海洋开启了——漂浮的未来之风

14.06.2021 /Erlend Gjelstad雅各布森尼古拉·艾恩赛德

目前,风能行业主要包括两大类——陆上风能和海底固定海风。海上浮式风力发电(FOW)这一新兴类别已进入快速增长和投资阶段,有望成为风力发电的第三大支柱。

想象一下在海上的瞬间,在你能想象到的最猛烈的风暴中——雷鸣般的海浪碰撞着翻滚的海水泡沫,冰雨的暴风,当然,还有呼啸的大风拍打着海面。现在想象一下,在这场风暴的中心,一个有埃菲尔铁塔那么高的风力涡轮机,在海浪上上下浮动,顽强地捕捉风的能量,同时承受着大自然愤怒的全部力量。

你可能会觉得这听起来有点牵强附会,但近年来,技术的进步已经达到了一个点,深水漂浮海风(FOW)不仅正在进行激烈的研究和开发,而且即将成为主流。

其吸引力显而易见。安装在浮动子结构上的涡轮机可以安装在水下800米深的地方,释放约80%的全球海上风力资源,这些资源超出了海底固定海上风力的覆盖范围。随着对陆上和近岸涡轮机的视觉和噪声污染的强烈反对,FOW有潜力成为风能产业和全球绿色转型的一个组成部分。

涡轮机在偏远的海洋地区为我们发电似乎是显而易见的,但人们仍然担心,尤其是成本效益比。FOW发电的成本可能是陆地涡轮机发电成本的三倍,这使得人们呼吁关注现有技术以实现减排目标。其他问题与维护需求和在腐蚀性海洋环境中的使用寿命有关。

尽管如此,该技术仍在不断成熟,所提出的挑战也在不断得到解决。FOW似乎遵循了陆上和底部固定风的趋势,随着新创新推动效率提高,价格下跌。除了可以获得更强大和持续的风力,浮动系统可以利用现有的风力供应链,并支持比底部固定设计更大的涡轮机。更大的涡轮机意味着更多的能源。

挪威COWI海洋与基金会项目副主任Erlend Gjelstad Jakobsen表示:“人们普遍认为,该技术将在2030年成熟,届时,FOW总装机容量预计将占总底部固定容量的10%左右。由于80%的可用风力资源都不在底固定涡轮机的范围内,FOW有潜力最终超越底固定风力成为占主导地位的海上技术。
由于80%的可用风力资源都不在底固定涡轮机的范围内,FOW有潜力最终超越底固定风力成为占主导地位的海上技术。
Erlend Gjelstad雅各布森

国际能源署(International Energy Agency)在2019年的一份报告中表示,包括漂浮风在内的海上风力发电能力是世界需求的11倍,到2040年可能吸引约1万亿美元的投资。让我们更深入地了解这项技术的现状和发展方向。

漂浮的风不可避免的前进

近年来,海底固定的海上风力开发出现了激增,雄心勃勃的项目如丹麦能源岛(130亿瓦)继续快速发展。然而,60米的深度上限限制了那些幸运的海床相对较浅的地区的开发。事实上,71%的地球表面被超过200米深的水所覆盖。对于那些被陡降的大陆架包围的国家来说,海洋学研究所提供了第一个利用海洋资源生产清洁能源的真正机会。

与现有的风能技术相比,FOW的一个关键优势是它远离大多数人类活动。它不占用可以用于生产的土地,将涡轮机移离沿海水域可以创造更开放和更少危险的航运渠道。这对生态也有好处——漂浮的涡轮机可以更容易地避开候鸟的飞行路线和繁殖地和觅食地,从而减少鸟类和蝙蝠的死亡。

