撰文 | 吕海洋
「双拉尼娜年」标志着2021年注定会迎来一个寒冷的冬天。
今年入冬以来北半球大部分地区已经经历了几波寒潮，欧洲气象部门预测，意大利、法国、西班牙和德国等国的气温都会处在近年来的低点，未来甚至会出现持续数周的冰雪天气。
在11月初席卷我国北方的暴雪在很多地方甚至百年一遇，内蒙古通辽的库伦旗累计降雪就超过65厘米，暴雪造成交通停运，学校停课，房屋倒塌，家畜冻死，造成的经济损失超过1亿元。
凶猛寒潮之下，本就面临缺煤、缺气、缺电的全球能源市场雪上加霜，能源危机在很多国家成了最大的民生问题。AccuWeather欧洲主管Tyler Roys说：整个欧洲的能源供应正在面临前所未有的压力。
与此同时，在刚刚落幕的联合国气候变化大会（COP26）上，近200个国家签署了《格拉斯哥气候公约》联合公报也制定了分阶段减少使用煤炭等化石燃料的路线图，40多个国家承诺2050年前逐步淘汰煤炭燃烧。
全球性的能源危机与减排环保大趋势，加速了清洁能源市场的扩张与发展。10月26日，国务院印发的《2030年前碳达峰行动方案》明确了大力发展新能源的目标，规划到2030年，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。
「风光无限」在A股能源板块流传已久，而今年以来，海上风电爆发式增长，带动了整个风电行业加速发展，能源市场也增加了一个新词「闻风而动」。在这个凛冽的寒冬中，正有一股温暖的海风扑面而来。
清洁能源新趋势：海风扑面
海上风力资源丰富，发电时长远高于光伏和陆地风电，且巨大的风机不会占用宝贵的土地资源。这些优势使得海上风力发电越来越受重视。
2021年2月25日，根据全球风能理事会（GWEC）发布的最新数据：目前，全球海上风电装机已经超过35GW，几乎是五年前的三倍。英国依然是海上风电装机最多的国家，总装机量超过10GW，中国则超过德国，成为全球海上风电装机第二多的国家。
展开全文就2020年来看，全球海上风电新增装机超过6GW，为历史最高水平。中国连续第三年成为海上风电最大市场，2020年新增海上风电并网容量超过3GW，占到全球增量的一半。欧洲市场保持稳定增长，荷兰以近1.5GW的新增装机排在全球第二位，比利时、英国、德国排在第三到五位。
根据国际能源署预测，全球海上风电市场未来20年预计年增长率13%-15%。其中海上风电产业投资规模有望达到1万亿美元；到2026年底将达到约94GW，在预测期内的复合年增长率为19.2％。
风电安装船
理想很丰满，但海上风电在实际的建设和运维过程中还存在很多挑战。
海上的气候条件复杂，海啸、台风等因素使得海上风电设施的建设运维风险更高，对材料和安装技术均提出了很高的要求。海上风电安装过程与海洋工程技术结合较为紧密，包括海底电缆的铺建、海上风机吊装以及海上风电基建设施搭建等。
要想感受「海风吹拂」首先要在海上树立风车，而作为风电场建设重要基础装备的海上风电安装船，正在全球范围内供不应求。
海上风电场的建设中，无论是风机还是基础的安装都需要有相应能力的运输工具将其运送到风电场址，并配备适合各种安装方法的起重设备和定位设备。
据业界人士表示，全球范围内海上风电项目的大力推进，都面临安装船紧缺的问题。目前，全球在役的海上风电安装船，仅有49艘。据克拉克森分析，到2025年，风力涡轮机安装船的缺口将达到10艘，价值超过20亿美元。
自2001年以来，全球海上风电安装船新船订造量累计达到61艘，年均3～4艘。特别是近十年，年均新船订造量达到5艘。
