浮式海上风电助力可再生能源发展

, Chris Palmer

工程（英文） ›› 2024, Vol. 35 ›› Issue (4) : 1 -3.

PDF (895KB)
工程（英文） ›› 2024, Vol. 35 ›› Issue (4) : 1 -3. DOI: 10.1016/j.eng.2024.03.003
新闻热点

浮式海上风电助力可再生能源发展

作者信息 +

Renewable Energy Seeks Boost from Floating Wind Power

Author information +
文章历史 +
PDF (916K)

引用本文

引用格式 ▾
Chris Palmer,Chris Palmer. 浮式海上风电助力可再生能源发展[J]. 工程（英文）, 2024, 35(4): 1-3 DOI:10.1016/j.eng.2024.03.003

登录浏览全文

4963

注册一个新账户 忘记密码

全球最大浮式风电场Hywind Tampen位于挪威海岸外约150 km处——地球上风力最大的地方之一。Hywind Tampen的11台涡轮机，每台重8800 t，高190 m，大约三分之一的高度位于吃水线以下，可产生94.6 MW的电力（图1）[1]。每个叶片长80 m，转速为290 km∙h-1，但由于其尺寸，叶片每分钟只能完整旋转大约10~15次。一次旋转即可提供足够普通家庭一天的电力。然而，2023年8月全面投入运营的Hywind Tampen将不会为房屋供电。取而代之的是，由能源公司Equinor（挪威斯塔万格）建造的装置将为北海附近五个海上石油平台提供38%的年消耗电力[1]。
虽然Hywind Tampen只是世界上第四个投入使用的商业深水海上项目，但风力发电行业正在争先恐后地制造和部署更多、更大的涡轮机。但供应链问题、加息和基础设施缺乏已经推迟或破坏了最近许多价值数十亿美元的项目。
自丹麦在丹麦洛兰岛外2 km处4 m深的水中建造世界上第一个海上风电场Vindeby以来，已经过去了三十多年。从那时起，大多数海上风电场均建于丹麦、英国、德国和中国等拥有大片浅海岸线的国家附近[2]。将涡轮机安装在浮动平台上，使开发商可以利用通常在远离海岸的海洋上发现的强风，并在英国苏格兰、爱尔兰、美国、智利、中国台湾地区、日本和韩国等沿海大陆架迅速下降的地区打开市场。
浮式风力涡轮机“为你提供了更多可供选择的位置，”挪威卑尔根市卑尔根大学地球物理研究所名誉教授、Hywind浮式涡轮机的共同设计师Finn Gunnar Nielsen说。他指出，将涡轮机移到远离海岸的地方也避免了海上风电场的一些常见缺点，例如，对沿海景观、环境和渔业的影响。Nielsen说：“全球超过三分之二的海上风电资源位于更深的水域，只能通过浮式涡轮机获取。这个领域有很大的增长空间。”
总体而言，海上风电增长显著。虽然海上风电仍占全球发电量的不到1%，但在过去十年中，海上风电以每年近30%的速度增长，并已成为全球发电的主要因素[3]，在此期间吸引了260亿美元的投资[4]。
根据2019年国际能源署的一份报告[5]，欧盟（EU）到2050年实现碳中和的最可能途径之一，包括到2040年使海上风电成为该地区电力组合中最重要的部分。该报告还估计，如果浮式风电技术在世界范围内被广泛采用，那么到2040年，该行业理论上可以提供相当于全球估计电力需求11倍的电力[5]。
美国政府呼吁，到2035年，底部固定涡轮机每年发电量达到30 GW，浮式海上涡轮机每年发电量达到15 GW [6]。美国威斯康星大学麦迪逊分校威斯康星能源研究所公共事务教授Gregory Nemet说：“美国政府以及欧盟和其他地方的领导人认识到，海上风电是实现我们全球气候和能源目标的关键部分。”“现在全世界都在努力利用海上风电。”
然而，使用浮式风力涡轮机发挥这种潜能涉及大量的工程壮举。虽然数量不多，但Hywind Tampen和位于葡萄牙以及英国苏格兰附近的其他三个浮式风电场的规模却很大。他们每台巨型涡轮机的转子都比吉萨大金字塔还高，产生的电力几乎是1991年在退役后的Vindeby部署的第一批海上风力涡轮机的20倍。
Hywind Tampen的涡轮机在深水港码头组装。然后，船只将涡轮机拖到海上，巨大的起重机将其架在巨大的混凝土支柱上。重量足以固定战舰的锁链将它们固定在确定的位置，锁链末端通过“吸力锚”连接到海底，这些吸力锚钻入宽管内的沙子中，然后在管子从海底撤出时展开。需要一个由19个锚点组成的网络才能固定住11个风力涡轮机[2]。虽然Hywind Tampen的海洋深度在260~300 m之间，但浮式涡轮机位置的理论最大值超过1000 m [7]。根据Nlielson的说法，深度取决于系泊系统的位置和成本效益。
与Equinor的Hywind Scotland浮式海上风电场（于2017年投入使用，是当时世界上第一个浮式海上风电场）相比，制造改进将Hywind Tampen的每兆瓦初始估计成本降低了三分之一[8]。但Hywind Tampen最终花费了2亿美元，而最初估计的成本为5亿美元。根据Equinor的说法，通货膨胀和供应链中断导致成本增加，尤其是钢铁供应链中断，2019年的新冠病毒肺炎疫情（COVID-19）和乌克兰战争加剧了这种情况[2]。
