风能的潜力到底有多大?

核心提示:前言风能资源储量巨大,分布广,风力发电是风能的主要用途之一。风电产业链主要分为三个环节:上游的零部件制造,包括叶片、铸件、轴承、齿







 

前言

风能资源储量巨大,分布广,风力发电是风能的主要用途之一。风电产业链主要分为三个环节:上游的零部件制造,包括叶片、铸件、轴承、齿轮箱、塔筒等,中游的整机制造和下游的运营,其中中游是核心环节。我国力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和,目前2021年国内风能光伏发电占比仅有11%,2050年风电将占能源消费的38.5%,光伏占比21.5%,所以风电是国内未来能源发展的重要方向。目前我国陆上风电的建设技术已经比较成熟,而2020年度海上风建设占比仅有3.32%,所以国家风电发展政策将逐渐向海上发电倾斜,未来增长潜力最大。风电建设成本不断下降,风电发电成本平价已至,风能无限,更待何时。
 
CCTC®3060
 
一、风能概述

1.1 风能简介

风能是指空气流动所产生的动能,是太阳能的一种转化形式。由于太阳辐射造成地球表面各部分受热不均匀,引起大气层中压力分布不平衡,在水平气压梯度的作用下,空气沿水平方向运动形成风。
风能资源的总储量非常巨大,一年中技术可开发的能量约5.3X10^13千瓦时。风能是可再生的清洁能源,储量大、分布广、不均匀,但它的能量密度低(只有水能的1/800),并且不稳定。在一定的技术条件下,风能可作为一种重要的能源得到开发利用。风能利用是综合性的工程技术,通过风力机将风的动能转化成机械能、电能和热能等。
风力发电是主要的用途之一,其原理是用风力带动风车叶片旋转,再透过增速机将旋转的速度提升,来促使发电机发电。依据风车技术,大约是每秒三米的速度(微风的程度),便可以开始发电。风力发电不需要使用燃料,也不会产生辐射或空气污染,对比太阳能发电、煤发电和核能发电在没有补贴平准化的条件下,风能发电的成本比较占优。
 
能源发电成本比较(非补贴平准化成本)
 
数据来源:东莞证券、神华研究院
 
1.2 我国风电行业发展历程

根据我国风电装机量增速的波动关系可以将行业发展大致划分为两个波动周期,如2005-2012年和2013-2017年,而2005年之前可以定位为培育期。
第一阶段:2008年之前新增装机量增速都在150%左右,主要原因是风电装机基数较低引起的。2009年之后新增装机量增速有所下降,但依旧保持100%以上,原因在于国家出台政策刺激风电行业发展,制定陆上风电标杆上网电价。2011年后行业发展出现饱和,风电质量也频频发生事故,导致新增装机量明显下滑。
第二阶段:2014-2015年新增装机量大幅增加,主要原因是监管层出台政策下调补贴,带动行业出现“抢装潮”。2016年开始,新增装机量再次下滑,主要原因是前期增长过快导致弃风现象严重,政府限制内蒙古、黑龙江等北方六省的新增装机。2017年至今,行业逐渐复苏和稳定。
 
我国风电行业发展周期(以新增装机量为例)
 
 
数据来源:西部证券,神华研究院
 
截至2020年我国风力发电总装机容量共2.82亿千瓦,其中陆风发电机总装机容量2.73亿千万时,约占总装机容量的96.8%,海风发电机总装机容量0.09亿千瓦,约占总装机容量的3.32%,预判未来海风发电将是主要发展方向。
 
2000-2020年中国风力发电机装机容量(MW)


1.3 为实现“双碳”目标,政策不断加码

我国力争2030年前实现碳达峰、2060年前实现碳中和。2021年“双碳”目标首次被写入《政府工作报告》,将推动产业结构和能源结构进一步优化,引导加大对风电、光伏的金融支持力度。另据《2030年前碳达峰行动方案》,预计到2030年,我国非化石能源消费比重达到25%左右;到2060年,非化石能源消费比重达到80%以上。根据国家发改委能源研究所预测,到2050年中国风电将占到能源消费的38.5%,光伏占到21.5%,所以风电是未来发电的主要来源。
近年来,我国风电行业政策利好不断,多层次政策出台,行业发展前景明朗。
 
