综述：管理零边际成本的间歇性可再生能源：工程、经济和政策挑战综述

《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Managing zero-marginal-cost, intermittent renewable energy: A survey of the engineering, economic, and policy challenges

碳中性和环境影响评估在北欧海域海洋可再生能源部署中的重要性。通过生命周期评估（LCA）和地理空间分析，比较了波浪能转换器（PA）、波浪能转换器（OWSC）、漂浮光伏（FPV）和漂浮式风能涡轮机（FOWT）的全球变暖影响及碳补偿周期。研究发现：PA和FOWT在特定区域可实现碳中性（PA最低50 gCO2eq/kWh，FOWT最低17 gCO2eq/kWh），而FPV在研究区域无法达到碳中性（最低385 gCO2eq/kWh）。阵列部署通过共享基础设施显著降低单位电力碳足迹，如单机电缆成本占比达67%。最佳部署区域集中在爱尔兰西海岸（PA）和奥克尼群岛（FOWT），而英语海峡和苏格兰东部海域因资源不足或水深限制难以部署。研究强调选址需综合考虑资源条件、设备配置和运维成本，为欧盟2050碳中目标提供科学依据。

　　**解读：海洋可再生能源的环境影响与选址策略**

海洋可再生能源（MRE）在全球向低碳能源系统转型的过程中扮演着重要角色。然而，MRE技术的性能高度依赖于其部署位置，因此选择合适的站点对于实现大规模应用至关重要。本文研究了两种波浪能转换器、浮动海上光伏和浮动风力涡轮机在北欧沿海水域的环境表现，特别是其对气候变暖的潜在影响以及碳偿还期。研究发现，这些MRE技术的环境影响存在显著差异，某些技术在特定地点无法实现碳中和。因此，研究强调了在MRE项目选址过程中考虑环境表现的重要性，并提供了空间明确的地图，使环境影响和碳偿还期可视化，从而支持气候缓解决策。

### **背景与意义**

人类活动导致的气候变化正在对环境和人类社会施加越来越大的压力，促使国际社会承诺在2050年前实现碳中和社会。可再生能源技术被认为是实现这些目标的重要工具。尽管在陆上风力涡轮机和光伏（PV）安装方面取得了显著进展，但这些技术在土地使用竞争和社会接受度方面的限制，使得它们的增长放缓。因此，海洋可再生能源技术的发展正变得越来越重要。欧盟计划在2050年前安装300 GW的海上风力涡轮机和40 GW的海洋能源设备，显示出对MRE技术的高度重视。

目前，北欧水域已经部署了35 GW的固定式海上风力涡轮机（BOWTs），而浮动式风力涡轮机（FOWTs）正逐步进入更深水域的应用。同时，浮动海上光伏（FPV）技术也在北海地区进行了原型安装，展现出潜力。波浪能转换器（WECs）则利用海洋中的波浪能量，理论上可以满足全球当前的年度电力需求。此外，波浪能的季节性变化较小，具有可预测性，其间歇性模式也不同于风能和太阳能，因此可能成为多样和安全的可再生能源电网的重要组成部分。

然而，目前对MRE技术的评估大多集中在经济和技术可行性上，而忽略了其环境影响。由于环境影响同样依赖于部署位置，因此，为了实现设定的气候目标，需要找到那些具有较低全球变暖（GW）影响的能源技术。这表明，MRE领域的研究存在重要空白，尤其是在环境影响的地理分布方面。

### **研究方法**

本文通过结合资源数据和地理位置信息，对四种MRE技术进行了详细的生命周期评估（LCA），并评估了其在全球变暖影响和碳偿还期上的空间分布。研究覆盖了北欧沿海水域，范围在离岸200公里以内，深度限制为每种技术的适用范围。例如，浮动式海上光伏适用于20-200米的水深，而浮动式风力涡轮机适用于60-200米的水深。

为了评估MRE的环境影响，研究团队构建了一个从生产到废弃的全生命周期的归因式LCA模型。该模型包括制造与组装、安装、运行和报废等阶段。研究中采用的LCA方法基于欧洲联盟提供的环境足迹方法EF 3.1，并使用了openLCA工具进行分析。背景数据来源于生态影响数据库（ecoinvent 3.10）。

对于每种MRE技术，研究团队根据其功能组进行了材料和工艺的详细分析。例如，浮动式海上光伏包括PV面板、支撑结构、锚定系统和电缆等主要部件。在制造阶段，材料的使用、加工和运输都被考虑在内。在安装和维护阶段，考虑到水深和离岸距离，研究团队使用了船舶活动数据，并结合了不同技术的安装时间、维护频率和报废流程。

