?廣州能源所在海上風電技術經濟評估和物質流研究方面取得系列進展

近期，中國科學院廣州能源研究所能源戰略與低碳發展研究室蔡國田研究員團隊在海上風電物質流和技術經濟評估研究方面取得系列進展。科研團隊通過建立高時空分辨率的技術經濟和物質流評估模型，充分討論了海上風電制氫等消納路徑的經濟性和技術潛力，揭示了中國海上風電擴張過程中對關鍵材料（如銅、永磁體）的需求量與新型海上廢棄物產生量的變化過程。

研究建立了考慮技術經濟參數演變和海底三維地形的高分辨率（0.25經度* 0.25緯度）技術經濟評估模型，揭示了2025-2050年中國海上風電制氫的成本演變過程與深水海上風電場的最優布局方案。研究指出，中國海上氫的平準化成本將從2025年的50.28 CNY/kgH₂下降至2050年的26.60 CNY/kgH₂，2050年海上風電制氫的總潛力為434-493Mt，其中漂浮式風電制氫占54%。多種技術情景下的分析結果表明，中國海上風電制氫將于2030年在局部地區（福建省、遼寧省等）內與陸地可再生能源制氫相比具有成本競爭力，并在2050年具備廣泛的經濟可行性。研究表明匯集輸電的方式可以有效減少用海面積，使投資成本最多可下降65%，其中海底地形是深水風電場并網不可忽略的因素。

圖1. 中國海上風電制氫的成本演化過程

圖2. 粵東深水區風電并網的空間布局優化方案

除此之外，研究提出了空間化、存量驅動中國海上風電高分辨率（1km*1km）物質流分析方法，建立了結合動態物質流和生命周期評價的清潔能源轉型關鍵材料流動模型，揭示了中國海上風電發展和廣東省清潔能源轉型過程的物質-能量-排放關系。研究指出，到2060年中國海上風電的原材料累計需求為96-140 Mt，廢棄物產生量為6.5-48 Mt，凈能源回報為2.9-12 PWh，可減少溫室排放2.9-9.7 Gt。研究表明中國海上風電對銅和永磁材料的累計需求分別為3.8-5.2 Mt和55-140 kt，關鍵材料的穩定供應與報廢葉片的回收是實現海上風電進一步發展的前提。

圖3. 中國海上風電物質流分析結果

研究還指出，廣東省的清潔能源轉型使總材料的存量從1980年的2.9 Mt增加到2018年的45.6 Mt，并將于2050年達到95.7 Mt。清潔能源轉型過程中風電和核能的大規模擴張會導致水泥和鋼鐵的用量急劇增加，全生命周期的總碳排放將逐漸下降，但能源基礎設施的隱含碳排放會增加至6.06 Mt/yr。

圖4. 廣東省清潔能源轉型的隱含碳排放量和總排放量

以上研究成果提出了高時空分辨率的海上風電評估模型，明確了海上風電擴張過程中材料-能源-排放關系與海上風電制氫技術經濟潛力，為海上能源綜合利用提供了新思路與理論依據。

研究得到國家重點研發計劃、中國科學院潔凈能源創新研究院合作基金資助項目、中國科學院戰略性先導科技專項等項目資助。相關研究成果相繼發表于Renewable and SustainableEnergy Reviews (Spatial and temporal evolution of cost-competitive offshore hydrogen in China: A techno-economic analysis, http://dx.doi.org/10.1016/j.rser.2024.114780, 第一作者博士生周洲，通訊作者蔡國田), 《自然資源學報》（《海上深水區風電場并網的空間布局優化——以粵東地區為例》，http://dx.doi.org/10.31497/zrzyxb.20220406，第一作者碩士畢業生高麗萍，通訊作者蔡國田），Resources, Conservation and Recycling (Spatiotemporally explicit pathway and material-energy-emission nexus of offshore wind energy development in China up to the year 2060, http://dx.doi.org/10.1016/j.resconrec.2022.106349; Modeling waste generation and end-of-life management of wind power development in Guangdong,China until 2050,http://dx.doi.org/10.1016/j.resconrec.2021.105533;第一作者博士畢業生陳毓暑，通訊作者蔡國田),Journal of Cleaner Production (The material implications and embodied emissions of clean power transition in Guangdong,China from 1978 to 2050,http://dx.doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.138512,第一作者博士生白如雪，通訊作者蔡國田) 等期刊。