风从海上来, 海上风电助力经略深蓝
导读
海上风电是新能源发电重要组成部分,是未来高增长产业。中国海上风电已经通过近十年发展,进入产业成熟阶段。海上风电产业链长,汇集了高端装备制造业的尖端技术,体现了可再生能源领域的技术创新能力和先进制造水平。特别是在海上风机制造及其重要设备制造方面,不断取得突破,不断创造新的世界纪录。海上风电产业链的进一步完善,工程能力提升,形成了万亿级的具有自主创新能力的产业集群。
风能作为新能源发电侧的重要组成部分,已经进入了产业成熟阶段。海洋作为中国未来国土资源开发利用了新增高潜阵地,已经进入“深蓝阶段”。海上风电在这样的时代发展趋势中已经步入起步期的后程,在未来步入高增长的产业行业。
海上风电集合了当代高端电力装备制造和海洋工程装备制造的顶尖技术,也体现了高端技术创新在可再生能源领域的应用。海上风电装备可引领辐射高端装备制造行业发展,形成万亿级产业集群。
近期,海上风电标杆项目纷纷落地。根据行业媒体报道,中国首座深远海浮式风电平台“海油观澜号”启航前往海南文昌海域,将在距离海岸线100公里以上、水深超过100米的地方进行风力发电;中法签署合作协议,规划在江苏东台共同建设“风光氢储”绿色能源协同融合的海上综合智慧能源岛示范项目;中国首个超大单机容量海上风电项目在福建漳州开建,等。海上风电已经成为我国在“双碳”目标下,推动可再生能源发展的重点领域。
图1 2022-2031 年全球海上风电新增装机量预测
(来源:GWEC2022全球海上风电报告 申港证券研究所)
01 海上风电的发展基础
海上风力发电是指把风的动能转为电能,把风的动能转变成机械动能,再把机械能转化为电力动能。风力发电的原理,是利用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升来促使发电机发电。依据风车技术,大约是每秒三米的微风速度 (微风的程度),便可以开始发电。海上风力发电正在世界上形成一股热潮,因为风力发电不需要使用燃料,也不会产生辐射或空气污染。
相比于陆地风电项目,中国海域开展海上风电也具有独特优势:
1.海面风能资源稳定
由于海平面没有山丘和建筑物等的阻挡,单位时间的风能输出比陆地大约50%,是巨大的能量增幅。此外,与陆地上复杂的地形变化不同,海上几乎没有静风期,这意味着海上风力的发电时间更长且发电功率输出更稳定,对电网的调节比较有利。
2.海上风能资源丰富
我国拥有大约1.8万公里的海岸线,这给了海上风电的发展带来巨大的产业基础。通常来讲,沿海海域一百米高度以上风速在每秒7.5-9米之间,仅在离岸二百公里的范围内,我国的风能资源开发潜力就有约22.5亿千瓦。作为对比,据世界银行的统计,全球海上风能的可开发潜力高达710亿千瓦,海上风能资源是目前全球电力需求的十倍以上。而且,随着海上风机制造技术的不断提升,对于海上风能的利用率还在不断提高。
图2 全国风能资源分布图
(图源:全国能源信息平台)
3.实现低碳能源
风力发电过程不会产生污染。根据测算,节能减排效果显著:每安装1GW(1000兆瓦,相当于六十多台上述机组)的海上风电,相当于每年减排350万吨二氧化碳。
图3 海上风机的主要形式
(图源:BSEE官网)
根据海上风机的基础形式不同,海上风电机组分为漂浮式和固定式,其中漂浮式具备一定的机动性,但由于重量和体积受限制的原因功率有限。目前,海上漂浮式风机已经先后有三峡“引领号”、海装“扶摇号”、海油“观澜号”吊装完成,走入深海。
图4 三峡引领号
(图源:新华网)
海风发电上游为各类零部件,中游为整机组装制造下游为运营和维修保养。尽管中国目前整体装机量不断提升,但离全面国产化进程仍有距离。为承受海上强风载荷、海水腐蚀、海浪冲击等,海上风电机组基础结构远比陆上风电复杂,目前应用最广的为单桩式,其具备技术成熟,成本低,适应性强,且适用于近海风电场等优势海风发电竞争格局。
