海上风电与海洋牧场融合发展现状与实践分析

发布日期：2024-02-2656    已浏览 作者: 行业动态

 

	  我国拥有4.9×10⁶km²的海洋面积、长达1.8×10⁴km的海岸线⁴km的海岛线多个海上岛屿，蕴含着丰富的海洋资源，具有巨大的开发潜力。海上风电是海洋可再生清洁能源开发的主要形式，在节能减排和能源结构调整优化中扮演关键角色，是实现“碳达峰、碳中和”双碳目标、发展海洋经济的重要一环。海洋牧场是中国传统渔业发展转变发展方式与经济转型的金钥匙，在改善海洋生态环境、养护渔业资源、提供优质动物蛋白、改善膳食营养结构等方面具备极其重大意义。海水风电和海洋牧场融合发展有利于弥补各自发展中的“短板”，有利于全方位利用海域空间，对于海域资源利用、生态用海、能源紧张等问题具有重大战略意义，有利于开辟“水下产出绿色产品，水上产出清洁能源”新路径，形成“海上粮仓+蓝色能源”新模式，实现海洋清洁能源和现代化海洋牧场产业双赢升级，是未来海洋资源开发的必然趋势。


	  国外海上风电的发展大致历经了三个阶段：20世纪70年代初，欧洲各国提出了利用海上风能资源发电的构想，并于1997年完成了500-700kW样机的试验；2000-2010年，欧洲各国完成了1.5-2.0MW的海上风电场的建设并成功向公共电网输送电力，标志着海上风电的发展进入了兆瓦级商用阶段；2010年，德国市场最早慢慢的出现数兆瓦级风力发电机组，标志国外风力发电机组向大型化方向发展。发展到2021年底，全球海上风电累计装机容量已达到约57GW。全球风能理事会（GWEC）发布的《全球风能报告2022》称，未来5年全球海上风电年均复合增长率预计达8.3%，2022-2026年累计新增装机容量将超90GW。同时，全球海上风电项目的投资增速较快。国际能源署（IEA）发布的《世界能源投资报告2022》称，2021年海上风电直接投资仍在500亿美元以上，全球海上风电市场呈现快速扩张的趋势。


	  国内海上风电对于我国在新时期的能源结构转型中起重要支撑作用，更是我国沿海各省份发展海洋经济的主要力量，其发展可划分为以下四个阶段。一是前期探索阶段。2007年，我国第一台海上风电机组在渤海湾建成并完成发电，拉开了我国海上风电事业发展的序幕。二是试验示范阶段。龙源如东海上试验风电场及上海东海大桥100MW海上风电示范项目的批复，标志我国海上风电试验示范项目的开始，期间的众多试验项目为我国海上风电的发展建立了技术标准体系、积累了宝贵的项目技术经验。三是“十二五”期间（2011-2015年）小规模开发阶段年，我国海上风电受其建设成本高的制约，发展相对缓慢，而2014年6月国家发改委发布《关于海上风电上网电价政策的通知》明确规定了海上风电的价格补贴政策，活跃了我国海上风电市场，推动了产业高质量发展。四是“十三五”期间（2016-2020年）规模化快速发展阶段。我国海上风电产业实现平稳有序发展，各项核心指标的水平保持稳步提升，截至2020年底，我国海上风电累计并网装机容量约为9GW。“十四五”期间（2021-2025年），我国海上风电的发展形态趋势迅猛，截至2021年底，我国海上风力发电机累计装机超过5000台，达到约26GW的规模，占全球海上风电累计装机容量的46%以上，已超过英国变成全球第一。


	  海洋牧场是基于海洋生态学原理和现代海洋工程技术，在特定海域科学培育并管理渔业资源而形成的人工渔场。若按照海洋牧场所在的海域进行划分，可分为沿岸型（浅海）的海洋牧场和大洋型（深海）的海洋牧场；若按照基本功能可分为休闲观光海洋牧场、生产海洋牧场以及多功能海洋牧场等。海洋牧场的起源可追溯到1795年，日本渔民制作简易人工鱼礁投入海域以实现聚鱼效应。随后，美国、挪威、英国、芬兰、韩国等国家纷纷开展鱼类增殖放流及技术探讨研究。21世纪之前，国外海洋牧场主要以建设人工鱼礁及增殖放流为主，通过制定有关规定法律、政策及规划等推进海洋牧场的规模化建设。2001年至今，国外很多国家出台了相关措施以促进海洋牧场建设，人工鱼礁的作用从聚鱼功能向资源养护和生境修复转变，海洋牧场也逐渐向生态化功能转变。截至2017年底，日本共建成5886座人工鱼礁群，用海面积为4.67×10⁴km²。截至2018年底，韩国已建成海藻场7.69×10³hm²，并计划在2030年之前建成3.5×10⁴hm²海藻场，以修复沿岸生态环境。


