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在蓋離岸風電之前,先讓海洋地質探勘船「大地能源號」來幫海床把個脈

趙軒翎
・2017/12/29 ・3198字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 498 ・六年級

在蓋房子之前,得先幫建地來個地質身家調查:土質鬆軟還是結實、有沒有土壤液化的可能……等。那當我們要在海上蓋離岸風力發電的「大風車」,為了不要讓它們轉一轉反而隨風倒下,了解海底下的地質狀況也是興建之前首要的任務。

讓我們隨著大地能源號出航吧! 圖/環球測繪公司提供

這次要接下這個任務出航的勇士,是台灣第一艘自有的海洋地質探勘船「大地能源號」(Geo Energy)。它最主要的任務就是到風機預定架設的位置,沒有偏差、非常精準地鑽探到海底,取得這個區域的土壤樣本。專業人員靠著它取回的樣本以及當地的海床資料,來分析這架風機該如何架設,才能安全又穩固。

要做到這一點,絕對不只有把船開過去、鑽頭放下去這麼簡單。

絕對不能挖錯洞!動態定位系統 On

先說說定位吧!為了要精準的在風機預定架設的位置鑽探,船的定位相當關鍵,透過 GPS 衛星定位將船開到預定地點只是第一關,第二關則是得讓船在鑽探的這幾天中都不能動。你總不希望在鑽探取樣的時候,你的船還跟著盧廣仲的魚仔游來游去、搖來搖去吧!

在風、海浪、洋流的各種「騷擾」下,船要能固定在同一個位置,一般是依靠錨來固定,而且大多不只一個。不過在大地能源號上,並不是用錨來固定船隻,而是用動態定位系統(Dynamic Positioning System),讓整艘船在鑽探過程中不受到風浪因素而偏移。這個動態定位系統可以根據儀器所測到的風速和風向,即時修正船隻位置,讓船保持固定。

大地能源號的動態定位系統(DP 系統)操作台,真正作業的時候這個位子屬於 DP 手,讓船可以抵抗海流不偏移。 圖/Emilee Hsieh

動態定位系統有如此的能力,在於它掌控了四個引擎。大地能源號的主人家、環球測繪公司地工技術總監黃宗宸解釋,這個系統會分析海流的流向、流速,並去預測下一秒的海流狀況,讓引擎朝反方向產生推力,使得探勘船能固定在原處。「這四顆引擎是 24 小時不間斷在燒油,一天就要燒掉 15 噸的油。」黃宗宸說。(我相信老闆心裡在淌血……)

雖然燒油花錢,不過好處是省下拋錨的時間。你會問拋錨需要多久?拋四個錨固定探勘船就要花六個小時,而動態定位系統只需要 10 分鐘。更別說錨的定位精準度完全比不上動態定位系統啊!

大地能源號的主要鑽台井架,也是負責鑽探的主要結構。 圖/Emilee Hsieh
大地能源號鳥瞰照。 圖/環球測繪公司提供

在定位沒有問題之後,船上的鑽探作業小組才會將海床框架與鑽探導板下放到海床,啟動鑽頭來切割海床地層。一般在雲林與彰濱外海以沉積層為主之地盤,離岸風力發電廠址的鑽探調查,會依據設計之需要鑽 80 到 100 公尺,並取得樣本供海床地質分析。

而鑽一個孔要多久呢?從事鑽探工作超過 35 年的環球測繪公司董事長黃新志說,鑽一個孔的作業時間取決於海床的地質,一般的砂土層只要兩天半到三天,然而台灣竹南以北的海床礫石較多,一個孔可能就要鑽八天!如果臨時遇到天候不好,船員們也只能收回鑽管、包袱款款回陸地避難,這一個孔就得下次回來重新再鑽一次。

在大地能源號來到台灣之前……

既然直到今年(2017)才有了這艘鑽探船,那以前需要鑽探的任務都怎麼辦呢?黃新志說,以往的探勘船來自國外,不過將船從國外調到台灣使用,需要多支付動員費,這筆費用相當高。從陸上鑽探工做起家的他,非常不服氣,決定自己來做。

環球測繪董事長黃新志剛出社會即踏入陸上鑽探工作,直到中年轉跨入海上鑽探領域。他所擁有的油壓式平台和探勘船,將成為離岸風電風場探勘的重要工具。 圖/Emilee Hsieh攝影

