王芳

(國家海洋技術(shù)中心　天津　300112)

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海洋能發(fā)電裝置均化成本研究

王芳

(國家海洋技術(shù)中心天津300112)

近年來,海洋能利用的研究與探索仍是可再生能源領(lǐng)域備受關(guān)注的課題之一，研究熱點(diǎn)更多集中在對海洋能發(fā)電裝置的研究上，然而研究成本過高是制約海洋能技術(shù)發(fā)展的因素之一。在新能源發(fā)電領(lǐng)域，國際上通常采用能源均化(發(fā)電)成本(levelized cost of energy，LCOE)方法來對不同發(fā)電技術(shù)和規(guī)模的能源項(xiàng)目進(jìn)行比較。借鑒能源均化成本(LCOE)的計(jì)算模式，對引導(dǎo)和推進(jìn)海洋可再生能源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展具有重要意義。文章首先闡述海洋能LCOE的影響因素，并以波浪能和潮流能為例介紹英、美兩國如何推算其開發(fā)成本，進(jìn)而探討降低能源成本的可能性，為我國海洋能發(fā)電裝置提供參考。

海洋能；能源成本；均化(發(fā)電)成本；成本控制

1　引言

當(dāng)前各國之間圍繞海洋的競爭日趨激烈，在海洋能的開發(fā)利用上，起步較早的美國、英國等先進(jìn)國家和地區(qū)走在前列，但在發(fā)展過程上各國普遍面臨技術(shù)不成熟、成本比較高等困難，導(dǎo)致海洋能源的大規(guī)模應(yīng)用存在難題，多數(shù)國家還處于試驗(yàn)、小規(guī)模應(yīng)用階段。

為了實(shí)現(xiàn)海洋能行業(yè)的長期可持續(xù)發(fā)展，使能源成本降至與海洋風(fēng)能發(fā)電和其他傳統(tǒng)發(fā)電相同的水平是關(guān)鍵所在。目前的各種激勵(lì)措施，如“可再生能源義務(wù)證書 (ROCS)”等，都是為提供一個(gè)與其他更為成熟的發(fā)電方式公平競爭的環(huán)境；然而英國ROCS將于2017年讓位于下一代能源計(jì)劃，這將在業(yè)界產(chǎn)生更大的不確定性。

在新能源發(fā)電領(lǐng)域，國際上通常采用能源均化(發(fā)電)成本(levelized cost of energy，LCOE)[1]方法來對不同發(fā)電技術(shù)和規(guī)模的能源項(xiàng)目進(jìn)行比較。LCOE在國際上不僅被用于學(xué)術(shù)建模分析，也常見于政策討論等領(lǐng)域，是一種被廣泛認(rèn)知的透明的計(jì)算手段。研究表明，不同國家或地區(qū)的能源尤其是新能源的LCOE有很大不同，而在我國尚缺少這方面的公開研究。本文將探討海洋能LCOE的影響因子，以波浪能技術(shù)和潮流能技術(shù)為例，介紹美國、英國如何推算其開發(fā)成本，以期豐富有關(guān)研究，并為我國能源發(fā)展戰(zhàn)略提供參考。

2　海洋LCOE的影響因素

2.1直接影響因素

計(jì)算海洋能裝置的能源成本，需要包括投資成本和運(yùn)行成本，以及累積發(fā)電量，其中貼現(xiàn)率也被用來計(jì)算未來成本的現(xiàn)值(圖1)。

圖1　海洋能裝置的能源成本

設(shè)備的投資成本包括安裝和項(xiàng)目管理，大多發(fā)生在項(xiàng)目的初期階段；而運(yùn)行成本，如維護(hù)、租金和保險(xiǎn)則貫穿整個(gè)項(xiàng)目周期，其中還需考慮到拆撤成本。

