我國海上風(fēng)電發(fā)展現(xiàn)狀與效益提升分析

王新友

（甘肅廣播電視大學(xué) 理工農(nóng)醫(yī)學(xué)院，甘肅 蘭州 730030）

能源利用和環(huán)境污染成為人們共同面臨的兩大主題。為了在滿足人們?nèi)找嬖黾拥哪茉葱枨蟮耐瑫r(shí)，又能減輕環(huán)境污染的壓力，人們不斷探索開發(fā)各種型式的新能源。目前已經(jīng)開發(fā)利用的新能源發(fā)電型式中，風(fēng)力發(fā)電最為成熟。但我國陸上風(fēng)電在“三北”地區(qū)“基地建設(shè)、規(guī)模送出”開發(fā)模式下，因當(dāng)?shù)叵{能力有限，對(duì)外輸送依賴于特高壓線路建設(shè)的現(xiàn)狀，棄風(fēng)限電現(xiàn)象較為普遍，于是海上風(fēng)電引發(fā)了各界的廣泛關(guān)注。與陸上風(fēng)電相比，我國的海上風(fēng)電具有接近負(fù)荷中心、不存在送出和消納的問題、不占用土地等區(qū)位優(yōu)勢(shì)，具有湍流強(qiáng)度小、主導(dǎo)風(fēng)向穩(wěn)定、海面粗糙度小、海風(fēng)垂向切變小等資源優(yōu)勢(shì)，越來越受到人們的青睞，逐漸成為風(fēng)電開發(fā)的重點(diǎn)領(lǐng)域，加快了我國綠色電力的步伐。

一、我國海上風(fēng)電發(fā)電現(xiàn)狀

我國海岸線綿長，有著豐富的海上風(fēng)能資源，近海風(fēng)能資源儲(chǔ)量為7.5 億kW，是陸上風(fēng)能資源儲(chǔ)量的3倍。我國近海100m高度、5～25m水深范圍內(nèi)風(fēng)電技術(shù)可開發(fā)量約為1.9 億kW，100m 高度、25～50m 水深范圍風(fēng)電技術(shù)可開發(fā)量約為3.2億kW［1］。但海上風(fēng)電技術(shù)較陸上風(fēng)電復(fù)雜，建設(shè)成本也較陸上高。我國海上風(fēng)電起步較晚，2010年上海東海大橋風(fēng)電場(chǎng)一期項(xiàng)目的并網(wǎng)發(fā)電［2］，標(biāo)志著我國海上風(fēng)電發(fā)展正式邁開步伐。

我國憑著海上風(fēng)資源豐富穩(wěn)定、接近負(fù)荷中心的優(yōu)勢(shì)，經(jīng)各方初步摸索探究，2013年底全國已建成海上風(fēng)電裝機(jī)容量達(dá)29 萬kW［2］，2017年底投產(chǎn)裝機(jī)容量已達(dá)279萬kW，海上風(fēng)電造價(jià)也隨之不斷降低。2010年投產(chǎn)的上海東海大橋風(fēng)電場(chǎng)一期工程造價(jià)為23 186 元/kw，2014年建成的二期工程造價(jià)19 207元/kW［3］，發(fā)展到目前海上風(fēng)電平均造價(jià)降低為16 000元/kW；但比較陸上風(fēng)電造價(jià)7 000元/kW的現(xiàn)狀，海上風(fēng)電機(jī)組價(jià)格約是陸上風(fēng)電機(jī)組價(jià)格的2 倍，海纜以及海上升壓站等電氣設(shè)備價(jià)格均比陸上風(fēng)電場(chǎng)高出較多，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、風(fēng)機(jī)安裝等費(fèi)用也遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出陸上風(fēng)電場(chǎng)費(fèi)用。

隨著《海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)管理暫行辦法》的廢止和《海上風(fēng)電開發(fā)建設(shè)管理辦法》的實(shí)施、《風(fēng)電發(fā)展“十三五”規(guī)劃》及《全國海洋經(jīng)濟(jì)“十三五”規(guī)劃》的頒布，海上風(fēng)電技術(shù)的不斷進(jìn)步和風(fēng)電場(chǎng)的開發(fā)建設(shè)，設(shè)備制造能力的不斷提升和施工經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，我國海上風(fēng)電的標(biāo)準(zhǔn)體系初步確立，海上風(fēng)電勘測(cè)設(shè)計(jì)、設(shè)備制造及專業(yè)施工隊(duì)伍的產(chǎn)業(yè)鏈已初步形成，將有力推進(jìn)我國海上風(fēng)電的持續(xù)發(fā)展。

