Châu Âu và Hoa Kỳ chuyển sang năng lượng gió nổi
Trường Đại học Kinh tế Đại học Kyoto Giáo sư được bổ nhiệm đặc biệt Katsuhiko Naito
1. Tổng quan
Trong vòng cho thuê Scott Wind ở Anh, năng lượng gió nổi ngoài khơi đã nổi lên như một nguồn phát điện gió chính. Trong bài báo này, tôi sẽ giải thích lý do tại sao năng lượng gió nổi ngoài khơi được đưa vào sử dụng thực tế ở Anh ở giai đoạn đầu và những thách thức trong tương lai của năng lượng gió nổi ngoài khơi ở Anh.
2. Vòng cho thuê Scottwind Vương quốc Anh
Từ mùa xuân đến mùa hè năm 2022 tại Vương quốc Anh, Vòng cho thuê gió Scott đã tuyển dụng năng lượng gió ngoài khơi quy mô lớn ngoài khơi bờ biển Scotland. Tổng cộng 25 GW dự án điện gió ngoài khơi sẽ được chào mời cho vùng biển rộng lớn xung quanh Scotland, và các dự án được chọn sẽ được trao quyền sử dụng vùng biển. Vì nó được gọi là vòng cho thuê, khu vực biển được cho thuê có thu phí và đơn vị tổ chức là Crown Estate Scotland. Lãnh hải và vùng đặc quyền kinh tế của Vương quốc Anh nằm dưới sự kiểm soát của Crown Estate, nơi quản lý tài sản hoàng gia như tài sản thuộc thẩm quyền của quốc vương Anh. Trong khi một số vòng cho thuê gió ngoài khơi của Vương quốc Anh cho đến nay được thực hiện bởi chính Crown Estate, đợt chào bán ngoài khơi mới nhất này đang được thực hiện bởi Crown Estate Scotland. Trong số một số vương miện của Vương quốc Anh, Crown Estates of Scotland sẽ quản lý tài sản gắn liền với vương miện của Vua Scotland. Việc tuyển dụng được thực hiện cho khoảng 10 vùng biển do Crown Estate Scotland lựa chọn trước dựa trên sự phù hợp về vị trí từ một vùng biển rộng, từ lãnh hải đến vùng đặc quyền kinh tế.
Hình 1 Scottwind Lease Round Sea Area và các dự án được chọn
Lần này, việc tuyển dụng được thực hiện cho đến khi tổng số lượng đạt 25 GW trong khu vực biển mục tiêu. Vì nó được gọi là Scott Wind đầu tiên, nên người ta cho rằng sẽ có thêm một số đợt tuyển dụng nữa trong tương lai. Crown Estate Scotland quyết định trước khu vực biển để tuyển dụng dựa trên sự phù hợp với môi trường, v.v., nhưng cơ quan điều hành của dự án được thông qua ký hợp đồng tạm thời với Crown Estate Scotland để sử dụng khu vực biển trong vòng 10 năm. Ngoài ra, nó có nghĩa vụ để hoàn thành các thủ tục khác nhau bao gồm đánh giá trong thời hạn hợp đồng tạm thời và bắt đầu hoạt động. Qua so sánh Hình 2 và Hình 1 có thể thấy, hầu hết các vùng biển được tuyển chọn lần này đều nằm trong vùng đặc quyền kinh tế.
Như thể hiện trong Hình 1, kết quả của Vòng hợp đồng thuê Scottwind này là 17 dự án có công suất từ 495MW đến 3GW, với tổng số 24,8GW. Quy mô của một dự án đơn lẻ được giới hạn từ 100 MW trở lên và 3 GW trở xuống, và trong trường hợp phát triển theo giai đoạn, mỗi giai đoạn phải từ 100 MW trở lên. Tại Vương quốc Anh, các dự án từ 200MW trở lên được xác định là dự án quy mô thương mại nên tất cả các dự án được thông qua lần này đều là dự án quy mô thương mại.