以千瓦時(shí)計(jì)算的發(fā)電成本取決于陣列裝置的發(fā)電總量，因此裝置在特定位置的發(fā)電量是計(jì)算能源成本的關(guān)鍵值。這將取決于可再生資源的可用性、將資源轉(zhuǎn)換成電能的裝置特性、裝置的可用性以及對綜上所述的可操作的時(shí)間比例。負(fù)荷系數(shù)(LF)可通過以下公式計(jì)算[2]：

式中：AEP(Annual Energy Production)為年發(fā)電量，單位是kW·h；R為額定裝機(jī)量，單位是MW。

貼現(xiàn)率將未來的成本和收益轉(zhuǎn)成現(xiàn)值成本，以此計(jì)算單位產(chǎn)能，即貼現(xiàn)率是“金錢成本”的折射，在LCOE計(jì)算公式中屬于一個(gè)重要變量，用來反映項(xiàng)目的預(yù)期風(fēng)險(xiǎn)以及貨幣市場利率和市場融資(債務(wù)或股本)走勢。

均化(發(fā)電)成本計(jì)算方法是通過使用貼現(xiàn)率將未來各個(gè)時(shí)段的支出折算成在某一選定日期(通常是電廠投產(chǎn)日期)的現(xiàn)值。對未來各個(gè)時(shí)間的發(fā)電量也進(jìn)行同樣的貼現(xiàn)計(jì)算。支出的現(xiàn)值按照類型(投資、燃料、運(yùn)行和維護(hù))增加，對發(fā)電量現(xiàn)值采用類似的方法累加到一個(gè)單一的數(shù)值。假設(shè)所發(fā)生的運(yùn)行和維護(hù)成本與發(fā)電量是每年恒定的，則均化(發(fā)電)成本可通過下列公式表示[3]：

式中：LCOE為能源均化(發(fā)電)成本；SCI為電廠的資金成本；SLD為具體的均化拆卸成本；LF為設(shè)施的負(fù)荷系數(shù)；r為貼現(xiàn)率；n為設(shè)備使用壽命；OM為年化的運(yùn)行和維護(hù)成本。

2.2間接影響因素

除上述公式所涉及的直接影響因素外，人為及潛在的間接影響因素也不容忽視，主要包括以下幾方面。

(1)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。對風(fēng)險(xiǎn)的評估是影響海洋能源項(xiàng)目融資的一個(gè)重要因素，在工程計(jì)算中使用的實(shí)際回報(bào)率均取決于融資項(xiàng)目所涉及的整體風(fēng)險(xiǎn)評估，視為高風(fēng)險(xiǎn)的超支項(xiàng)目或收益較低的項(xiàng)目往往需要較高回報(bào)率以吸引項(xiàng)目投資商。主要包括：項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，即所有的項(xiàng)目都有不可預(yù)見事件和成本超支的風(fēng)險(xiǎn)，海洋環(huán)境就其特性而言存在極端的海洋氣象條件，可能導(dǎo)致正在安裝的設(shè)備和船舶損害及延誤；技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，是與特定技術(shù)相關(guān)的額外風(fēng)險(xiǎn)，將取決于是否安全可靠地執(zhí)行技術(shù)研發(fā)并產(chǎn)生預(yù)期成果，海洋能源陣列技術(shù)難免存在失誤風(fēng)險(xiǎn)，包括在設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行實(shí)踐階段的風(fēng)險(xiǎn)；其他風(fēng)險(xiǎn)，具體體現(xiàn)為缺乏明確的有關(guān)補(bǔ)貼制度及對技術(shù)的政治支持。

(2)項(xiàng)目開發(fā)商的角色。成功的海洋能發(fā)電項(xiàng)目除政府財(cái)政支持外，還離不開項(xiàng)目開發(fā)商投入大量資源和資金，以促進(jìn)在未來發(fā)展陣列式規(guī)模發(fā)電；在各國實(shí)踐中不難發(fā)現(xiàn)，項(xiàng)目的主要投資方除政府外就是能源公司，而后者的支持力度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及政府的扶持力度。因此，海洋能未來投資的一個(gè)關(guān)鍵問題是，如何促使海洋能源項(xiàng)目成為能源公司愿意投資的項(xiàng)目，以期降低開發(fā)成本、形成規(guī)模化發(fā)展，更好應(yīng)用于市場。

