海上风电的兴起和未来

你可知道：

在美国公用事业规模的能源生产设施中，2021 年生产了约 4,1160 亿千瓦时 (kWh)（或约 4.12 万亿千瓦时）的电力。煤炭、天然气、石油和其他气体约占发电所用燃料的 61%。核能约占总量的 19%，可再生能源约占 20%。

可再生能源是未来的发展方向。为了实现可持续发展目标，必须立即停止有限的资源开发。传播利用丰富、自然和可再生资源的信息和知识有助于实现全球环境目标。人类的生存和增长依赖于地球的自然资源。然而，地球补充这些资源的能力限制了这些资源。只要开发速度不超过再生速度，淡水、森林和可收获的货物都是可再生资源。金属矿石和化石燃料是不可再生资源。对自然资源的需求和可持续管理是一个全球性问题，尽管过度开发的许多局部影响也在国际上产生。鉴于全球趋势，本章重点介绍欧洲对可再生和不可再生资源使用的重大变化。

根据美国能源信息署的数据，小型太阳能光伏系统在 2021 年额外产生了 490 亿千瓦时的电力。

可再生资源包括食物、水、风、太阳、森林和野生动物。资源消耗的速度必须保持在自然系统补充所需的范围内，才能使资源利用可持续。在某些情况下，地球可再生资源库存的消耗速度以及生产​​和消费对其再生能力的压力可能已经超出了这一限度。

根据美国能源信息署的数据，2020 年美国大部分电力来自天然气、核能和煤炭。

由于使用矿物、石油、天然气和煤炭作为材料和能源，地球的储量正在枯竭。然而，通过回收或提高使用效率，储量可用的时间范围可能会增加。最终，更有效的过程可以利用不可再生资源的数量将受到限制，从而需要使用可再生资源，并限制现有资源可以支持的活动数量。要了解有效利用自然和不可再生资源的重要性，可以查看以下一些事实和数据：

图 1：能源生产中使用的不可再生能源清单

• 煤炭

二氧化碳排放和发电的最大来源是煤炭，这使得向低碳能源系统的转变尤为困难。全球约三分之一的电力是用煤炭生产的。在出现替代技术之前，煤炭仍将是钢铁行业等行业必不可少的能源。尽管有 20 多个国家设定了逐步停止使用煤炭发电的最后期限，但煤炭仍可能在全球能源结构中发挥重要作用。如果各国政府和煤炭行业希望煤炭在未来几十年继续发挥清洁能源的作用，他们必须实施污染更少、更有效的技术，包括但不限于碳捕获利用和储存。

根据 Data Bridge Market Research 的数据，到 2028 年，煤炭发电市场预计将达到 3,839.44 千瓦的容量，而在预测期（2021 年至 2028 年）内，这一增长率为 6.50%。煤炭发电市场报告分析了由于全球对电气化的依赖日益增加而导致的增长。亚太地区在煤炭发电市场占据主导地位，因为该地区工业化迅速、煤炭价格低廉、日常生活能源需求增加导致电力消耗增加以及发电项目数量不断增加。杜克能源公司；中国华电集团有限公司；韩国电力工程建设公司；美国电力公司；Dominion Energy 和 Jindal India Thermal Power ltd. 是这个市场的一些主要参与者。

要了解有关此研究的更多信息，请访问： https://www.databridgemarketresearch.com/zh/reports/global-coal-power-generation-market

• 天然气

天然气是增长最快、燃烧最清洁的化石燃料，目前约占世界电力产量的 25%。然而，其在向净零能源系统转型过程中的长期应用尚不清楚。天然气燃烧确实会产生温室气体，但其二氧化碳和空气污染也比它所取代的许多燃料（尤其是煤炭）少得多。天然气的使用量在过去十年尤其扩大，约占总能源需求增长的三分之一，超过任何其他化石燃料。页岩气的供应和可交易液化天然气供应的不断增长正在推动天然气行业的全球化。由于天然气市场的扩张以及从长期合同向现货定价的广泛转变，市场现在比以往任何时候都更加相互关联，一个地区的需求或供应冲击现在会影响全球范围内的天然气和电力价格。天然气能够应对季节性和短期需求波动，并为风能和电力等可变可再生能源的不断扩大使用提供支持，因为它具有储存能力、可通过管道运输或液化后通过船舶运输以及燃气发电厂可快速启动和关闭的能力。然而，作为全球努力实现净零排放的一部分，天然气使用预计将面临压力。

