《风能》 | 创新融合，三种海上风电新模式
近年来，我国海上风电发展成绩斐然，国家统计局的数据显示，截至2021年6月底，我国海上风电累计装机容量达1113.4万千瓦。有机构和媒体预测，2021年中国海上风电累计装机容量大概率可超过英国，位居全球第一。然而2022年，我国海上风电的中央财政补贴将全部取消，给“十四五”时期的产业发展带来一定不确定性。
“平价下建设单位要求海上风电项目收益率不低于6%，对其造价提出严苛挑战。”新疆金风科技股份有限公司海上工程方向总工程师兼风电设计研究院副院长宁巧珍在日前举行的2021全球海上风电大会上表示：“仅靠风电达到客户投资收益，在有限海域面积里是比较困难的。”面对必然来临的平价与集约节约用海政策，海上风电的跨界合作与多元化模式创新，成为2021全球海上风电大会上颇受关注的话题之一。
东方电气风电有限公司研发中心副主任李源对此表示，漂浮式风电是向深远海发展的一个趋势，随着技术成熟，其经济性会越来越好。在平价时代，漂浮式+海洋牧场+海上制氢，打造海洋生态圈是未来方向。
那么，在众多海上风电开发新概念与新模式中，哪些已经具备技术条件？
海洋牧场
海洋牧场是充分利用海洋的自然生产力，在特定海域科学培育和管理渔业资源的人工渔场，是目前海洋经济最成熟的发展业态之一。近年来，我国已完成覆盖渤海、黄海、东海与南海四大海域的86个国家级海洋牧场示范区建设；计划到2025年将建成178个国家级海洋牧场示范区。
优异的发展成绩背后，仍存在一定挑战。一方面，海洋牧场的供电难与供电不足问题，导致大型现代化牧场增养殖设备、资源环境监测设备等无法使用、维持，生产效率较低；另一方面，海洋牧场仅水下部分空间通过增养殖得以开发，水上空间无法得到有效利用，不利于海洋资源的立体开发。
反观海上风电，可在充分发挥水上空间资源价值的同时，一举多得地解决海洋牧场供电不足问题。更值得关注的是，海上风电还有利于海洋牧场的高效增产。
在荷兰OWEZ公司海上风电场，科研人员以底栖生物、鱼类、鸟类和海洋哺乳动物多样性为评价对象，通过2年实地调查发现该风电场已成为生物群落的新栖息地，甚至增加了生物多样性。有资料显示，海水流经风电机组桩基和半潜式平台时，迎流面会产生上升流，随上升流上涌的底层营养盐与表层海水充分交换，促进各种浮游植物生长，从而诱集各类海洋生物前来索饵，形成高度复杂的食物链。同时，海水背流面会产生背涡流，多数鱼类喜欢栖息于流速缓慢的涡流区。
海洋牧场与海上风电融合发展可谓“有百利而无一害”，是未来集约节约用海的新型产业模式。
“海洋牧场与海上风电融合技术要进行示范、先导，对海洋牧场的肌理和海上风电及其配套设施研发，探索升降式的筏架、智能网箱和观光垂钓平台。”宁巧珍谈道。
目前已有大量“海上风电+海洋牧场”示范项目在推进。例如，以德国、荷兰、比利时、挪威等为代表的欧洲国家早在2000年便将鱼类养殖网箱、贝藻养殖筏架固定在机组基础上进行试点研究；以韩国为代表的亚洲国家则于2016年开展了海上风电与海水养殖结合项目，使双壳贝类和海藻等在项目区域增加。
2020年3月，我国首个“海上风电+海洋牧场”示范项目——山东昌邑市海洋牧场与三峡300MW海上风电融合试验示范项目海洋勘察工程公示。2020年4月，由中广核研究院牵头申报的2020年省级促进（海洋）经济高质量发展专项资金项目“漂浮式海上风电与海洋牧场融合关键技术研究”项目完成合同签订。
相对于可期的社会与经济价值，实现该模式的项目数量目前仍较为有限，通过创新海洋牧场与海上风电融合发展技术体系，构建海洋牧场与海上风电融合发展监测体系，完善风险预警防控和应急预案管理体系，进一步探索其他开发模式是未来的攻关重点。
“Power to X”
“Power to X”概念被提出，主要基于节约能源的考虑。比如，通过水电解及后续合成工艺，将过剩或无法送出的电力能源转化为液态或气态的化学能源，以便存储或输送。随着全球加快应对气候变化的步伐，人们渐渐意识到“Power to X”可以成为供热、交通、工业用能等领域实现碳减排的途径。
“‘Power to X’技术正在不断拓展到原来没有本地电力需求的行业，有趣的是，油气公司纷纷将其作为重点，并将经验与技术带进来。”全球风能理事会（GWEC）海上风电工作组主席AlastairDutton认为。
