基于集约理念的海上风电用海面积控制指标研究

胡恒 ,岳奇 ,丁宁 ,李学峰 ,董月娥 ,孟雪 ,王秋妍,邵文宏

(1.国家海洋技术中心 天津 300112;2.唐山市自然资源和规划局 唐山 063000)

0 引言

党的十八大将生态文明建设纳入中国特色社会主义现代化建设“五位一体”的总体布局,将生态文明提到前所未有的高度,也对海洋生态文明建设提出新的要求,集约用海的发展理念进一步确立[1]。集约用海理念是统筹利用海洋资源、最大限度发挥效益、保障用海需求的重要内容之一,是推进海洋生态文明建设的根本要求。“十四五”时期是加快建设海洋强国的重要时期,我国迈入高质量发展新阶段,人民群众对美好生活的需要日益增长,各类行业用海规模迅速扩大。为正确处理开发利用与资源保护的关系,必须改变粗放的开发利用模式,集约用海理念将成为我国海洋可持续发展的根本方针。

海上风电作为我国可再生能源发展的重点领域,“十四五”期间将进入新的发展时期。各沿海地区相继出台规划,海上风电规模将大幅提升,规划海上风电场址面积超过7 000 km2。随着风电技术的发展和突破,海上风电项目规模不断增加,单机容量不断提高。由于需要安装众多的风机以及铺设密集的海底电缆和漫长的输电电缆,海上风电场影响的海域面积是其占用海域面积的数倍[2],海洋空间资源供给矛盾与冲突日益突出,已逐渐成为当下及未来一段时期亟须解决的重要难题。

本研究系统分析现有海上风电场包络海域面积、确权海域面积等数据,采用集约化的空间资源开发理念,结合海上风电用海的特征与问题,提出科学、可操作的海上风电用海面积控制指标体系,提高海上风电项目用海集约性,促进经济效益、社会效益和环境效益的统一,推动海上风电发展更好地契合海洋可持续发展战略与未来发展趋势。

1 集约理念在海洋资源配置中的应用

我国在“十四五”时期要推动绿色发展,促进人与自然和谐共生,强调全面提高资源利用效率。自然资源部非常重视集约用海的指导与管理,明确提出集约用海的相关要求。在宏观层面,要求“以加快转变海洋经济发展方式为目标,处理好保障发展与保护资源的关系,优化用海布局,调整用海结构,改变传统的分散用海、粗放用海方式,实行集中适度规模开发,提高单位岸线和用海面积的投资强度,实现海域资源的合理配置”;在微观层面,要求“控制单个项目用海面积,制定不同行业单个用海项目面积标准,防止圈海占海和浪费海域资源”以及“围填海项目尽量不占用岸线,确实要占用的,应压缩到最低限度,保护自然岸线,延长人工岸线,保留公共通道,打造亲水岸线”。

通过对相关政策文件进行梳理可以发现,很多政策文件都将集约用海作为基本原则,并提出具体要求。《全国海洋功能区划(2011—2020年)》将集约用海作为指导思想和基本原则,明确提出节约集约利用岸线和海域空间;《国务院关于印发全国海洋主体功能区规划的通知》将集约开发作为基本原则,主要目标明确提出提高海洋空间利用效率;《国务院关于加强滨海湿地保护 严格管控围填海的通知》将节约集约作为严控新增围填海和处理围填海历史遗留问题的主要原则;《海籍调查规范》(HY/T 124-2009)将节约岸线作为宗海界址界定的基本原则;《建设项目用海面积控制指标(试行)》规定主要建设项目用海集约管控指标和具体要求,将促进海域海岸线资源节约集约利用作为目的,将节约优先、集约高效作为控制原则;《海岸线保护与利用管理办法》将集约节约利用岸线作为占用人工岸线项目建设的基本原则,同时要求严格执行建设项目用海控制标准,提高人工岸线利用效率;《围填海管控办法》将集约节约利用作为围填海管控的基本原则;国家海洋局《贯彻落实<围填海管控办法>的指导意见》和《贯彻落实<围填海管控办法>的实施方案》提出全面促进海域资源集约节约利用的总体要求,坚持集聚发展、节约集约,工作目标包括围填海集约节约利用水平全面提升;《自然资源部关于进一步明确围填海历史遗留问题处理有关要求的通知》将集约利用的基本原则贯穿处理围填海历史遗留问题的始终;自然资源部、国家发展和改革委员会《关于贯彻落实<国务院关于加强滨海湿地保护严格管控围填海的通知>的实施意见》将集约节约作为基本原则;《海域使用论证技术导则》将坚持集约节约用海作为海域使用论证的基本原则,要求项目用海的平面布置体现集约节约精神;《国家海洋局关于进一步规范海上风电用海管理的意见》规定海上风电用海面积控制要求,鼓励海上风电与其他海洋开发利用活动分层立体开发海洋资源。

