2018年全球与能源相关的二氧化碳排放量达到历史新高，化石燃料发电量仍占发电总量的近三分之二。随着全球能源体系电气化进程的推进，对清洁、廉价的低碳技术的需求比以往任何时候都更加迫切。
（来源：微信公众号“千尧科技” 作者：千尧科技/编译）
国际能源机构(IEA)与各国政府、行业和研究机构合作，对海上风能进行了迄今为止最全面的全球研究。根据目前风电现状和政策规划，全球海上风电在未来20年将增加15倍，成为价值1万亿美元的业务。
国际能源机构的最新报告《Offshore Wind Outlook 2019》列出了海上风电的现状、潜力以及持续发展需要克服的挑战，意在为各国海上风电发展指明道路。千尧科技对该报告进行翻译梳理、提炼加工，形成高信息密度的上、下两篇文章，与读者分享。
海上风电现状
1、装机容量
2018年，全球海上风电装机容量新增4.3GW，总装机容量达23GW。自2010年起每年增长接近30%。见图 1。
图1 2010~2018各国每年海上风电装机容量增加量
至2018年，全球超过80%的海上风电位于欧洲。英国约8GW，占总量的三分之一。德国为6.5GW，丹麦、荷兰和比利时共计3.6GW。而起步相对较晚的中国已经拥有3.6GW的海上风电装机容量。见图2。
图2 2018年各国海上风电装机容量及其在本国电力供应中的占比
2018年，全球海上风电仅占电力供应总量的的0.3%，中国海上风电仅占中国电力供应总量的0.1%。
2、行业投资
海上风电行业投资额从2010年的不到80亿美元增长到2018年的近200亿美元，占全球风电投资总额的近四分之一，占可再生能源投资的6%。
3、风电市场
目前欧洲公司占据着海上风电市场的主力地位，见表1。丹麦Φrsted公司拥有最大的市场份额，并积极开拓美国和亚洲市场。德国莱茵集团（RWE）在收购莱茵创新公司（E.ON and Innogy）后，巩固了其在海上风电市场的份额，现在是世界上第二大海上风电运营商。
中国企业的市场份额越来越大，龙源电力集团(China Longyuan Power Group)和中国三峡集团公司(China Three Gorges Corporation，简称CTG)两家中国国有企业目前市场份额约为7%。
表1 2018年海上风电行业中市场主要参与企业
4、技术发展与性能
（1）风电机组
自1991年第一台海上风电机组在丹麦沿海安装完成，海上风电技术取得了巨大进步，主机厂商主要聚焦于开发更大、性能更优异的风电机组。商用风电机组叶尖高度从2010年的100多米(3MW)增加到2016年的200多米(8MW)。GE的12MW风电机组预计将达到260米左右，行业的目标是在2030年建成更大的15-20MW风电机组。虽然大尺度风电机组也会对基础结构、安装等带来不便，但它也减少了运行和维护成本，最终降低电力成本。见图3。
图3 最大商用风电机组的发展
（2）容量系数
风电机组容量系数指统计周期内风电机组实际发电量和该机组额定理论发电量的比值。与其他可再生能源相比，海上风电具有更高的容量系数。2018年，全球海上风电机组的平均容量系数为33%，而陆上风电机组的平均容量系数为25%，太阳能光伏发电的平均容量系数为14%。展望未来，海上风电在中等风速条件下的容量系数预计将超过40%，在优质风资源地区将超过50%。见图 4、图5。
图4 各地域不同能源形式年均容量系数参考值
图5 各地域海上风电及光伏发电最近项目中周平均容量系数仿真值
3、能量变化率
与陆上风电和光伏发电相比，海上风电具有更低的能量变化率。海上风力发电的小时变化率为20%，光伏发电为40%。见图 6。
图6 不同新能源形式电力输出的小时变化率范围仿真值
5、成本与成本构成
2018年已完成的海上风电项目的全球平均投资成本为每千瓦4353美元，度电成本（LCOE）低于140美元/兆瓦时(MWh)，见图 7。最近的竞标结果显示，海上风电的成本正在迅速下降。
图7 海上风电各部分的投资占比以及2018年已完成项目的度电成本参考值
其中，风电机组约占前期总投资成本的30~40%，电力传输和海上变电站约占20~30%，安装费约占15~20%，基础约占20~25%。在现有的海上风场中，单桩约占80% (WindEurope, 2019)，且有在55~60米的深水中推广的可能，水深再增加将使用导管架基础，该基础目前使用量仅次于单桩。近年浮式风机发展也很迅速，部分进入商业试运营阶段。