	  我国有关海洋牧场的概念最早由朱树屏研究员于1947年提出，并在1963年提出“海洋农牧化”的概念。1979年广西钦州地区投放了我国第一组试验性单体人工鱼礁，标志着我国开始对海洋牧场建设进行实践探索，此后逐步开展人工鱼礁试验投放及有关技术研究。20世纪90年代，全国人工鱼礁建设由于缺乏资金和管理经验等多种原因而中断。21世纪后，全国再次掀起建设人工鱼礁的热潮，各沿海城市均积极开展海洋牧场建设及关联技术的研究，自此我国海洋牧场建设进入了全面发展阶段。2015年起，原农业部组织开展国家级海洋牧场示范区的创建工作。“十四五”规划特别提出了“建设海洋牧场，发展可持续远洋渔业”的任务。2017年原农业部颁布《国家级海洋牧场示范区建设规划（2017-2025年）》，明确指出建设国家级海洋牧场的基本条件和申请流程，计划到2025年在全国范围内建设生态功能突出、区域代表性强且具有典型示范和辐射带动作用的国家级海洋牧场178个，以此推动全国海洋牧场建设和管理科学化、规范化。2018年6月习在山东考察时指出，建设海洋强国必须进一步关心海洋、认识海洋、经略海洋，加快海洋科技创新步伐。我国各个沿海省份关于海洋牧场“十三五”规划中均提出建设海洋牧场的具体任务，以此促进国家级海洋牧场示范区的建设。截至2022年6月，我国已建成153个国家级海洋牧场示范区，海域面积达2506.95km²，其中养护型海洋牧场示范区42个、增殖型海洋牧场示范区87个、休闲型海洋牧场示范区24个。


	  从国内外海上风电与海洋牧场发展的现状看，随着海上风电与海洋牧场建设的大型化、规模化，并往深远海发展，二者均出现了一系列“卡脖子”的问题。海上风电发展面临的困境主要有：适宜进行风电资源开发的海域有限，部分风电开发海域与渔业、军事等规划海域有区域冲突；海域资源开发利用率低，风电场涉海面积大，但只开发了海平面以上的风能资源，水面、水下海域未得到充分开发利用；风机支撑基础的利用率偏低，只用于支撑水面风机；离岸较远风电场输电成本较高，电能输送损耗较大，未就地消纳。海洋牧场发展面临的困境主要有：适宜开发的海域资源有限，近海渔业资源严重衰退，需要拓展新的海域；海域空间和资源未能得到充分开发利用；海洋牧场选址于深远海时，用电困难，造成养殖成本提高。


	  将海上风电与海洋牧场进行综合开发、融合发展，可有效解决上述单一海域资源开发模式的瓶颈问题。将二者进行空间上的融合，全方位利用海域空间，使得海域资源利用程度最大化。海上风电在项目建设或运行过程中，会不可避免地对周边海洋生态环境造成影响，而海洋牧场能够在一定程度上修复海洋生态，因此，二者融合发展有利于海洋生态修复、资源增殖，实现互利共赢。此外，二者融合发展能够有效解决深远海用电问题，减少电能资源浪费，实现就地消纳，降低运营成本，提高经济收益。同时，风力发电能够减少煤炭的发电消耗，缓解能源紧张问题，减少二氧化碳的排放，而海洋牧场能够有效实现固碳作用，形成海洋碳汇。由此可见，海上风电与海洋牧场融合发展的经济效益及生态效益都是可观的，符合我国绿色发展和生态文明建设的需求，二者融合发展是未来发展海洋经济的必经之路。


