【還能怎樣】湛翔智：選擇離岸風能還需要面對什麼問題？

2015年 Pansci Talk：還「能」怎樣─公民的能源通識課高雄場，熱烈報名中！

紀錄：羅紹桀

近來太陽能光電的成本逐近下降，政府也積極推動「百萬屋頂計畫」，到底台灣有沒有可能利用太陽光電填補能源缺口，又該不該裝太陽能屋頂呢？

國立高雄應用科技大學的艾和昌老師將與我們分享光電能的現在與未來。

艾和昌：光電能的現在與未來

太陽光電能填補能源缺口？

太陽光電到底能帶來甚麼幫助呢？為了解答這個問題，艾老師調出了2011年8月18號尖峰日的電力系統負載曲線圖，那天是大暑，我們發現當天用電尖峰是33.7GW，我們看到各種電力的分布中核電的部份穩穩地持續負載5GW的電量，如果加上核四2.7GW總共7.7GW，火力也是穩定的，其實我們台灣最怕的就是用電尖峰，我們有幾個發電機組是為了一年之中最高尖峰的幾個小時存在的，而這些機組動輒好幾十億，非常划不來。

這跟太陽光電有甚麼關係呢？其實很簡單，我們預計到2030年太陽光達到6GW，剛好能補貼用電尖峰的用電。這是核四封存後可能的替代方案，但太陽光電有一個很明顯的缺點，就是只有白天能發電，晚上沒太陽就沒有電，目前太陽光電已經發展快二十年了，在台灣目前只有太陽能從最上游到最下游的產業都能自主，不像風力發電都是進口的修復技術，火力發電要進口煤等等。

太陽能車的歷史

說到艾老師本身在從事的課程，他拿起桌上的太陽能車，那只是一台模型車，有一台「真的」太陽能車在學校裡，其實太陽能車的原理相當簡單，就是太陽光的光能轉換成電能之後儲存在電池裡或直接推動直流馬達，車子就能前進，構造比汽油車還單純。

事實上太陽能車歷史久遠，甚至太陽能飛機在1980年就出現了，當時Paul MacCready在1980年把他的人力飛機加上了太陽能板，成為第一架太陽能飛機，所以太陽能飛機其實比太陽能車還早出現。兩年後才出現世界上第一台太陽能車，發明者是Hans Tholstrup，他原本是個冒險家，在中東戰爭造成能源危機時沒有人願意支持他從事「浪費石油」的冒險活動，於是他開始想，能不能使用最少的石油行駛最遠的距離呢？但他本身非工程師出生，所以一開始不知道怎麼做，直到看到新聞上Paul MacCready成功發明太陽能飛機的新聞後，才受到啟發著手製作世界上第一台太陽能車。那台車首次行駛就以每小時20公里的速度跑了4000公里，但時速還是太慢了，不可能做為將來的代步工具，因此他決定在1987年開始開辦世界太陽能車挑戰賽，地點都是從北澳開到南澳共3012公里，賽規要求所有的能源都必須來自於太陽，充電也必須用太陽能，艾老師本身也會帶著學生團隊每兩年打造一部車參賽。

至於太陽能車的製造則是從1987年美國通用公司開始重金禮聘Paul MacCready設計車型，造價100萬美金，之後世界各地的大車廠紛紛投資在太陽能車上，但最後都不了了之，原因是造價太貴消費者無法負擔，之後就是世界各大學校接續參加世界太陽能車大賽，每一屆戰況都相當激烈，1987年要得冠軍平均時速只要66.9公里，到2005年冠軍平均時速要到102.7公里，現在的比賽剛開始的速度基本上時速都定在140左右才有可能獲勝，可見太陽能車的時速已經與一般的車不相上下了。

未來太陽能的展望

1998年太陽電池一瓦要十塊美金，2010年太陽電池一瓦就只要一塊美金了，今年2014年一瓦只要0.3塊美金了，以往一部車要100萬美金，現在一部80萬台幣一定做得起來，所以太陽電池已經越來越便宜，而且台灣事實上是太陽電池的第二大生產國。

太陽電池生產過程有兩種，第一種是使用矽經過1200度旋轉長晶，稱為單方向結晶，另一種是使用600~900度，稱為多方向結晶，最後切片完畢就成了太陽電池，完成太陽電池之後再封裝成模組，可製成電廠使用、生活物品的使用等等。