然而在这些为数不多的安装船中，还有很多船只由于技术更新速度慢而无法「履职」。由于涡轮机越来越庞大，现有船队中的某些安装船已经变得过时。世界上没有足够的涡轮机安装船来安装所有这些项目，尤其是没有足够大的风力涡轮机安装船来安装处理下一代涡轮机。
以Haliade X叶片为例，单个涡轮叶片长351英尺，已经比GE较旧的涡轮机之一的塔架高度还长。因为较高较大的涡轮机可以产生更多的功率，但这也使安装船的可用性面临窘迫。
据ACP称，到目前为止，全球仅有12艘安装船船能够安装Haliade X下一代风力涡轮机。
目前世界各地的海上风电项目开发商，都在争抢这些安装船的使用，海上风电安装船的租金，也已经从原来的400万/月涨到1000万/月以上。甚至在美国近岸的风电项目，安装船的租金已经暴涨到18万美元/天。
此外，海上安装作业还需要打桩船的支持。目前，我国已可以生产140米级打桩船。配备全回转舵桨和侧推辅助定位、DP0动力定位系统的超大型打桩船。动力定位系统（DP0）通过控制全回转舵桨和侧推，设置船舶任意点为中心点，实现船舶原地定位、原地转向、定向航行等功能。
可实现施工区域内船舶自航移泊驻位，船舶安全性和灵活性大大提高。可以大幅度减少施工现场拖轮、锚艇等辅助船舶的使用数量和频率。最大可打桩长118米+水深、重700吨、直径6米的桩基，适应外海恶劣海况下施工要求，用于海上风电高桩承台桩、导管架桩以及大型梁桩基等施工，在无限航区封舱拖航。
该船还设置了船舶综合施工管理系统，可以实现船舶运转状态的自动监测管理和船舶打桩过程的实时记录控制以及全船数据的采集、共享与应用，最终实现智能船舶和数字船舶。
浮式海上风电机
固定式海上风电设施可以安装在最多50米水深处，而浮式海上风电资产从技术上看可以投放在1000米及以上水深处。因此，浮式技术为深海风电选址开辟了非常广泛的空间。
「由陆向海、由浅到深、由固定基础变漂浮式平台将成为海上风电的发展趋势。」据中车永济电机有限公司副总工程师段志强介绍，漂浮式风电发展趋势具体表现为大容量、轻量化、低成本、智能化、高效率、免维护。同时，以风力发电机为载体，利用「人工智能+物联网」的方法，可实现电机数据采集、处理、传输、存储、分析、决策支持全环节应用，将是浮式风电发展的方向。
相比固定式海上风电，漂浮式风电目前尚处于小规模开发阶段，伴随着技术快速成熟和示范项目的不断涌现，下一个十年，有望实现大规模商业化开发。据不完全统计，仅今年，法国就核准了四个漂浮式海上风电项目。龙源电力、上海电气、远景能源、金风科技、明阳智能等国内海上风电龙头企业，也均在进行布局。目前，龙源电力「漂浮式海上风电关键技术研发与示范工程」已完成初步设计，正在进行水池试验。
随着供应链和模块化建造技术的快速发展，浮式海上风电的成本已显著降低。与会专家纷纷表示，事实上，浮式风电能源成本与固定装置生产的电力正趋于一致，未来还将进一步下降。
凭借至少50年的油气开发经验和自筹资金能力，挪威国家能源公司Equinor在浮式风电领域排名第一。过去4年里，Equinor建造的全球首个浮式海上风电场Hywind Scotland在苏格兰彼得黑德海岸成功运行，5台涡轮机总装机容量30MW。该公司还开发了Hywind Tampen浮式风电项目，那里的8台浮式涡轮机可生产88MW电力，供北海Snorre和Gulfaks油田的石油和天然气生产使用。
浮式风电设施建设可能是模块化的，组装作业将在岸上的专业码头进行。风电场将被拖到海上，与现场预装的系泊系统连接。这样可以提供更多空间并降低安装成本，也会使更大型的涡轮机应用成为现实，今后10年内装机容量可能高达20MW。
Cerulean Winds的股东Dan Jackson表示，对于固定式海上风电设施，涡轮机尺寸的急剧扩大可能快要达到实际极限了。
