美国风能（终于）进军海上

本文最初刊登于我们 2022 年 5 月/6 月刊，标题为“Catching Wind”。点击此处订阅以阅读更多此类文章。

在美国，利用海上风能长期以来一直是一场艰苦的战斗，道路上布满了各种障碍。渔业的反对、环保主义者的疑虑以及旅游业的摇摆不定的支持，都阻碍了过去十年的发展。直到 2021 年 5 月，美国内政部才批准在马萨诸塞州马萨葡萄园岛海岸数英里外建设一个广阔的风力发电场。

该项目标志着美国第一个大规模海上风力工程，其中包括 62 台涡轮机，可为超过 40 万个家庭和企业供电。但它几乎未能实现。在特朗普政府时期，该项目的审批被搁置，而全国范围内对替代能源解决方案的普遍动力也随之放缓。该国唯一另一个海上风力发电设施，自 2016 年以来只有五台涡轮机在罗德岛海岸附近运行，似乎在未来几年内都不会有其他项目与之相伴。那个地点，布洛克岛风电场，发电量为 30 兆瓦，足以满足 17,000 户家庭的用电需求。然而，在乔·拜登总统上任后，他承诺到 2030 年将美国海上风能产量提高 1000 倍。批准雄心勃勃的 Vineyard Wind 项目标志着第一步。

建设已于 11 月开始，预计 800 兆瓦的 Vineyard Wind 风电场将于 2023 年开始发电。今年 2 月，美国就纽约和新泽西海岸的六个风能租赁区举行了拍卖。这次机会吸引了十多位竞标者，最终以超过 43 亿美元的价格成交，这表明美国海上风能市场需求旺盛。

2021 年 5 月，拜登总统在加利福尼亚州确定了两个潜在的地点，向西海岸开放了海上风电的理念，尽管此前国防部曾反对，因为该地区被用于测试和训练。行业领导者也在探索墨西哥湾地区的租赁机会。2021 年 10 月，拜登政府宣布计划考虑美国几乎整个海岸线用于海上风能开发。

根据海洋能源管理局局长 Amanda Lefton 的说法，实现 2030 年的目标将创造约 80,000 个就业机会，并抵消 8600 万吨二氧化碳。“向清洁能源的未来转型至关重要，”Lefton 说。看来，海上风能终于在美国替代能源组合中占据了重要地位。

地球 70% 被海洋覆盖，将一小部分海洋用于风能发电是合乎逻辑的。但正如过去 30 年的海上风电发展所证明的那样，这一举措伴随着巨大的挑战。海洋汹涌且不可预测。安装成本可能非常高昂。巨大的涡轮机需要大型船舶进行运输和建造。尽管如此，当今的先进技术——包括叶片效率和工程设计、浮动涡轮机，甚至无人机——使得海上风能触手可及。

历史上，在利用风能方面，欧洲比美国早了几百年。

欧洲人在中世纪开始建造大型风车来磨谷物和抽水——尽管这种技术在一千多年前就已出现在中国和中东。在美国，这种机器直到 1850 年后才开始广泛传播，当时 Daniel Halladay 和 John Burnham 建造了他们的 Halladay 风车，以适应美国西部农业的需求。

与典型的欧洲风车相比，这种设计更小、更便宜，非常适合平原地区的农业需求；在 40 年内，美国有数百家公司建造了数百万台这种用于农场和牧场的抽水设备。在 19 世纪 80 年代，两位创新者（一位在苏格兰，一位在美国）独立地开始将这项技术应用于发电。丹麦一位科学家在本世纪初在涡轮机技术和更广泛的应用方面取得了显著进展。随后，蒸汽、石油和其他强大的化石燃料涌入了能源市场。

在过去的一百年里，对风能的兴趣起起伏伏。它仍然比化石燃料产生的电力更昂贵。1970 年油价飙升时，对该行业的投资开始增加，这极大地刺激了市场。在接下来的几十年里，国会通过了法律，要求公司购买一定数量的可再生能源电力，并为使用风能作为能源的企业提供税收抵免。

虽然美国坚持陆地开发，但 30 年前，丹麦成为第一个将涡轮机投入水中的国家。如果你查看该国如今的风电场地图，大海就像一张繁忙的几何印花图，充满了颜色编码的大型海上设施，其中许多已经投入使用。试点项目于 1991 年投入运行。此后又建成了 15 个海上风电场。邻国，如德国和荷兰，自 2000 年初以来一直在投资海上风电，其中大部分发生在过去十年。在美国类似的地图上，过去几年出现了许多拟建项目，截至 2021 年夏天，有 17 个项目提案瞄准大西洋沿岸。