 
数据来源:神华研究院
 
二、风电产业链介绍

2.1 产业链介绍

总体来看,风电行业依照上下游关系可分为三个环节:
1)上游零部件制造:主要包括叶片、铸件、轴承、齿轮箱、塔筒等产品,负责为中游的整机环节制造各类零部件。由于不同零部件之间的差异比较大,行业分化程度高。
2)中游整机制造:该环节主要负责将上游零部件组装为风电机组,是风电产业最重要的一环。
3)下游运营商:即风电场的管理与经营者,也包括投资方与电厂施工方。
 
风电产业链
 
 
数据来源:华创证券,神华研究院
 
2.1.1 上游零部件

叶片
叶片是风力发电机组的关键部件,它决定了机组的风能转换效率。一般来说,叶片越大,风能转换效率越高,但相应的叶片重量就越重,研发生产难度也越大,技术制造门槛较高。因此叶片是风电整机成本中占比最高的零部件,在陆地、海上风力发电机整机成本的比例分别占到21%、30%左右。
从风电叶片结构来看,主要由增强材料(梁)、夹芯材料、基体材料、表面涂料及不同部分之间的结构胶组成。
风电叶片结构关键材料
 
数据来源:网络图片、神华研究院
 
大型叶片技术难度较高,存在技术门槛,龙头企业的技术优势起到了重要作用,国内叶片行业在向头部加速集中,比如2020年中材科技、时代新材、中复连众国内市场份额分别达30%、20%、15%,伴随着大型化趋势的深入,行业落后产能将面临加速出清,行业集中度还可能会进一步提升。预计2021-2025年中国、全球风电叶片市场规模CAGR分别为15%、12%,行业景气度较高。
 
中国和全球风机叶片市场规模(亿元)
 
 
 
数据来源:wind、神华研究院
轴承
轴承作为风电整机的核心零部件之一,有着比较高的技术壁垒,是国产化程度最低的风机结构件。当前国产高端轴承的精度保持性、性能稳定性、尤其是寿命和可靠性与国际先进水平存在一定差距。
 
轴承样品
 
数据来源:网络图片、神华研究院
 
风电轴承主要分为三大类,即变桨轴承、偏航轴承、传动系统轴承(主轴和变速箱轴承),其中变桨、偏航轴承主要用于调整风机朝向及叶片桨距角,保证风机垂直迎风、输出功率稳定在安全高效的范围内,目前该类轴承的国产化率比较高。风机的主轴轴承主要用于支撑风机主轴,用于连接轮毂和齿轮箱,将叶片产生的动能传递给齿轮箱。这一部件直接承受整台风机的震动,对产品性能要求十分严格,加工难度大,技术壁垒很高,整个市场基本被海外企业垄断,本土企业市占率很低。
铸件
铸件主要用于风机轮毂制造,是比较典型的劳动与能源密集型产业,生产自动化程度较低,产能受工具模组、人员熟练度、环评等因素影响较大,扩产周期长,属于典型的重资产生产行业。
 
风机铸件样品
 
 
数据来源:网络图片,神华研究院
 
铸件行业的整体格局比较稳定,全球80%以上产能集中在中国,剩余的20%产能主要在欧洲和印度,头部企业市占率很高。目前我国风电铸件行业主要有两大趋势:一个是风机大型化下带来的风电零部件大型化趋势,另外一个就是民营企业正在逐渐发展壮大的趋势。
由于风电铸件与风电装机增长成正比,按照未来5年预计全球风电装机年均增长速度约为17.2%来看,预计风电铸件每年增长速度也在这个数字,十四五期间风电铸件有望增长121%。
塔筒
风机塔筒是风力发电机的支撑结构,同时吸收机组震动,负责机组和基础环(或桩基、导管架)间的连接构建,支撑上部数百吨重的风电机组重量,也是实现风电机组维护、输变电等功能所需重要部件。其内部有爬梯、电缆梯、平台等内部结构,以供风电机组的运营及维护使用。
塔筒样品
 
 
数据来源:网络图片、神华研究院
 
塔筒的生产工艺简单,准入门槛很低,产能充分,行业集中度不高。塔筒的体积极为巨大,运输成本非常高,为了降低运输成本,在电场建设过程中往往选择地理位置上更近的制造商,这还为塔筒带来了地域属性,进一步分散了市场。