Hình 2 Lãnh hải và vùng đặc quyền kinh tế của Scotland
Trong số các dự án được thông qua lần này, có 15GW, tương đương 60%, là các dự án điện gió nổi. Lớn nhất là 3GW của Tập đoàn Shell. Mặc dù được phân loại là loại cố định trong Hình 1, dự án 2.9G của Tập đoàn BP là loại hỗn hợp giữa loại cố định và loại nổi tùy thuộc vào độ sâu của nước. Các dự án này sẽ đi vào hoạt động vào năm 2032. Ở vòng cho thuê điện gió ngoài khơi của Vương quốc Anh, việc tuyển dụng 8GW ở VÒNG 4 trước đó đã được thực hiện với hình thức thả nổi, có thể coi Nhật Bản đã bắt tay vào phát triển điện gió. Hơn nữa, trong số các dự án được chọn, Tập đoàn Shell có hai dự án nổi 3GW và 2GW, Tập đoàn BP có dự án 2,9GW và các chuyên gia năng lượng đang có những tiến bộ toàn diện trong lĩnh vực sản xuất điện gió. Từ quan điểm của các chuyên gia năng lượng, năng lượng gió nổi có mật độ năng lượng thấp có thể thu được, nhưng không giống như tài nguyên hóa thạch, nó không có rủi ro đầu tư và là nguồn tài nguyên vô hạn không giống như tài nguyên hóa thạch. Trong xu hướng rút khỏi nguồn tài nguyên hóa thạch như một biện pháp đối phó với biến đổi khí hậu, đây sẽ là điểm đến đầu tư đầy triển vọng tiếp theo. Nếu 1 trang trại điện gió có quy mô 3.000.000 Kw thì tương đương với công suất lắp đặt của nhà máy điện hạt nhân. Hywind Scotland, một ví dụ điển hình về sản xuất điện gió nổi ngoài khơi Scotland, đã đạt được hệ số công suất là 56%. Cho đến nay, có thể thay đổi nhận thức về năng lượng tái tạo. Trong chương tiếp theo, tôi muốn giải thích lý do tại sao việc chuyển đổi sang loại hình nổi sớm như vậy lại được thực hiện ở Anh.
3. Lý do Anh sớm chuyển sang điện gió nổi
Về lý do chuyển đổi sớm sang sản xuất điện gió nổi ở Anh, quan điểm của Flotation Energy, một công ty khởi nghiệp về điện gió nổi của Anh, là hữu ích. Công lao của tua-bin gió nổi mà họ tổ chức như sau.
(1) Tài nguyên điện gió nổi lớn
(2) Có thể cung cấp điện ổn định với hiệu suất sử dụng điện gió nổi cao
(3) Dễ dàng lắp ráp/cài đặt/gỡ bỏ...loại bán phụ
· Loại bán phụ không yêu cầu tàu đặc biệt vì được lắp ráp bằng cách cố định vào cầu cảng lắp ráp và được kéo về điểm lắp đặt bằng tàu lai dắt.
・Loại bán phụ có thể điều chỉnh mớn nước theo độ sâu nước của cảng lắp ráp (thiết kế, chấn lưu).
· Loại bán tải có thể kéo về cảng lắp ráp để sửa chữa lớn.
· Loại bán tải được lai dắt về cảng lắp ráp và tháo dỡ kể cả khi tháo rời.
・Loại cố định yêu cầu tàu đặc biệt để lắp ráp ngoài khơi và sửa chữa ngoài khơi.
④ Chi phí thấp về tỷ lệ sử dụng và sản xuất hàng loạt
・Loại cấy ghép là sản phẩm được sản xuất theo đơn đặt hàng tùy theo địa chất đáy biển và lực đẩy
・Loại thân nổi là sản phẩm sản xuất hàng loạt, việc lắp ráp được tiêu chuẩn hóa.
⑤Công nghệ trưởng thành ở giai đoạn thực tế
Công nghệ thân nổi đã được đưa vào ứng dụng thực tế trên các giàn khoan dầu khí ở Biển Bắc,
Công nhận "công nghệ ở giai đoạn thực tế".
(6) Kinh nghiệm thực hiện giảm chi phí (20%) nhờ chuyển từ loại đáy cố định sang loại nổi cho các giàn khoan dầu khí.
⑦Không phụ thuộc vào tình trạng đáy biển
Tua-bin gió nổi ít phụ thuộc vào điều kiện đáy biển và cho phép tiếp cận các khu vực và tài nguyên mà các tua-bin gió cố định thường không thể tiếp cận được.
⑧ Giảm tác động môi trường
Quá trình lắp đặt tua-bin gió nổi ít tác động đến môi trường hơn, việc lắp đặt dây neo và neo ít ồn ào hơn, không yêu cầu bảo vệ xói mòn quy mô lớn và chuẩn bị đáy biển, hạn chế tác động đến đáy biển trở thành. Trong trường hợp gió nổi, khả năng xác định vị trí của các tua-bin gió ở xa ngoài khơi sẽ giảm thiểu tác động đến các vấn đề về cảnh quan và tiếng ồn, dẫn đến các cuộc gọi NIMBY (“Không được ở sân sau của tôi”) theo truyền thống từ các cộng đồng địa phương. Bạn sẽ ít gặp phải sự phản kháng hơn.
