风电深远海已成产业趋势,打开海上风电发展天花板
1.陆风经历快速发展后增速趋缓,海风成为风电领域新增长点
公开信息显示,目前国家规划未来近海100GW,深远海300GW。据国家能源局委托水电总院牵头开展的全国深远海海上风电规划,全国共将布局41个海上风电集群,预计深远海海上风电总容量约达290GW。我们认为十五五期间深远海风市场空间将进一步打开,有望开发150-200GW,海风年均新增装机规模将由十四五期间年均15GW向十五五期间年均30-40GW进发。
我国目前海风累计装机量约30GW,若考虑近海远海总计400GW未来发展空间(这部分预计规划到十五五、十六五),则还有10倍的广阔成长空间。
2.从行业空间成长弹性来看,锚链、塔筒桩基、海缆环节弹性较大
风电向深远海发展已经成为产业趋势,深远海发展将为海上风电装备制造带来新的发展机遇,我们推荐关注以下环节:漂浮式风电锚链、基础;海缆、塔筒、柔性直流送出工程。我们对深远海风发展带来的增量设备环节进行弹性测算,分析各环节增长情况做出以下核心假设(1)全国2023-2025年、2030年海风新增装机分别为10、15、20、45GW;(2)全国2023-2025年、2030年柔性直流海缆占比分别为8%、10%、20%、80%;(3)全国2023-2025年、2030年海风叶片碳纤维渗透率分别为40%、45%、50%、100%。
产业链各环节分析:锚链、浮体、桩基、电缆弹性大
1.锚链:漂浮式市场从0到1,空间大、格局好
许多海域受风能资源、海水深度、海床条件限制,固定式海上风电发展受限,必须利用漂浮式海上风电开发深远海资源;漂浮式技术能够把可开发的海上风电资源总量放大10倍。一般而言,我们认为水深超过50~60m即需要使用到漂浮式风力发电机组,全球80%的海风资源潜力均在水深超过60m的海域;随着近海资源逐步开发结束、深远海推进节奏加快,漂浮式将是未来深远海的主要技术之一。不同于传统的固定式海上风电机组,漂浮式形式使得风电机组“漂”在水面上。风机通过塔筒立于浮体上,而浮体下方通过系泊系统起到固定作用。
从海外的情况来看,海外已率先进入漂浮式商业化阶段,“十四五”期间开始放量。
我国漂浮式海风发展相对较慢,当前已正式进入商业化开发阶段,预计十五五将迎来更大发展。2012~2017年处于技术研究阶段;2018~2022年推进单台漂浮式样机挂机运行,2022年12月海南万宁100万千瓦漂浮式项目开工启动,是全世界最大的商业化漂浮式项目,标志着我国漂浮式项目进入下一个商业规模化开发阶段。
根据GWEC测算,2021~2025年全球漂浮式海风项目新增装机量将从57.1MW提升至1048MW(GlobalOffshoreWindReport2022最新预测版本,较2021年预测数值均有上调),年均复合增速79%,其中我国0→200MW(此处对GWEC预测进行修正,预计海南万宁漂浮式项目并网200MW),海外57.1→848MW;2026~2031年全球装机量将从1166MW提升至9900MW,年均复合增速53%,其中我国0→1100MW,海外1166→8800MW。
从固定式风电机组转向漂浮式风电机组,由于其基础形式发生变化,漂浮式机组改为由浮体承载漂浮在海面上,因此需要系泊系统将漂浮式机组的位置与运动进行约束,由此增加了系泊系统环节(包括锚链、配重块、吸力锚本体、张紧器等)。我们判断,随着漂浮式项目规模化建设,以及机组大型化摊薄锚链使用量,锚链价值量将有所下降以满足经济性要求;而随着水深提升,锚链长度继续加长,所需的锚链价值量将继续提升。
我们根据GWEC对全球漂浮式项目的预测,核心假设水深:海外漂浮式风电项目水深几乎为国内的2倍,假设价值量60亿元/GW,我国漂浮式风电海域相对较浅,假设价值量30亿元/GW,后续随着向深水区开发价值量继续提升。据此我们测算得到2021~2025年锚链市场空间从3亿元增长至59亿元,复合增速104%;2025~2030年市场空间从59亿元增长至555亿元,复合增速57%。
此外,锚链行业壁垒高,对应企业亚星锚链、巨力索具拥有锚/索相关经验
