1、近海资源稀缺,深远海资源禀赋优越:中国海岸线长海风资源广阔,近海有限制条件,据 ESMAP 测算,美国、中国、日本等海风资源 储量分别可达 5259/2982/1897GW,其中深海(>50m)占比达 64%。而由于交通航道、 渔业养殖、军事管控等用海冲突,近海实际可开发资源量远小于测算值。
➢目前全球已投运海风项目仍主要集中于离岸距离小于 40m、水深小于 40m 的近岸浅海区域,水深超过60米的这些海域,它的一个风资源可开发量是占到了80%甚至更高的一个水平;
➢目前国家规划未来近海100GW,深远海总计300GW,十五五期间打开市场空间,深远海有望开发150-200GW
2、技术的源头是来自于海上的油气平台, 漂浮式的一些基础,包括半潜、单柱、张力腿、驳船这些漂浮式的机组,实际上基本都是源自于海上的油气平台,是把这些技术嫁接到海上风电和风机的技术结合起来的过程
➢漂浮式海上风电区别于固定式风电装置,固定式的桩是要通过施工打到海底下面“扎根”在海床上的,施工的难度也会越来越大。漂浮式则是放置在浮动结构上系泊和锚固的,所以从技术和经济性角度来讲的话,水深超过60米,漂浮式兴起只是一个时间的问题
二、主要国家漂浮式海上风电发展规划和动态
➢欧洲、东亚积极探索漂浮式海风。
➢中国将逐步超越欧洲成为主要新增市场。
•“十四五”时期,预计我国浮式风电新增装机将由 5.5MW 增长至 280MW,CAGR 为 167.1%;“十五五”时期,预计我国浮式风电新增装机将由 0.6GW 增长至 6.2GW,CAGR 为 79.5%。
•中国浮式风电项目于 2021 年启动,自 2021 年国内首台漂浮式海上风电试验样 机“三峡引领号”投运,另有中船集团“扶摇号”、龙源电力漂浮式海上风电与养殖融合研 究与示范项目、中海油深远海浮式风电项目、明阳阳江青洲四海上风电项目、中电建海 南万宁百万千瓦级漂浮式海上风电项目(一期)预计将于 2025 年前投运,总装机规模为 229.2MW,占比 36.2%。
三、漂浮式技术路线未定,商业化降本是关键
1、漂浮式基础,漂浮式基础通过系泊系统与海床相连,摆脱了复杂海床地形以及复杂地质的约束,受水深影响小,且同一海域的若干台风机基础可做成标准型式,可以提高建造效率、降低开发成本,运输维护也便利。
目前漂浮式海上风电的基础类型主要包括三大类,分别是半潜式(Semi-sub)、单柱式(Spar)、张力腿(TLP)三种基础类型在投运/在建项目中占比分别为 63.3%、26.7%、10%。从原理、重量、造价等角度对比结果如下:
1)半潜式:该类型平台在风机倾斜时,可通过分布式的浮筒结构产生较大的水线面变化, 进而产生抵抗平台倾斜运动的回复力矩。6MW 半潜式风机重量约为 3000t,以“三峡引 领号”为例,成本约为 4.4 万元/kW,重量及经济性在三种基础类型中排名均居中。
2)立柱式:该类型平台的重心设计远低于浮心,当平台发生倾斜时,重心和浮心之间形成 回复力矩可抵抗平台倾斜运动;另外较小的水线面设计可减小平台垂荡运动。6MW 立柱 式风机重量约为 3500t,以 Tetraspar Demonstration 项目为例,成本约为 3.7 万元/kW,重 量最大,但最具经济性。
3)张力腿式:该类型平台通过垂向下的系泊张力平衡浮体向上的超额浮力,因此具备较好 的平台垂向运动性能,但安装过程复杂。6MW 张力腿式风机重量约为 2000t,以 Pivot Buoy 项目为例,成本约为 13.4 万元/kW,已投运项目中仅有该项目采用了张力腿式基础,因 此仍较缺乏相关制造及施工安装经验,张力腿式重量最轻,但造价最高。
2、漂浮式风机创新:风电机组大型化技术趋势