二、影響海上風(fēng)電進(jìn)一步發(fā)展的因素

我國已建、在建和擬建的海上風(fēng)電都是由能源部門先期確定項(xiàng)目選址，再由項(xiàng)目建設(shè)單位開展風(fēng)力資源調(diào)查、工程可行性研究、接入系統(tǒng)審查、地質(zhì)詳勘、地形水文測(cè)量、環(huán)評(píng)等前期工作。海上風(fēng)電因其建設(shè)條件復(fù)雜、技術(shù)工藝不成熟，目前已建海上風(fēng)電主要集中在離岸距離近、水深較淺的近海區(qū)域。技術(shù)和成本成為制約海上風(fēng)電發(fā)電的主要因素，其中建設(shè)成本高昂的原因主要是風(fēng)電機(jī)組購置費(fèi)、機(jī)組安裝費(fèi)、基礎(chǔ)施工費(fèi)等居高不下。

（一）設(shè)備價(jià)格高

因海上風(fēng)電機(jī)組設(shè)計(jì)要考慮冰凍、臺(tái)風(fēng)、腐蝕等環(huán)境因素，技術(shù)難度提高，國內(nèi)機(jī)型缺少運(yùn)行業(yè)績或處于樣機(jī)階段，可選機(jī)型較少。雖然國外機(jī)型相對(duì)比較成熟但價(jià)格較高，致使海上風(fēng)電機(jī)組價(jià)格約達(dá)6 500 元/kW。相比陸上風(fēng)電機(jī)組價(jià)格只有3 700元/kW左右，海上風(fēng)電機(jī)組價(jià)格高出約76%。而陸上風(fēng)電機(jī)組占整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)總投資約55%，海上風(fēng)電僅為40%左右，這樣海上風(fēng)電機(jī)組購置費(fèi)就顯得更高。另外，由于海上風(fēng)電所處環(huán)境的特點(diǎn)，海上風(fēng)電塔筒、其它變配電設(shè)備及電纜等防腐要求更高，其造價(jià)均明顯高于陸上風(fēng)電。從而各項(xiàng)設(shè)備價(jià)格高成為制約海上風(fēng)電發(fā)展的重要因素。

（二）施工成本高

海上風(fēng)電機(jī)組由于承受強(qiáng)風(fēng)荷載、海水腐蝕等環(huán)境因素，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)、現(xiàn)場(chǎng)施工難度加大。海上施工對(duì)設(shè)備、工程經(jīng)驗(yàn)的要求高，需要專業(yè)大型船機(jī)設(shè)備等來完成整個(gè)海上風(fēng)機(jī)的安裝，而大型安裝船機(jī)設(shè)備少、費(fèi)用也高。

風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)施工和風(fēng)機(jī)安裝費(fèi)用的高低主要取決于風(fēng)電場(chǎng)的離岸距離和水深，隨著離岸距離的增加，海水深度增加，海底地形地質(zhì)條件變得較近岸復(fù)雜，施工難度增大［4］，建設(shè)成本也會(huì)隨之增加，后期運(yùn)營、維護(hù)、檢修費(fèi)用也會(huì)相應(yīng)增大。

當(dāng)前我國已竣工的海上風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目相對(duì)較少，相應(yīng)的施工設(shè)備較少，施工隊(duì)伍較為單一，施工經(jīng)驗(yàn)不足。再加上不同海域條件不同、施工難度也不同，費(fèi)用就更加高昂，與陸上風(fēng)電的基礎(chǔ)施工和機(jī)組安裝費(fèi)用占總投資額約10%相比較，海上風(fēng)電占總投資額的比則高達(dá)35%以上。

（三）可再生能源補(bǔ)貼不能按期到位

海上風(fēng)電的電價(jià)由可再生能源補(bǔ)貼電價(jià)和當(dāng)?shù)鼗痣姌?biāo)桿電價(jià)兩部分組成。而可再生能源補(bǔ)貼部分資金到位周期太長，導(dǎo)致可再生能源發(fā)電企業(yè)流動(dòng)資金不足，部分新能源發(fā)電企業(yè)為保持企業(yè)正常運(yùn)轉(zhuǎn)，需再次融資才能按期還本付息，導(dǎo)致財(cái)務(wù)成本再次增加，嚴(yán)重影響力新能源發(fā)電企業(yè)的正常經(jīng)營和經(jīng)濟(jì)效益。

