多能融合 建設(shè)海上新能源高效開發(fā)利用體系

■中海油研究總院總工程師（海洋工程） 尹漢軍

日前發(fā)布的《新型電力系統(tǒng)發(fā)展藍(lán)皮書》提到，“加大力度規(guī)劃建設(shè)以大型風(fēng)電光伏基地為基礎(chǔ)、以其周邊清潔高效先進(jìn)節(jié)能的煤電為支撐、以穩(wěn)定安全可靠的特高壓輸變電線路為載體的新能源供給消納體系。推動新能源集中與分布并舉、陸上與海上并舉、就地利用與遠(yuǎn)距離外送并舉，構(gòu)建新能源多元化開發(fā)利用新格局?！?/p>

中國海洋國土面積為300萬平方千米，占全部國土面積的1/4。海洋可再生資源量開發(fā)總量超過35億千瓦，其中風(fēng)資源開發(fā)總量為30億千瓦，占比超過85%。建設(shè)海洋能源高效開發(fā)利用體系將充分利用足量可再生能源，大力推動我國能源轉(zhuǎn)型。

深遠(yuǎn)海風(fēng)電是建設(shè)海上新能源高效開發(fā)利用體系的重要抓手

海上新能源從廣義上定義為海洋所蘊(yùn)藏的可再生自然能源，主要包括風(fēng)能、太陽能、潮汐能、波浪能、潮流能以及海水溫鹽差能。

國家海洋技術(shù)中心數(shù)據(jù)顯示，我國海洋可再生能源雖并行發(fā)展，但海上風(fēng)能無論是從可開發(fā)量還是總裝機(jī)規(guī)模都遙遙領(lǐng)先。其中，風(fēng)能可開發(fā)總量超過30億千瓦，是其余能種總和的6倍。海上風(fēng)電總裝機(jī)容量已超3000萬千瓦，最大裝機(jī)功率突破16兆瓦，而相對具有發(fā)展?jié)摿Φ某毕芘c潮流能目前總裝機(jī)規(guī)模分別僅為4100千瓦和1000千瓦，溫鹽差能利用尚處于實(shí)驗(yàn)階段。

因此，海上風(fēng)電將是未來海上新能源利用體系中的主力。

盡管國內(nèi)近海淺水風(fēng)電裝機(jī)容量已處于國際領(lǐng)先地位，但是考慮到航道、漁場以及娛樂占地等因素，近?？臻g重疊區(qū)域多，風(fēng)資源利用日趨飽和。而深遠(yuǎn)海風(fēng)場具有不占地、不搶占資源的優(yōu)勢，且蘊(yùn)藏更豐富的海風(fēng)資源，可開發(fā)量超過2.9萬千瓦，是近海風(fēng)資源總量的3倍之多?！丁笆奈濉笨稍偕茉窗l(fā)展規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)，要推動深遠(yuǎn)海海上風(fēng)電技術(shù)創(chuàng)新和示范應(yīng)用。未來深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)是國內(nèi)海上新能源開發(fā)的重要方向。

“海油觀瀾號”傲然挺立。（中國海油供圖）

依托現(xiàn)有海洋工程技術(shù)研發(fā)深遠(yuǎn)海風(fēng)電開發(fā)技術(shù)，是國內(nèi)海上新能源利用開發(fā)體系發(fā)展的必由之路

國內(nèi)海上資源規(guī)模化開發(fā)始于20世紀(jì)80年代，開發(fā)資源類型以油氣為主。中國海油作為國內(nèi)海上資源開發(fā)的最大運(yùn)營商，資源開發(fā)水深逐步完成從淺水到中深水的轉(zhuǎn)變。2021年全球首座半潛式儲卸油平臺投產(chǎn)，開發(fā)水深從300米提升到1500米。

