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风力发电行业发展现状及其环境效益评估

国际新能源网  来源:中国电力新闻网  日期:2018-09-18
  当前全球面临化石能源枯竭、气候变化等问题,开发风能这一可再生的清洁能源形式,对于应对以上困境意义重大。风力发电作为目前最主要的风能利用形式,受到全球各国的重视。2017年全球新增风电装机5,257万千瓦,到2017年底全球累计装机规模达到5.40亿千瓦。
 
  中国风电近年来发展较快,截至2017年底,我国风力发电累计装机容量达到1.88亿千瓦,占全球规模的34.81%,稳居世界首位;海上风电取得突破性进展,2017年新增装机容量达116万千瓦,同比增长97%,累计装机达到279万千瓦;风电全产业链基本实现国产化,产业集中度不断提高,在满足国内市场需求的同时,将风电机组同时出口到33个国家,截至2017年底风电机组制造企业已出口风电机组累计装机容量达到320.5万千瓦。
 
  风电装机规模高速发展的同时,我国面临着较为严峻的弃风限电问题。如何消纳风电与建设速度之间的矛盾,成为国内亟待解决的问题。对此,未来我国将从合理规划电网结构、挖掘系统调峰潜力及优化调度运行方面,力争解决风电消纳问题。
 
  风电项目开发利用自然风资源,产生电力的同时不排放任何污染物,因此其节能减排环境效益的概念体现于所替代的其他发电类型将产生的能源消耗和污染物排放。由于目前燃煤火电在我国能源结构中占据主导地位,通常将风电与其进行对照比较,即以产出同等电量,节约燃煤火电的能耗及减少的污染物排放量值作为风电的环境效益指标。
 
  风电场的发电效率越高,则其理论上的节能减排效益越明显。对风电场环境效益的评估可分别从风电项目的设计水平与运行维护水平展开。设计水平方面,主要考察风能资源情况与风电机组的选型和布置情况,运行维护水平则主要从年利用小时数、平均故障间隔时间两个方面进行评估。
 
  开发可再生清洁能源是解决能源危机和环境问题的关键举措之一,风能资源在地球表面储量丰富,是目前发展最快和应用最广泛的清洁可再生能源之一。大力发展风力发电是我国实施可持续发展战略和新能源战略必由之路。
 
  一、风力发电行业概况
 
  1、行业现状
 
  在全球化石能源日渐枯竭和气候变化形势严峻的背景下,风能作为一种可再生、环境影响小的清洁能源,其战略价值日益突显,各国都非常重视风能的开发利用。根据全球风能理事会(GWEC)发布的数据,2017年全球新增风电装机5,257万千瓦,到2017年底全球累计装机5.40亿千瓦。
 
  2017年,在全球新增风电装机容量中,中国新增1,950万千瓦(占37.1%)、美国702万千瓦(13.4%)、德国658万千瓦(12.5%)、英国427万千瓦(8.1%)、印度415万千瓦(7.9%)、巴西220万千瓦(4.2%)、法国169万千瓦(3.2%)、土耳其77万千瓦(1.5%)、墨西哥48万千瓦(0.9%)、比利时47万千瓦(0.9%)。以上10个国家的新增风电装机4,694万千瓦,占2017年全球新增装机89.3%;世界其他国家新增风电装机合计为563万千瓦(10.7%)[2017年全球风电新增装机52吉瓦中国占37%[J]。
 
  风力发电在我国得到了快速发展,其中,2008~2017年中国新增和累计风电装机容量如下图所示。截至2017年底,我国风力发电累计装机容量达到1.88亿千瓦,同比增长11.7%[数据来源为中国可再生能源学会风能专业委员会发布的《2017年中国风电吊装容量统计简报》],累计装机占全球规模的34.81%,仍然是全球最大的风电发展市场。
 
  从装机区域分布上来看,我国重要的风电基地多分布在“三北”地区。虽然具有天然的资源禀赋,但负荷中心主要集中在中东部地区,“三北”地区电力需求不足、电力市场狭小,受消纳困难等因素影响,发电与负荷空间不匹配,产生输电与并网矛盾。2017年,“三北”地区弃风量达413.6亿千瓦时,占全国弃风量的98.71%。
 
  我国风电全产业链基本实现国产化,产业集中度不断提高。从近5年来看,国内风电整机制造企业的市场份额呈现明显的集中趋势。排名前五的风电机组制造企业新增装机市场份额由2013年的54.1%增长至2017年的67.1%,增长了13%;排名前十的市场份额由2013年的77.8%增长至2017年的89.5%,增长了12%。随着风电设备技术水平与可靠性的不断提高,中国在满足国内市场需求的同时,已将风电机组同时出口到33个国家。截至2017年底,中国风电机组制造企业已出口的风电机组共计1,707台,累计装机容量320.5万千瓦。
 
