在德国风电领域的发展中，通过更换发电机组（即“重新配备动力系统”）来降低材料需求的潜力

《Resources, Conservation and Recycling》：Savings potential for material requirements through repowering in the German wind power expansion

　　里卡达·希克 | 克里斯托夫·赫尔比格
德国拜罗伊特大学生态资源技术系

**摘要**
德国的风能行业面临着老旧风机 fleet 和雄心勃勃的扩张目标的日益增加的压力。通过更换组件（repowering），可以减少对初级材料的需求。本研究采用 1988 年至 2050 年的动态物质流分析，量化了容量扩张所需的资源，以评估更换组件的节能潜力。结果表明，更换组件中组件的再利用程度是提高材料效率的关键因素。不进行再利用的更换会加速材料消耗，并导致最高的累计需求。深化再利用程度的策略能够显著节省材料。在海上风电领域，重新利用基础设施和采用现代风力涡轮机可使混凝土、铜和聚合物的需求减少 11-15%；在陆上风电领域，部分更换组件最为有效，可使铜、钢和铝的需求减少 7-14%。因此，相关方应优先考虑以再利用为主的部分更换方案，以平衡容量扩张、区域效率与资源保护。

**1. 引言**
德国作为风能领域的先驱，与其他许多受欧洲绿色协议及其实现气候中和目标影响的国家一样面临挑战。风能已占德国总发电量的 33%（Fraunhofer ISE，2024 年），在德国的能源转型中发挥着核心作用。根据《可再生能源法》（Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG）设定的目标，风能的增长在未来几十年内必须持续（EEG 2023, 2014）。虽然能源转型依赖于经济分析和技术进步，但如果不考虑资源需求和潜在的供应瓶颈，这一目标就无法实现（Shammugam 等，2019 年）。全球对清洁能源的追求显著增加了能源领域对金属和矿物的需求，引发了关于材料供应可靠性和可持续性的担忧（IEA，2021 年）。因此，在以资源为中心的分析中识别潜在的节能措施是实现德国容量扩张目标的前提条件。另一个挑战是运行中的风力涡轮机逐渐老化，这些涡轮机在达到使用寿命（EoL）后需要更换。因此，德国不仅要实现其扩张目标，还要处理退役的风力涡轮机问题。

技术进步使得风力涡轮机的转子直径更大、塔架高度更高、额定功率更高，并且永久磁铁的使用增加，从而增加了稀土元素（REEs）的需求。对更大、更高效的风力涡轮机的需求以及越来越多老化涡轮机的存在，凸显了更换组件的必要性。更换组件是指用更先进的型号替换老旧涡轮机，以提高场地容量和效率（Ahmed 等，2024 年；Grau 等，2021 年）。风能行业受益于简化了的许可流程（Madlener 等，2019 年）。风电场运营商还能利用现有基础设施、电网连接、生产许可和历史性能数据等优势（Ahmed 等，2024 年）。此外，重新利用风电场不仅优化了土地使用，还促进了各种组件的再利用，从而提高了材料效率。

更换组件项目和新安装项目都旨在实现德国在能源转型中的风能容量扩张目标。然而，这两者都需要大量的资源投入。市场紧张可能延缓能源转型的进程。风力涡轮机同步发电机中使用的永久磁铁对欧盟国家具有重大依赖性，因为这些磁铁需要钕和镝等稀土元素（REEs）。中国主导了稀土元素的产业链，包括磁铁生产（IEA，2021 年）。虽然 85% 的加工钕来自中国，但对加工镝的依赖度高达 100%（Carrara 等，2025 年）。对未来风能部署的物料量化分析揭示了资源需求、瓶颈以及高效利用资源的策略潜力。Shammugam 等（2019 年）和 Zimmermann 等（2013 年）在不同容量增长和技术发展情景下研究了德国风能行业的物质流动情况。他们的研究指出，容量的大幅增加会导致显著的初级材料需求和供应压力，需要通过提高材料效率和第二级材料回收来缓解这一问题。丹麦（Cao 等，2019 年）、瑞典（Savvidou 和 Johnsson，2023 年）和加拿大（Jiang 等，2025 年）的研究也得出了类似结论，即回收和提升材料利用效率对于在容量扩张过程中限制初级材料需求至关重要。Li 等（2022 年）绘制了全球未来的物质和能源流动图，欧盟委员会（Carrara 等，2020 年）指出了欧盟乃至全球的材料需求趋势和关键问题。这些研究均表明，稀土元素的供应限制可能限制能源转型的速度，并强调了减少需求（如延长使用寿命、提高材料效率或替代）策略的重要性。Gast 等（2024 年）通过循环性指数分析了材料回收、减少、回收和再利用对风力涡轮机的影响，认为这些策略具有潜力。Tazi 等（2019 年）对法国的案例研究表明，过去安装的风力涡轮机在寿命假设和可回收率方面的不确定性需要改进的寿命规划。Lichtenegger 等（2020 年）确定了风力涡轮机叶片废物的循环经济路径的地理和时间热点。瑞典的研究指出，需要扩大回收能力和改进拆解实践以应对未来废物的增加，并提出了延长风力涡轮机组件使用寿命的策略（Andersen 等，2016 年）。Alavi 等（2024 年）预测，混凝土、钢铁和复合材料将成为风力涡轮机废物的主要成分，并认为更换组件是减少混凝土和钢铁废物的潜在策略。