他從添購小型的油壓固定式工作平台開始,從陸地跨入海洋鑽探的工作。這種油壓平台得依靠拖船,將平台放到要鑽探的位置才能使用。平台的四隻腳會插入海底固定,再開始進行鑽探工作。有別於鑽探船,平台不需要像船一樣一直消耗油料,需要的人員也較少。不過缺點就是只能在較淺的區域使用,因為水越深,支撐的四隻腳就要加長,當腳長過長時,會因細長比過大,在受到較大之洋流與測向之風力作用時,對平台之穩定性會有相當大之影響。而且在遭遇天候變化時,平台較無法快速撤離。

油壓固定式工作平台適用於水深較淺的區域。 圖/環球測繪公司提供

近年來由於離岸風力發電開發的需求大增,也讓黃新志與合作夥伴們下定決心要自己買探勘船。風機預定設置點的地質探勘,不同於其他例如石油探勘等,需要精準的定位。「大地能源號」是我國目前的第一艘,接下來幾年也預定再投入其他艘船,來因應需求。目前這艘船已執行過彰濱工業區、雲林、桃園外海等風場的探勘任務。

鑽探起來的土壤樣本要做什麼?

不管是探勘船或平台取得的土壤樣本,都得經過專業人員的分析,才能決定這個位置適不適合蓋風機,或是適合蓋什麼類型的風機。黃宗宸說,這些樣本取出後,會先在船上判斷土壤的種類、初步了解它的物理特性,例如單位重、含水量等基本資訊,以作為安排後續試驗之依據。其他的樣本會封存在取樣管中,這個管內的樣品是不擾動的樣本,盡量保持該地地質原始的樣貌,然後送往專業的認證實驗室進行進一步的試驗與分析。

地質取樣管(圖左下方)。 圖/Emilee Hsieh攝影

在實驗室中,除了像是健康檢查一樣,要測試土壤的物理特性(如單位重、材料組成、含水量等),再由它的力學特性來提供風機基礎設計之參考依據。此外,靜的看完,動的也不能放過。風機設置之後,風機本身和土壤緊密貼合會相互影響,台灣處於環太平洋地震帶上,時常發生大大小小的地震,反覆的震動會讓土壤的顆粒相互推擠,有可能造成土壤液化的現象,使土壤瞬間失去支撐基礎的能力,就會讓風機傾倒。在了解各深度土層的動態特性後,若知道有相關的風險,就得考慮是否改變基樁形式或針對地盤狀況進行處理。

探勘船不只能鑽探,還可以找炸彈

這麼看起來,似乎這艘船只能在風機建設之前能發揮作用?

大地能源號因為具備動態定位系統,讓它能跨足不同的工作。在離岸風機建造的過程中,可以協助在打基樁時進行氣泡帷幕工法,減低工程噪音;也能在風機運作期間執行維護作業。非得用上這種有動態定位系統的船,原因無它,就是避免在作業過程中船不小心撞上很貴的風機,那可就得不償失了。

除了離岸風機相關的工程,搭配上磁力儀,還也可以成為海上行動金屬探測器,能夠協助尋找海底的未爆彈,或是墜海的飛機。

大地能源號內部。圖/環球測繪公司提供

有了船,還需要能操作的人

現在大地能源號上船員仍多半是外籍人士,目前正在申請將此船更改為台灣籍,在這之後船上將至少有三分之二為台灣的船員。國立高雄海洋科技大學航運技術學系副教授文展權說,探勘船比起商船需要更精準地操作,定位上有差異。

但他期望有興趣的學生可以挑戰,並擁有海洋測量或海事工程的能力,就能勝任探勘船的工作。

國立高雄海洋科技大學航運技術學系副教授文展權,本身就曾是一名船員,後來投入海洋地球物理領域。 圖/Emilee Hsieh攝影

對於一艘擁有動態定位系統的探勘船而言,船上的重要人物除了船長之外,就是操作動態定位系統的 DP 手。「我已經教了十年書,但我們台灣還沒有自己的 DP 手(船隻動力定位系統操作員,Dynamic Positioning Operater)。」國立高雄海洋科技大學航海系副教授許華智說。他提到 DP 手的訓練困難在於它的師徒制,必須有一個具有證照的 DP 手帶領,才有資格取得證照。「現在的困難是,我們一個都沒有。」許華智也期許,大地能源號能夠幫助國內訓練相關人才。

「(希望)我們的學生可以做的不是只是跑船而已,還能有更好的出路。」許華智說。

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趙軒翎
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在「一日生科,終身科科」的年代,即使鬧家庭革命都堅持要念生科,卻在畢業之際決定走出實驗室找尋新的出路。因緣際會就這麼踏入了科學傳播領域,雖然一路跌跌撞撞,但仍相信自己可以用知識改變這個世界。聯繫方式:scimonth.chao@gmail.com

