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海面上的超大型離岸風機,是抵禦氣候變遷和提高能源自主的瑪利亞之牆嗎?

本文由第二期能源國家型科技計畫(NEP-II)能源政策之橋接及溝通小組贊助,泛科學策劃執行。

文/廖英凱(泛科學專欄作者)

從千年前的風車磨坊,到今日海邊偶爾可見的風力發電機。使用風力是個歷史悠久且成熟的能量來源。而因應氣候變遷的減碳需求,風力發電在發電過程中不排碳;建置完成後,又能自給自足不需仰賴進口,能降低國家對外的能源依賴程度。在未來幾年內,風力發電必然是個需要積極開發的能源選項。

然而,風力發電因為利用風的能量,除了會有因風速影響而有不穩定的問題外,單一風機的功率也不高,需要建置多架風機才能對全國或較大區域的用電量有所助益。在目前的政策規劃中,考量滿發時數、可用面積,並排除對當地居民、生態環境影響與設置困難度等的條件下,預估在2020年時,可建置450架裝置容量總計1.2GW的陸域風力發電[1]

同一份計畫也預估在2020至2030年間,因台灣環境地狹人稠,在陸域上將難以找到其他可安裝大型風機的地點。例如近年剛落幕的苑裡反瘋車自救會與德商英華威集團爭議,即是因風車設置距離與環境影響而引發一系列的環境運動[2]。此外,我國風力發電效率較高的時節集中在冬季,與夏季的用電高峰剛好錯開,也是一相當可惜的自然限制[3]。若要更大化地運用風力資源,一個備受期待的努力方向就是「離岸風機」了。

圖片1

風機高度示意圖[4]

佇立海中的超大型風車

離岸風機原理很直觀,實作略麻煩。目前的技術是利用深度在60m以內的海床,在海床上打入海底基樁,並在基樁上架設風機。同時也鋪設海底電纜,並視狀況來架設海上變電站與氣象觀測塔,最後將電纜連接回陸上變電站,併入陸上電網。

由於設置於海域上,對於空間需求與鄰避效應的壓力大大降低,因此可以興建更大的風扇來取得更多電力,也可以增加興建高度以避開受到地面磨擦力而減弱的氣流。就今年開始規劃中的 Vestas V164風力發電機來說,他的風扇直徑長達164公尺,單一葉片的長度,就與A380客機的翼寬79.8公尺接近[5](50米級超大型巨人表示:________),國際能源總署(IEA)更預估在2020年時,風機的直徑將發展至252公尺[6]!!

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從離岸風機的開發架設流程來看,開發單位首先須針對可能開發的地點,進行1-5年的開發前調查,此階段的調查需要研究當地的風能狀況、地震與颱風等自然條件,評估如鳥類遷徙等生態特色,以及水下噪音、施工品質等環境影響;以及因地制宜尋找或設計適宜技術與設備。

當評估可行後,再進行為期1-2年的海床基樁、海底電纜鋪設、風機與變電站安裝施工。安裝完成後的風機,還須持續提供如同汽車定期保養的「運維工程」,預計這些風機至少可使用20年。當然,當使用年限到了之後,這些離岸風機也需除役拆除,或是視情況重建或延役[7]

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樂觀成長的國際趨勢  

這些技術的進展與產業的成熟,伴隨著對環境的重視與經濟考量的投資。近年來,全球陸域風力或是離岸風力都有著穩定的成長。全球風能理事會(GWEC)預估,2015-2018年間全球風力發電裝置容量預計會有12-14%的年成長率[8]。離岸風力在2014年全球也有1713MW的新增裝置容量,比起2013年有著24%的成長率。這些近年興起的離岸風力,主要集中在歐洲與中國。其中排名前三名的英國、丹麥、德國,就佔了全球總量的77%[9]

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2014-2018年,全球風力發電市場預估

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2014各國離岸風機裝置容量排行

若想要在台灣更好地發展離岸風機,我們可以從這些名列前茅的國家,找到一些值得學習效法的特點:

英國

英國是世界上離岸風機裝置容量最多的國家。估計在2020年時,離岸風機可提供英國17%的電力供應。他的首要優勢來自於英國緊鄰北海與大西洋,是歐洲風能潛力最佳的區域,英國貿易投資署(UKTI)預計在2020-2030年間,英國的離岸風機開發潛能將超過40GW。