尽管这些研究一致表明了未来退役废物的规模和管理挑战以及能源转型中容量扩张带来的材料需求压力，但更换组件对累计材料需求的定量影响及其作为组件再利用策略的作用尚未得到分析。本研究通过动态物质流分析（dMFA）确定了德国风能行业在不同更换情景下的资源需求。据我们所知，这些情景首次有效地将组件再利用程度作为变量纳入风电场更换组件的分析中。本研究旨在探索如何在支持德国风能容量扩张的同时，减少累计资源需求。研究问题如下：

**实现德国风能容量扩张目标（包括新安装和更换组件）所需的最低资源需求是多少？**

为解决这一问题，该研究结合了特定地点的高分辨率历史容量数据、经验缩放关系和技术发展，对 1988 年至 2050 年间德国陆上和海上风电在未来更换组件和新安装情景下的物质流动进行了建模。研究通过将技术限制、组件寿命和空间要求纳入情景设计和动态建模，明确评估了更换组件中的再利用可行性。分析不仅限于涡轮机层面，还考虑了风电场基础设施组件的材料需求和再利用潜力。

**2. 数据和方法**
**2.1. 范围和系统边界**
本研究涵盖了从产生能量的风力涡轮机到电网连接的整个系统，包括涡轮机及其四个主要组件：基础、塔架、机舱和转子，以及风电场基础设施的所有组件。陆上风电场还包括电缆、开关设备和变压器；海上风电场则需要阵列电缆和出口电缆，以及海上和陆上变电站。图 1 展示了所考虑的组件及其相应的技术变体。

风力涡轮机在驱动系统配置和塔架类型上有所不同。模型选择的技术变体基于其市场主导地位。研究区分了两种齿轮系统：双馈感应发电机（DFIG）和带齿轮箱的永磁同步发电机（PMSG-GB），以及两种直驱系统：电励磁同步发电机直驱（EESG-DD）和永磁同步发电机直驱（PMSG-DD）。选择了两种塔架类型：钢管塔和混凝土塔。虽然陆上涡轮机的平板基础无可匹敌，但海上涡轮机选择了单桩结构，因其全球市场份额达 60%（DOE，2023 年）。研究选择的材料占风力涡轮机和风电场总质量的 95% 以上。结构材料包括混凝土、钢铁、铝、铜和聚合物，钕和镝被归类为关键材料。选择这些材料是为了确保分析能够捕捉到对资源使用最具影响力的因素。尽管风力涡轮机中还存在其他材料（如锌涂层、铬、镍、锰和钼作为合金材料，Li 等，2022 年），但由于它们的质量占比相对较小，且现有的生命周期清单（LCI）数据集不足以可靠地分离和量化这些材料，因此未被纳入研究范围。研究的时间范围为 1988 年至 2050 年。1988 年是第一台向电网供电且额定功率超过 0.05 MW 的涡轮机安装的年份；2050 年符合欧洲绿色协议实现气候中和的目标。历史年份的安装和退役数据来自联邦网络机构管理的官方能源生产和存储单位注册系统“Marktstammdatenregister”（MaStR，Bundesnetzagentur，2025 年）。研究中的系统变量在补充信息中进行了多方面说明。该模型适用于其他国家，前提是具备足够的风力涡轮机数据。模型需要涡轮机位置、年龄、配置和风电场分配信息。高分辨率的区域风能密度数据用于计算特定国家的场地适宜性指数。通过用其他地区的类似数据替换德国的数据，该框架可以估算新安装和更换组件的材料需求。

**2.2. 模型概述**
本研究将容量需求和材料组成整合到一个基于库存的动态物质流分析（dMFA）模型中。图 2 显示了计算流程图。dMFA 中的流动表示材料如何进入、在系统中循环并离开系统，从而改变其数量和分布（Müller 等，2014 年）。在基于库存的方法中，流出量由风力涡轮机或风电场的寿命决定。流入量根据每个时间步的服务需求迭代调整库存至目标水平（Pauliuk 和 Müller，2014 年）。该模型中，年度风能容量增加（“流入”）和年度容量退役（“流出”）取决于涡轮机和风电场的寿命、更换活动以及实现规定风能容量所需的扩张需求（“库存”）。容量流动通过材料组成计算和动态原型涡轮机建模转换为物质流动。研究中，更换组件简称为“RP”，新安装简称为“NI”。

