海洋能发电装置均化成本研究

王芳

(国家海洋技术中心　天津　300112)



海洋能发电装置均化成本研究

王芳

(国家海洋技术中心天津300112)

近年来,海洋能利用的研究与探索仍是可再生能源领域备受关注的课题之一，研究热点更多集中在对海洋能发电装置的研究上，然而研究成本过高是制约海洋能技术发展的因素之一。在新能源发电领域，国际上通常采用能源均化(发电)成本(levelized cost of energy，LCOE)方法来对不同发电技术和规模的能源项目进行比较。借鉴能源均化成本(LCOE)的计算模式，对引导和推进海洋可再生能源技术和产业发展具有重要意义。文章首先阐述海洋能LCOE的影响因素，并以波浪能和潮流能为例介绍英、美两国如何推算其开发成本，进而探讨降低能源成本的可能性，为我国海洋能发电装置提供参考。

海洋能；能源成本；均化(发电)成本；成本控制

1　引言

当前各国之间围绕海洋的竞争日趋激烈，在海洋能的开发利用上，起步较早的美国、英国等先进国家和地区走在前列，但在发展过程上各国普遍面临技术不成熟、成本比较高等困难，导致海洋能源的大规模应用存在难题，多数国家还处于试验、小规模应用阶段。

为了实现海洋能行业的长期可持续发展，使能源成本降至与海洋风能发电和其他传统发电相同的水平是关键所在。目前的各种激励措施，如“可再生能源义务证书 (ROCS)”等，都是为提供一个与其他更为成熟的发电方式公平竞争的环境；然而英国ROCS将于2017年让位于下一代能源计划，这将在业界产生更大的不确定性。

在新能源发电领域，国际上通常采用能源均化(发电)成本(levelized cost of energy，LCOE)[1]方法来对不同发电技术和规模的能源项目进行比较。LCOE在国际上不仅被用于学术建模分析，也常见于政策讨论等领域，是一种被广泛认知的透明的计算手段。研究表明，不同国家或地区的能源尤其是新能源的LCOE有很大不同，而在我国尚缺少这方面的公开研究。本文将探讨海洋能LCOE的影响因子，以波浪能技术和潮流能技术为例，介绍美国、英国如何推算其开发成本，以期丰富有关研究，并为我国能源发展战略提供参考。

2　海洋LCOE的影响因素

2.1直接影响因素

计算海洋能装置的能源成本，需要包括投资成本和运行成本，以及累积发电量，其中贴现率也被用来计算未来成本的现值(图1)。

图1　海洋能装置的能源成本

设备的投资成本包括安装和项目管理，大多发生在项目的初期阶段；而运行成本，如维护、租金和保险则贯穿整个项目周期，其中还需考虑到拆撤成本。

以千瓦时计算的发电成本取决于阵列装置的发电总量，因此装置在特定位置的发电量是计算能源成本的关键值。这将取决于可再生资源的可用性、将资源转换成电能的装置特性、装置的可用性以及对综上所述的可操作的时间比例。负荷系数(LF)可通过以下公式计算[2]：

式中：AEP(Annual Energy Production)为年发电量，单位是kW·h；R为额定装机量，单位是MW。

贴现率将未来的成本和收益转成现值成本，以此计算单位产能，即贴现率是“金钱成本”的折射，在LCOE计算公式中属于一个重要变量，用来反映项目的预期风险以及货币市场利率和市场融资(债务或股本)走势。

均化(发电)成本计算方法是通过使用贴现率将未来各个时段的支出折算成在某一选定日期(通常是电厂投产日期)的现值。对未来各个时间的发电量也进行同样的贴现计算。支出的现值按照类型(投资、燃料、运行和维护)增加，对发电量现值采用类似的方法累加到一个单一的数值。假设所发生的运行和维护成本与发电量是每年恒定的，则均化(发电)成本可通过下列公式表示[3]：

式中：LCOE为能源均化(发电)成本；SCI为电厂的资金成本；SLD为具体的均化拆卸成本；LF为设施的负荷系数；r为贴现率；n为设备使用寿命；OM为年化的运行和维护成本。

