我国海上风电基础设施建设的挑战及其对策
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摘要：风能是一种绿色清洁能源，随着全球气候变化问题日益受到关注，各国对可再生能源的规划与部署不断加强，可再生能源投资迅速增加。经过多年高速增长，我国陆地风电装机容量已居世界首位，但是海上风电发展仍存在诸多瓶颈。中国拥有漫长的海岸线，在开发近海风能资源方面有着巨大的潜力，在风能项目中，海上风电较之于陆上风电具有更多优势。但是我国海上风电项目仍面临很多挑战，尤其基础设施的建设环节，因技术难度大、投资门槛高、环境影响复杂而使发展受到牵制。中国有必要从技术、投资、环境等方面突破海上风电基础设施建设瓶颈，促进海上风电产业发展，实现我国能源的清洁化转型。
关键词：海上风电;技术;资本;环境
中图分类号：TK89 文献标识码：A
为应对气候变化，防治大气污染，保证能源安全，各国对可再生能源的规划与部署迅速增加，清洁能源的开发利用已经成为能源转型的重要方向。清洁能源又被称为绿色能源、可再生能源，包括风能、光伏、水力、生物质能、地热、波浪和潮汐能等多种形式。风能的技术与商业开发较为成熟，在全球范围内取得了突飞猛进的发展。经过长期发展，中国陆上风电已经取得巨大进展，装机容量位居全球首位。海上风电仍有巨大发展优势和进步空间，需要在海上风电基础设施方面加快建设。
1 中国开发海上风电的发展优势与现状
风电开发对于实现能源转型与气候变化应对有着重要的意义，较之于陆上风电，海上风电还具有一些特殊的优势。
1.1 中国海上风电的发展优势
一方面，风能是清洁能源，其资源不像煤炭和化石能源那样会产生温室气体排放，造成大气污染;另一方面，风能是可持续利用的能源，不会像化石能源那样以原料开采为基础，一旦开采迨尽，能源也将随之枯竭。所以风电是绿色能源。另外，海上风电的特殊优势还表现在以下方面。
首先比较显著的优势是区位优势。许多能源资源富集地区往往远离主要城市和人口中心，必须采用较长距离的输电解决方案输送电力。例如，中国西北地区陆上风能资源丰富，但是负荷中心在东部沿海地带，若在西北地区采用陆上风电模式发电，再输送到东部沿海地带，将浪费大量的输电电缆，在输送过程中产生大量的电能损耗。因此，虽然将海上风能从海洋发电站传输到陆上电网也是一个有较高技术难度的挑战，但中国海上风能富集的东部海岸带恰好也是中國经济最发达、电力需求最高的地区，近海风力发电的较高成本至少可以部分被沿海地区更昂贵的电力成本所抵消。中国拥有漫长的海岸线，在台湾海峡、东海以及黄海、渤海等海域具有丰富的风能资源，近海风能资源潜力巨大[1]21。东部沿海地区发展海上风电具有明显区位优势。
同时，海上风电还有其他优势。海上风电产能较高，虽然两种形式的风力都是间歇性的，但是离岸风往往比陆上风吹得更强劲、更稳定。海上风电建在海面，不占用土地面积，土地权益纠纷少，且受公众社会因素干扰较少，因邻避效应产生的矛盾少。由于不像陆上风电那样受土地限制，海上风电的传输方式也更加灵活。海上风电以及利用潮汐、波浪、盐度梯度和海洋温度梯度进行发电的新发电形式，可以共同构成海洋新能源发电基地。另外，与其他可再生能源一样，发展海上风电可以减少温室气体排放，改善公共健康，保护自然资源，创造绿色就业机会，减少对进口化石燃料的需求，增强能源安全和国家安全。
1.2 中国海上风电发展仍有巨大空间
风电在全球电力生产结构中的占比正在逐年上升，拥有广阔的发展前景。经过连续多年的高速增长，中国风电装机容量已居世界首位[1]。但是，尽管中国在风电市场上名列前茅，海上风电起步仍然相对较晚。目前，全球海上风电总装机量大部分来自欧洲，装机容量最大的两个国家分别为英国和德国[2]。我国正在大力推动海上风电发展，实现从以陆上风电开发为主向陆上和海上风电全面开发转变。
全球风能理事会的研究报告显示，全球风能发展在近年来一直比较稳定。中国自2000年以来一直领先陆上风电市场，其他如美国、德国、英国、西班牙、丹麦也在风电发展中占据优势，墨西哥与埃及、印度、越南的风电发展也非常迅速。2019年全球风能装机容量为60.4千兆瓦，比2018年增加了19%。全球风能总容量现已超过651千兆瓦，比2018年增长10%。中国和美国是全球最大的陆上风力市场，2019年合计占新增产能的60%以上，如图1所示。
海上风电正在推动全球风力发电方面发挥着越来越重要的作用。2019年，该行业的风力发电装机容量达到创纪录的610万千瓦，占新增装机容量的10%。中国海上风电发展势头强劲，仍有巨大的发展空间。未来要实现气候变化应对《巴黎协定》目标，如果要将全球温升控制在2℃，并进而追求1.5℃的温升控制目标，仍需要大力发展风电，尤其是海上风电。据专家估计，未来十年需要在每年至少安装100千兆瓦的风能，并且在2030年以后每年需要增加到200千兆瓦。
