一、需求潛力:深藍(lán)賦能,漂浮式風(fēng)電如日方升
(一)中歐引領(lǐng)增長(zhǎng),全球海風(fēng)需求景氣共振
海上風(fēng)電是未來(lái)全球范圍內(nèi)度電成本最低的清潔能源之一。近幾年海上風(fēng)電降本迅速, 考慮到能源成本最終是電源+輸配電雙技術(shù)成本的競(jìng)爭(zhēng),而全球主要的發(fā)達(dá)城市、用電負(fù) 荷集中在沿海地區(qū),全球海上風(fēng)電發(fā)展?jié)摿薮蟆:oL(fēng)開(kāi)發(fā)主要集中在中國(guó)和歐洲地區(qū)。受益于能源清潔化訴求和風(fēng)資源稟賦,歐洲一直 是海上風(fēng)電開(kāi)發(fā)的引領(lǐng)者。而中國(guó)受益于國(guó)家補(bǔ)貼政策支持和社會(huì)用電需求上升,自“十 三五”起大力推動(dòng)海上風(fēng)電發(fā)展,到 2021 年已成為全球最大海上風(fēng)電裝機(jī)國(guó)。據(jù) GWEC 統(tǒng)計(jì),2016-2021 年,中國(guó)及歐洲地區(qū)新增海風(fēng)裝機(jī)占比超 95%,且中國(guó)逐漸占據(jù)主要新增市場(chǎng)。截至 2021 年底,全球海風(fēng)累計(jì)裝機(jī)量達(dá) 55.9GW,中國(guó)、英國(guó)、德國(guó)位居前三, 占比分別為 47%、22%、14%。
未來(lái)全球海風(fēng)核心引擎仍為中國(guó)市場(chǎng)。國(guó)內(nèi)多省市已發(fā)布“十四五”能源發(fā)展相關(guān)規(guī)劃, 根據(jù)各省規(guī)劃中對(duì)海風(fēng)新增裝機(jī)的目標(biāo),我們預(yù)計(jì) 2022-2025 年,中國(guó)分別新增海風(fēng)裝 機(jī) 4、10、15、20GW,其中廣東、山東兩地為海風(fēng)大省,分別新增裝機(jī) 12、8GW;到 2025 年末,預(yù)計(jì)中國(guó)海風(fēng)累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)量將達(dá) 75.5GW,CAGR30%。
歐洲海風(fēng)市場(chǎng)有望迎來(lái)爆發(fā)。據(jù) GWEC 統(tǒng)計(jì),截至 2021 年底,歐洲海風(fēng)累計(jì)裝機(jī)量達(dá) 28.3GW,占比 50.6%,其中英國(guó)、德國(guó)、荷蘭、丹麥、比利時(shí)位居前五,總占比達(dá) 98.8%。根據(jù)各國(guó)裝機(jī)規(guī)劃,到 2030 年,英國(guó)等八國(guó)規(guī)劃實(shí)現(xiàn)海風(fēng)裝機(jī) 135.6GW;從更遠(yuǎn)期裝機(jī) 目標(biāo)來(lái)看,法國(guó)、挪威、波蘭為新興市場(chǎng),到 2040 年挪威、波蘭將分別新增海風(fēng)裝機(jī) 30、8-11GW;到 2050 年法國(guó)將新增海風(fēng)裝機(jī) 40GW。日韓、美國(guó)有望在海風(fēng)市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)較大突破。據(jù) GWEC 統(tǒng)計(jì),截至 2021 年底,除中國(guó)、 歐洲市場(chǎng)外,其余地區(qū)海風(fēng)累計(jì)裝機(jī)量?jī)H 1.7GW,占比 3%。近幾年,除中國(guó)和歐洲外, 海外其他國(guó)家亦開(kāi)始重視海風(fēng)規(guī)劃。韓國(guó)、日本等國(guó)家先后設(shè)定 2030 年海風(fēng)裝機(jī)目標(biāo), 據(jù)統(tǒng)計(jì),美國(guó)、日本、韓國(guó)、越南、印度、菲律賓六國(guó)規(guī)劃總量達(dá) 90.6-91.8GW,有望 實(shí)現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。
全球海風(fēng)裝機(jī)有望實(shí)現(xiàn)高增長(zhǎng)。受益于多國(guó)海風(fēng)規(guī)劃布局,GWEC 預(yù)測(cè) 2022-2030 年海 外海風(fēng)新增裝機(jī)將由5.1GW增長(zhǎng)至37.6GW,CAGR 28.5%;中國(guó)海風(fēng)市場(chǎng)經(jīng)歷2021年“搶 裝潮”后短暫回調(diào),隨后呈現(xiàn)逐年增長(zhǎng)趨勢(shì),2022-2030 年海風(fēng)新增裝機(jī)將由 4.1GW 增長(zhǎng) 至 41.5GW,CAGR 為 33.6%。總體來(lái)看,預(yù)計(jì) 2022-2030 年全球海風(fēng)新增裝機(jī)量達(dá) 377.5GW,CAGR 為 31%,其中中國(guó)、歐洲市場(chǎng)為主要增量市場(chǎng),占比分別為 54.6%、 29.5%。