Cerulean Winds正准备在设得兰群岛以西和北海中部的地点安装200台浮式涡轮机。由此生产的3GW电力将用于为英格兰北部、苏格兰东北部和设得兰群岛的石油和天然气资产以及三个陆上氢电厂提供能源，该项目计划于2024 年开始运营。
业内人士普遍认为，随着8-10兆瓦机组逐步成熟、10-18兆瓦样机陆续诞生，大功率浮式机组在降低风场总投资上越来越具有优势，同一海域的几十台漂浮式风机基础可规模化做成标准型式，从而降低开发成本。可以预见，漂浮式风电将成为继风机大型化之后，海上风电的主要降本方式。
智慧风电
深水远海化、机组大型化，对风电机组的研发、制造、安装运维、相关装备制造等环节提出了很高的要求。海上风电远离陆地，故障的维修需要涉及出海作业，运维成本是陆地的2倍以上，且对人工要求很高。
有数据显示，在风电行业中，76%的企业需要降低非计划性年运维成本，60%的企业表示需要降低大部件维修及备件运维成本。这一点在海上风电更加突出，海上风机0&M成本占全生命周期的28%，尤其是面临2022年的平价发展，海上风电运维降本已经迫在眉睫。
风电叶片的检查和维修任务通常由技术人员利用绳索（吊篮）开展工作，通常只能在受限制的天气窗口中开展工作，使用这种方法风机停机时间长，电量损失严重。此外，运维船只的使用费用也会占到海上风电场运营和维护成本的很大一部分。
由此，很多风电场开始提倡智慧风电建设，与互联网、大数据等产业的深度融合成为了新的破局思路。通过数据智能，场侧软硬件具备高稳定、高可靠、自恢复等，持续提供高质量的数据；边缘数据融合，边缘侧具备统一数据平台，提供数据基础；智能分析，提供风电场内的各种分析结果，形成故障预测，诊断，发电量精准评估等高级分析应用；智慧大脑，能提供强大的辅助决策方案，达到一人即工厂的管理模式。
2015年，GE即推出了动态、可以联网，且适应性很强的风电系统——数字化风电场（Digital Wind Farm），结合了世界级的风机和风电行业的数字基础设施。GE声称这一技术可以提高风电场最多达20%的发电量。
国内工业人工智能供应商天泽智云，则在风电运维方面推出了整体解决方案，以工业人工智能平台为依托，衍生出核心部件故障预测与健康管理WindProphet」、风电数字孪生平台等风电运维模块，以及智能运维管理系统OMS，给风场提供来从关键部件的数据采集到故障预警，再到故障消缺的全流程管控，形成风电运维闭环。
除了智慧运维系统，风电行业也在积极研发自动维护设备。创新英国（Innovate UK）资助的一项可以在极端环境下完成多平台检测、维护和维修的项目（MIMRee），可以为海上风电场开发利用自动机器人进行检查和维修的技术。
在这项计划中有一款专门为维护和检查海上风机叶片设计的六足履带爬行机器人名为BladeBUG，它可以通过涡轮机在叶片上行走，并通过「辅助系绳」在海上长时间作业。该机器人利用真空粘合技术，可保持自身稳定性和灵巧性，使步态适应各种叶片曲面。
目前，MIMRee项目汇集来机器人技术、无损检测、人工智能、空间任务规划、海洋和航空工程以及纳米生物技术等领域的专业知识，八个专业领域的合作伙伴将共同致力于MIMRee项目，以各领域现有的创新为研究基础。
压缩输电成本
海上风电主要成本构成可以分成两部分，一个部分是风机，另一个就是输变电接入电网部分，这一方面包括了海上平台、输电海缆、变压器、换流装置等。除海上风机和施工安装等方面外，输变电接入系统总体成本占整体海上风电成本的30%左右，如果海上风电要实现平价的话，需要从输电设备接入系统一起降本。