2 提高基础设施建设水平是我国海上风电发展的关键
在中国海上风电发展中，基础设施建设是重点，也是发展的瓶颈。海上风电基础设施建设面临着技术难度大、投资门槛高、环境影响复杂等发展的困难，需要在政策制定中加以研究解决。
2.1 基础设施建设在海上风电发展中的重要性
基础设施建设是海上风电发展的关键，也是风电建设的重要内容。海上风电的基础设施，是指根据海上风电的生产和应用流程，为海上风电发展提供发电、储能、输电等服务的物质工程设施，它是海上风电产业发展的基础物质条件，也是保证海上风电运营的公共服务系统，又被称为硬件设施。
海上风电基础设施建设的重要性表现在以下几个方面。首先，海上风电基础设施是海上风电建设的主要工作，投资规模大，建设周期长。在风电建设中，风能资源是公共产品，因此，风电建设不需要在能源资源上花费像化石能源资源那样大的投入，风电基础设施建设是其投资的主要内容。其次，海上风电基础设施是海上风电建设的基础性工作，是其后运营和维护工作的基础，也是实现发电、储能、并网、输送的关键。基础设施投资建设不足将极大制约海上风电发展。近年来我国海上风电基础设施建设取得了巨大的成绩，但是海上风电基础设施建设是一项庞大的系统工程，相对陆上风电要复杂得多，尤其在基础设施建设方面，在相关的技术进步、资金投入、环境影响等方面需要更多投入。 2.2 海上风电基础设施建设面临的挑战
中国海上风电基础设施建设面临着许多挑战，这些挑战包括技术、投资资金、环境影响等方面。
首先是技术挑战。技术进步是大规模开发利用海上风能的关键。人类将风力作为能源进行使用已经有漫长的历史，直到19世纪末丹麦在电机技术上实现突破，率先发明风力发电机后，风能才得到了更好的利用。在此前，风能利用一直没有较大发展。世界第一座风电机于1891年在丹麦建成，这也是技术突破带来的进步。而且，海上风电基础设施建设较之于陆上风电，技术更为复杂。一方面海上风电站必须稳定在沿海海基上，要应付复杂的海面天气条件，对海上风电站建筑技术有较高要求。我国东南沿海城市的大部分潮间带因其淤泥质滩面的土质较软易沉，增加了建设海上风电站的难度。另外，海上风电工程建设要求的施工条件较高，必须在“无大风、无海浪、无淋雨”条件下作业。按照这个要求，我国东南沿海海上风电场1年的有效施工天数仅为150天左右，这使得海上风电场建设工期较长，维护难度加大。同时，海上风电设备安装和海底电缆的施工难度也远大于陆上风电。现有大型施工船因水深不够不能直接进入，潮间带风电场建设在退潮时需要使用定制的专用施工装备，陆地施工装备无法用于海上风电施工。这都对风电基础施工和安装技术提出了更高要求。另外，海上风电场对风机质量水平要求很高，风机维修也不如陆上方便，自动化要求程度更高，需用专门的海上工程起重船舶将用于安装的吊车运入，因此对电力设备的自动控制技术也有较高要求。所以，海上风电基础设施建设的难度要高于陆上风电，技术含量也高于陆上风电。大力资助海上风电基础设施技术研究，推进技术发展，应是目前发展海上风电政策的重点。
其次是资金挑战。基础设施投资是海上风电投资的主要构成，其成本超过陆上风电成本，据国网能源研究院统计，海上风电平均投资成本约为陆上风电的2.8倍[4]。一方面，风力涡轮机设计必须能够承受强风和海浪的双重环境压力。在将海上风力涡轮机固定在海底需要更长的建设周期，需要更多的资金投入。另一方面，虽然在陆地上建风电站需要土地资源，但是在海上建造风电站和涡轮机明显更为昂贵;海上数里之外的海上风力发电场需要利用更高技术精度的交通工具，其运营和管理成本也超过了陆上风力项目的成本，因此投资资金是海上风电发展的一个巨大挑战。目前全球海上风电市场仍将保持高度集中，预计2024年全球累计装机容量将达到49944兆瓦，其中欧洲约占75%。海上风电市场的重心将从浅水区向深水区域转移，机组容量大型化成发展趋势，因此投资风险也在加大。此外，海上风电的基础设施仍然是一个相对较新的领域，并且目前仍然缺乏在更深的水域和距离海岸更远的海面建造和操作风力涡轮机的经验，这些问题都增加了投资风险，需要从政策上降低风险，增强投资意愿。
再次是环境挑战。海上风电因为有助于减少温室气体排放，因此风电项目具有正面的环境影响，比如可能影响对二氧化碳和其他温室气体排放碳定价的价格信号，从而在地方能源结构考量中，优化能源规划决策的环境成本。但是，海上风电的基础设施，如叶片、涡轮机等装备将可能产生如视觉干扰、噪音污染等环境损害，也可能影响洋流、海底海洋生物、动植物保护。在海上进行基础设施项目施工时，也可能带来泥沙污染。海上风电基础设施建设需要与环境影响相平衡，相关的环境挑战，取决于自然特征、人口密度等因素，通常需要进行环境影响评价，评估海上风电基础设施对海洋生物、野生动物、空气和水质、视觉影响、噪音、文化资源、航行、地质条件的影响。另外，风力涡轮机或风力发电场的建立须遵守环境和规划立法中规定的要求，例如环境影响评估、自然保护和其他利益。