漂浮式风电系泊系统传承于海洋油气平台系泊系统,对抗拉强度要求为至少R3及以上,当前随着机组变大、对经济性的要求,抗拉强度要求有提升至R4及以上的趋势。等级强度提升需要长期的技术积累以及严苛的当地认证,目前能够量产R4级及以上锚链的企业仅亚星锚链、西班牙Vicinay。
2.风机基础:水深提升/大型化提升基础用量,导管架/漂浮式浮体难度提升
目前投产、在建的海风项目风机基础形式以单桩和导管架为主。其中单桩基础是目前应用最广泛的基础形式,适用于浅、中等水深场址,是近海浅水区不嵌岩情况下的首选基础。而导管架是适用范围最广的基础形式,可满足10~50m水深要求,适用于大部分地质条件。随着水深提升和风机大型化,风电基础用量提升,同时漂浮式浮体有望成为新的应用形式。
固定式风机基础有望从单桩逐步转向导管架。两个核心变化:①水深提升。行业内普遍认为单桩、导管架分别适合于40m以内、50~80m水深;随着深远海推进,固定式风机基础形式有望逐步向导管架倾斜。②风机大型化。据测算,14MW风机疲劳载荷约为6MW风机的2~3倍,疲劳问题异常突出,从单桩过渡到导管架可有效解决这一问题。当前单桩形式重量约1000~2000吨,而使用导管架后单机导管架重量将提升至2000~4000吨,我们判断单MW重量将伴随基础形式变化而提升。从固定式项目走向漂浮式项目,风机基础形式改为浮体。漂浮式的发展将带来风机基础形式转向浮体,当前常见浮体结构包括张力腿、半潜式、立柱式,适合不同的水深。
从国内外典型漂浮式项目风机基础重量来看,当风机大小位于5~6MW范围内,风机浮体单位重量接近60万吨/GW,大型化风机(如Kincardine项目9.5MW风机,华能清能院17MW风机)能够摊薄部分浮体重量,单位重量位于30~40万吨/GW。而根据中国电建对于海南万宁100万千万漂浮式项目(使用16.6MW风机)的测算,单台风机使用的浮体重量约6000吨,对应单位重量36万吨/GW。
据此我们测算得到塔筒+风机基础的市场空间:2022~2025年塔筒+风机基础市场空间从63亿元增长至528亿元,复合增速103%;2025~2030年市场空间从528亿元增长至2179亿元,复合增速60%。
我们认为,基础形式变化考验基地与码头能力,提前布局的企业将占据优势。随着风机基础形式的变化,单桩一般重量达1000~2000吨,导管架则为2000~4000吨,浮体重量达到5000~6000t,且导管架与浮体的高度将显著提升,这对于码头的运输能力以及生产基地的设计提出了较高要求,一般认为具备浮体运输能力的码头应达到泊位水深大于15m,且尽量接近风场,缩短拖航距离。因此我们认为具备提前布局导管架、漂浮浮体的企业将在未来占据优势,如海力风电、天顺风能、大金重工、泰胜风能、润邦股份。
3.海缆:十四五、十五五期间单GW价值量整体稳定,十四五后期产能紧张
考虑深远海项目将成为远期主流,未来在海缆应用方面,柔性直流海缆的占比将持续提升。我们考虑柔直海缆占比从2023年8%提升至2025年80%,来测算海缆环节的远期空间扩大、单GW价值量整体有保持稳定。
我们对2022-2025年海缆行业整体的供需情况进行测算,测算显示,2024、2025年,海缆供给将呈现紧张局面。总供给略低于总需求,且海缆扩产周期较长,通常要1.5-2年时间,短期内行业产能刚性较强。区分海缆头部企业和二线企业来看,2024、2025年,头部企业的海缆产能将无法满足行业需求,由于海缆招标距离海风并网通常1年左右时间,因此,在招投标层面,2023年,二线企业就会开始享受到一线企业外溢的海缆订单。
我们认为,海缆系统市场规模2022-2025年复合增速超100%,2025-2030年复合增速15%(主要是基数提升的原因);十四五、十五五期间仍然具备较强的抗通缩属性。我们对2022-2025年海缆行业整体的供需情况进行测算,测算显示,2024、2025年,海缆供给将呈现紧张局面。2024、2025年,头部企业的海缆产能将无法满足行业需求,在订单层面,2023年,二线企业就会开始享受到一线企业外溢的海缆订单。
