“雙碳”背景下福建海上風電的挑戰(zhàn)與機遇

王強,毛冰晶,王小俊,彭荔紅

(1.中國三峽新能源(集團)股份有限公司 南昌 330038;2.廈門大學 廈門 361102)

0 引言

2020年我國宣布“將提高國家自主貢獻力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值,努力爭取2060年前實現(xiàn)碳中和”[1-3]。目前我國的碳排放仍處于增長期,為實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標,降低電力行業(yè)的碳排放是主要的減排任務。風能和太陽能是深化電力體制改革和推動清潔能源發(fā)電的“主力軍”。2021年我國提出“深化電力體制改革,構建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)”[4]。

我國海上風電具有靠近用電負荷中心、不占用土地、風速大、利用時間長和風能資源穩(wěn)定等優(yōu)勢[5]。近年來,沿海地區(qū)的風電發(fā)展重心逐漸轉(zhuǎn)為海上風電,國內(nèi)最大的清潔能源集團和五大發(fā)電集團都在尋求用電負荷中心周圍的海上風電能源基地。2020年我國海上風電新增裝機容量為306萬k W,占全球新增海上風機容量的50%[6]。目前我國已邁入“十四五”發(fā)展新征程,大力發(fā)展海上風電是構建新型電力系統(tǒng)以及實現(xiàn)碳達峰、碳中和目標的必然選擇。

受臺灣海峽“狹管效應”的影響,福建豐富的海風資源集中于閩江口以南到廈門灣以北的廣大海域,包括海壇海峽、興化灣、湄洲灣和泉州灣等,該海域年平均風速大且風向穩(wěn)定,是全國風能資源最豐富的地區(qū)之一[7]。廈門以南與閩江口以北地區(qū)(漳浦和霞浦等地)的近海風能資源也較為豐富[8]。此外,福建具有較好的海上風電場開發(fā)建設條件,近海區(qū)域靠近用電負荷中心,接入線路短,施工交通條件較好,適合大規(guī)模開發(fā)海上風電[9]。截至2020年年底,福建海上風電并網(wǎng)容量達到76萬k W,同比增長65%[10]。本研究梳理福建海上風電現(xiàn)狀與規(guī)劃發(fā)展的優(yōu)勢,探討福建發(fā)展海上風電所面臨的挑戰(zhàn)與機遇,并提出海域管理對策建議,以期為“雙碳”目標下福建乃至全國海上風電的開發(fā)管理提供參考。

1 福建海上風電的發(fā)展優(yōu)勢

1.1 規(guī)劃布局

面對缺油、缺氣和少煤的能源利用狀況,福建發(fā)揮山、水、海岸線和港口的優(yōu)勢,加快發(fā)展水、核、風等多種清潔能源,從曾經(jīng)的能源自然儲備小省轉(zhuǎn)變成清潔能源大省[11]。2020年福建可再生能源電力消納量達473億k W·h,占全社會用電量的比重超過19%[12]。水電、核電和風電是福建主要的可再生能源,然而一方面,水電資源基本開發(fā)殆盡,除以防洪、供水和灌溉等為主兼顧發(fā)電的水資源開發(fā)項目外,福建原則上不再新建水電站[13];另一方面,由于存在輻射等安全隱患,核電的開發(fā)也受到諸多約束。在這種形勢下,風電成為近年來福建發(fā)展最快的可再生能源。

與陸上風電相比,海上風電的風力穩(wěn)定且充足,靠近耗電區(qū)域且不占用土地,具有一定的發(fā)展優(yōu)勢[14]。2017年《福建省海上風電場工程規(guī)劃報告》規(guī)劃福州、漳州、莆田、寧德和平潭所轄海域的17個風電場,總規(guī)模達1 330萬k W(表1)[15]。

