環(huán)渤海地區(qū)風力發(fā)電產業(yè)發(fā)展現狀與展望

環(huán)渤海地區(qū)風力發(fā)電產業(yè)發(fā)展現狀與展望

20世紀70年代，自石油危機以來，全世界各國，特別是歐洲和美國的發(fā)達國家開始關注可支配能源的開發(fā)和使用。由于風能在其轉換為電能的過程中,不污染環(huán)境,具有儲量豐富、就地取材、不需要運輸和無污染,而且其發(fā)電成本最接近常規(guī)能源等特點,使其發(fā)展最為迅速。世界氣象組織(WMO)估計,全球風能儲量約為27.4×108MW,其中可開發(fā)利用的風能總量約為0.2×108MW,比全球可開發(fā)利用的水能總量還要大10倍。地球上l%的風能若被利用就能滿足全球能源的需求。至2005年底,全世界已有66個國家建立了風電場,裝機容量達到0.593×108,10年平均增長率高達28.6%,使風能成為全球發(fā)展最快的可再生能源。環(huán)渤海地區(qū)包括遼寧、河北、山東3省及北京、天津2市,土地面積51.45×104km2,2006年區(qū)域總人口2.31×108人。該地區(qū)風能資源豐富,近幾年隨著國家對風能資源開發(fā)利用的不斷重視,風電產業(yè)發(fā)展迅速,據統(tǒng)計,2006年環(huán)渤海地區(qū)已建風電場28座,安裝風電機838臺,總裝機容量達70.26×104kW。本文以中國風力發(fā)電工程技術研究中心中國風電產業(yè)統(tǒng)計數據、中國統(tǒng)計年鑒、中國能源統(tǒng)計年鑒、中國城市統(tǒng)計年鑒及河北、遼寧、山東、北京、天津三省二市統(tǒng)計年鑒為數據源,探討環(huán)渤海地區(qū)風能資源開發(fā)與大規(guī)模非并網風電產業(yè)基地建設等問題。1渤海沿岸風力資源的空間分布和開發(fā)價值的評價1.1風能資源分布現狀根據中國氣象科學研究院關于我國風能資源空間分布的三級區(qū)劃指標體系,我國風能的空間分布可劃分為4種區(qū)域類型:①風能豐富區(qū),即年平均有效風能密度大于200W/m2,風速(3～20)m/s的年累積小時數大于5000h;②風能較豐富區(qū),即年平均有效風能密度為(150～200)W/m2,風速(3～20)m/s的年累積小時數為3000h～5000h;③風能可利用區(qū),即年平均有效風能密度為(50～150)W/m2,風速(3～20)m/s的年累積小時數2000h～3000h;④風能貧乏區(qū),即年平均有效風能密度為50W/m2以下,風速(3～20)m/s年累積小時數2000h以下。風能資源地理分布狀況見圖1。從空間分布看,山東省的風能資源最豐富,風能資源由東(山東半島尖端的煙臺、威海和青島三市)向西覆蓋全省大部分區(qū)域,其中近1/3區(qū)域屬風能豐富區(qū),1/2區(qū)域以上屬風能較豐富區(qū)。遼寧省的風能資源主要分布在遼河平原及遼東半島。從葫蘆島到朝陽、阜新、沈陽、鞍山、大連形成的一個環(huán)渤海風能帶屬于風能較豐富區(qū),而遠離渤海灣的鐵嶺、撫順、本溪、丹東則屬于風能可利用區(qū)。河北省風能資源地區(qū)分布差異懸殊,在環(huán)渤海沿線的秦皇島、唐山、滄州、濱州和東營等地,以及在西北部的張家口地區(qū)風能資源豐富,廣大山區(qū)及河北平原大部風能資源欠缺。天津市從海岸線向陸地深入的狹長沿海地區(qū),屬于全年可開發(fā)區(qū),其年均風速一般在4.5m/s左右,(3～20)m/s年有效風速出現時數4800h～6800h,年均有效風能功率密度(70～113)W/m2。北京市大部分屬于風能可開發(fā)區(qū),風能資源儲量大約30×104kW左右,其中有10×104kW可用于發(fā)電,主要集中在北京與河北交界的官廳水庫沿岸。風能資源由于受地形地貌因素、風力機實際可獲取有效可用風能等因素的影響,有效風能密度的分布區(qū)域(圖2)與圖1描述的潛在風能資源分布區(qū)域存在著較大差異。由圖可知,環(huán)渤海地區(qū)有效風能密度的空間分布具有以下特點:(1)大體上環(huán)繞渤海成條帶狀分布。