在政策面的支持上,2012年5月,英國政府推出了管制傳統石化能源、支持低碳能源的能源法草案[10]。經濟層面上,也由政府出面修改電力市場機制、提供財務支持、並說服銀行提高融資意願,並規劃綠色投資銀行 (Green Investment Bank)來協助離岸風機業者取得資金。然而英國並沒有製造離岸風機機組的產業,但英國本土企業利用過去強勢海權而打下的海洋工程基礎,在海事施工、海底電纜佈纜與製造、整體工程承包監製上都有雄厚的經驗與規模作為發展離岸的良好基礎[11]

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丹麥

丹麥是世界離岸風機裝置容量排行第二的國家,早在1991年就興建了世界第一座離岸風場 Vindeby Project[12]。丹麥也預計在2020年時,風力發電可達到全國50%的電力供應,甚至在2030年時淘汰燃煤與燃油,最終在2050年時,主要利用風力發電、生質能與其他再生能源搭配來達成完全使用再生能源的目標[13]

為了達到這樣的目標,丹麥政府採用了多項措施來支持風力發展,例如政府的補貼計畫與固定電價的躉購、離岸風機的招標與相關項目特許、建立更有效率的離岸風機招標程序已降低開發成本、建立連結德國與瑞典的新電網。預計風力發電的發展趨勢,將由2011年時的3.95GW (約28%)。在2020年成長至5.45GW (約50%)的裝置容量[14]

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2010-2050 丹麥能源消耗類別趨勢[15]

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德國

德國在2010年4月,建置了首座離岸風場Alpha Ventus[16],是全世界第12個擁有離岸風機的國家,因近年來發展迅速,離岸風機裝置容量已躍升世界第三。但德國早在2000年通過再生能源法(Erneuerbare Energien Gesetz, EEG)時,就制定了離岸風機的固定電價收購制度(Feed-in Tariff, FIT)做為業者參與開發的誘因與保障。2002年1月,德國政府公布離岸風電發展策略(Strategy of the German Government on the use of off-shore wind energy[17]),訂定了離岸風力在2001-2030年間的發展目標,也明訂離岸風機的開發原則應同時考量經濟與投資安定性、科技發展與適法性,並以不危害漁業、航運與自然生態為前提[18]

在陸續經過2001-2003的三座離岸風力研究平台完工;2005-2010 離岸風場Alpha Ventus的籌備與建造;以及2009年EEG修法提高FIT費率。歷經10年的發展,最終使德國完成了離岸風力硬體架設、法規制定與FIT費率合理化、以及航運、漁業與自然生態監控評估等完整開發架構。

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成功的關鍵因素是?

雖然各國自然環境、經濟規模與政治形態不盡然相同。但從這些離岸風力發展領先的經驗中,大致可以歸納出幾點成功的關鍵因素,我們也可以從這幾點因素來整理我國在發展離岸風機時應特別關注的面向:

1. 良好風場品質

興建風力發電首要條件當然是良好的風場,例如英國就坐擁了歐洲風能潛力最佳的區域。而對於台灣來說,因有夏季西南氣流與冬季東北季風的影響,在竹南到彰濱,以及恆春和澎湖沿海與海域均是良好的建置點,特別例如澎湖地區年平均風速更高達9.7m/s以上。「4C Offshore」統計世界各地23年來平均風速,發現在全世界排名前20的風況觀測地中,就有12個位於台灣,其中一個位在台中沿海,剩下11個均位於台灣海峽內[19]

然而,與歐洲國家相比,我國在風機設置上,需特別考量颱風、地震、以及高溫高濕這幾項不穩定因素。例如適合發展離岸風力的台灣海峽,有一定機率是颱風侵襲的主要路徑[20]。因此在風機結構強度、葉片與支撐基礎等,都需要特別針對本地環境來格外設計與調整。此外,台灣氣候變遷科學報告亦指出,近六十年來,台灣多數區域的強風日數有明顯減少趨勢,若減少趨勢[21]未有改變,將會影響風力發電的效益。