2 我国海上风电集约用海现状

根据全球风能理事会(GWEC)、中国风能协会(CWEA)公布的相关数据,2021年中国海上风电装机规模创历史最高,累计装机总量一跃赶超英国,成为全球海上风电发展最快的国家。2021年我国新增海上风电机组2 603台,新增海上风电装机容量14.48 GW (同比增长276.7%);新增海上风电装机容量前三位的地区依次是江苏、广东、浙江,其中江苏新增装机容量达到4.99 GW,占比34.5%[3-5]。

在我国现行的海上风电政策及指导文件中,针对集约用海的控制要求为《国家海洋局关于进一步规范海上风电用海管理的意见》提出的每10万kW用海面积控制在16 km2。本研究以2021 年全国2 m分辨率遥感影像为底图数据,范围为海岸线向海一侧延伸100 km,提取海上风电设施信息并叠加海上风电用海数据,分析95个海上风电项目的用海情况。通过对海上风电项目的包络海域面积、风电场容量等的梳理分析,有75个风电场符合上述控制要求(达到15 km2),有20个风电场超过20 km2。

3 存在的问题

3.1 海上风电场确权用海面积小,而实际占用海域面积大

通常情况下,海上风电场采用风电机组成列方式布置,风电场内部须预留足够的风缓冲区。在95个海上风电用海项目中,风电机组的间距为400～1 200 m。海上风电场建设的工程内容主要包括机组桩基基础、升压站、海底电缆,涉及的用海方式主要包括透水构筑物和海底电缆管道。风电场内部的风电基桩之间须铺设海底电缆以实现电力和数据的传输,在95个海上风电用海项目中,每建设100 MW海上风电场须铺设海底电缆的平均长度约为100 km。根据海底电缆管道保护的相关规定,海底电缆管道两侧各500 m 属于保护范围,禁止开展的海洋开发利用活动包括挖沙、钻探、打桩、抛锚、养殖等,这就导致风电基桩之间的海域虽不确权,但实际具有较强的排他性,因此风电场实际影响的海域面积应为风电场的最外缘包络范围。在95个海上风电用海项目中,每建设100 MW 海上风电场须占用海域的平均面积约为13 km2,而确权用海面积仅约占其实际占用海域面积的10%[6-7]。

3.2 海上风电用海具有排他性,造成海洋空间破碎化

在海洋生态系统中,海水、海洋生物具有典型的连通性和流动性,而海上风电场采用的区块式布置形式直接造成海洋生态系统和海洋空间资源的碎片化,更是挤占其他海洋开发利用活动空间。尤其是升压站至登陆点之间铺设的海底电缆将海岸带割裂成条带状,阻碍海岸带与外海的联系,限制未来可能的海洋开发利用活动。由于风电场各风机之间、风机与升压站之间以及升压站与登陆点之间须铺设海底电缆,风电场内部海域逐渐破碎化且具有一定的排他性,只能兼容部分类型的其他用海活动[6]。

3.3 海上风电场平面布局不规则

根据《国家海洋局关于进一步规范海上风电用海管理的意见》等文件,单个海上风电场的外缘边线包络海域面积,每10 万kW 原则上应控制在16 km2,但未明确风电场外缘边线包络海域面积的确定方式,导致同一海上风电场可能存在多种外缘边线划定方式,尤其是单排或不规则形状的风电场。