由渤海向陸地,有效風能密度逐漸變小,由大于200W/m2減少到100W/m2以下。(2)由半島尖端向內陸逐漸減少。遼東半島和山東半島的有效風能密度非常豐富,半島尖端部分的有效風能密度最高,并逐漸向內陸地區(qū)遞減。(3)有效風能資源相對貧乏區(qū)分布面積廣泛。河北平原和山東南部的大部分地區(qū),有效風能資源都相對貧乏。環(huán)渤海地區(qū)有效可用風能資源空間分布的地域差異為各省份風能資源開發(fā)和利用價值的評估提供了科學依據,也為各省風電產業(yè)發(fā)展政策的制定提供了決策依據。1.2風力機資源開發(fā)相關研究表明,環(huán)渤海地區(qū)(未包括京津地區(qū))理論可開發(fā)利用的風能資源儲量為205.2GW,占全國的6.4%,技術允許的可開發(fā)風能資源儲量為16.1GW,占全國的6.4%,其理論儲量和可允許儲量都在全國占有重要地位。其中河北、遼寧、山東風能資源儲量分別占全國的2.4%、2.4%和1.6%,分別居全國第8位、第9位和第11位(表1),均屬于百萬級技術可開發(fā)儲量區(qū)域,風能資源開發(fā)利用價值很大,開發(fā)前景廣闊。2熱能資源的開發(fā)利用和風能行業(yè)的發(fā)展2.1全國風電總負荷比重變化從裝機容量看,2006年環(huán)渤海地區(qū)風電總裝機容量70.26×104kW,比1997年的1.70×104kW增加了68.56×104kW,增長40.25倍(圖3)。其中,河北省由1997年的0.51×104kW增加到2006年的32.58×104kW,增長了62.88倍,遼寧省由1997年的1.17×104kW增加至2006年的23.23×104kW,增長了18.85倍,山東省由1997年的0.03×104kW增加至2006年的14.46×104kW,增長了481倍。從裝機容量的相對值來看(表2),1997年～2006年環(huán)渤海地區(qū)風電總裝機容量占全國總裝機容量的比重不斷增大。1997年環(huán)渤海地區(qū)風電總裝機容量僅占全國的11.69%,至2006年提高到27.04%,成為全國風電產業(yè)發(fā)展的重點地區(qū)之一。其中,河北省風電裝機容量占全國總裝機容量的比重由1997年的3.47%上升到了2006年的12.53%,遼寧省風電裝機容量占全國總裝機容量的比重由1997年的8.03%上升到了2006年的8.94%,山東省風電裝機容量占全國總裝機容量的比重由1997年的0.19%上升到了2006年的5.56%,可以看出河北省和山東省風電產業(yè)的快速發(fā)展推動著環(huán)渤海地區(qū)風電產業(yè)的快速發(fā)展。2.2河北省風電產業(yè)高速增長速率1998年環(huán)渤海地區(qū)風電總裝機容量增長速率為60.48%,其后至2006年則以年均119.87%的速率增長,高于全國105.29%的增長速率。其中山東和河北的增長速率最為迅速。1999年山東省增長速率達到1963.64%,風電裝機容量由1998年的0.03×104kW增加到了1999年的0.57×104kW,并在2003年～2006年繼續(xù)保持大于150%的高速增長速率。河北省風電產業(yè)的快速發(fā)展主要集中在2003年～2006年,期間風電裝機容量增長速率保持在160%～210%之間。遼寧省風電裝機容量較河北和山東緩慢,快速增長期主要集中在1998年～2003年,年均增長速率50.37%,2004年～2006年增長放緩,平均增長速率27.67%。2.3風電產業(yè)集聚程度低,總體發(fā)展水平較低區(qū)位商是區(qū)分地域分工格局的基本指標,通過產業(yè)或產品生產區(qū)域化的比較來反映產業(yè)或產品地域分工的基本格局。借助區(qū)位商的概念,計算1997年～2006年環(huán)渤海地區(qū)風電產業(yè)區(qū)位商(表3),發(fā)現1997年～2006年環(huán)渤海地區(qū)風電產業(yè)發(fā)展區(qū)位商不斷增大,風電產業(yè)的空間集聚程度由小于全國平均水平逐漸發(fā)展為大于全國平均水平。