【风电】漂浮式海上风电赛道-产业图景-韭研公社

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【风电】漂浮式海上风电赛道-产业图景

柴尔德

满仓搞的剁手专业户

2023-02-13 05:20:02

一、近海资源稀缺，推动海风步入“深蓝”

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

1、整机和海缆：集中度高，巨头占据漂浮式主要市场

•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。