丹麦奥尔堡大学能源技术中心助理教授 George Xydis 说：“美国现在处于欧洲 10 年前的水平。”

随着欧洲海上风电的发展，日益增长的环保和生物多样性担忧促使工程师建造更大的海上涡轮机。如果每个单独的机器更大，它将产生更多的电力，并且所需的场地更少。如今，一台大型海上涡轮机的发电量可以达到平均陆上涡轮机的五倍。

Xydis 是一位工程师，在约翰霍普金斯大学兼任教职。他说，从环境和社会影响来看，海上风电实际上比陆地项目更容易开发。“陆上风电的限制更多，”他说。

首先，陆上风电需要大片土地。开发商还需要避免伤害已经栖息在该地区和空域的鸟类和哺乳动物。最后，附近居民需要忍受风车产生的持续的嗡嗡声以及随着涡轮机转动而时隐时现的闪烁阴影。（只需在谷歌上搜索“阴影闪烁”即可了解这场争议。）

美国似乎正在认识到海上风电的优势。2008 年，美国能源部宣布到 2030 年实现风能占总发电量 20% 的目标。截至 2020 年，该国为 8.4%，其中近 100% 来自陆基系统。

除了渔业的反对，美国军方也一直抵制将海域让给能源行业，这可能加剧了向海上开发的延迟。由于存在许多相互竞争的利益，风力项目的审批过程可能会拖延数年，需要权衡对环境、娱乐活动和旅游业的影响。

Xydis 认为，美国现在开始进军海上风电，这一相对晚的起步带来了一些优势。科学家们已经从欧洲过去三十年的工作中吸取了经验。他们拥有比以往任何时候都更先进的叶片，以及关于如何将 800 吨重的金属机器最好地安置在海洋中的最新知识。

丹麦技术大学风能系副教授 Niels Erik Clausen 表示，尽管海上风电取得了数十年的进展，但仍然存在限制——只是与陆上风电不同。除了巨大的经济成本外，例如建设噪音可能会打扰鲸鱼、海豚和海豹等海洋哺乳动物。海鸟可能不会返回该区域，这会损害海洋生态系统。事实上，早在 2014 年，英国一个海上风电场就因对受保护海鸟红喉潜鸟的生存不确定性而导致项目停滞了十年。

另一方面，这些项目也对海洋生物带来了一些潜在的好处。Clausen 说：“如果你浮潜过，你会发现沉船周围有很多海洋生物。海上风电场也是如此。”一些人认为涡轮机可以作为人工鱼礁。另一些人则认为，由于涡轮机阻止了捕鱼，生态系统从中受益。对罗德岛小型布洛克岛风电场的研究表明，鱼类和鸟类已经适应了新的环境，并且功能正常。

为了了解一个风电场的规模，一个 1000 兆瓦的项目可能需要 70 到 80 台涡轮机，覆盖约 115 平方英里——这相当于芝加哥的一半大小。涡轮机本身间隔很远，大型涡轮机之间有超过 1 英里的距离。如果这听起来很夸张，那么想想看，一根现代涡轮机的叶片放在美国足球场内，几乎会触碰到两端的球门线。输送电力的电缆当然需要更长的旅程。虽然涡轮机可能距离海岸二十多英里——并且位于 100 英尺多深的水域——但电缆可能延伸到内陆另外 20 英里的发电站。

美国海洋能源管理局 (BOEM) 的研究人员仍在研究海洋中的涡轮机如何影响鸟类和鱼类。他们最近通过“实时开发环境观测”项目开始评估影响，该项目在 2015 年布洛克岛开始基础工程时进行了研究。研究人员将在未来几年内报告其他海上风电项目的运营情况。到目前为止，他们发现，在嘈杂的打桩施工阶段，冬季比目鱼的数量有所减少。然而，其他种类的比目鱼并未受到显著影响。研究人员还注意到，几乎立即，贻贝、海星和海葵就开始覆盖水下涡轮机。未来的研究将增加海洋生物影响的数据，并可能为行业方法提供信息。

如果确定生态成本被证明很困难，那么确定经济成本可能更难：“计算这个非常复杂，”Xydis 说。需要考虑的因素包括风速（风速越高，发电量越大）、结构基础和海底电缆的融资和资本成本。在风速高的地区，可能只需要不到 10 年就能收回投资。但是，Xydis 说，达到盈利期大约需要 5 到 15 年。