2. 風機技術研發與產業發展

風機技術的掌握與產業的建立,也有助於離岸風力的開發,甚至是成為重要的外銷項目。以全世界的風機製造商來說,德商西門子(Siemens)在2014年就囊括了歐洲86%的離岸風機製造[22]。我國因起步較晚,在風機相關技術研發與零組件製造工業仍未有足夠規模。但因風力發電需特別考量在地環境特徵,若以此為研發重點來推動關鍵零組件國產或設計,就能降低進口風機因「水土不服」而故障失能的憾事。在持續推動下更能提升風電產業自給率、降低成本並提供綠能產業的就業甚至外銷機會。

3. 基礎技術與海事工程經驗

離岸風機的海域開發技術門檻高,需相當倚重海事工程的技術與設備。就英國來說,雖然缺乏本土風機製造商,但既有海事工程與海底佈纜的強大技術,是英國得以發展離岸風力的關鍵因素之一。然而各區域的海洋環境並不相同,施工品質與效率需仰賴在地團隊的經驗與設備投資。但是國內市場目前僅有小型船機,海底打樁機的能量也都不足,可吊重1000噸、吊高100公尺 以上的大型吊船也缺乏引進或新建[23]。這部分仍須仰賴政府或海事工程業者投入資金才得以符合需求。甚至是未來在引進大型風機時,還需要考慮動輒五十公尺以上風機葉片的陸路運輸方式。

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丹麥風力開發業者在運輸長達83.5m的風機葉片[24]

4. 政策支援、經濟誘因、合理FIT費率

再生能源由於初期投入成本較高,離岸風力這樣的新興技術也有比較高的風險與變數,更需仰賴政策的支持,以及政府對於合理電價收購的保障。我國自2012年起也提出了「千架海陸風力機」的開發計畫,在再生能源發展條例中也有躉購費率的制定[25]。有研究建議在設計離岸風力躉購費率時,除補貼以縮短與其他能源的價格競爭差距,也應考量是否應該額外給予風險補助[26]。然政策與經濟層面有更多複雜面向需考量,這可能還需要更多資料與討論來設計出更合理的政策。

5. 環境影響評估與政策溝通

離岸風力的發展,也勢必會造成一定程度的環境破壞。因此開發前期的環境評估、施工期間的監督,以及遇到衝突時的緩解措施和價值判斷取捨更顯重要。德國政府以「離岸風電發展策略」的制訂來確立漁業和環境保護的優先。為緩解對漁業的影響,技術上也有學者提出結合海上養殖的多功能離岸風力來減低離岸風機對漁業的損失[27];在政策上,彰化「福海離岸風力發電計畫」也以提供當地居民工作機會與回饋金的補償來緩解衝突與影響[28]。 

若未來要能好好發揮澎湖的優質風能,也有近年來爭議未停的「台澎海底電纜」事件待決。例如有民眾與政治人物主張電纜鋪設會破壞海洋生態[29][30],也有人認為電纜會有漏電與電磁波傷害[31]。雖然部分爭議來自於資訊的落差,但也有部分爭議來自環保與開發的兩難。然而,若要將澎湖的離岸風力送回本島使用,我們也勢必要在未來幾年內,妥善處理好海底電纜的工程設計與政策溝通。

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不遠的未來

盤點目前我國對於離岸風力的開發步驟,自2012年公布「千架海陸風力機計畫」起,目前已選定了苗栗竹南外海一座,彰化芳苑外海兩座的淺海區域(水深20m以內)示範風場。預計2015年三座示範風場完成海上氣象觀測塔,2016年三座示範風場各完成兩部示範機組,2020年時三座示範風場完成商轉,共提供320MW的裝置容量。

利用在示範風場的建設期間累積技術經驗,在2020-2030年間,逐步往水深較深處開發,目標在2030年時興建600架,裝置容量共3GW的離岸風力。在持續支持和投入下,必然會帶來一波可觀的學術研究需求與產業發展趨勢。期許在不久的將來,在茫茫大海中佇立於飄搖風雨間的白色巨塔,將是遏止氣候變遷危害與提高我國能源自主率的守護高牆。

更多相關請參考:離岸風電知識網

參考資料

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