能源巨头建造深海漂浮式风力发电

来源:《中国石油和化工产业观察》杂志

译文:张星

7月16日,石油和天然气巨头荷兰皇家壳牌公司和西班牙能源龙头伊维尔德罗拉公司的子公司苏格兰电力公司共同发布公告称,他们组成联合体向英国政府提交一项提案,在苏格兰海岸附近建造全球首个大型海上漂浮式风电项目。

目前全球最大的漂浮式风电场是由6台容量50兆瓦的涡轮机组组成,在距离阿伯丁15公里的北海。壳牌和苏格兰电力联盟表示,他们计划建造的是吉瓦级的风电机组。

现在,在海床上建造的风电场已成为不少地方电力构成的一部分。在过去4年中,海上风电容量从19吉瓦增加到35吉瓦,几乎翻了一番。摊销成本则从120美元/兆瓦时降至80美元/兆瓦时,降低了1/3。不过,海床上的风电场目前只能建造在水深约60米的海域,限制了其发展。

世界上80%的海风都咆哮在比这更深的海域。国际能源署表示,如果这些地方可以利用,漂浮式风电产生的电力将是2040年全球预计电力需求的11倍。漂浮式风电向深海海域发展的关键是造出不必锚定在海床上能漂浮的涡轮机组。如果壳牌和苏格兰电力联盟成功,将迈出开发海上风电潜能一大步。

在风中漂浮

10年前,漂浮式涡轮发电还是个边缘技术。困难不在于涡轮机制造,而在于如何让它漂浮。自上世纪60年代以来,石油和天然气行业开发了一系列浮基,可以使钻井平台等巨大建筑物稳定地漂浮在海上。但是,将这项技术嫁接到风力发电上并非易事。

首先,与石油钻井平台不同,风力涡轮机瘦长且头重脚轻,容易翻倒。

其次,涡轮机会产生强大的陀螺力矩,会进一步破坏浮力机械的稳定性。以前很难找到以更低成本解决这些问题的办法,因此,不仅无法与用螺栓固定在海床的涡轮机竞争,更无法与传统能源竞争。

这一切已悄然改变。10年的发展验证了两个成果:涡轮机可以漂浮;漂浮装置的大致外观已明确。工程师们采用已在高校波浪池中测试过的原型机设计方案,在挪威、葡萄牙和日本沿海开展示范试验进行耐心验证。

涡轮机的每个单元都配备了传感器,收集诸如风速、波浪高度等变量数据,工程师们将这些数据融入设计中,以获得更大、更稳定的装置。上述成果现如今已应用于挪威和葡萄牙海岸附近的新型涡轮机样板上,其安全性比起早先的样板提升了4倍。工程师们认为,漂浮问题已经解决。“涡轮机运行良好,不会翻转。”该领域先驱阿拉·温斯坦说,他正为在美国加利福尼亚海岸沿线建造漂浮式风电场申请许可证。

如今已经有了4种漂浮方式。

最常见的是半潜式。一家名为原理动力的美国公司就用这种方式。半潜式有多种设计。该公司使用一个有浮力的钢铸三角,其中两个顶点以装满水的罐子作为压载舱,平衡安置在第三个顶点处涡轮机的重量,水泵在三角内部抽水,以修正整体的稳定性。

挪威国家石油公司则将涡轮机固定在一个装满重压载物的“瓶子”上:将涡轮机放置在一个80米高的混凝土管上,管内装有水、岩石或其他廉价而沉重的材料,使涡轮机直立漂浮。

另外两种方法应用较少。与美国通用电气公司建立合作伙伴关系的一家美国Glosten海洋工程公司使用的是张力腿平台。这是一个海星形状的钢结构,轮毂处装有涡轮机。“海星”被海水淹没,并用缆绳连接到海底。这种装置类似于墨西哥湾的超深水木兰号钻井平台,可使涡轮机保持直立。挪威BW Ideol公司则将涡轮机安装在类似于空相框的扁平混凝土或钢驳船上。当涡轮机摆动时,水在框架内晃动,抑制涡轮机翻倒。该公司称,其位于日本沿海的原型机已历经3场台风的考验。