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【成語科學】滴水石穿:地質的漸進性變化
張之傑_96
・2023/07/05 ・1056字 ・閱讀時間約 2 分鐘

東漢史學家班固所著的《漢書》,是中國第一部斷代史。

該書〈枚乘傳〉有這樣一句話:

「泰山之霤穿石,單極之綆斷幹。」

意思是說,泰山的滴水可以滴穿岩石,單獨一條井繩可以磨斷井欄上的木架。

班固的這兩句話,演變成兩個成語:滴水石穿、繩鋸木斷。這兩個成語的意義相同,比喻只要有恒心毅力,就能夠成功。

水將石頭切割出各種形狀。圖 /Envato Elements

滴水石穿,也作滴水穿石,或水滴石穿,其中以前者最為常見,讓我們試著造個句吧。

  • 屋簷的滴水,將簷下的地磚滴出一溜小坑洞,這是水滴石穿的實例啊!
  • 古人說:繩鋸木斷,水滴石穿,只要有恆心毅力,哪有解決不了問題。

滴水果真能穿石嗎?豈只能穿石,還能鑿穿大山呢!你去過太魯閣嗎?壁立千仞的立霧溪峽谷,就是立霧溪經年累月沖蝕、切割出來的。你去過北海岸的石門洞嗎?那是海浪長期拍打、侵蝕形成的。除了水的作用,風蝕作用也不容小覷。你去過野柳嗎?那些奇岩怪石,包括聞名的女王頭,主要是風蝕作用形成的。

小朋友或許會說,河川和風力真有那麼大的力量嗎?我怎麼看不出來!要知道,除了地震、火山等劇烈活動,一般地質變化都非常緩慢,我們雖看不出來,卻是塑造地形、地貌的主要力量。

直到 19 世紀初,人們仍相信「災變論」,也就是說,地球上曾發生過突然的、災變性的變化,山脈、峽谷都可頃刻形成。他們認為,上帝可以隨意塑造地球,大自然不是科學所能解釋的。1830~1833 年,英國地質學家萊爾連續出版《地質學原理》三卷,推翻了災變論。萊爾認為,地球的變化是風霜雨露等長期、緩慢作用的結果。

河川和風力是塑造地貌的主要力量。圖/Envato Elements

火山、地震等地質活動,看似驚天動地,其實影響有限。真正影響深遠的,仍是我們察覺不出的漸進性變化。我們覺察不出菲律賓海板塊仍在擠壓歐亞板塊,台灣和中央山脈就是這樣形成的。

我們察覺不出河川的侵蝕作用,台灣山區的大小峽谷,就是溪流長年累月切割出來的。地球有幾十億年的歷史,有道是:時間可以改變一切,只要加上時間因素,任何我們意想不到的變化都可能發生。

總之,成語水滴石穿,不僅是句激勵人的話,它說明了地質上的漸進性變化,它是有科學根據的。

張之傑_96
96 篇文章 ・ 221 位粉絲
張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。

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產業新「風」向:臺灣的離岸風電願景——專訪達德能源王雲怡董事長
科技大觀園_96
・2022/01/14 ・3921字 ・閱讀時間約 8 分鐘

達德能源董事長王雲怡,以其投入綠能產業 20 年的豐富經驗,為我們解析新能源的產業特性及發展趨勢。圖/呂元弘 攝

據國際風力發電顧問公司 4C Offshore 的評比,全球排名前 50 名的優良風場,就有 17 處在臺灣,皆位於臺灣西部沿岸,集中於桃竹苗至臺中外海一帶。換言之,臺灣具備了發展離岸風電的絕佳地理條件。

因此,在臺灣西部濱海及澎湖地區,不管是陸域或海上,都可看到偌大而醒目的白色「巨型風車」矗立著,已經成為我們相當熟悉的風景;這數百座的風力發電機持續運轉,見證了臺灣從傳統能源往再生能源轉型的歷程,也推動著臺灣綠色能源的蓬勃發展。

談到綠能風電,德商 wpd 達德能源(2016 年併購英華威)是在台積極推展綠能的關鍵推手之一,2006 年在苗栗建置首座風力發電設施後,從此開啟國內風力發電的風潮。我們特別專訪達德能源董事長王雲怡,以其投入綠能產業 20 年的豐富經驗,為我們解析新能源的產業特性及發展趨勢,以及臺灣在綠色能源的產業契機,另外也針對有意投入綠能產業的年輕學子提出建議。