(二)深遠(yuǎn)海資源稟賦優(yōu)越,漂浮式發(fā)展前景廣闊
近海資源稀缺,推動(dòng)海風(fēng)步入“深藍(lán)”。據(jù) ESMAP 測(cè)算,美國(guó)、中國(guó)、日本等海風(fēng)資源 儲(chǔ)量分別可達(dá) 5259/2982/1897GW,其中深海(>50m)占比達(dá) 64%。而由于交通航道、 漁業(yè)養(yǎng)殖、軍事管控等用海沖突,近海實(shí)際可開(kāi)發(fā)資源量遠(yuǎn)小于測(cè)算值。目前全球已投 運(yùn)海風(fēng)項(xiàng)目仍主要集中于離岸距離小于 40m、水深小于 40m 的近岸淺海區(qū)域。未來(lái)隨著 近海資源愈發(fā)緊張,用海沖突加劇,深遠(yuǎn)海開(kāi)發(fā)將成為必然趨勢(shì)。固定式經(jīng)濟(jì)性受限,支撐漂浮式海風(fēng)發(fā)展。現(xiàn)有海風(fēng)項(xiàng)目主要采用固定式基礎(chǔ)如單樁、 導(dǎo)管架等。隨著水深增加,固定式海風(fēng)建造安裝費(fèi)用急劇上升,當(dāng)水深超 60m 后,采用 漂浮式技術(shù)明顯更經(jīng)濟(jì)。因此,海上風(fēng)電正呈現(xiàn)出由淺到深、由固定式到漂浮式的變化 趨勢(shì)。
浮式技術(shù)仍處于導(dǎo)入期,近年商業(yè)化進(jìn)程顯著加快。據(jù)統(tǒng)計(jì),截至 2022 年,漂浮式海風(fēng) 已投運(yùn)項(xiàng)目 20 個(gè),規(guī)模為 245.4MW,占海風(fēng)累計(jì)裝機(jī)量比值僅為 0.4%;在建項(xiàng)目 12 個(gè),規(guī)模為 387.4MW。2009 年至今,隨著第一臺(tái)漂浮式風(fēng)電機(jī)組 Hywind I 投運(yùn),漂浮 式海風(fēng)已經(jīng)歷從單臺(tái)樣機(jī)到小型商業(yè)化示范風(fēng)電場(chǎng)的過(guò)程。已投運(yùn)項(xiàng)目中,位于英國(guó)、 葡萄牙、挪威共 200MW 項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化的突破;在建項(xiàng)目中,法國(guó)的 Province Grand Large、Groix&Bella-le 等 4 個(gè)項(xiàng)目、美國(guó)的 Aqua Ventus I、日本的 Goto City 及中國(guó)的中 電建海南萬(wàn)寧百萬(wàn)千瓦級(jí)漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目(一期)為商業(yè)化項(xiàng)目,規(guī)模達(dá) 355.7MW, 且均在 2023-2025 年間投產(chǎn),商業(yè)化進(jìn)程顯著加快。
歐洲、東亞積極探索漂浮式海風(fēng)。已投運(yùn)/在建項(xiàng)目區(qū)域分布顯示,歐洲最早進(jìn)入漂浮式 領(lǐng)域,裝機(jī)規(guī)模為 339.8MW,占比達(dá) 53.7%。東亞市場(chǎng)中,日本對(duì)漂浮式技術(shù)探索較多, 早期完成 6 個(gè)單機(jī)試驗(yàn)項(xiàng)目后才開(kāi)始進(jìn)行小規(guī)模商業(yè)化示范項(xiàng)目,總規(guī)模為 37.8MW, 占比 6%;中國(guó)浮式風(fēng)電項(xiàng)目于 2021 年啟動(dòng),自 2021 年國(guó)內(nèi)首臺(tái)漂浮式海上風(fēng)電試驗(yàn)樣 機(jī)“三峽引領(lǐng)號(hào)”投運(yùn),另有中船集團(tuán)“扶搖號(hào)”、龍?jiān)措娏ζ∈胶I巷L(fēng)電與養(yǎng)殖融合研 究與示范項(xiàng)目、中海油深遠(yuǎn)海浮式風(fēng)電項(xiàng)目、明陽(yáng)陽(yáng)江青洲四海上風(fēng)電項(xiàng)目、中電建海 南萬(wàn)寧百萬(wàn)千瓦級(jí)漂浮式海上風(fēng)電項(xiàng)目(一期)預(yù)計(jì)將于 2025 年前投運(yùn),總裝機(jī)規(guī)模為 229.2MW,占比 36.2%。