陆上风能和太阳能的发电成本现在可以与化石燃料竞争。根据 2020 年 7 月发表在《能源》杂志上的一项研究，海上风电的成本未来很可能也会下降。该研究预测，欧洲将朝着开发离岸更远的海上风电方向发展，那里的风速更高，发电量更大，从而提供更高的投资回报。开发商将更快地获得利润，附近社区的可再生能源价格也应该会下降。

国家可再生能源实验室 (NREL) 的海上风电首席工程师 Walt Musial 表示，随着时间的推移，风能技术将不断进步，NREL 是一个联邦资助的研究中心。这包括涡轮机高度、叶片效率和其他在过去二十年中已显著改进的因素。根据美国能源部的一项评估，自 1998 年以来，涡轮机的叶轮扫掠面积增加了 570%。

Musial 表示，下一阶段的海上风电将涉及一个不同的领域：浮动风力涡轮机。这使得进入更深水域成为可能，并且可能通过避免固定式基础来降低开发成本。在 NREL，Musial 致力于协调水动力学和空气动力学，以促进这些更先进的风电场。尽管浮动行业还很年轻，但 Musial 认为它有着光明的未来。大多数欧洲海上风电项目以及许多计划在亚洲开发的项目都具有浮动潜力。Musial 说：“浮动风电的管道正在呈指数级增长。”

其他企业正在采用技术来解决风力涡轮机检查的基本问题。检查大型旋转叶片的人类可能会带来重大危险。韩国公司 Nearthlab 推出了其自主无人机技术，认为这是一种更安全、更高效的检查方式。这项技术不仅对陆上风电有影响，也有助于开发商解决海上风电的安全检查问题。

美国科学家也在提出其他从海洋获取能源的创意。其中一种概念，一种水动力能，着眼于海洋涌浪的巨大力量，在实际海浪表面部署技术。另一种水动力能利用洋流的运动来发电。这涉及到旋转的水下装置，就像水下风力涡轮机一样。最后，科学家们正在研究另一个途径：海上太阳能，它通过海面上的太阳能电池板来利用太阳能。

在制定环境解决方案时，关键是要避免在解决一个旧问题的同时又创造新问题。例如，工程师总有一天需要更换叶片和整个风力涡轮机。将这些巨大的金属物体倾倒到垃圾填埋场并不环保。总部位于丹麦的 Ørsted 公司是世界上最大的海上风电开发商，该公司于 2021 年宣布，将回收或再利用所有退役的风力涡轮机。Musial 表示，像热塑性树脂这样的材料可以熔化和再利用，作为一种解决方案。

尽管如此，各国仍需加倍努力，以实现国际能源署 (IEA) 提出的可持续发展目标。IEA 是一个总部设在巴黎的政府间组织。IEA 在 2020 年的一份报告发现，海上风电发电量必须增长。特别是，在海上风电投资方面落后的非欧洲国家，必须在风电领域采纳与欧洲过去十年相同的进步。尽管存在政府税收抵免等一些财政激励措施，但仍可以做更多工作来激励企业使用可再生能源，例如制定具有约束力的金融协议。

除了环境效益，海上风电还将为美国创造新的产业。Vineyard Wind 声称，其第一个风电场将在项目生命周期内创造数千个就业机会。该公司还承诺投资 1500 万美元，以“使马萨诸塞州成为海上风电产业的中心”。其中三分之二的投资将用于该州海上风电行业的商业、基础设施和供应链。其余部分将用于招聘、指导和培训海上风电以及海洋哺乳动物保护方面的人员。

在某些情况下，阻力仍然是不可避免的。为了应对渔业的阻力，Vineyard Wind 聘请了一位渔业代表加入他们的团队。商业渔民仍然可能对 Vineyard Wind 项目提出异议。但 Vineyard Wind 公司首席执行官 Lars Thaaning Pedersen 在 2021 年 9 月的新闻发布会上坚称，“渔业和海上风电可以共存。”

作为行业全球领导者的丹麦并没有放慢脚步。2021 年 6 月，Ørsted 宣布，到 2027 年将在可再生能源领域投资超过 570 亿美元，其中约 80% 将用于海上风电和氢能项目。丹麦政府还批准了建造一座人造岛屿作为数百台海上风力涡轮机的枢纽——足以满足 1000 万户家庭的用电需求——并配备酒店环境来容纳员工。仅第一阶段的建设，预计将在 2033 年左右完工，其规模相当于 18 个足球场。这种新的规模为美国和其他进入海洋的国家树立了雄心勃勃的先例。