《美国能源部20%风能目标可行性报告》2009

1 前 言 在当前金融危机引发的经济危机的形势下， 世界各国，尤其经济发达国家，开始重新审视各自的再生能源发展战略 ， 美国总统奥巴马政府的财 经 政策向新能源倾斜。 2008年 5月，美国能源部发布报告，研究到 2030年实现风电产能份额占到国家电力需求量 20%这一目标的可行性。 该报告内容共分 6个章节，分别为：摘要与总论、风力发电机技术、制造业、原材料与资源，美国电力系统的传输与并网，风能选址，风能市场。各章节之间互有联系，承上启下。为实现 20%风电的目标，需要改进风机技术以产生风能，并有效改造传输系统以通过电网传输 ，以及开拓购买和使用风能的市场。与此同时，这些在能源产生和传输过程中的实质性改变将牵涉到制造业、政策发展和环境法规的协助变革。 该报告引起我 们高度关注 ， 由于这篇报告 不定期地 刊登在相关期刊，通过收集 、整理和 编辑 后， 合成 一篇 美国能源部 20%风能目标可行性报告 。 风电技术部 2009/06/19 2 目 录 1. 美国能源部 20%风能目标可行性报告之一：摘要与总论 . 美国能源部 20%风能目标可行性报告之二：制造业、 材料与资源 . 美国能源部 20%风能目标可行性报告之三：风力发电机 技术 . 美国能源部 20%风能目标可行性报告之四：风电传输与 并网 . 美国能源部 20%风能目标可行性报告之五：风能选址与环境影响 . 美国能源部 20%风能目标 可行性报告之六：风能市场 3 美国能源部 20%风能目标可行性报告 之一 ：摘要与总论 编者按： 在石油价格不断上涨的形势 下，世界各国，尤其经济发达国家，开始重新审视各自的再生能源发展战略。 2008年 5 月，美国能源部发布报告，研究到 2030 年实现风电产能份额占到国家电力需求量 20%这一目标的可行性。 该报告 引起 我们 重点关注，在此 分 6期 作 简要介绍。 该报告内容共分 6 个章节，分别为：摘要与总论 、 风力发电机技术 、 制造业、原材料与资源，美国电力系统的传输与并 网，风能选址，风能市场。各章节之间互有联系，承上启下。为实现 20%风电的目标，需要改进风机技术以产生风能，并有效改造传输系统以通过电网传输，以及开拓购买和使用风能的市场。与此同时，这些在能源产生和传输过程中的实质性改变将牵涉到制造业、政策发展和环境法规的协助变革。图 1 显示了本报告内容框架。 图 1 评价目标 2030 年实现风电产能份额占据国家电力需求量的 20%，届时美国风电产能将由 2006 年的 W 激增至 305 2 显示了为实现 20%风电目标所需的美国风电产能（ 增长。图 3 表明至 2030 年的年度和累积装机容量（ 图 2 图 3 4 考察的关键问题 国家是否具备充足的风能资源？ 风力技术的必备条件是什么？ 是否存在充足的制造容量？ 若干关键影响是什么？ 电网能否容纳 20%的风电？ 环境影响和效益是什么？ 目标是否可行？ 评估参与者 美国能源部（ 能源效率和可再生能源办公室（ 电力提供和能源可靠性办公室（ 电力市场管理局（ 国家可再生能源实验室（ 劳伦斯伯克利国家实验室（ 圣地亚国家实验室（ 博莱克 威奇（ 程咨询公司 美国风能协会（ 主要风力制造商和供应商 开发商和电力公司 风电行业的其他组织 风能配置系统模型的假定 假定其他可再生能源在美国电力供给中所占的份额保持 2006 年的水平。 假定成本在未来 20年将减少 10%，容量因子将增加约 15%（对应风电装置年产能增长 15%）。 假定未来的环境研究和许可要求不会对风力技术产生显著的费用增加。 风能配置系统 模型采用的假定取自众多资料来源。这些假定包括所有发电技术的未来成本和性能、传输系统扩充成本、风力资源在美国内陆作为地理位置函数以及风力发电预计成长速度的预测。 假定新的传输费用在起运企业和地方纳税人之间分摊。 假定现有电网容量的 10%可用于风能。 假定在特定区域，发电技术能满足当地负载的要求。 为在 2030 年达到 20%风能的目标，国家层次每年规定的风能产出 扶持风能配置加速发展的稳定的政策环境； 不改变当前政策以优化经济发电的收支平衡； 技术成本和性能假定，以及影响直接电力 系统成本的电网扩充和 运转假定。 预计到 2030年，陆上和海上风能技术成本降低，性能得到提高。 2005年至 2030 年间，化石燃料技术成本和性能普遍固定。 预计到 2030 年，核技术成本降低。 在北美电力可靠性委员会（ 域层次计算预存和产能的差额，如有需要，增加新的传输容量。 