現在在政府在推「百萬屋頂計畫」希望一百萬戶的屋頂上都有3KW的太陽光發電，以目前來說，每度電能回售給台電約八塊，如果屋頂裝5KW，一天發3.6度電，365天下來約可賣55000元的電費，投資成本約每KW7萬，預計八年就能回收。

【關於能源多元化系列講座】

能源多元化系列講座是Pansci舉辦的科學聚會，活動的主要形式是找兩位來自能源相關領域的講者，各自在 30 分鐘內與大家分享能源相關知識或相關的想法，並讓所有人對能源議題有興趣或關心台灣能源產業現況的人都能參與討論。本系列活動由PanSci 泛科學、工業技術研究院與經濟部能源局聯合主辦。

當我們問能源問題還「能」怎樣呢？你可能會想到太陽能發電、風力發電等等，但就如同前面廖英凱所說的，臺灣島上的一些好的風力發電地點就那些而已，那那那……有沒有可能把風力發電機建在海上呢？海上風會比較大，也比較不會影響的附近居民？真的有這麼簡單嗎？來聽聽第一線的工程師說有多困難。

船舶暨海洋產業研發中心海洋產業處工程師湛翔智，從工程面切入到底離岸風力發電作為臺灣再生能源的選項會遇到什麼問題。

詳細簡報檔在此：

首先就是只要是利用能源都會遇到的問題：能源需求很集中在城市、工廠，但是像台北市就不太可能蓋電廠，所以要怎麼有效率的發電，然後有效率的輸送到需要能源的地方，是工程師在思考能源問題時很注重的。所以能源從何而來？在風力發電來說，就是哪邊風大往哪邊去囉！湛博士表示其實臺灣風最大的地方不是現在有風力發電機的新竹苗栗等地，而是在臺灣海峽上，因為風在海上跟在陸地上不一樣，不會有很多地形起伏讓風力減弱，而且臺灣海峽就像吸塵器一樣，風速快的咧。

啊，可是用膝蓋想也知道，風力發電蓋在海上會比較貴，建造、維護成本都會比較高，值得嗎？

我們可以參考北海地區國家開發離岸風力發電的評估流程：

開發前的調查包括要建在哪裡比較好啦、到底這個離岸風電能不能賺錢，以及會不會對沿岸的居民、漁民造成視覺壓迫的問題，這個評估可能會要五年。選定好位址之後，會需要打水下基底，這就是比在陸地上建要困難的地方，底要打的比較深，而且要能夠抗海水拍打，臺灣則還得評估颱風的影響。等到安裝線路也可以把電傳回陸地上（這很重要！），工程師還要忙運維工程，讓風機可以健康的運轉20年以上。

個人覺得最有趣的是，除了我們一般想向會建的風力發電機以外，旁邊還會建個氣象觀測塔喔！以德國FINO1海氣象觀測塔為例，會監測風場實際資訊，包括氣象、海洋、鳥類遷移、海床、水下噪音等數據。

再來就是，風力發電機到底會有多大呢？

可以這麼大。

第一代離岸風機比較小。葉片越大，能轉換的風能越多，但就代表小風無法推動發電。當一個葉片跟A380的寬度一樣時，該如何搬運葉片以及支撐重達一千多噸的風機？湛博士提到了疲勞分析檢驗、IEC 檢驗標準等等，以及比較各種機座形式的優缺點，以及如何防潮汐、防鏽蝕。至於輸電的電網，是由三條銅線、一條光纖直接從海底電纜傳回來。鋪設電纜的方法很厲害：先理出一條水溝，再把電纜沈下去，再埋起來，這樣就可以避免漁船下錨的時候不小心破壞到電纜。

要成功的離岸風力發電真的很不容易，因為必須考慮如何在海床上固定、海中生物會不會黏上來增加了海流對基座的摩擦力，更不用說海上的天氣其實變化比陸地劇烈，臺灣還有颱風侵襲、西部海岸地質鬆軟等問題。但除了技術上的問題之外，臺灣做離岸風電另一個問題是，臺灣目前還沒有這類海上作業的相關勞工安全規定，所以還有待各單位努力。