2040年海上风电发展展望
1、全球发展展望
在政策支持和成本下降的驱动之下，未来20年，全球海上风电市场将迎来显著扩张。据Stated Policies Scenario预测，全球海上风电装机容量从2018年到2040年将增加15倍，每年以13%速度增长。到2040年，全球海上风电装机容量将增至约560GW。见图8、图9。
注：Stated Policies Scenario简称为STEPS，Sustainable Development Scenario简称为SDS。
图8 已规划的全球海上风电容量及电力供应占比
图9 2019~2040年海上风电、燃气发电、燃煤发电的累计投资额
根据STEPS预测，到2040年，海上风电将占全球电力供应的3%。这一数据在SDS中为5%。
2、地域发展展望
由于政策和沿海条件关系，海上风电的发展将主要集中在六个地区：欧盟、中、美、韩、印、日，见图10。
图10 各地域安装的海上风电装机容量
表2 2030年各地域海上风电政策目标
STEPS预测，欧盟将继续作为海上风电领军者。到2040年，占全球海上风电市场近40%的份额，装机容量将增至近130GW，为欧盟提供超过六分之一的发电量。
SDS的预测比STEPS高40%，到2040年，欧盟装机容量将达175GW，累计投资将达5000亿美元，年投资230亿美元，占欧盟总供电量的五分之一，并超过陆上风电和核电，成为欧洲最大的电力来源。见图11。
图11 2018~2040年欧盟海上风电展望
表3 欧盟海上风电政策目标
据STEPS预测，中国到2025年海上风电将超越英国，2030年后，由于海上风电的平价化，更是将以平均每年6GW速度稳定增长。2019到2040年这20年间，中国海上风电年平均投资额将达到90亿美元。
根据SDS预测，到2040年，中国的装机容量将达到近175GW，与欧盟的海上风电规模相当。从2019年到2040年，中国年平均投资额将达130亿美元。2030年左右，海上风电成本将与煤电相当，这将是支持中国持续长期增长的一个关键里程碑。见图12。
图12 2018-2040年中国海上风电展望
表4 中国十三五计划中各省海上风电政策目标
在接下来的二十年里，美国的海上风电容量将显著增长。根据STEPS预测，美国到2040年将增加近40GW的海上风电，在此期间相关投资总额将达到1000亿美元。海上风电将占美国电力供应的3%以上。SDS的估计更为乐观。见图13。
图13 2018~2040年美国海上风电展望
表5 美国海上风电政策目标及政策支持
3、新兴市场
海上风电将在中国以外亚太地区蓬勃发展。根据STEPS预测，到2040年，韩国、印度和日本三国的海上风电装机容量将接近60GW。它们占全球海上风电累计投资的六分之一，相当于未来20年平均每年有超过60亿美元的投资。在SDS中，这一数据接近100亿美元。
亚洲以外的一些国家也正在积极评估它们的海上风能资源。巴西、南非、斯里兰卡和越南等一些具有巨大海上风能潜力的国家，也对海上风电行业表现出强烈发展意向。
4、海上风电成本、价值、竞争力
海上风电的长期前景在很大程度上取决于它与其他电力来源的竞争力。这种竞争力最终以度电成本（LCOE）进行衡量。
（1）投资成本
历史数据显示，全球容量每翻一番，投资成本就下降15%。预计到2030年，全球海上风电(包括输电)的前期平均投资成本将降至2500美元/千瓦以下，比目前的平均水平低40%以上。到2040年，全球海上风力发电的平均成本预计将降至1900美元/千瓦。
STEPS中，除输电成本外，2018年全球海上风电项目的前期投资成本平均约为3300美元/千瓦，预计到2030年将降至1500美元/千瓦，到2040年将降至1000美元/千瓦以下。这意味着，到2040年，在海上风电成本构成中输电成本与投资成本相当。见图14。
图14 除传输成本以外的海上风电投资成本（包括历史数据及预测数据）
（2）离岸传输成本
目前的海上风电呈现出向深远海发展的趋势，这样一来则凸显出电网连接和管理电网连接相关法律法规的重要性。见图15。
