some problems,including low technological maturity,high developmentcosts,difficult operation and maintenance,and impact on the marine environment.This article focuses on offshore wind power,offshore photovoltaic,wave energy power generation,tidal power generation,etc.,and discusses in detail the development status,problems and challenges faced,and future development directions.This article is Part 1:Current Situation Analysis.Offshore fixedand floating wind power,offshore pile-based and floating photovoltaics,various wave energy power generation equipment,tidalenergy power generation equipment,etc.will be reviewed and discussed from the perspectives of technology development status,cost management,scale effect,etc.It is hoped that it can provide reference for the development of offshore low-carbon power energy.Keywords:electrical energy;offshore wind power;offshore photovoltaics;wave energy;tidal current energy;currentdevelopment status.