（四）投資收益較陸上風(fēng)電低

我國上網(wǎng)電價(jià)實(shí)施政府宏觀調(diào)控，采用政府批復(fù)電價(jià)，近幾年上網(wǎng)電價(jià)也隨國家調(diào)控呈下降趨勢(shì)。陸上風(fēng)電主要集中在IV 類資源開發(fā)區(qū)。2018年新建陸上風(fēng)資源IV 類區(qū)電價(jià)為0.57 元/kWh，海上風(fēng)電電價(jià)為0.85 元/kWh。按照陸上風(fēng)電造價(jià)7 000 元/kW，海上風(fēng)電造價(jià)16 000 元/kW計(jì)算，海上風(fēng)電年利用小時(shí)數(shù)按2 300h、陸上風(fēng)電按2 000h計(jì)算，若不考慮運(yùn)營和維修成本，僅計(jì)算建設(shè)成本，壽命期均按20年，貼現(xiàn)率均按4.9%計(jì)算，則建設(shè)費(fèi)用成本中海上風(fēng)電為0.554 元/kWh、陸上風(fēng)電為0.278 元/kWh，若再考慮到海上風(fēng)電檢修、維護(hù)、修理費(fèi)等遠(yuǎn)高于陸上風(fēng)電，則海上風(fēng)電收益遠(yuǎn)低于陸上風(fēng)電。

三、提高海上風(fēng)電收益的途徑

風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營后的效益最大化是風(fēng)力發(fā)電企業(yè)追求的最終目標(biāo)，同一地區(qū)風(fēng)資源基本相同、造價(jià)基本相同的情況下，選用不同的機(jī)型發(fā)電量會(huì)存在較大的差異，導(dǎo)致風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營后收益差異較大。在對(duì)風(fēng)資源科學(xué)評(píng)估和選用與風(fēng)資源相匹配的風(fēng)電機(jī)組，以及通過技術(shù)研發(fā)提高風(fēng)電機(jī)組的風(fēng)能利用率和運(yùn)行可靠性，同時(shí)改進(jìn)風(fēng)機(jī)安裝的施工工藝，有效降低海上風(fēng)電建設(shè)成本，是未來海上風(fēng)電發(fā)展的主要任務(wù)。

（一）完善前期資料

完善規(guī)劃，規(guī)范風(fēng)電場(chǎng)選址。在風(fēng)電前期工作對(duì)擬選風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源進(jìn)行科學(xué)合理評(píng)估中最為重要，風(fēng)電場(chǎng)的風(fēng)能資源直接影響著風(fēng)電場(chǎng)的發(fā)電量，進(jìn)而影響風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益，是投資決策的重要環(huán)節(jié)，也是風(fēng)電場(chǎng)投運(yùn)后能否達(dá)到預(yù)期收益的關(guān)鍵因素。在對(duì)風(fēng)能資源科學(xué)評(píng)估的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同類型風(fēng)電機(jī)組的性能及參數(shù)，結(jié)合詳查海底地形、水深等施工基礎(chǔ)資料，優(yōu)化風(fēng)機(jī)布置，進(jìn)行微觀選址，選用適合擬建風(fēng)電場(chǎng)的最佳風(fēng)電機(jī)組，使機(jī)組投運(yùn)后的風(fēng)能利用率達(dá)到最佳。同時(shí)，通過對(duì)施工基礎(chǔ)資料的詳細(xì)掌握，減少施工過程中風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、集電線路施工的變更，降低施工過程中工程造價(jià)增加的風(fēng)險(xiǎn)，也更有利于擬建風(fēng)電場(chǎng)的經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)，為投資決策提供科學(xué)合理的依據(jù)。

（二）加強(qiáng)科技研發(fā)，促進(jìn)技術(shù)進(jìn)步

目前海上風(fēng)電核心技術(shù)普遍掌握在風(fēng)電起步較早的歐洲國家。我國海上風(fēng)電相關(guān)設(shè)備材料制造企業(yè)、施工企業(yè)正處在攻關(guān)階段，政府應(yīng)提供平臺(tái)，積極倡導(dǎo)企業(yè)與高校、科研單位進(jìn)行合作，加強(qiáng)風(fēng)電機(jī)組制造的自主產(chǎn)權(quán)和本地化能力，提高風(fēng)電機(jī)組可靠性和風(fēng)資源的可利用率，提高風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)及風(fēng)機(jī)安裝等施工工藝，這是降低海上風(fēng)電建設(shè)成本的最佳和有效途徑。