經濟部能源局公告,臺灣西部沿岸有 36 處離岸風電潛力場址。圖/風力發電單一服務窗口

離岸風電的優勢:風場興建非常快速

「風力發電的原理很簡單,小時候大家一定都玩過風車,」王雲怡解釋說,利用葉片的轉動來驅動發動機,能量會轉換成機械能,再透過齒輪調速器將齒輪的速度提升,進而帶動發電機,經過升壓變壓器將電壓提升後,即可將電流併入台電電網供應電力。

至於陸域風電及離岸風電的差別,就在於前者的風機安裝在陸地上,後者則安裝在海上,會打樁到海底約 45~65 公尺深。由於臺灣陸域可供開發之優良風場已漸趨飽和,海上風場條件更佳,仍有不少離岸風電潛能可供開發,因此成為近來政府推動再生能源最重要之項目之一。

王雲怡表示,跟傳統電廠不同,風場的興建非常快速,把基樁打好後,將連接風機的柱子綁鋼筋、灌上水泥,然後把塔筒、機艙、葉片逐一放上去組裝起來即可,一隻風機的施工期間大約只要 4 至 5 週。

圖/第二期能源國家型科技計畫

風電維運的挑戰——發電機組得「抗震抗颱」

雖然基本原理很簡單,但風電相關設備必須面臨風吹、日曬、雨淋,甚至國外還會下雪,必須設計出足以對抗大自然環境的規格,尤其臺灣每年都有不少颱風及地震,有些民眾會好奇,是否會對風機造成損害?

王雲怡說,「臺灣有非常嚴謹的地震建築規範,只要做好地質土壤分析再進行設計,耐震都沒有問題;至於颱風威脅,風機只要遇到中颱等級(風速約每秒 25 公尺)就會停機,最大則可承受每秒 70 公尺的風速,目前為止臺灣還沒出現過這麼強烈的颱風。」她強調:「我們從 2006 年興建的第一座風場至今,經歷過很多颱風及地震,到現在都屹立不搖,顯見耐震及耐颱的技術完全沒有問題。」

臺灣推動離岸風電比較大的挑戰在於,風場興建時對氣候及海象的要求很高,而臺灣海峽一帶的東北季風很強,考慮到風速、波浪、海流等條件,可以進行海上作業的天氣窗口(weather window)時間沒那麼長,只能在 3 至 10 月進行安裝;而陸域風電的土木工程比較不受影響,但進行吊裝作業時同樣需要考慮風速問題,通常也會避開東北季風盛行的冬季。

離岸風機會遭遇的外力載重,包括風、波浪、海流、地震、颱風等等。

政策與觀念水到渠成!綠電接受度大增

投入新能源產業達 20 年,王雲怡深刻感受到各界對再生能源的認知與態度的巨大轉變。過去臺灣只有傳統的火力發電、核電這類集中式大型電廠,主管機關較缺乏再生能源知識,當時她跟主管機關報告時,告知風力發電一度電的成本只要 2.5 元,長官非常驚訝,因為他們還停留在一度 5 元的認知。

「臺灣 98% 都是採用進口燃料,吃掉我們非常多的國內生產毛額(Gross Domestic Product;GDP),長年維持低電價都是靠政策補貼,嚴重扭曲電價結構,因此臺灣各部門的能源效率指數也居世界末段班,排名最浪費能源的第十七名。」王雲怡指出臺灣傳統能源使用模式的缺點。

所幸透過各界對政策及觀念的大力推動,達德能源等開發商也積極提供歐洲及世界的發展經驗,獲得政府參考採納、並具體落實為再生能源政策,改變了臺灣能源市場及結構。2017 年 1 月《電業法》修正通過後,開啟綠電交易自由化的新紀元,從發電、售電到用戶這條路終於打通,打破國營電力事業壟斷的局面。

另一個關鍵政策是,臺灣引進德國推廣再生能源的 Feed-In Tariff(FIT)制度——對綠電保證整批躉購,有效鼓勵開發商投入建置風場,投資者也樂於參與其中。相較於傳統由政府補助企業購買設備、但無法保證設備被完善維護,2000 年開始德國首創的躉購制度讓開發商自行投資,由政府以躉購費率保證收購綠電 20 年,相關制度展現絕佳的成效,已獲得世界超過 70 個國家採用。

政策目標明確,風電國家隊指日可待

2016 年政府確立能源轉型的主軸,明確訂出 2025 年再生能源佔發電比例提升到 20%,為再生能源注入一劑強心針。王雲怡強調:「我們擁有發展太陽能、風電、地熱、海洋能的優異條件;以風力發電為例,臺灣西部的風力品質很好,而這一帶剛好是臺灣人口密度高的地區,這是老天賜予我們的禮物!」