5 风力资源作为不同来源的地理位置的函数。 基于 年度能源展望 的预计电力需求量、资金假定和燃料价格。 预计影响 环境：消除空气污染，减少温室气体排放，减少发电过程中的用水量。图 4 显示，至 2030 年年度减少 放量将达到 吨，累积减少排放合计 76 亿吨。图 5 表明，减少的 放量将与电力部门排放量的预计增长几乎持平。 图 4 图 5 6 美国能源安全：使电力组合多样化，不受限于燃料易变而有稳定价格的本土能量来源。图 6 显示了在有无风能供给的两种情况下，美国电力能源的组合。图中可见，煤炭在能源组成中占据稳固的主导地位，但随着风能的加入，与天然气所占比重同步降低。 图 6 能源消费者：风电潜在地减少了对化石燃料的需求量，进而降低燃料价格，并稳定电 费。 当地经济：为风力开发区域的郊区土地所有者和当地社区分别创造新的收入来源和税收。 美国工人：为制造业、工程、建筑、运输和金融服务等依托风力开发的部门提供高薪工作。新型制造业将促使风力行业供应链显著发展。 节水：累积减少电力部门用水量的 8%（ 4 万亿加仑）。图 7显示了在实现 20%风电目标的进程中国家的节水情况。 图 7 主要挑战 投资国家传输系统，由此将产生的能量传送至需要增加供给的城市中心。图 8 7 显示至 2030 年包括风能在内的所有新型发电所需的美国传输系统的扩充。图 9描述 了容纳 400 能的概念传输设计。 图 8 图 9 更大的电力负载平衡区域，协同更好的地区规划，使得区域能够依靠包括风 力在内的多种能源发电。图 10 表明，至 2030 年，风电的实质性发展将覆盖美国 的 46 个州。 8 图 10 通过技术进步和制造能力的改进，持续降低风电成本，并提高风机性能。图11 显示了有无风电供给的成本比较。基于燃料可用性和环境限制无较大变化的假定计算，实现 20%风电目标所增加的投资成本适中，差值约为 2%。 图 11 考虑到当地方位、野生动植物和 环境问题的选址。 9 结论 本报告阐述了与 20%风电目标显著相关的成本、挑战和影响。本章节描 述的因风力在规模和速度上的发展而带来的正面影响，在传统商业模式的将来是不可能实现的。这一目标的达到，将涉及国家对清洁、本土能源的较大投入，使室温气体和其他环境污染物降至最小化。 10 美国能源部 20%风能目标可行性报告 之二 ： 制造业、材料与资源 编者按： 美国能源部发布了 2030年实现 20%风能目标的可行性报告，本文继续对该报告的“制造业、原 材料与资源”章节的重点内容进行节选介绍。 企业股东和决策者们需要了解实现 2030 年 20%风能这一目标是否会受到原料、生产能力或者劳动力因素的限制。这一章节就这些关键资源进行调查研究。 （一）原材料需求 为了估算实现 20%风能目标需要的原材料需求，报告集中分析了目前制造风 力涡轮机和主要部件最重要的材料，如钢、铝、铜。表 1 显示了每个部件使用不 同材料的百分比以及每个部件占整个涡轮机重量的百分比。表 1 适用于 涡轮机和 4更大型的涡轮机。 采用表 1 显示的材料消耗模型为基础，表 2 进一步 描述了要达到每年 7000 座涡轮机生产量的原材料需求。此分析基于下述假设：涡轮机将变得更轻而且到 2017年每年的装机量将平稳保持在 7000座涡轮机左右，并且该趋势一直持续 2030年。在此基础上， 2030年需要约 10万座涡轮机用于产生全美 20%的电能。 表 1 风力涡轮机主要部件以及使用的材料（ %） 11 表 2 每年原材料需求估算（千吨） 材料使用分析 涡轮机材料的使用中，钢材料将继续占主要部分。 采用铝或其他轻质量复合材料后，可以满足成本、强度和疲劳度的需求。 璃纤维 强化塑料）将继续用于风机叶片制造。 碳纤维材料的使用可以减少重量和成本。 变速发电机逐渐普及。 大型涡轮机的永磁发电机对磁性材料的需求将增加。 简化机舱的机械可以减少原材料成本同时增加可靠性。 （二）生产能力 原则上讲，每年风力涡轮机装机量通常应该由一个稳定的本地制造业基础来 支撑。如果装机率在前后 2 年之间发生巨大变化，而生产制造能力则可能无法按 要求相应地增长或减少。美国国家可再生能源实验室（ 建了一个简单 的模型，对装机率进行研究，以此维持风能产量在连续几十年都保持 一个特定的 水平。图 1 比较了三种装机率模型，分别是满足到 2030 年风电占全美电能产量 10%、 20%和 30%三种需求目标。 图 1 满足 20%风能目标的年装机容量 12 图 2 则显示了对于满足 20%风能目标，从 2007 年到 2030 年每年和累计风电 装机容量的预测。