重在实践

壳牌-苏格兰电力联盟提出了迄今最雄心勃勃的提议,但并不是第一个提议。除了阿伯丁附近西班牙Grupo Cobra建筑公司使用美国原理动力公司设计的50兆瓦机组外,挪威国家石油公司已开始建设一个配备11台涡轮机、总容量为88兆瓦的项目。该项目计划为一组北海钻井平台提供电力。法国石油和天然气巨头道达尔公司和澳大利亚麦格理银行的项目开发部门——绿色投资集团打算2023年在韩国海岸附近建设一个500兆瓦的漂浮式风电项目。

更大的风电场显然需要更多涡轮机,理想情况是建造更大的涡轮机。但涡轮机越大,维护就越困难。风力涡轮机有时需要更换叶片或发电机等大部件。在陆地上,起重机可以倚靠地面支撑。在海上,自升式船只能通过将钢腿撑到海床上得到类似的稳定性。漂浮式涡轮机要去自升式船无法工作的深水海域运行,任何为它服务的船只本身也必须保持漂浮状态。挪威国家石油公司项目总监奥拉夫·伯恩特·哈加解释说:“两个结构都在移动。要把载荷从一个移动结构转移到另一个上,技术要求很高,很难廉价地做到。”

一个名为漂浮式风电联合产业项目的组织认为,这个问题非常紧迫。该组织由17位项目开发商和英国非盈利咨询机构碳信托基金组成。该组织在2020年公开表示,海上风力涡轮机需要处理的问题已经接近物理极限——当前人类技术和材料水平极限。石油工业领域有许多可在深水作业的重型起重船,但这些起重船都是针对重量而非高度进行优化,并且租用成本很高。漂浮式风电需要新的解决方案。

幸运的是,已经迎来了曙光。人们采取了两种方法:顶升式和攀爬式。荷兰Owl Heavy Lift公司采用顶升式起重船建造出一艘专门用于海上风电维护的船只。这艘专门用于海上风电维护的船只使用运动补偿软件来消除摇摆,将起重机吊钩的位置稳定在5厘米以内,即使吊钩高于海平面150米也有效。

不过,此类船只的起价约为2.5亿美元,仅成本就意味着风电行业不得不共享少量船舶。这成为增长的瓶颈。

伸向天空

攀爬式起重机会随着正在建造的建筑物攀升,通常用于在陆地上盖起摩天大楼,还未在海上验证。不过,已经有几个公司正在开发适于漂浮式风力发电的样本。

例如,英国剑桥的SenseWind公司建议在涡轮机塔架的侧面设置轨道,让船靠边停放,将维修车放在轨道上,以便大型部件从塔架上移上移下。

还有人提议用涡轮机本身来抬东西。大多数涡轮机上都配备一个可搬运轻型物品的小型起重机。丹麦Liftra公司用它来提升更大的起重机。最大的起重机可以放进一个标准的40英尺(12.2米)集装箱里。该公司声称,一旦用螺栓固定,这种方案将与传统的外部起重机一样强大。或者,如荷兰Conbit工程公司建议的那样,先将一些金属部件和电缆拉到塔顶,然后在涡轮机顶部临时制造一个重型起重机。

虽然当前的这些技术都没有走出原型机阶段,但它们对未来无论是固定的还是漂浮的大型涡轮机依然很有价值。对于漂浮式涡轮机来说还有其他替代方案。与固定式涡轮机不同,它们可以拔下插头并拖到岸上。最近,漂浮式风电联合产业项目分析表明,在什么情况下用什么方案取决于位置。如果漂浮式涡轮机靠近岸边,最容易的做法是将其拖回港口维修。如果距离很远,像专门用于海上风电维护的船只或攀爬式起重机这样的奇特工具可能效果更好。

不断实践的结果是,可能很快就会发掘出更大的海上风电潜力并盈利,而无需用涡轮机覆盖陆地上有限的山坡。这足以让资本趋之若鹜。

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