表1 福建海上風電場規(guī)劃布局

1.2 開發(fā)現(xiàn)狀

截至2021年7月,福建已核準建設的海上風電場已建成2個、在建9個、待建3個,主要分布在福州、莆田和平潭地區(qū)(表2)。

表2 福建已核準建設的海上風電場

2015年11 月莆田平海灣50 MW近海風電項目并網(wǎng)發(fā)電,該項目裝載10臺湘電5 MW直驅(qū)永磁海上風電機組[16];2015年12月莆田南日島海上風電場一期項目首批4臺風力發(fā)電機組順利并網(wǎng)發(fā)電[17];2017年2月平潭長江澳海上風電項目和平潭大練海上風電場項目開工[18-19];2018年7月國內(nèi)首個大功率海上風電試驗風場——福清興化灣海上風電場一期項目完成14臺風機安裝,包括GE、金風、海裝、太重、明陽、東氣、湘電和上氣8種類型的風機,總裝機容量約為77 MW[20];2018年12月莆田石城海上風電場項目開工建設[21];2019年6月莆田平海灣海上風電場二期項目首批機組成功并網(wǎng)發(fā)電[22];2020年4月莆田平海灣海上風電場F區(qū)項目首批風機基礎主體工程順利完工[23];2020年7月福清興化灣海上風電場二期項目首臺10 MW海上風電機組成功并網(wǎng)發(fā)電[24];2020年12月福清海壇海峽海上風電場項目首臺風機并網(wǎng)發(fā)電[25];2021年1月莆田平海灣海上風電場三期項目成功受電[26]。此外,5個海上風電場項目已被明確授予開發(fā)權并已開展相關前期工作,包括寧德霞浦20萬k W海上風電場A區(qū)項目、寧德霞浦30萬k W海上風電場B區(qū)項目、莆田平海灣40萬k W海上風電場D區(qū)和E區(qū)項目、漳浦六鰲40萬k W海上風電場二期項目以及平潭外海10萬k W海上風電場項目[27]。

在海上風電技術方面,福建依托福州江陰海上風電國際產(chǎn)業(yè)園實現(xiàn)一系列突破。一方面,大容量風機研發(fā)技術取得重要進展。研發(fā)和推廣大容量海上風電機組既有利于海上風電的建設、運維和度電成本降低,也有利于減少用海面積和提高海洋利用率,實現(xiàn)海上風電高質(zhì)量發(fā)展[28]。2020年5月由金風科技研發(fā)的國內(nèi)首臺8 MW海上風電機組在福清興化灣二期海上風電場成功吊裝[29];2020年7月由三峽集團與東方電氣集團聯(lián)合研發(fā)的,單機容量亞太地區(qū)最大和全球第二大的國內(nèi)首臺10 MW海上風電機組在福清興化灣二期海上風電場成功并網(wǎng)發(fā)電,標志著我國風電開發(fā)能力實現(xiàn)歷史性跨越[30]。另一方面,海上風機抗臺風技術逐漸成熟。福建位于臺風多發(fā)區(qū),是我國受臺風影響最為頻繁的沿海地區(qū)之一。臺風對海上風電開發(fā)有利有弊:利處在于,若遇較弱的熱帶氣旋(如熱帶風暴量級)或較強的熱帶氣旋外圍環(huán)流,海上風電場可經(jīng)歷較長的“滿發(fā)”時段,從而獲得很好的滿負荷發(fā)電收益;弊處在于,若遇風速較大、湍流強度較大和方向變化劇烈的強臺風,不僅耽誤船舶作業(yè),而且易導致風力機葉片甚至支撐塔失效[31-32]。因此,臺風在一定程度上限制海上風電開發(fā),臺風影響范圍內(nèi)的海上風力發(fā)電機組的技術研發(fā)會將臺風的因素考慮在內(nèi),優(yōu)化葉片和塔筒的設計,同時引入海上風電抗臺風控制策略運行模式[33]。作為最新一代的大容量海上風電機組,福清興化灣二期海上風電場的10 MW海上風電機組針對福建和廣東等海域的Ⅰ類風區(qū)設計,具備超強抗臺風能力,是我國海上風電技術創(chuàng)新的又一突破[30]。