除了明显的利用发电,可用风力资源的绝对数量在深水FOW可能扮演的角色在绿色转型:驱动电解生产清洁的氢燃料,淡化海水,和脱碳能源密集型提取行业,等等。

海上漂浮风信息图

这对港口和海洋基础设施产业来说是一个福音电脑版伟德

FOW的扩张预计将为港口和海洋基础设施产业带来福音。电脑版伟德大多数浮式设计都需要专门的港口设施来建造、维护和安装,而沿海地区的经济衰退可以将其基础设施改造为FOW重点设施。电脑版伟德与海底固定系统相比,浮动系统需要的海上作业要少得多,而且能够在岸上或安全的港口进行服务是一大优势。承载涡轮机的浮力结构被设计成能够承受广阔海洋的强大力量,其寿命相当长,约为20年。

为了充分发挥FOW的潜力,需要对输电基础设施进行大量投资。电脑版伟德Erlend Gjelstad Jakobsen解释说:“长距离传输能量需要坚固、动态的海底电缆,设计得能够承受终生不断的移动。由于浮动风场通常比底部固定风场离岸更远,因此需要使用高达220千伏电压的动态电缆。此外,FOW动态电缆的需求超过了目前海上钻机行业的使用需求,这给开发商带来了另一个挑战。”浮动涡轮机还可以连接到海上变电站或能源岛,从那里电力可以进一步分配或转换为绿色燃料。

FOW的经济性是建筑和安装成本之间的相互作用,由更有活力的条件下增加的电力生产抵消。降低FOW系统的成本需要良好的老式工业化,以实现规模经济。浮动子结构被认为具有最大的降低成本潜力,FOW的一个好处是,随着涡轮机尺寸的增加,子结构的成本不会线性增加。浮动涡轮机的尺寸可能是底部固定涡轮机的两倍,产生两倍的电力,而且它的基础费用也不会有太大的差别,如果它是一半大小的话。

正如Erlend Gjelstad Jakobsen所解释的那样,“海上风电面临的主要挑战是价格平价,即让纳税人满意的能源均等化成本(LCoE)。既然漂浮技术已经被证明是可行的,那么就需要减少LCoE,就像底部固定风一样。对于COWI,我们的市场策略是提供非专利解决方案,这使我们能够根据供应链中的限制和机会调整设计。这与我们在底层固定市场所采取的方法相同,这对于促进连续生产和降低成本至关重要。因为每个项目都是独特的,所以我们有一种心态,允许我们的承包商和开发商指定他们想要如何制造和安装他们的系统,我们相应地调整设计。”

能够承受地球上最恶劣的环境

FOW的四种主要类型:(L-R)浮筒/驳船,半潜式,桅杆浮标和张力腿平台

FOW的四种主要类型:(L-R)浮筒/驳船,半潜式,桅杆浮标和张力腿平台

FOW与其他风能技术的主要区别在于浮力子结构。四种主要的设计被称为类型学,分别是:

  • 单点锚泊(桅杆)浮标系统。
  • 张力腿平台(TLP)系统。
  • 半潜式系统。
  • 浮筒/驳船(P / B)系统。

每种类型都有优缺点。最合适的设计总是取决于场地的条件和项目的要求。

单点锚泊(桅杆)浮标系统:

圆石浮标子结构具有最简单的形状,是最容易和最便宜的生产之一。一个长圆柱形吃水,延伸到水面以下80米,通过加重来保持较低的重心。大吃水使圆木浮标最适合于非常深的水域,并提供高阻力的波的俯仰和横摇力。圆木浮标由悬链线和拖曳预埋或吸力锚系泊。它们是最复杂的安装系统之一,因为在涡轮机可以由起重机驳船安装到顶部之前,必须将下部结构拖到指定位置并沉入水中。

张力腿平台系统:

张力腿平台的下部结构已经广泛用于海上石油和天然气平台,最适合70至200米深的水域。它们的特点是一个淹没在水下的中心柱,通过绷紧的垂直肌腱固定在海床上,这限制了俯仰和滚动时的运动。垂直系泊需要比悬链线更高的支撑力,因此安装成本更高,而且对极端天气、地震和土壤液化更敏感。另一方面,垂直系泊的占地面积比其他类型要小得多,这在鲸鱼迁徙路线等敏感生态区域具有优势。