2010年以來，隨著近海淺水風(fēng)電場的建設(shè)，風(fēng)資源的開發(fā)量逐漸提升，但是受開發(fā)技術(shù)及經(jīng)濟(jì)性限制，采用固定式風(fēng)電基礎(chǔ)開發(fā)風(fēng)資源水深受限。目前國內(nèi)最深的固定式風(fēng)電基礎(chǔ)項(xiàng)目三峽廣東陽江青洲五期（預(yù)計(jì)2024年12月實(shí)現(xiàn)全容量并網(wǎng)）水深46.5—52.5米。

深水油氣浮式裝置設(shè)計(jì)具體包括油氣開發(fā)上部組塊、電力系統(tǒng)、浮體、系泊、海上安裝、動態(tài)電纜、運(yùn)維等內(nèi)容，和漂浮式風(fēng)電的設(shè)計(jì)內(nèi)容達(dá)到70%以上的重合，僅有風(fēng)力發(fā)電機(jī)組部分存在差異。

未來海上資源的開發(fā)必然走向深遠(yuǎn)海，而深遠(yuǎn)海資源尤其是風(fēng)資源的開發(fā)，必須依托海上現(xiàn)有深水裝置設(shè)計(jì)及運(yùn)營能力，將傳統(tǒng)深水油氣浮式裝置設(shè)計(jì)技術(shù)與風(fēng)機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，形成適用于中國海域的抗臺風(fēng)漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)技術(shù)。

目前，國內(nèi)企業(yè)開展了多個漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目的研究與示范，陸續(xù)投產(chǎn)了“三峽引領(lǐng)號”“海裝扶搖號”“海油觀瀾號”漂浮式風(fēng)電，正在建造“風(fēng)光漁”一體漂浮式風(fēng)機(jī)“國能共享號”。

上述3個已投產(chǎn)漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)項(xiàng)目，從每兆瓦鋼材量來看，“三峽引領(lǐng)號”1029噸、“海裝扶搖號”760噸、“海油觀瀾號”531噸，鋼材重量逐步降低，且應(yīng)用水深也由30米提升到“海油觀瀾號”的120米?？梢姡诩夹g(shù)性能與經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，“海油觀瀾號”有較大的優(yōu)勢。它也是目前國內(nèi)首個傳統(tǒng)深水油氣浮式裝置的設(shè)計(jì)與風(fēng)機(jī)機(jī)組設(shè)計(jì)有機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物?！昂Ｓ陀^瀾號”投產(chǎn)后，經(jīng)歷多次臺風(fēng)仍保持良好工作狀態(tài)，證明了設(shè)計(jì)方案的安全性。但是，目前國內(nèi)漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)整體投資偏高，尚未達(dá)到商業(yè)化門檻。

我國風(fēng)速、流速高，臺風(fēng)頻發(fā)；國內(nèi)風(fēng)資源平均風(fēng)速9—10米/秒，而歐洲能達(dá)到11米/秒以上；港口航道水深低，國內(nèi)建造總裝條件受制約；關(guān)鍵產(chǎn)品無法實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化替代；國內(nèi)上網(wǎng)電價(jià)低，僅為歐洲國家的1/4。獨(dú)特的環(huán)境條件、碼頭、產(chǎn)業(yè)鏈和電價(jià)情況，決定了我們不能照搬國際上已投運(yùn)的商業(yè)化項(xiàng)目，必須探索更加適合我國技術(shù)發(fā)展的本土化路線。

針對風(fēng)機(jī)大功率變化趨勢以及目前較高的漂浮式風(fēng)電造價(jià)，國內(nèi)企業(yè)正在開展大功率漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)的研制。中國海油在“海油觀瀾號”基礎(chǔ)上，面向100米水深以上的南海海域，開展2型15兆瓦漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)的研發(fā)——半潛式風(fēng)電基礎(chǔ)與張力腿風(fēng)電基礎(chǔ)，其中半潛式風(fēng)電基礎(chǔ)預(yù)計(jì)2025年完成并網(wǎng)發(fā)電，張力腿風(fēng)電基礎(chǔ)也預(yù)計(jì)在“十五五”期間開展示范應(yīng)用。

