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美国能源部20%风能目标可行性报告:制造业、材料与资源

供稿人:罗天雨  供稿时间:2008-8-26   关键字:风力发电  美国  制造业  原材料  
编者按:美国能源部发布了2030年实现20%风能目标的可行性报告,本文继续对该报告的“制造业、原材料与资源”章节的重点内容进行节选介绍。
 
企业股东和决策者们需要了解实现2030年20%风能这一目标是否会受到原材料、生产能力或者劳动力因素的限制。这一章节就这些关键资源进行调查研究。
 
(一)原材料需求
为了估算实现20%风能目标需要的原材料需求,报告集中分析了目前制造风力涡轮机和主要部件最重要的材料,如钢、铝、铜。表1显示了每个部件使用不同材料的百分比以及每个部件占整个涡轮机重量的百分比。表1适用于1.5MW级涡轮机和4MW或更大型的涡轮机。
 
表1 风力涡轮机主要部件以及使用的材料(%)
 
采用表1显示的材料消耗模型为基础,表2进一步描述了要达到每年7000座涡轮机生产量的原材料需求。此分析基于下述假设:涡轮机将变得更轻而且到2017年每年的装机量将平稳保持在7000座涡轮机左右,并且该趋势一直持续到2030年。在此基础上,2030年需要约10万座涡轮机用于产生全美20%的电能。
表2 每年原材料需求估算(千吨)
 
材料使用分析
  • 涡轮机材料的使用中,钢材料将继续占主要部分。
  •  采用铝或其他轻质量复合材料后,可以满足成本、强度和疲劳度的需求。
  •  GRP(玻璃纤维强化塑料)将继续用于风机叶片制造。
  •   碳纤维材料的使用可以减少重量和成本。
  • 变速发电机逐渐普及。
  • 大型涡轮机的永磁发电机对磁性材料的需求将增加。
  • 简化机舱的机械可以减少原材料成本同时增加可靠性。
 
(二)生产能力
 
原则上讲,每年风力涡轮机装机量通常应该由一个稳定的本地制造业基础来支撑。如果装机率在前后2年之间发生巨大变化,而生产制造能力则可能无法按要求相应地增长或减少。美国国家可再生能源实验室(NREL)创建了一个简单的模型,对装机率进行研究,以此维持风能产量在连续几十年都保持一个特定的水平。
 
图1比较了三种装机率模型,分别是满足到2030年风电占全美电能产量10%、20%和30%三种需求目标。
 
                    图1 满足20%风能目标的年装机容量
 
图2则显示了对于满足20%风能目标,从2007年到2030年每年和累计风电装机容量的预测。根据预测,每年装机容量讲增加超过16GW,到2030年总装机容量将增加到305GW,在2007年到2030年之间,将新增装机量293GW。
 
 
制造商分布
 
在美国,越来越多的州县和公司开始投入制造风力涡轮机,或者具备了相应的制造能力。如果对于某些风电部件和先进制造技术进行投资,也可将相关工作职位保留在美国国内。
 
图3显示了目前美国风机和部件生产商的位置分布。这些公司广泛分布于全美各个州县,有些公司还位于风能开发很少的地区。
 
 
 
 
图3 美国风机和部件生产商的位置分布
 
表3则显示了超过1.6万家企业目前正在生产一种或多种NAICS产品,包括风机部件。这些公司分布于50个州,而这些公司主要集中于人口周密、制造业失业率最高的州县。风电主要投资分布在覆盖全美75%人口的20个州,同时也是在过去三年半中占全美制造业失业人口76%的州。
 
表3 美国制造业具有进入风机及部件市场的公司情况
 
 
(三)劳动力需求
 
制造风机和部件,除了原材料和制造厂商的需求,还需要一支经过技术培训的劳动力队伍。这些职员将需要充分的技术能力和经验以满足许多新职位的机会和挑战。
 
但是目前美国大学能源工程项目每年培养500名工程师,而在1980年,这个数字大约有2000。另外,美国大学的风能工程项目明显少于欧洲。图4显示了未来每年科学和工程类大学毕业生的数目将会一直减少,根据趋势,美国将无法提供足够的技术和制造专家,除非改变这个减少趋势。
 
 
图4 到2050年22岁青年人具有科学和工程类学士学位的比例
 
(四)2030年实现20%风能目标的挑战
 
材料方面
 
几种重要的材料对风力涡轮机的生产起到关键作用,在这些原材料中,可能会对风能大量生产起到抑止作用的是玻璃纤维(每兆瓦风机容量需要9吨)、树脂和永磁材料。
 
生产制造方面
 
20%风电目标的实现需要年装机容量连续十年都保持20%的稳定增长,
对于风电制造企业,问题已经不再是在哪里简建造更多的风机制造容量,投资决策必须规划并确保全球的供应链,前瞻性的姿态才能在快速增长和需求变化的环境中成功运营。同时,制造业的快速增长需要稳定的、配套的政策出台以吸引投资到这些新的领域。
 
劳动力
 
对于风能开发中一个潜在的问题就是需要一支有资质的劳动力队伍。对于NTSC出具的一封报告显示,在未来的40年中,美国具有科学和工程类学士学位的22岁青年人比例将持续减少。美国需要更多来自于产业、商业组织和各级政府部门对于大学风电项目和可再生能源技术的支持,为未来风电产业准备人才。

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