从海上风机工程能力来看,海上风电机组安装费用主要包括人工、材料和施工船机等。其中,影响最大的为船机设备费用。以目前最大单机容量的18MW机型为例,受制于海上风电机组吊装对吊高和桩腿长度的技术要求,2022年国内满足要求的安装平台仅有1艘,2023 年将有3 艘新一代升式风电安装平台服役,未来5 年预计将有10~20 艘具备该级别机组吊装能力的风电安装平台投运。
图5 海上风电累计吊装规模与招标规模
(图源:能源局采招网)
在技术创新积累方面,自2016年海上风电行业进入中国以来,中国海上风电专利申请数量快速增长,是全球海上风电行业每年专利申请量最高的国家,2021年专利申请数量达3832项。中国企业对产业链不断完善,部分零部件如高端海缆,轴承等逐步实现国产替代,各企业加速研发,企业差距即将形成。目前中车风电和上海电气在营收方面保持领先,而在装机量方面电气风电长期处于市场领先位置。
根据行业研究报告显示,短期来看,2022年前低后高,招标支撑2023年规模高增。具体来说,对于2022年,今年前三季度国内海风装机并网约1.2GW,预计一定程度受疫情影响;但截止到2021年末的累计招标比吊装规模超出约10GW,我们认为对于今年全年的海风装机规模具备一定支撑,即今年并网的海风项目包括2021年招标的项目以及2021年以前的项目;根据项目进展,我们预计2022年国内海风装机有望达5GW,今年整体呈现前低后高的态势。
对于十四五期间,目前各沿海 省份均出台较为明确的海风规划,梳理来看,目前各地十四五海风规划规模合计约60GW,其中广东、江苏、山东、浙江、福建规划规模靠前。
图6 各地海上风电政策
(图源:各地政府官网 长江证券研究所)
我们认为对十四五期间国内海风装机需求持续快速增长形成支撑。再往长期看,各地目前也陆续出台中长期海风规划,包括河北唐山、广东潮州、广东汕头、江苏盐城等,为十四五后海风储备规模进一步奠定基础。
02 海上风机领先世界
超大海上风机被誉为“地球上最大的柔性旋转体”。其强大的输出功率和叶片尺寸纪录随着全球海上风电的蓬勃发展被一再刷新。而其中,中国制造占据着极其重要的分量。近两年来,相比于陆上风机,海上风机明显更加大型化,造价成本却逐渐降低,这也给了海上风电发展提供了良好的设备基础。从2022年以来的海上风机招标机型分布比例来看,8MW级风机占比最大,8MW级以上风机成为海上风机的主流产品。
目前海上风机规模已经逐渐“巨大化”。往后看,海风风机大型化仍将保持较快的推进速度,并且单机容量上限存在超预期可能,未来有望达到甚至突破20MW,对应的,海风风机未来大型化降本空间依旧较为乐观。风机龙头企业在未来技术降本、规模降本方面更加具备优势。
从数据上看,目前,主流投运的8-10MW级海上风机,叶轮直径约230米,扫风面积41527平方米,相当于6个足球场大小。轮毂中心高度约130米,机舱和叶轮总重量约500吨,塔筒和附件的总重量约650吨。海上风机依靠桩基固定在海底,单桩基础直径可做到8-10米,总桩长80-100米。目前全球最重、直径最大的单桩基础是国家电投揭阳神泉二海上风电项目#35风机基础,其桩长112.68米,桩重2407.5吨,最大桩径达10.5米。
截止2023年一季度国电投报道的纪录,目前,世界最大的海上风机是明阳智能于2023年1月下线的MySE18.X-28X,额定功率18MW以上,叶轮直径超280米,最大扫风面积61575平方米,相当于8.5个足球场大小。据悉,全新发布的MySE18.X-28X机组继承了一系列智慧化的设计基因。该风电机组采用全息感知MPC技术和数字孪生DTC技术,可实现激光雷达感知超1000米、摄像头感知超600米,从而使测量数据更精确,机组更安全。基于场群尾流WMC控制技术,整场风机发电量可提升3%。发电能力方面,以粤东风资源条件(年平均风速8.5m/s)为例,该机组全年发电量可达8000万度,相当于减少二氧化碳排放6.6万吨,约等于9.6万居民的年总用电量。经济性方面,以100万千瓦的粤东风电场为例,MySE18.X-28X机组与目前市场13+MW级别机组相比,可减少16个机位数量,单位千瓦工程造价降低约800~1000元/kW。