1)双头机/浮体岛:EnerOcean、EnBW、Hexicon 等多个国外开发商对单基础平台搭载 多台风机的路线探索已久,并研发出 W2Power、Nezzy2、TwinWind 风机,该设计使得单 个基础平台容量更大,同样容量下系统重心更低。2022 年 9 月 29 日,明阳智能作为德 国 Nezzy²在中国的技术合作伙伴和被许可方,采用 Nezzy²设计,推出“OceanX”双转子漂浮式海上平台,搭载两台明阳 MySE8.3-180 超紧凑半直驱海上风机,总容量达 16.6MW, 并计划安装于中国南海海域,这是中国对双头漂浮式风机的首次探索。
2)异型塔筒:X1 Wind、Eolink、T-Omega Wind 先后研发出无塔筒风机,该类型风机 主要以单点系泊、下风系统设计为主,可大幅降低用钢量,从而减重降本。
3)单/双叶片:Seawind Ocean、TouchWind 分别推出两叶片、单叶片风机,该类型风 机安装过程相对更为便利。
总体来看,浮式风机创新结构设计体现了开发商在降本增效上所做的努力,海外开发商 始终走在前列,中国厂商探索相对较晚,目前已推出机型多数仍处于模拟测试或样机建设阶段。
3、漂浮式风机创新:系泊+锚固+动态缆
➢系泊
•悬链式为常用系泊系统。系泊系统可对漂浮式风机进行位置和运动的约束,一般由起链机、导缆孔、系泊线和锚固装置四部分组成,其中系泊线是连接浮式基础和海床的关键构件,主要有悬链式、张紧式、张力腿式三种形成。半潜式、立柱式漂浮式风机常采用 悬链式系泊,该类型系泊线为钢链结构,钢链因其具备制造成本低、工序简单、强度高 等优点,是目前使用最广泛的系泊材料,但其占据海床空间较大,重量随着水深增加而 急剧增大,而张紧式、张力腿式在该方面有一定改善,但从安装角度来看,则更为复杂。
•实际方案设计将基于传统系泊方案进行优化降本。
国内项目,“引领号”及“扶摇号”均采 用 9 点悬链式系泊方案,即三个立柱各有三条系泊缆,三条系泊缆共用同一个锚固基础。 根据已投运的三峡引领号设计方案可知,每条系泊缆主要由 4 段组成,自上到下分别是 系泊链段、重块段、单股钢丝绳段和锚端系泊链段,采用“系泊链+配重块”的设计可有效 减小系泊半径。
国外项目,Total Energies 和 Equinor 合作投资“蜂巢式”系泊设计,每 3 台浮式机组、3 套带锚的浮标、6 根系泊链组成一个“蜂巢式”系泊单元,平均每台风机仅 需配置 1 套带锚浮标和 2 根系泊链。据 Semar 测算,与常用的一套风机、一套系泊系统 相比,该共享式系泊系统可降低 50%以上系泊设备成本。
➢锚固系统:系泊线需利用锚固装置与海床进行连接。
主要有四类,根据锚固装置的形式和力学特性,可将其划分为抓力锚、桩锚、吸力锚及重力锚。在中国的漂浮式项目中,“引 领号”、“扶摇号”分别采用了吸力锚和桩锚。
1)抓力锚:目前使用最广泛的一种锚固结构,其部分或全部嵌入海底,主要依靠锚的 前部结构与土壤的摩擦力抵抗外力,可承受较大水平力,常与悬链式系泊的锚链搭配使 用,安装简单,但不适宜太硬海床。
2)桩锚:向海床打入桩基,通过桩基与土壤之间的作用力提供锚链的水平和垂直张力, 适用于各种海床土质条件,但安装和拆除需采用专用设备,在深水区域作业施工费用较 高。
3)吸力锚:类似于桩锚,但中空的缸筒结构直径更大,可承受系泊线的水平和垂直张 力,不适用于松散沙土或硬质土海床,安装较为简单。
4)重力锚:通过压载与海床表面的摩擦力抵抗锚链的水平张力,并借助压载重量抵抗 锚链的垂直张力,适用于中等硬度或硬质土海床,安装较为简单,但由于体积和重量较 大,安装和拆除对吊装设备吨位要求较高。
➢动态海缆:受载荷影响大,技术要求高。
相较于固定式风机,漂浮式风机由于支撑平台运 动具有一定范围,海底电缆近端需采用动态海缆技术,并运用浮力单元将海缆悬挂,呈 现“S”形态,使得海缆在一定的摆动范围内可随平台运动,起到缓冲的作用。动态海缆 不仅要承担传输电力的作用、还要抵御各种环境载荷耦合所产生破坏的能力,因此在设 计动态海缆结构时,要考虑各种载荷对海缆结构的影响。
➢浮式基础安装施工方式众多,天然港湾可满足漂浮式风机的安装。