4.碳纤维:行业高增长+国产替代双轮驱动,规模化后将迎来快速发展
全球碳纤维需求的前三大应用领域依次为风电叶片、休闲体育、航空航天。根据2021年全球碳纤维需求应用市场情况来看,风电叶片市场占比29%、休闲体育市场占比16%、航空航天市场占比14%。
我国碳纤维进口量近年来快速增长,2021年,我国碳纤维进口量5791吨,2022年增长至1.03万吨;碳纤维国产化比例从2016年20%提升至2021年47%,我们预计2022年我国碳纤维国产化率将达到50%,未来国产化率也将持续提升。
5.柔性直流:深远海风的标配,随开发量、渗透率提升市场空间有望迅速增长
柔性直流可以避免交流长电缆导致的电容升压效应,经济上也更适合深远海风
由于交流电下电容效应的存在,一段交流线路空载时也有电流通过,为电容电流,电容电流提供无功功率,将导致线路末端电压升高。根据电容计算公式=4可知,海缆由于其极板间距离较小(d值较小),绝缘材料较空气介电常数为高(ε值较大),因此其单位长度的电容值远较架空导线为高,因此带来的无功升压效应也较架空导线严重得多,且线路越长、电压等级越高,该现象越严重。
柔性直流不但没有交流长电缆的电容升压效应,且由于采用了基于IGBT的VSC电压源型换流器,可以独立调节有功、无功输出,因而不需要交流电网提供电压支撑,可以向无源系统供电。因此柔性直流特别适合海岛供电、海上风电送出等场景。从经济上看,交流海缆由于趋肤效应等因素的存在,在同等截面积的情况下输送容量较直流电缆为低。因此,采用直流送出可以减少用缆量,从而减少了铜等金属的使用,降低造价。因此虽然采用柔性直流时换流站设备造价更高,但与交流相比,线路越长,造价越省。
6.柔直海外已有批量应用、我国目前仅一个建成项目但前景广阔
目前欧洲部分国家的海上风电项目离岸距离较远,采用柔直海缆进行输送。截至2021年底,德国已投运及在建海上风电工程共9个,其中已投运7个,调试及在建工程2个。2021年11月8日并网发电的三峡如东海上风电项目是我国首个柔性直流海风项目,也是世界上电压等级最高、输送容量最大的柔直海风送出工程。该项目采用±400kV电压等级,汇集如东三峡H6、H10、中广核H8共1100MW装机并入江苏电网。
海上风电柔性直流送出工程的核心在于换流站。根据《江苏如东1100MW海上风电项目陆上换流站工程环境影响报告书》,陆上换流站工程主要设备包括1100MW柔性直流单元(柔性直流阀厅、启动回路室、户内直流场等)、(3+1)×410MW联接变(单相双绕组),以及500kV母线、出线间隔等,工程总静态投资10.4056亿元。
7.换流阀为柔直换流站最核心的设备,IGBT为换流阀最核心的零部件
柔性直流换流站最核心的设备为换流阀,根据2019年9月28日《许继电气股份有限公司关于控股股东项目中标的公告》,三峡如东海上风电柔性直流输电示范项目换流阀设备采购中标价为3.75亿元,考虑换流容量为1100MW,折合单GW价值量约3.41亿元/GW,由于陆上、海上换流容量相同,设备参数近似,因此陆上换流阀价值量也约为3.75亿元。考虑目前我国已将海上柔直工程电压等级做到±500kV(建设中的三峡阳江青洲五、七海上风电项目),随电压等级的提高,对换流阀组件耐压、参数要求会有所提高,因此可合理假设海上风电柔直项目换流阀价值量(海上+陆上)在6.8-7亿元/GW之间。
换流阀的基本结构为基于IGBT全控型器件的VSC电压源型MMC多电平换流器,IGBT器件在换流阀总价值量中占比40%-50%,其次为电容器(25%-30%),其他为旁路开关、阀控系统、阀冷却系统、结构件、绝缘件等。
8.换流阀格局稳定,IGBT国产化崛起
多年来我国的直流换流阀(包括常规阀、柔直阀)由国电南瑞、许继电气等电网系统内老牌电力设备生产商所掌握,由于换流阀电压等级高、输送容量大、在电网中地位重要,因此格局较为稳定。统计我国第三轮特高压周期(2019-2021年)中标结果,金额上国电南瑞、许继电气、中国西电占比较高,其他公司包括荣信汇科、特变电工等。