7海上風電的生態環境效應李雙成.pdf

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1、海上風電的氣候與生態環境效應李雙成 劉迎陸 張雅娟北京大學城市與環境學院2023.06.28目 錄一、背景和意義CONTENTS三、建議與展望二、主要結果與結論一、背景和意義一、背景和意義雙碳目標下，迫切需要加快風電發展到2030年非化石能源消費比重達到25%左右，風電、太陽能發電總裝機容量達到12億千瓦以上。一、背景和意義海上風電是我國實施能源安全新戰略的重要抓手“十四五”可再生能源發展規劃顯示，優化近海海上風電布局，開展深遠海海上風電規劃，推動近海規?；_發和深遠海示范化開發，重點建設山東半島、長三角、閩南、粵東、北部灣五大海上風電基地集群?！笆奈濉逼陂g，各地出臺的海上風電發展規劃規模已

2、達8000萬千瓦，到2030年累計裝機將超過2億千瓦。一、背景和意義海上風電是我國實施能源安全新戰略的重要抓手2022年全球海上風電報告顯示，2022年中國海上風電新增裝機容量6.8 GW，累計裝機容量達到25.6 GW。全球海上風電增長主要由中國推動。25.5613.608.043.012.34 2.260.48 0.400.23 0.19 0.11 0.07 0.04 0.03 0.03 0.030.010.010.005.0010.0015.0020.0025.0030.00中國英國德國荷蘭丹麥比利時法國越南日本瑞典韓國芬蘭美國意大利葡萄牙愛爾蘭挪威日本海上裝機容量/GW一、背景和意義生

3、態熱點問題，制約風電發展影響海洋生物？如同陸上風電，社會輿論對海上風電的生態環境效應存在誤解和妖魔化傾向風電生態環境影響科學評估報告項目組擬綜合采用文獻評估、實地考察、調查訪談、問卷調查、大數據分析等方式，完成中國風電生態環境效應評估報告。圖1 報告封面一、背景和意義文獻評估 生態環境影響 視覺景觀感知、噪聲 動物影響 主要生態環境限制因素實地調研 問卷調查與分析大數據輿情分析圖2 技術路線圖二、主要成果與結論1 海上風電場生態環境效應文獻計量分析1.1 研究發展趨勢圖3 海上風場生態環境效應研究發展趨勢（紅色實線和藍色實線分別為web of science（WOS）核心合集數據庫和中國知網（

4、CNKI）上相關文章數量的發展趨勢）在web of science（WOS）數據庫，以“offshorewindfarm”與”ecologicaleffects”or“environmental effects”or“ecosystem”等相同或者相近的主題詞進行搜索。結果發現，2009-2023年共計發表海上風電生態環境效應相關的文獻258篇，呈現逐年波動上升趨勢。在中國知網上查詢，也發現了類似的研究文獻增長態勢。1 海上風電場生態環境效應文獻計量分析1.2 研究國別差異圖4 2009-2023年與海上風電場研究相關發文量排名前10位的國家（檢索詞：offshore wind farm）圖5

5、 2009-2023年與海上風電場的生態環境效應研究相關的發文量排名前10位的國家（檢索詞：offshore wind farm”與“ecological effects”or“environmental effects”）對比發現，我國關于海上風電研究發文在全球位居第一，這與我國風電在全球地位一致。然而，關于我國海上風電生態環境效應的關注較少，遠不及歐美一些主要國家。這提示我們應該加大對于海上風電生態環境效應的研究。1 海上風電場生態環境效應文獻計量分析1.3 研究關鍵詞脈絡圖6 2009-2023年海上風電場生態環境效應研究的關鍵詞演進脈絡2009年以來，關鍵詞共現頻次最多的是“海上風電場

6、”、“可再生能源”、“影響”、“北?！?、“漁業”、“生態系統服務”、“生物多樣性”等關鍵詞；隨著時間的推移，“氣候變化”、“海底噪聲”等逐漸成為新的研究熱點。2 海上風電場建設面臨的主要生態環境限制因素海上風電場建設的限制因素 風力資源 風速及其分布狀況 風功率密度 有效風小時 風切變 湍流.施工及維護情況 氣象條件 海洋條件 海底地質條件 海水深度、離岸距離及灘寬.陸上支持情況 運輸情況 電力輸配系統 到負載中心距離.環境影響 海洋環境影響 海洋生物協調 與鳥類的協調.2 海上風電場建設面臨的主要生態環境限制因素海上風電場建設的限制因素（Wu et al,2016)經濟因素 投資總額 項目總

7、回收期 預期的成本效益比 運行維護費用 地方財政補貼.社會效益 就業 改善環境.其他因素 水深 海上安全 技術可行性 政策支持.3.1 海上風電場的噪聲問題噪聲來源準備期：通過生態調查、物理勘探、爆破清淤等行為產生噪聲施工期：通過樁基打樁、施工機械、船只運輸等產生噪聲，是產生噪聲最集中的階段。其中水下打樁會產生較強的噪聲場分布，2m直徑鋼管樁的水下噪聲聲源級最高可達235dB運營期：通過風機運轉產生噪聲，傳播途徑包括空氣動力噪聲入水、機械振動噪聲直接通過塔架輻射入水（主要噪聲源）、樁基底部振動引起的底質傳播圖7 海上風電場運營期噪聲傳播路徑3.海上風電場的生態環境效應3.1 海上風電場的噪聲問