例如，通过海上风电与“Power to X”技术相结合进行海上风电制氢，就能将风电本身所具备的绿色环保属性，进一步延伸至氢能利用过程中，实现近零碳排放。
对于海上风电的发展而言，“Power to X”技术则能够避免弃风或因输电能力不足导致的发电量下降。“‘Power to X’技术是海上风电与其他行业的整合，也是除解决风电大规模并网之外的另一项重要探索。”中国船舶集团海装风电股份有限公司学科带头人、海上漂浮式风电装备总设计师董晔弘在2021全球海上风电大会上指出。
以海上风电为例，目前正在探索的制氢方案多达四种：一是将海上风电通过电网传输到高压电网，再通过电网为电解槽供电；二是电解槽通过风电场专用电表获取电力，也可以通过电网电表获取电力，电解槽可建在海上平台，也可建在陆地；三是电解槽与风电场同时建造，风电直接被输送至电解厂；四是电解槽建在风电机组内部或漂浮式平台上，用成本较低的输电方式替代海上电缆，并且电解槽能够以风电场发电成本价获得电力。
在上述模式的基础上，明阳智能进行了进一步探索。“以前制氢必须使用淡水，对水的纯净度要求非常高。明阳智能发明了一项新的技术，利用海水制氢，使制氢成本大大降低。”明阳智慧能源集团股份公司总工程师贺小兵介绍说：“如果能利用天然气管道输送氢到陆上，成本可进一步降低。”目前，海上风电制氢已可进入规模化应用阶段。据荷兰王国驻广州副总领事杨安介绍，2020年壳牌在荷兰与合作伙伴共同推进的一个海上风电制氢项目，总装机容量计划在2030年与2040年分别达到4GW与10GW，项目本身还包括一系列制氢电解、存储与输送装置。
据不完全统计，我国的风电制氢项目与课题已经超过20个，但海上风电制氢项目数量较少。在未来的海上风电制氢发展中，还需破解如风电波动性对于制氢设备的影响、海上风电成本较高、储存运输难等一系列技术与市场挑战。
能源岛
与以上两种创新模式相比，能源岛的概念更原生于海上风电，是围绕海上风电所构建的一个多元化海洋利用系统。“一个自然岛屿或人工平台，充当周围海上风电场发电的枢纽，并将其输送到北海区域的各个国家”，是对能源岛的早期定义。
“借鉴国外相关经验，海上风电应同海洋牧场、海上油气、氢能、储能等多种资源实现综合开发，融合发展。通过能源岛概念，可实现海上风电与其他资源综合开发的模式。”水电水利规划设计总院新能源和军民融合部主任赵太平认为：“能源岛的概念在国外处于推进过程中，在我国也有相关尝试，这是未来的一个趋势。”
北海被认为是欧洲能源供应最重要支柱之一，早在2017年，欧洲输电系统运营商TenneT就提出在多格海岸建设能源岛的设想，主要用于接入多国开发的海上风电。由于岛屿距离风电机组较近，可采取成本更低的交流电方式，先将电力输送至岛上，再以高压或特高压直流电形式统一配送到欧洲大陆或英国。该项目最初计划建设3座岛屿，每座面积约6平方千米，设有港口、机场等交通设施，简易的设备生产装配线，以及大型备品备件仓库。岛上还配备办公室和住宅，满足专业团队的日常需求。这使得海上风电的运维人员与备品备件做到统一调配，集中共享。
作为海上风电的变流、传输和制氢枢纽，这项名为联合体北海风电枢纽的项目得到了诸多机构与企业支持，其总规划支持目标由最初的100GW增至180GW。截至目前，联合体北海风电枢纽是启动最早、设计最完善的能源岛项目，预计将于2030年至2050年间建成。
若是进一步延伸对能源岛的定义，我国其实已经在推进相关工作。2020年8月14日，推进海南全面深化改革开放领导小组办公室印发《海南能源综合改革方案》，提出构建海南清洁能源岛，到2025年海南清洁能源岛初具规模。
据专业机构研究，为了充分发挥能源岛作用，扩大海上风电集群效应，各国在政策法规、计划等方面还需要实现进一步兼容。
无论是海洋牧场、“Power to X”，还是能源岛，都为海上风电的模式创新给出了更多选择，为风电与其他产业的进一步融合发展，描绘出可期的图景。通过未来的跨界、贯通与融合，风电将与各行各业碰撞出越来越多的多元化创新火花，并无时无刻地展现出自身价值，真正成为向国民生产、社会生活提供无穷动力的主体能源。 CWEA
海上风电新模式相关参考
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