	  国外很早就提出了海上风电与渔业养殖融合发展的概念，其中以德国、荷兰、比利时、韩国等为代表的国家都在2000年后先后展开多项海上风电与海洋牧场融合的试点研究，如荷兰在2012年开展Open Ocean Multi-Use项目，目的为测试所涉及的海藻养殖系统是否可以适养于北海风电场，结果表明该风渔融合方案是可行的，能够有效地为周围鱼类提供食物；比利时在2017年启动“Edulis”项目，目的是在C-Power及Belwind海域探索养殖贻贝的技术可行性和经济可行性，如图2所示，由项目结果进行推算，1000MW的风电场能空置出4000hm²的养殖面积，若4000hm²均用于贻贝养殖，年产量预计达到1.7×10⁵吨，能够获利约0.38亿欧元。


	


	  我国对风渔融合的技术探讨研究与探索起步较晚，近年来，随着我国海上风电与海洋牧场装备的研发设计水平、建造能力、产品配套能力的不断提高和发展，海上风电与海洋牧场各自行业进入快速发展期，也积极开展了海上风电与海洋牧场融合发展技术探索与试验。2019年3月，我国首个“海上风电与海洋牧场”融合示范项目“昌邑海洋牧场与三峡300MW海上风电融合项目”获得核准；2019年12月，广东省“阳西青洲岛风电融合海域国家级海洋牧场示范区”获批成为第五批国家级海洋牧场；2020年11月，龙源电力漂浮式风电+网箱养殖融合开发项目进入实质性样机研发阶段，计划2022年完成示范工程建设；2021年8月，明阳智能在阳江沙扒海上风电场，完成国内首个“海上风电+海洋牧场”融合示范项目建设；2022年1月，广东省“阳江南鹏岛中广核国家级海洋牧场示范区” 获批成为第七批国家级海洋牧场；2022年5月，国家电投“新能源+海洋牧场”融合创新示范基地（神泉）开工仪式在广东揭阳举行；2022年3月，昌邑海洋牧场与三峡海上风电融合试验示范项目全面开工；2022年7月，中广核山东莱州海上风电与海洋牧场融合发展研究试验项目全面开工。目前我国海上风电与海洋牧场融合发展已进入实质性开发建设阶段。


	  海上风电场对海洋牧场所造成负面影响主要集中在海上风电场施工建设及运营期间发出的噪声和磁场，各国学者也针对此问题做了一系列研究探索。比利时Belwind在海上风电机组建设期间测量不同位置钢管在水下所产生的噪声大小并观察各种海洋生物感知到打桩噪声时迅速撤离的最短距离，结果表明海上风电场的建设施工期产生的噪声影响鱼类生理活动的范围较小，且随着施工期的完成而逐步恢复到平静状态，影响是暂时的、局部的；据牛富强对海上风电运营期水下噪声的类比监测结果可知，海上风电机组在运营期间产生的水下噪声强度较低，集中在800Hz以下的低频段，对周边海域的水生生物造成的伤害甚小。综上，海上风电场并不会对渔业养殖产生极端的负面影响。


	  海洋牧场也可能对海上风电场造成一定的负面影响。极端天气下，海洋牧场装备可能发生走锚、移位等现象，存在撞击风机和破坏海底电缆的风险。同时，海洋牧场布局也可能会影响风电场内的运维通航。上述问题可通过提高海洋牧场装备的设计安全等级并对风渔融合方案进行整体合理规划来有效解决。


	  德国、荷兰、比利时、挪威和韩国等国先后开展了各种海洋牧场与海上风电融合发展试验，结果都表明风机基础能够起到人工鱼礁的作用，海上风电场成为生物群落的新栖息地，增加了生物多样性；根据江苏省林业局消息，江苏如东海上风电场拍摄到了濒危鸟类栖息在风电场的珍贵画面。杨红生等研究了海上风电对资源环境的影响及海上风电与海洋牧场融合发展的必要性，结果表明了海洋牧场与海上风电广阔的融合发展前景；莫爵亭参考《水和废水监测分析方法》，对广东阳江“海上风电+海洋牧场”的生态发展可行性进行了初步探究并得出所研究海域具备风渔融合的生态基础及优势，也具有较大的渔业资源潜力和建设海洋牧场可行性的结论。国内外诸多研究表明，海上风电与海洋牧场负面的相互影响是有限且微弱的，反而二者结合可以产生许多有益的影响，但“海上风电+海洋牧场”这一模式对项目选址提出了新的要求，渔业养殖对水质、水温、经济鱼类天敌等都有特殊要求，水深、地质、离岸距离、养殖效益等因素都需要纳入综合考虑，深海养殖对风机基础的防腐要求也会有所提高，选址时应综合考量各影响因素，同时兼顾海上风电和海洋牧场选址的基本要求。