• 核电

另一种不可再生能源通常是核能。虽然核电站使用的材料不是可再生能源，但核能本身是可再生能源。原子核或核心中所含的强大能量是通过核能获得的。核能不像其他形式的能源那样可再生，因为它会消耗放射性燃料。但核能是仅次于水电的全球第二大低碳电力来源。尽管在一些国家面临相当大的障碍，但核能传统上一直是全球最大的无碳电力供应商之一，并且有望帮助电力行业降低碳密集度。全球约 10% 的电力是使用核能生产的；在工业化经济体中，这一比例上升到近 20%。尽管核能能够产生零排放电力，但它面临着不同的未来。由于前期成本高昂、项目交付周期长，核电在某些地区难以与更便宜、安装速度更快的替代能源（如天然气或当代可再生能源）竞争。下一代基础设施的建设，包括小型模块化设施，可能会让核电占上风。许多国家核电前景不明朗，可能导致数十亿吨额外的二氧化碳排放。

• 油

化石燃料发电厂利用燃烧煤炭或石油产生的热量产生蒸汽，推动涡轮机发电。新冠疫情导致的全球石油需求历史性下降在 2021 年出现逆转，虽然预计近期需求将上升，但由于替代燃料的威胁以及通勤和驾驶习惯的转变，长期预测尚不确定。全球石油消费量的预测已经下降，如果各国政府对清洁能源的日益重视导致立法更加严格，并且疫情对行为的影响根深蒂固，需求可能会比之前预期的更早达到峰值。

化石燃料占全球每年消耗的总能源的 80% 以上。化石燃料对我们的生存至关重要，因为它们既能量密集，又加工成本低廉。无法补充的资源消耗得更快。无论出于何种目的，它们一旦耗尽就消失了。可再生资源如此丰富或如此迅速地被取代，以至于理论上它们永远不会耗尽。这就是海上风电变得越来越重要和被认可的情况。

海上风电：简介

海上风电或海上风能是从海上风力中获取的能量，经过加工后转化为电能，并提供给陆上电网。海上风能是一种无限的、持续可再生的能源，在将风能转化为电能的同时不会排放危险的温室气体。随着政府寻求应对气候变化和减少温室气体，海上风电将成为我们未来电力生产的关键。根据英国商业、能源和工业战略部 (BEIS) 最新的能源趋势数据，海上风电的份额从 2019 年第三季度的 9.7% 攀升至 2020 年第三季度的 11%。这与太阳能的 5.6% 以及生物燃料和废物的 12.7% 形成了鲜明对比。2020 年，风电发电量最高纪录被多次打破，最近的一次是在 12 月 18 日（17.2 吉瓦）。8 月 26 日，风电在电力结构中的占比达到了历史最高水平（59.9%）。英国拥有超过 10GW 的海上风电装机容量，是有史以来部署的最大海上风电装机容量。英国绿色且富有弹性的未来经济被认为由北海提供动力，北海是全球海上风电技术的领导者。中国在海上风电总装机容量方面位居第二，紧随其后的是德国。

世界上最大的海上风电场是北海的 Hornsea 1。它位于林肯郡海岸 407 平方公里处，拥有 174 台涡轮机，可产生 1.2 吉瓦的可再生能源。这足以为超过一百万户家庭提供可再生能源。英国及其欧洲邻国正在共同努力，改善海上风电场的绿色清洁电力流动。您可以了解更多有关互连器实现的技术成就。以下是一些有关海上风能的事实：

图2：关于海上风电的不为人知的事实

• 大多数美国人都可以使用海上风电资源- 五大湖和沿海各州是美国人口最多的地区，占美国电力需求的 80% 以上。美国东北部是该国首批海上风电项目的所在地，海上风电资源位于这些沿海人口附近，地理位置优越。与许多常见电力来源相比，沿海地区的风力涡轮机需要更短的输电线才能连接到电网。
• 海上风电正当时 在许多计划建设海上风电项目的地区，海上风速在傍晚和傍晚时分达到最高，此时消费者需求最高。大多数陆上风力资源在夜间更强大，此时电力需求较少。一些企业正在打造用于深海的创新型海上风电浮动平台。浮筒式、张力腿式和半潜式是三种不同类型的浮动平台。预计约 75% 的项目将使用半潜式平台。
• 美国的海上风电资源主要存在于深水区- 美国约 60% 的海上风电资源位于无法使用传统基础（例如巨大的钢桩或附着在海床上的格子结构）的地方。美国海上风电项目正在创建一系列适合特定场地条件的不同类型的基础。