Hình 3 Phát điện gió nổi bán phụ
Với công nghệ và giá thành hiện tại, độ sâu nước mà loại nổi rẻ hơn loại cố định được cho là 60m ở Anh, nhưng nó sâu hơn 60m kể cả vùng đặc quyền kinh tế so với vùng biển nông hơn 60m trong vùng lãnh thổ. vùng biển Không cần phải nói rằng diện tích của khu vực nước sâu rộng hơn rất nhiều. Hơn nữa, trong trường hợp phát điện gió ngoài khơi, như có thể thấy trong hệ số công suất của Hywind Scotland là 56%, gió mạnh thổi ổn định hơn ngoài khơi, do đó, từ góc độ tài nguyên gió cũng tốt hơn. Muốn phát triển nguồn gió lớn và ổn định thì đương nhiên phải ra khơi, tức là vùng nổi. Ngoài ra, chi phí thấp hơn cho loại nổi. Cụ thể, thân nổi loại nửa chìm nửa nổi được lắp ráp tại cảng như mô tả trong mục ③ và được kéo đến điểm lắp đặt bằng tàu kéo để neo đậu mà không cần tàu đặc biệt. Do đó, chi phí xây dựng có thể giảm và thời gian xây dựng có thể linh hoạt. Ngoài ra, thân nổi có thể được lắp đặt ở bất cứ đâu bất kể địa chất đáy biển và độ sâu của nước, đồng thời có thể được tiêu chuẩn hóa và mô đun hóa, không giống như loại sàn cố định phải đặt hàng theo độ sâu và địa chất của nước. -dự án điện gió nổi quy mô lớn, sẽ có thể giảm chi phí bằng cách sản xuất hàng loạt các mô-đun. Trên thực tế, các công ty điện gió nổi của Vương quốc Anh đã có kinh nghiệm và có thành tích đã được chứng minh về việc giảm chi phí thông qua việc sử dụng các cấu trúc nổi. Tại các vị trí khoan của các mỏ dầu khí Biển Bắc, như trong Hình 4, chúng tôi đã giảm được 20% chi phí bằng cách thay đổi các giàn khoan dầu khí từ loại đáy cố định sang loại nổi, như trong Hình 4. Hiện thực hóa. Trong trường hợp của các tua-bin gió nổi, không giống như các mỏ dầu khí, việc đi ra ngoài khơi sẽ cải thiện điều kiện gió, vì vậy bạn sẽ có thể hưởng được lợi ích kép của các tua-bin gió nổi.
Về mối quan hệ với cộng đồng địa phương, do đi xa bờ với loại nổi nên hầu như không có vấn đề gì về tiếng ồn và cảnh quan, và do việc đóng tàu ngầm chỉ là lắp đặt dây neo và neo nên tác động môi trường của việc đóng tàu ngầm ít hơn. hơn so với loại đáy cố định. Hơn nữa, khi vùng đặc quyền kinh tế được sử dụng, nó trở thành lãnh thổ dưới sự kiểm soát trực tiếp của chính phủ quốc gia và mối quan hệ với chính quyền địa phương cũng tập trung vào phạm vi các mối quan hệ đôi bên cùng có lợi về kinh tế như sử dụng cảng lắp ráp và cung ứng xiềng xích.
Có thể thấy từ việc đích thân chủ tịch của Flotation Energy phụ trách các giàn khoan dầu của BP, công nghệ thân nổi là một công nghệ thông thường và trưởng thành ở Anh. Ở Nhật Bản, nhiều người dường như nghĩ rằng các vật thể nổi là công nghệ tương lai có chi phí cao, nhưng chúng ta cần nhận ra rằng đây là giả định của một người nghiệp dư đi chệch khỏi lẽ thường của thế giới.