部分省份现有港口条件不足,且新建港口资源获取难、建设周期长,短期内难以满足风机整装及工期要求。因此中电建为解决该问题提出了移动码头、靠桩系泊及承台坐底三种方案,在 项目近海港口周边寻求风浪较小海域作业。以上方案均需风电安装船施工,在风机大型化及深远海趋势作用下,对安装船起吊能力、作业水深、可变载荷及甲板面积均提出更 高要求,因此在海风抢装时期存一定供应缺口。
四、大型化规模化推动降本,浮式风电平价在望
•从已投建的样机来看,漂浮式海风造价约为固定式海风的 4 倍。据不完全统计,山东/ 浙江/广东/海南固定式海风项目分别为 11753/13483/14067/12500 元/kW,而漂浮式海风项 目造价极高。据 NREL 统计,固定式/漂浮式海风成本主 要由运维、风机、基础及电气设备四部分构成,分别占总成本的 76.7%、81.4%。各环节对比来看,固定式/漂浮式基础成本占比差别最大,分别为 8.4%/27.1%,其次为运维和风机。据 Azure International 统计,漂浮式海风资本性支出中浮体、拖运和安装、系泊系统和风机成本占比高达 90%,其中浮体占比最高,为 31%。
•大型化叠加规模化推动降本。Carbon Trust 预测,漂浮式风场降本总空间达 52%,其中平台基础、风机降本空间最大,分别为 16%、12%。根据前述分析,“十四五”期间漂浮式 海风规模未达大幅增长阶段,该阶段风机大型化为主要降本路径;“十五五”期间可参考 2.3MW 的 HyWind I 样机与 30MW Hywind Pilot Plant 项目,单 MW 成本同比下降 66.8%, 我们认为随着大型漂浮式风场的规模化放量,单位成本有望进一步下降。
五、产业图景:主机海缆为传统龙头占优,新玩家入局
•海外西门子歌美飒、维斯塔斯风机领衔,国内明阳智能多项目布局。在已投运/在建漂浮 式海风项目中,欧洲项目多采用西门子歌美飒、维斯塔斯风机,少部分采用开发商自研 风机;日本项目多使用本土品牌三菱、日立,少部分采用欧洲品牌,如 Aerodyn;中国 项目采用明阳智能、海装风电、电气风电风机,其中“三峡引领号”、中海油深远海浮式 风电项目及明阳阳江青洲四海上风电项目均采用明阳智能风机。预计未来随着漂浮式海 风项目规模的不断增长,从产品性能及质量角度考虑,欧洲、中国整机商巨头仍将占据主要市场份额,且国内将有更多整机商进入。
•动态海缆供应商较为集中,产品设计、敷设技术要求高。
海外市场中,动态海缆供应商 主要有挪威的 Aker Solutions、日本的 Furukawa Electric、希腊的 Hellenic Cables 等;中国市场中,东方电缆、中天科技具备生产动态缆的能力,且东方电缆已为“三峡扶摇号” 供应 1180 米长、外径 13.28cm、重量超 35 吨的动态海缆,该动态海缆为适应南海海域恶劣的环境,已进行多方面优化,不仅提高了海缆的抗拉、抗弯曲和抗疲劳能力,同时还 通过分布式浮力块和配重块的配合,形成相对稳定的线型;另外,此次敷设施工如附件安装、动态段与静态段海缆敷设、锚固装置安装等步骤均由东方电缆安装,技术水平要求高。
2、浮体系统:基础设计新老玩家兼具,锚链格局集中
各浮体基础设计具备独特性,多领域公司参与该环节。由于漂浮式风电技术仍为较新领 域,下表显示曾参与浮体环节公司除浮式风电技术公司 Principle Power/Ideol 外,还包括 船舶企业、能源服务企业如 Saipem、三星重工等,且各家所设计的浮体结构均具备一定 独特性。中国市场中,“引领号”、“扶摇号”的浮体设计公司分别为中国海装、Wison, “引领号”采用钢半潜平台,“扶摇号”则采用柱稳式平台构型,呈等边三角形布局。
推荐逻辑: 风电向深远海走是必然产业趋势,在此之下
①价值量增大的分别是海缆、塔筒(桩基)、炭纤维叶片
②新增从0到1的场景是漂浮式海风
③出现新增需求的是柔性直流送出工程——海上换流站
推荐标的:(排序弹性在前,价值在后)
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