打通海上風(fēng)電“創(chuàng)新鏈”

孫一琳

今年8月，全球風(fēng)能理事會（GWEC）發(fā)布《2020年全球海上風(fēng)電報告》，預(yù)測隨著全球能源轉(zhuǎn)型步伐的加快以及更多國家進入海上風(fēng)電領(lǐng)域，2020―2030年全球海上風(fēng)電裝機容量將新增2.05億千瓦以上，海上風(fēng)電在全球風(fēng)電市場的占比會在2025年達到20%左右，為能源消費結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型升級提供關(guān)鍵支撐。

協(xié)同創(chuàng)新——海上風(fēng)電的著力點

2019年，英國政府設(shè)定了到2030年實現(xiàn)4000萬千瓦海上風(fēng)電裝機容量的目標(biāo)，同時投入約720億英鎊（約合人民幣6231億元）用于相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)，蘇格蘭則是發(fā)展海上風(fēng)電的主要地區(qū)。目前，該地區(qū)有4.65萬余人從事可再生能源和低碳產(chǎn)業(yè)。2018年，在政府的支持下，蘇格蘭地區(qū)成立了深海風(fēng)電協(xié)會，以促進整個北部地區(qū)海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，包括22家開發(fā)商、1家整機企業(yè)、375個供應(yīng)鏈企業(yè)和相關(guān)協(xié)會、大學(xué)、港口的成員參與其中。除了深海風(fēng)電協(xié)會，蘇格蘭還擁有海上風(fēng)電協(xié)會和海上風(fēng)電能源協(xié)會。蘇格蘭國際發(fā)展局投資部中國區(qū)總監(jiān)趙莉表示，“無論是政府，還是產(chǎn)業(yè)，都投入了大量精力以保持海上風(fēng)電行業(yè)的創(chuàng)新活力?！?/p>

挪威擁有100多年的海事以及造船歷史，并積累了超過40年的油氣開發(fā)經(jīng)驗，使得這個國家對海洋工程有著極深的理解，從而為持續(xù)降低海上風(fēng)電各環(huán)節(jié)成本奠定了堅實的基礎(chǔ)。同時，該國專為滿足海上風(fēng)電開發(fā)需要而建造的安裝船，已經(jīng)服務(wù)于20%～30%歐洲海域的項目，成為挪威發(fā)展海洋經(jīng)濟的又一發(fā)力點。

在中國，海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)鏈的各個環(huán)節(jié)同樣為實現(xiàn)突破不斷展開創(chuàng)新。

整機企業(yè)利用整機架構(gòu)設(shè)計與平臺化、模塊化快速降低成本；利用整機系統(tǒng)數(shù)字孿生與多目標(biāo)的尋優(yōu)，提升產(chǎn)品迭代速度；研發(fā)碳纖葉片，同時在超柔葉片方面研發(fā)出高升阻比、低噪聲的翼型，進一步降低發(fā)電成本；在智能控制技術(shù)方面，通過設(shè)計環(huán)境自適應(yīng)控制、全生命周期疲勞控制，最終實現(xiàn)風(fēng)電場發(fā)電性能的最優(yōu)；在海上風(fēng)電固定式基礎(chǔ)載荷方面，一方面，通過設(shè)計優(yōu)化，突破現(xiàn)有基礎(chǔ)類型的局限性，另一方面，通過精細(xì)化分析優(yōu)化，降低載荷，做到系統(tǒng)最優(yōu)。