「但開發商看的不是風能品質,而是政策支持度!」王雲怡坦言,只要政策目標明確,並提供適當的誘因與機制來創造市場,不僅國內外的開發商會積極投資,企業也會主動採用再生能源,創造正向循環;尤其現在許多國家或國際大廠都要求出口要取得「再生能源憑證」,企業都搶著購買,臺灣的再生能源前景值得期待。

令她振奮的是,現在各單位都注意到綠能,科技業、金融業、投資業也積極佈局,無論從市場經濟或社會責任的角度來說,各界對綠色能源的接受度愈來愈高。

值得一提的是,綠能不僅扮演守護環境、潔淨能源的角色,也是推動產業創新的火車頭之一。經濟部為了推動風電設備國產化,明確規範開發商應採用 50% 以上的國產化設備,未來更希望能夠組成國家隊,一起爭取海外市場的龐大商機。

2016 年政府確立能源轉型的主軸,明確訂出 2025 年再生能源佔發電比例提升到 20%,為再生能源注入一劑強心針。圖/達能能源提供

臺灣風電 20 年,最難的不是工程——是溝通

王雲怡投入臺灣風電產業 20 餘年,一路走來最感到困難之處,並非海外技術轉移或施工上的難題,而在於如何說服政府單位及民眾,接受新興的再生能源觀念。王雲怡舉例:「當初在蓋示範風場前,得先舉辦公聽會,讓當地民眾理解風場與民眾的利害關係,例如可能產生的噪音、風場造成當地景觀驟變,甚至是土地使用等問題。」

但「溝通」兩字寫起容易做起來難!由於達德能源無法取得里民個資,光是要委請里長組織大部分里民到場就相當耗時耗力,遇到里民參加意願低迷時,還得租用選舉用的廣播小貨車,在當地廣為宣傳,懇請鄉親來參與公聽會。

王雲怡表示,溝通工作一度讓她疲於奔命,但所幸投入大量時間心力溝通後,風場建設如今已步上正軌,總算是甘之如飴;她表示,投入風電產業 20 年,最讓她感到成就感的除了《電業法》修正,為風電在臺扎根打下基礎外,就是讓大部分的民眾認識何為「風電」,成為臺灣人能所接受的再生能源選項。

想卡位綠能產業?語言能力很關鍵

「石化燃料已是末路,綠能則是未來趨勢,」王雲怡認為綠色能源還有很多進步空間,未來一定會愈來愈便宜,而且還有地熱、海洋能源等新技術不斷發展,不僅有很好的前景,而且可以獲得社會認同及價值,是年輕人可以貢獻一輩子的產業。

至於投入綠能產業應具備何種特質與技能?王雲怡強調:「新能源是全新產業,一開始一定會遇到很多困難,必須要有一定的受挫能力及抗壓性,另外要有足夠的創造力;在專業領域方面,只要具備土木、機械、造船或理工背景,其他專業都可透過在職訓練培養,最重要的是要跟全世界人才溝通,必須具備較佳的英文能力。」

隨著地球永續的議題受到大家重視,現在對新能源有興趣的年輕學子愈來愈多。王雲怡認為,開發商清一色是外商,會引進最先進的標準與要求,提供友善的工作環境與紮實的訓練,雖然有時在海上工作比較辛苦,但相信可以帶來很高的成就感與自我肯定,是很符合時代潮流的職涯選擇。

參考資料

科技大觀園_96
82 篇文章 ・ 1118 位粉絲
為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。

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所以我說,有沒有離岸風電的八卦?——〈離岸風電工程技術與在台灣創造的商機及發展〉講座紀錄
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2018/10/30 ・2306字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 567 ・九年級

本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託,泛科學執行

  •  活動紀錄/馬嘉駿

政府為推動「非核家園」能源政策,近年將「離岸風力發電」作為重點發展項目,更喊出要讓臺灣成為離岸風電的示範市場。今年(2018)四月經濟部已完成離岸風力發電規劃場址遴選,共計 7 家開發商(10個離岸風場)為遴選獲選業者,合計總分配容量達約 3,836 MW。今年六月,經濟部也已完成規劃場址競價,共計 2 家開發商(4 個離岸風場)獲選,114 年完工併聯總計容量達 1,664 MW,我國離岸風力發電正加速前進。

十月八日〈第二期國家型能源科技計畫總期程期末成果展〉中,湛翔智由離岸風電技術談起,一探風場建置流程與其中商機。攝影/馬嘉駿

然而相較北歐國家擁有成熟的離岸風電技術,對離岸風電陌生的臺灣是否真的能從中創造龐大就業機會?環境衝擊與漁業衝突能否取得平衡?十月六日〈第二期國家型能源科技計畫總期程期末成果展〉中,知洋科技總經理湛翔智由離岸風電技術談起,一探風場建置流程與其中商機。

為什麼要推動離岸風電?臺灣竟然是世界優良風場?