**2.3. 容量流动**
计算历史容量流动所需的信息包括每台涡轮机的额定功率、位置以及安装和退役年份，这些信息均可从 MaStR 中获取。容量库存根据质量平衡原理确定，即总安装容量与总退役容量之差。在基于库存的建模方法中，库存代表预期的服务需求。1988 年是库存积累的开始年份。在那一年之前的库存被假设为零。在考虑了容量流出后，容量需求是内生计算的，以满足目标库存：(1)CI(t)=CStarget(t)?CS(t?1)+CO(t)其中CI(t)代表第t年的容量安装量，CStarget(t)对应于第t年外生定义的目标容量库存，CS(t?1)是前一年的安装容量库存，CO(t)表示第t年的容量流出量。这确保了年度安装量能够补偿退役的容量，并提供达到规定的容量扩张目标所需的额外扩展。2025年之前的所有现有涡轮机、未来的改造项目和新安装的涡轮机都按年龄组别进行跟踪，以计算年度容量发展。为了保持它们的异质性尺寸和配置，现有涡轮机在其各自的组别中具有特定于单元的属性。未来的涡轮机被赋予特定于组别的原型特性。为了避免根据德国政府提出的拍卖量高估年度安装工作量，引入了每年12吉瓦的容量增加上限（WindEurope，2022年）。从2024年开始，每年更新陆上和海上容量库存，考虑退役、改造和新安装：(2)CS(t,r)=CS(2024,r)+∑τ=2025t(?CDec,fut(τ,r)?CDec,orig(τ,r)+ΔCRP(τ,r)+CNI(τ,r))CS(t,r)对应于从初始容量库存CS(2024,r)（陆上61.2吉瓦，海上8.3吉瓦）开始的第t年和地区r的未来容量库存。CDec,fut(τ,r)是在过去一年τ作为改造事件或新安装而安装的涡轮机容量，CDec,orig(τ,r)代表无法进行改造的现有风电舰队中的容量流出量。ΔCRP(τ,r)是通过改造获得的情景依赖的容量增益，CNI(τ,r)是新安装的容量。

2.4. 情景假设
所有情景都旨在实现德国联邦政府设定的服务需求，以在2050年前实现气候中和。到2026年，陆上风电容量预计将达到84吉瓦，到2028年增加到88吉瓦。2030年、2035年和2040年的目标分别在EEG的第4节中设定为115吉瓦、157吉瓦和160吉瓦，之后容量应保持在这一水平（EEG 2023，2014）。根据《海上风电法》（Windenergie-auf-See-Gesetz，WindSeeG）的第1节的规定，海上风电容量预计在2030年达到30吉瓦，到2035年增加到40吉瓦，并从2045年开始保持70吉瓦的稳定水平（WindSeeG，2016）。这些扩张目标是进行库存驱动建模的外生服务需求。现有的德国能源转型轨迹，例如在Ariadne项目中开发的轨迹，预测到2045年陆上风电容量为160-214吉瓦，海上风电容量为57-70吉瓦，与其他转型情景相比只有适度的变化（Luderer等人，2025）。他们得出结论，至少达到当前政策目标的可再生能源容量扩张对于实现气候中和至关重要。因此，本研究中的容量扩张假设既符合政策要求，也处于德国风电发展的现有预测范围内。表1概述了本研究的四种不同的未来改造和新安装情景。从物质角度来看，改造的优势在于可以重用风力发电场的组件进行升级。涡轮机的寿命受到承载能力的限制，因为磨损和疲劳会影响稳定性和性能。风力涡轮机制造商Vestas认识到，不暴露在强风力和循环载荷下的组件可能有长达50年的显著更长的使用寿命（Vestas Wind Systems，2024）。除了组件的设计寿命外，其在改造项目中的可重复使用性还取决于其与现代涡轮机规格和尺寸的兼容性。

表1. 风力发电场扩张和改造情景及其各自的组件重用潜力
情景 风力发电场容量 目标 量化重用潜力
S1 2倍容量 通过改造最大化每单位面积的风能利用
S2 1.5倍容量 在改造中结合利用和资源效率 变压器、开关设备、出口电缆、陆上变电站、海上变电站
S3 1倍容量 最大化改造的可重复使用潜力 塔架、平基和单桩基础、变压器、开关设备、现场电缆、出口电缆、陆上变电站、海上变电站、阵列电缆
S4 仅通过新安装 0%的涡轮机进行改造