根据预测，每年装机容量讲增加超过 16 2030年总装机容量将增加到 305 2007 年到 2030 年之间，将新增装机量 293 图 2 20%风电目标的每年和累计装机容量 制造商分布 在美国，越来越多的州县和公司开始投入制 造风力涡轮机，或者具备了相应 的制造能力。如果对于某些风电部件和先进制造技术进行投资，也可将相关工作 职位保留在美国国内。 图 3 显示了目前美国风机和部件生产商的位置分布。这些公司广泛分布于全 美各个州县，有些公司还位于风能开发很少的地区。 13 图 3 美国风机和部件生产商的位置分布 表 3 则显示了超过 家企业目前正在生产一种或多种 品，包括风机部件。这些公司分布于 50 个州，而这些公司主要集中于人口周密、制造业失业率最高的州县。风电主要投资分布在覆盖全美 75%人口的 20 个州， 同时也是在过去三年半中占全美制造业失业人口 76%的州。 表 3 美国制造业具有进入风机及部件市场的公司情况 14 （三）劳动力需求 制造风机和部件，除了原材料和制造厂商的需求，还需要一支经过技术培训 的劳动力队伍。这些职员将需要充分的技术能力和经验以满足许多新职位的机会 和挑战。 但是目前美国大学能源工程项目每年培养 500 名工程师，而在 1980年，这个数字大约有 2000。另外，美国大学的风能工程项目明显少于欧洲。图 4 显示了未来每年科学和工程类大学毕业生的数目将会一直减少，根据趋势，美国将无法提供足够的技术 和制造专家，除非改变这个减少趋势。 图 4 到 2050 年 22 岁青年人具有科学和工程类学士学位的比例 （四） 2030 年实现 20%风能目标的挑战 材料方面 几种重要的材料对风力涡轮机的生产起到关键作用，在这些原材料中，可能 会对风能大量生产起到抑止作用的是玻璃纤维（每兆瓦风机容量需要 9 吨）、树 脂和永磁材料。 生产制造方面 20%风电目标的实现需要年装机容量连续十年都保持 20%的稳定增长，对于风电制造企业，问题已经不再是在哪里简建造更多的风机制造容量，投资决策必须规划并确保全球的供应链，前瞻性的姿 态才能在快速增长和需求变化的环境中成功运营。同时，制造业的快速增长需要稳定的、配套的政策出台以吸引投资到这些新的领域。 劳动力 对于风能开发中一个潜在的问题就是需要一支有资质的劳动力队伍。对于 15 具的一封报告显示，在未来的 40 年中，美国具有科学和工程类学士学 位的 22 岁青年人比例将持续减少。美国需要更多来自于产业、商业组织和各级 政府部门对于大学风电项目和可再生能源技术的支持，为未来风电产业准备人 才。 16 美国能源 部 20%风能目标可行性报告 之 三 ： 风力发电机技术 编者按：美国能源部 20%风能目标可行性报告的第二章节“风力发电机技术”，重点描述风电技术的现状，介绍过去 30 年技术发展的简史，讨论大规模陆上风力发电机的未来改进以及海上风电技术，并述及分布式风电技术。本文对此章节内容作一简介，以飨读者。 当前的涡轮机技术使得风能已成为能源市场的一种切实可行的能量来源。即 便如此，风能在整个美国电力生产中仅占大约 1%。目前，推进涡轮机技术发展 的研究正在进行，这有望提高风力发电的比例。研究领域包括：降低资本成本，提高容量 因子，以及通过改进系统可靠性来减小风险。随着研究、开发和示范 （ ）的深入，这些新发展将可能在未来 10 年对商业生产线产生显著影响。 （一） 当今的商业风电技术 源于上世纪 70 年代末期现代风力驱动发电机的诞生，风电技术发展至今已 得到显著的改进。资本成本降低，效率提高，可靠性也得到改善。目前，高质量 产品通过主要的风电机供应商日常输送到世界各地，完备的风力发电装置正设计 并入网格基础设施以满足公共事业的需求。在本报告提出的 20%风能目标中，假 设资本成本将在未来 20 年减少 10%，容量因子将增加大约 15%（对应风电装置 年产能 15%的增长）。 现代风力发电机 目前世界范围内应用的现代风力发电机，在高度为 60m 80m 的塔顶上装置 直径 70m 80m 的三叶转子。通常，涡轮机在风速约为 s 开始产出能量，在风速约为 s 达到最大能量输出。当风速约为 s 时，风 力机将倾斜或顺流交距叶片，以中止能量产出和转动。多数大规模风力机为逆风 机械，这意味着它们采用叶片逆风运转来消除塔产生的阻碍。 通过涡轮机获取的可利用风能中，能源数量随风速立方增长；由此， 风速增 大 10%，可利用能源则增长 33%。然而，涡轮机仅能捕获这一能源的一部分，超过电力系统设计水平（额定功率）的能量，经由转子通过。 