最後獻上美美的infographic，瞭解一下北海的離岸風力產業，更多數據可以上官網：http://www.ewea.org/statistics/。

等等，那臺灣呢？湛博士推薦大家再生能源網，可以查到臺灣規劃中的再生能源建置計畫，也希望大家持續關心臺灣的再生能源議題，讓臺灣可以提高能源自主的比例。

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能源多元化系列講座是Pansci舉辦的科學聚會，活動的主要形式是找兩位來自能源相關領域的講者，各自在 30 分鐘內與大家分享能源相關知識或相關的想法，並讓所有人對能源議題有興趣或關心台灣能源產業現況的人都能參與討論。本系列活動由PanSci 泛科學、工業技術研究院與經濟部能源局聯合主辦。

感謝10/4 來松菸誠品一起關心能源議題的夥伴，可以找找看有沒有你的倩影：

編譯 / 雷雅淇

根據經濟學人的報導，風和太陽能發電等等這些再生能源，其實成本比我們普遍認為的還要來得高。

再生能源的補助一直是公共政策當中很有爭議的領域之一。有許多的資金被用在研發太陽能以及風力發電產業的相關研究上，無非是希望有一天他們能削弱化石燃料，以便能大幅減低排放至大氣中的二氧化碳。這個想法sounds good聽起來蠻也可行der。

自2008年以來太陽能光伏板的價格已經減少了一半，這也同時大幅降低太陽能發電場的成本。在一些烈日炎炎陽光充足的地方，太陽能還能提供給電網跟燃煤或是燃煤氣電廠一樣便宜的電力。

但問題來了，雖然太陽能板的成本容易計算，卻很難計算電力的價格。因為這不能只取決於使用的發電方式，也與資本成本，電廠的運作時間，以及是否能再用電高峰期產生足夠需求的電力有關。

若要把這些通通都考慮進去，經濟學家用了「平準化成本」(levelised costs)來估算發電成本。平準化成本是以在生命週期中系統所產生的成本（資金和營運）除以生命週期裡預期生產的能量單位(單位為megawatt-hours)。「麻煩的是平準化成本並沒有辦法將間歇性的成本列入計算裡。」麻省理工學院的保羅·喬斯科(Paul Joskow)說。

不管是風力發電還是太陽能，都不像便利商店一樣24小時天天開張全年無休。風力發電在平靜的日子裡，太陽能在夜深人靜時，都沒有辦法發電，很靠天吃飯；但我們用電可沒有再管天氣跟四季，這些再生能源的供電也不一定能配合的到我們一天中的用電需求變化。這時候傳統的發電廠仍需要在旁邊待機，但這筆帳沒有辦法記在再生能源的單上，因為它沒辦法列在平準化成本當中。

所以既使再生能源的平準化成本跟傳統發電相同，但他們的實際產值有可能是比較低的。總之，這樣的成本計算方法或許不太適合拿來比較不同形式的發電方式。

布魯金斯學會的查爾斯·法蘭克（Charles Frank）為了解決這個問題，使用了成本效益分析（cost-benefit analysis）來替不同的能源來源排名。

其中成本包括電廠的建造和營運，還有與這些發電技術相關的其他成本，例如當風力發電和太陽能發電不給力的時候為了要平衡電力系統所付出的成本，或是處理和燃料棒所需要的成本等等。

使用再生能源的好處是相比傳統燃煤的發電方式可以避免二氧化碳的排放。這張表總結了用成本效益分析後各種能源的成本和收益，它讓太陽能和風力發電的成本比用平準化成本分析來得昂貴許多。

法蘭克用了四種零碳能源，分別是太陽能、風力發電、水力發電和核能；還有一種特別有效率的燃氣電廠當作低碳能源，與其他的發電方式做比較。

當然，當零碳和低碳能源日子不好無法運作的時候是無法避免排碳的，這也會增加一些額外的成本。經過這樣的比較，可以發現核能是相對效率較高的能源，但核電廠也非常非常的貴，而且也有核廢料處理的問題。

不過為了要決定總成本和效益，在太陽能和風力發電無法運作閒置在等待冷卻時間時，提供支援的石化燃料電廠也必須計入成本當中。法蘭克稱這樣的成本為「可避免的產能成本」(avoided capacity costs)，可避免成本(avoided costs)是指成本會隨著不同的決策而產生相應的變動，所以可避免的產能成本的意思則是指如果這些零碳的綠色電廠沒有被蓋起來的話也不會產生這些相對應的成本。換算下來大概需要7座太陽能電廠或是4座風力發電廠才能提供跟一座大小相似的燃煤電廠差不多的電力。

