打通海上风电“创新链”

孙一琳

今年8月，全球风能理事会（GWEC）发布《2020年全球海上风电报告》，预测随着全球能源转型步伐的加快以及更多国家进入海上风电领域，2020―2030年全球海上风电装机容量将新增2.05亿千瓦以上，海上风电在全球风电市场的占比会在2025年达到20%左右，为能源消费结构的转型升级提供关键支撑。

协同创新——海上风电的着力点

2019年，英国政府设定了到2030年实现4000万千瓦海上风电装机容量的目标，同时投入约720亿英镑（约合人民币6231亿元）用于相关基础设施的建设，苏格兰则是发展海上风电的主要地区。目前，该地区有4.65万余人从事可再生能源和低碳产业。2018年，在政府的支持下，苏格兰地区成立了深海风电协会，以促进整个北部地区海上风电产业的发展，包括22家开发商、1家整机企业、375个供应链企业和相关协会、大学、港口的成员参与其中。除了深海风电协会，苏格兰还拥有海上风电协会和海上风电能源协会。苏格兰国际发展局投资部中国区总监赵莉表示，“无论是政府，还是产业，都投入了大量精力以保持海上风电行业的创新活力。”

挪威拥有100多年的海事以及造船历史，并积累了超过40年的油气开发经验，使得这个国家对海洋工程有着极深的理解，从而为持续降低海上风电各环节成本奠定了坚实的基础。同时，该国专为满足海上风电开发需要而建造的安装船，已经服务于20%～30%欧洲海域的项目，成为挪威发展海洋经济的又一发力点。

在中国，海上风电产业链的各个环节同样为实现突破不断展开创新。

整机企业利用整机架构设计与平台化、模块化快速降低成本；利用整机系统数字孪生与多目标的寻优，提升产品迭代速度；研发碳纤叶片，同时在超柔叶片方面研发出高升阻比、低噪声的翼型，进一步降低发电成本；在智能控制技术方面，通过设计环境自适应控制、全生命周期疲劳控制，最终实现风电场发电性能的最优；在海上风电固定式基础载荷方面，一方面，通过设计优化，突破现有基础类型的局限性，另一方面，通过精细化分析优化，降低载荷，做到系统最优。

随着海上风电机组的大型化、水深的增加，海上风电机组基础的重量也在迅速增加。新疆金风科技股份有限公司海上风电设计研究院副院长宁巧珍提出了5个需要突破的关键技术点：一是深水低频单桩基础设计优化方面，在地基刚度精确计算、桩长鲁棒性优化、突破桩身D/t限制等方面实现技术创新；二是导管架基础设计及制造工艺优化，铸造管节点以及桁架模块化设计方面进行创新；三是嵌岩及软弱覆盖层下新型低成本基础创新，包括复合筒基础、多筒负壓筒导管架基础、单筒负压筒基础、摩擦盘基础等优化；四是建立适用于我国环境条件和地理条件的设计规范；五是推进塔架与基础的一体化设计，使整个系统形成闭环，通过精细化分析剔除设计中的冗余部分。

此外，未来可通过叶片叠放和塔筒立放等实现单船多套部件的运输，降低成本。针对福建和广东浪涌比较大的区域存在吊装效率低下的问题，宁巧珍指出，研究适用于风电机组吊装及基础施工的风电安装船自运自吊技术是提高吊装效率的最有效途径。为实现技术的应用，现阶段有需求的港口应主动获得相关部门和机构的建设许可，提供可插桩接货的港口以及超宽运输航道等条件。

金风科技对该技术展开了不同里程、不同设备套数以及用具的评估，据保守估计，它的应用可降低30%～50%的单台机组吊装成本。

创新是广义的，除了围绕技术和产品，还有必要进行商业模式与组织模式上的创新。以诸多整机厂商和开发企业的经验来看，长周期乃至全生命周期运维服务的统一外包是目前提升风电场发电效率的有效合作模式。为快速推广这一模式，宁巧珍指出，需要投资方和服务商尽快就相关技术标准以及合作分成标准形成明确的合同关系。