1997年環(huán)渤海地區(qū)區(qū)位商0.59,風電產業(yè)發(fā)展速度慢于全國發(fā)展速度,空間集聚程度低,從2001年開始,區(qū)位商開始大于1,至2006年區(qū)位商達1.57,說明相對于全國風電裝機容量的增加來說,環(huán)渤海地區(qū)風電產業(yè)的發(fā)展更為集中,相對發(fā)展水平較高。從區(qū)域內部來看,遼寧省1997年～2006年的區(qū)位商均大于1,2003年高達5.34,說明其風電產業(yè)的集中程度遠遠高于全國平均水平。河北省1997年～2004年區(qū)位商均小于1,說明這一時期風電發(fā)展慢于全國平均水平,2006年區(qū)位商達到2.91,風電集中發(fā)展勢頭超過全國。山東省1997年～2006年區(qū)位商均小于1,風電發(fā)展水平低于全國,空間集中趨勢緩慢。從行政分區(qū)角度分析,環(huán)渤海地區(qū)風電場由1997年的5個增加至2006年的28個,其中主要集中分布在遼寧省,由1997年的2個增加至13個,占風電場總個數的46%,山東由2個增加至9個,占風電場總個數的32%,河北由1個增加至6個,占總風電場個數的21%,北京、天津無風電場。而且,環(huán)渤海地區(qū)目前在建的風電場個數有18個,計劃修建的個數有17個。從風電場個數的角度,環(huán)渤海地區(qū)風電規(guī)模在空間上日益集中的同時,規(guī)模也在不斷擴大(圖4)。2.4風電設備國產化水平較高,但容量增長迅速1997年～2006年環(huán)渤海地區(qū)風電場設備國產化率明顯提高(表4)。與全國2006年水平相比,環(huán)渤海地區(qū)風電設備國產化裝機容量遠高于全國國產化30.86%的水平。1997年環(huán)渤海地區(qū)國產裝機設備容量為0.05×104kW,占總裝機容量的2.83%,到2006年國產裝機設備容量達到29.21×104kW,占總裝機容量的41.75%,10年間提高了38.92個百分點,其中山東省風電設備國產化水平最高為62.17%,其次為河北省,達42.18%,均高于全國平均水平。遼寧省風電設備國產化水平最低為28.44%,低于全國平均水平。區(qū)域風電產業(yè)的快速發(fā)展需求和國產技術的不斷成熟,是環(huán)渤海地區(qū)風電設備國產化率高于全國速度增長的主要原因。同時,1997年～2006年環(huán)渤海地區(qū)風電場單機容量明顯提高。1997年環(huán)渤海地區(qū)風電場平均單機容量為300kW,最小單機容量55kW,最大單機容量600kW,到2006年風電機組平均單機容量上升到840kW,最小單機容量為250kW,最大單機容量為1500kW,同期全國風電機組平均單機容量為785kW,最小單機容量為100kW,最大單機容量為2000kW。說明這一時期,環(huán)渤海地區(qū)風電場發(fā)展在裝機容量不斷增加的同時,風電技術不斷跟進世界先進技術,風電設備不斷更新,單機容量不斷增大,機組性能不斷優(yōu)化,風電的成本不斷下降。3風電場建設的基礎風能資源稟賦條件是影響風電場位置選擇和風能產業(yè)基地布局的決定性條件,土地覆被類型也是影響風電場位置選擇的必要條件,同時,已有和規(guī)劃修建風電場的位置,對構建風電產業(yè)基地起到基礎性作用。基于這種思路,選擇風能資源稟賦條件、土地覆被類型、已有和規(guī)劃修建風電場位置等3類指標,構建影響環(huán)渤海地區(qū)風電場位置選擇與風電產業(yè)基地建設布局的指標體系,以ARCGIS9.2為技術平臺,應用模糊隸屬度函數模型,來定量研究環(huán)渤海地區(qū)風電場位置選擇與風電產業(yè)基地建設布局。3.1環(huán)渤海地區(qū)基本空間單元和土地覆被類型的確定以10km×10km為基本空間單元,對研究區(qū)進行格網劃分,共劃分5852個基本網格。風能資源稟賦條件、土地覆被類型、已有和規(guī)劃修建風電場位置等影響指標,都以這樣的基本單元為空間載體。