情景1代表了Bo?njakovi?等人（2022）提出的“一切照旧”情景，在该情景中，通过部署现代涡轮机来最大化风力发电场的面积利用效率，从而使容量翻倍。大量的容量增加通常超过了变电站组件的设计限制，无法实现任何重用。此外，现代涡轮机更大更重，由于间距限制，需要在风力发电场内重新分配涡轮机的位置。因此，无法重用被替换涡轮机的塔架、转子和机舱，因为它们既不符合承受新载荷的物理要求，也不符合现代涡轮机的尺寸要求。

在情景2中，通过部署现代涡轮机，改造使风力发电场容量增加了1.5倍。根据Martínez等人（2018）和Siemens Energy（2021）的说法，基础设施组件被设计得能够承受适度的容量增加。据此假设，对于50%的容量增加，风力发电场的基础设施不需要更换，允许在陆上风力发电场中重用开关设备和变压器，以及在海上风力发电场中重用出口电缆和海上及陆上变电站。特定于涡轮机的组件无法重用，因为涡轮机的间距和尺寸限制阻止了替换组件与现代涡轮机模型的集成，类似于情景1。

情景3旨在通过部分改造来最大化重用潜力。部分改造替换符合条件的涡轮机的转子和机舱，同时重用剩余的涡轮机和基础设施组件（IRENA，2019）。符合条件的涡轮机限于额定功率超过2兆瓦的陆上涡轮机和额定功率超过4兆瓦的海上涡轮机。这确保了部分改造所需的组件由主要市场参与者的产品组合提供，并且可以在当前和未来的制造环境中生产。低于该阈值的涡轮机将被退役，风力发电场级别的任何容量缺口由现代涡轮机填补。如果一个或多个涡轮机超过资格阈值，则该风力发电场适合进行改造。在这种情景下，除了转子和机舱外，涡轮机和风力发电场基础设施的所有组件都可以重用。

情景4没有考虑改造选项，所有容量扩张仅通过新安装来实现。由于没有涡轮机进行改造，因此没有组件重用的可能性。

在每种情景中，单个风力发电场的改造可行性取决于上述情景依赖的约束条件。模型首先在可行的情况下通过改造来提升容量，任何剩余的容量需求通过新安装来满足。因为改造是根据现有舰队和现场特性动态确定的，所以不同情景之间以及随时间变化的改造与新安装涡轮机的比例各不相同。

2.5. 寿命假设
Weibull分布在风力涡轮机寿命的背景下被广泛使用（例如，Cao等人，2019；Jiang等人，2025；Zimmermann等人，2013）。虽然陆上涡轮机的设计寿命设定为20年（IRENA，2019），但根据德国的实际退役数据，它们的平均寿命估计为22.6年（Quentin，2025）。由于缺乏海上风电行业的退役数据，海上涡轮机的设计寿命设定为25年（Vestas Wind Systems，2024）。基于Cao等人（2019）的研究，假设陆上和海上涡轮机的形状因子为4。未进行改造的个别涡轮机的退役使用Weibull分布进行建模。如果风力发电场不适合改造，或者涡轮机超过30年，或者情景中没有考虑改造，则涡轮机将被退役。

改造时间在风力发电场层面确定。这意味着改造年份适用于风力发电场中的所有涡轮机，而在不进行改造的风力发电场中，涡轮机根据其各自的剩余寿命进行退役。对于适合改造的风力发电场，模型从Weibull分布转换为在风力发电场层面应用的beta分布。使用beta分布可以在确定性窗口内进行改造概率建模。根据运营和维护成本、负载因子下降以及EEG上网电价，陆上风力发电场的最佳经济改造时间为15年（Madlener等人，2019）。选择陆上风力发电场的模态改造年龄为18年，海上风力发电场为20年。这反映了经济最优与WindEurope关于在设计寿命时进行改造的声明（WindEurope，2023）之间的中间点。根据Madlener等人（2019）的研究，假设从经济角度来看，在10年之前和30年之后，改造不是一个选项。风力发电场中最老的涡轮机决定了风力发电场的年龄。开发了一个场地适宜性指数（SF），用于优先考虑改造项目中风力涡轮机安装的最佳场地。该指数基于风电密度，表示场地可用于风力涡轮机转换为电能的可用能量（Katinas等人，2018）。SF的详细计算在补充信息中有说明。低SF可以将改造模式年份最多推迟到25年，反映了行业首先改造经济上有吸引力的场地的趋势。