如果是根據法蘭克的計算方式，那太陽能就會是這幾種減碳發電的來源中最貴的，風力發電則緊追在後。水力發電則有小小的收益，但最具成本效益的還是核能。以上的假設是在碳價為每噸50美元的情況下，如果是用實際的碳價的可能這些再生能源會被打得更難看，哭哭。碳價大概要漲到每噸185美元太陽能才會有淨收益。

當然選擇發展哪種能源有各種的理由，像是除了溫室氣體以外的污染物的排放，以及對核災的恐懼等等。法蘭克並沒有檢視這些因素，但他的研究仍對能源政策有著一定的影響。

現在有許多已開發國家以及中國都以補助太陽能和風力發電的方式來減緩氣候變遷。但這在法蘭克的研究當中是減少溫室氣體排放最貴的方式。而德國和日本逐漸封存的核電廠，卻是減碳目標下最便宜的產能方式。

當然這是單純以減碳為目標的前提下去檢視。每個國家，甚至是每個鄉鎮都有獨特的地理、人文等等的特性，也都有屬於他們適合的能源開發政策。不管是反核擁核，支持或反對再生能源，眾多的相關研究無不希望能提供更多的資訊，讓我們在面對選擇時能少一點未知多一點了解。能源政策是跟我們每個人都切身相關的事，不管立場是什麼我想都沒有人能置身事外。

參考資料:

1. Sun, wind and drain. The Economist [26, Jul 2014]

當我們問能源問題還「能」怎樣呢？你可能會想到太陽能發電、風力發電等等，但就如同前面廖英凱所說的，臺灣島上的一些好的風力發電地點就那些而已，那那那……有沒有可能把風力發電機建在海上呢？海上風會比較大，也比較不會影響的附近居民？真的有這麼簡單嗎？來聽聽第一線的工程師說有多困難。

船舶暨海洋產業研發中心海洋產業處工程師湛翔智，從工程面切入到底離岸風力發電作為臺灣再生能源的選項會遇到什麼問題。

詳細簡報檔在此：

首先就是只要是利用能源都會遇到的問題：能源需求很集中在城市、工廠，但是像台北市就不太可能蓋電廠，所以要怎麼有效率的發電，然後有效率的輸送到需要能源的地方，是工程師在思考能源問題時很注重的。所以能源從何而來？在風力發電來說，就是哪邊風大往哪邊去囉！湛博士表示其實臺灣風最大的地方不是現在有風力發電機的新竹苗栗等地，而是在臺灣海峽上，因為風在海上跟在陸地上不一樣，不會有很多地形起伏讓風力減弱，而且臺灣海峽就像吸塵器一樣，風速快的咧。

啊，可是用膝蓋想也知道，風力發電蓋在海上會比較貴，建造、維護成本都會比較高，值得嗎？

我們可以參考北海地區國家開發離岸風力發電的評估流程：

開發前的調查包括要建在哪裡比較好啦、到底這個離岸風電能不能賺錢，以及會不會對沿岸的居民、漁民造成視覺壓迫的問題，這個評估可能會要五年。選定好位址之後，會需要打水下基底，這就是比在陸地上建要困難的地方，底要打的比較深，而且要能夠抗海水拍打，臺灣則還得評估颱風的影響。等到安裝線路也可以把電傳回陸地上（這很重要！），工程師還要忙運維工程，讓風機可以健康的運轉20年以上。

個人覺得最有趣的是，除了我們一般想向會建的風力發電機以外，旁邊還會建個氣象觀測塔喔！以德國FINO1海氣象觀測塔為例，會監測風場實際資訊，包括氣象、海洋、鳥類遷移、海床、水下噪音等數據。

再來就是，風力發電機到底會有多大呢？

可以這麼大。

第一代離岸風機比較小。葉片越大，能轉換的風能越多，但就代表小風無法推動發電。當一個葉片跟A380的寬度一樣時，該如何搬運葉片以及支撐重達一千多噸的風機？湛博士提到了疲勞分析檢驗、IEC 檢驗標準等等，以及比較各種機座形式的優缺點，以及如何防潮汐、防鏽蝕。至於輸電的電網，是由三條銅線、一條光纖直接從海底電纜傳回來。鋪設電纜的方法很厲害：先理出一條水溝，再把電纜沈下去，再埋起來，這樣就可以避免漁船下錨的時候不小心破壞到電纜。