2 福建海上風電的挑戰(zhàn)與機遇

2.1 平價上網(wǎng)

市場化和競爭化有利于促進海上風電的發(fā)展。為實現(xiàn)“雙碳”目標,我國采取一系列措施促進風電行業(yè)加快擺脫對財政補貼的依賴,逐漸進入競價階段。2021年新核準的海上風電項目全部通過競爭方式確定上網(wǎng)電價,且不得高于2020年調(diào)整的0.75元/(k W·h)的指導價[34]。福建發(fā)改委積極響應國家號召,開展年度海上風電項目競爭配置工作。為實現(xiàn)風電與煤電平價上網(wǎng)的目標,從2022年開始中央財政不再對增建海上風電項目進行補貼,海上風電將提前進入平價時代[35]。

這是福建大力發(fā)展海上風電的重要機遇。作為新興產(chǎn)業(yè),海上風電的度電成本較高,許多企業(yè)在2021年搶裝海上風電設備,催生“搶裝”浪潮?，F(xiàn)階段海上風電仍處于發(fā)展的關鍵時期,產(chǎn)品開發(fā)等大量投入帶動一系列風電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。為避免2022年后海上風電發(fā)展的后勁不足,地方政府亟須提供有效的政策支持,協(xié)助海上風電向平價上網(wǎng)平穩(wěn)過渡。

2.2 走向深遠海

在“碳中和”目標下,海上風電發(fā)展迅猛,近海的海上風電場日漸飽和,開發(fā)規(guī)模受限。此外,由于80%的海上風能處于深遠海,為盡量減少對周邊環(huán)境功能、活動和基礎設施網(wǎng)絡的影響并充分利用海上風能,海上風電場正逐步由潮間帶向深遠海發(fā)展,建設項目的離岸距離和水深不斷增加。飄浮充電是深遠海風電機組發(fā)展的主力,關系大型風電飄浮式機組和海上智慧運行。2018年福建核準的海上風電場有4個滿足“雙十”標準,即離岸距離不少于10 km、灘涂寬度超過10 km時水深不少于10 m[36](表3)。

表3 4個海上風電場的離岸距離和水深

“十四五”期間福建將著力打造深遠海海上風電基地示范工程[37]。海上風電走向深遠海意味著施工技術難度大幅提升,而福建獨特的地理位置也加大施工作業(yè)的難度。福建右靠臺灣海峽,管轄海域狹窄且潮差和波浪較大[38]。例如:福清海壇海峽海上風電場位于龍高半島東北側(cè)的海壇海峽中北部,該海域是世界三大風口之一,技術挑戰(zhàn)性極高[25],海上風電場建設受此影響進展緩慢。在海上風電走向深遠海的過程中,產(chǎn)業(yè)協(xié)同是積極應對挑戰(zhàn)的關鍵。發(fā)展海上風電基地是推動產(chǎn)業(yè)集聚發(fā)展、降低開發(fā)和運輸成本、帶動核心技術研發(fā)以及引導產(chǎn)業(yè)升級的有效措施[39]。福建已建成擁有綜合性海上風電研發(fā)中心和海上風電設備生產(chǎn)制造基地的三峽海上風電國際產(chǎn)業(yè)園,在大容量風機制造方面取得重大突破。下一步,對福州江陰等已建成的海上風電先進裝備園區(qū),可通過招商方式拓展海上風電產(chǎn)業(yè)鏈,以補齊全產(chǎn)業(yè)鏈的供應鏈為主,推動已簽約項目盡快落地和建成投產(chǎn);寧德、莆田和漳州等地可通過布局產(chǎn)業(yè)基地促進海上風電裝備制造及服務業(yè)的集聚發(fā)展。

2.3 項目用海

海上風電場占用海域面積較大,且與其他海域空間存在交叉,可能造成用海沖突,如風機設施影響海洋捕撈以及施工干擾雷達信號[40]?，F(xiàn)有海上風電場的建設實踐表明,除技術難關外,各部門所轄海域的用海沖突也會阻礙海上風電開發(fā)進度。