3 海上风电开发挑战应对的政策措施
海上风电基础设施建设面临的这些挑战不仅取决于社会的发展、科学技术的进步，也取决于国家政策和法律框架的激励和规范。在政策上，应进行如下改善。
（1）加强海上风电基础设施建设规划。海上风电开发应基于全面、审慎的规划，这是全球海上风电发展的普遍经验。我国从2009年1月开始启动海上风电规划工作，目前，上海、江苏、山东、河北、广东等地海上风电规划已获得国家批复[5]，但是目前我国海上风电设施规划的基础性工作包括海上风能资源评价、海洋水文测量、海底地质勘察工作还未系统开展，这些工作条件艰苦、周期长，影响了海上风电基础设施包括海上风电场等的工程建设，应该根据海上风电基础设施建设发展要求，完善海上风电基础设施发展规划，促进海上风电场的顺利建设。
（2）强化科技政策支持海上风电基础设施技术研究。科技支持是海上风电开发的关键助力。目前欧洲与英国是海上风电发展最好的地区，有许多经验值得借鉴。欧洲海上风电的研究和发展项目大部分是由专门的科学和技术研究性政府部门预算资助，包括一般框架方案和能源专项方案，针对海上风电研发投入的大量资助可在国家和欧盟层级获得支持。英国利用低碳技术创新资金，发展了海上风能组件技术开发和示范计划;在德国，联邦环境部在海上风能开发过程中也发起并支持了大量的研究项目。2016年11月底，国家能源局《风电发展“十三五”规划》中指出，要不断提高风电设备制造水平和研发能力，2016年12月，国家能源局发布《能源技术创新“十三五”规划》提出，在可再生能源利用领域，研究8兆瓦～10兆瓦陆/海上风电机组关键技术，建立大型风电场群智能控制系统和运行管理体系。我国在海上风电的发展中，仍然要注重研发投入，对海上风电设备研制、离岸变电站、海底电缆输电关键技术，储能装置、智能电网等加大研发力量，健全产业技术标准，并加强知识产权的法律保护。
（3）引入绿色金融，支持海上风电资本切入。绿色金融目前在我国蓬勃发展，研究结果显示，我国已经发展成为全球最大绿色债券发行国，海上风电项目是清洁可再生能源项目，其开发符合绿色金融标准。因此，通过发行绿色债券以及绿色信贷投资资金开发海上风能，具有经济效益和环境效益。目前已經有一批海上风电绿色金融项目获得成功。例如，2019年天津建行与中电建新能源开发有限公司合作开发建设的“中国水电天津南港海上风电场一期工程项目”，在南港工业区内建设18台风电机组，工程装机总规模达90兆瓦，年均上网电量1.7685亿千瓦时，并接入国家电网消纳。除此之外，政策应该加强对风电基础设施产业资助计划，通过适当的电网连接成本分摊方案、低息贷款和担保、税收激励和投资补贴等工具加强产业投入，不断健全海上风电基础设施产业链。
（4）严格进行海上风电项目环境评估，强化海上环境保护。海上风电项目建设工期长，一旦上马，对环境的影响就是持续的长期的。因此海上风电项目应该通过公正和科学的环境影响评估来评价其环境影响，坚决打击先建设后环评的现象，对于没有通过环境影响评价的项目不能上马，或者要在消除负面环境影响后上马。
4 结论
海上风电因其清洁绿色的特点，成为应对气候变化，实现能源清洁低碳转型的重点开发项目。我国经过长期发展，陆上风电发展迅速完善，海上风电仍有巨大发展优势和发展空间。在海上风电发展中，海上风电基础设施建设是重点和关键工作，面临着技术难度高、资金需要大、环境影响深远等发展瓶颈，因此需要在这些方面进行谨慎而长久的政策支持，促进海上风电基础设施建设，实现我国海上风电的长期高效发展。
参考文献
[1] 王国松，高山红，吴彬贵，等.我国近海风能资源分布特征分析[J].海洋科学进展，2014，32（1）：21-29.
[2] 张庆阳，郭家康.世界风能强国发展风电的经验与对策[J].中外能源，2015，25-34。
[3] 全球风能理事会.2018年全球风电发展报告[EB/OL].（2019-04-03）. http：gwec.com.
[4] 冯书桓，王斌，田维珍.海上风电发展趋势与国际标准化现状[J].船舶标准化工程师，2019，20-24.
[5] 易跃春.中国海上风电规划进程介绍及展望[J].电器工业，2013，34-36.
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