其中,風能資源稟賦條件選擇全國風速大于3m/s的有效風能密度分布為基礎數據,在環(huán)渤海地區(qū)分為(50～100)W/m2、(100～150)W/m2、(150～200)W/m2、200W/m2以上四級;每一基本空間單元的土地覆被類型,以該空間單元占主導的土地覆被類型來代替;對已有和規(guī)劃修建風電場位置所產生的影響,選擇已有和規(guī)劃修建風電場位置為圓心,以10km為半徑來確定?；谏鲜鏊悸?選擇的影響環(huán)渤海地區(qū)風電場位置選擇與風電產業(yè)基地建設布局指標體系如表5所示。3.2風電場位置選擇與風電產業(yè)園建設布局的綜合評價環(huán)渤海地區(qū)風電場位置選擇與風電產業(yè)基地建設布局研究的基本思路為:根據3個指標的11個因子對風電場位置選擇與風電產業(yè)基地建設布局的影響進行賦值;根據3個單指標評價結果,采用熵技術支持下的AHP法計算3個指標對風電場位置選擇與風電產業(yè)基地建設布局的重要性權重,采用模糊隸屬度函數模型計算3個指標的隸屬度值,根據權系數和模糊隸屬度函數值,采用加權平均法分別計算環(huán)渤海地區(qū)5852個基本空間單元的綜合評價指數,該綜合評價指數能夠反應研究區(qū)適宜選擇風電場位置和進行風電產業(yè)基地建設布局的程度,根據綜合評價指數所反應的程度將研究區(qū)分為高度地區(qū)、較高地區(qū)、中等地區(qū)、較低地區(qū)和低度地區(qū)五級進行評價,依此作為風電場位置選擇與風電產業(yè)基地建設布局的依據。3.3環(huán)渤海地區(qū)布局分析以風能資源稟賦條件、土地覆被類型、已有和規(guī)劃修建風電場位置為指標體系,綜合評價研究區(qū)適宜選擇風電場位置和進行風電產業(yè)基地建設布局的程度,具有一定的客觀性。從適宜程度分級評價結果,見圖5,可以得出,環(huán)渤海地區(qū)非并網風電產業(yè)和高耗能無碳型產業(yè)基地可劃分為:(1)高度適宜地區(qū):主要分布在山東半島尖端部分的威海、青島、煙臺等地,遼東半島南部的大連、錦州等地,以及河北省西北部的張家口、承德等地?；究臻g單元463個,占環(huán)渤海地區(qū)的7.91%。(2)較高適宜地區(qū):主要分布在遼寧省中北部、河北省西北部以及山東省東部等地?；究臻g單元831個,占環(huán)渤海地區(qū)的14.20%。(3)中度適宜地區(qū):主要分布在遼寧省中部、河北省東部等地?；究臻g單元812個,占環(huán)渤海地區(qū)的13.88%。(4)較低適宜地區(qū):主要分布在遼寧省東部、山東省西部、河北省北部已經京津的部分地區(qū)?；究臻g單元2203個,占環(huán)渤海地區(qū)的37.65%。(5)低度適宜地區(qū):主要分布在山東省中部和河北省中南部等地?；究臻g單元1543個,占環(huán)渤海地區(qū)的26.37%。由布局的適宜性可知,非并網風電產業(yè)和高耗能無碳型產業(yè)基地將盡量布局在高度適宜地區(qū)和較高適宜地區(qū)。與此同時,目前我國電解鋁產業(yè)主要集中在鋁土礦資源豐富、電價較低的中西部省份,但我國保有的約7×108t鋁土礦基礎儲量到2015年將開采殆盡,加快海外資源開發(fā)將是解決國內鋁土礦資源不足問題的一種有效途徑,而環(huán)渤海地區(qū)擁有大連、青島、天津等我國重要的海港,完全可以依托強大的港口優(yōu)勢降低鋁土礦運輸成本,并利用風電發(fā)展大規(guī)模電解鋁產業(yè)。氯堿工業(yè)布局越來越受到氯氣消化能力的影響,由于環(huán)渤海地區(qū)規(guī)劃布局有大量的重化工基地,能夠消納大量氯氣,如果充分利用該地區(qū)豐富的風能資源,將風電大規(guī)模直接應用于高耗電的氯堿工業(yè),將會氯堿工業(yè)朝良性方向發(fā)展。環(huán)渤海地區(qū)還可利用濱海優(yōu)勢,將豐富的海水資源和風能資源結合,建設基于非并網風電的海水制氫工業(yè)基地。