王芳

(國家海洋技術(shù)中心　天津　300112)

?

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)模的能源項目進行比較。借鑒能源均化成本(LCOE)的計算模式，對引導(dǎo)和推進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、小規(guī)模應(yīng)用階段。

為了實現(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。目前的各種激勵措施，如“可再生能源義務(wù)證書 (ROCS)”等，都是為提供一個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)模的能源項目進行比較。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

計算海洋能裝置的能源成本，需要包括投資成本和運行成本，以及累積發(fā)電量，其中貼現(xiàn)率也被用來計算未來成本的現(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目管理，大多發(fā)生在項目的初期階段；而運行成本，如維護、租金和保險則貫穿整個項目周期，其中還需考慮到拆撤成本。

以千瓦時計算的發(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間比例。負(fù)荷系數(shù)(LF)可通過以下公式計算[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，以此計算單位產(chǎn)能，即貼現(xiàn)率是“金錢成本”的折射，在LCOE計算公式中屬于一個重要變量，用來反映項目的預(yù)期風(fēng)險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)成本計算方法是通過使用貼現(xiàn)率將未來各個時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。對未來各個時間的發(fā)電量也進行同樣的貼現(xiàn)計算。支出的現(xiàn)值按照類型(投資、燃料、運行和維護)增加，對發(fā)電量現(xiàn)值采用類似的方法累加到一個單一的數(shù)值。假設(shè)所發(fā)生的運行和維護成本與發(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為年化的運行和維護成本。

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)項目風(fēng)險。對風(fēng)險的評估是影響海洋能源項目融資的一個重要因素，在工程計算中使用的實際回報率均取決于融資項目所涉及的整體風(fēng)險評估，視為高風(fēng)險的超支項目或收益較低的項目往往需要較高回報率以吸引項目投資商。主要包括：項目風(fēng)險，即所有的項目都有不可預(yù)見事件和成本超支的風(fēng)險，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，是與特定技術(shù)相關(guān)的額外風(fēng)險，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，包括在設(shè)計、安裝和運行實踐階段的風(fēng)險；其他風(fēng)險，具體體現(xiàn)為缺乏明確的有關(guān)補貼制度及對技術(shù)的政治支持。

(2)項目開發(fā)商的角色。成功的海洋能發(fā)電項目除政府財政支持外，還離不開項目開發(fā)商投入大量資源和資金，以促進在未來發(fā)展陣列式規(guī)模發(fā)電；在各國實踐中不難發(fā)現(xiàn)，項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關(guān)鍵問題是，如何促使海洋能源項目成為能源公司愿意投資的項目，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)計準(zhǔn)備、計算實施成本、獲取必要的許可權(quán)限等，只有通過相關(guān)機構(gòu)獲得批準(zhǔn)才能開展初期的設(shè)計工作，所有與這些活動相關(guān)的成本均被列入“項目開發(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；傳輸收費標(biāo)準(zhǔn)也反映了加強遠(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際運行經(jīng)驗的缺乏，有關(guān)成本和性能參數(shù)職能只基于少量資料進行評估，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)驗將降低波浪能和潮流能的投資成本。但由于實際經(jīng)驗很少，這種論斷只得到少量數(shù)據(jù)的驗證。目前的投資成本估算僅是從單一樣機獲得的，其數(shù)值很可能高于未來技術(shù)更成熟的商業(yè)化機型。

根據(jù)聯(lián)合國政府間氣候變化專門委員會減緩氣候變化第三工作組出臺的《可再生能源和減緩氣候變化特別報告》“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”號波浪能發(fā)電裝置進行商業(yè)化項目成本的理論研究[4]。假設(shè)整個電站規(guī)模為213×500 kW(106.5 MW)、設(shè)計壽命為20年、設(shè)備利用率為95%，計算得到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)的年均運行和維護成本，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和前商業(yè)化發(fā)電裝置的現(xiàn)時成本進行評估，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”所作的一項研究顯示，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)，因為目前已經(jīng)持續(xù)運行的潮汐電站實例很多，不過有關(guān)成本的數(shù)據(jù)卻很少。潮汐電站的成本估計為4 500～5 000美元/kW，運行和維護成本約為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)性的運行經(jīng)驗，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10 MW的試驗電站的投資成本為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目，因為只有通過規(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)域取得的進步才能提高其在經(jīng)濟和技術(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行和維護成本的估算，這些都需要實際的運行數(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)?；l(fā)展，鑒于風(fēng)能產(chǎn)業(yè)經(jīng)驗，在裝機數(shù)量增加后，通過生產(chǎn)效率自然提高、經(jīng)驗積累、規(guī)模經(jīng)濟效應(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)動降低LCOE的一個重要因素。20世紀(jì)80年代初到2008年近30年時間里，風(fēng)電產(chǎn)業(yè)“學(xué)習(xí)率”達(dá)到11%[9]。作為一類估計，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位為例，11%的學(xué)習(xí)率意味著當(dāng)裝機容量達(dá)到2010年9倍的規(guī)模時，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，同樣也豐富了整個行業(yè)的學(xué)術(shù)經(jīng)驗。設(shè)備建模(在設(shè)備和陣列級別)、試驗、水槽測試和海上測試都能提供全方位的學(xué)習(xí)機會，通過“知識儲備庫”的運用，為未來項目的發(fā)展提供最優(yōu)設(shè)計，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。逐步擴大規(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隨著能量輸出而呈線性增加，大規(guī)模設(shè)備成本會較低(以每千瓦裝機量來衡量)。然而設(shè)備的升級卻和與海面的相互作用相關(guān)，如潮汐渦輪機的葉片長度可能會受到現(xiàn)場水深的影響，波浪能裝置尺寸也會受到造波條件的位置影響等，盡管如此，裝置在尺寸上進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)生的高昂材料費用，就需要找到一種折中方式來實現(xiàn)最高的成本效益。