2.6. 材料组成
除了容量外，风力涡轮机还在额定功率、转子直径和轮毂高度方面有所增长。涡轮机的放大防止了使用固定的材料强度值，因为涡轮机组件的质量并不随额定功率的增加而线性变化。Caduff等人（2012）提出了基础、塔架、转子和机舱的实证缩放关系。他们提出了转子、机舱和基础之间的组件重量与转子直径的比例关系，而塔架重量（mTower）随着转子直径的平方和轮毂高度的乘积而增加。这考虑了基于塔架高度和随着转子扫掠面积增加的动态风力的载荷。幂律（Caduff等人，2012）计算了组件重量：(3)mcomponent=a·xb其中a是截距因子，b是缩放因子，x是特定于组件的缩放变量。为了进行线性回归，组件重量数据来自两个涡轮机模型数据库The Wind Power（The Wind Power，2025）和Wind-Turbine-Models（Wind-Turbine-Models，2025），以及文献中的多个生命周期清单（LCIs）。补充信息提供了所有涡轮机组件及其技术变体的LCI参考列表和回归图。组件的截距和缩放因子及其技术变体列在补充信息的表S5中。LCI提供了组件的材料份额。对材料使用按尺寸的分析显示，随着转子直径的增加，材料组成没有显著趋势。平均材料份额可以从补充信息中的表S6获得。在收集的LCI中未充分覆盖的材料或组件根据文献值进行建模。对于海上转子的材料份额数据缺口（Deutscher Bundestag，2023）和PMSG-DD和PMSG-GB机舱（Shammugam等人，2019）进行了填补。单桩基础是根据Vestas的海上模型“V236–15 MW”（Vestas Wind Systems，2024）建模的。钕和镝的材料强度来自JRC（2020）。涡轮机的转子由复合材料和钢制成。机舱主要包含钢，还有少量的铜、铝和复合材料。稀土元素主要用于涡轮发电机的永磁体，在塔内的磁性安装中也有少量使用（Carrara等人，2020）。因此，它们也在DFIG和EESG-DD涡轮机中有少量存在，如表S7（补充信息）所列。管状钢塔是钢结构，含有少量的铝和铜以及聚合物，而混凝土塔主要由混凝土和钢制成，含有少量的铜和聚合物。由于基础设施组件不暴露在风力作用下，因此假设它们按照Caduff等人（2012）的描述线性缩放，从而可以使用材料强度。平均值是根据维斯塔斯（Vestas Wind Systems，2024年）发布的25份风电场生命周期评估得出的，并显示在补充信息的表S8中。陆上风电场的电缆包含铝、聚合物、铜和复合材料，而开关设备由钢、铜和聚合物制成，变压器则由钢、铝、铜、聚合物和复合材料构成。海上风电场的电缆包括钢、铝、铜和聚合物，而出口电缆则由钢、铜和聚合物制成。海上风电场的陆上和海上变电站都由钢、铝、铜、聚合物和复合材料组成，只有陆上变电站含有混凝土。已知尺寸和配置的风力涡轮机的材料组成是通过材料份额和强度以及比例关系计算得出的：(4)TMm(d,h,p)=msrt,m(art·dbrt)+mstt,m(att·(d2·h)btt)+msft,m(aft·dbft)+msnt,m(ant·dbnt)+MInt,m·p+MIct,m·p 在这项研究中，p表示单个涡轮机的额定功率，而P代表风电场的总容量。涡轮机的材料组成TMm需要知道转子直径d、轮毂高度h、额定功率p以及转子（rt：陆上；海上）、机舱（nt：DFIG；EESG-DD；PMSG-GB；PMSG-DD）、塔架（tt：管状钢；混凝土）和电缆（ct：现场电缆；阵列电缆）的技术类型。材料m在组件中的质量份额msm乘以通过相应的比例和截距因子获得的组件重量。MIm是每兆瓦的材料强度，这适用于电缆以及涡轮机中的稀土元素（REE）含量，具体取决于机舱的类型。现场电缆和阵列电缆被包括在内，因为它们将每个涡轮机连接到剩余的风电场基础设施上。风电场基础设施的材料组成是通过材料强度和风电场容量来确定的：(5)WFMm=∑g∈G(it)MIit,g,m·P其中WFMm对应于风电场的材料组成，MI是材料强度。组件的选择基于基础设施技术（it：陆上；海上）。G(陆上)包括开关设备和变压器，而G(海上)包括海上变电站、出口电缆和陆上变电站。