通常，风速随地面以上的高度增加而增大，这就是工程师在将材料成本降至 最低限度的同时，寻找途径以增加风力涡轮机高度和尺寸的原因。然而，与过去 不同，未来对陆上涡轮机的尺寸已不再预期高速发展。更大规格的涡轮机虽然物 理可行，但通过高速公路运输部件和应用大型起重机提升部件的物流制约成为难 以逾越的主要经济屏障。许多涡轮机的设计者不希望陆上涡轮机的转子直径远大 于 100m，相应的功 率输出约为 35 风电装置性能和价格 商用涡轮机的性能已得到逐年改善，其容量因子也随之缓慢提高。图 1 显示 了 1998 至 2005 年商业运行日期（ 容量因子。数据表明，劳伦斯伯克 力国家实验室（ 据库中在 1998 年之前开始商业运行的涡轮机， 平均容量因子大约为 22%。而在 1998 年之后开始商业运行的涡轮机，呈现容量 因子增长的趋势，在 2004 和 2005 年达到 36%。 17 图 1 1980年，首台商用风电装置在加利福尼亚开始运行。自此，风力发电的成 本显著下降。然而， 2003 年以来，风能价格不降反升。图 2显示， 2006年向大 型风电场支付的价格在 分 /千瓦时之间，平均价格接近 5 美分 /千瓦时。这个价格包括美国风能生产税抵减法案（ 优惠、政府补贴和可再生能源销售的税收。 图 2 相关人士分析，近几年风能价格上涨的原因如下： 由于美国和欧洲风能行业近期高速发展，造成涡轮机和部件短缺； 美元对欧元的走弱（许多主要风力机部件从欧洲进口，美国本土的风力 机部件生产商相对较少）； 最近三年钢铁、铜等材料成本以及运 输燃料价格的显著上涨； 时断时续的风能 确定性阻碍新风力机生产设备的投资，在税抵 减法案生效时，助长仓促和高费用的生产、运输和项目安装）。 （二） 未来的技术改进 技术改进将有助于应对 20%风能目标中包涵的成本和性能挑战。必需的技术 18 改进相对简单明了：更高的塔架、更大的转子以及设计和制造业学习曲线的连续 进程。没有单一的部件或设计革新能够满足技术改进的需求。然而，通过结合一 系列特定的技术革新，风能行业能够引入成功所必备的新式先进构造。 20%风能 目标的实现，并不需要所有领域全面开花；即使仅完 成部分技术革新，仍可取得 进展。表 1 概括了技术改进的潜在领域。 表 1 技术领域 潜在发展 性能和成本增量 （最大 /预期 /最小百分比） 年发电量 涡轮机资本成本 先进的塔架概念 * 在不利位置安装更高的塔架 * 新材料和 /或工序 * 先进的结构 /基础 * 自装配 +11/+11/+11 +8/+12/+20 先进的（放大）转子 * 先进材料 * 改进的结构空中设计 * 主动控制 * 被动控制 * 更高的端速 /更低的噪音 +35/+25/+10 3/+3 减少能量损失，改善 可靠性 * 减少叶片脏污损失 * 耐破损传感器 * 耐用的控制系统 * 预测性维护 +7/+5/0 0/0/0 动力传动系统（变速 箱、发电机和电力电 子器件） * 更少的齿级或直接驱动 * 中等 /低速发电机 * 分布式变速箱布局 * 永磁发电机 * 中等电压设备 * 先进的齿轮齿构造 * 新式电路布局 * 新式半导体装置 * 新材料（砷化镓、碳化硅） +8/+4/0 6/+1 制造业和学习曲线 * 持续、递增的设计和工序改进 * 大规模制造 * 减小设计载荷 0/0/0 13/计 +61/+45/+21 10/+21 （三）选址技术和金融风险 风险将会减小行业投资风能技术的意愿。风险的后果，直接影响到风电制造 和运行的所有者的税收。 19 直接影响 运行和维护（ O&M）成本增加：风电场使用的龄期越长，其 O&M 成本也相应增加。图 3 和图 4 分别显示了美国 20 年内安装的风电场随龄期增加的修复成本和 O&M 成本。 图 3 图 4 低可靠性驱使可利用率不足：当部件正在修复或更换时，系统停止发电。即便只是一台涡轮机由于关键部件的 单一故障而停产，如此损失也会累积造成税收显著流失。 风电设备装配效率不足：若涡轮机之间的放置距离过近，其尾流相互作用，造成顺风运行的涡轮机表现不佳。但若放置距离过远，着陆和设备维护成本增加。 20 间接影响 若风力发电丧失可信性，保险和融资成本将会增加。 信心丧失归因于美国风电发展在上世纪 80 年代末期至 90 年代早期的止步不前，这也造就了欧洲风力涡轮机公司在当前行业的主导地位。 若风力装置没有连续、可靠地运行，公众将倾向于确信可再生能源不是一种可行的能量来源。而公众信心对技术发展是至 关重要的。失去公众支持，发展新型风能行业的合作工作不可能取得成功。 