Hình 4 Cải thiện chi phí trong sản xuất dầu ở Biển Bắc bằng giàn khoan nổi (Crown Estate, 2014)
Trong ví dụ về dự án Nagasaki Goto, dự án đang dẫn đầu hoạt động thương mại phát điện gió nổi ở Nhật Bản, mối quan hệ tốt đẹp với hợp tác xã ngư nghiệp đã được hình thành do phát điện gió nổi. Trong Dự án Nagasaki Goto, người ta cũng chú ý đến hiệu ứng rạn cá do lắp đặt các tua-bin gió nổi. Cá tập trung xung quanh cối xay gió nhiều hơn so với dự kiến ban đầu, vì vậy bằng cách sử dụng một loại sơn dễ bám dính vào động vật có vỏ và rong biển, chúng tôi đã tích cực thúc đẩy sự bám dính của tảo và động vật có vỏ vào cơ thể nổi, dẫn đến việc phát điện gió nổi ngoài khơi. năm, nhiều loại cá và động vật giáp xác đã được quan sát xung quanh bán kính 100m từ nơi này. Vì lý do này, hợp tác xã ngư dân địa phương thậm chí đã yêu cầu bổ sung các tua-bin gió nổi. Ngoài ra còn có khả năng của một doanh nghiệp phát điện kiểu hợp tác ngư nghiệp như vậy.
Hình 5 Phát điện gió nổi ở Nagasaki
Các nền tảng monopile và jacket được sử dụng trong phát điện gió gắn trên đáy ban đầu được phát triển như công nghệ giàn khoan dầu và giàn khoan khí đốt, nhưng đã được chuyển hướng sang phát điện gió đặt dưới đáy. Sẽ là hợp lý và khoa học khi coi công nghệ nền tảng nổi là có cùng mức trưởng thành. Nếu ngành công nghiệp Nhật Bản coi các nền tảng nổi là công nghệ của tương lai, thì điều đó sẽ chỉ chứng tỏ rằng công nghệ này đi sau Vương quốc Anh vài thập kỷ.
4. Mối quan hệ giữa tua-bin gió và vật thể nổi
Ở châu Âu, việc phát triển tuabin gió nổi đã được tiến hành từ rất sớm, ban đầu kích thước của tuabin gió có thể lắp đặt trên bệ nổi còn hạn chế, kích thước của tuabin gió gắn trên bọt biển và tuabin gió lắp trên nền tảng nổi là như nhau. Đến thời điểm này, có thể nói công nghệ nổi đã bắt kịp công nghệ cố định, trừ chi phí. Còn về chi phí sẽ phụ thuộc vào việc đầu tư quy mô lớn, có thể tận dụng loại hình nổi. Về mặt này, như đã thấy ở Scottwind Leithrout, quy mô của thân nổi đã được tăng lên để giảm chi phí. Việc có thể sử dụng các tua-bin gió chung cho điện gió trên bờ và điện gió ngoài khơi đặt dưới đáy cũng giúp giảm chi phí cho chính các tua-bin gió. Ở Nhật có tranh luận thiết kế tua-bin gió chuyên dùng cho vật thể nổi, nhưng đây là một cái ác của Nhật khi không nhấn mạnh đến việc giảm giá thành là điều cần thiết.
Hình 6 Thay đổi về số lượng tuabin gió được lắp đặt trong loại nổi và loại cố định
5. Những điều cần thiết để tiếp tục phát triển điện gió nổi
Trong tương lai, khi số lượng các dự án điện gió nổi quy mô lớn tăng lên, năng lực của các cảng lắp ráp có thể trở thành một yếu tố hạn chế tốc độ. Trong trường hợp loại đáy cố định, sức chứa của tàu CEP là yêu cầu giới hạn tốc độ, nhưng trong trường hợp loại tàu nổi, sức chứa của chính cảng sẽ bị nghi ngờ. Lắp ráp nổi cho phép lựa chọn linh hoạt độ sâu của cổng bằng cách điều chỉnh dự thảo thiết kế của phao theo điều kiện hiện trường, điều chỉnh chấn lưu để thay đổi dự thảo trong quá trình lắp ráp và lắp đặt. Theo người có liên quan ở Scotland, có thể xử lý các bến cảng có độ sâu nước nông khoảng 8m. Tuy nhiên, số lượng bến cảng có sức chứa lớn là có hạn, quan trọng là sử dụng như thế nào cho hiệu quả. Theo kinh nghiệm trước đây của chúng tôi với Dự án Kincardine của Flotation Energy (50 MW), cấu trúc nổi được xây dựng và lắp ráp ở Tây Ban Nha, được kéo đến Rotterdam, nơi các tua-bin được lắp đặt và được kéo đến Biển Bắc cách bờ biển Scotland 15 km. đã được thả neo. Trong quá trình này, những cải tiến sau đây đã được chỉ ra:
(1) Cần có thời gian để sản xuất cấu trúc nổi.
(2) Khoảng cách vận chuyển giữa cấu trúc nổi và tuabin quá dài và cần phải giảm bớt.