2.7. 将容量流转化为材料需求
将容量流转化为材料需求需要对未来涡轮机尺寸和市场份额的发展进行预测。未来的涡轮机模型被标记为原型。额定功率、转子直径和轮毂高度的发展，以及驱动系统和塔架的技术变体的市场份额，基于主要制造商的产品组合和行业报告的预测。假设的未来尺寸和配置轨迹在补充信息中有更详细的说明。MaStR中宣布但尚未投入使用的涡轮机的平均功率分别为陆上5.6兆瓦和海上13.0兆瓦。这作为原型涡轮机建模的起点，并与IRENA（2019年）对全球发展的预测一致，也与WindGuard对陆上（WindGuard，2025a）和海上（WindGuard，2025b）的德国重点分析一致。预计到2035年，涡轮机的平均尺寸将与主要制造商产品组合中的下一代涡轮机模型一致，陆上为6至7.2兆瓦，海上为12至15兆瓦。到2050年，陆上涡轮机的额定功率将达到9兆瓦。这一假设基于目前可用或正在开发的陆上涡轮机模型，这些模型列在“The Wind Power”和“Wind-Turbine-Models”涡轮机模型数据库中。预计海上涡轮机的容量将增长到18兆瓦（WindGuard，2025b）。未来转子直径和轮毂高度的轨迹是通过回归模型估计的，这些模型基于MaStR和两个涡轮机模型数据库的数据，捕捉了它们与额定功率的相关性。尽管管状钢塔仍然是海上涡轮机的唯一选择，但随着涡轮机高度的增加，混凝土塔的采用率也在上升，其份额从10%增加到30%。这一假设源于德国道路桥梁的垂直净空对塔架截面直径的限制（Alvarez-Anton等人，2016年）。陆上驱动系统市场将继续由DFIG主导，在建模时间范围内其份额将从60%下降到50%，因为它不依赖稀土元素（REE），并且制造商具有长期运营经验（Shammugam等人，2019年）。假设EESG-DD的份额将下降3%，这是由于高额定功率涡轮机的重量显著增加（M?nberger和Stenqvist，2018年）。PMSG技术的份额预计将从16%上升到20%（PMSG-DD）和从11%上升到20%（PMSG-GB），因为它们的功率产出和可靠性在其他技术变体中最高（Desalegn等人，2022年）。在海上领域，由于效率原因，预计PMSG-DD的市场份额将从20%增加到70%（WindGuard，2025b）。维护要求使得齿轮设计在海上应用中处于经济劣势（Desalegn等人，2022年）。因此，本研究假设DFIG将完全淘汰，并将PMSG-GB的份额减少到2050年的30%。

3. 结果与讨论
3.1. 历史库存和流量
政策激励措施，如资金变化或补贴，一直是德国陆上和海上风能行业的推动力，导致过去的安装高峰。2024年，陆上风电的累计容量达到了61.3吉瓦，海上风电的运行容量为8.3吉瓦。虽然个别涡轮机早在2009年或2013年就被拆除，但大规模的陆上风电淘汰始于2019年（91.1兆瓦）。这些淘汰与21世纪初的安装高峰相对应，表明未来几年拆除活动将会增加。海上风电的发展始于2009年，大约在陆上风电成功确立为可再生能源十年后。鉴于该行业的年轻特点，目前还没有海上涡轮机被拆除。陆上和海上风电容量的发展在补充信息中的图S16中呈现。

容量安装高峰在材料流量计算中得到了体现。图3显示了1988年至2024年陆上和海上风电领域每种材料的使用中库存的发展情况，并突出了2024年的材料库存。

3.2. 未来的容量流量
该模拟评估了适合进行再供电的风电场及其相应的容量增加，确定了需要拆除而非再供电的地点，并涵盖了每年通过新安装所需的剩余容量，每年上限为12吉瓦。两种寿命模型为再供电和拆除创造了不同的时间框架。Weibull分布导致拆除期较长，平均为22.6年（海上：25年），而beta模型将淘汰概率集中在更集中的分布上，模式为18年（海上：20年）。因此，平均而言，再供电在涡轮机寿命结束（EoL）之前进行，使得涡轮机在再供电后提前几年退出使用阶段。这种差异在补充信息的图S19中进行了可视化，该图在假设所有风电场要么进行再供电要么全部拆除的情况下比较了两种寿命模型，以陆上风电容量为例。在每种情景中，现有机组的再供电和拆除情况取决于风电场的具体再供电可行性。图4展示了每种情景下通过再供电和新安装增加的容量，以及由于再供电和拆除导致的容量减少。在情景1中，大多数风电场符合再供电的条件，从而产生了最大的再供电活动和相关的最大流出量。情景1中通过再供电增加的现有风电场容量导致所有情景中新安装的需求最低，因此最小化了风能的土地使用。情景2显示出类似但略低的效果。由于再供电比纯拆除发生得更早且更快，因此在建模期初产生了更大的流出量。结果，替换需求更早出现，对扩张目标造成了额外的压力。结合12吉瓦的容量增加上限，在情景1和2中无法完全满足服务需求。这些目标将在2035年实现，届时扩张速度会放缓。到那时，陆上风电的累计容量将达到157吉瓦，标志着积极扩张的结束和机组维护的开始。因此，所有情景中通过新安装增加的库存都减少了。