通过认证、批准和性能监控来减小风险 为减小风险，风能行业要求涡轮机遵照国际标准。这些标准代表业内权威专 家的共同经验，包含了基于最先进的设计工具、验证测试和质量控制的成熟设计工艺。 （四）海上风电技术 海上风电装置具备分布广阔的丰富资源以及具有成本竞争力的经济潜力，这 将使其在满足美国未来能源需求中发挥重要作用。海上风电的商业化面临许多技 术、法规、社会经济学和政治屏障，其中一些可通过短期和长期的靶向性研究、 开发和示范（ ）成 果得到缓解。 短期 选项 对海上风力资源的全面评估 制订认证方法和标准 发展设计规范、工具和方法 安置涡轮机并设计布局 开发集风力、海平面温度以及其他气候数据于一体的混合风速数据库 长期 选项 海上作业最小化 改进制造、安装和配置方案 结合海上服务和可及性要素 开发廉价的底座、锚定系统和系泊 应用资源模型和远程剖面系统 提高海上涡轮机的可靠性 评估超大海上涡轮机的潜力 （五）分布式风电技术 对于功率低于 20分 布式风电技术（ 统，近期取得的重大进 展包含以下几个方面： 备选的动力和载荷控制方案：包括 子转速控制、恒速运行、变节距叶片、铰接叶片、机械制动器等，提供更为安全和静音的涡轮机； 先进的叶片制造方法：包括注射、压制和反应注射成型，其优点在于缩短制 21 作时间、降低零件成本、提高可重复性和均一性等； 稀土永磁体：可以得到更加密实和轻质的发电机设计； 减小发电机齿槽转矩：可降低切入风速，提高低风速涡轮机的性能； 感应发电机：这一方法常见于上世纪 80 年代早期，可避 免使用电力电子器件，后者会增加成本和复杂性，并降低可靠性； 并网逆变器：一个新的发展趋势是取得美国保险商实验室（ 其他遵照国家互连标准的实验室的认证； 降低转子转速：目的在于减小噪音，由此探求降低周速比和转子最高转速的涡轮机设计； 设计标准和认证：相应的标准和认证包括 1400 （六）风电技术发展需求概述 20%风能目标假设风力发电将成为一种不需特惠的税收补贴而具有成本竞 争优势的发电技术。行业可将 力量集中在最需频繁维修的领域，具体维 修类型见图 5。 图 5 22 促进技术改进的引入还包括： 通过增加塔架高度和转子尺寸提高容量因子，并开发先进的控制器和改进的动力系统； 通过制造业革新驱动学习曲线稳步改进，由此降低资本成本。 23 美国能源部 20%风能目标可行性报告 之四 ： 风电传输与并网 编者按：美国能源部发布了 2030 年实现 20%风能目标的可行性报告，本文继续对该报告的“风电传输与并网”章节的重点内容进行节选 介绍。 美国电力系统的运作不断成熟完善，如果继续按照目前的步伐发展，将有望实现2030年 20风能的目标。 20风能目标将需要连续不断改善传输网络的规划和系统的运作，以及对电力市场的扩展。 （一）经验总结 对电力系统的研究表明：能够可靠容纳 20的风能注入 风力发电的快速发展使得美国很多研究机构都纷纷研究技术和经济因素在 合并风电场或高效风能到电力系统中的影响。如 司为纽约州开展了一项综 合的研究，考察到 2008 年 10风电容量注入的影响。加州则设定了一个远大的 目标，到 2010 年和 2020 年 分别实现 20和 30的可再生能源目标。 风电并网成本 风电引入电力系统的一个可变性影响因素是前一日（ 组启停机计划过程不确定性的增加。尽管风电预测得到不断改进，但第二日的风力负载和随之导致的发电需求存在更大的不确定性。由于这些不确定因素的影响，将会增加最多达 $发电成本。表 1 显示了这些机组启停机计划成本的具体内容。这些前一日影响将显著高于其他启动发电设备的日基数。成本是风电并网中重要的问题， 20风能目标的成本预期少于 10的批发能源成本（ 表 1 美国 风电并网成本 风机技术发展改进系统并网 在过去 20 年里风力发电机技术飞速发展，从性能角度看，现代风力发电场 已经与常规发电场具有很多的共同之处，如可以具有变化的电力输出等。随着风 电注入的不断增加，大多数系统运营商已经认识到风力发电场可以与常规风电场 一样，在有波动的情况下进行稳定的系统运作。 24 就如现代风力发电场可以采用 据采集和监控）系统，与其他常 规机械设备一样提供频率响应，并参与电场的输出控制功能等。图 1 显示了风力 发电场增加其输出以应对系统频率下降的能力。图 2 则显示了通过 现 多种控制模式。 图 1 机频率响应 图 2 机控制能力 （二） 20风能目标的新电力传输构架可行性和成本 如果要充分利用美国的风能资源，就需要建造大量新的电力传输网络。