海外市場(chǎng)浮式項(xiàng)目規(guī)劃領(lǐng)先,國(guó)內(nèi)市場(chǎng)亦受到政策支持。已招標(biāo)/遠(yuǎn)期規(guī)劃項(xiàng)目區(qū)域分布 顯示,歐洲市場(chǎng)受益于蘇格蘭首輪海上風(fēng)電用海權(quán)租賃招標(biāo)中包含的漂浮式海上項(xiàng)目 17.9GW,占比 50.5%,位列第一;美國(guó)預(yù)計(jì)到 2035 年開(kāi)發(fā) 15GW 漂浮式海風(fēng)項(xiàng)目,占 比 29.9%;韓國(guó)預(yù)計(jì)到 2030 年開(kāi)發(fā) 9GW 漂浮式海風(fēng)項(xiàng)目,占比 17.9%;中國(guó)“十四五” 海風(fēng)發(fā)展戰(zhàn)略為推動(dòng)近海項(xiàng)目規(guī)模化開(kāi)發(fā)、深遠(yuǎn)海項(xiàng)目示范性開(kāi)發(fā)。具體到漂浮式技術(shù), 《“十四五”能源領(lǐng)域科技創(chuàng)新規(guī)劃》、《加快電力裝備綠色低碳創(chuàng)新發(fā)展行動(dòng)計(jì)劃》表明 應(yīng)積極推進(jìn)遠(yuǎn)海深水區(qū)域漂浮式風(fēng)電裝備基礎(chǔ)一體化設(shè)計(jì)、建造施工與應(yīng)用;具體到漂 浮式項(xiàng)目,《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》提出力爭(zhēng)“十四五”期間開(kāi)工建設(shè)我國(guó)首 個(gè)漂浮式商業(yè)化海上風(fēng)電項(xiàng)目。雖然短期可見(jiàn)浮式項(xiàng)目占全球規(guī)劃的 1.6%,預(yù)計(jì)隨著“十 五五”海風(fēng)開(kāi)發(fā)朝向深遠(yuǎn)海,浮式項(xiàng)目有望規(guī)模化放量。
2025 年全球浮式風(fēng)電步入黃金成長(zhǎng)期,中國(guó)有望彎道超車(chē)貢獻(xiàn)主要增量。從產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn) 狀來(lái)看,未來(lái) 3 年漂浮式重點(diǎn)工作在樣機(jī)試驗(yàn)到規(guī)模化商用的技術(shù)攻關(guān)和成本下降,并 且過(guò)程中帶來(lái)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的培育。據(jù) GWEC 預(yù)測(cè),2021-2025 年,全球漂浮式海風(fēng)新增 裝機(jī)由 59.5MW 增長(zhǎng)至 839.4MW,CAGR 為 93.8%;2026-2030 年,全球漂浮式海風(fēng)新 增裝機(jī)由 2GW 增長(zhǎng)至 12.2GW,CAGR 為 57.3%。中國(guó)將逐步超越歐洲成為主要新增市 場(chǎng)。“十四五”時(shí)期,預(yù)計(jì)我國(guó)浮式風(fēng)電新增裝機(jī)將由 5.5MW 增長(zhǎng)至 280MW,CAGR 為 167.1%;“十五五”時(shí)期,預(yù)計(jì)我國(guó)浮式風(fēng)電新增裝機(jī)將由 0.6GW 增長(zhǎng)至 6.2GW,CAGR 為 79.5%。
二、技術(shù)藍(lán)圖:漂浮式技術(shù)百花齊放,商業(yè)化降本可期
(一)漂浮式型式多樣,半潛式兼具經(jīng)濟(jì)與技術(shù)適用性
漂浮式風(fēng)機(jī)重產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),輕施工,適用于深水海域。從現(xiàn)有海風(fēng)項(xiàng)目來(lái)看,當(dāng)位于 水深小于 30m 的淺水區(qū)時(shí),常采用單樁式基礎(chǔ);當(dāng)位于水深大于 30m 小于 60m 的過(guò)渡 海域時(shí),常采用導(dǎo)管架基礎(chǔ),以上均為固定式基礎(chǔ)。隨著海上風(fēng)電逐漸走向深遠(yuǎn)海,為 了適應(yīng)更復(fù)雜的施工環(huán)境,漂浮式風(fēng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。漂浮式風(fēng)電系統(tǒng)主要由上部風(fēng)機(jī)、漂 浮式平臺(tái)、錨泊系統(tǒng)、動(dòng)態(tài)海纜等部分組成,受益于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),漂浮式系統(tǒng)對(duì)水深變化不敏感,建造過(guò)程中可將大部分工作轉(zhuǎn)移到陸上進(jìn)行,且漂浮式風(fēng)電的錨固系 統(tǒng)對(duì)海底地質(zhì)條件依賴相對(duì)較小,因此更適宜于水深 60m 以上的深水區(qū)。