未来十年，陆上和海上风电都将经历巨大的扩张。尽管 COVID-19 造成了延误，但 Statista 报告称，全球风电装机容量从 2019 年的 650 吉瓦增加到 2020 年的 743 吉瓦。风电装机容量的指数级增长表明其在全球范围内的接受度不断提高。由于技术进步和应对气候变化的国际举措，风电在经济上越来越可行。随着英国和欧洲、北美和印度等国家也以高速加速这一趋势，中国和美国继续主导世界风电行业。

• 海上风电场利用海底电缆将电力输送到电网 通过埋在海底的电缆网络，海上风力涡轮机产生的电力被传输回陆地。我们的家庭、学校和工作场所都由这些电力供电，这些电力由沿海负荷中心分配到电网中，并根据这些负荷中心的优先顺序进行分配。
• 海上风电部件的尺寸正在不断增大 通过船舶和驳船运输海上风力涡轮机部件可以避免陆上风力涡轮机部件的一些物流问题，例如穿越隧道或受限道路。尽管海上作业会带来独特的困难，但这些部件使海上风力开发商能够建造更大的涡轮机，从而产生更多的电力。海上涡轮机的高度可以达到华盛顿纪念碑的 1.5 倍，叶片长度相当于一个足球场，以利用海上可利用的巨大风力资源。
• 海上风电资源丰富- 风能有潜力提供大量清洁、可再生能源，满足美国沿海社区的需求。美国国家可再生能源实验室估计，美国海上风能的技术资源潜力超过 2,000 千兆瓦，即每年 7,200 太瓦时的电力。

海上风比陆地风更快、更稳定。这表明海上风是一种可靠的发电来源。因此，海上风力发电场比陆地风力发电场具有更显著的优势。风速的微小变化会导致能量输出的显著增加：在 15 英里/小时的风速下运行的涡轮机可以产生两倍于在 12 英里/小时的风速下运行的涡轮机的能量。海上风速更快，可以大大提高能量产量。

陆上风电和海上风电之间存在差异。可以通过下表了解和理解这种差异：

世界各地都在大力发展海上风电。寻求发展海上风电的企业应该做好应对各种障碍的准备，并在许多不同领域做到一流。在未来几年，海上风电预计将成为一种成熟可靠的可再生能源。一项研究预测，全球海上风电装机容量将从 2020 年的 40 吉瓦增加到 2050 年的 630 吉瓦，在 1.5° 路径情景下，可能再增加 1,000 吉瓦的发电量。

海上风力发电系统的作用

风力涡轮机的碳纤维叶片由空气推动。安装在叶片上的电机将动能转化为电能。电能被传送到变速箱，变速箱将叶片的低速旋转运动转变为高速旋转运动。然后，驱动轴迅速转动，足以驱动发电机。

风能是未来的能源生产方式。Data Bridge Market Research 准备了一份关于全球风能基础市场的调查报告。据 Data Bridge Market Research 称，到 2028 年，风能基础市场规模价值 2054.9 亿美元，预计在 2021 年至 2028 年的预测期内，复合年增长率将达到 10.40%。对风能和太阳能等可再生能源发电的偏好转变、对可再生能源的投资增加、日益增长的环境问题、快速的工业化、风电安装容量的快速增加以及风力涡轮机价格的下降将进一步为风能基础市场在上述预测期内提供各种增长机会。

要了解有关该研究的更多信息，请访问： https://www.databridgemarketresearch.com/zh/reports/global-wind-energy-foundation-market

传统上，陆上风力涡轮机一直主导着风力发电行业，但近年来，技术进步催生了海上风电场。与水上涡轮机不同，位于陆地上的涡轮机被称为陆上风力发电。它们通常位于偏远地区，几乎没有节约潜力。国际能源协会报告称，2019 年陆上风力发电量增长了 12%。陆上风力发电系统的缺点导致了海上风力发电系统的创新。其中一些缺点是：

• 风速变化- 陆上风力涡轮机的速度并不总是可以预测的。由于风速和风向变化多端，在陆地上持续发电可能很困难。为了做好发电准备，必须仔细观察风向和风速。
• 风阻- 发电不稳定也可能是由于山丘、山脉和附近建筑物等物理障碍造成的。正因为如此，陆上风电无法全年发电，发电量只能达到约 2.5 兆瓦，而海上风电约 3.6 兆瓦。
• 能源间歇性 陆上风力涡轮机在风速较低时需要化石燃料作为备用，因为它们并非全年运行。随着我们对风力发电厂能源依赖性的增加，对化石燃料的需求也将增加。
• 视觉和声音因素- 陆上风力发电场可能会破坏周围环境的美观。为了产生更多电力，在高地上建造的风力涡轮机可能会对附近的居民区造成影响。此外，风力涡轮机并不安静，因为它们在靠近居民区时会产生噪音。举个例子，风力涡轮机听起来就像割草机的声音。