湛翔智引用臺灣電力公司民國一百零六年發電能源結構佔比資料,燃氣和燃煤發電佔比各為 39%,位居龍頭,綠能電力勢在必行。

(圖二)世界各地風力等級示意圖。截圖來源:National Renewable Energy Laboratory
世界各地風力等級示意圖。圖/National Renewable Energy Laboratory

湛翔智指出,臺灣是風能分佈極佳的區域,發展離岸風電具有相當大的潛力。但風力電場位置選擇,並非以風力大小作為唯一考量,依據幾項因素:

  1. 場址運送電力成本
  2. 排除航線
  3. 排除生物棲息地

今年六月場址選擇結果出爐,共有彰化、雲林、苗栗、桃園四處,其中以彰化佔比62.6%居全臺之冠。而接下來的風場開發,將會是一個龐大的長期工程,仰賴海事工程、風機安裝工程、環境調查……等技術團隊搭起具規模的產業鏈。

給你滿滿的大平台!風場開發是科學與商機的大平台?

風場開發流程主要有四大步驟:

  1. 開發前調查
  2. 安裝水下基礎
  3. 安裝風機與變電站
  4. 風場運作與維護

其中,開發前調查各有三個子項目研究:風場條件、地質條件、生態條件,確保後續工作人員與設備的安全、降低風場對海中生物影響。

風場條件調查,藉由團隊搭建海氣象觀測塔,收集風能、氣象、波浪、海流、潮位……等資料,設計風電機具暴風抵抗條件,避免設備在極端天氣遭受破壞,甚至造成人員生命安全。地質條件調查則依靠聲納原理的「地球物理震測技術」,及「大地工程鑽取岩心技術」,取得海底地質軟硬度、斷層位置,確使風電機組建置不致傾斜倒塌。

目前台灣的風力發電主要設置於海岸,但未來將逐步增加興建離岸風機。圖為台中高美濕地一帶的風機。圖/juemi @Pixabay

擁有前期各式調查資料後,團隊便會展開「前端工程設計」,反覆討論或變更設計,包括港口後勤計畫、電力電網併聯計畫、以及風電機具的支撐結構設計、水下基礎設計。湛翔智以支撐結構設計為例,團隊工程師必須藉由前期風場調查、地質調查資料,計算承載機具結構是否會機械疲勞?也就是所謂的應力集中與變形量的計算;又或是計算設備搭建後是否會造成土壤液化……等地質變化可能。

接續水下基礎、風機安裝完成後,更還要有「專案認證」團隊進行最後把關,電廠才能正式運轉。其工作內容包含檢查計算過程、採購過程是否達到預期目標,確保風機、電纜、變電站、輸電網、監控中心各個環節並無疏漏。湛翔智表示,此環節目前只能依賴擁有豐富經驗的國外公司,而我國經濟部標檢局刻正扶植臺灣認證團隊。

而在整個風場開發過程,湛翔智一再強調承接工程「統包商」的重要性。其必須具備船機設備、工程技術、採購能力、調查能力、風險管理、海上作業安全等多項專業技術。尤其是海事安全,人員多半在風力極大的海事條件下,甚至是吊掛一百公尺高的風電機具作業,必須具備人力專業訓練和風險管理能力。

由此可見,風場開發需要大量人力,更儼然自成一個產業鏈。湛翔智樂觀表示,離岸風電將會創造出巨額就業機會。

說了那麼多離岸風電的好,它難道不會影響生態和漁業嗎?

許多人擔心離岸風電的環境影響。圖/SeahorseDigital@pixabay

至於許多人擔心離岸風電的環境影響,風機施工期間所造成的水下噪音對海洋生物之影響,可藉由國外已成熟之減噪施工技術,譬如使用氣泡幕、氣球網、隔離套管的工法,減輕風機設備打樁時的噪音干擾;亦或是於風機安裝振動感測器、水下麥克風,即時監控噪音問題,並能夠迅速擬定解決方法。