系泊系統(tǒng)、錨等關(guān)鍵產(chǎn)品也占據(jù)了重要的投資比例，基于目前漂浮式風(fēng)電錨基礎(chǔ)、海底張緊器、新型纖維纜等關(guān)鍵產(chǎn)品依賴國外進(jìn)口的現(xiàn)狀，中國海油等國內(nèi)企業(yè)正在開展相關(guān)產(chǎn)品國產(chǎn)化的研究，以實(shí)現(xiàn)漂浮式風(fēng)電基礎(chǔ)的進(jìn)一步降本。

探索海上風(fēng)電與油氣田區(qū)域電力系統(tǒng)互補(bǔ)供電模式，加快油氣勘探開發(fā)與新能源融合

國家能源局發(fā)布的《加快油氣勘探開發(fā)與新能源融合發(fā)展行動方案（2023—2025年）》指出，“海上風(fēng)電開發(fā)為油氣平臺提供綠色電力，替代分散式燃?xì)饣蛉加桶l(fā)電，提高能源使用效率、降低碳排放，形成海上風(fēng)電與油氣田區(qū)域電力系統(tǒng)互補(bǔ)供電模式?！?/p>

根據(jù)該方案，中國海油結(jié)合海上油氣田開發(fā)需求，布局海上風(fēng)電為油氣田供電工程。5月20日，“海油觀瀾號”7.25兆瓦漂浮式風(fēng)電在南海西部就位，電力并入海南文昌油田群電網(wǎng)，為油氣田送去清潔能源。投產(chǎn)后，年平均發(fā)電量可達(dá)2200萬千瓦時(shí)，每年可節(jié)約近1000萬立方米天然氣，減少碳排放量2.2萬噸。通過油田能源管理系統(tǒng)、風(fēng)機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)以及風(fēng)功率預(yù)測系統(tǒng)之間的相互配合，油田群的4個燃料電站與風(fēng)電平臺融合一體，確保了油田風(fēng)電微電網(wǎng)的安全穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了深遠(yuǎn)海風(fēng)電能源的就地消納。

受“風(fēng)能變化快，風(fēng)力發(fā)電不穩(wěn)定特點(diǎn)”的限制，目前國內(nèi)油氣田微電網(wǎng)可接入的穿透率僅在30%—40%之間。風(fēng)電制氫是針對風(fēng)電波動和間歇性問題很好的解決方案，在風(fēng)電發(fā)電量大的時(shí)候，將多余的電能用于制氫，提高風(fēng)電的利用率，在風(fēng)電發(fā)電量小的時(shí)候，氫再次轉(zhuǎn)化為電力。中國海油已有2條長距離大管徑的天然氣上岸管網(wǎng)，未來實(shí)現(xiàn)規(guī)模化風(fēng)電制氫后，還可以借由已有管道輸往陸上，用于陸上工業(yè)及民生的電氣需求。

國內(nèi)其他企業(yè)也在開展多種能源利用的探索。2022年2月，杭州林東新能源科技股份有限公司自主研發(fā)的1.6兆瓦潮流能發(fā)電機(jī)組“奮進(jìn)號”在舟山岱山秀山島海域下海；6月，國家能源集團(tuán)龍?jiān)凑憬瓬貛X潮光互補(bǔ)型智能光伏電站實(shí)現(xiàn)全容量并網(wǎng)發(fā)電；11月，明陽集團(tuán)“海上風(fēng)電+海洋牧場+海水制氫”立體化海洋能源創(chuàng)新開發(fā)示范項(xiàng)目在海南開工建造。2023年5月，中國科學(xué)院廣州能源研究所主持研發(fā)的半潛式波浪能養(yǎng)殖旅游平臺“澎湖號”成功下海；9月，中國地質(zhì)調(diào)查局廣州海洋地質(zhì)調(diào)查局牽頭研發(fā)的20千瓦海洋漂浮式溫差能發(fā)電裝置在南海成功完成海試。未來可結(jié)合國內(nèi)其他能源利用技術(shù)，共同納入海上油氣產(chǎn)業(yè)的融合發(fā)展中。