“当然，某环节的单一改变带来的效果终究是有限的。”宁巧珍补充说，“只有集全产业链的广泛创新，才能赋予行业以颠覆性的力量。我们需要思考全产业链上的创新如何进行有效组合才能达到效率的最大化。”

制氢——海上风电的下一个窗口

为了应对气候变化，对现有的能源消费结构进行转型升级是必然的趋势。当前需要做好三件事情：一是提升全球各个经济体的整体能源效率，将能源总消耗量控制在与2018年持平的水平；二是进行大量的电气化改造，特别是推进传统工业生产的电气化改革，辅以清洁能源电力；三是推动清洁能源取代传统化石能源。

彭博新能源财经风电分析师汪子越表示，氢能在这一过程中大有可为。可与氢能结合发展的能源种类众多，绝不限于海上风电，但海上风电无疑是这一跨界技术的最佳合作伙伴。

目前，世界上很多国家已经开始海上风电制氢示范项目的建设。荷兰建造了全球首个海上风电制氢示范项目—— PosHYdon。在英国，——rsted公司的140万千瓦Hornsea 2海上风电场将与Gigastack项目连接生产绿色氢气，为英格兰东北部的一家石油和天然气精炼厂提供动力。德国制定了最新的海上风电制氢战略，考虑在海上风电竞标中指定部分海上风电场专门用于生产绿色氢气。

海上风电制氢的成本居高不下成为这一绿色发展路径尚未得到推广的根源，但严格来说，不能称之为“制约因素”。未来，可再生能源电力制氢成本还有较大的下降空间。

一方面，可再生能源发电成本在不断下降；另一方面，电解槽设备的成本在持续下降。以欧美市场为例，电解槽成本在过去的5年中下降了40%～50%。在中国，受益于较低的原材料价格、人力成本，以及较高的工厂利用率，这类设备成本的下降将更加明显。另外，由规模化发展带来的成本效应，也有助于推动未来氢能产业的腾飞。据估算，2030年，全球电解槽设备平均成本有望下降至少30%，2050年下降50%以上。此外，电解槽利用率也有很大的提高空间。

汪子越认为，未来10年内，全球仍需要约1500亿美元（约合人民币9807亿元）的补贴，可再生能源电力制氢的成本才能降至2美元/千克（约合人民币13元/千克）。这一补贴数额乍一看非常大，但实际上每年全球各国政府用于化石能源的补贴接近于它的2倍。由此看来，只要推进能源转型的意愿足够强烈，可再生能源电力制氢就能够成为一个绝佳的选择。

漂浮式——海上风电的未来

自2009年世界上第一台兆瓦级漂浮式海上风电机组并网以来，截至2019年年底，全球范围内已安装了6.6万千瓦的漂浮式海上风电。全球风能理事会（GWEC）基于全球主要国家现有的漂浮式风电规划预测，未来10年内将建造620万千瓦的漂浮式海上风电项目，但2020―2025年的装机容量将不到预测值的10%。从2025年开始，小型商业性的漂浮式海上风电项目会开始建设；2030年，漂浮式海上风电有望通过大型项目招投标而陆续开工并投产。可以说，走向深远海代表着海上风电的未来。

DNV GL―能源首席执行官Ditlev Engel提醒，未来漂浮式海上风电将面临来自技术、监管和竞争等方面的挑战。在技术方面，涉及新型设备需要认证、应对极端天气情况等；在监管方面，新兴市场缺乏政府监管框架、输电/电网容纳量有限或老化、本地化占比要求严格等均值得关注；最后，还有与全球化和竞争有关的挑战，包括对当地市场规模经济合理性期望过高，以及没有认识到需要灵活的全球供应链来实现规模经济和度电成本的降低等。

在CWP 2020上，有众多关于漂浮式海上风电发展经验的分享，已经细化到各个环节，如在设计环节，漂浮式海上风电机组耦合设计面临的挑战，漂浮式海上风电机组模型试验及验证；在运输环节，不同类型半潜型漂浮式海上风电机组拖航技术的优劣，以及海上物流管理及标准化认证等。