变革之风 

每逢七月四日的假期（美国国庆节），都有20000名游客来到布洛克岛（Block Island），一个距离美国新英格兰海岸数千英里的偏远地区。在最近几年，旅客人数的激增给岛上的柴油发电系统带来了很大的压力，这使得停电也变成了像传统的烟花和牛排一样的特色。但是今年，布洛克岛旅游委员会的执行董事Jessica Willi表示：“绝对不会再有能源问题了。”

截止2017年5月，布洛克岛几乎完全由五台巨大的风力涡轮提供电力 ，每一台风力机的塔基都深入罗德岛（Rhode Island）海岸的大西洋海床50米。虽然比起像有着1548 MW的加利福尼亚Alta风能中心等岸上设施，装机容量30 MW的布洛克岛风能电场很小，但是它对于风能工业的重要性是巨大的。这五个有着73米长，26吨重的旋转叶片的风力机构成了美国水域上的第一个海上风力电场。

东海岸的各州都竞相建造下一个海上风力电场。纽约批准了在长岛建立一个15台风力机的设施；马塞诸塞州正在讨论一个在玛莎葡萄园（Martha’s Vineyard）南建立超过65台风力机的提案；马里兰的能源监管机构已经批准了在海洋城海岸建立由77个风力机构成的两个风力电厂的提案。

位于科罗拉多州戈尔登市的国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory）的海上风能经理Walt Musial说道：“这种行业已经朝着自身的健康和可持续性发展迈出了相当可观和不可逆转的步伐。这颗市场的种子已经埋下。”

许多跨国的风能公司已经意识到美国——这个世界第二大电力生产和消耗的国家，提供了许多机会。像丹麦的DONG能源和挪威的Statoil等大型海上开发商已经在大西洋地区开设了分公司，并给他们提供技术、知识、更多的资本和更低的融资利率。

然而，美国还要走很长的路才能赶上欧洲——在经过了欧洲政府几十年相当可观的经济和监管的支持，开发商正在为一些项目签署合同，那些项目预计和核能或煤炭能源相比有成本竞争力，甚至不需要纳税人补贴。

非规模经济

目前，欧洲占据了世界88%的海上风能容量，在10个国家水域的超过80个风能农产里拥有3500多个并网风力机——其中最早的一个于1991年安装在丹麦的海岸上。中国、日本和韩国紧随其后。而美国几乎没有任何的份额。

尽管如此，美国能源效率和可再生能源办公室指出美国的水域有提供超过2000 GW海上风能的技术潜力，而这一数值是全国各种能源消耗粗略估计的两倍。但这其中有多少是能够利用的仍然是个经验问题。此外，特朗普政府的反可再生能源立场也会减缓风能和其他绿色能源的发展进程。

正如2017年5月麦肯锡（McKinsey）的一份报告指出，由于“成熟的供应链，高水平的专业技术和激烈的竞争”欧洲已经支配了全球的海上风能行业。相比之下，美国仍必须寻求海外的帮助来发展他的风能项目。

例如，Deepwater Wind公司不得不租用一艘挪威的自升式船只来建造布洛克岛的风力机，这也解释了为什么布洛克岛项目的成本接近了每兆瓦1000万美金——这是欧洲类似项目成本的10倍，美国陆上风能电场成本的5倍。因此，这也就不奇怪美国的海上风能项目仍继续依赖着政府的补助和税收抵免。

但是，这些公众的补助可能仅仅是被用来推动这个行业。“如果存在能有效鼓励海上风能的政策或其他举措，那么我们在欧洲看到的成本下降在美国也可能实现。”来自加州劳伦斯伯克利国家实验室（Lawrence Berkeley National Laboratory）的能源政策研究员Ryan Wiser说道。

Wiser对163位世界顶级的风能专家做过一个调查。得到了一个压倒性的共识：更大的装机容量和其它技术的提升，再加上融资利率的下降和规模经济，可以在15年之内使全球的海上风能成本降低至少30%。¹

专家还预计了浮动海上风力发电所带来的相当大的成本节约，这是一种涉及用大型的锚和缆绳将风力机的平台停泊在海底的技术。诸如此类的方法在美国的西海岸是十分必要的，因为那里的大陆架急剧下降以至于风力机的塔基无法直接插入海床。但是浮动平台仍处于起步阶段。Wiser说道：“它们无疑是一种新兴的技术。”

重要的事情先来

布洛克岛本不应该是西半球第一个发展海上风能电场的所在地。在2001年，开发商提议在科德角的楠塔基特湾（Nantucket Sound）建立一个有130个风力机的设施。但是经过10多年的公众反对，加上昂贵的诉讼费，政府的阻碍，无尽的影响研究和其他障碍，大多数的利益相关者都认为这个科德角的风能项目实际已经死亡。

那么，Deepwater Wind公司做对了什么，而科德角的开发商做错了什么呢？

首先，Deepwater的项目规模更小，而且它放置风力机的位置相比于科德角项目更加的远离海岸。尽管在布洛克岛上可以看见这些离岸边3英里远的风力机，但是从落罗德岛的大陆上看去，这些风力机在地平线的远方已经非常的渺小。这对于避免公众投诉破坏海景来说非常重要。

Deepwater在一开始还与地方的利益相关者进行接触。“这归结于海上风能项目的开发商开展了多次的社区会议和对话来了解当地的价值，并将其纳入他们的发展规划当中。”一位来自科瓦利斯俄勒冈州立大学（Oregon State University）的可持续发展研究员Sarah Klain说道。

有了这些教训和越来越多的海外投资，Musial预测海上风能项目将迅速的增加。他说道：“我们才刚刚开始，接下来的项目将会越来越大。”

分析的艺术

Wayne Miller结合物理和高性能运算优化了风能发电。作为风能和太阳能项目的副领导和位于加州的劳伦斯利沃默国家实验室高性能计算创新中心（High Performance Computing Innovation Center at the Lawrence Livermore National Laboratory）的副主任，Miller建立了对风能电场最优产出的模拟，得到了高达5%的功率增益。

Miller承认：“与装机容量相比这只是一个小小的提升。”但是这些小小的改变会在数十亿美金的风能市场中会迅速的叠加。

Miller和他的团队使用超级计算机研究了大气中的空气流动是如何影响风能电场的运行。他们首先应用了一个由美国政府开发的数值天气预测系统——天气研究和预报模型。研究员随后又将风力机与其结合。

这些模型包括了来自上游风力机的湍流尾迹，来显示风力机塔架的最优的安装位置。这取决于诸如地形、风力条件和风力机本身等因素，而这些因素在海上非常大以至于风力机间需要更大的空间。

但是通常情况下，并不是物理条件和人为因素决定了风能电场的设计。一位来自的纽瓦克特拉华大学（University of Delaware）的环境工程师Cristina Archer说道：“对于最优布局或风能资源来说各种限制都是完全外生的。”海岸警卫队可能不希望风力机放在轮船航行的航道上。海洋生物学家可能想尽可能的最小化对海底生物的干扰。然后剩下的就都是审美的考虑。

Miller说：“将这些事情在一起有机的结合既是一门科学又是一种艺术。”

参考文献：

1. Wiser, R. et al.Expert elicitation survey on future wind energy costs. Nat. Energy, doi:10.1038/nenergy.2016.135 (2016).

翻译：柳一鸣

审稿：柯奎宇