海上风电的生态环境效应

海上风电的气候与生态环境效应李双成刘迎陆张雅娟北京大学城市与环境学院2023.06.28⚫一、背景和意义目录⚫二、主要结果与结论CONTENTS⚫三、建议与展望一、背景和意义一、背景和意义双碳目标下，迫切需要加快风电发展到2030年非化石能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。一、背景和意义海上风电是我国实施能源安全新战略的重要抓手《“十四五”可再生能源发展规划》显示，优化近海海上风电布局，开展深远海海上风电规划，推动近海规模化开发和深远海示范化开发，重点建设山东半岛、长三角、闽南、粤东、北部湾五大海上风电基地集群。“十四五”期间，各地出台的海上风电发展规划规模已达8000万千瓦，到2030年累计装机将超过2亿千瓦。一、背景和意义海上风电是我国实施能源安全新战略的重要抓手30.0025.56/GW25.0020.00海上装机容量15.0013.6010.008.045.003.012.342.260.480.400.230.190.110.070.040.030.030.030.010.010.00中国英国德国荷兰丹麦法国越南日本瑞典韩国芬兰美国挪威日本比利时意大利葡萄牙爱尔兰《2022年全球海上风电 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 》显示，2022年中国海上风电新增装机容量6.8GW，累计装机容量达到25.6GW。全球海上风电增长主要由中国推动。一、背景和意义生态热点问题，制约风电发展影响海洋生物？如同陆上风电，社会舆论对海上风电的生态环境效应存在误解和妖魔化倾向一、背景和意义风电生态环境影响科学评估报告项目组拟综合采用文献评估、实地考察、调查访谈、问卷调查、大数据分析等方式，完成《中国风电生态环境效应评估报告》。文献评估➢生态环境影响➢视觉景观感知、噪声➢动物影响➢主要生态环境限制因素实地调研➢问卷调查与分析大数据舆情分析图1报告封面图2技术路线图二、主要成果与结论1海上风电场生态环境效应文献计量分析1.1研究发展趋势在webofscience（WOS）数据库，以“offshorewindfarm”与”ecologicaleffects”or“environmentaleffects”or“ecosystem”等相同或者相近的主题词进行搜索。结果发现，2009-2023年共计发表海上风电生态环境效应相关的文献258篇，呈现逐年波动上升趋势。在中图3海上风场生态环境效应研究发展趋势（红色实国知网上查询，也发现了类似的研线和蓝色实线分别为webofscience（WOS）核心究文献增长态势。合集数据库和中国知网（CNKI）上相关文章数量的发展趋势）1海上风电场生态环境效应文献计量分析1.2研究国别差异图52009-2023年与海上风电场的生态环境效应研究相关的图42009-2023年与海上风电场研究相关发文量排发文量排名前10位的国家（检索词：offshorewindfarm”名前10位的国家（检索词：offshorewindfarm）与““ecologicaleffects”or“environmentaleffects”）对比发现，我国关于海上风电研究发文在全球位居第一，这与我国风电在全球地位一致。然而，关于我国海上风电生态环境效应的关注较少，远不及欧美一些主要国家。这提示我们应该加大对于海上风电生态环境效应的研究。1海上风电场生态环境效应文献计量分析1.3研究关键词脉络图62009-2023年海上风电场生态环境效应研究的关键词演进脉络2009年以来，关键词共现频次最多的是“海上风电场”、“可再生能源”、“影响”、“北海”、“渔业”、“生态系统服务”、“生物多样性”等关键词；随着时间的推移，“气候变化”、“海底噪声”等逐渐成为新的研究热点。2海上风电场建设面临的主要生态环境限制因素海上风电场建设的限制因素➢风力资源➢施工及维护情况➢陆上支持情况➢环境影响✓风速及其分布状况✓气象条件✓运输情况✓海洋环境影响✓风功率密度✓海洋条件✓电力输配系统✓海洋生物协调✓有效风小时✓海底地质条件✓到负载中心距离✓与鸟类的协调✓风切变✓海水深度、............✓湍流✓离岸距离及滩宽............2海上风电场建设面临的主要生态环境限制因素海上风电场建设的限制因素➢经济因素➢社会效益➢其他因素✓投资总额✓就业✓水深✓项目总回收期✓改善环境✓海上安全✓预期的成本效益比......✓技术可行性✓运行维护费用✓政策支持✓地方财政补贴............