我國已建成海上風(fēng)電的單機(jī)容量大部分在3MW 至5MW 之間，目前海上風(fēng)機(jī)比較成熟的歐洲市場(chǎng)單機(jī)容量則在6MW至8MW之間。6MW以上機(jī)組的投運(yùn)將成為海上風(fēng)電的主流機(jī)型，大容量機(jī)組也將成為海上風(fēng)電機(jī)組研發(fā)的重點(diǎn)。伴隨著單機(jī)容量的不斷增大，將會(huì)降低輔助設(shè)備采購成本，風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本也將逐步降低。大容量機(jī)組風(fēng)電場(chǎng)的建設(shè)成本及投運(yùn)后的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用都小于小容量機(jī)組，同時(shí)，受海上漁業(yè)、通航、軍事等因素的限制，發(fā)展大容量機(jī)組也是海上風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)海上與陸上風(fēng)電機(jī)組價(jià)格相同時(shí)，其它部分高出的成本可被海上風(fēng)能資源的優(yōu)勢(shì)所抵消，屆時(shí)海上風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)可與陸上風(fēng)電上網(wǎng)電價(jià)基本持平，海上風(fēng)電的競(jìng)爭(zhēng)力將顯著增加。

目前海上風(fēng)電基礎(chǔ)隨著水深增加基本采用重力式、筒式、樁基式［5-6］，隨著海上風(fēng)電不斷向深海發(fā)展，以及基礎(chǔ)施工工藝的改進(jìn)，浮置式基礎(chǔ)會(huì)成為大容量風(fēng)電場(chǎng)主要的基礎(chǔ)型式。隨著我國海上分體安裝和海上整體安裝技術(shù)應(yīng)用的加強(qiáng)［7］，越來越多的施工企業(yè)進(jìn)軍海上風(fēng)電施工安裝領(lǐng)域，海上風(fēng)電施工設(shè)備及安裝能力不斷提升、工藝不斷改進(jìn)，企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈。而隨著施工企業(yè)的施工技術(shù)成熟、建設(shè)規(guī)模擴(kuò)大化、基礎(chǔ)形式多樣化、設(shè)計(jì)方案穩(wěn)定化、施工船機(jī)專業(yè)化等，基礎(chǔ)施工和風(fēng)機(jī)安裝建設(shè)成本會(huì)進(jìn)一步降低，整個(gè)風(fēng)電場(chǎng)建設(shè)成本也會(huì)隨之降低。

35kV 海底電纜目前在國內(nèi)是比較成熟的產(chǎn)品，隨著海底電纜制造工藝的提高，以及大截面高壓海纜制造能力的提升，110kV 高壓海底電纜價(jià)格將進(jìn)一步下降，也將對(duì)建設(shè)成本的降低作出積極貢獻(xiàn)。

風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)容量增加，高電壓等級(jí)越來越具有經(jīng)濟(jì)性。目前海上風(fēng)電向陸地輸送主要采用交流高壓輸送方式，但離岸距離的增加和電壓等級(jí)的升高，采用高壓交流輸送方式將隨著裝機(jī)容量的增加，經(jīng)濟(jì)臨界距離逐漸減小［8］；電力電子技術(shù)的進(jìn)步，將使得直流換流站成本進(jìn)一步降低，通過在海上建立變流平臺(tái)，采用直流輸送方式會(huì)成為今后海上風(fēng)電電能輸送的主流方式。

（三）向遠(yuǎn)海發(fā)展

為了節(jié)約建設(shè)成本，我國目前海上風(fēng)電開發(fā)主要集中在海岸及近海水深較淺的區(qū)域，施工技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，建設(shè)成本也較低；但近海水域風(fēng)資源狀況沒有遠(yuǎn)海水域豐富和穩(wěn)定，隨著技術(shù)的進(jìn)步和設(shè)備可靠性的提高，設(shè)備采購和施工費(fèi)用的逐步降低，以及運(yùn)行維護(hù)費(fèi)的逐步降低，遠(yuǎn)海區(qū)域由于風(fēng)速切變更小、風(fēng)速更為穩(wěn)定，遠(yuǎn)海風(fēng)電場(chǎng)利用小時(shí)數(shù)也會(huì)較近海增加，當(dāng)遠(yuǎn)海區(qū)域風(fēng)電的收益率達(dá)到或超過近海區(qū)域時(shí)，遠(yuǎn)海區(qū)域風(fēng)電將迎來高速發(fā)展。

（四）運(yùn)用BIM 技術(shù)，加強(qiáng)管理

BIM 技術(shù)是一個(gè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)庫，它使得項(xiàng)目實(shí)施過程高度動(dòng)態(tài)化。針對(duì)海上風(fēng)電所處地理環(huán)境比較復(fù)雜的特點(diǎn)，將BIM 技術(shù)運(yùn)用于海上風(fēng)電施工全過程，建立施工現(xiàn)場(chǎng)3D 模型及數(shù)據(jù)庫，將各類工程量、建設(shè)成本輸入模型，運(yùn)用BIM數(shù)據(jù)系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行重新分析計(jì)算，會(huì)及時(shí)發(fā)現(xiàn)其中的漏洞和沖突，綜合協(xié)調(diào)配合工程質(zhì)量、進(jìn)度和成本，得到最佳管理順序，直觀準(zhǔn)確，提高管理效率，降低建設(shè)成本。