2.2间接影响因素

除上述公式所涉及的直接影响因素外，人为及潜在的间接影响因素也不容忽视，主要包括以下几方面。

(1)项目风险。对风险的评估是影响海洋能源项目融资的一个重要因素，在工程计算中使用的实际回报率均取决于融资项目所涉及的整体风险评估，视为高风险的超支项目或收益较低的项目往往需要较高回报率以吸引项目投资商。主要包括：项目风险，即所有的项目都有不可预见事件和成本超支的风险，海洋环境就其特性而言存在极端的海洋气象条件，可能导致正在安装的设备和船舶损害及延误；技术风险，是与特定技术相关的额外风险，将取决于是否安全可靠地执行技术研发并产生预期成果，海洋能源阵列技术难免存在失误风险，包括在设计、安装和运行实践阶段的风险；其他风险，具体体现为缺乏明确的有关补贴制度及对技术的政治支持。

(2)项目开发商的角色。成功的海洋能发电项目除政府财政支持外，还离不开项目开发商投入大量资源和资金，以促进在未来发展阵列式规模发电；在各国实践中不难发现，项目的主要投资方除政府外就是能源公司，而后者的支持力度远远不及政府的扶持力度。因此，海洋能未来投资的一个关键问题是，如何促使海洋能源项目成为能源公司愿意投资的项目，以期降低开发成本、形成规模化发展，更好应用于市场。

(3)项目开发和许可成本。在海洋能装置制造和安装之前，还要开展一系列的评估和调查工作，如选址、环境影响评估、工程设计准备、计算实施成本、获取必要的许可权限等，只有通过相关机构获得批准才能开展初期的设计工作，所有与这些活动相关的成本均被列入“项目开发和许可成本”。

(4)电网连接和传输成本。电网连接成本与距主电网系统的距离有关，确保恰当地连接到输电网络从而得到最优成本；传输收费标准也反映了加强远程电网连接的需求。

(5)能源均化(发电)。成本是一种较为清晰计算某一特定能源系统成本的方法，然而鉴于可供参考的资料以及实际运行经验的缺乏，有关成本和性能参数职能只基于少量资料进行评估，仅以此作为技术发展状态和技术风险管理的客观手段。

3　国际推算海洋能成本走向

波浪能和潮流能装置基本都处于初期发展阶段，借鉴风能及其他可再生能源技术取得的经验将降低波浪能和潮流能的投资成本。但由于实际经验很少，这种论断只得到少量数据的验证。目前的投资成本估算仅是从单一样机获得的，其数值很可能高于未来技术更成熟的商业化机型。

根据联合国政府间气候变化专门委员会减缓气候变化第三工作组出台的《可再生能源和减缓气候变化特别报告》“海洋能”一章中的第七部分内容，在为数不多的对未来成本的研究中，美国电力研究所(Electric Power Research Institute，EPRI)在2005年利用预期布放在加利福尼亚沿海的“海蛇”号波浪能发电装置进行商业化项目成本的理论研究[4]。假设整个电站规模为213×500 kW(106.5 MW)、设计寿命为20年、设备利用率为95%，计算得到LCOE值；研究结论是：安装2.79亿美元(2 620美元/kW)的投资成本，7.5%的贴现率，38%的设备利用率，1 310万美元(123美元/kW)的年均运行和维护成本，10年后的改造成本为2 810万美元(264美元/kW)，那么LCOE将达到13.4美分/kW·h。

2006年，英国碳信托(Carbon Trust)根据搜集到的大量投资成本数据对波浪能和潮流能样机和前商业化发电装置的现时成本进行评估，并发布评估结果：波浪能发电装置的投资成本为7 700～16 100美元/kW、中值为11 875美元/kW，潮流能发电样机的投资成本为8 600～14 300美元/kW、中值为11 400美元/kW，一些概念性潮流能发电装置的投资成本或许更高；项目研究估算英国早期波浪能电站的LCOE为21～79美分/kW·h，而早期潮流能电站的LCOE为16～32美分/kW·h[5]。

美国加利福尼亚州为“可再生能源输送行动”所作的一项研究显示，潮流能发电(布放在加利福尼亚州)成本为1～3美分/kW·h[6]。

潮汐电站被认为是最成熟的海洋能技术，因为目前已经持续运行的潮汐电站实例很多，不过有关成本的数据却很少。潮汐电站的成本估计为4 500～5 000美元/kW，运行和维护成本约为100美元/kW/a[7]。