未來海上新能源開發(fā)利用體系發(fā)展三大趨勢

趨勢一：形成海上油氣裝備多能互補(bǔ)的新型消納模式。當(dāng)前，國內(nèi)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)海洋風(fēng)能與油氣設(shè)施的融合發(fā)展，未來隨著制氫、波浪能等發(fā)電技術(shù)的商業(yè)化發(fā)展，配合儲能技術(shù)，融合各類能源開發(fā)的通用性和差異性技術(shù)，還可在資源富集海域逐步構(gòu)建以風(fēng)能為主，光伏、波浪能、制氫等多個海洋可再生能源為輔的海上新型電力體系，從而構(gòu)建更加穩(wěn)定，甚至100%清潔能源替代的服務(wù)于海上油氣生產(chǎn)的多能互補(bǔ)和源網(wǎng)荷儲新型電力系統(tǒng)。

趨勢二：深遠(yuǎn)海漂浮式風(fēng)電實(shí)現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展。我國東南沿海經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份用電需求量大，海上風(fēng)電往陸上送電100—200千米即可完成輸送路徑，與西部輸電幾千千米相比，深遠(yuǎn)海風(fēng)電在輸送距離上具有獨(dú)特優(yōu)勢。加上資源稟賦較好，廣東與浙江附近的深遠(yuǎn)海風(fēng)電有望得到優(yōu)先開發(fā)。其中，中國海油依托南海海域已建的大量油氣設(shè)施及研發(fā)示范的大兆瓦漂浮式風(fēng)電船型，具備可直接在鄰近深水海域應(yīng)用、持續(xù)優(yōu)化和降本的深遠(yuǎn)海風(fēng)場開發(fā)技術(shù)，具有較大的技術(shù)優(yōu)勢。

陸地電力企業(yè)將采用從淺水到深水的海上發(fā)電路徑；海洋石油企業(yè)配合柔性直流輸電技術(shù)的研發(fā)，則采用由深水向淺水、由淺水向陸上的發(fā)電路徑。兩種路徑未來將同時(shí)存在，利用深遠(yuǎn)海風(fēng)電給陸地供電。

趨勢三：海上新能源實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理智能化。海上能源開發(fā)裝置和設(shè)備往往遠(yuǎn)離陸地，其運(yùn)維難度、運(yùn)維成本和運(yùn)維風(fēng)險(xiǎn)等級顯著提高。應(yīng)對新能源低成本運(yùn)維以及無人化運(yùn)維要求，海上新能源領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)規(guī)模化智能化運(yùn)維廠家，利用深度學(xué)習(xí)、數(shù)字孿生、元宇宙等技術(shù)開發(fā)智能運(yùn)維系統(tǒng)，借助智能化手段全面提升海洋能源開發(fā)設(shè)施的感知、協(xié)同、作業(yè)決策及自主優(yōu)化能力，實(shí)現(xiàn)對海洋能源的自主獲取、自主調(diào)配和自主監(jiān)督，進(jìn)一步提高整體協(xié)同效率。

結(jié)語

在“雙碳”目標(biāo)背景下，順應(yīng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型之大勢，國內(nèi)能源企業(yè)應(yīng)加速發(fā)展新業(yè)務(wù)新業(yè)態(tài)，充分依托已有海洋工程領(lǐng)域優(yōu)勢，探索以海上風(fēng)能為主體的海洋能源多能融合利用方法，建立完善海洋產(chǎn)業(yè)體系，將新型能源體系有機(jī)整合到全產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型中，培育經(jīng)濟(jì)發(fā)展新動能，確保國家油氣能源供應(yīng)安全，服務(wù)經(jīng)濟(jì)社會可持續(xù)發(fā)展?！?/p>