3.3. 未来的材料流量
在所有四种情景中，满足了相同的服务需求，但不同的再供电活动改变了2050年的累计需求。图5显示了到2050年所有材料的绝对材料需求，以及与最大情景相比的相对节省情况，对于陆上风电而言。情景3在所有材料中产生了最低的材料需求，除了复合材料。复合材料用于转子叶片，在任何情景中都无法重复使用。由于情景3没有用现代涡轮机替换风电场，而是用类似尺寸和配置的模型替换，因此涡轮机技术组合中的PMSG较少，因此需要的钕和镝也较少。与其他情景相比，情景3在混凝土、钢、铝和聚合物方面实现了最大的材料节省。通过重复使用基础，混凝土节省了14%（与情景1相比）。通过重复使用塔架、基础加固和风电场基础设施，情景3还节省了10%的钢。现场电缆、开关设备和变压器的重复使用节省了铝（13%）、铜（7%）和聚合物（13%）。在情景2中，风电场基础设施也是可重复使用的。保持铜密集型变压器的使用导致与情景1相比节省了12.65千吨铜。在所有材料中，情景4显示的材料需求低于情景1和2。这源于平均再供电年龄与平均拆除年龄之间的4.6年差距。在再供电过程中，材料更早地退出使用阶段。由于再供电导致的寿命缩短，需要在建模时间范围内覆盖相同的时段需要更多的涡轮机世代。这最终导致了材料需求的增加。

在海上风电领域，由于需要通过大型电缆和电力逆变器将电力传输到陆地，风电场基础设施更加材料密集。塔架和单桩基础主要由钢制成，在情景3中可以重复使用，与情景1相比节省了8%。虽然塔架、基础、电缆和陆上基础设施的重复使用使得情景3在大多数材料上的需求最低，但这不适用于海上风电。在风电场基础设施中，使用了混凝土、铜和聚合物。对于这些材料，情景2的需求最低。情景2允许在50%的容量增加的情况下重复使用材料密集型的变电站和出口电缆。虽然情景3重复使用了相同的组件，但由于容量场地密度不足，需要更多的新安装来满足扩张目标。对于复合材料，情景4显示的需求最低，这证明了如果不进行重复使用，保持材料使用时间较长的情景在建模时间范围内的需求最低。在比较陆上和海上风电的绝对材料需求时，三种材料脱颖而出，突显了两个行业之间的差异。预计到2050年，陆上风电装机容量将从61.3吉瓦增加到160吉瓦，而海上风电装机容量目标为70吉瓦，起始值为2024年的8.3吉瓦。尽管陆上风电的扩张目标在数量上更高，但在所有情景下，海上风电对铜的需求都更高。这是由于海上风电场需要大量使用铜缆，尤其是用于出口的电缆。这凸显了海上基础设施对材料的依赖性。虽然钕和镝不是特定地区特有的组件，但尽管陆上和海上风电的装机容量有所不同，它们的需求量相似，这是由于两种风电技术在传动系统方面的差异所致。在模拟期结束时，海上风电中PMSG-DD和PMSG-GB的占比达到了100%，而在陆上风电中，非PM技术（如DFIG占50%，EESG-DD占10%）仍然占主导地位。

**讨论与局限性**

4.1 结果解读
跨情景、材料以及陆上与海上风电部门的比较表明，组件再利用的程度是提高资源效率的关键因素。除了关注再利用带来的潜在节约外，该研究还提供了关于再利用时机和技术前景的额外见解。时机指的是通过再利用主动更换风电场容量，还是在风电场寿命结束时被动更换的决定。在风电场寿命结束前进行再利用可以将对新组件的大量需求集中在较短的时间内，从而加快材料流通速度。技术前景指的是不同传动系统配置的采用情况，特别是陆上和海上风电中PMSG技术的日益普及。在情景3中，即使更换了机舱，也保留了原有风电场的传动系统配置，从而减少了钕和镝的需求。保留机舱的设计隐含地支持了现有技术，表明部分再利用可以通过间接方式减轻对稀土供应链的压力，而不仅仅是技术选择的结果。