考慮技術(shù)難度與經(jīng)濟(jì)性,半潛式基礎(chǔ)適用度更高。按照基礎(chǔ)類型分類,目前漂浮式海風(fēng) 主要可分為半潛式、立柱式及張力腿式,三種基礎(chǔ)類型在投運(yùn)/在建項(xiàng)目中占比分別為 63.3%、26.7%、10%。從原理、重量、造價(jià)等角度對(duì)比結(jié)果如下:半潛式:該類型平臺(tái)在風(fēng)機(jī)傾斜時(shí),可通過(guò)分布式的浮筒結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的水線面變化, 進(jìn)而產(chǎn)生抵抗平臺(tái)傾斜運(yùn)動(dòng)的回復(fù)力矩。6MW 半潛式風(fēng)機(jī)重量約為 3000t,以“三峽引 領(lǐng)號(hào)”為例,成本約為 4.4 萬(wàn)元/kW,重量及經(jīng)濟(jì)性在三種基礎(chǔ)類型中排名均居中。
立柱式:該類型平臺(tái)的重心設(shè)計(jì)遠(yuǎn)低于浮心,當(dāng)平臺(tái)發(fā)生傾斜時(shí),重心和浮心之間形成 回復(fù)力矩可抵抗平臺(tái)傾斜運(yùn)動(dòng);另外較小的水線面設(shè)計(jì)可減小平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)。6MW 立柱 式風(fēng)機(jī)重量約為 3500t,以 Tetraspar Demonstration 項(xiàng)目為例,成本約為 3.7 萬(wàn)元/kW,重 量最大,但最具經(jīng)濟(jì)性。張力腿式:該類型平臺(tái)通過(guò)垂向下的系泊張力平衡浮體向上的超額浮力,因此具備較好 的平臺(tái)垂向運(yùn)動(dòng)性能,但安裝過(guò)程復(fù)雜。6MW 張力腿式風(fēng)機(jī)重量約為 2000t,以 Pivot Buoy 項(xiàng)目為例,成本約為 13.4 萬(wàn)元/kW,已投運(yùn)項(xiàng)目中僅有該項(xiàng)目采用了張力腿式基礎(chǔ),因 此仍較缺乏相關(guān)制造及施工安裝經(jīng)驗(yàn),張力腿式重量最輕,但造價(jià)最高。
(二)浮式風(fēng)機(jī)型式創(chuàng)新多,商業(yè)化推進(jìn)需浮體系統(tǒng)實(shí)踐
漂浮式技術(shù)異質(zhì)性明顯。與固定式相比,漂浮式在風(fēng)電機(jī)組、浮體系統(tǒng)(基礎(chǔ)+系泊+動(dòng) 態(tài)陣列纜)、安裝施工等環(huán)節(jié)均有較大變化,在風(fēng)機(jī)方面,目前全球研發(fā)浮式樣機(jī)型式多 元;在浮體系統(tǒng)上,則新增了浮式基礎(chǔ)、錨固系泊系統(tǒng)和動(dòng)態(tài)海纜;在安裝施工上,浮 式無(wú)須在深海動(dòng)土打樁,可在港口完成安裝,施工量相較固定式顯著下降。
1、風(fēng)電機(jī)組:大型化技術(shù)趨勢(shì)延續(xù),多元設(shè)計(jì)探索新型結(jié)構(gòu)。浮式大型化趨勢(shì)延續(xù),中國(guó)單機(jī)容量已領(lǐng)先全球。在漂浮式項(xiàng)目中,常規(guī)大型化風(fēng)機(jī)同 樣可應(yīng)用于深遠(yuǎn)海。海外市場(chǎng)中,維斯塔斯已推出 15MW 海上風(fēng)機(jī);國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中,明陽(yáng) 智能發(fā)布 18MW 機(jī)型,并下線全球最大漂浮式海上風(fēng)電機(jī)組 MySE16.X-260;中國(guó)海裝 H260-18MW、金風(fēng)科技 GWH252-16MW 風(fēng)機(jī)已下線。浮式風(fēng)機(jī)新結(jié)構(gòu)頻現(xiàn),我們總結(jié)歸納了目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的創(chuàng)新性設(shè)計(jì):
(1)雙頭機(jī)/浮體島:EnerOcean、EnBW、Hexicon 等多個(gè)國(guó)外開(kāi)發(fā)商對(duì)單基礎(chǔ)平臺(tái)搭載 多臺(tái)風(fēng)機(jī)的路線探索已久,并研發(fā)出 W2Power、Nezzy2、TwinWind 風(fēng)機(jī),該設(shè)計(jì)使得單 個(gè)基礎(chǔ)平臺(tái)容量更大,同樣容量下系統(tǒng)重心更低。2022 年 9 月 29 日,明陽(yáng)智能作為德 國(guó) Nezzy?在中國(guó)的技術(shù)合作伙伴和被許可方,采用 Nezzy?設(shè)計(jì),推出“OceanX”雙轉(zhuǎn)子漂浮式海上平臺(tái),搭載兩臺(tái)明陽(yáng) MySE8.3-180 超緊湊半直驅(qū)海上風(fēng)機(jī),總?cè)萘窟_(dá) 16.6MW, 并計(jì)劃安裝于中國(guó)南海海域,這是中國(guó)對(duì)雙頭漂浮式風(fēng)機(jī)的首次探索。