8、題噪聲特性 施工期：短時、高污染在靠近打樁地點的地方，聲音的峰值水平遠高于200dB 運營期：低頻、低能級強度：高于背景聲強度。風速大于8m/s時，距風機100m處的噪聲范圍約為100-120dB頻率：1KHz以下，多數在700Hz以內；具主頻特性，一般2-3個主頻對上海東海大橋海上風電場進行了噪聲監測，結果表明，單個風機噪聲能級較低，聲壓級在81-101 dB之間，甚至低于背景噪音，在海況較差、風速較高的情況下，風機噪音會完全被背景噪音所掩蓋。（宋佳坤,2016）圖8 上海東海大橋海上風電場（圖源網絡）3.海上風電場的生態環境效應3.1 海上風電場的噪聲問題 對海洋動物的影響海上風電場建設時

9、間不長，對風機噪聲影響海洋動物研究的文獻還比較少。已有的研究證實，風機噪聲通過掩蔽通訊、改變生理行為、聽力損害等途徑影響海洋動物。但是研究一致認為海上風電建設期對不同海洋哺乳動物有不同的聽覺損傷臨界距離，運營期海上風電對海洋哺乳動物的影響較小且是可恢復的（蘇文等,2020）。主要有3類影響：引起動物警覺和生理變化、阻礙動物間的通訊、造成短暫或永久的聽力傷害；施工期影響：噪聲強度較低，集中在低頻段，但由于運營時間長（一般為2030年），會增加當地海域噪聲級，對海洋生物產生累積性影響，但具體是否會受到影響仍存在爭議。瞬時高強度噪聲可能會使魚類、哺乳動物產生回避行為，甚至造成聽力喪失或死亡；運營期影

10、響：3.海上風電場的生態環境效應3.2 海上風電場的電磁輻射海上風電機組、升壓站和海底電纜是海上風電主要的電磁輻射影響來源。風電機組和升壓站均位于海面上，電磁輻射衰減很快，對海洋生物的影響較小。海上風電的輸電電纜（主要電磁輻射影響來源）。由于電纜絕緣屏蔽外殼接地，屏蔽了電場，電纜主要產生磁場輻射。圖9 典型海上風電場布局（蔡靈等,2019）3.海上風電場的生態環境效應 電磁輻射來源3.2 海上風電場的電磁輻射類群海洋生物學名試驗指標是否具有明顯差異魚類斑尾刺蝦虎魚Acanthogobius ommaturus存活/行為否/否甲殼類脊尾白蝦Palaemon carinicauda存活/行為否/否

11、黑褐新糠蝦Neomysis awatschensis存活/行為是/否口蝦蛄Oratosquilla oratoria存活/行為否/否三疣梭子蟹Portunus trituberculatus存活/行為否/否細螯寄居蟹Clibanarius sp存活/行為否/否腔腸動物中華仙影?？鸆ereus sinensis存活/行為否/否 對海洋動物的影響（1）對捕食者和獵物相互作用的影響；（2）引起回避、吸引和遷移等行為影響；（3）對物種導航和定向能力的影響，影響運動方向、影響遷徙魚類的地磁模式；（4）足夠強度的磁場還會影響海洋生物的生殖和發育等生理過程。整體上已有研究表明，海上風電產生的電磁輻射對海洋生

12、物的影響有限。不過，未來仍需大量的長時間實測研究予以證實。海上風電場對12種海洋生物存活率與行為的影響（袁健美等,2016）選取江蘇近海常見12種海洋生物，短期內(21d)，風電磁場對幾種海洋生物的存活、行為有一定的影響，撤銷磁場后影響消失。3.海上風電場的生態環境效應海上風電場建設期和運營期可給海洋生物產生一定的影響。項目建設期，水下打樁噪聲會對魚類和其他海洋生物產生影響；工程建設施工或鋪設海底輸電電纜，會攪動海底沉積物，影響水質、進而影響到魚類、浮游生物和底棲生物。項目運營期，風電機組葉片運動和噪聲等會影響鳥類的棲息遷飛，甚至發生碰撞導致死亡。Source：（Wright et al.,2

13、020)3 海上海上風電場的生態環境效應3.3 海上風電場對動物的影響3.4 海上風電場對鳥類的擾動效應圖10 風機致鳥類死亡數量與其他因素相比較（根據全美奧杜邦協會和其他資料綜合）風電機組對鳥類的影響存在，但是與鳥類其他死亡原因相比幾乎不在一個數量級3 海上風電場的生態環境效應(Kelsey et al.,2018)3.5 海上風電場對海洋生物的積極作用：人工魚礁效應3 海上風電場的生態環境效應海上風電場的地基創造了藻類和底棲生物新的棲息地，為許多生物創造了庇護和覓食場所，這種額外的食物供應可能會吸引新的魚類和更多的哺乳動物，這種效應稱之為人工魚礁效應。定義3.5 海上風電場對海洋生物的積極