柔性直流输电正在成为国内中、远海海上风电接入的关键技术。柔性直流输电技术是以全控型电力电子器件、电压源换流器和新型调制技术为突出标志的新一代直流输电技术，能够将多个大型新能源基地接入直流系统，也能够接入常规直流系统，通过改造完成新能源接入，以利用传统的直流系统资产，提升系统效益。
早在2013年，柔性直流输电技术发展就进入起步阶段，在国家「十四五」柔性直流输电重大专项项目中，特变电工首次提出了无闭锁架空柔直技术，研制了世界首套±800千伏/5000兆瓦特高压柔性直流输电换流阀。2020年12月27日，昆柳龙直流工程±800千伏特高压柔性直流输电工程正式投运。截至目前，设备持续稳定运行。
「从储量上来说，初步估计，我国深远海地区风能储量是近海的三倍以上，深远海风电的开发具有非常大的潜力。」某风机制造企业浮式风机研发负责人在接受中国能源报的采访时表示，「在离岸50千米以上的海域，输电成本会因为海缆成本的提高而快速增加，这也是目前我国深远海风电开发的主要挑战之一。」
有测算显示，目前电压等级为220千伏的海缆每千米造价在400万元左右，在离岸70千米以上的海域，海缆在整体海上风电项目中的成本占比可能高达12%左右，远高于近海风场。
除了优化输变电系统外，海上风电制氢也是降低输电成本的路径之一。华创证券在其最新研报中指出，海上风电步入深远海，将未能实现消纳的风力发电量通过电解等方式分解成液态或气态的化学能源来储存，尤其是海上风电制氢，将有望成为海上风电深远海开发的破局关键。
目前海上风电制氢的主要形式一是产生的电量通过海底电缆传送至沿岸的电解槽，将水电解产生的氢气储存并运往各处，二是将风力发电的电能传送至海上油气平台，在油气平台将水电解后利用现有的天然气管道将氢能传送至陆地。
虽然海上风电发电成本预计长期高于陆上风电，但由于海上风电本身具备更高稳定性、更大规模的特性，对于电解水制氢来说是一大优势。对于可再生资源制氢，利用小时数越高，电解槽的产出越稳定，利用率越高，稳定的投资成本则被平摊。
「海风」会吹多久
最新数据显示，今年三季度海上风电新增并网167万千瓦，同比增长227%。截至9月底，全国海上风电累计并网装机达到1319万千瓦，同比增长75.7%。
产业链方面，海上风电投资大致分为主体工程投资(90%)和其他费用(10%)，主体工程投资主要包括：风电机组(含塔筒)、风电机组基础、场内集电线路(阵列电缆)、送出海缆、海上升压站、陆上集控中心组成。
国信证券指出，未来10年在欧洲、中国、美国和日本的带动下，全球海上风电将进入渗透率快速提升的阶段，预计到2025年，海外市场新增海上风电的渗透率高达29%，国内渗透率12%，全球综合渗透率达到17%。
从增速来看，无论是国内还是海外市场，吊装需求快速提升，2022-2025年海外和国内新增装机复合增速将分别达到35%和44%，全球复合增速为38%，全球实现景气度共振。
10月17日，由118个城市与600多家风电企业共同发起的「风电伙伴行动具体方案」发布，根据方案，预计将在十四五期间在全国5000个村安装1万台风机，总装机规模达到50GW；力争在2025年将陆上高、中、低风速地区的度电成本分别降至0.1元、0.2元和0.3元，将近海和深远海风电度电成本分別降至0.4元和0.5元，海上风电力争在2024年全面实现平价。
此外，利用海上风机的稳固性，将牧场平台、休闲垂钓载体、海上救助平台、智能化网箱、贝类筏架、藻类筏架、海珍品礁、集鱼礁、产卵礁等与风机基础相融合，降低牧场运维成本、提高经济生物养殖容量，从而实现海域空间资源的集约高效利用的海洋开发新模式。海上风电+深水网箱养殖+人工鱼礁+旅游开发的现代立体生态型「海洋牧场」目前已经成为现实。