  海上风电方面,作为一种清洁的、拥有巨大发展空间的能源形式,海上风电在近年来发展活跃,欧洲仍然是全球海上风电的中心。截至2017年底,欧洲海上风电累计装机达到1,578万千瓦,其中2017年新增并网容量314.8万千瓦。包括部分并网的项目在内,欧洲目前共建造了92座海上风电场,分布在11个国家,有4,149台机组并入电网[夏云峰。2017年欧洲海上风电新增并网容量3148MW[J]。风能,2018(02):38-43],具体如下表所示。
 
  2017年,中国海上风电取得重要进展,新增装机共319台,新增装机容量达116万千瓦,同比增长97%,增速较快;累计装机达到279万千瓦。其中,中国2013~2017年中国海上风电新增和累计装机容量如下图所示。现阶段,技术与成本仍然是制约海上风电进一步发展的关键性因素。根据行业相关数据进行测算,若只考虑海水深度,当海水深度从15m增至30m,支撑基础造价将由3,000元/kW增至5,000元/kW;当离岸距离从5km增至200km时,安装成本将由4000元/kW增加到8,000元/kW[叶军,仲雅娟。海上风能利用及其成本分析综述[J]。太阳能,2018(06):19-25]。
 
  2、风电机组
 
  风力发电机组可将风的动能转化为电能,按照设备的主要结构特点,可将风力发电分为水平轴风力发电和垂直轴风力发电。目前,世界普遍采用水平轴升力型风力发电机。
 
  中小型风电机组方面,功率为5~10kW的水平轴离网型风电机组一般是由3个机械变桨距叶片组成的风轮驱动永磁发电机发电,发出的电经控制器整流成直流电充入蓄电池储存,蓄电池里的直流电经逆变器转换成交流电后,输出220V交流电带动用电器工作。该类风电机组多用于为发展中国家和部分发达国家远离电网地区的农牧民家庭供电或社区供电,属于风力分布式能源。
 
  大型并网型风电机组方面,2005年以前,定桨距风电机组曾是全球风电场建设的主流机型,但由于变桨距的功率调节方式具有载荷控制平稳、安全和高效等优点,变桨距2005年以后在大型风电机组上得到了广泛应用。2014年以后,世界上新安装的大型并网型风电机组全部采用了变桨变速恒频技术,总体来看,世界风电机组主流实现了定桨距向变桨距的转变。其中,双馈异步发电机变速恒频风电机组是目前世界上技术最成熟的变速恒频风电机组。欧美多家领先的风电机组制造商都在批量生产此类风电机组。近十年来,1.5~4MW的双馈异步发电机变速恒频风电机组在全球风电场的建设中占据主力地位。
 
  我国多数风电机组制造企业也都在生产双馈异步发电机变速恒频风电机组。2016年我国新增的风电机组中,双馈异步发电机变速恒频风电机组占比约为61%。目前,我国2MW双馈异步发电机变速恒频风电机组的技术已经非常成熟,并已成为主流机型。预计到2020年,我国新增风电机组中,双馈异步发电机变速恒频风电机组的占比仍将超过50%。但是,因直驱式和半直驱风电机组技术的不断成熟和发展,双馈异步发电机变速恒频风电机组的竞争性将不断下降,预计到2030年以后,此类风电机组将逐步退出风电市场。
 
  直驱永磁式风电机组采用无齿轮箱的直驱方式,能有效减少由于齿轮箱问题而造成的机组故障,可有效提高系统运行的可靠性和寿命,减少风电场维护成本,因而得到了市场青睐,市场占有率逐年上升。2016年,我国新增大型风电机组中,永磁直驱式风电机组的占比达34%以上。预计到2020年,我国新增风电机组中,此类风电机组将占到45%以上的市场份额[沈德昌。当前风电设备技术发展现状及前景[J]。太阳能,2018(04):13-18]。
 
  3、未来发展
 
  为实现2020年和2030年非化石能源占一次能源消费比重15%和20%的目标,促进能源转型,我国必须加快推动风电等可再生能源产业发展。《风电发展“十三五”规划》(以下简称“规划”)指出,到2020年底,我国风电累计并网装机容量确保达到2.1亿千瓦以上,风电年发电量确保达到4,200亿千瓦时,约占全国总发电量的6%。考虑到截至2017年底我国风电累计装机达到1.88亿千瓦。未来我国风电发展仍有一定的空间。
 
  我国政府在政策层面大力推动风电发展,同时持续推进电力市场化改革,并将解决弃风限电问题当做下一阶段重点解决的问题。近期关于国内风电产业发展的政策整理汇总如下所示。
 
  随着过往十几年的快速发展,我国风电装机规模已经稳居世界第一,风电装备技术水平也进入世界领先梯队。与此同时,我国面临较为严峻的弃风限电问题,2016年我国弃风电量达到峰值497亿千瓦时,造成严重的经济损失。国内风电产业面临的主要矛盾,从原有争取大规模、高速度的风电装机规模,转向如何消纳风电与建设速度之间的矛盾。对此,未来我国将从合理规划电网结构、挖掘系统调峰潜力及优化调度运行方面,力争解决风电消纳问题。
 