2.1.2 中游整机制造

整机是风电产业最核心的一环,其主要是将上游零部件等组装成发电机组的过程。目前该环节的行业市场集中度较高,截止2020年前三名市占率比例已经高达48%,并且未来市场集中度将进一步提升。首先国家政策层面鼓励风电行业优胜劣汰、淘汰落后产能、促进企业兼并重组;其次是整机机组大型化可以减少吊装、土地、日常运营维护等成本,进而降低度电成本,因此机组大型化是未来风机的发展趋势,但大型机组的生产技术集中在头部企业,因此龙头企业的市场份额将进一步提升。
整体上,风机制造是一个受上游原材料价格支配的行业,原材料在总成本中占据绝对主导地位,产业链溢价能力不强,这导致整个行业受大宗价格波动影响非常明显,观察行业整体盈利能力的难度不大,例如近两年受上游材料价格普涨影响,整个风电中游的盈利均有明显承压。

2.1.3 下游投资运营

不同于上游和中游产业链对技术、经验存在一定的要求,风电运营商的核心竞争力主要体现在风资源开发能力、资本金、债务融资能力和融资成本优势上,随着2022年国家对新基建的投入加大,预计风电运营商将继续保持较高的订单,盈利水平也水涨船高。
在国内,风电运营商可分三类,一是大型的电力央企,这些企业主营业务为火电、水电的生产销售,比如国家能源投资集团有限责任公司、国家电力投资集团公司、大唐集团、中国华能集团有限公司、中国华电集团有限公司等;二是其他的能源国企,比如中国广核集团有限公司、华润有限公司、中国长江三峡集团有限公司和中节能风力发电股份有限公司等;三是民营、外资企业,比如金风科技。其中,电力央企占据国内风电市场近一半份额,其他能源国企次之,民营和外资占比较低。

2.2 主要上市公司

1)上游零部件制造:风力发电机是有多个零部件构造而成,并且也包括多种原材料,比如涂料、叶片、发动机、齿轮箱、轴承、交流器、风塔、铸件、控制系统、钢铁、夹层系统等等组成,不同的零部件由不同类型的企业制造,但是叶片、轴承、铸件、风塔的制造是更加针对风力发电的,所以在风力发电行业高速增长中,这种环节的企业是最收益,主要上市公司如下:
a)叶片:中材科技、中复连众、时代新材、中航惠腾等;
b)轴承:新强联、金雷风电、通裕重工等;
c)铸件:日月股份、吉鑫科技、振江股份、双一科技、华伍股份等;
d)塔筒:天顺风能、泰胜风能、天能重工、内蒙一机等;
2)中游制造:负责将上游零部件组装为风电机组,是风电产业中最重要的一环,并且该环节市场集中度较高,并且还有进一步提升空间,随着大型化风机趋势的来临,头部企业收益越来越明显。主要代表企业是:金风科技、远景能源、明阳智能、运达股份、东方电气、上海电气、联合动力等。
3)下游运营商:也就是风电场的管理与经营者,包括运营和电网,在风里发电的建设和运营中,这些企业属于国家新基建建设的直接参与者。代表企业主要有中国电建、运达风电、节能风电、福能股份、龙源电力、华能新能源、大唐发电、华电国际、国电电力。
风电产业链主要上市企业
 
 
数据来源:神华研究院
 
三、行业发展:蓄势待发,潜力巨大

3.1 全球风电发展风口拉起

在2021年3月全球风能理事会(GWEC)发布的《全球风能报告2021》中披露,2020年是风电行业历史上表现最佳的一年,全球新增风电装机93GW,比2019年增加了53%,全球累计装机容量742GW。GWEC预测,“未来五年全球新增风电装机为469GW,实际上2025年前需要每年装机180GW,才有望将全球温升控制在2℃以内,而到2030年每年新增装机要进一步增加到280GW,才能实现本世纪中期的碳中和。”
2020年全球主要地区风电装机量均出现不同程度的上涨,其中中国增速达55.91%,再次成为全球风电装机量的引擎。
2020年全球主要地区风电装机量增速(%)
 
 
数据来源:GWEC,神华研究院
 
海上风电将是未来行业增长的主力。目前海上风电约占全球风电总装机容量的5%,随着海上风电技术不断提高以及行业成本不断下降,全球海上风电未来的规划目标和开发机会正在逐步扩大。全球风能理事会GWEC在2021年最新发布的“全球海上风电报告”中预计,未来十年海上风电新增装机容量将达到235GW,大约是当前市场规模(35GW)的七倍,比2020预期高出15%。从未来市场发展来看,整个海上风电的市场空间还很大,还很远,仅仅从某个年度来看可能增速不是太高,但是如果从五年十年的角度看,能持续保持双位数增长已经是非常好的行业了。
 