从 1970 年代中期开始，对于传输网络的投资从每年大约 55 亿美元，降低到 1990 年中期的 30 亿美元，而后开始稳步回升。从 2000 年开始，传输网络投资额从 25 30 亿美元开始上升到了 2006 年的 60 亿美元，预计到 2009 年投资额有望到达 84 亿美元。实现 20风能目标就需要持续地对传输网 络进行投资，更多新的建设 研究和计划项目都在进行当中。 图 3 历年风电传输网络投资金额（百万美元） 对新型传输超高速系统的需求 风能开发需要两种类型的传输网络。一是干线传输网络，是从一个区域到另 一个区域的高质量风能资源和高比例风能或其他可再生能源的传输。另一种是中 枢高电压传输，从产能区域通过远距离输送电能到用电负载中心。这些超高速传 输网络承载着各种混合电能就像行驶着各种车辆的高速公路。 20风能目标所需的传输网络就如图 4 地图中所示的红线。绿线则代表着现 有的传输网络。有超过 20万英里的传输线路 目前承载着 230以上的电压。 26 图 4 到 2030 年新传输网络线路（ 100 克服传输网络投资的障碍 对于传输网络的投资存在的主要障碍是：传输网络规划、传输网络成本分配、 成本回收的保障和新的传输网络建设选址。 传输网络规划 目前，发电企业对于建造新的发电项目保持谨慎态度，除非有明确的传输网 络可用，但传输网络开发商也同样要等到有明确的发电设备入网连接需求才愿意建设新的传输网络。这就对传输网络投资的形成了很大的障碍。 国联邦能源监管委员会）由此颁布发令 007） ,要 求将传输网络和发电设备规划独立分开，形成公开的传输网络规划过程。 传输网络成本分配 传输网络的建设常常是“公共利益”的，很多团体可能并不需要直接投资就 能享受到一些利益。由此很多团体就可能想方设法避免支付这些成本费用。由此，除非政府部门决定如何分摊这些成本并强制执行，不然公共利益很可能得不到保障。 成本回收的保障 新的传输网络设施要直到那些参与集团和金融机构确定可以通过一个可预 期的方式得到成本回报后才会进行建设。为此， 州政府管理部门通过了一项标准的成本分配和投资成 本回报计划。 传输网络建设选址 地方上对于传输线路建设的反对往往是传输网络扩展的主要难题。 输 线路可以对沿途所有用户受益，包括增加可靠性，允许新的发电设备和相关金融事业的发展，并可以提供更低成本的电力资源。但是本地业主并不是总能享受到所有利益。如果一些州与州之间的传输网络建设对本州内居民没有显著收益的话，本州政府机构有时会驳回这些建设的计划。这就使国会在 2005 年提出一项 定，建立一个联邦传输网络建设计划，美国能源部门可以指定在某一相关地区建设“国家利益电网走廊”的传输网络。 （ 三）美国电力系统市场扩展 20风能目标的实现也需要对风电市场的不断扩展，风电容量从本报告撰写 时的 1200要经过对重点市场的开发，这些重点 市场已经逐步形成于美国中西部的 15 个州、中部亚特兰大 区、纽约州以 及西南部电力区域 样，到 2030年，其他的地区也可能会形成这样的市场。 27 美国能源部 20%风能目标可行性报告 之五 ： 风能选址与环境影响 编者按：美国能源部 20%风能目标可行性报告的第五章节“风能选址与环境影响”，评述了与风能设备选址 相关的环境问题、公众对行业的认知、规管架构以及解决遗留难题的可能途径。本文对此进行节选介绍。 风能是当今世界上最为清洁环保的能源之一。与传统的化石燃料能源相比， 其不会对空气和水质量造成影响，从而在减小气候变化因素和达到国家能量安全 目标中发挥重要作用。此外，通过利用风能，还可避免与使用化石燃料相关的因 采矿、钻探和危险废品储存引发的环境问题。即便如此，在风能发电过程中，仍 或多或少会对野生动植物栖息地和个别物种产生负面影响。随着风能的市场接受 度不断提高，风能行业所面临的环境和选址问题也日益突出。 （一 ） 场址特定性和累积影响 由于环境问题，大约 10%至 25%的拟建风能项目未能建成或被长期拖延。对于任何类型的新能源设施，其周围经常会蔓延由场址特定性问题引发的紧张情绪。尽管美国周边的大多数风能装置仅对当地生态或社区构成较小风险，但仍存 在一些不确定性。随着研究深入和知识发展，这些不确定性将部分得到缓和，风 险更易于管理。 当地利益主体通常想要了解风力涡轮机将如何影响其环境视野和房地产价 值，也许还包括对鸟类及其他野生动植物的影响。对于许多政府机构的官员而言， 焦点则在于风能项目是否会对其保护范围之内的资源或 环境构成风险。他们关心 的是美国 20%风能目标产生的净累积效应。 对风险的接受度将因社区和场址而异。