风机大型化背后的逻辑在于:一方面,应用大兆瓦机组,可以大大减少同等装机规模海上风电项目的机位点数量,进而节约海域使用面积,降低海上支撑结构、电缆、用海、施工等方面的分摊成本,继而拉低项目的初始投资。尤其是考虑到海上风电开发正在走向深远海,基础造价及施工成本更高,应用大兆瓦机组在降低深远海风电项目成本方面的作用会凸显。
以一个总装机40万千瓦的海上风电项目为例,中国最大风机制造商金风科技介绍,采用金风科技13.6MW风电机组将比采用8MW机组节省20个机位点,仅在风电机组基础、吊装、塔架、海缆、用海等方面就能够节省费用近4亿元,约1000元/千瓦。因此,应用大兆瓦机组所带来的成本下降是相当可观的。
另一方面,海上风电机组的运维成本占项目运营成本的80%以上,应用大兆瓦机组可以有效分摊运维成本,进而降低整个项目的运营成本。同时,应用大兆瓦机组能够显著增加项目的年发电量,特别是在风能资源禀赋较好的沿海区域,单机发电量会有明显提升。
图7 MySE18.X-28X风机
(图源:明阳电气官网)
03 全产业链竞争力
在双碳目标和能源低碳转型背景下,海上风电产业链成本下降、风机大型化等,将驱动海上风电装机量持续提升。海上风电作为重大装备制造业,其产业链组成与陆上风电基本相同,但是在局部技术方面又具有海洋工程的特点和要求。总体而言,海上风电产业既包括大型电力设备,又涵盖机械、土木、材料等多个领域,其中高新技术企业和传统制造业的技术含量和数字化程度差异也较大。
根据资本开支构成来看,风电主机及塔筒、建设施工、海底电缆(站内海缆+送出海缆)、电气设备(升压、换流)占比分别约为45%、32%、15%、3%,构成产业供应链主体。
海缆起到连接风电场和岸上电网的重要作用,并且未来存在升级趋势。尽管海缆在风场中成本占比较小,但海缆尤其是送出海缆的故障会直接影响整个风场的运营。在海上风电场及其机组不断大型化、远海化的趋势下,行业对电压等级更高、输电距离更长、输电容量更大的海缆提出了需求,海缆的重要性进一步凸显。
场内缆部分项目从35kV升级至66kV的更高电压等级,提升输电容量。交流送出海缆迈向500kV。目前主流交流送出海缆电压等级为220kV,在高压化趋势下,需采用输电能力更强的500kV海缆。
但是,500kV交流海底电缆输送方式不适合于大规模长距离场景。柔直海缆或是远距离大容量海上风电场输电的解决方案。直流输电能力不受线路长度的限制,且载流量远超交流电缆,损耗却较低,既具备直流电缆优势又具备较好并网性能的柔性直流海缆或是远海场景下输电最优解。
500kV送出海缆单公里价值量大幅提升。随着风场容量的提高,送出海缆价值量随之提升,若选用500kV高压化交流海缆带来的价值量提升幅度更加显著。柔性直流海缆成本优于高压交流海缆。三芯500kV高压交流海缆会造成较大的成本压力,同等量级风场使用单芯柔直海缆单位价值量降幅可达40-50%,经济性明显更优(但基础配套设施如换流站成本会增加)。场内海缆方面趋势稳定。
图8 海上风电产业链
(图源:CWEA公司公告)
图9 海上风电与陆地风电的差异
(图源:海力风电公司公告)
管桩作为海上风机的基础,也是产业链重要的组成。
与陆风塔筒不同,海风除水面上的塔筒产品外,还需要大量的水面下支撑基础(管桩、导管架等):海上塔筒固定在海水中,相较陆上塔筒需要新增桩基或导管架。
目前,陆上塔筒的单瓦用量在6-7万吨/GW,而海上塔筒和管桩基础用量普遍在20-30万吨/GW,单GW用量是陆风的3-4倍;因此,海风后续的装机规模放量增长,对于管桩基础环节的需求也会有显著拉动。