4 问题的成因

4.1 受用海范围界定限制

根据《海籍调查规范》,我国现有海上风电项目的用海方式和面积根据单个风电基桩及施工运维所占用的海域空间确定。其中,单个风电基桩的计算范围为以基桩中心点为圆心、中心点至风电基桩基础最外缘点外扩50 m 为半径的圆,而连接风电基桩的海底电缆的计算范围为电缆管道外缘线向两侧外扩10 m,并没有将风电场实际占用的海域均纳入用海面积,其目的是鼓励海上风电的发展,减少项目用海的海域使用金成本,但也导致海上风电场实际影响的海域面积远大于其确权面积。同时,海上风电项目在风电场布局设计时主要考虑工程造价和发电的经济效益,较少考虑海域空间资源的价值。

4.2 集约用海尚未形成体系

在现有政策文件中,风电集约用海管理尚未形成体系,对于风电集约用海提出的指标过于单一,且缺少约束力。目前唯一明确的指标为“海上风电每10万kW 的用海面积为16 km2”,但对风电场范围界定仍未提出明确要求,在执行的过程中具有较大的弹性和空间,亟须进一步构建具有可操作性、规范化的设计准则与规范,对风电场选址、风电场设计和风机选型等各方面提出要求,找到风电场发电效率和占用海域面积的平衡点,提高风电场用海集约性。

5 集约用海指标体系的构建

根据我国海上风电集约用海现状以及存在的问题,本研究从风电场选址、设计、技术要求等角度出发提出完整和具有可操作性的指标体系,可在风电规划、开发建设阶段为海上风电大规模、集约化发展提供理论支撑(表1)。

表1 海上风电集约用海指标体系Table 1 Index system of intensive sea use of offshore wind power

5.1 项目选址与海缆路由

风电场选址应严格遵守《国家海洋局关于进一步规范海上风电用海管理的意见》提出的海域布局要求,即海上风电的离岸距离不少于10 km、滩涂宽度超过10 km 时海域水深不少于10 m。随着近海风电场址开发殆尽,海上风电场的离岸距离与水深将逐步增加。除潮间带风电场外,目前建设的近海风电场基本符合此要求。在未来长期的海上风电场规划与开发过程中,“双十”规定存在进一步提升的空间。

《国家海洋局关于进一步规范海上风电用海管理的意见》对于规划符合性的要求为海上风电场建设用海须符合主体功能区规划和功能区划,推荐在功能区管控要求已明确兼容海上风电的区域布置,不得在港口航运区、保护区和保留区等区域布置;对于功能区管控要求没有明确兼容海上风电的区域,须科学论证风电场与功能区基本功能的兼容性,同时海上风电开发利用要避免影响国防安全和交通安全等。海上风电的所有用海方式(如构筑物、海底电缆、填海造地)都应符合此要求。由于海上风电的生态影响尚未有明确的研究结论,大规模海上风电机组对候鸟迁徙的影响以及电磁辐射对海洋生物的影响尚不明确,风电场须避让生态保护红线,开发利用海洋可再生能源不能以牺牲海洋生态环境为代价。

5.2 风电场设计与技术要求

目前的海上风电相关政策鲜有对单机容量的具体要求。2019年《福建省海上风电项目竞争配置办法(试行)》规定,原则上采用的风电机组应具有自主知识产权,且单机容量不低于8 MW。由于我国南北海域的风能资源条件差异较大,不宜提出统一的单机容量要求。与此同时,由于海上风电场址通常在集中区域划分,参照山东、江苏、广东等地的发展规划,集中区域的风能资源条件相近,可对选用风机的技术水平提出分区域、动态的要求。在海上风电集中规划区域,当某容量风机累计装机超过100 MW 时,该发电能力的风机在该区域可被认定为运用成熟,则该区域后续批复项目采用的风机单机容量不得低于100 MW。随着海上风电建设的离岸距离逐渐增大,平均风速逐渐提高,风机的施工难度和海缆的安装成本都会提升,因此从风力条件、成本控制、技术发展、发电能力等角度对单机容量提出要求符合现实条件,对海上风电大规模发展具有促进作用。