14、作用：人工魚礁效應3 海上風電場的生態環境效應 不同棲息地的種群會通過交換卵、幼蟲和成體的擴散來相互關聯，風電場的硬質基底可以為卵、幼蟲和成體等浮游生物提供固著場所，從而促進浮游生物的連通性（Bray et al，2016）。為魚類和無脊椎動物提供庇護和產卵場所，也豐富了食物來源。Scheidat 等（2011）對荷蘭風電場內海豚數量的研究結果表明，港海豚的數量可能因為礁石效應使得場內魚類數量增加，而比風電場建設前有所增加。研究證實3.6 海上風電場建設對動物影響小結危害魚類棲息和行為活動 影響魚類活動 噪聲可能會導致魚類的通訊受阻或方向迷失 電磁波可能會影響魚類的胚胎早期發育損害哺乳動物聽覺

15、并影響繁殖 噪聲造成海洋哺乳動物聽覺損傷 引起海洋哺乳動物躲避行為 電磁波對海洋哺乳動物繁殖可能有負面影響形成”保護區“使底棲生物受益 海床上的風電機組樁基基礎會被底棲生物當作棲息地 吸引非本地物種定居“人工魚礁效應”3 海上風電場的生態環境效應 負面影響 積極效應Source：（Thomsen et al.,2006)3.7 海上風電場的生命周期評估3.海上風電場的生態環境效應Source(Yang et al.,2018；楊舉華等,2017)從生命周期階段來看 全生命周期碳足跡集中在風力發電上游（風機生產與運輸階段和風電場建設階段）；風電場的設備占總能耗的91.23%，建設施工占8.72%

16、;在溫室氣體排放方面，吊裝施工占溫室氣體排放的31.11%，風電機和風機塔基分別占 21.37%和 39.21%。圖13 生命周期評估系統邊界圖14 海上風電場溫室氣體排放構成3.7 海上風電場生命周期評估 對于每單位(1 kWh)的電力供應，與燃煤發電相比，海上風電具有顯著的能源和環境效益，能源和溫室氣體排放量分別減少96%（9.12 MJ/kWh）和97%（765.54 g CO2-eq/kWh）；Sources:(Chen et al.，2011;Yang et al.,2018;楊舉華等,2017)圖11 東海大橋海上風電場位置圖12 不同種類可再生能源發電的溫室氣體排放強度3.海上風

17、電場的生態環境效應 以中國東海大橋海上風電場為例 海上風電場在生命周期內的能耗和溫室氣體排放均高于陸上風電場（有少量研究海上低于陸上風電，Xiang et al.,2021），但與光伏、生物質、地熱等可再生能源發電場相比，海上風電場全生命周期能耗和溫室氣體排放依然具有一定優勢。每年可減少能源消耗和溫室氣體排放分別為2150 TJ和1.81*105t CO2-eq；4 海上風電場氣候效應4.海上風電場的氣候效應Source(Wang et al.,2011；Boettcher et al.,2015;Pan et al.,2018)圖15安裝海上風力發電機引起的地表空氣溫度變化(單位K)。大部分

18、結論表明，與以前的陸地安裝結果相反，海上風電場的安裝被發現會導致安裝的海上區域的表面溫度冷卻。這種冷卻主要是從海面到低層大氣的潛熱通量增強，由風電機組引起的湍流混合的增加所驅動的。風速下降，感熱通量減少。Pan等（2018）的研究提出大型海上風電機組陣列可以有效地保護海岸免受颶風期間的大雨侵襲。與陸地安裝的情況相比，大規模部署海上風電機組對全球氣候的擾動相對較小。圖16(a)風速、(b)溫度和(c)地表以上10米的相對濕度以及(d)夏季平均氣候的變化。三、建議與展望預防和保護措施生態環境友好型海上風電機組裝備研發：創新風電機組裝備織造，研制低噪音裝備；研發風機綠色防腐技術，涂抹海洋防腐涂料，減少海洋環境污染?？茖W選址與優化布局：避開魚類洄游路線和產卵育幼場、鳥類遷徙路線，保障海洋生態系統安全。建立數字化的動態監測和預警系統：全域感知海上風電物理和生物，建立海上風電的數字孿生系統，對其生態環境影響進行實時監測和動態模擬；安裝雷達檢測系統，監測風機附近鳥類飛行動態和距離，從而控制風機的轉動與否，最大可能避免鳥類碰撞。建立海洋生物保護協會：致力于解決海上風電和海洋生物之間的沖突，并可以提供相關研究資金。行業指南和咨詢：為風能設施的選址提供專業的指導方針，將對海洋生物的威脅降低到最低水平。三、建議與展望謝謝大家！李雙成 劉迎陸 張雅娟北京大學城市與環境學院2023.06.28