	  海上风电与海洋牧场融合开发不仅可以摊销资源开发与运营成本，还可以提高综合能源场整体收益。以某海上风电场为例，风电场容量300MW，海洋牧场养殖总水体216万立方，运营期25年。初步测算结果表明，海上风电与海洋牧场融合的自有资金内部收益率相对于单独风电场可提高约5%，具有较好的经济性。


	  同时，据《广东省海上风电发展规划（2017-2030年）》显示，预计至2030年，广东省海上风电装机容量达3×107kW，预计每年可节约标准煤约2603万吨，减少二氧化碳排放量约6900万吨，硫化物约1万吨；据统计，目前世界领先的海上风电开发商rsted在2022年第一季度共获53.85亿元净利润，比去年同期报告增长257%；据测算，我国已创建的海洋牧场示范区每年可固碳56万吨，消减氮49679万吨、磷4966万吨，年产生直接经济效益940亿元，生态效益近1781亿元。


	  为进一步从试验角度验证海上风电与海洋牧场融合发展的可行性，明阳集团在广东阳江某风电场海域开展风渔融合试验，如图3所示。在海域位置离岸约30km的风电场内部空白海域投放一座养殖试验网箱，试验鱼种为金鲳鱼，试验周期是5个月。试验期间主要考察风电场噪声、磁场等对试验鱼种的生存、生长影响；风电场海域的水温、盐度、pH值、溶解氧、叶绿素a浓度等水体环境因子对成鱼及鱼苗的适养性；风电场海域的风、浪、流海况条件对成鱼和鱼苗的适养性。


	


	  融合试验过程中，定期对试验鱼种的日投喂量、体重、体长、数量进行测量记录。试验结束时，对试验鱼种进行品质检测，随机抽取试验鱼种样品送检第三方专业检测机构，分析试验鱼种的营养成分、重金属含量及药物残留情况，并与近岸鱼种品质作对比分析。


	  1. 试验金鲳鱼可以在目标海域进行生存、标粗、生长。试验结果表明金鲳鱼成活率约为91.9%，饵料系数约为2.1。表明试验鱼种可以在目标风电场海域的环境下正常生存、生长，也从侧面反映出海上风电场的环境对试验金鲳鱼的正常养殖基本无负面影响。


	  2. 目标海域的试验金鲳鱼品质明显优于近岸。养殖试验结束后，随机挑选2条试验金鲳鱼样本，送检水产品专业检测机构。检测结果表明：试验金鲳鱼营养成分、氨基酸、脂肪酸含量明显高于近岸养殖，而重金属含量明显低于近岸养殖，整体试验金鲳鱼品质较优，如表1所示。将海洋牧场选址于深远海，用电较难，建设成本比较高。风渔融合的开发模式既能解决海洋牧场用电问题，亦能消除部分风电场对生态环境的不良影响，大大提升项目开发的经济、生态效益。


	


	  1. 海上风电与海洋牧场行业各自发展面临可开发海域范围有限、海域资源开发利用率低、单一开发模式成本高等难题，二者结合有效提高用海效率，形成优势互补，摊销资源开发成本，实现产业双赢升级。


	  2. 我国海上风电与海洋牧场融合发展已进入快速发展期，涌现出多个风渔融合示范项目，并进入实质性开发建设阶段。明阳集团开展了国内首个海上风电与海洋牧场融合发展试验项目，试验根据结果得出，试验金鲳鱼可在目标风电场海域的环境下正常生存、生长，且试验金鲳鱼的整体品质优于近岸养殖，进一步验证了二者融合的可行性。


	  3. 海上风电与海洋牧场的相互影响是二者融合发展的关键问题，研究表明二者负面的相互影响是有限且微弱的，二者结合反而可产生许多有益的影响。从技术层面和经济层面分析，二者融合发展具有较高的可行性。


	  未来，随着海洋资源开发活动的日益频繁和资源利用技术的慢慢地提高，海洋综合能源开发将成为海洋资源开发的主要模式。海上风电、海洋牧场、海上制氢、海洋油气、波浪能发电等行业将进行跨界融合发展，形成海洋能源、海洋经济多元化开发模式，助力我国海洋经济高水平质量的发展和海洋强国建设。