(3)項(xiàng)目開發(fā)和許可成本。在海洋能裝置制造和安裝之前，還要開展一系列的評估和調(diào)查工作，如選址、環(huán)境影響評估、工程設(shè)計(jì)準(zhǔn)備、計(jì)算實(shí)施成本、獲取必要的許可權(quán)限等，只有通過相關(guān)機(jī)構(gòu)獲得批準(zhǔn)才能開展初期的設(shè)計(jì)工作，所有與這些活動(dòng)相關(guān)的成本均被列入“項(xiàng)目開發(fā)和許可成本”。

(4)電網(wǎng)連接和傳輸成本。電網(wǎng)連接成本與距主電網(wǎng)系統(tǒng)的距離有關(guān)，確保恰當(dāng)?shù)剡B接到輸電網(wǎng)絡(luò)從而得到最優(yōu)成本；傳輸收費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)也反映了加強(qiáng)遠(yuǎn)程電網(wǎng)連接的需求。

(5)能源均化(發(fā)電)。成本是一種較為清晰計(jì)算某一特定能源系統(tǒng)成本的方法，然而鑒于可供參考的資料以及實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的缺乏，有關(guān)成本和性能參數(shù)職能只基于少量資料進(jìn)行評估，僅以此作為技術(shù)發(fā)展?fàn)顟B(tài)和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)管理的客觀手段。

3　國際推算海洋能成本走向

波浪能和潮流能裝置基本都處于初期發(fā)展階段，借鑒風(fēng)能及其他可再生能源技術(shù)取得的經(jīng)驗(yàn)將降低波浪能和潮流能的投資成本。但由于實(shí)際經(jīng)驗(yàn)很少，這種論斷只得到少量數(shù)據(jù)的驗(yàn)證。目前的投資成本估算僅是從單一樣機(jī)獲得的，其數(shù)值很可能高于未來技術(shù)更成熟的商業(yè)化機(jī)型。

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會(huì)減緩氣候變化第三工作組出臺(tái)的《可再生能源和減緩氣候變化特別報(bào)告》“海洋能”一章中的第七部分內(nèi)容，在為數(shù)不多的對未來成本的研究中，美國電力研究所(Electric Power Research Institute，EPRI)在2005年利用預(yù)期布放在加利福尼亞沿海的“海蛇”號(hào)波浪能發(fā)電裝置進(jìn)行商業(yè)化項(xiàng)目成本的理論研究[4]。假設(shè)整個(gè)電站規(guī)模為213×500 kW(106.5 MW)、設(shè)計(jì)壽命為20年、設(shè)備利用率為95%，計(jì)算得到LCOE值；研究結(jié)論是：安裝2.79億美元(2 620美元/kW)的投資成本，7.5%的貼現(xiàn)率，38%的設(shè)備利用率，1 310萬美元(123美元/kW)的年均運(yùn)行和維護(hù)成本，10年后的改造成本為2 810萬美元(264美元/kW)，那么LCOE將達(dá)到13.4美分/kW·h。

2006年，英國碳信托(Carbon Trust)根據(jù)搜集到的大量投資成本數(shù)據(jù)對波浪能和潮流能樣機(jī)和前商業(yè)化發(fā)電裝置的現(xiàn)時(shí)成本進(jìn)行評估，并發(fā)布評估結(jié)果：波浪能發(fā)電裝置的投資成本為7 700～16 100美元/kW、中值為11 875美元/kW，潮流能發(fā)電樣機(jī)的投資成本為8 600～14 300美元/kW、中值為11 400美元/kW，一些概念性潮流能發(fā)電裝置的投資成本或許更高；項(xiàng)目研究估算英國早期波浪能電站的LCOE為21～79美分/kW·h，而早期潮流能電站的LCOE為16～32美分/kW·h[5]。