发展有效途径以获取公众对风险的接 受，是迈向风能设备选址的至关重要的第一步。 （二） 环境效益 全球气候变化和减少碳排放 研究显示，由于人类活动产生的全球气候变化或许将严重影响陆地生物系统，造成部分物种灭绝。使用风力发电，主要效益在于其能够在减少 放中扮演重要角色。而温室气体，正是全球气候变化的主要原因。 当前，美国每年 放量接近 60 亿吨，其中 39%是在电力生产过程中由 化石燃料产生的。 若美国 20%的电力组成能够从风能中获取，至 2030 年，全国 每年可减少 吨 大气排放，累积总量达到 76亿吨。 用一个相对直观的度量来理解风能的碳效益，即：单个 力涡轮机， 与当前美国燃料混合的平均效用相比，每年可免除 2700吨 排放，这相当 于每年种植 4平方公里林木产生的效应。 另外，生产风力涡轮机和建造风电装置仅产生最小限度的 放量。一项大学研究表明，基于生命周期分析，风能的 放量极低，每单位发电量的放约为煤的 1%或天然气的 2%。换而言之， 使用风能而非煤和天然气发电，可相应减少 99%和 98%的 放量。 通过减少气体排放而改善人体健康状况 在美国，燃煤发电装置是汞排放的最大工业源头。美国环境保护署（ 28 和美国医学会（ 示，儿童神经发育问题与胎儿时期曝于甲基汞有关。 根据美国肺科协会（ 统计数据，几乎半数美国人所处生活环境的烟 雾危害程度，将其置于肺功能减弱、呼吸道感染、肺部炎症以及呼吸系统疾病等 风险。空气中的颗粒污染，则会增加哮喘和心血管疾病的患病率及死亡率。 转向风力发电等零排放的产能技术，将促使空气更加 洁净和健康。而且，风 力发电并非 汞等污染物的直接源头。 节水 水是作为用水大户的热电动力装置的关键资源之一。一些可再生技术如乙醇装置等，对水资源也有所要求。与之相比，风能发电是水缺乏地区为自身提供能量的理想选择。表 1 估测了 2003 年西部内陆因风能而节省的水量。 表 1： 2003 年西部内陆因风能而节省的水量估测 （三）潜在的环境影响 生境干扰和土地利用 不论何种燃料，燃料提取和能源发电会影响生境及土地利用。传统发电方式 需要开采煤或铀以及钻探天然气。所有这些，都会摧毁许多 物种赖以生存的环境， 造成不可逆转的生态破坏。 开发风能也需要大面积的土地，但其土地利用与众不同。实现 20%风能目标 （ 305预计需要在美国建立大约 50000陆上项目以及超过 11000 海上项目。值得强调的重要一点，这些风能项目每年使用同样面积的土地，而 煤、铀需要在连续范围开采，总计受扰区逐年增加。 尽管风能开发可与农牧林等土地利用形式共存，但其或许不能与住宅开发、 机场进场、某些雷达安装以及低空军用飞机训练航线等土地利用形式兼容。 野生动植物风险 野生动植物，尤其是鸟 类的生存，受到包括气候变化影响在内的许多人类活 动的威胁。相对其他导致鸟类死亡的人为因素而言，风能的影响微乎其微。图 1 比较了风能行业和许多人类活动对鸟类死亡率的影响。 29 图 1：造成鸟类死亡的人为原因（每 10,000 例鸟死亡） （四）公众认知和参与 公众态度 美国民众对风能开发普遍持支持态度。 2005 年耶鲁大学进行的一项调查研 究表明，超过 87%的民众希望扩大风能开发。仅有少数人对风能持反对意见，但 当具体化场址时，招致反对声更强。随着时间推移，反对声可能会逐渐减弱，支 持度将呈上升趋势。 视 觉冲击 由于高度和位置关系，风力涡轮机的能见度很高。公众对此反应不一，带有 明显的主观色彩。因此，风能项目的视觉冲击也可作为评价场址可接受度的因素 之一。 噪音 所有具有移动部件的机械都或多或少产生噪音，风力涡轮机也不例外，主要是叶片在空气中运转所产生的空气动力学噪音。当涡轮机开始运转， 350m 以内的噪音为 35 至 45 分贝（见图 2），与厨房冰箱运行的噪音程度相当。工程学和绝缘技术的发展将确保现代涡轮机相对静音地运转。 图 2：不同场所的分贝水平 30 土地价值 当社区拟建风能项目时，居民会关注其对当 地房地产价值的影响。鉴于房屋 是许多家庭的主要资产，必须详细研究风能项目对当地房地产价值的影响，即便 其他能量设施如核能装置等的此类研究已经开展。 （五）选址 /规管架构 目前，风能项目受一套复杂的法律法规所管理。项目审批须经过各个决策者 以及各地适用的许可制度。地方、州和联邦层面的权利机构作出选址决定。这些 机构对项目负有不同的职责。 与风能相关的联邦机构有： 美国联邦航空局（ 土地管理局（ 美国陆军工程兵团（ 美国鱼类和野生生物局（ 矿 产管理局（ 美国农业部的林业局（ 美国国防部（ 美国能源部（ （六）结果和结论 为实现 20%风能目标，风能行业将需要与政府和非政府组织合作，共同解决 环境和选址问题。 