隨著海上風(fēng)電機組的大型化、水深的增加，海上風(fēng)電機組基礎(chǔ)的重量也在迅速增加。新疆金風(fēng)科技股份有限公司海上風(fēng)電設(shè)計研究院副院長寧巧珍提出了5個需要突破的關(guān)鍵技術(shù)點：一是深水低頻單樁基礎(chǔ)設(shè)計優(yōu)化方面，在地基剛度精確計算、樁長魯棒性優(yōu)化、突破樁身D/t限制等方面實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新；二是導(dǎo)管架基礎(chǔ)設(shè)計及制造工藝優(yōu)化，鑄造管節(jié)點以及桁架模塊化設(shè)計方面進行創(chuàng)新；三是嵌巖及軟弱覆蓋層下新型低成本基礎(chǔ)創(chuàng)新，包括復(fù)合筒基礎(chǔ)、多筒負(fù)壓筒導(dǎo)管架基礎(chǔ)、單筒負(fù)壓筒基礎(chǔ)、摩擦盤基礎(chǔ)等優(yōu)化；四是建立適用于我國環(huán)境條件和地理條件的設(shè)計規(guī)范；五是推進塔架與基礎(chǔ)的一體化設(shè)計，使整個系統(tǒng)形成閉環(huán)，通過精細(xì)化分析剔除設(shè)計中的冗余部分。

此外，未來可通過葉片疊放和塔筒立放等實現(xiàn)單船多套部件的運輸，降低成本。針對福建和廣東浪涌比較大的區(qū)域存在吊裝效率低下的問題，寧巧珍指出，研究適用于風(fēng)電機組吊裝及基礎(chǔ)施工的風(fēng)電安裝船自運自吊技術(shù)是提高吊裝效率的最有效途徑。為實現(xiàn)技術(shù)的應(yīng)用，現(xiàn)階段有需求的港口應(yīng)主動獲得相關(guān)部門和機構(gòu)的建設(shè)許可，提供可插樁接貨的港口以及超寬運輸航道等條件。

金風(fēng)科技對該技術(shù)展開了不同里程、不同設(shè)備套數(shù)以及用具的評估，據(jù)保守估計，它的應(yīng)用可降低30%～50%的單臺機組吊裝成本。

創(chuàng)新是廣義的，除了圍繞技術(shù)和產(chǎn)品，還有必要進行商業(yè)模式與組織模式上的創(chuàng)新。以諸多整機廠商和開發(fā)企業(yè)的經(jīng)驗來看，長周期乃至全生命周期運維服務(wù)的統(tǒng)一外包是目前提升風(fēng)電場發(fā)電效率的有效合作模式。為快速推廣這一模式，寧巧珍指出，需要投資方和服務(wù)商盡快就相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)以及合作分成標(biāo)準(zhǔn)形成明確的合同關(guān)系。

“當(dāng)然，某環(huán)節(jié)的單一改變帶來的效果終究是有限的?！睂幥烧溲a充說，“只有集全產(chǎn)業(yè)鏈的廣泛創(chuàng)新，才能賦予行業(yè)以顛覆性的力量。我們需要思考全產(chǎn)業(yè)鏈上的創(chuàng)新如何進行有效組合才能達到效率的最大化?！?/p>

制氫——海上風(fēng)電的下一個窗口

為了應(yīng)對氣候變化，對現(xiàn)有的能源消費結(jié)構(gòu)進行轉(zhuǎn)型升級是必然的趨勢。當(dāng)前需要做好三件事情：一是提升全球各個經(jīng)濟體的整體能源效率，將能源總消耗量控制在與2018年持平的水平；二是進行大量的電氣化改造，特別是推進傳統(tǒng)工業(yè)生產(chǎn)的電氣化改革，輔以清潔能源電力；三是推動清潔能源取代傳統(tǒng)化石能源。

彭博新能源財經(jīng)風(fēng)電分析師汪子越表示，氫能在這一過程中大有可為?？膳c氫能結(jié)合發(fā)展的能源種類眾多，絕不限于海上風(fēng)電，但海上風(fēng)電無疑是這一跨界技術(shù)的最佳合作伙伴。

目前，世界上很多國家已經(jīng)開始海上風(fēng)電制氫示范項目的建設(shè)。荷蘭建造了全球首個海上風(fēng)電制氫示范項目—— PosHYdon。在英國，——rsted公司的140萬千瓦Hornsea 2海上風(fēng)電場將與Gigastack項目連接生產(chǎn)綠色氫氣，為英格蘭東北部的一家石油和天然氣精煉廠提供動力。德國制定了最新的海上風(fēng)電制氫戰(zhàn)略，考慮在海上風(fēng)電競標(biāo)中指定部分海上風(fēng)電場專門用于生產(chǎn)綠色氫氣。