（Wuetal,2016)3.海上风电场的生态环境效应3.1海上风电场的噪声问题•噪声来源•准备期：通过生态调查、物理勘探、爆破清淤等行为产生噪声•施工期：通过桩基打桩、施工机械、船只运输等产生噪声，是产生噪声最集中的阶段。其中水下打桩会产生较强的噪声场分布，2m直径钢管桩的水下噪声声源级最高可达235dB•运营期：通过风机运转产生噪声，传播途径包括空气动力噪声入水、机械振动噪声直接通过塔架辐射入水（主要噪声源）、桩基底部振动引起的底质传播图7海上风电场运营期噪声传播路径3.海上风电场的生态环境效应3.1海上风电场的噪声问题•噪声特性✓施工期：短时、高污染•在靠近打桩地点的地方，声音的峰值水平远高于200dB✓运营期：低频、低能级•强度：高于背景声强度。风速大于8m/s时，距风机100m处的噪声范围约为100-120dB•频率：1KHz以下，多数在700Hz以内；具主频特性，一般2-3个主频图8上海东海大桥海上风电场（图源网络）•对上海东海大桥海上风电场进行了噪声监测，结果表明，单个风机噪声能级较低，声压级在81-101dB之间，甚至低于背景噪音，在海况较差、风速较高的情况下，风机噪音会完全被背景噪音所掩盖。（宋佳坤,2016）3.海上风电场的生态环境效应3.1海上风电场的噪声问题•对海洋动物的影响•海上风电场建设时间不长，对风机噪声影响海洋动物研究的文献还比较少。已有的研究证实，风机噪声通过掩蔽通讯、改变生理行为、听力损害等途径影响海洋动物。但是研究一致认为海上风电建设期对不同海洋哺乳动物有不同的听觉损伤临界距离，运营期海上风电对海洋哺乳动物的影响较小且是可恢复的（苏文等,2020）。•主要有3类影响：引起动物警觉和生理变化、阻碍动物间的通讯、造成短暂或永久的听力伤害；施工期影响：运营期影响：•瞬时高强度噪声可能会使鱼类、哺乳•噪声强度较低，集中在低频段，但由于运营动物产生回避行为，甚至造成听力丧时间长（一般为20~30年），会增加当地海失或死亡；域噪声级，对海洋生物产生累积性影响，但具体是否会受到影响仍存在争议。3.海上风电场的生态环境效应3.2海上风电场的电磁辐射•电磁辐射来源海上风电机组、升压站和海底电缆是海上风电主要的电磁辐射影响来源。•风电机组和升压站均位于海面上，电磁辐射衰减很快，对海洋生物的影响较小。•海上风电的输电电缆（主要电磁辐射影响来源）。由于电缆绝缘屏蔽外壳接地，屏蔽了电场，电缆主要产生磁场辐射。图9典型海上风电场布局（蔡灵等,2019）3.海上风电场的生态环境效应3.2海上风电场的电磁辐射类群海洋生物学名试验指标是否具有明显差异•对海洋动物的影响鱼类斑尾刺虾虎鱼Acanthogobiusommaturus存活/行为否/否•（1）对捕食者和猎物相互作用的影响；甲壳类脊尾白虾Palaemoncarinicauda存活/行为否/否黑褐新糠虾Neomysisawatschensis存活/行为是/否（2）引起回避、吸引和迁移等行为影响；口虾蛄Oratosquillaoratoria存活/行为否/否三疣梭子蟹Portunustrituberculatus存活/行为否/否（3）对物种导航和定向能力的影响，影细螯寄居蟹Clibanariussp．存活/行为否/否响运动方向、影响迁徙鱼类的地磁模式；腔肠动物中华仙影海葵Cereussinensis存活/行为否/否（4）足够强度的磁场还会影响海洋生物海上风电场对12种海洋生物存活率与行为的影响（袁健美等,2016）的生殖和发育等生理过程。•选取江苏近海常见12种海洋生物，短期内(21d)，•整体上已有研究表明，海上风电产生的电风电磁场对几种海洋生物的存活、行为有一定磁辐射对海洋生物的影响有限。不过，未的影响，撤销磁场后影响消失。来仍需大量的长时间实测研究予以证实。3海上海上风电场的生态环境效应3.3海上风电场对动物的影响海上风电场建设期和运营期可给海洋生物产生一定的影响。➢项目建设期，水下打桩噪声会对鱼类和其他海洋生物产生影响；工程建设施工或铺设海底输电电缆，会搅动海底沉积物，影响水质、进而影响到鱼类、浮游生物和底栖生物。➢项目运营期，风电机组叶片运动和噪声等会影响鸟类的栖息迁飞，甚至发生碰撞导致死亡。Source：（Wrightetal.,2020)3海上风电场的生态环境效应3.4海上风电场对鸟类的扰动效应图10风机致鸟类死亡数量与其他因素相比较（根据全美奥杜邦协会和其他资料综合）(Kelseyetal.,2018)风电机组对鸟类的影响存在，但是与鸟类其他死亡原因相比几乎不在一个数量级3海上风电场的生态环境效应3.5海上风电场对海洋生物的积极作用：人工鱼礁效应•定义海上风电场的地基创造了藻类和底栖生物新的栖息地，为许多生物创造了庇护和觅食场所，这种额外的食物供应可能会吸引新的鱼类和更多的哺乳动物，这种效应称之为人工鱼礁效应。