全球海风新增装机量增速预测
 
 
数据来源:GWEC,神华研究院
 
风电建设成本不断下降,将助推行业发展步入快节奏。与陆上风电相比,海上风电的建设环境更加复杂,因此总装机成本更高、建设时间更长。回顾最近20年全球海上风电平均装机成本变化虽有起伏,但整体是不断下降的,相对应的2010-2020年全球海上风电的平准化度电成本(LCOE)由0.162美元/千瓦时降至0.084美元/千瓦时,并且随着装机容量的扩大,规模效应也开始显现。据 IRENA 测算,2020年全球海上风电的装机容量每增加一倍,整体装机成本将下降9%,LCOE将下降15%。
2010-2020年全球海上风电平均装机成本与LCOE变化趋势
 
 
数据来源:GWEC,神华研究院
 
从不同国家和地区来看,陆上风的建设成本都是成下降趋势的,下降幅度大约在15%-50%区间。同一个国家或者地区,单独的陆上风电项目之间建设成本也可能差距比较大,这些都主要是由于建设场址、物流运输条件、当地政策、土地利用条件,劳动力价格等因素造成的。
 
全球不同国家或地区陆上风电建设成本表
 

 
和陆上风电项目相比,海上风电的施工、安装及运输条件要困难很多,因此海上风电建设成本更高,工期也更长。但是随着国际供应链瓶颈的解决、各国政府的支持政策、海上风机技术升级以及更加专业的建设和安装施工方案,项目建设成本不断下降,相比过去10年也都有不同程度的下降。
 
全球不同国家或地区海上风电建设成本表
 

 
3.2 碳中和背景下中国风电发展规划

为了能在2030年实现“碳达峰”、2060年实现“碳中和”的目标,清洁能源的装机容量及发电量将在未来稳步上升。国家发改委能源研究所预测到2050年,中国非化石能源比重将提升至78%,煤炭消费相比2019年下降90%,二氧化碳排放相比2019年下降76%。中国风电将占到能源消费的38.5%,光伏占到21.5%,排在之后的就是天然气占9.8%,水电占到9%。随着清洁能源装机量的不断增长,容量系数也不断提高,风电和光伏将是未来发电的主要来源。
 
中国各类型电源发电量(亿千瓦时)

 
数据来源:华创证券,神华研究院

中国各类型电源装机容量(MW)
 
数据来源:华创证券,神华研究院
 
目前我国风电装机仍处于大规模安装的阶段,按照国家给出的风电全生命周期推算,大致风电装机的使用寿命在15年左右,最早的一批风电装机于2010年安装,预计3-4年后将迎来风电装机淘汰及重购。叠加能耗减排要求对新增装机的需求,预计2020-2030年平均每年新增装机容量为0.50亿千瓦时,2030-2040年平均每年新增装机容量为0.70亿千瓦时,2040-2060年平均每年新增装机容量为0.35亿千瓦时,其中包括了新建风电厂所需装机数以及更新原有机器所需的装机数。
2015-2060年中国风电装机容量(亿千瓦)



数据来源:华创证券,神华研究院
 
国家规划和扶持风电行业发展,相关企业纷纷加码进军。根据企查猫的数据显示,2000年以来中国风电相关新成立企业(在业)的数量在近年来呈现大幅度攀升趋势。从2013年仅仅只有的321家新成立企业,到2020有2837家新成立企业,较2013年上升了8.84倍,其中注册资金在1000万以上的新成立企业数从2013年仅有61家上升至2020年的601家,整整增长了约10倍。因此整体来看,中国风电行业近年来发展如火如荼。
 
中国风电企业在业新成立数走势(家)
 

 
数据来源:企查猫,神华研究院
3.3 我国海上风电前景更广阔

目前我国陆上风电的建设技术已经比较成熟,并且2020年度陆上风电建设占比达到95%,所以国家风电发展政策将逐渐向海上发电倾斜。据国家能源局统计数据显示,2013年以来,我国海上风电市场份额稳步提升,2013年海上风电累计装机容量为45万千瓦,仅占总体的0.58%,截止至2020年底增长至900万千瓦,预计未来海上风电市场份额将进一步提升。
2013-2020年我国陆上、海上风电累计装机容量对比情况