海上風(fēng)電制氫的成本居高不下成為這一綠色發(fā)展路徑尚未得到推廣的根源，但嚴(yán)格來說，不能稱之為“制約因素”。未來，可再生能源電力制氫成本還有較大的下降空間。

一方面，可再生能源發(fā)電成本在不斷下降；另一方面，電解槽設(shè)備的成本在持續(xù)下降。以歐美市場為例，電解槽成本在過去的5年中下降了40%～50%。在中國，受益于較低的原材料價格、人力成本，以及較高的工廠利用率，這類設(shè)備成本的下降將更加明顯。另外，由規(guī)模化發(fā)展帶來的成本效應(yīng)，也有助于推動未來氫能產(chǎn)業(yè)的騰飛。據(jù)估算，2030年，全球電解槽設(shè)備平均成本有望下降至少30%，2050年下降50%以上。此外，電解槽利用率也有很大的提高空間。

汪子越認(rèn)為，未來10年內(nèi)，全球仍需要約1500億美元（約合人民幣9807億元）的補貼，可再生能源電力制氫的成本才能降至2美元/千克（約合人民幣13元/千克）。這一補貼數(shù)額乍一看非常大，但實際上每年全球各國政府用于化石能源的補貼接近于它的2倍。由此看來，只要推進能源轉(zhuǎn)型的意愿足夠強烈，可再生能源電力制氫就能夠成為一個絕佳的選擇。

漂浮式——海上風(fēng)電的未來

自2009年世界上第一臺兆瓦級漂浮式海上風(fēng)電機組并網(wǎng)以來，截至2019年年底，全球范圍內(nèi)已安裝了6.6萬千瓦的漂浮式海上風(fēng)電。全球風(fēng)能理事會（GWEC）基于全球主要國家現(xiàn)有的漂浮式風(fēng)電規(guī)劃預(yù)測，未來10年內(nèi)將建造620萬千瓦的漂浮式海上風(fēng)電項目，但2020―2025年的裝機容量將不到預(yù)測值的10%。從2025年開始，小型商業(yè)性的漂浮式海上風(fēng)電項目會開始建設(shè)；2030年，漂浮式海上風(fēng)電有望通過大型項目招投標(biāo)而陸續(xù)開工并投產(chǎn)。可以說，走向深遠(yuǎn)海代表著海上風(fēng)電的未來。

DNV GL―能源首席執(zhí)行官Ditlev Engel提醒，未來漂浮式海上風(fēng)電將面臨來自技術(shù)、監(jiān)管和競爭等方面的挑戰(zhàn)。在技術(shù)方面，涉及新型設(shè)備需要認(rèn)證、應(yīng)對極端天氣情況等；在監(jiān)管方面，新興市場缺乏政府監(jiān)管框架、輸電/電網(wǎng)容納量有限或老化、本地化占比要求嚴(yán)格等均值得關(guān)注；最后，還有與全球化和競爭有關(guān)的挑戰(zhàn)，包括對當(dāng)?shù)厥袌鲆?guī)模經(jīng)濟合理性期望過高，以及沒有認(rèn)識到需要靈活的全球供應(yīng)鏈來實現(xiàn)規(guī)模經(jīng)濟和度電成本的降低等。

在CWP 2020上，有眾多關(guān)于漂浮式海上風(fēng)電發(fā)展經(jīng)驗的分享，已經(jīng)細(xì)化到各個環(huán)節(jié)，如在設(shè)計環(huán)節(jié)，漂浮式海上風(fēng)電機組耦合設(shè)計面臨的挑戰(zhàn)，漂浮式海上風(fēng)電機組模型試驗及驗證；在運輸環(huán)節(jié)，不同類型半潛型漂浮式海上風(fēng)電機組拖航技術(shù)的優(yōu)劣，以及海上物流管理及標(biāo)準(zhǔn)化認(rèn)證等。