说到海上风电，人们通常指位于浅水开阔水域（通常是海洋）上的风力更强劲的风力发电场。湖泊和峡湾等近海水域也可以称为拥有海上风力的地方。大多数海上风电场都使用浅水固定基础风力涡轮机。但随着技术的发展，在更深的水域建造风电场也将成为可能。根据全球风能理事会的数据，到 2030 年，海上风电将达到 234 吉瓦以上，亚太地区将领先。平均而言，海上风速高于陆地风速，即使风速略有提高，也能带来能源产量的显著增长。为了产生与陆上涡轮机相同数量的电力，需要的涡轮机更少。海上风力涡轮机更可靠，因为风速和风向不会频繁波动（意味着发电更可靠）。海上涡轮机的视觉冲击力小于陆地涡轮机。没有任何物理障碍可以阻止风的流动，也不会妨碍土地的使用。正因为如此，海上风电场可以扩大规模，产生比陆上风电场更多的能源，同时产生的不利物理影响更小。除了能够比陆上风电场建得更高之外，海上风力涡轮机还可以捕获更多的风能并产生更多的电力。

图3：亚太地区海上风电市场潜力最大

资料来源：麦肯锡 2021 年全球能源展望

海上风电几乎提供了无限的选择，随着越来越多的国家和地区制定海上能源目标和法规，新的市场几乎每天都在出现。到 2020 年中期，海上风电“仅”建成 23 吉瓦，而欧盟的目标是到 2050 年建成 300 吉瓦。此外，几乎没有任何限制，因为许多国家都坚定地致力于使用绿色能源来支持经济从 COVID-19 中复苏。在基本情况下，到 2050 年将增加 410 吉瓦，其中包括中国大陆的 240 吉瓦，亚太地区 (APAC) 在 2020 年已安装 11 吉瓦的海上风电，预计其容量将大幅增加，到 2030 年代中期超过欧洲、中东和非洲 (EMEA)。与中国大陆一样，台湾已成为亚洲海上风电行业的领导者。2021 年 12 月，日本发布了第三次招标，这是大多数政府用来分配海上风电容量的工具。越南、韩国和澳大利亚开始将他们的愿望付诸行动。尽管美洲的海上风电仍处于起步阶段，但预计到 2050 年，该地区将建成约 35 吉瓦的装机容量。根据美国总统乔·拜登于 2021 年 3 月签署的行政命令，到 2030 年，必须安装 30 吉瓦的海上风电装机容量。拥有适合海上风电的海洋区域的州已设定了较高的州级目标，延续了联邦的趋势。虽然东海岸的海上风电活动最多，但加利福尼亚、墨西哥湾、阿拉斯加和夏威夷也开始看到海上风电的潜力，包括浮动技术。

阿塞拜疆、巴西、加拿大、哥伦比亚、印度、阿曼、菲律宾、斯里兰卡、特立尼达和多巴哥等许多其他国家也在研究海上风电。

由于技术进步，海上风电的未来也在改善。直到最近，用于支撑涡轮机安装的底部固定基础通常位于水深 50 米的水域，因此需要相对较窄的大陆架。由于开发了新的浮动基础，海上风电的可行海域面积增加了五倍，这种基础无论下方地形如何都可以安装，并且可在 1,000 米及以上的水深下使用。法国首个商业浮动项目已经完成招标。意大利已确定超过 17 GW 的海上风电潜力，其中 70% 位于深水区，需要浮动基础。

随着人们对海上风电的认识不断提高，海上钻井也正在获得发展势头。Data Bridge Market Research 发现了这一机会，进行了详细调查并编写了一份全球海上钻井市场报告。据 Data Bridge Market Research 称，到 2028 年，海上钻井市场估值将达到 1.2189 亿美元，而在 2021 年至 2028 年的预测期内，这一增长率为 4.60%。海上钻井市场根据服务类型和应用进行细分。根据服务类型，海上钻井市场细分为合同钻井、定向钻井、随钻测井和随钻测量。合同钻井部分将在市场增长中占据最大份额。海上钻井市场的应用部分包括浅水钻井、深水钻井和超深水钻井。由于该地区勘探和生产活动数量增加以及对石油和天然气的需求不断增加，预计亚太地区将在 2021-2028 年预测期内保持海上钻井市场的最大增长率。

要了解有关该研究的更多信息，请访问： https://www.databridgemarketresearch.com/zh/reports/global-offshore-drilling-market