近期和中期行动 比较能源开发方式的生命周期效应 研究野生动植物和生境效应 定义风险 结合国家导向 发展选址策略 解决公众关注问题 长期行动 应用适应性管理原则 31 美国能源部 20%风能目标可行性报告 之六 ： 风能市场 编 者按：如果 2030年 20%风能目标实现，那么风能将被输送到全美各地的终端消费者，供应市场和需求市场将进一步扩大。本文主要概述了美国电力市场，主要的风力发电供应链部分，市场驱动力以及美国风力发电扩张的潜在影响。 风力发电供应商和消费者跨度范围广泛。目前，风能发电电力供应所有的大 型公用事业市场，在一些地区小型社区项目正在发挥日益重要的作用。此外，东 部和墨西哥湾沿岸各州正在考虑近海计划。 （一） 美国市场发展背景 美国能源部（ 计从 2005 年到 2030 年，美国电力需求将增长 39% （ 2007 评估），新能源的发电量将增加 50%以上。而风能发电正是其中一个非常可行的选择，可以满足相当一部分电力需求。 在过去的 7 年中，全球风能装机总量以平均每年 27%的速度增长。近期，美 国风能市场在多种有利因素的驱动下迅速成长，例如发电成本大幅度降低，新能 源的公众关注，可再生能源国家标准的制定，联邦生产税收抵免（ 策的实行和天然气价格动荡。由图 1 可知，联邦 策的周期性到期与随后的 重新增设导致风能发电容量相应的爆炸性增长和零增长间隔发生。 对风能电力供应的需求扩大起源于 20 世纪 90 年代后 期。最近的一次扩大可 以说是一次技术革命，影响了周围二十多个国家的电力市场。公共的和个人的研 究与技术创新迅速提高了风能资源的评估能力，风力涡轮机的空气动力学性能和 组件设计水平，以及电力电子技术。目前美国的风力发电市场已较健全，并且正 在以惊人的速度不断扩大。 图 1 美国的风能发电能力增长速度在 32 位兆瓦 注： 策周期性到期的年份（ 2000， 2002， 2004） （二） 美国风能电力市场 美国电力主要由全国各地超过 3000 个公用事业公司提供。一部分 电力归股 东所有，另一部分属于他们服务的用户。国家公用事业委员会和联邦能源监管委员会（ 督这些公用事业公司和具体的电力市场。由于各州的法律和具体司法章程不同，各地的公用事业公司和委员会的作用也不同，同时在地方区域层面上形成了各种不同的市场结构。为了使风能能够在全国各地得到开发利用，风能项目的开发就必须适应这些地方和区域的市场特点。 政策驱动型市场 这些年来法制化市场，即可再生能源规范化市场，成长迅速，并且在促进风能资源发展方面起到了重要作用。如今，美国 25 个州加上哥伦比亚地区已经确立了可再生能 源投资组合规范（ 求，对各州利用可再生能源发电容量确定标准。如今各州 策规定到 2020 年新能源发电容量必须达到 55万千瓦，并且一些州正在考虑提高他们的目标。 自愿型 /绿色环保电力市场 近些年可再生新能源的自愿型市场在推动风能发展方面起着关键作用。全国50 多万电力用户通过调整型公共事业企业，绿色环保电力市场销售或者区域经济共同体形式来购买绿色环保电力。这些用户支撑着约 2万千瓦的可再生新能源发电容量，其中主要是风能发电，年销售量超过 60%。大型非住宅型用户，包括企业，大学和政府部门推动了大 部分增长，这一趋势有望持续下去。 空气质量市场 在过去的几十年中，控制矿物燃料发电污染的方法已经由传统的指挥控制策略转向了以市场为导向的贸易体制，使最符合成本效益的减排技术最先得到用。市场必须掌握准备的价格信息来有效地运作，并且利用减少污染物排放的项目计划将包含在矿物燃料价格中的污染物外部成本转移到电力价格中去。 （三） 风能的应用 风能的几个基本应用：建造在陆上或者海上的公共事业级别的风力发电场； 电力容量往往供应当地消耗以及签订合同的销售主体的社区型项目；公共机构和 商业机构运行；非输电网的住宅设施以 及农庄。 大型风力发电厂 在美国风力发电加速发展，于是出现了对相应的一些大型风力项目建设的需 求，其中有以下几个原因： 传统项目的选址限制 ：在偏远地区安装大量涡轮机，避免在人口密集地区建 造密集型涡轮机组。 风能资源的地理分布：全国大多数高品质陆上风力资源分布在山区和平原地 带， 20%风能目标促使大量收集风能资源。 33 发展速度和规模发展：几项超大型项目可以增加相当于上百个 100统 发电项目的风力发电装机容量，并且可以更快发展和建立。 陆上部署限制：一些受到能源资源制约的沿海地区可以依 靠海上风力