研究表明，在再利用项目中，组件的再利用程度是提高材料效率的重要手段。按照现状进行再利用（情景1）会导致所有情景和材料方面的最高材料需求。结果表明，从材料效率的角度来看，不进行再利用的再利用方案比在风电场寿命结束时拆除旧机组并重新建设新机组（情景4）的表现更差。这种效应通过每种材料的需求和浪费量随时间的变化进行了可视化展示（见补充信息中的图S36-S51）。尽管再利用缩短了材料循环周期，但选择性再利用组件仍能显著节省材料。情景2保留了风电场基础设施，虽然这种效应在陆上风电场中较为有限，但在海上风电场中，基础设施再利用的节能潜力更为明显，因为海上风电场需要大量使用材料。通过优化土地使用和材料利用之间的平衡，情景2在海上风电领域实现了最低的混凝土、铜和聚合物需求，分别节省了15%、11%和12%。海上风电领域的部分再利用（情景3）在这些材料上显示出类似的但略低的节能潜力，但在钢铁和铝材上最为高效，每种材料分别节省了8%。在陆上风电领域，部分再利用的节能潜力最高，通过保留基础和塔架，部分再利用减少了铜、钢铁、铝和聚合物的需求，分别节省了7-14%。

研究表明，再利用是提高材料效率的双重手段。它使风电场能够有效利用高质量场地进行技术升级和容量扩展（如情景1所示，通过再利用使容量翻倍）。然而，由于缺乏组件再利用，这也导致了更高的材料需求。当通过组件和基础设施的再利用来实施再利用时，它也可以成为循环经济策略（如情景3所示，部分再利用有效延长了风电场寿命，并通过高程度的再利用实现了材料节约）。这一策略符合德国《循环经济法》（Kreislaufwirtschaftsgesetz, KrWG）的精神，该法律优先考虑废物预防，并旨在通过减少初级原材料的消耗来保护自然资源（KrWG, 2012）。总之，仅专注于快速容量升级的再利用会导致最高的材料需求，而注重再利用的再利用则显著减少材料投入，但可能会限制在优质场地的容量扩展。这表明政策框架应更明确地协调能源和资源目标。再利用与容量扩展可以结合成一种协同的缓解策略，例如，通过整合奖励容量提升和再利用强度的指标来激励混合结果。

4.2 局限性与未来研究
本研究的目的是量化德国再利用项目和新安装项目中与容量部署相关的材料需求，重点关注风电容量而非发电量。容量因子通过基于区域风电密度的场地适宜性指数以及根据性能退化和经济更换阈值确定的再利用时机进行了部分考虑。然而，容量因子并未被明确建模，这引入了不确定性，因为它们会影响风力涡轮机的性能和再利用动态。其他不确定性来源于对技术份额、塔架高度、额定功率、转子直径、寿命分布以及再利用组件机会的假设，同时也忽略了多年度再利用时间表和早期再利用支持计划等监管和程序性限制。明确考虑容量因子和这些假设可以提供关于再利用时机和规模的更精细见解，以及其对组件再利用的潜在影响，从而预测材料需求。另一个局限性是，分析未考虑随着涡轮机技术发展带来的材料效率改进或材料成分的变化，这些因素可能会影响总体材料需求。最后，该研究沿容量轨迹分析了基于情景的再利用潜力，而非针对特定场地的优化。采用更详细的场地级方法可以评估组件再利用的好处，以最小化材料投入并升级到现代风力涡轮机，从而在循环经济和气候缓解方面充分发挥再利用的潜力。这种特定场地的决策框架为未来的研究提供了有前景的方向。

5. 结论
这些见解对于评估和评估与材料需求相关的潜在风险具有重要意义。再利用作为一种双重缓解策略，它既促进了技术升级和优质场地的容量扩展，又在注重再利用的情况下实现了显著的材料节约。建议相关方从资源利用的角度考虑再利用的节能潜力，优先选择在技术上可行的组件再利用方案，以避免在技术寿命结束前进行资源密集型的报废。为了实现进一步的材料节约，需要进行相应的设计改进。非承重组件可以模块化设计，简化更换或升级过程。通过专门为再利用设计风力涡轮机和风电场基础设施，再利用潜力显著提高。由于德国风电场的可用土地有限，再利用是不可避免的。必须在土地使用、再利用和技术之间找到平衡，以避免对风电领域的土地、资源或供应造成限制。研究表明，这种平衡不能仅基于经济因素做出，还需要将材料再利用纳入再利用项目中。从政策角度来看，扩张目标和循环经济目标不应被视为相互矛盾的议程，而应鼓励结合容量提升和再利用强度的混合方法。对于相关方而言，这意味着再利用政策、项目设计和涡轮机概念应追求接近寿命结束时的部分再利用和注重再利用的路径，以实现风电扩展与长期资源效率的协调。

**作者贡献声明**
Riccarda Hieke：撰写——原始草稿、可视化、方法论、正式分析、数据管理、概念化。
Christoph Helbig：撰写——审阅与编辑、监督、资金获取、概念化。