  随着陆地优质风能资源的逐步开发,海上风电已成为未来的发展趋势,受到世界各国的重视。海上风电相比陆上风电,具有以下优势:海上风速高于陆上风速高,风能资源丰富;海上风主导风向一般稳定,有利于机组稳定运行,延长寿命;海上风电单机容量可以提高较大,由于噪音限制小,使得能量产出大,年利用小时数更高;机组距海岸较远,视觉影响小;环境负面影响小;不占用陆地宝贵的土地资源等。未来海上风电建设方面,《规划》指出,未来我国将重点推动江苏、浙江、福建、广东等省的海上风电建设,积极推动天津、河北、上海、海南等省(市)的海上风电建设,探索性推进辽宁、山东、广西等省(区)的海上风电项目,到2020年,全国海上风电开工建设规模达到1,000万千瓦,力争累计并网容量达到500万千瓦以上。
 
  二、风力发电环境效益
 
  风电工程使用可再生的自然风力资源发电,同时不排放任何污染物,因此其节能减排环境效益的概念体现于所替代的其他发电类型将产生的能源消耗和污染物排放。由于目前燃煤火电在我国能源结构中占据主导地位,通常将风电与其进行对照比较,即以产出同等电量,节约燃煤火电的能耗及减少的污染物排放量值作为风电的环境效益指标。
 
  燃煤火电使用化石燃料煤炭作为主要能源,在燃烧发电过程中排放温室气体CO2以及有害大气污染物,包括SO2、NOx、烟尘等,造成全球气候变化以及灰霾等环境污染问题。由此,对风电环境效益的考量,可以分别从节约能源量、CO2减排量、SO2减排量、NOx减排量、烟尘减排量进行。
 
  1、节约能源
 
  节约能源方面,以节约标煤量计算,可以参考火电行业平均的煤耗水平,即全国火电发电标准煤耗值。考虑到供电煤耗逐年降低的客观情况,可以选取行业有关部门定期发布的基于相同统计原则确定的年度煤耗指标,以保证数据的统一性、可比性及实时性。具体计算中,可以采用中国电力企业联合会每年发布的全国年度供电煤耗值,其中2010~2017年度煤耗指标如下图所示。
 
  2、减排CO2
 
  CO2减排方面,根据风电场年度实际发电量及替代当年火电供电标准煤耗值,乘以吨标煤CO2排放系数,即得到风电场年度CO2的减排量数据。
 
  根据《中国发电企业温室气体排放核算方法与报告指南》(试行),发电企业的温室气体排放总量等于企业边界内化石燃料燃烧排放、脱硫过程的排放和净购入使用电力产生的排放之和。其中,化石燃料燃烧是CO2主要的排放来源,其CO2排放量主要基于分品种的燃料燃烧量、燃料的低位发热量、单位热值的含碳量和碳氧化率计算得到。企业化石燃料消耗主要由燃煤、辅助燃油、移动设施用柴油和移动设施用汽油组成[盖志杰,王鹏辉。燃煤电厂碳排放典型计算及分析[J]。中国电力,2017,50(05):178-184]。
 
  3、减排有害气体
 
  有害气体减排方面,同样可以根据风电场年度实际发电量及替代当年火电供电标准煤耗值,分别乘以吨标煤的SO2、NOx、烟尘排放系数,即可得到风电场年度SO2、NOx、烟尘的减排量数据。例如,下表为中国银监会统计的近年来风电行业绿色信贷所产生的节能减排效果。
 
  三、风电场环境效益评估框架
 
  风力发电所产生的节能减排效益,主要来源于其替代传统化石能源并生产供应电力。风电场的发电效率越高,则其理论上的节能减排效益越明显。本篇研究对风电场环境效益的评估基于此假设,并分别从风电项目的设计水平与运行维护水平展开。
 
  1、设计水平评估
 
  作为风电场建设第一阶段的风电场设计,对风电项目后来的运营有举足轻重的作用和深远的影响。风电场设计从最初的风场选址就开始了,包括宏观选址、风资源评价和微观选址等内容。风电场设计需要多专业协同工作,主要包括风能、系统、电气、土建、水工、勘测、环保和技术经济等专业。同时,风电场设计需综合考虑风能资源、当地经济、电网、交通、地质等多方面的因素。
 
  考虑到对风电场设计水平进行评估时,不同区域地理特征、气候条件各不相同,风资源条件差异较大,工程设计中常用的“风电场年等效满负荷小时数”和“风电场容量系数”等性能参数仅客观反映了地区风能资源的特性,设计中如果统一采用上述两个参数来评价风电场的设计水平,由于风资源条件好的地方上述指标客观就高,不能充分反映设计技术对工程的影响,如果得出风资源越丰富地区,风电场设计水平越高,显然不能真实体现设计工作的价值,而且实践证明与实际情况也不符。
 
  影响风电场发电量的两个主要因素是:风能资源情况与风电机组的选型和布置。对于一个特定的场址,其风能资源情况是无法改变的固有条件,而真正体现设计水平和技术能力同时对风电场设计水平有直接影响的工作是风电机组的选型和布置方案。
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