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国际 | 英国漂浮式海上风电开发的用海权规划

2023-01-19 09:26来源:《风能》作者:王征关键词:英国风电海上风电风电工程收藏点赞

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全球80%以上海域的水深超过60m,属于“水深超过50m、离岸65km以上”的深远海。由于近海受航运业、渔业、景观等因素限制,可用于海上风电开发的海域相对有限,开发资源趋于饱和。因此,海上风电行业加快了探索深远海海上风电开发的步伐,即推进漂浮式海上风电的研发和商业化。

自从2009年挪威Equinor公司完成全球首台兆瓦级漂浮式海上风电样机实测项目(距离挪威西南海岸线10km处,所用机组单机容量为2.3MW,水深约200m)的并网发电以来,英国、葡萄牙、日本、法国、西班牙、韩国、中国等国家和地区纷纷推出了漂浮式海上风电样机。2021年,全球最大的漂浮式海上风电项目⸺ 英国Kincardine项目(距离阿伯丁海岸线15km处,所用机组单机容量为9.5MW,水深为60~80m)成功并网,标志着漂浮式海上风电从示范开始进入大规模商业开发阶段。同时,不断涌现的漂浮式基础创新技术方案进一步推动了漂浮式海上风电平准化度电成本(LCOE)的下降。挪威船级社(DNV)预计,漂浮式海上风电的平准化度电成本在2025年将降至100美元/兆瓦时(约合人民币696元/兆瓦时)以下,在2050年会低于40美元/兆瓦时。

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图1 海床地理与法律分区示意

漂浮式海上风电在技术上和经济性上的可行性,加速了深远海风电的开发规划。相比其他国家,英国拥有大规模、清晰的漂浮式海上风电储备资产,在全球漂浮式海上风电的开发进程中处于领先地位。英国政府设立了到2030年实现5GW漂浮式海上风电装机的目标。在最近两轮英国用海权的招标过程中,英格兰和威尔士第四轮用海权招标授予了480MW的漂浮式海上风电项目;苏格兰第一轮海域招标则授予了近15GW的漂浮式海上风电项目。目前正在招标的苏格兰INTOG项目的主要目的是加速海上油气平台的电气化,预计多为深远海漂浮式海上风电项目。正在规划中的凯尔特海(Celtic Sea)用海权招标拟授予4GW项目,全部为漂浮式海上风电。此外,预计于2023年启动的苏格兰第二轮用海权招标,大部分项目将采用漂浮式海上风电技术。

英国漂浮式海上风电发展的领先优势,一部分来源于其可再生能源行业相对成熟的政策法规,包括用海权招标和政府差价合约补贴机制等。英国海上风电用海权的规划,由第三方的独立机构⸺ 英国皇家地产(The Crown Estate)主导。经过过去数十年的积累,英国已经逐渐形成一套关于如何规划海上风电用海权的方法论,力图在兼顾广义范围内所有利益相关方的限定条件下,积极有序地规划可用于海上风电的用海权,以加速支持英国的能源转型和减排目标。另一部分源于北海油气田与风电行业产生的协同效应。漂浮式海上风电基础的概念借鉴自深海油气开发行业的技术积累,特别是在开发设计、海洋工程和深远海作业等领域,这也为目前正在承受能源转型压力的深水油气行业企业提供了快速转型的机会。油气行业在海上风电产业的积极布局,反之进一步促进了英国对深远海漂浮式海上风电的整体规划。

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图2 欧洲部分国家的专属经济区

谈及深远海的用海权规划,不可避免会涉及国家领海以外的海域,即专属经济区与公海。领海是指领海基线以外12海里的水域,沿岸国可制订法律规章加以管理并运用其资源。外国船舶在领海有“无害通过”(innocent passage)的权利;而军事船舶在领海国的许可下,也可以进行“过境通过”(transit passage)。专属经济区(亦称“排他性经济海域”,简称:EEZ)是指从一国领海基线起算,不超过200海里(370.4km)的海域。这一概念原先发源于渔权争端,在1945年后随着海底石油开采逐渐盛行。公海(High Seas),或称国际公海(international waters),是指不属于任何一个国家领海的海域。1982年12月10日,联合国第三次海洋法会议通过了《联合国海洋法公约》(United Nations Convention on the Law of the Sea,即LOSC,下称《公约》),对内水、领海、临接海域、大陆架、专属经济区、公海等重要概念作出界定,获得150多个国家和地区的联合签署,并于1994年11月16日生效,对当前全球各处的领海主权争端、海上天然资源管理、污染处理等具有重要的指导和裁决作用。