(2)異型塔筒:X1 Wind、Eolink、T-Omega Wind 先后研發(fā)出無(wú)塔筒風(fēng)機(jī),該類型風(fēng)機(jī) 主要以單點(diǎn)系泊、下風(fēng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)為主,可大幅降低用鋼量,從而減重降本。
(3)單/雙葉片:Seawind Ocean、TouchWind 分別推出兩葉片、單葉片風(fēng)機(jī),該類型風(fēng) 機(jī)安裝過(guò)程相對(duì)更為便利。
總體來(lái)看,浮式風(fēng)機(jī)創(chuàng)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)體現(xiàn)了開(kāi)發(fā)商在降本增效上所做的努力,海外開(kāi)發(fā)商 始終走在前列,中國(guó)廠商探索相對(duì)較晚,目前已推出機(jī)型多數(shù)仍處于模擬測(cè)試或樣機(jī)建 設(shè)階段。
2、浮體系統(tǒng):系泊和錨固設(shè)計(jì)優(yōu)化空間大,動(dòng)態(tài)纜需經(jīng)驗(yàn)積累。平臺(tái)基礎(chǔ)包括駁船式、半潛式、立柱式及張力腿平臺(tái)。駁船式在概念上類似于船只,長(zhǎng) 寬明顯大于吃水深度,與水接觸的表面積較大,從而保持穩(wěn)定性;半潛式設(shè)計(jì)意在最大 限度減少暴露在水中的表面積,最大限度增加體積,垂直圓柱體的大小和距離決定了穩(wěn) 定性;立柱式依靠將大部分重量放置于盡可能低的位置獲得穩(wěn)定性;張力腿是最新且技 術(shù)風(fēng)險(xiǎn)最高的平臺(tái)基礎(chǔ)形式,三、四或五個(gè)臂的星形幾何形狀將每個(gè)臂的體積減小到最 小,從而達(dá)到降低制造成本的目的。
懸鏈?zhǔn)綖槌S孟挡聪到y(tǒng)。系泊系統(tǒng)可對(duì)漂浮式風(fēng)機(jī)進(jìn)行位置和運(yùn)動(dòng)的約束,一般由起鏈 機(jī)、導(dǎo)纜孔、系泊線和錨固裝置四部分組成,其中系泊線是連接浮式基礎(chǔ)和海床的關(guān)鍵 構(gòu)件,主要有懸鏈?zhǔn)健埦o式、張力腿式三種形成。半潛式、立柱式漂浮式風(fēng)機(jī)常采用 懸鏈?zhǔn)较挡矗擃愋拖挡淳€為鋼鏈結(jié)構(gòu),鋼鏈因其具備制造成本低、工序簡(jiǎn)單、強(qiáng)度高 等優(yōu)點(diǎn),是目前使用最廣泛的系泊材料,但其占據(jù)海床空間較大,重量隨著水深增加而 急劇增大,而張緊式、張力腿式在該方面有一定改善,但從安裝角度來(lái)看,則更為復(fù)雜。
實(shí)際方案設(shè)計(jì)將基于傳統(tǒng)系泊方案進(jìn)行優(yōu)化降本。國(guó)內(nèi)項(xiàng)目,“引領(lǐng)號(hào)”及“扶搖號(hào)”均采 用 9 點(diǎn)懸鏈?zhǔn)较挡捶桨福慈齻€(gè)立柱各有三條系泊纜,三條系泊纜共用同一個(gè)錨固基礎(chǔ)。根據(jù)已投運(yùn)的三峽引領(lǐng)號(hào)設(shè)計(jì)方案可知,每條系泊纜主要由 4 段組成,自上到下分別是 系泊鏈段、重塊段、單股鋼絲繩段和錨端系泊鏈段,采用“系泊鏈+配重塊”的設(shè)計(jì)可有效 減小系泊半徑。國(guó)外項(xiàng)目,Total Energies 和 Equinor 合作投資“蜂巢式”系泊設(shè)計(jì),每 3 臺(tái)浮式機(jī)組、3 套帶錨的浮標(biāo)、6 根系泊鏈組成一個(gè)“蜂巢式”系泊單元,平均每臺(tái)風(fēng)機(jī)僅 需配置 1 套帶錨浮標(biāo)和 2 根系泊鏈。據(jù) Semar 測(cè)算,與常用的一套風(fēng)機(jī)、一套系泊系統(tǒng) 相比,該共享式系泊系統(tǒng)可降低 50%以上系泊設(shè)備成本。
錨固系統(tǒng)主要有四類,系泊線需利用錨固裝置與海床進(jìn)行連接。根據(jù)錨固裝置的形式和 力學(xué)特性,可將其劃分為抓力錨、樁錨、吸力錨及重力錨。在中國(guó)的漂浮式項(xiàng)目中,“引 領(lǐng)號(hào)”、“扶搖號(hào)”分別采用了吸力錨和樁錨。
(1)抓力錨:目前使用最廣泛的一種錨固結(jié)構(gòu),其部分或全部嵌入海底,主要依靠錨的 前部結(jié)構(gòu)與土壤的摩擦力抵抗外力,可承受較大水平力,常與懸鏈?zhǔn)较挡吹腻^鏈搭配使 用,安裝簡(jiǎn)單,但不適宜太硬海床。
(2)樁錨:向海床打入樁基,通過(guò)樁基與土壤之間的作用力提供錨鏈的水平和垂直張力, 適用于各種海床土質(zhì)條件,但安裝和拆除需采用專用設(shè)備,在深水區(qū)域作業(yè)施工費(fèi)用較 高。
(3)吸力錨:類似于樁錨,但中空的缸筒結(jié)構(gòu)直徑更大,可承受系泊線的水平和垂直張 力,不適用于松散沙土或硬質(zhì)土海床,安裝較為簡(jiǎn)單。