海上风电的用海区域须有统一的划分标准。考虑风电用海的排他性,不应排除同一个风电项目中不同分区的间隔区域,尤其是对于中间布置升压站与海底电缆的情况。对于外形不规则的风电场,应采用凸多边形将风机及海上升压站全部包络在内。通过对已批复风电场排布方式的分析,场址形状近似矩形、内部风机为2～3排平行排列的风电场的用海效率普遍较高。在大规模深远海风电基地规划中,凸多边形可充分表示单个风电场址的用海范围,有利于整体规划。矩形、平行四边形、梯形的类似设计既符合风电机组集中排列要求,又减少不同风电场之间的间隔。

通过对已建设风电场的统计分析,目前风电机组的平均行间距为风机叶轮直径的9.5倍,行内间距为风机叶轮直径的3.5～4.0倍。由于无限扩大单机的用海面积并不会明显提高风能利用率,理论上建议最大行间距不超过风机叶轮直径的10倍,行内间距不超过风机叶轮直径的5倍。对于不同的风电场须根据风力与技术条件进行设计,综合考虑仿真分析的结果与已建设近海风电场的设计情况,推荐海上风电场行间距为风机叶轮直径的8～10倍,行内间距为风机叶轮直径的3.5～5.0倍。

5.3 用海范围及确权面积控制

针对规范性文件规定的“海上风电每10万kW的用海面积为16 km2”,建议进一步提高对用海集约程度的要求。随着风电场离岸距离的增加,风电场可利用的海域会更加开阔,受其他用海方式以及岸线或海岛形状的影响更小。2018年后批复的海上风电项目基本符合用海集约指标的规定,多数用海项目严格按照16 km2的用海面积进行设计。随着海上风电技术的发展,可将该指标进一步收紧为15 km2。

在风电场区域内,风机、升压站和海底电缆都是确权用海的组成部分,其中海底电缆设计是评价风电场建设水平的重要元素。根据《铺设海底电缆管道管理规定》,海底电缆的用海范围为电缆外缘向两侧各外扩10 m。据统计,目前大部分海上风电场内构筑物与海缆的的确权比例约为4%。当确权比例远低于5%时,该风电场设计的集约程度和海域利用率均较低,因此建议风电场址范围内构筑物与海缆的确权比例不低于5%。

6 建议

6.1 自规划阶段起严格遵守集约用海体系

根据政策要求,全国及各沿海地区的海上风电发展规划由国家能源局统一组织编制和管理,各地区的海上风电工程规划确定场址范围和装机容量,每个风电场的用海集约程度在规划阶段即大致确定。而在现行规划中普遍存在规划与政策不符的情况,因此自然资源管理部门需要在规划阶段就对风电场的选址、规模、布置等问题提出符合国土空间规划、风电用海政策的明确意见,保证风电规划符合集约用海要求。

6.2 鼓励先进海上风电技术应用

随着海上风电迅猛发展,单机容量不断增高,为满足深水远岸的发展趋势,风机基础设计水平与施工建设能力逐步提升。技术的不断创新为更大规模的海上风电发展提供良好基础,新技术的应用可以提高风电场的发电能力和用海效率,满足开发更广阔海域的技术要求,同时降低发电成本,使平价上网成为可能。在规模化、平价化的整体趋势下,海上风电集约用海既是政策要求,也是实现风电可持续发展的保障。政府部门需要根据海上风电发展情况,及时调整规划及政策,鼓励先进海上风电技术应用,提高风电场的用海效率。

6.3 灵活运用并及时调整集约用海体系

我国的海上风电政策顺应时代背景不断改进,相关的技术规范逐步完整,集约用海体系在不同的发展阶段也应不断更新。我国南北海域的自然条件存在差异,各沿海地区应基于风电发展现状,结合本研究提出的海上风电用海面积控制指标体系,提出更加具体的技术要求。针对指标体系中的各项指标,明确区分约束性与参考性的要求,结合风电项目的实际情况进行设计。风电场的设计过程必须遵守约束性指标,同时尽量满足参考性指标。自然资源管理部门应在规划、设计、批复的各个阶段充分发挥监督作用,提出集约用海指导建议。