(2)裝置的數(shù)量。多臺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、項目開發(fā)、站位動員和其他項目成本中允許安裝多臺設(shè)備，以此達(dá)到更好的利用率；在一個基礎(chǔ)設(shè)施上共享系泊點或安裝多個設(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)濟效益。

(3)規(guī)?；a(chǎn)。相似設(shè)備的規(guī)模化生產(chǎn)可以降低成本，相比專用設(shè)計生產(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。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

降低成本的重要機制之一是創(chuàng)新。創(chuàng)新包括設(shè)計或制造過程中發(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)計到創(chuàng)新性設(shè)備布放和操作流程。這種注重實驗和實踐的新方式明顯不同于當(dāng)前單純依靠實踐獲得經(jīng)驗，創(chuàng)新和學(xué)習(xí)是隨著實踐慢慢融合的。

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)運行階段時，創(chuàng)新就會出現(xiàn)在產(chǎn)業(yè)化項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)電裝置成本計算的先進方法，結(jié)合國內(nèi)實際情況，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際運行經(jīng)驗缺乏，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)驗累積將有助于降低成本。

對能源成本估算的方法有幾點建議。

(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驗室離岸風(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)濟建模、葡萄牙波浪能中心開發(fā)的技術(shù)經(jīng)濟建模等，對這些現(xiàn)有模型進行分析與總結(jié)，提煉出適合波浪能、潮汐能、潮流能、OTEC等LCOE計算通則。

(2)能源成本估算可以納入海洋能項目的立項論證、中期檢查和結(jié)題驗收等項目管理環(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、資金補助、電價補貼、稅收激勵等)、投資融資、風(fēng)險評估等的基本依據(jù)，不斷降低制造成本、采用新技術(shù)、從其他行業(yè)獲取知識和經(jīng)驗，通過實際運行來優(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)實施協(xié)議”以來，先后多次參加執(zhí)委會會議及參與海洋能國際合作項目?！澳茉闯杀尽笔窃摻M織近期推出的短期項目，我國作為成員國也參與其中，通過該項目的實施和推進，有助于我國獲得來自世界更多更詳實的最新海洋能項目成本信息，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。

[1]Renewable U K.Offshore Wind Forecasts of future costs and benefits[R]. Renewable UK， London： 2011.

[2]SI Ocean. Ocean energy: cost of energy and cost reduction opportunities[M]. The Strategic Initiative for Ocean Energy. 2013.

[3]IEA & OECD. Projected costs of generating electricity 2010 edition[R]. Paris， France: International Energy Agency，2010.

[4]PREVISIC M. System level design， performance， and costs of california pelamis wave power plant[R]. Palo Alto， CA， USA: Electric Power Research Institute， 2009: 09.

[5]CALLAGHAN J. Future marine energy-results of the marine Energy Challenge: Cost competitiveness and growth of wave and tidal stream energy. CTC601[R].London， UK: The Carbon Trust. 2006.

[6]KLEIN J. Comparative Costs of California Central Station Electricity Generation Technologies. CEC-200-2009-017-SD[R]. Sacramento， CA， USA:California Energy Commission. 2010：12.

[7]ETSAP. Marine energy technology brief E13[R]. Paris， France: Energy Technology Systems Analysis Program， 2010：07.

[8]COOPER D J， MEYER L J， VARLEY R J. OTEC commercialization challenges[C]//In: Proceedings 2009 Offshore Technology Conference， Houston， TX，USA， 2009.

[9]BUCKLEY W.H. Extreme waves for ship and offshore platform design: an overview. T&R report[J].Society of Naval Architecture and MarineEngineering， Jersey City， NJ， USA：7-30.

[10]WISER R， BOLINGER M. Wind technologies market report[R]. Washington， DC， USA: US Department of Energy， 2009：12.

[11]FITZGERALD J B. Bolund: Technology readiness for wave energy projects; ESB and vattenfall classification system [C]// Proc of International Conference on Ocean Energy 2012. Dublin.2012.

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，研究方向為海洋能政策，電子信箱：youyouqiao@126.com

P741

A

1005-9857(2016)04-0063-05