美國加利福尼亞州為“可再生能源輸送行動(dòng)”所作的一項(xiàng)研究顯示，潮流能發(fā)電(布放在加利福尼亞州)成本為1～3美分/kW·h[6]。

潮汐電站被認(rèn)為是最成熟的海洋能技術(shù)，因?yàn)槟壳耙呀?jīng)持續(xù)運(yùn)行的潮汐電站實(shí)例很多，不過有關(guān)成本的數(shù)據(jù)卻很少。潮汐電站的成本估計(jì)為4 500～5 000美元/kW，運(yùn)行和維護(hù)成本約為100美元/kW/a[7]。

海洋溫差能發(fā)電技術(shù)(OTEC)沒有長期持續(xù)性的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，因此很難預(yù)測當(dāng)前的成本以及未來的發(fā)展趨勢。有關(guān)OTEC的最新成本估算來自洛克希德馬丁公司，估計(jì)10 MW的試驗(yàn)電站的投資成本為32 500美元/kW；而達(dá)到商業(yè)化階段的100 MW電站，成本將降低到10 000美元/kW[8]。

有關(guān)波浪能發(fā)電的各種理論分析表明，近期波浪能的LCOE可與20世紀(jì)80年代的風(fēng)能相媲美。目前還不清楚英國碳信托(Carbon Trust)和美國電力研究所公布的較低LCOE值是如何得出的，可能是采用了比常用標(biāo)準(zhǔn)更低的成本數(shù)據(jù)或更高的性能參數(shù)。與其他能源相比，潮汐能技術(shù)的投資成本較高，潮汐電站工程的規(guī)模一般大于其他海洋能項(xiàng)目，因?yàn)橹挥型ㄟ^規(guī)模效應(yīng)才能降低發(fā)電的單位成本。而OTEC技術(shù)只能通過新材料和建筑技術(shù)等領(lǐng)域取得的進(jìn)步才能提高其在經(jīng)濟(jì)和技術(shù)方面的可行性。在海洋能LCOE估算中，最大的不確定因素是對長期利用率及運(yùn)行和維護(hù)成本的估算，這些都需要實(shí)際的運(yùn)行數(shù)據(jù)積累。

4　降低成本的可能性探討

由于海洋能技術(shù)仍處于發(fā)展階段，尚未形成規(guī)模化發(fā)展，鑒于風(fēng)能產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗(yàn)，在裝機(jī)數(shù)量增加后，通過生產(chǎn)效率自然提高、經(jīng)驗(yàn)積累、規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)和技術(shù)創(chuàng)新等，將有望降低成本。

4.1“學(xué)習(xí)曲線”效應(yīng)

“學(xué)習(xí)曲線”效應(yīng)可能是驅(qū)動(dòng)降低LCOE的一個(gè)重要因素。20世紀(jì)80年代初到2008年近30年時(shí)間里，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)“學(xué)習(xí)率”達(dá)到11%[9]。作為一類估計(jì)，海洋能產(chǎn)業(yè)(不包括已經(jīng)相對成熟的潮汐能)也可以達(dá)到11%的“學(xué)習(xí)曲線”。以英國碳信托給出的投資成本中值點(diǎn)位為例，11%的學(xué)習(xí)率意味著當(dāng)裝機(jī)容量達(dá)到2010年9倍的規(guī)模時(shí)，投資成本可下降到2010年的約1/3(波浪能和潮流能初始裝機(jī)容量均假設(shè)為5 MW)。

也就是說，通過研發(fā)所獲取的專業(yè)知識(shí)，同樣也豐富了整個(gè)行業(yè)的學(xué)術(shù)經(jīng)驗(yàn)。設(shè)備建模(在設(shè)備和陣列級別)、試驗(yàn)、水槽測試和海上測試都能提供全方位的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，通過“知識(shí)儲(chǔ)備庫”的運(yùn)用，為未來項(xiàng)目的發(fā)展提供最優(yōu)設(shè)計(jì)，以此降低能源成本。

