海上风电的机遇与挑战:中西方的不同选择
海上的风持续吹动,成为了丰富的可再生能源。然而,人类在过去一直难以开发出适合的风机来捕捉这些资源。直到漂浮式风机出现,按一项计算,如果将这些风机广泛部署,能产生的电量是全球所有人需求的11倍。虽然这个想法让人难以置信,但已有地方开始尝试。传统的海上风电方式非常直接:只需将风机固定在海底,就完成了。而漂浮式风机则不同,它们是漂浮在海面上。这个“漂”字可不是小事,制作一个模型都面临挑战,泡沫塑料根本无法支撑,稍微一动便会翻倒。支撑这些设备的是重达2000到8000吨的基础结构。目前最流行的设计有Spar式和半潜式结构,全球最大的两个漂浮式风电场——苏格兰的Kincardine和挪威的Hywind Tampen,均采用了这两种结构。
为了保持漂浮,平台内部会留有大量气囊,利用浮力原理。Principle Power公司的工程师Aaron Smith参与了全球首个大型漂浮式风电场的建设。他提到,这些结构内部封闭了大量空气,原理类似于船只——船体和空气排开的水重量更大,从而浮出水面。但使其稳定更具挑战,因为风机的高度达到253米,相当于三座自由女神像叠加,重心异常高,受海面风力和波浪的影响非常容易翻覆。Principle Power采取了三柱结构,柱子的宽度能够调节来增加稳定性,并配备了“整体配平系统”。这一系统可以在不同柱子间转移水,抵消风力造成的巨大扭矩,使平台始终保持垂直。如此一来,无论是50米的巨浪还是飓风,都能从容应对。这个原理可以用矿泉水瓶来解释:空瓶在水中摇摆,加点水和石头后,稳定性大增。
漂浮式风机的结构设计各异,Equinor的Spar系统利用压舱原理;半潜式则依靠宽度和水的浮力;而像张力腿式平台等则通过锚缆将平台固定在海床。海洋深度和强风的分布对风电场的建设至关重要,而传统桩基风机在超过60米的深度时,成本就会急剧增加。国际能源署在2019年的报告指出,这些深水区域的电能潜力巨大,每年可生产33.3万太瓦时电量,相当于2040年全球电力需求的11倍。苏格兰现有的风电场表现优异,能为3.4万户家庭供电,容量因子达到54%,远超2018年全球海上风电的平均值33%。然而,截至2023年,全球的漂浮式风电场合计装机容量仍只有199兆瓦,规模较小,主要集中在欧洲、美国及东亚地区。
相较之下,欧美的风电发展并不乐观。21世纪初,欧洲对风电充满期待,2012年风电供电覆盖了近5000万人,然而近年来形势逆转。德国因煤矿扩建而拆除风电场,法国也有政客呼吁停止补贴拆除风机。日本福岛的教训更是典型,福岛核事故后启动的海上风机项目被视为该地区复兴的象征,尽管投入600亿日元,最终却无法实现商业价值,只能被迫终止,且拆除费用再需50亿日元。此外,设备老化问题开始显现,预计到2023年,欧洲将有超过1.4万个风机叶片报废,而美国也面临210万吨废弃叶片的处理困境,既污染土壤,又需高额成本清理。
与之不同,中国正走一条独特的道路。到2022年,中国风电设备出口已超4万台,出口金额达到90亿元,占全球市场份额的60%以上。截止2022年底,中国的风电装机容量超过3.6亿千瓦,占全球总量的三分之一以上,连续十年保持全球第一的位置。海上风电的发展也在加速,从陆地逐步向蓝色能源转型。尽管漂浮式风电面临诸多挑战,最大的问题仍然是成本,2023年的数据显示,漂浮式发电的成本几乎是桩基风电的两倍。风机和下部结构的成本占了一半,远离岸边的运维费用也较高。
Hayley Farr和其团队研究了89项关于漂浮式风机的环境影响评估,发现大部分影响,如电磁场和鸟类及蝙蝠的撞击风险,与陆上和桩基海上风电相似,主要的区别在于地点和周围物种的差异。此外,漂浮式风机独有的问题是系泊缆绳,可能会缠绕水下生物,并在海床上造成破坏。但好消息是,大多数研究发现,这些结构周围通常会逐步形成新的生态系统。漂浮式风机的真正优势在于施工简便,无需打桩,省去巨型机械和喧闹的施工带来的干扰。漂浮式风机可以在港口组装完成后由船拖到指定位置,立即投入使用。在追求清洁能源的道路上,不论挑战如何,前方的方向是明确的。
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