在运行阶段，MRE的发电能力被计算为不考虑直接排放的电力转换过程。因此，环境影响被归因于电力生产过程中的能源使用。为了计算碳偿还期，研究团队采用了平均碳强度作为基准，即2022年欧盟的电力混合碳强度为258 gCO2eq/kWh。通过比较每种MRE技术的环境影响和基准值，可以评估其碳偿还期。

### **研究结果**

研究结果表明，不同MRE技术的环境影响存在显著差异。浮动式风力涡轮机（FOWTs）在几乎整个理论适用区域都可实现碳中和，而波浪能转换器（WECs）和浮动式海上光伏（FPV）则不能在所有地点实现碳中和。例如，PA WEC（一种波浪能转换器）在73%的理论适用区域内可以实现碳中和，而OWSC WEC（另一种波浪能转换器）仅在少数地点达到碳中和，如爱尔兰和苏格兰西海岸的海湾。FPV则在所有研究区域中都无法实现碳中和，其最低影响为385 gCO2eq/kWh，远高于当前欧盟的电力混合碳强度。

研究团队还绘制了MRE技术的全球变暖影响和碳偿还期的空间分布图。例如，FOWTs的全球变暖影响最低为17 gCO2eq/kWh，其碳偿还期仅为1.4年。这表明FOWTs在环境性能上优于其他MRE技术。PA WEC的最低影响为50 gCO2eq/kWh，其碳偿还期为4.7年，适用于北欧沿海的某些区域，如爱尔兰西海岸和西班牙加利西亚海岸。

研究还发现，对于某些MRE技术，如FPV和OWSC，其环境影响受到更多因素的制约，如材料的使用、维护频率和离岸距离。例如，FPV的高环境影响主要是由于其在恶劣波浪气候下的生存性需求，而OWSC的高影响则源于其液压发电装置（PTO）和较大的混凝土基础。这些技术的碳偿还期较长，因此在某些地区可能无法实现碳中和。

### **研究发现与讨论**

研究结果显示，MRE技术的环境影响在不同地点存在显著差异。例如，浮动式海上光伏（FPV）在所有研究区域中都无法实现碳中和，其最低影响为385 gCO2eq/kWh，远高于当前欧盟的电力混合碳强度。这表明FPV在北欧水域可能无法对气候缓解做出有效贡献。

另一方面，浮动式风力涡轮机（FOWTs）和PA WEC在大多数研究区域中可以实现碳中和，其环境影响较低。FOWTs的最低影响为17 gCO2eq/kWh，碳偿还期仅为1.4年，这使其在环境性能上优于其他MRE技术。PA WEC的最低影响为50 gCO2eq/kWh，碳偿还期为4.7年，适用于北欧沿海的某些区域。

研究还发现，MRE技术的环境影响受到多种因素的影响，包括材料的使用、安装和维护过程、以及离岸距离。例如，FPV的高环境影响主要来自于其材料密集型结构和较长的电缆长度。而OWSC的高影响则源于其液压发电装置和较大的混凝土基础。这些因素使得某些MRE技术在特定地点可能无法实现碳中和。

此外，研究团队还探讨了MRE技术的环境影响与阵列规模的关系。例如，对于单个设备而言，其环境影响主要来自于电缆长度和离岸距离，而阵列规模的增加则可以降低单位电力的环境影响。这表明，通过共享基础设施，如电缆和维护船舶，可以显著降低MRE的环境影响。

### **结论与建议**

本文的研究结果为MRE技术的环境影响评估提供了新的视角，并强调了在选址过程中考虑环境表现的重要性。研究发现，FOWTs和PA WEC在大多数北欧沿海水域中可以实现碳中和，而OWSC和FPV则在某些地区表现较差。因此，研究建议在选址过程中优先考虑FOWTs和PA WEC，并在这些技术的部署中考虑阵列规模和共享基础设施的优化。

此外，研究还指出，材料的使用是MRE技术环境影响的主要来源，因此，未来的研究可以探索使用低影响材料，如纤维增强混凝土，来进一步降低MRE的环境影响。同时，研究团队还建议对MRE技术的维护和报废流程进行更详细的评估，以确保其环境可持续性。

综上所述，本文的研究结果表明，MRE技术的环境影响在不同地点存在显著差异，因此在选址过程中需要考虑这些差异。通过提供空间明确的环境影响数据，研究为MRE技术的可持续发展提供了重要的参考。