4.2規(guī)?；a(chǎn)

規(guī)?；团可a(chǎn)為降低成本提供重要契機(jī)。逐步擴(kuò)大規(guī)?？梢酝ㄟ^以下幾種不同方式降低成本。

(1)大規(guī)模裝置?？偟膩碚f， 由于制造和安裝成本不會(huì)隨著能量輸出而呈線性增加，大規(guī)模設(shè)備成本會(huì)較低(以每千瓦裝機(jī)量來衡量)。然而設(shè)備的升級卻和與海面的相互作用相關(guān)，如潮汐渦輪機(jī)的葉片長度可能會(huì)受到現(xiàn)場水深的影響，波浪能裝置尺寸也會(huì)受到造波條件的位置影響等，盡管如此，裝置在尺寸上進(jìn)行升級改造的可能性還是很大[10]。但考慮到升級改造所產(chǎn)生的高昂材料費(fèi)用，就需要找到一種折中方式來實(shí)現(xiàn)最高的成本效益。

(2)裝置的數(shù)量。多臺(tái)裝置陣列化安裝可以降低電廠安裝和配套設(shè)施的成本(以每兆瓦裝機(jī)量衡量)。陣列式規(guī)模安裝所帶來的收益體現(xiàn)在可以購買更大更專業(yè)的安裝船，在電纜連接成本、項(xiàng)目開發(fā)、站位動(dòng)員和其他項(xiàng)目成本中允許安裝多臺(tái)設(shè)備，以此達(dá)到更好的利用率；在一個(gè)基礎(chǔ)設(shè)施上共享系泊點(diǎn)或安裝多個(gè)設(shè)備，以此通過共享高昂的基建設(shè)施和安裝成本來均衡其經(jīng)濟(jì)效益。

(3)規(guī)?；a(chǎn)。相似設(shè)備的規(guī)?；a(chǎn)可以降低成本，相比專用設(shè)計(jì)生產(chǎn)組件，通過批量生產(chǎn)可以降低整體單一組件的成本。

(4)工程支持。大型原始設(shè)備制造商投資給海洋能設(shè)備制造商，為海洋能技術(shù)發(fā)展帶來了資源和經(jīng)驗(yàn)。近期大型設(shè)備投資商如法國艦艇建造局(DCNS)、西門子和阿爾斯通，通過將其他行業(yè)的知識(shí)轉(zhuǎn)移到海洋能產(chǎn)業(yè)中，很可能帶來生產(chǎn)成本的降低[11]。

4.3創(chuàng)新

降低成本的重要機(jī)制之一是創(chuàng)新。創(chuàng)新包括設(shè)計(jì)或制造過程中發(fā)生的根本性改變，可以發(fā)生在整體設(shè)備和子系統(tǒng)的任一階段，也就是說創(chuàng)新貫穿于最初的新概念能源捕獲設(shè)計(jì)到創(chuàng)新性設(shè)備布放和操作流程。這種注重實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐的新方式明顯不同于當(dāng)前單純依靠實(shí)踐獲得經(jīng)驗(yàn)，創(chuàng)新和學(xué)習(xí)是隨著實(shí)踐慢慢融合的。

在研發(fā)的早期階段，創(chuàng)新很可能發(fā)生在研究和開發(fā)環(huán)境中，繼而萌芽出開發(fā)和測試的新概念。隨著技術(shù)發(fā)展，當(dāng)接近商業(yè)運(yùn)行階段時(shí)，創(chuàng)新就會(huì)出現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目短期至中期的挑戰(zhàn)上，如開發(fā)創(chuàng)新型的安裝方法，以此作為大規(guī)模布放試驗(yàn)的一部分。