海洋温差能发电技术(OTEC)没有长期持续性的运行经验，因此很难预测当前的成本以及未来的发展趋势。有关OTEC的最新成本估算来自洛克希德马丁公司，估计10 MW的试验电站的投资成本为32 500美元/kW；而达到商业化阶段的100 MW电站，成本将降低到10 000美元/kW[8]。

有关波浪能发电的各种理论分析表明，近期波浪能的LCOE可与20世纪80年代的风能相媲美。目前还不清楚英国碳信托(Carbon Trust)和美国电力研究所公布的较低LCOE值是如何得出的，可能是采用了比常用标准更低的成本数据或更高的性能参数。与其他能源相比，潮汐能技术的投资成本较高，潮汐电站工程的规模一般大于其他海洋能项目，因为只有通过规模效应才能降低发电的单位成本。而OTEC技术只能通过新材料和建筑技术等领域取得的进步才能提高其在经济和技术方面的可行性。在海洋能LCOE估算中，最大的不确定因素是对长期利用率及运行和维护成本的估算，这些都需要实际的运行数据积累。

4　降低成本的可能性探讨

由于海洋能技术仍处于发展阶段，尚未形成规模化发展，鉴于风能产业经验，在装机数量增加后，通过生产效率自然提高、经验积累、规模经济效应和技术创新等，将有望降低成本。

4.1“学习曲线”效应

“学习曲线”效应可能是驱动降低LCOE的一个重要因素。20世纪80年代初到2008年近30年时间里，风电产业“学习率”达到11%[9]。作为一类估计，海洋能产业(不包括已经相对成熟的潮汐能)也可以达到11%的“学习曲线”。以英国碳信托给出的投资成本中值点位为例，11%的学习率意味着当装机容量达到2010年9倍的规模时，投资成本可下降到2010年的约1/3(波浪能和潮流能初始装机容量均假设为5 MW)。

也就是说，通过研发所获取的专业知识，同样也丰富了整个行业的学术经验。设备建模(在设备和阵列级别)、试验、水槽测试和海上测试都能提供全方位的学习机会，通过“知识储备库”的运用，为未来项目的发展提供最优设计，以此降低能源成本。

4.2规模化生产

规模化和批量生产为降低成本提供重要契机。逐步扩大规模可以通过以下几种不同方式降低成本。

(1)大规模装置。总的来说， 由于制造和安装成本不会随着能量输出而呈线性增加，大规模设备成本会较低(以每千瓦装机量来衡量)。然而设备的升级却和与海面的相互作用相关，如潮汐涡轮机的叶片长度可能会受到现场水深的影响，波浪能装置尺寸也会受到造波条件的位置影响等，尽管如此，装置在尺寸上进行升级改造的可能性还是很大[10]。但考虑到升级改造所产生的高昂材料费用，就需要找到一种折中方式来实现最高的成本效益。

(2)装置的数量。多台装置阵列化安装可以降低电厂安装和配套设施的成本(以每兆瓦装机量衡量)。阵列式规模安装所带来的收益体现在可以购买更大更专业的安装船，在电缆连接成本、项目开发、站位动员和其他项目成本中允许安装多台设备，以此达到更好的利用率；在一个基础设施上共享系泊点或安装多个设备，以此通过共享高昂的基建设施和安装成本来均衡其经济效益。

(3)规模化生产。相似设备的规模化生产可以降低成本，相比专用设计生产组件，通过批量生产可以降低整体单一组件的成本。

(4)工程支持。大型原始设备制造商投资给海洋能设备制造商，为海洋能技术发展带来了资源和经验。近期大型设备投资商如法国舰艇建造局(DCNS)、西门子和阿尔斯通，通过将其他行业的知识转移到海洋能产业中，很可能带来生产成本的降低[11]。

4.3创新

降低成本的重要机制之一是创新。创新包括设计或制造过程中发生的根本性改变，可以发生在整体设备和子系统的任一阶段，也就是说创新贯穿于最初的新概念能源捕获设计到创新性设备布放和操作流程。这种注重实验和实践的新方式明显不同于当前单纯依靠实践获得经验，创新和学习是随着实践慢慢融合的。