其他海上风电项目也面临着类似的财务阻力。人们对另一个正在建设中的Equinor项目的财务可行性表示怀疑，该项目有望获得全球最大的底部固定海上风电场称号，Dogger Bank风电场位于北海英格兰东北海岸外约130 km处[9]。独立研究表明，由于政府保证的电价低于预期，该项目可能无法盈利[10]。
2023年年底，丹麦最大的能源生产商Orsted（丹麦弗雷德里卡）的领导层警告称，供应链问题、高利率和低于预期的税收优惠可能迫使该公司注销与美国东海岸的三个巨型海上风电设施相关的高达21.2亿美元的损失[11]。据估计，这些装置的初始总成本为100亿美元[11]。
2022年，全球最大海上风力涡轮机制造商西门子Siemens可再生能源公司（西班牙马德里）亏损9.65亿美元，而目前作为全球最大商业部署风力涡轮机13 MW Haliade-X的制造商通用电气（美国马萨诸塞州波士顿）[9]，表示其可再生能源部门可能在2022年损失20亿美元[12]。“在短期内，高利率环境是一个巨大的挑战，使许多项目被搁置，”Nemet说。“但是，我估计这种中断不会持续很长时间，因为支持这些项目的优势实在是太大了。”
美国缅因州奥罗诺市缅因大学结构工程教授Habib Dagher也对最近的挫折持乐观态度。“随着我们试图快速发展该行业，全球对涡轮机、叶片、塔架、浮动船体等需求巨大，”他说。“而且供应链还没有准备好达到这种规模。不过，会达到的。这只是时间问题。”
目前，中国公司正在满足大部分需求，这主要是因为他们能够以比西方同行更便宜的价格制造涡轮机[12]。除了建立自己的大型海上风电产业外，中国还生产了70%西方使用的涡轮机组件[12]，占2022年全球64 GW海上风电装机容量的近一半[13]。
当专家们研究阻碍风力涡轮机供应链平稳运行的因素时，他们通常指出不断增加涡轮机尺寸的持续驱动力[9]。虽然每个Hywind Tampen装置的输出功率为8.6 MW，但已经有五家公司开发出输出功率在14~16 MW的涡轮机原型，而通用电气及中国制造商中国船舶重工集团海装风电股份有限公司（北京）和明阳风电（广东）都在开发18 MW涡轮机[14]。据报道，明阳风电正在研究22 MW的设计[15]。
“业界已经看到，随着涡轮机变得越来越大，产生的能源成本就会降低，”Dagher说，他领导的团队开发了美国第一台并网海上风力涡轮机。“例如，如果你希望生产15 MW的电力，你可以制造、拖曳、停泊和维护15台1 MW的机组。另一方面，如果你有一个15 MW的涡轮机，那么你的船体和系泊缆绳就会减少，而且只需一次海上安装，从而使运营和维护成本降低。”
Nielson建议，稳定供应链的一种方法是让行业领导者就一套制造标准达成一致。“如果该行业能够将涡轮机尺寸保持五年或十年不变，他们就可以更有效地制造涡轮机，”他说。有了这样的协议，各公司就不需要每隔几年就增加其安装设备的尺寸。例如，许多海上风电场运营商已经感受到了全球缺乏足够大的安装船来运输10 MW的涡轮机和足够坚固的起重机来架设涡轮机的影响。在欧洲和其他地区，也很少有足够大的港口可以容纳足够大的安装船[16]。然而，标准化确实有缺点。“当然，标准化的问题在于，你也可能抑制创新，”Nielson说。
不过最终，制造商将达到他们希望建造的规模极限。Nielson说，叶片重量（以及由此产生的成本）随着直径增加而增加的速度，快于所能产生的功率的增长速度。“你会期望这两条曲线在某个时候相交，你应该就此打住，”他说。
行业不断尝试更大规模的涡轮机，同时也在探索新的风力发电设计[6]。其中包括将涡轮机朝向结构中心的半潜式平台，以减轻平台重量，从而降低平台成本[6]；通过一种称为涡流脱落的风力现象使无叶片圆柱体来回摆动来发电[9,17]；垂直轴风力涡轮机[17]；以及将风力驱动风筝上的力传递到地面站发电机的装置[9,17‒19]。
制造商也在探索在单个塔上添加两个或多个转子。这种多旋翼设计可以通过利用紧密间隔的涡轮机的尾流涡流相互作用来产生更大的平均功率。较小的涡轮机也比较大的机组更易于安装、维护和运输。初创公司Wind Catching Systems（挪威奥斯陆）在通用汽车（美国密歇根州底特律）的帮助下，使用多旋翼概念开发了126个旋翼浮动设计（图2）[6]。
最终，浮式风力发电可能会完全不受海底的束缚。现在，全球多个团队正在开发风力船，这一概念于1972年被首次提出[6]。这些无绳的自走式浮动平台将捕获风力，使用捕获的风力制造氢气，并将燃料储存起来以输送到岸上。无绳设计意味着风力船不会受到深度限制，因此可以迁移到风速最高的海洋区域。该设计消除了对浮动海上平台使用的电力电缆和系泊链的需求，还可以避免一些关于海上风电对渔业和野生动物的潜在影响的担忧[6]。无论设计如何，“最终设置的深水风力发电可能比底部固定风力发电更多，”Dagher说。“这需要一些时间，但浮式风电将变得更主流。”