根据《公约》第五十六条的规定,沿海国在专属经济区内拥有:以勘探和开发、养护与管理海床上覆水域和海床及其底土的自然资源(不论为生物或非生物资源)为目的的主权权利,以及关于在该区内从事经济性开发和勘探,如利用海水、海流和风力生产等其他活动的主权权利。沿海国在专属经济区内根据《公约》行使其权利和履行其义务时,应适当顾及其他国家的权利和义务,并应以符合《公约》规定的方式行事。

英国目前的海上风电开发规划已经涵盖专属经济区所在的海域。截至2021年年底,英国在运的42个海上风电项目中有9个位于专属经济区,装机容量合计约5.3GW,占全部在运装机容量(11.3GW)的47%。在建的8个海上风电项目中有7个位于专属经济区,装机容量合计8.5GW,占全部在建装机容量(9GW)的94%。已中标用海权、待申请开发的29个储备项目中有25个位于专属经济区,装机容量合计33GW,占全部此类装机容量(36GW)的92%。

明确了经济专属区海域的管理权后,再来了解一下英国的海上风电规划。总体而言,漂浮式海上风电和固定式海上风电遵循相同的规划流程。按地理位置的不同,监管机构和流程也有所差异。在英格兰和威尔士,海上风电项目属国家重要的基础设施项目,由规划检查局审查拟议开发项目,并向能源和气候变化国务大臣提出审批建议。规划流程由第三方的独立机构⸺ 英国皇家地产主导。基于2010年海洋法案与2009年海洋和沿海准入法案的立法框架,苏格兰于2015年3月发布了其第一个法定的“国家海洋规划”,对如何使用与管理海洋资源(含领海和专属经济区的海域)进行了界定,同时将环境保护纳入海洋决策,以实现海洋资源的可持续管理。该规划的政策和目标同样为11个苏格兰海洋区域规划者提供了指导,具体将反映在苏格兰区域海洋计划(RMP)的制定中。苏格兰的海上风电规划流程通过苏格兰皇家地产(Crown Estate Scotland)管理,最终决策权握在苏格兰首席大臣手中。

由于英国所有可再生能源的开发均允许每个人参与考虑新项目对环境和社区的影响,因此,整个规划流程不再局限于行业,还涉及多个更广泛的利益相关方。尤其是与环境影响评估(EIA)和栖息地法规评估(HRA)相关的机构和个人,如:环境、渔业和水产养殖科学中心(CEFAS),环境、食品和农村事务部(DEFRA)等。此外,在海上风电项目的规划过程中需要考虑的因素众多,包括对海底植被、鱼群、鸟类的潜在影响,电磁雷达干扰,航运和飞行导航,对周围环境景观的影响等。因此,规划前期的准备工作相对繁杂、耗时较长。以英格兰和威尔士第四轮海域用海权招标(R4)为例,在招标正式开始前的前期规划耗时近两年,经历了以下几个时间段:

2017年11月,英国皇家地产宣布释放新的海域用于海上风电的开发;

2018年2―6月,初步确定了18块海域,水深小于50m,拟开发规模6GW;

2018年7―12月,通过两轮共60个组织参与的利益相关方会议和234家企业参与的两个市场讨论,英国皇家地产根据收到的65份组织反馈,将拟开发规模提高至7GW,水深增至60m,重新界定了拟开发海域,并完成海域招标流程的初步设计;

2019年1―8月,与利益相关方和市场再次互动,完成了海域招标的最终设计,确定了三阶段的招标流程、未来的支付方式、创新激励机制,以及搜集规划阶段栖息地法规评估的信息等;