海洋牧場與海上風電相融合是新型產(chǎn)業(yè)發(fā)展模式。海上風電場的風機基礎在“礁石效應”下會附著大量貝類和吸引其他魚類,加上海上風電場附近海域限制捕撈,通常海洋生物種群數(shù)量多且生物多樣性豐富[41]。推進海上風電與海水養(yǎng)殖融合發(fā)展,有利于充分利用海域立體空間,解決與遠海海洋農(nóng)漁業(yè)區(qū)的功能區(qū)劃符合性問題。

在“碳中和”目標下,推進海上風電開發(fā)進度是各方所需。因此,除技術上的產(chǎn)業(yè)協(xié)同外,漁業(yè)和軍事等部門應統(tǒng)籌協(xié)同,解決部門用海沖突的矛盾。

2.4 碳減排

在“雙碳”目標下,我國海上風電的碳減排潛力受到重點關注。福建作為我國東部沿海地區(qū),擁有豐富的海上風能資源,其海上風電的建設和完善對“雙碳”目標的助力不容小覷,然而海上風電場在生命周期內(nèi)產(chǎn)生的二氧化碳同樣值得關注。魏逸群[42]利用GaBi軟件預測計算福清興化灣海上風電一期項目在整個生命周期內(nèi)的二氧化碳排放量約為124 433 t,其中投入部分約為134 922 t,回收部分約為10 489 t,主要排放構成為風電機組基礎(39.23%)、風機生產(chǎn)用電(26.38%)和風電機組(21.58%)(排除回收部分)。由此可見,海上風電場建設階段的二氧化碳排放量占比較大,而運行階段的二氧化碳排放量占比很小,即風力發(fā)電過程的溫室氣體排放轉(zhuǎn)移到風電場建設上游。由于部分設備將在服務期結(jié)束后再循環(huán)利用,回收活動使二氧化碳排放量減少約10 489 t。因此,為實現(xiàn)碳減排,應更加重視海上風電場建設環(huán)節(jié),同時加快海上風電產(chǎn)業(yè)的協(xié)同步伐。

3 福建海上風電管理對策

由于地理位置特殊,福建海上風電場的用海沖突問題尤為突出。“十三五”期間起草的《福建省海上風電場工程規(guī)劃報告》與現(xiàn)有海上風電場的開發(fā)情況存在偏差,如2020年參與競爭配置的平潭外海海上風電場就不在該規(guī)劃內(nèi),規(guī)劃的滯后阻礙海上風電開發(fā)進度且造成資源浪費。因此,發(fā)展海上風電亟須利用更新的風、水文、海底管線、障礙物和地質(zhì)地形等調(diào)查信息編制新規(guī)劃,降低平準化度電成本。以整體思路統(tǒng)籌管理海上風電項目連片開發(fā),可達到集約用海的目的,也可促進相關產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

3.1 考慮海底電纜與生態(tài)紅線的兼容

海上風電場的建設和運營存在與鳥類發(fā)生碰撞,對海洋物種產(chǎn)生噪聲損害和電磁干擾,污染海洋環(huán)境以及影響水位、流速和潮汐容量等問題[43-45]。為降低對環(huán)境的影響,根據(jù)國家對于海洋工程項目建設的有關規(guī)定,海上風電項目須編制海洋環(huán)境影響報告書[46]。此外,《國家海洋局關于進一步規(guī)范海上風電用海管理的意見》明確,在劃定的生態(tài)紅線區(qū)內(nèi)不得規(guī)劃布局海上風電場。然而在實際建設過程中,須考慮海底電纜與生態(tài)紅線的兼容。由于海底電纜的施工期短且施工后的影響微乎其微,基本不會影響海底地貌和底棲生物。依據(jù)《廣東省海洋生態(tài)紅線登記表》,海洋生態(tài)紅線區(qū)內(nèi)允許海上風電項目的海底送出工程經(jīng)過,如南鵬島海上風電廠項目的電纜鋪設路線就穿越“東平鎮(zhèn)南珍稀瀕危物種集中分布區(qū)Ⅰ區(qū)限制類紅線區(qū)”[47]。生態(tài)紅線區(qū)內(nèi)不能鋪設海底電纜的“一刀切”式執(zhí)行方案看上去很“嚴”很“好”,但本質(zhì)上過于固化且忽視實際存在的用海緊張問題,應加以糾正。