(4)重力錨:通過(guò)壓載與海床表面的摩擦力抵抗錨鏈的水平張力,并借助壓載重量抵抗 錨鏈的垂直張力,適用于中等硬度或硬質(zhì)土海床,安裝較為簡(jiǎn)單,但由于體積和重量較 大,安裝和拆除對(duì)吊裝設(shè)備噸位要求較高。
動(dòng)態(tài)海纜受載荷影響大,技術(shù)要求高。相較于固定式風(fēng)機(jī),漂浮式風(fēng)機(jī)由于支撐平臺(tái)運(yùn) 動(dòng)具有一定范圍,海底電纜近端需采用動(dòng)態(tài)海纜技術(shù),并運(yùn)用浮力單元將海纜懸掛,呈 現(xiàn)“S”形態(tài),使得海纜在一定的擺動(dòng)范圍內(nèi)可隨平臺(tái)運(yùn)動(dòng),起到緩沖的作用。動(dòng)態(tài)海纜 不僅要承擔(dān)傳輸電力的作用、還要抵御各種環(huán)境載荷耦合所產(chǎn)生破壞的能力,因此在設(shè) 計(jì)動(dòng)態(tài)海纜結(jié)構(gòu)時(shí),要考慮各種載荷對(duì)海纜結(jié)構(gòu)的影響。
3、安裝施工:方案靈活多樣,施工船需求迎風(fēng)增長(zhǎng)。漂浮式風(fēng)機(jī)安裝主要包括浮體運(yùn)輸、浮體吊裝、組裝、風(fēng)機(jī)吊裝及系泊纜鋪設(shè)。浮體運(yùn) 輸指于陸上工廠完成制作、組裝后,在海岸碼頭上通過(guò)半潛駁船或吊運(yùn)設(shè)備將浮式基礎(chǔ)運(yùn)至風(fēng)機(jī)組裝場(chǎng)地;浮體吊裝指根據(jù)浮體類型選擇不同的吊裝方式,如半潛式浮體可選 擇岸上吊裝、單柱式可選擇離岸吊裝;組裝指將浮體與風(fēng)電機(jī)組裝好后移至機(jī)位點(diǎn);風(fēng) 機(jī)吊裝可分為岸上/海上吊裝,岸上吊裝根據(jù)浮體設(shè)計(jì)及吊裝碼頭水深情況選擇是否進(jìn)行 坐底作業(yè);系泊纜鋪設(shè)指根據(jù)系泊纜的設(shè)計(jì)選擇不同鋪設(shè)方式,并完成浮體連接和測(cè)試 工作。
浮式基礎(chǔ)安裝施工方式眾多,天然港灣可滿足漂浮式風(fēng)機(jī)的安裝。事實(shí)上,部分省份現(xiàn) 有港口條件不足,且新建港口資源獲取難、建設(shè)周期長(zhǎng),短期內(nèi)難以滿足風(fēng)機(jī)整裝及工 期要求,因此中電建為解決該問(wèn)題提出了移動(dòng)碼頭、靠樁系泊及承臺(tái)坐底三種方案,在 項(xiàng)目近海港口周邊尋求風(fēng)浪較小海域作業(yè)。以上方案均需風(fēng)電安裝船施工,在風(fēng)機(jī)大型 化及深遠(yuǎn)海趨勢(shì)作用下,對(duì)安裝船起吊能力、作業(yè)水深、可變載荷及甲板面積均提出更 高要求,因此在海風(fēng)搶裝時(shí)期存一定供應(yīng)缺口。
(三)大型化規(guī)模化推動(dòng)降本,浮式風(fēng)電平價(jià)在望
從已投建的樣機(jī)來(lái)看,漂浮式海風(fēng)造價(jià)約為固定式海風(fēng)的 4 倍。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),山東/ 浙江/廣東/海南固定式海風(fēng)項(xiàng)目分別為 11753/13483/14067/12500 元/kW,而漂浮式海風(fēng)項(xiàng) 目造價(jià)極高。雖然與第一個(gè)投運(yùn)的 Hywind I 項(xiàng)目單位造價(jià) 17.8 萬(wàn)元/kW 相比已有大幅度 下降,但目前單位成本較低的 WindFloatAtlantic 2、Tetraspar Demonstration 仍有 3.5/3.7 萬(wàn)元/kW,約為固定式海風(fēng)的 4 倍。漂浮式基礎(chǔ)成本占比較高,其中浮體為 31%。據(jù) NREL 統(tǒng)計(jì),固定式/漂浮式海風(fēng)成本主 要由運(yùn)維、風(fēng)機(jī)、基礎(chǔ)及電氣設(shè)備四部分構(gòu)成,分別占總成本的 76.7%、81.4%。各環(huán)節(jié) 對(duì)比來(lái)看,固定式/漂浮式基礎(chǔ)成本占比差別最大,分別為 8.4%/27.1%,其次為運(yùn)維和風(fēng) 機(jī)。據(jù) Azure International 統(tǒng)計(jì),漂浮式海風(fēng)資本性支出中浮體、拖運(yùn)和安裝、系泊系統(tǒng) 和風(fēng)機(jī)成本占比高達(dá) 90%,其中浮體占比最高,為 31%。