图15 各国海上风电平均离岸距离
目前的电力传输有交流传输和直流传输两种传输方式。交流输电在短距离传输中有成本优势，但在长距离传输中，高压直流(HVDC)传输则更具成本优势。见图16。
图16 不同传输距离下交、直流高压传输前期投资成本参考值
目前，电力传输成本约占海上风电成本的四分之一，随着离岸距离的增加，其在总成本中所占的比重还将继续上升甚至达到总成本的二分之一。电力传输技术的发展，将是支持海上风电新项目成本降低的关键。
（3）运营和维护成本
与投资成本类似，运营和维护正在经历重要历史发展时期。数字化带来了新的监测技术，随着更多新技术的发展应用，将导致成本持续下降。2018年，全球海上风电的平均运营成本约为90美元/千瓦，预计到2030年将下降三分之一，到2040年将下降至50美元/千瓦。中国等海上风电发展较为发达的地区，其运营成本将更低。见图17。
图17 各地域海上风电新项目年平均运营维护成本
（4）度电成本
随着全球海上风力发电的持续发展，海上风电各部分成本都将下降。包括风电机组、基础、传输、安装和运营管理等在内的各个方面。
将前面描述的所有成本要素综合，可以用度电成本(LCOE)来综合衡量。到2030年，全球海上风力发电的平均LCOE将从2018年的140美元/MWh水平下降到90美元/MWh，下降近40%，到2040年将下降近60%，接近60美元/MWh。基于相同的成本和性能参数，若采用低成本融资，成本将再降30%。
（5）海上风电的系统价值
海上风电的高容量系数和广泛应用使得它有与核电和燃煤发电等技术相媲美的发展潜力。
海上风电的价值一般高于陆上风电，并且比陆上风电和光伏发电更稳定。因为海上风电的持续输出性，使得即使海上风电的份额增加，它的能源价值仍然相对稳定。见图18。
图18 STEPS中各地域不同新能源形式相对于总电价的能源价值
海上风电有力保证电力供应充足，其容量的30%可以满足稳定需求，远高于陆上风电和光伏发电，这也减少了对其他能源投资需求，如燃气电厂投资。
目前北海风电中心也在考虑将海上风电与储能系统相结合，这样可以进一步提升海上风电系统供电可靠性。多种储能方式均在开发过程中，如电池和蓄热。根据SDS预测，储能功能的增加，会使全球可再生能源的比例提高到40%，一些地区的比例还会更高。
由于海上风电高容量系数特点，在适当的激励措施下，海上风电还可以为电力系统提供灵活的供电服务，根据需求提高或削减供电量。而且，未来数字化技术进步将会使得风电场灵活供电更有经济性。
海上风电也可以用来生产制氢，提供一种零碳燃料，可用于提高电力系统的灵活性，或用于工业、炼油和运输等行业来降低碳排放。
千尧展望
纵观全球海上风电发展趋势，结合我国需求、政策、基础条件等实际特点，千尧科技对国内海上风电的未来做出如下展望：
1、海上风电市场保持乐观
虽然面对海上风电平价上网的压力，国内海上风电市场将依然会保持乐观。主要原因一是地方政府出台补贴和激励政策，鼓励海上风电发展，带动就业和GDP增长，这其中以广东最为突出，浙江、山东后来者也在大力发展海上风电；二是产业链各参与方也在想办法降低各环节成本，保证海上风电可持续发展。
2、总投资成本下降直接源于政策倒逼
基于历史统计数据可以预测未来总投资成本下降，其中政策引导和倒逼是重要因素。海上风电上网电价降低，为保证收益水平，业主必然降低投资成本，进而倒逼产业链各参与方提升技术水平，降低利润空间。
3、直流输电是趋势
海上风电规模化开发，离岸距离越来越远，直流输电必然是趋势。江苏已计划建设直流输电，后期广东粤西阳江海域，粤东海域的深远海风电场将大概率采用直流输电。
4、数字技术助力智能风电场建设，运维成本持续降低
国内智慧海上风电场将迅速发展，例如：可通过数字技术应用，实现风电场“无人值班，少人值守”；通过智能监控，实现机组状态分析和预警；通过智能运行管理和线上流程，实现运维效率提升；通过水下资产管理，保证设施安全；通过智能库存，实现备件最优化等。
5、度电成本持续下降，推动海上风电直接交易
在海上风电实现平价上网后，产业链上技术将持续进步，产生更大的利润空间，必然会引起度电成本的持续降低，基于电网改革有望实现海上风电的直接交易。