3海上风电场的生态环境效应3.5海上风电场对海洋生物的积极作用：人工鱼礁效应•研究证实•不同栖息地的种群会通过交换卵、幼虫和成体的扩散来相互关联，风电场的硬质基底可以为卵、幼虫和成体等浮游生物提供固着场所，从而促进浮游生物的连通性（Brayetal，2016）。•为鱼类和无脊椎动物提供庇护和产卵场所，也丰富了食物来源。•Scheidat等（2011）对荷兰风电场内海豚数量的研究结果表明，港海豚的数量可能因为礁石效应使得场内鱼类数量增加，而比风电场建设前有所增加。3海上风电场的生态环境效应3.6海上风电场建设对动物影响小结➢积极效应形成”保护区“使底栖生物受益➢负面影响✓海床上的风电机组桩基基础会危害鱼类栖息和行为活动被底栖生物当作栖息地✓影响鱼类活动✓吸引非本地物种定居✓噪声可能会导致鱼类的通讯受阻或方向迷失✓“人工鱼礁效应”✓电磁波可能会影响鱼类的胚胎早期发育损害哺乳动物听觉并影响繁殖✓噪声造成海洋哺乳动物听觉损伤✓引起海洋哺乳动物躲避行为✓电磁波对海洋哺乳动物繁殖可能有负面影响Source：（Thomsenetal.,2006)3.海上风电场的生态环境效应3.7海上风电场的生命周期评估从生命周期阶段来看➢全生命周期碳足迹集中在风力发电上游（风机生产与运输图13生命周期评估系统边界阶段和风电场建设阶段）；➢风电场的设备占总能耗的91.23%，建设施工占8.72%;在温室气体排放方面，吊装施工占温室气体排放的31.11%，风电机和风机塔基分别占21.37%和39.21%。图14海上风电场温室气体排放构成Source(Yangetal.,2018；杨举华等,2017)3.海上风电场的生态环境效应3.7海上风电场生命周期评估➢以中国东海大桥海上风电场为例➢对于每单位(1kWh)的电力供应，与燃煤发电相比，海上风电具有显著的能源和环境效益，能源和温室气体排放量分别减少96%（9.12MJ/kWh）和97%（765.54gCO/kWh）；2-eq图11东海大桥海上风电场位置➢每年可减少能源消耗和温室气体排放分别为2150TJ和1.81*105tCO2-eq；➢海上风电场在生命周期内的能耗和温室气体排放均高于陆上风电场（有少量研究海上低于陆上风电，Xiangetal.,2021），但与光伏、生物质、地热等可再生能源发电场相比，海上风电场全生命周期能耗和温室气体排放依然具有一定优势。图12不同种类可再生能源发电的温室气体排放强度Sources:(Chenetal.，2011;Yangetal.,2018;杨举华等,2017)4.海上风电场的气候效应温电图154海上风电场气候效应度机变引安化(起装•大部分结论表明，与以前的陆地安装结果相反，单的海地位K)上海上风电场的安装被发现会导致安装的海上区表风空域的表面温度冷却。这种冷却主要是从海面到低。力气发层大气的潜热通量增强，由风电机组引起的湍流混合的增加所驱动的。(c)•风速下降，感热通量减少。Pan等（2018）的变度图16化以地(a)研究提出大型海上风电机组阵列可以有效地保。及(d)表以风护海岸免受飓风期间的大雨侵袭。上10夏速季•、(b)与陆地安装的情况相比，大规模部署海上风电平米机组对全球气候的扰动相对较小。均的气相温候对度Source(Wangetal.,2011；Boettcheretal.,2015;Panetal.,2018)的湿和三、建议与展望三、建议与展望预防和保护措施➢生态环境友好型海上风电机组装备研发：创新风电机组装备织造，研制低噪音装备；研发风机绿色防腐技术，涂抹海洋防腐涂料，减少海洋环境污染。➢科学选址与优化布局：避开鱼类洄游路线和产卵育幼场、鸟类迁徙路线，保障海洋生态系统安全。➢建立数字化的动态监测和预警系统：全域感知海上风电物理和生物，建立海上风电的数字孪生系统，对其生态环境影响进行实时监测和动态模拟；安装雷达 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 系统，监测风机附近鸟类飞行动态和距离，从而控制风机的转动与否，最大可能避免鸟类碰撞。➢建立海洋生物保护协会：致力于解决海上风电和海洋生物之间的冲突，并可以提供相关研究资金。➢行业指南和咨询：为风能设施的选址提供专业的指导方针，将对海洋生物的威胁降低到最低水平。谢谢大家！李双成刘迎陆张雅娟北京大学城市与环境学院2023.06.28