对于风机大型化的影响方面,海风管桩基础整体摊薄影响较弱,主要原因在于随着风机大型化和风电场往深远海发展,水深在不断提升,进而会使得对应管桩产品的长度变大,以及随着承重变大,管桩产品的直径也需要不断变大。从实际海风项目的管桩基础数据看,风机容量和单GW管桩基础用量也没有很明显的线性关系,更多取决于水深。
同时,未来海风风机上升至10MW以上,达到15MW甚至更高的水平后,行业有可能出现超超大型单桩产品与之配套,直径可能最大达到15m,单桩重量也可能会进一步增长至3000吨以上。同时,海上塔架固定在海水中,因此需要具备抗腐蚀、抗盐雾的能力。因此,海上支撑基础相比陆上支撑基础的盈利能力更高;海风支撑基础能够对相关公司产品结构一定程度形成改善。
由于管桩、导管架单根重量较大(单根重量一般达1000-2000吨),并且需要整根运输,所以海风管桩、导管架生产基地需要靠近码头,便于运输。
海上风电与陆地的一大不同在于需要在码头进行吊装。这也使得码头的配套生产资源在海上风电市场抢占先机。考虑到码头以及配套的生产基地具备一定程度的稀缺性,尤其是水深较大、装载能力较强的码头稀缺性程度更高,并且码头的审批手续较为复杂、建设周期较长,我们认为海风管桩基础环节的核心壁垒在于码头和生产基地的获取及建设。目前在码头、生产基地方面具备先发优势和布局优势的企业未来在海风管桩市场具备更强的竞争优势。
图10 管桩导管架示意图
(图源:海力风电公司公告)
海上风电的工程能力也随着安装设备的提升不断增强。以目前最大的18MW风机为例,2022年国内满足条件的安装平台只有一艘,为2023年将有3艘新一代升式风电安装平台服役,未来五年预计有十余艘同级别吊装能力的风机安装平台投入使用。
另外,跟随风机大型化,也带动了风机关键配件制造水平提升。
风机主轴和铸件方面,铸造主轴正在逐步普及。本身主轴产品和铸件产品也在大型化发展过程中,头部企业的产能和工艺优势将进一步凸显。同时,随着海风风机大型化,铸造主轴渗透率有望逐渐提升:风机大型化之后,锻造的难度变大,成本变高,而铸造可以一次成型,减少原料损耗,降低成本。
图11 海上风电基础的起重与运输
(图源:大金重工官网)
风机叶片方面,叶片的尺寸、强度和轻量化不断创造新的纪录。由于风电机组的发电功率基本上与扫风面积成正比,大尺寸的叶片是风电降本增效的主要手段。由此,风机叶片的尺寸在不断增大,同时为了提高效率,叶片自重在不断减轻。以创下多项世界纪录的海上风电机组的为例,其轮毂中心高度为146米,大约相当于五十层楼高;叶轮直径252米,这已经超越了六架国产C919大型客机首尾相接的总长度;其对应的扫风面积约五万平方米,这足足有七个标准足球场那么大;叶片本身长123米,大约相当于三百名成年人并肩站立。
与此同时,为了实现高强度和轻量化,叶片的材料选用上也不断创新。碳纤维材料被越来越广泛地运用在叶片制造中。相比金属材料和玻璃纤维,它具备质量轻、高强度、耐腐蚀、抗疲劳等优异性能,可以说完美契合了风电叶片的需求。碳纤维更大比例的应用是解决风电叶片材料问题的钥匙,在利用树脂等材料固形后,碳纤维的强度能够充分发挥,并有效减轻叶片质量,尤其在海上高盐高湿的环境下,叶片中的碳纤维材料也能够提升耐腐蚀性能,更加适用于恶劣的气候条件。
图12 叶片内部的碳纤维梁
(图源:北极星能源网)
04 新挑战引领学术前沿
海上风电的快速发展也带动了对海上风电的学术研究日益成为新能源发电侧的重要方向。从大规模海上风电接入电网的角度,目前的研究聚焦在对电网的适应性和消纳能力上。随着海上风电的装机容量井喷式增长,对于电网也会带来巨大影响,增大调峰调频难度,加大电压控制难度,影响电网安全运行。这就对电网对新能源的消纳、承载、协调、安全运行能力都提出了新的挑战。因此,以新能源为主体的新型电力系统也成为了研究的重点之一。