Do thiết kế không được mô đun hóa nên có vẻ như không thể đặt hàng từ nhiều nhà sản xuất và mua phao nhanh chóng. Ngoài ra, dường như khoảng cách vận chuyển dài giữa các cơ sở sản xuất rất tốn kém và lịch trình tổng thể bị kéo dài. Đối với quy mô thương mại, giả sử dự án 1 GW với mỗi tua-bin 15 MW, sẽ cần khoảng 70 móng nổi nặng khoảng 4.000 tấn mỗi móng, sẽ được xây dựng và lắp đặt ngoài khơi trong vòng hai năm. Để duy trì quy trình xây dựng như vậy, dự án cần có khả năng sản xuất các mô-đun không bị giới hạn ở một cảng hoặc nhà máy duy nhất mà có thể được phục vụ bởi nhiều địa điểm. Nó cũng đề xuất tỷ lệ nội địa hóa cao hơn (lên tới 60%) để giảm khoảng cách kéo đến cảng lắp ráp và giảm nhập khẩu cũng như vận chuyển chuỗi cung ứng dài. Các nhà sản xuất có trụ sở tại Vương quốc Anh có sẵn cho các dự án trong tương lai ở vùng biển Vương quốc Anh.
Lý do tại sao cần phải làm điều này là để di chuyển song song 15 GW dự án điện gió nổi, như đã thấy trong Scott Wind's Lease Loot, cần phải sử dụng hiệu quả cổng lắp ráp và lắp đặt một số lượng lớn gió nổi. tuabin. Điều này là do cần phải nhanh chóng lắp ráp các Các mô-đun được vận chuyển đến các cảng lắp ráp và hoàn thành dưới dạng các cấu trúc nổi, tương tự như ngành công nghiệp ô tô, nơi các bộ phận chính được chuyển đến các nhà máy lắp ráp đúng lúc. Cũng vì lý do này, mô đun hóa là cơ sở cho công nghiệp hóa sản xuất điện gió nổi ngoài khơi. Cần phải tạo ra một hệ thống tập hợp các mô-đun tại cảng lắp ráp đúng lúc, lắp ráp chúng nhanh chóng và gửi chúng lần lượt đến địa điểm lắp đặt, giống như các nhà máy lắp ráp ô tô của Toyota đã làm. Phương pháp tích trữ vật liệu xây dựng ở sân sau bến cảng, như đã thấy ở các trang trại gió ngoài khơi thông thường, đã lỗi thời.
Bán cấu trúc của Kincardine có hình tam giác, mỗi cạnh dài khoảng 70m. Khi các cấu trúc nổi thế hệ tiếp theo dành cho tua-bin gió 14-15MW được tung ra thị trường, kích thước các cạnh sẽ tăng lên khoảng 100m. Triển khai 14 MW WTG trên trang trại gió 1 GW sẽ yêu cầu sản xuất khoảng 300.000 tấn thép để xây dựng hơn 70 công trình nổi. Ước tính 10GW điện gió nổi thế hệ mới sẽ cần sản xuất khoảng 3 triệu tấn thép. Do đó, các chuỗi cung ứng sẽ cần một cách tiếp cận công nghiệp nổi khác để đáp ứng các mục tiêu này. Cần xây dựng và phát triển chuỗi cung ứng hệ thống sản xuất công nghiệp đồng bộ từ luyện thép đến neo đậu.
6. Tóm tắt
Lượng tài nguyên phát điện gió ngoài khơi ở Nhật Bản là một trong những nguồn tài nguyên lớn nhất trên thế giới. Đặc biệt, tài nguyên điện gió nổi ngoài khơi là rất lớn. Vì lợi ích của an ninh năng lượng và cân bằng thương mại hợp lý của đất nước chúng ta, chúng ta nên bắt đầu phát triển tua-bin gió nổi càng sớm càng tốt và tận dụng tốt nhất nguồn tài nguyên này. Tại Nhật Bản, sự phối hợp với cộng đồng địa phương là điều cần thiết đối với vị trí phát điện gió ngoài khơi. chính phủ quốc gia tự động. Thay vào đó, ở Nhật Bản, tốt hơn hết là nên thúc đẩy sản xuất điện gió nổi ngoài khơi từ vùng đặc quyền kinh tế trước, để có thể tăng tỷ lệ năng lượng tái tạo ở giai đoạn đầu. Ngoài ra, nếu chúng ta thành công trong việc công nghiệp hóa sản xuất điện gió nổi, gánh nặng chi phí xây dựng sẽ giảm và tôi nghĩ chúng ta có thể đưa chi phí sản xuất điện đến gần hơn với tiêu chuẩn quốc tế.