在研发的早期阶段，创新很可能发生在研究和开发环境中，继而萌芽出开发和测试的新概念。随着技术发展，当接近商业运行阶段时，创新就会出现在产业化项目短期至中期的挑战上，如开发创新型的安装方法，以此作为大规模布放试验的一部分。

5　结论和建议

借鉴国外海洋能发电装置成本计算的先进方法，结合国内实际情况，推行能源成本估算是海洋能发电装置自主产品创新发展的必然选择。尽管目前海洋能技术发展处于初期阶段，可供参考的资料以及实际运行经验缺乏，英美的能源成本估算同样存在较大的不确定性，但不可否认的是随着新技术的不断发展，更多的经验累积将有助于降低成本。

对能源成本估算的方法有几点建议。

(1)深入研究欧、美等国有关成本建模及成本分析公式，包括丹麦能源成本模型、美国能源局参考模型、美国国家可再生能源实验室离岸风能模型、英国碳信托模型、西班牙TECNALIA模型、爱尔兰HMRC公司开发的 NAVITAS模型、爱尔兰梅努斯国立大学开发的TEOWEC软件、EU-JRC(联合研究中心)开发的经济建模、葡萄牙波浪能中心开发的技术经济建模等，对这些现有模型进行分析与总结，提炼出适合波浪能、潮汐能、潮流能、OTEC等LCOE计算通则。

(2)能源成本估算可以纳入海洋能项目的立项论证、中期检查和结题验收等项目管理环节中，以此搜集相关技术的成本数据。

(3)建立“能源成本”数据库，将搜集的成本数据分以不同类别，以年为单位绘制成本走势图，为政策制定者和投资商提供风险评估依据，更科学地制定技术发展路线图。能源成本数据是一切政策扶持(发展路线图、资金补助、电价补贴、税收激励等)、投资融资、风险评估等的基本依据，不断降低制造成本、采用新技术、从其他行业获取知识和经验，通过实际运行来优化技术的未来发展。

我国自2011年加入“国际能源署海洋能系统实施协议”以来，先后多次参加执委会会议及参与海洋能国际合作项目。“能源成本”是该组织近期推出的短期项目，我国作为成员国也参与其中，通过该项目的实施和推进，有助于我国获得来自世界更多更详实的最新海洋能项目成本信息，也有助于我国通过借鉴与比较找出差距，寻求更有效的能源成本降低之路。

[1]Renewable U K.Offshore Wind Forecasts of future costs and benefits[R]. Renewable UK， London： 2011.

[2]SI Ocean. Ocean energy: cost of energy and cost reduction opportunities[M]. The Strategic Initiative for Ocean Energy. 2013.

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[8]COOPER D J， MEYER L J， VARLEY R J. OTEC commercialization challenges[C]//In: Proceedings 2009 Offshore Technology Conference， Houston， TX，USA， 2009.

[9]BUCKLEY W.H. Extreme waves for ship and offshore platform design: an overview. T&R report[J].Society of Naval Architecture and MarineEngineering， Jersey City， NJ， USA：7-30.

[10]WISER R， BOLINGER M. Wind technologies market report[R]. Washington， DC， USA: US Department of Energy， 2009：12.

[11]FITZGERALD J B. Bolund: Technology readiness for wave energy projects; ESB and vattenfall classification system [C]// Proc of International Conference on Ocean Energy 2012. Dublin.2012.

On the Levelized Cost of Energy in the Development of Ocean Energy Devices

WANG Fang

(National Ocean Technology Center， Tianjin 300112， China)

In recent years，the ocean energy utilization and exploration has been one of the renewable energy topics and the research points have been focused on power generation devices.However，the high cost is one of the factors that restricts the development of ocean energy technology.In the field of new energy power generation，levelized cost of energy (LCOE) approach has been usually adopted to compare energy projects of different power generation technology and scale.Taking

of lessons from the LCOE calculation mode to guide and promote the development of marine renewable energy technology and industry is of great significance.This paper expounded the influence factors of Ocean Energy LCOE，and took wave energy and tidal current energy as examples to introduce the method of development cost calculation in the UK and the USA.The possibility of reducing energy costs was then discussed and advices for power generation devices in China were also provided in the paper.

Ocean energy，Energy costs，LCOE，Cost control

王芳，工程师，研究方向为海洋能政策，电子信箱：youyouqiao@126.com

P741

A

1005-9857(2016)04-0063-05