產業衝突上,漁業和離岸風電發展,湛翔智相信兩者是共榮共好,絕非競爭關係。漁業工作者在未來還能經過專業訓練,成為風電場環境調查員,兼顧海洋生態和漁獲捕撈永續性。

本文由 NEPII「第二期國家型能源科技計畫」委託,泛科學執行

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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在蓋離岸風電之前,先讓海洋地質探勘船「大地能源號」來幫海床把個脈
趙軒翎
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在蓋房子之前,得先幫建地來個地質身家調查:土質鬆軟還是結實、有沒有土壤液化的可能……等。那當我們要在海上蓋離岸風力發電的「大風車」,為了不要讓它們轉一轉反而隨風倒下,了解海底下的地質狀況也是興建之前首要的任務。

讓我們隨著大地能源號出航吧! 圖/環球測繪公司提供

這次要接下這個任務出航的勇士,是台灣第一艘自有的海洋地質探勘船「大地能源號」(Geo Energy)。它最主要的任務就是到風機預定架設的位置,沒有偏差、非常精準地鑽探到海底,取得這個區域的土壤樣本。專業人員靠著它取回的樣本以及當地的海床資料,來分析這架風機該如何架設,才能安全又穩固。

要做到這一點,絕對不只有把船開過去、鑽頭放下去這麼簡單。

絕對不能挖錯洞!動態定位系統 On

先說說定位吧!為了要精準的在風機預定架設的位置鑽探,船的定位相當關鍵,透過 GPS 衛星定位將船開到預定地點只是第一關,第二關則是得讓船在鑽探的這幾天中都不能動。你總不希望在鑽探取樣的時候,你的船還跟著盧廣仲的魚仔游來游去、搖來搖去吧!

在風、海浪、洋流的各種「騷擾」下,船要能固定在同一個位置,一般是依靠錨來固定,而且大多不只一個。不過在大地能源號上,並不是用錨來固定船隻,而是用動態定位系統(Dynamic Positioning System),讓整艘船在鑽探過程中不受到風浪因素而偏移。這個動態定位系統可以根據儀器所測到的風速和風向,即時修正船隻位置,讓船保持固定。

大地能源號的動態定位系統(DP 系統)操作台,真正作業的時候這個位子屬於 DP 手,讓船可以抵抗海流不偏移。 圖/Emilee Hsieh

動態定位系統有如此的能力,在於它掌控了四個引擎。大地能源號的主人家、環球測繪公司地工技術總監黃宗宸解釋,這個系統會分析海流的流向、流速,並去預測下一秒的海流狀況,讓引擎朝反方向產生推力,使得探勘船能固定在原處。「這四顆引擎是 24 小時不間斷在燒油,一天就要燒掉 15 噸的油。」黃宗宸說。(我相信老闆心裡在淌血……)

雖然燒油花錢,不過好處是省下拋錨的時間。你會問拋錨需要多久?拋四個錨固定探勘船就要花六個小時,而動態定位系統只需要 10 分鐘。更別說錨的定位精準度完全比不上動態定位系統啊!

大地能源號的主要鑽台井架,也是負責鑽探的主要結構。 圖/Emilee Hsieh

大地能源號鳥瞰照。 圖/環球測繪公司提供

在定位沒有問題之後,船上的鑽探作業小組才會將海床框架與鑽探導板下放到海床,啟動鑽頭來切割海床地層。一般在雲林與彰濱外海以沉積層為主之地盤,離岸風力發電廠址的鑽探調查,會依據設計之需要鑽 80 到 100 公尺,並取得樣本供海床地質分析。

而鑽一個孔要多久呢?從事鑽探工作超過 35 年的環球測繪公司董事長黃新志說,鑽一個孔的作業時間取決於海床的地質,一般的砂土層只要兩天半到三天,然而台灣竹南以北的海床礫石較多,一個孔可能就要鑽八天!如果臨時遇到天候不好,船員們也只能收回鑽管、包袱款款回陸地避難,這一個孔就得下次回來重新再鑽一次。

在大地能源號來到台灣之前……

既然直到今年(2017)才有了這艘鑽探船,那以前需要鑽探的任務都怎麼辦呢?黃新志說,以往的探勘船來自國外,不過將船從國外調到台灣使用,需要多支付動員費,這筆費用相當高。從陸上鑽探工做起家的他,非常不服氣,決定自己來做。

環球測繪董事長黃新志剛出社會即踏入陸上鑽探工作,直到中年轉跨入海上鑽探領域。他所擁有的油壓式平台和探勘船,將成為離岸風電風場探勘的重要工具。 圖/Emilee Hsieh攝影