在海上风电输电系统方面,工程实际中采用的高压直流输电和高压交流输电都有所研究。其中,高压交流输电架构简单,易于建设,但随着海缆长度增加会产生损耗和无功补偿成本过高的问题。高压直流输电线路损耗小,但是需要架设海上换流站,适用于远距离大规模输电。其中,柔性直流输电是主要的研究方向之一,其有着控制灵活、功率独立、可连接无源和弱交流系统等优势。在设备方面,研究聚焦在新型输电技术的核心装备,如直流输电系统中的电压源换流器(VSC)等,努力提高其综合性能。另外,对于新型输电系统,如低频输电系统,也在进一步的研究之中。研究者们在探讨新的输电系统架构同时也对于控制策略、故障诊断等进行优化。
在产业链技术提升方面,研究者们聚焦在各项具体产品的技术突破和创新。风机方面,研究聚焦在“大型化”视角下不同技术路线风机综合性能的提升;海缆方面,研究讨论导体金属性能、金属套、铠装、绝缘体等方面的性能提升与新材料运用,同时还关注其输送电压优化、安全性提升的问题;支撑基础方面,基于大型海洋结构研究的基础构架,探索大尺度结构的力学性能和安全性,研究高盐高湿海洋环境下的结构腐蚀问题及其维修维护,同时在漂浮式基础等方面进行创新研究与示范;吊装设备方面,以大型装备制造为牵引,面向工程应用,结合数字孪生、工业互联网等技术探讨吊装设备性能提升,全生命周期的运维管理以及装备协同等问题。
另外,海上风电与其他新能源产业的结合也是产业和技术研究的热点。海上风电与海上制氢、海水淡化、海洋油气等场景的结合,具体聚焦在关键技术耦合,经济性评价等方面。为实际工程应用提供技术可行性与经济性论证。
05 结 语
海上风电发展取得长足进步,同时在未来还将进行技术迭代,提高核心关键装备国产化水平,探索海上风场运维管理与安全风险防控,协同产业上下游和关键环节产业。同时,加强绿色金融引导与创新支持,促进产业融合。未来在海上风电高速发展中进一步深化海上风电的大型化、深远海、智能化。
在全国新能源格局中,海上风电与海洋牧场、海水淡化 、海上制氢 、综合能源岛、海上油气平台供电等融合发展,探索多能耦合的复合式新能源模式。在产业融合发展创新中,促进共性技术进步、新型装备转化应用、产业链跨界融合、经济性复合提高等,构建海上风电的新场景、新业态。
参考文献
[1] 赵靓. “十五五”中国海上风电度电成本展望[J].风能, 2023,2:34-37.
[2] 周子勋,张一鸣. 乘“风”而上,发展海上风电是大势所趋[J].中国经济时报,2023,4,13(04).
[3] 刘胜利,薛龙江,等.大规模海上风电集中接入电网的适应性和消纳能力研究[J].中国电力企业管理,2021:183-185.
[4] 王中权,李卫东.海上风场与海岛微网交互调频机制及控制策略研究[J].再生能源,2022,40(12):1674-1680.
[5] 高校平,张晨浩,等.海上风电低频输电系统低频侧不对称故障控制策略[J].电力自动化设备,2023,4.
[6] 谢小荣,苏开元,等.海上风电-柔直送端系统频率控制研究现状及建议[J].中国海上油气,2023,35(1):136-147.
[7] 薛浩岩,张天慈.海上风电柔性直流输电系统故障穿越安全研究[J].电力安全技术,2023,25(1):32-37.
[8] 张岑,魏华.海上风电制氢经济评价模型及关键影响参数[J].天然气工业,2023,43(2):146-154.
[9] 雒德宏.我国海上风电发展现状及对策建议[J]. 水电与新能源,2023,36(11):76-78.
[10] 陈凯,刘海钧,等.我国海上风电用集电海底电缆系统成本优化探析[J].光线与电缆及其应用技术,2023,2:35-38.
[11] 毕志远,薛洋,等.新形势下我国海上风电产业发展趋势[J].中国港口,2022,11:6-8
[12] 周昳鸣,闫姝,等.中国海上风电支撑结构一体化设计综述[J].发电技术,2023,44(1):36-43.
作者简介
宋亮,材料学院博士,北京市产业经济青年智库成员,从事新能源与装备制造领域科研成果转化工作。爱好科技教育评论,风光摄影。