（五）環(huán)境價(jià)值

海上風(fēng)電由于是清潔電力，發(fā)電過程中并不消耗燃料，同時(shí)也不向環(huán)境排放污染物。目前我們?cè)谟?jì)算海上風(fēng)電投資收益時(shí)只考慮了建設(shè)成本和運(yùn)行維護(hù)成本，并沒有考慮其燃料節(jié)約成本和環(huán)境成本。根據(jù)國家能源局的統(tǒng)計(jì)，2017年全國火電平均利用小時(shí)4 209h，標(biāo)準(zhǔn)煤耗309g/kwh［9］，海上風(fēng)電年利用小時(shí)按2 300h 計(jì)算，每kW 海上風(fēng)電裝機(jī)每年可節(jié)約標(biāo)煤710.7kg。根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)《中國電力行業(yè)年度發(fā)展報(bào)告2018》發(fā)布的數(shù)據(jù)，2017年火電煙塵排放量為0.06g/kWh，SO2排 放 量 為0.26g/kWh，NOx排 放 量 為0.25g/kWh，CO2排放量為844g/kWh，耗水量為1.25kg/kwh，廢水排放量為0.06kg/kWh［10］。據(jù)此計(jì)算，每kW 海上風(fēng)電裝機(jī)每年減少煙塵排放量為138g，SO2排放量為598g，NOx排放量為575g，CO2排放量為1941.2kg，廢水排放量為138kg，因此看見環(huán)境效益可觀。按照《中華人民共和國環(huán)境保護(hù)稅法》規(guī)定，若對(duì)火電企業(yè)排放的大氣污染物煙塵、SO2、NOx繳納環(huán)境保護(hù)稅，稅額按照國內(nèi)海上風(fēng)電裝機(jī)容量最大的江蘇省計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 海上風(fēng)電節(jié)約的環(huán)境價(jià)值

根據(jù)以上計(jì)算，海上風(fēng)電節(jié)約的大氣污染減排價(jià)值為0.2709分/kwh，若標(biāo)煤?jiǎn)蝺r(jià)按690元/t計(jì)算節(jié)能價(jià)值，則海上風(fēng)電節(jié)能價(jià)值為21.3217 分/kwh，其環(huán)境價(jià)值為0.215919 元/kwh；因CO2不屬于大氣污染物，在此也未計(jì)算其減小溫室效應(yīng)的環(huán)境價(jià)值。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，環(huán)境問題越來越受到各界的重視，海上風(fēng)電的環(huán)境價(jià)值也會(huì)越來越高。

四、結(jié)語

技術(shù)和成本是制約海上風(fēng)電發(fā)展的關(guān)鍵要素，海上風(fēng)電核心技術(shù)大多掌握在國外大型風(fēng)電公司手中，對(duì)核心技術(shù)的掌握不足使得我國海上風(fēng)電的成本高昂，但伴隨著國家2020年海上風(fēng)電開工建設(shè)規(guī)模達(dá)到1000 萬kW、累計(jì)并網(wǎng)容量達(dá)到500萬kW以上目標(biāo)的實(shí)施，海上風(fēng)電的風(fēng)機(jī)制造商越來越多，單機(jī)容量更大、更加智能化的機(jī)組也將應(yīng)運(yùn)而來。隨著國內(nèi)一批海上風(fēng)電場(chǎng)陸續(xù)建成投產(chǎn)，海上風(fēng)電附屬設(shè)備制造能力將得到快速提升，施工經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)、風(fēng)機(jī)安裝能力的不斷提升，各制造企業(yè)和施工企業(yè)之間的競(jìng)爭(zhēng)將會(huì)日益激烈，都將推動(dòng)海上風(fēng)電全產(chǎn)業(yè)鏈技術(shù)的不斷進(jìn)步和建設(shè)成本的不斷降低，我國海上風(fēng)電的競(jìng)爭(zhēng)力將不斷增強(qiáng)，海上風(fēng)電場(chǎng)將會(huì)向更加遠(yuǎn)離海岸的深海區(qū)域發(fā)展，海上風(fēng)電將作為核心電源為發(fā)展低碳經(jīng)濟(jì)助力。