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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、
2、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 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.93. 美国能源部20%风能目标可行性报告之三：风力发电机技术.154. 美国能源部20%风能目标可行性报告之四：风电传输与并网.225. 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.266. 美国能源部20%风能目标可行性报告之六：风能市场 .30美国能源部2
3、0%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
4、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11.6 GW 激增至305 GW。图2 显示了为实现20%风电目标所需的美国风电产能（GW）的增长。图3 表明至2030 年的年度和累积装机容量（GW）。图3图2 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（DOE）能源效率和可
5、再生能源办公室（EERE），电力提供和能源可靠性办公室（OE），电力市场管理局（PMAs）国家可再生能源实验室（NREL）劳伦斯伯克利国家实验室（Berkeley Lab）圣地亚国家实验室（SNL） 博莱克威奇（Black & Veatch）工程咨询公司 美国风能协会（AWEA）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
6、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
7、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（NERC）区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。 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CO2 排放量将达到8.25 亿吨，累积减少排放合计76 亿吨。图5 表明，减少的CO2 排放量将与电力部门排放量的预计增长几乎持平。图4图5 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
8、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
9、市中心。图8 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 GW 风能的概念传输设计。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。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。 结论本报告阐述了与20%风电目标显著
10、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。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
11、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1.5MW级涡轮机和4MW 或更大型的涡轮机。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（%）表2 每年原材料需求估算（千吨）材料使用分析 涡轮
12、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。 GRP（玻璃纤维强化塑料）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（NREL）创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
13、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16GW，到2030年总装机容量将增加到305GW，在2007 年到2030 年之间，将新增装机量293GW。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
14、。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。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1.6 万家企业目前正在生产一种或多种NAICS 产品，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（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，