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用
[1]

Qaiser MT, Ejaz J, Osen O, Hasan A. Digital twin-driven energy modeling of Hywind Tampen floating wind farm. Energy Rep 2023;9():284‒9. . 10.1016/j.egyr.2023.09.023
[2]

Booth W. Most of the world’s wind is over deep water. Floating machines can harvest it [Internet]. Washington, DC: The Washington Post; 2023 Sep 26 [cited 2024 Jan 3]. Available from:

[3]

Reed S. A new weapon against climate change may float [Internet]. New York City: The New York Times; 2020 Jun 4 [cited 2024 Jan 3]. Available from:

[4]

Reed S. A monster wind turbine is upending an industry [Internet]. New York City: The New York Times; 2021 Jan 1 [cited 2024 Jan 3]. Available from:

[5]

International Energy Agency. Offshore wind outlook 2019. Paris: International Energy Agency; 2019.
[6]

Fairley P. Buoyant behemoths: the global race is on to tap potent winds far offshore. IEEE Spectrum 2023;60(11):30‒7. . 10.1109/mspec.2023.10309275
[7]

Energy Sector Management Assistance Program. Going global: expanding offshore wind to emerging markets. Washington, DC: World Bank; 2019. . 10.1596/32801
[8]

The world’s largest floating offshore wind farm officially opened [Internet]. Stavanger: Equinor; 2023 Aug 23 [cited 2024 Jan 3]. Available from:

[9]

O’Neill S. Giant turbines poised to claim offshore wind. Engineering 2021;7(7):894‒6. . 10.1016/j.eng.2021.06.003
[10]

Helgesen OK, Aanestad M, Holter M. World’s largest offshore wind farm ‘unprofitable’ for Equinor, say government-funded researchers [Internet]. London: Upstream; 2021 Nov 24 [cited 2024 Jan 3]. Available from:

[11]

Reed S. Wind energy giant Orsted says delays in U.S. may cost $2 billion [Internet]. New York City: The New York Times; 2023 Aug 30 [cited 2024 Jan 3]. Available from:

[12]

Reed S. Europe’s wind industry is stumbling when it’s needed most [Internet]. New York City: The New York Times; 2022 Nov 22 [cited 2024 Jan 3]. Available from:

[13]

Elton C. World record: wind turbine generates enough energy in a day to power 170,000 homes [Internet]. Brussels: Euronews; 2023 Sep 7 [cited 2024 Jan 3]. Available from:

[14]

Lewis M. GE is developing a massive 18 MW offshore wind turbine [Internet]. Croton: Electrek; 2023 Mar 13 [cited 2024 Jan 3]. Available from:

[15]

Durakovic A. 22 MW offshore wind turbine in the works for 2024/25 [Internet]. Schiedam: Navingo; 2023 Oct 23 [cited 2024 Jan 3]. Available from:

[16]

Buxbaum P. Offshore wind installation vessels—a coming shortage. Am J Transp 2023;753:4.
[17]

Frangoul A. As the wind power industry looks to super-sized turbines, disruptors are betting on radical designs [Internet]. Englewood Cliffs: CNBC; 2023 May 16 [cited 2024 Jan 3]. Available from:

[18]

Weiss P. Airborne wind energy prepares for take off. Engineering 2020;6(2):107‒9. . 10.1016/j.eng.2019.12.002
[19]

Weiss P. After Highflyer Crashes, Airborne Wind Energy Regroups. Engineering 2021;7(3):277‒9. . 10.1016/j.eng.2021.01.004
AI Summary AI Mindmap
PDF (895KB)

3631

访问

0

被引

详细
导航
相关文章

AI思维导图

/

〈 〉