2019年9月,正式宣布最终确定的拟招标海域,开启了第四轮的用海权招标流程。

在规划前期的流程中,最为关键的是拟开发海域的选址。英国海上风电通过历史积累,已形成了一套较为成熟的前期选址方法论。以目前正在规划的凯尔特海海上风电用海权招标为例,此轮海上风电用海权的选址流程规划拟分为搜索区域(AOS)、项目开发领域(PDA)、硬约束、软约束这四个层层筛选的阶段。

为什么会选择凯尔特海?凯尔特海具有强风资源、有利的海床和水深,且靠近电力需求中心,具备了第一代商业化规模开发漂浮式海上风电的条件。因此,此轮用海权招标拟在2035年前释放高达4GW的可再生能源装机,为近400万户家庭供电,并以新兴漂浮式海上风电技术带动当地的产业发展,包括产业链、港口和电网等基础设施的投资。

接下来,我们了解一下拟用于海上风电开发的海域是如何层层进行筛选的:首先,通过采用国际测量组织(IHO)定义的凯尔特海边界和专属经济区边界,以及平均高水位标记(MHW)的重合区域,框定了初步可用于海上风电开发的海域(AoI),如图3所示。

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图3 凯尔特海初始海域 (AoI)

其次,根据历史搜集的海上风能资源与约束条件,借助地理信息系统(GIS)工具和海洋资源系统(MaRS)工具进行空间分析。在此轮凯尔特海的选址过程中,参与方根据海洋与海床的物理特征绘制了工程解决方案,结合对漂浮式海上风电技术前景的研究,定义了未来适于开发海上风电的关键资源区(KRA)。这些海域主要受水深、海洋气象与地质条件的驱动,开发成本取决于随海况变动的漂浮式海上风电系统,包括基础和系泊系统。因此,除考虑技术因素外,还需初步核算其基础类型相关的经济可行性。根据这些标准及相关特性,进一步缩减到适用于漂浮式海上风电技术特征的海域,即关键资源区,如图4所示。

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图4 英国漂浮式海上风电的关键资源区(KRA)

随后,从关键资源区中排除不适合用于海上风电开发的海域,即排除硬性约束阶段。硬性约束条件包括现有的基础设施、会影响到安全的潜在因素[例如国际海事组织(IMO)现有的航运路线与石油和天然气相关的海域]、已被授予用海权的海域等,如图5所示。

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图5 漂浮式海上风电硬性约束排除模型

下一阶段为搭建软约束条件的限制模型(Restriction Model),即根据项目面临的潜在风险对海域进行进一步筛选。由于在诸多软性影响因素中有很多定性而非定量的因素,筛选方法采用了层次分析法(AHP),通过一系列对影响因素的成对比较,来分析复杂情况下的最终决策。最高层级的影响可分为经济、社会和环境三大类别,每个类别下又细分为不同的影响因素,最下面一层为离散数据。

举例加以说明。在经济类比中,模型采用了凯尔特海地区的平准化能源成本作为参考因素之一。当前,英国的电网接入是可再生能源实现规模商业化的瓶颈。很多风能、太阳能和储能的项目因为并网容量的限制而被迫延期。不少已在开发进程中的项目甚至面临2030年后的并网时间线。这种状况的改善只能依靠大规模的投资来加强电网,然而,受电网私有化的影响,其电网的建设缺乏长期提升可再生能源适用性的投资动力,不利于具有可持续性发展的电网升级规划。考虑到巨大的投资成本,在此次凯尔特海海上风电适用海域的选址过程中,拟开发的海域优先选择在距离陆上可用并网点直线距离200km以内的海域,以减少输出海缆的长度,管控项目建设成本。具体海域见图6。

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图6 距离最近并网点直线距离200km以内的海域

在社会影响类比中,参考了利益相关方提供的信息,对敏感海域进行了排除,如旅游景点和渔业相关的海域等。图7中深紫色代表着利益相关方提出的敏感海域,将被排除在拟开发海域之外。

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图7 漂浮式海上风电软性约束限制模型—利益相关方敏感海域