3.2 “雙碳”目標下海上風電場的產(chǎn)業(yè)協(xié)同

在“雙碳”目標下,為更好地建立健全海上風電產(chǎn)業(yè)鏈,相關產(chǎn)業(yè)協(xié)同必不可少。其產(chǎn)業(yè)鏈包括海上風電的規(guī)劃設計和選址,主設備、電站和風場輔助設備,海風制氫、海水淡化和儲能等“一條龍”系統(tǒng)以及海上風電專業(yè)服務、技術、軟件和實驗等[48],均需政府加以合理的支持和引導。除此之外,海上風電場建設的原材料和能源產(chǎn)業(yè)都要相互促進和協(xié)同發(fā)展,如海風制氫為風電場建設提供氫能源。

3.3 統(tǒng)籌協(xié)調(diào)海上風電場與航道、國防和專屬經(jīng)濟區(qū)的關系

一方面,海上風電場附近的航道對風電場和船舶運行都存在安全風險;另一方面,海上風電場運行可能干擾通信信號,繼而對國防安全產(chǎn)生影響。此外,深遠海海上風電場建設可能涉及專屬經(jīng)濟區(qū)。根據(jù)《聯(lián)合國海洋法公約》,沿海國在專屬經(jīng)濟區(qū)內(nèi)有開發(fā)可再生能源的權利,但在實際開發(fā)中,考慮到國際法和相關地區(qū)的利益,其用海和審批難度較大[49]。航道、國防和專屬經(jīng)濟區(qū)涉及國家和地方的用海和用地管理,項目核準和建設存在一定的不確定性[50]。在規(guī)劃海上風電場時應統(tǒng)籌協(xié)調(diào)與這些領域的關系,科學布局,避免沖突。

3.4 改進單機用海面積計算方法

根據(jù)《海上風電開發(fā)建設管理暫行辦法》,單個風電機組塔架的用海面積按塔架中心點至基礎外緣線點再向外擴50 m為半徑的圓形區(qū)域計算。這一方法適用于以往我國比較流行的3 MW機型,其葉片的直徑范圍為104～112 m,風機基礎多采用三角樁結(jié)構形式,在此情況下外擴50 m為半徑的圓形區(qū)域能夠起到保護風機基礎和風機葉片的作用[51]。然而隨著大容量海上風機的快速發(fā)展,尤其對于10 MW和12 MW的超大容量風電機組,現(xiàn)行的單個風機用海面積界定方法已不能覆蓋風機葉片的直徑范圍,存在一定的局限性?？紤]到風機容量增大帶來的風機葉片直徑的變化,應改進海上風機單機用海面積計算方法,適應海上風機的發(fā)展趨勢。

4 結(jié)語

福建海上風電的發(fā)展是我國海上風電發(fā)展的縮影,探索福建海上風電的發(fā)展具有一定的代表性?，F(xiàn)階段福建海上風電的發(fā)展面臨降低成本、走向深遠海和解決用海矛盾的挑戰(zhàn),其中解決用海矛盾須有相關技術和政策的支持。針對海上風電的發(fā)展模式,本研究對福建海上風電提出管理對策,如兼容海底電纜和生態(tài)紅線、促進產(chǎn)業(yè)協(xié)同、協(xié)調(diào)海上風電場與其他領域的關系以及重新界定單機用海面積,旨在更好地在“雙碳”目標背景下抓住機遇,盡早實現(xiàn)福建的“雙碳”目標,同時為福建乃至全國海上風電的發(fā)展和管理提供決策參考。