大型化疊加規(guī)模化推動(dòng)降本。Carbon Trust 預(yù)測(cè),漂浮式風(fēng)場(chǎng)降本總空間達(dá) 52%,其中平 臺(tái)基礎(chǔ)、風(fēng)機(jī)降本空間最大,分別為 16%、12%。根據(jù)前述分析,“十四五”期間漂浮式 海風(fēng)規(guī)模未達(dá)大幅增長(zhǎng)階段,該階段風(fēng)機(jī)大型化為主要降本路徑;“十五五”期間可參考 2.3MW 的 HyWind I 樣機(jī)與 30MW Hywind Pilot Plant 項(xiàng)目,單 MW 成本同比下降 66.8%, 我們認(rèn)為隨著大型漂浮式風(fēng)場(chǎng)的規(guī)模化放量,單位成本有望進(jìn)一步下降。
三、產(chǎn)業(yè)圖景:主機(jī)海纜為傳統(tǒng)龍頭占優(yōu),海油海工巨頭等新玩家入局
漂浮式海風(fēng)產(chǎn)業(yè)鏈可分為開(kāi)發(fā)商、整機(jī)、海纜、浮體系統(tǒng)(基礎(chǔ)+系泊)及施工方。由于中國(guó)進(jìn)入漂浮式風(fēng)電領(lǐng)域研發(fā)相對(duì)較晚,目前全球主要玩家仍是歐洲、日本地區(qū)企 業(yè)居多,未來(lái)隨著中國(guó)漂浮式風(fēng)電項(xiàng)目產(chǎn)業(yè)化落地,除小部分設(shè)備需依賴進(jìn)口外,產(chǎn)業(yè) 鏈基本可實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化供應(yīng)。
(一)整機(jī)和海纜:集中度高,巨頭占據(jù)漂浮式主要市場(chǎng)
海外西門(mén)子歌美颯、維斯塔斯風(fēng)機(jī)領(lǐng)銜,國(guó)內(nèi)明陽(yáng)智能多項(xiàng)目布局。在已投運(yùn)/在建漂浮 式海風(fēng)項(xiàng)目中,歐洲項(xiàng)目多采用西門(mén)子歌美颯、維斯塔斯風(fēng)機(jī),少部分采用開(kāi)發(fā)商自研 風(fēng)機(jī);日本項(xiàng)目多使用本土品牌三菱、日立,少部分采用歐洲品牌,如 Aerodyn;中國(guó) 項(xiàng)目采用明陽(yáng)智能、海裝風(fēng)電、電氣風(fēng)電風(fēng)機(jī),其中“三峽引領(lǐng)號(hào)”、中海油深遠(yuǎn)海浮式 風(fēng)電項(xiàng)目及明陽(yáng)陽(yáng)江青洲四海上風(fēng)電項(xiàng)目均采用明陽(yáng)智能風(fēng)機(jī)。預(yù)計(jì)未來(lái)隨著漂浮式海 風(fēng)項(xiàng)目規(guī)模的不斷增長(zhǎng),從產(chǎn)品性能及質(zhì)量角度考慮,歐洲、中國(guó)整機(jī)商巨頭仍將占據(jù) 主要市場(chǎng)份額,且國(guó)內(nèi)將有更多整機(jī)商進(jìn)入。
動(dòng)態(tài)海纜供應(yīng)商較為集中,產(chǎn)品設(shè)計(jì)、敷設(shè)技術(shù)要求高。海外市場(chǎng)中,動(dòng)態(tài)海纜供應(yīng)商 主要有挪威的 Aker Solutions、日本的 Furukawa Electric、希臘的 Hellenic Cables 等;中 國(guó)市場(chǎng)中,東方電纜、中天科技具備生產(chǎn)動(dòng)態(tài)纜的能力,且東方電纜已為“三峽扶搖號(hào)” 供應(yīng) 1180 米長(zhǎng)、外徑 13.28cm、重量超 35 噸的動(dòng)態(tài)海纜,該動(dòng)態(tài)海纜為適應(yīng)南海海域惡劣的環(huán)境,已進(jìn)行多方面優(yōu)化,不僅提高了海纜的抗拉、抗彎曲和抗疲勞能力,同時(shí)還 通過(guò)分布式浮力塊和配重塊的配合,形成相對(duì)穩(wěn)定的線型;另外,此次敷設(shè)施工如附件 安裝、動(dòng)態(tài)段與靜態(tài)段海纜敷設(shè)、錨固裝置安裝等步驟均由東方電纜安裝,技術(shù)水平要 求高。
(二)浮體系統(tǒng):基礎(chǔ)設(shè)計(jì)新老玩家兼具,錨鏈格局集中
各浮體基礎(chǔ)設(shè)計(jì)具備獨(dú)特性,多領(lǐng)域公司參與該環(huán)節(jié)。由于漂浮式風(fēng)電技術(shù)仍為較新領(lǐng) 域,下表顯示曾參與浮體環(huán)節(jié)公司除浮式風(fēng)電技術(shù)公司 Principle Power/Ideol 外,還包括 船舶企業(yè)、能源服務(wù)企業(yè)如 Saipem、三星重工等,且各家所設(shè)計(jì)的浮體結(jié)構(gòu)均具備一定 獨(dú)特性。中國(guó)市場(chǎng)中,“引領(lǐng)號(hào)”、“扶搖號(hào)”的浮體設(shè)計(jì)公司分別為中國(guó)海裝、Wison, “引領(lǐng)號(hào)”采用鋼半潛平臺(tái),“扶搖號(hào)”則采用柱穩(wěn)式平臺(tái)構(gòu)型,呈等邊三角形布局。