他從添購小型的油壓固定式工作平台開始,從陸地跨入海洋鑽探的工作。這種油壓平台得依靠拖船,將平台放到要鑽探的位置才能使用。平台的四隻腳會插入海底固定,再開始進行鑽探工作。有別於鑽探船,平台不需要像船一樣一直消耗油料,需要的人員也較少。不過缺點就是只能在較淺的區域使用,因為水越深,支撐的四隻腳就要加長,當腳長過長時,會因細長比過大,在受到較大之洋流與測向之風力作用時,對平台之穩定性會有相當大之影響。而且在遭遇天候變化時,平台較無法快速撤離。

油壓固定式工作平台適用於水深較淺的區域。 圖/環球測繪公司提供

近年來由於離岸風力發電開發的需求大增,也讓黃新志與合作夥伴們下定決心要自己買探勘船。風機預定設置點的地質探勘,不同於其他例如石油探勘等,需要精準的定位。「大地能源號」是我國目前的第一艘,接下來幾年也預定再投入其他艘船,來因應需求。目前這艘船已執行過彰濱工業區、雲林、桃園外海等風場的探勘任務。

鑽探起來的土壤樣本要做什麼?

不管是探勘船或平台取得的土壤樣本,都得經過專業人員的分析,才能決定這個位置適不適合蓋風機,或是適合蓋什麼類型的風機。黃宗宸說,這些樣本取出後,會先在船上判斷土壤的種類、初步了解它的物理特性,例如單位重、含水量等基本資訊,以作為安排後續試驗之依據。其他的樣本會封存在取樣管中,這個管內的樣品是不擾動的樣本,盡量保持該地地質原始的樣貌,然後送往專業的認證實驗室進行進一步的試驗與分析。

地質取樣管(圖左下方)。 圖/Emilee Hsieh攝影

在實驗室中,除了像是健康檢查一樣,要測試土壤的物理特性(如單位重、材料組成、含水量等),再由它的力學特性來提供風機基礎設計之參考依據。此外,靜的看完,動的也不能放過。風機設置之後,風機本身和土壤緊密貼合會相互影響,台灣處於環太平洋地震帶上,時常發生大大小小的地震,反覆的震動會讓土壤的顆粒相互推擠,有可能造成土壤液化的現象,使土壤瞬間失去支撐基礎的能力,就會讓風機傾倒。在了解各深度土層的動態特性後,若知道有相關的風險,就得考慮是否改變基樁形式或針對地盤狀況進行處理。

探勘船不只能鑽探,還可以找炸彈

這麼看起來,似乎這艘船只能在風機建設之前能發揮作用?

大地能源號因為具備動態定位系統,讓它能跨足不同的工作。在離岸風機建造的過程中,可以協助在打基樁時進行氣泡帷幕工法,減低工程噪音;也能在風機運作期間執行維護作業。非得用上這種有動態定位系統的船,原因無它,就是避免在作業過程中船不小心撞上很貴的風機,那可就得不償失了。

除了離岸風機相關的工程,搭配上磁力儀,還也可以成為海上行動金屬探測器,能夠協助尋找海底的未爆彈,或是墜海的飛機。

大地能源號內部。圖/環球測繪公司提供

有了船,還需要能操作的人

現在大地能源號上船員仍多半是外籍人士,目前正在申請將此船更改為台灣籍,在這之後船上將至少有三分之二為台灣的船員。國立高雄海洋科技大學航運技術學系副教授文展權說,探勘船比起商船需要更精準地操作,定位上有差異。

但他期望有興趣的學生可以挑戰,並擁有海洋測量或海事工程的能力,就能勝任探勘船的工作。

國立高雄海洋科技大學航運技術學系副教授文展權,本身就曾是一名船員,後來投入海洋地球物理領域。 圖/Emilee Hsieh攝影

對於一艘擁有動態定位系統的探勘船而言,船上的重要人物除了船長之外,就是操作動態定位系統的 DP 手。「我已經教了十年書,但我們台灣還沒有自己的 DP 手(船隻動力定位系統操作員,Dynamic Positioning Operater)。」國立高雄海洋科技大學航海系副教授許華智說。他提到 DP 手的訓練困難在於它的師徒制,必須有一個具有證照的 DP 手帶領,才有資格取得證照。「現在的困難是,我們一個都沒有。」許華智也期許,大地能源號能夠幫助國內訓練相關人才。

「(希望)我們的學生可以做的不是只是跑船而已,還能有更好的出路。」許華智說。

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趙軒翎
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在「一日生科,終身科科」的年代,即使鬧家庭革命都堅持要念生科,卻在畢業之際決定走出實驗室找尋新的出路。因緣際會就這麼踏入了科學傳播領域,雖然一路跌跌撞撞,但仍相信自己可以用知識改變這個世界。聯繫方式:scimonth.chao@gmail.com