 
数据来源:神华研究院
 
近年来我国海上风电的建设成果显著。据国家能源局数据显示,截至2021年6月底,我国海上风电并网容量达到1.13GW,位居全球第二。2020年初GWEC预测中国在2025/2030年有望建成投产海上风电总装机容量分别为29GW/57GW,分别是2020年末的3.2倍/6.3倍,可见中国海上风电将迎来厚积薄发的发展时期。据前瞻产业研究院统计,我国大型基地2035/2050年海上风电总装机规模将分别达到71GW/132GW。
 
2010-2020年中国海上风电装机容量及预测

比较国外,中国海上风电成本优势明显。相比于海上风电市场最大的欧洲,中国拥有更低的人力成本,且风电场距海岸距离相对较近,因此整体建设成本更低。据 RENA 数据显示,2010-2020年中国海上风电的装机成本由4476美元/KW下降至2968 美元/KW,低于全球平均水平,也显著低于全球海上风电装机第一英国的4552 美元/KW。
 
2020年海上风电装机成本(中国仅次于荷兰和丹麦)

中国海上风电的LCOE与世界平均水平相当,同样也显著低于大部分欧洲国家。由于风电场距海岸较近导致风力资源较为匮乏,加上中国目前使用的风机较小,目前中国海上风电的容量系数低于欧洲各国,但其在2010-2020年间提升23%,增速位于世界前列,说明中国海上风电建设趋势向好。
 
2020年海上风电LCOE


3.4 国内政策加码,平价已至

风电上网电价的标杆化始于2009年,当年7月20日,国家发改委发布《关于完善风力发电上网电价政策的通知》(发改价格[2009]1906号),按风能资源状况和工程建设条件,将全国分为Ⅰ-Ⅳ四类风能资源区,相应标杆上网电价分别为0.51、0.54、0.58、0.61元/千瓦时。随后经历了2015年、2016年、2018年、2019年、2020年5次降低指导价。
2009-2020年陆上风电标杆电价/指导价
 

 
技术降本是风电行业成长的内在驱动力。陆上风电标杆上网电价(或指导价)快速下降,并未将行业需求浇灭,相反以国家电投乌兰察布一期6GW风电基地项目为代表的大量的平价和低价基地项目开始涌现,国家能源局公布的2020年常规风电平价项目达11.4GW;表明虽然上网电价下降速度很快,成本下降的速度可以匹配,从而使得平价/低价基地项目具备合理的收益率。根据某些风机企业研究结论,到2023年风电在中国三北高风速地区的度电成本将实现0.1元/度电,目前最新技术在三北地区的风电成本已经达到0.16元/度电左右,意味着未来风电行业仍将维持较快的降本速度。

四、总结

风能资源总储量非常巨大,分布广。风力发电是风能主要的用途之一,相比太阳能发电、煤发电和核能发电具有较大的成本优势。在全球碳中和的大背景下,风能产业正在蓄势待发。我国力争2030年前实现碳达峰,2060年前实现碳中和,目前2021年国内风能光伏发电占比仅有11%,2050年风电将占能源消费的38.5%,光伏占比21.5%,所以风电是国内未来能源发展的重要方向。
风电产业链主要包括上游零部件、中游整机制造和下游运营商,其中上游主要包括叶片、铸件、轴承、齿轮箱、塔筒等产品制造;中游负责将上游零部件组装为风电机组,是风电产业最重要一环,下游是风电场的管理与经营者。产业链中主要的企业包括上游零部件制造的中材科技、新强联、金雷风电、日月股份、天顺风能、泰胜风能;中游制造的金风科技、远景能源、明阳智能等;下游运营商的中国电建、龙源电力、节能风电等。
全球风电发展风口拉起,2020年各地区均新增风电装机容量呈现不同程度增长。中国新增风电装机容量增速为55.91%,再次成为全球增长引擎。为实现碳中和,预测到2050年中国煤炭消费相比2019年下降90%,而风电将占到能源消费的38.5%,行业增长空间广大。目前我国陆上风电的建设技术已经比较成熟,而2020年度海上风建设占比仅有3.32%,所以国家风电发展政策将逐渐向海上发电倾斜,未来增长潜力最大。
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