亞星錨鏈產(chǎn)品等級(jí)高,市場(chǎng)認(rèn)可度高。海外市場(chǎng),系泊系統(tǒng)供應(yīng)商主要包括 Vryhof、 MacGregor 等,Vryhof 作為一家專門(mén)從事系泊和錨固解決方案的荷蘭公司,開(kāi)發(fā)了一種 能調(diào)節(jié)系泊纜繩張緊度的鎖,既可固定在海床上,也可固定在浮式平臺(tái)上;MacGregor 可為浮式海上風(fēng)電提供完整的系泊系統(tǒng),該系統(tǒng)由張緊器、絞車(chē)、止鏈器和水下結(jié)構(gòu)連 接器組成。國(guó)內(nèi)市場(chǎng),目前主要有亞星錨鏈、巨力索具等。其中“三峽引領(lǐng)號(hào)”錨鏈由 亞星錨鏈及巨力索具供應(yīng),“扶搖號(hào)”則由亞星錨鏈及青島錨鏈供應(yīng)。亞星錨鏈作為全球 錨鏈龍頭,擁有最高級(jí)別 R6 級(jí)系泊鏈生產(chǎn)技術(shù),市場(chǎng)認(rèn)可度較高,此后又中標(biāo)中海油 漂浮式項(xiàng)目系泊系統(tǒng)。
部分產(chǎn)品仍待國(guó)產(chǎn)化。雖然國(guó)內(nèi)已有多家公司可生產(chǎn)錨鏈,但在張緊器、高性能大抓力 錨產(chǎn)品方面仍依賴進(jìn)口,如龍?jiān)础⑷龒{項(xiàng)目中均采用進(jìn)口張緊器;高性能大抓力錨僅有 重慶鵬翔可供應(yīng),但其仍無(wú)法生產(chǎn)具備最高抓重比的產(chǎn)品。若以上設(shè)備實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化,系 泊系統(tǒng)成本有望進(jìn)一步降低。
(三)開(kāi)發(fā)商和施工方:傳統(tǒng)風(fēng)電開(kāi)發(fā)商+油氣巨頭+海工集團(tuán)為主
歐洲開(kāi)發(fā)商表現(xiàn)突出,多公司合作開(kāi)發(fā)項(xiàng)目。海外市場(chǎng)中,浮式風(fēng)電開(kāi)發(fā)商眾多,主要 為能源公司及漂浮式風(fēng)電公司,其中能源公司包括殼牌、Equinor、沃旭能源、道達(dá)爾、 RWE 等,傳統(tǒng)油氣開(kāi)發(fā)企業(yè)憑借海上石油的經(jīng)驗(yàn),已積累一定海洋勘探、海洋施工、海 上平臺(tái)運(yùn)營(yíng)等經(jīng)驗(yàn),因此具備開(kāi)發(fā)海上風(fēng)電的先天優(yōu)勢(shì);漂浮式風(fēng)電公司則包括 Hexicon、 BW Ideol 等。隨著漂浮式海風(fēng)項(xiàng)目的逐漸開(kāi)發(fā),為了將各公司資源充分利用,多公司合 作開(kāi)發(fā)的形式較為普遍,如殼牌與瑞典-韓國(guó)漂浮式技術(shù)公司 CoensHexicon 簽署聯(lián)合開(kāi) 發(fā)協(xié)議,啟動(dòng)蔚山漂浮式海上風(fēng)電基地的開(kāi)發(fā)工作;意大利開(kāi)發(fā)商 Aquaterra Energy 與兩 葉片浮式風(fēng)電前驅(qū)Seawind Ocean簽署協(xié)議,將在地中海區(qū)域開(kāi)發(fā)3.2GW浮式風(fēng)電項(xiàng)目。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)中,漂浮式項(xiàng)目尚且有限,開(kāi)發(fā)商類別較多,如石油公司中海油;原風(fēng)電項(xiàng)目 開(kāi)發(fā)商三峽集團(tuán)、中電建、國(guó)家能源集團(tuán);整機(jī)商明陽(yáng)集團(tuán)、中國(guó)海裝。
國(guó)內(nèi)施工方為海工企業(yè)及造船企業(yè)。海外市場(chǎng)中,很多項(xiàng)目施工方即為海風(fēng)項(xiàng)目開(kāi)發(fā)企 業(yè),如 HyWind I/ Hywind Pilot Plant 的開(kāi)發(fā)企業(yè)與工程總包商均為挪威國(guó)家石油公司, Hywind Tampen 工程總包商為 Aker Offshore Wind,基礎(chǔ)由 Aker 旗下公司 Kvaerner 設(shè)計(jì)/ 建造。國(guó)內(nèi)市場(chǎng),漂浮式海風(fēng)項(xiàng)目施工方一般為海洋工程公司,但也有部分造船廠進(jìn)入 該領(lǐng)域。如龍?jiān)措娏ζ∈胶I巷L(fēng)電與養(yǎng)殖融合研究與示范項(xiàng)目 PCI 總承包中標(biāo)人為龍 源振華海洋工程有限公司,主要負(fù)責(zé)浮式風(fēng)電機(jī)組及養(yǎng)殖系統(tǒng)的半潛式平臺(tái)建造、陸上 安裝、下水、運(yùn)輸、半潛式平臺(tái)與風(fēng)電機(jī)組的預(yù)組裝、一體化拖航等;而中船海裝扶搖 號(hào)的浮體平臺(tái)則由廣州文船重工有限公司建造。