5　結(jié)論和建議

借鑒國外海洋能發(fā)電裝置成本計(jì)算的先進(jìn)方法，結(jié)合國內(nèi)實(shí)際情況，推行能源成本估算是海洋能發(fā)電裝置自主產(chǎn)品創(chuàng)新發(fā)展的必然選擇。盡管目前海洋能技術(shù)發(fā)展處于初期階段，可供參考的資料以及實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)缺乏，英美的能源成本估算同樣存在較大的不確定性，但不可否認(rèn)的是隨著新技術(shù)的不斷發(fā)展，更多的經(jīng)驗(yàn)累積將有助于降低成本。

對能源成本估算的方法有幾點(diǎn)建議。

(1)深入研究歐、美等國有關(guān)成本建模及成本分析公式，包括丹麥能源成本模型、美國能源局參考模型、美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室離岸風(fēng)能模型、英國碳信托模型、西班牙TECNALIA模型、愛爾蘭HMRC公司開發(fā)的 NAVITAS模型、愛爾蘭梅努斯國立大學(xué)開發(fā)的TEOWEC軟件、EU-JRC(聯(lián)合研究中心)開發(fā)的經(jīng)濟(jì)建模、葡萄牙波浪能中心開發(fā)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)建模等，對這些現(xiàn)有模型進(jìn)行分析與總結(jié)，提煉出適合波浪能、潮汐能、潮流能、OTEC等LCOE計(jì)算通則。

(2)能源成本估算可以納入海洋能項(xiàng)目的立項(xiàng)論證、中期檢查和結(jié)題驗(yàn)收等項(xiàng)目管理環(huán)節(jié)中，以此搜集相關(guān)技術(shù)的成本數(shù)據(jù)。

(3)建立“能源成本”數(shù)據(jù)庫，將搜集的成本數(shù)據(jù)分以不同類別，以年為單位繪制成本走勢圖，為政策制定者和投資商提供風(fēng)險(xiǎn)評估依據(jù)，更科學(xué)地制定技術(shù)發(fā)展路線圖。能源成本數(shù)據(jù)是一切政策扶持(發(fā)展路線圖、資金補(bǔ)助、電價(jià)補(bǔ)貼、稅收激勵(lì)等)、投資融資、風(fēng)險(xiǎn)評估等的基本依據(jù)，不斷降低制造成本、采用新技術(shù)、從其他行業(yè)獲取知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)，通過實(shí)際運(yùn)行來優(yōu)化技術(shù)的未來發(fā)展。

我國自2011年加入“國際能源署海洋能系統(tǒng)實(shí)施協(xié)議”以來，先后多次參加執(zhí)委會(huì)會(huì)議及參與海洋能國際合作項(xiàng)目?！澳茉闯杀尽笔窃摻M織近期推出的短期項(xiàng)目，我國作為成員國也參與其中，通過該項(xiàng)目的實(shí)施和推進(jìn)，有助于我國獲得來自世界更多更詳實(shí)的最新海洋能項(xiàng)目成本信息，也有助于我國通過借鑒與比較找出差距，尋求更有效的能源成本降低之路。

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On the Levelized Cost of Energy in the Development of Ocean Energy Devices

WANG Fang

(National Ocean Technology Center， Tianjin 300112， China)

In recent years，the ocean energy utilization and exploration has been one of the renewable energy topics and the research points have been focused on power generation devices.However，the high cost is one of the factors that restricts the development of ocean energy technology.In the field of new energy power generation，levelized cost of energy (LCOE) approach has been usually adopted to compare energy projects of different power generation technology and scale.Taking

of lessons from the LCOE calculation mode to guide and promote the development of marine renewable energy technology and industry is of great significance.This paper expounded the influence factors of Ocean Energy LCOE，and took wave energy and tidal current energy as examples to introduce the method of development cost calculation in the UK and the USA.The possibility of reducing energy costs was then discussed and advices for power generation devices in China were also provided in the paper.

Ocean energy，Energy costs，LCOE，Cost control

王芳，工程師，研究方向?yàn)楹Ｑ竽苷?，電子信箱：youyouqiao@126.com

P741

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1005-9857(2016)04-0063-05