4渤海周邊大型非全日制電網和高能耗碳高效培訓基地的建設目標4.1非并網風電將是一種重要的發(fā)電技術以環(huán)渤海地區(qū)各省市“十一五”及2020年風電發(fā)展規(guī)劃目標為依據,綜合考慮各種因素的影響,制定環(huán)渤海地區(qū)到2020年風電產業(yè)發(fā)展目標(表6)。雖然環(huán)渤海地區(qū)的風電發(fā)展非常迅速,1997年～2006年10年間風電裝機容量年均增長速率53.35%,高于全國的40.22%,但風機技術、風電并網與非并網技術以及非并網風電與高耗能產業(yè)的鏈合等技術還有待進一步提高。因此,預測到2020年環(huán)渤海地區(qū)風電只能有35%進行非并網。如果按照我國目前普遍使用的蒸汽輪發(fā)電機組為30×104kW的現實,每發(fā)1×104kWh的電,約消耗原煤5.3t,向大氣排放粉塵0.5t、CO210t、NOx0.05t、SO20.08t,則到2020年,環(huán)渤海地區(qū)實現1850×104kW的風電裝機目標,則可節(jié)約原煤2042×104t,減少排放粉塵192×104t,CO23852×104t,NOx19×104t,SO230×104t。其中,非并網風電裝機容量650×104kW,發(fā)電量135.22×108kWh,可節(jié)約原煤717×104t(相當于514×104t標煤),減少排放粉塵68×104t,CO21355×104t,NOx7×104t,SO211×104t。4.2氯堿化工和海水制氫基地根據環(huán)渤海地區(qū)2020年風電產業(yè)發(fā)展目標,并結合高耗能無碳型產業(yè)發(fā)展的現狀特點,初步建設非并網風電產業(yè)基地和高耗能無碳型產業(yè)基地。規(guī)劃在環(huán)渤海地區(qū)建設54.11×104t/年的電解鋁基地、218.55×104t/年的氯堿化工基地和0.03×104t/年的海水制氫基地(表7、圖5)。三大基地建成后,按照1t電解鋁耗電約為1.5×104kWh,1t燒堿耗電約0.25×104kWh,1標準m3氫氣(0.09kg)耗電約3.5kWh的標準,可消耗風力發(fā)電量100×108kWh,按照目前的市場價格(電解鋁2×104元/t、燒堿2500元/t、液氯1000元/t、氫氣48元/40L),可實現經濟效益218×108元,節(jié)約原煤717×104t(相當于514×104t標煤),減少排放粉塵68×104t,CO21355×104t,NOx7×104t,SO211×104t,很好地實現經濟效益目標和節(jié)能減排目標。4.3風電產業(yè)園空間布局環(huán)渤海地區(qū)風能資源開發(fā)與風電產業(yè)發(fā)展規(guī)劃目標的實現,有賴于風能資源的合理開發(fā)與利用,有賴于風電場位置以及風電產業(yè)基地的合理空間布局。根據環(huán)渤海地區(qū)風電場選址和風電產業(yè)基地建設布局的適宜度分級評價結果,將遼中南及遼東半島地區(qū)、河北省西北部地區(qū)、山東半島東部地區(qū)作為環(huán)渤海地區(qū)風電產業(yè)發(fā)展的重點區(qū)域,相應地建設成為三大綜合性風電產業(yè)基地和無碳型高耗能產業(yè)基地。這三大風電基地成為國家級風電產業(yè)基地的重要組成部分(圖5)。4.3.1遼寧風能資源及風能項目產能概況遼中南及遼東半島地區(qū)是遼寧省風力資源的豐富區(qū)和較豐富區(qū)。從目前已建、在建和計劃修建的風電場分布狀況看,未來風能資源開發(fā)的重點區(qū)域應在阜新、盤錦地區(qū)。一方面,這兩個地區(qū)位于遼河平原,南向渤?？?是遼寧風能資源最豐富的區(qū)域;另一方面,目前阜新、盤錦的風能資源尚未開發(fā)。在《遼寧省電力工業(yè)“十一五”及2020年遠景目標》中已經將阜新作為風能資源重點開發(fā)區(qū)域,并計劃在2020年將阜新建成名副其實的東北“風電之城”。遼中南及遼東半島風電產業(yè)基地的建設將為建設遼中南原材料基地、鋼鐵工業(yè)基地、裝備制造業(yè)基地、石油精細化工基地等高耗能工業(yè)基地提供清潔能源和動力保障,為振興東北老工業(yè)基