半潜式系统:

半潜式地下结构由大型柱状管组成,相互连接,部分淹没。一根柱子上可能有一个涡轮机,所有的柱子上都可能有涡轮机,或者涡轮机可以用支架固定在中间。半潜式船采用悬链链系泊和拖曳式预埋锚,非常适合大多数水深。与P/B系统一起,它们可以被完整地拖到现场,而且是最容易安装的,只需要拖船和锚船。

浮筒/驳船系统:

P/B系统由钢或混凝土船体组成,通过悬链线锚定在海床上。这些浮筒船体可以携带多个涡轮机,通过分散的浮力和较大的加权水线面积保持稳定。P/B设计的一个缺点是它对波浪翻滚和俯仰运动的敏感性,使它们更适合平静的水域。

油气行业越来越注重现场安装的便利性,能够完整漂浮出来并与海底电缆连接的设计被视为具有固有优势。半潜式潜艇是最容易建造的,目前也受到了最多的关注,但任何给定项目的最佳设计总是取决于位置。

我们今天在哪里?我们是如何走到这一步的?

大型浮动风力涡轮机的想法是由马萨诸塞州大学的William Heronemus教授在1972年提出的,但这个话题在20世纪90年代首次出现在主流研究团体的雷达上。直到2007年,世界上第一个FOW涡轮机才投入使用,但从那时起,部署和进步就像滚雪球一样开始。

以下是目前为止在FOW时间表上的一些关键时刻:

2007年12月:世界上第一个FOW涡轮,一个TLP,部署在距意大利Apulia海岸21公里的水下113米。该涡轮机收集了风力和海况的数据,并于2008年底退役。

2009年9月:在挪威Karmøy西南10公里处安装了首台大容量FOW涡轮机,这是一个名为Hywind的桅杆浮标结构。设计包括一个120米高的涡轮机,容量为2.3兆瓦,位于220米的深度。2010年,Hywind在11米巨浪中安然无恙,到2016年,它已经产生了50千瓦时的电力。

2011年9月:第二个电网连接全尺寸涡轮机,半潜式,安装在葡萄牙,在5年内产生17千瓦时的电力。它于2016年退役。

2013年11月:日本启动了福岛FOW农场示范项目,在半潜式结构上安装了三个涡轮机。这个项目达到了12人的能力预计将于2021年退役。

2017年10月:当Hywind苏格兰农场在距阿伯丁郡Peterhead 29公里处安装时,它成为世界上第一个投入运营的FOW商业农场。它的特点是5个6兆瓦的涡轮机在桅杆浮标下部结构。

2017年10月:在法国海岸附近,一艘驳船下部结构上安装了一台发电能力为2mw的涡轮机。

2020年7月:一个三台涡轮机,25兆瓦的FOW农场是世界上第一个半潜水农场,安装在葡萄牙海岸,每年产生的能源足以供应6万客户。

引领市场的竞争正在升温

随着技术不断走向成熟,2020年的特征将是大量雄心勃勃的FOW新项目。通过解决漂浮风的具体挑战,提前行动的国家和公司将从出口他们的技术、专业知识和关键知识中获得最大收益。目前,欧洲处于领先地位,但亚洲的计划也同样雄心勃勃,世界上很少有沿海地区在一定规模上进行FOW投资是不值得的。

欧洲现有和计划中的FOW项目和示范

目前和计划在亚洲的FOW项目和示范

在欧洲和亚洲现有和计划的FOW项目和示范。

未来几年计划的一些值得注意的发展是:

2022:继苏格兰的Hywind成功之后,88兆瓦的Hywind Tampen农场也将安装在挪威。该农场将由11个涡轮机组成,安装在圆木浮标的基座上。

2023:在法国,24兆瓦的EolMed项目将在驳船底座上安装3台涡轮机,并将安装在地中海。

2023:韩国首个浮式风力发电项目将开工建设,初始容量为500兆瓦。这将最终发展成5个项目,产能为2千兆瓦。

2020年代中期:在美国,150兆瓦的红木海岸项目正在规划中。它将采用半潜式结构,位于加州洪堡湾海岸。

众所周知,COWI将风能视为国际业务重点,并认识到在浮动风电市场中占据领先地位的机会之窗。该公司目前参与了欧洲和北美的商业项目,并正在投资几个研究和开发项目,与关键的行业参与者一起,以改善涡轮机供应商和子结构设计师之间的接口,并开发一个更有效的综合负荷分析方法。

Erlend Gjelstad Jakobsen表示:“对COWI来说,漂浮风的崛起是令人兴奋的,因为我们已经证明自己是风能和海洋工程市场上极具竞争力的全面服务供应商。我们在陆上和底部固定项目中磨练出来的许多技能是可以转移的,这些不同点为我们提供了一个新的工程领域。我们的许多主要客户都参与了FOW的开发和试验,我们在许多重要的新兴市场都有强大的本地存在。”

我们在陆上和底部固定项目中磨练出来的许多技能是可以转移的,这些不同点为我们提供了一个新的工程领域。
Erlend Gjelstad雅各布森

COWI北美地区能源与海洋高级副总裁Ron Heffron进一步表示:“在COWI,我们的能力将为我们进入这个市场提供良好的服务,但就像我们在海底固定的海上风力基础上的工作一样,我们不认可特定的类型。我们倾向于设计最能满足场地和开发商独特需求的系统,考虑环境因素、当地内容要求、水深等。与其他风能技术一样,我们的角色是独立的顾问,能够处理所有技术。”

随着投资和补贴的增加,政府行动计划的巩固,以及错过第一波海上风力发电的地区抓住了这个新的机会,很难想象FOW在全球的推广会在短期内放缓。

当我们超越化石燃料的时代,转而利用地球的自然力量时,有必要反思一下漂浮风力涡轮机的想法曾经是多么荒谬。这恰恰表明,当好奇心、决心、共同创造和技术发生碰撞时,即使是最牵强的想法也能实现。就像埃菲尔铁塔大小的风力涡轮机的海洋,漂浮在深海中,不受海浪的伤害,也不被风吹弯。

5主要外卖:

  • 浮式海上风力涡轮机可安装在水下800米深的地方,估计可获得全球80%的海上风力资源。
  • 国际能源机构2019年的一份报告称,海上风能,包括漂浮风,有潜力产生比世界需求多11倍的电力。
  • 除了发电,浮动风还有潜力在绿色转型中发挥许多作用,包括生产清洁的氢燃料、海水淡化和脱碳工业。
  • FOW与其他风能技术的主要区别在于浮力子结构。主要有四种类型:柱形浮筒、张力腿平台、半潜式浮筒/驳船。
  • 大型浮式风力涡轮机的想法最早是在1972年提出的,但这个话题在20世纪90年代开始被广泛研究。2007年,世界上第一台FOW涡轮机投入使用。

满足专家

对我来说,重要的是我的工作有意义。我很荣幸能在这样一个充满活力的时代成为一名工程师,参与一个正在迅速发展的新行业的冒险。漂浮的风见证了巨大的技术进步,这意味着我们这些在实地工作的人可以尝试各种各样的角色,应对新的技术挑战。总而言之,每一个项目都要求很高,而且具有职业挑战性,我们也学到了很多。我的职业生涯是从海上漂浮结构开始的,所以对我来说,这是一个很好的机会,利用这一能力帮助我向绿色能源过渡。

取得了联系

COWI员工Erlend Gjelstad Jakobsen

Erlend Gjelstad雅各布森
项目副主管
挪威海事和基金会

电话:+47 975 37 070