经过以上三层的叠加(关键资源区、硬性约束排除模型、软性约束限制模型),凯尔特海拟开发海域的边界显示如图8所示。其中,粉色海域表明叠加下来最受限制的海域,通常为导航通道、高强度渔场和包含环境敏感性的海域;浅蓝色的区域为最适宜用于漂浮式海上风电开发的海域。

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图8 叠加关键资源区、排除模型和限制模型后的输出海域

取其最优的50%汇总为5个大的区域,共计超过11000km2的海域可用于漂浮式海上风电的潜在开发。模型输出海域如图9所示。

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图9 叠加后50%最优海域的模型输出

随后,就每个大区域与各个利益相关方进行双边交流,以进一步排除开发风险较大的区域。双边接触的机构包括国防、导航、民航、渔业、环境、电网、电缆和其他法定利益相关方。经过细化,图10中的黑色阴影线显示为更高的约束海域,而红色表示增加的海域。

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图10 已识别潜在风险和机会的最终搜索海域

下一步即为优化搜索区域。如图11所示,这个过程采用了具有针对性的双边参与和反馈,以及对搜索领域进行调查问卷审查的方式,将上一步锁定的海域进行了进一步的改进。5个精细搜索区域、超过4600km2的海床,被纳入适当评估报告(RIAA)中。这是一项详细的技术评估,属于规划栖息地法规评估的一部分。该过程将包括最终的双边参与及规划栖息地法规评估和技术投入,最终确定项目开发海域。优化详情将在后续的流程中再作披露。

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图11 拟进一步优化的搜索区域

对比上述第四轮海域用海权招标规划的时间节点,凯尔特海漂浮式海上风电的规划始于2020年12月,由英国皇家地产牵头,首先向产业界发出邀约,征集了30余家感兴趣的市场参与方的意见,再基于他们对漂浮式海上风电的强烈兴趣,将最初的1GW规划容量提升至目前的4GW。在随后的一年内,英国皇家地产与产业和海洋相关的利益相关方签订了多项双边协议,以进一步梳理规划内容。2021年年底,英国皇家地产向150余家企业和组织发出了问卷调查,就拟采用的建模数据与对现有用海权用户所产生的潜在风险进行了评估。2022年2月,经过与30多家海洋利益相关方的线上探讨,确定了用于海域选址建模的数据类型和权重。

2022年2―6月,就建模和其他影响因素,如环境、航运、渔业、航空、军事等进行了非正式意见的征集。2022年5―6月,50多家开发商参与了勘探相关的预核准,即对拟采用的数据、方法论、标准和如何最快完成的关键领域,分享了他们的意见。2022年7月,最终确立了可适用于后面规划阶段栖息地法规和并网设施评估的海域。2022年7月至2023年春季,将进一步评估项目风险,确定项目开发海域。虽然截至2022年年底,全球只有装机容量为73MW的漂浮式海上风电机组在运,仅占全球风电总装机容量的0.1%,但全球风能理事会(GWEC)预测,到2030年全球漂浮式海上风电新增装机容量将占全球风电新增装机容量的6.1%。挪威船级社预计,全球海上风电装机容量将在21世纪中叶占全球风电总装机容量的40%,2050年全球海上风电的累计装机容量将达到1748GW。其中,全球漂浮式海上风电装机容量(264GW)有望占全球海上风电累计装机容量的15%。

同时,不断涌现的新技术,也将加速漂浮式海上风电的商业化进程。例如,挪威最新研制的漂浮式多风轮海上风电系统,将数十台1MW的风电机组设置在一扇金属构架上,设计寿命为50年,已成功获取融资。若研发成功,势必会进一步加速漂浮式海上风电的开发,提高深远海上风电的经济性,吸引更多致力于漂浮式海上风电技术的开发商和供应链企业的关注与参与。

目前,中国深远海的用海权规划和授予机制尚不明朗。然而,若想实现碳达峰与碳中和目标,中国势必需要向深远海进军。希望英国对漂浮式海上风电用海权的规划和方法论,能够给中国同行带来启示。


投稿与新闻线索:陈女士 微信/手机:13693626116 邮箱:chenchen#bjxmail.com(请将#改成@)

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