要成功的離岸風力發電真的很不容易，因為必須考慮如何在海床上固定、海中生物會不會黏上來增加了海流對基座的摩擦力，更不用說海上的天氣其實變化比陸地劇烈，臺灣還有颱風侵襲、西部海岸地質鬆軟等問題。但除了技術上的問題之外，臺灣做離岸風電另一個問題是，臺灣目前還沒有這類海上作業的相關勞工安全規定，所以還有待各單位努力。

最後獻上美美的infographic，瞭解一下北海的離岸風力產業，更多數據可以上官網：http://www.ewea.org/statistics/。

等等，那臺灣呢？湛博士推薦大家再生能源網，可以查到臺灣規劃中的再生能源建置計畫，也希望大家持續關心臺灣的再生能源議題，讓臺灣可以提高能源自主的比例。

【關於能源多元化系列講座】

能源多元化系列講座是Pansci舉辦的科學聚會，活動的主要形式是找兩位來自能源相關領域的講者，各自在 30 分鐘內與大家分享能源相關知識或相關的想法，並讓所有人對能源議題有興趣或關心台灣能源產業現況的人都能參與討論。本系列活動由PanSci 泛科學、工業技術研究院與經濟部能源局聯合主辦。

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講座記錄 / 陳妤寧

相較於屋頂上的太陽能光電板、沿岸風力發電機，沼氣是大家比較不熟悉的再生能源。台大動物科學技術學系的蘇忠楨老師和大家分享畜牧沼氣是否可以成為綠色能源？台灣沼氣利用的模式發展方向是什麼？

動物糞便是污染物？還是資源？

在探討動物糞便的利用與再生之前，我們必須先了解畜牧業在溫室氣體排放量中所背負的陰影：畜牧部門所產生的溫室氣體排放量約占全球人類活動的溫室氣體排放量18%，排放量更高於運輸部門。沼氣所含之甲烷及二氧化碳，皆為可造成產生溫室效應的氣體。其中甲烷的暖化潛勢更為二氧化碳的25倍，同時甲烷其熱值（5000 kcal/m3）與天然氣相當，具有非常高的能源利用價值。如果能夠有效運用畜牧業的沼氣，應當能一石二鳥的同時減少溫室氣體排放同時加強再生能源的使用。一個能夠維持生態平衡的畜牧業能源循環的系統，動物糞便、農業廢棄物和有機肥料等等，可以透過厭氧消化設施處理後產生沼氣，作為電力與熱源的供應。而這些電力與熱源還可再回頭來供養植物。

畜牧廢水處理三階段

第一階段為固液分離，固形物分離出液體廢水以製作堆肥，液體廢水進入初沉池前的有機物質含量越低越好，放流水也才能符合環保署的規定。第二階段為厭氧消化槽，動物糞便將進入一個類似密閉化糞池的密閉空間，經過水解後產生的沼氣可作為汽電共生，沼渣、沼液則可作為肥料。第三階段則是活性污泥槽，在曝氣系統中將廢水和活性污泥（微生物）互相接觸，將水中的有機物轉化成二氧化碳、水及更多的微生物。

回到畜牧廢水的處理階段之前，豬欄裡的「豬廁所」其實也需要精心的設計，利用豬隻動物行為設計最適合豬隻生長的豬欄。豬隻喜好在不適合躺臥休息，且潮溼陰涼的處所排泄糞尿。不過豬糞的碳氮比比較低，發電效果比較差。和沼氣相比，生物天然氣的甲烷比例高了20~40%，效率更佳。如果將畜牧廢水處理的第二階段厭氧消化和第一階段固液分離交換順序，甲烷的成分可以更高，但後續處理會較麻煩。未經純化的沼氣必須先經過脫硫處理，否則其中的硫化氫燃燒後會腐蝕發電機等金屬設備，也會造成酸雨污染環境。

直接燃燒製冷或製熱，效率更優於沼氣發電

回到台灣沼氣的實際發展環境，由於目前還沒有效率夠好的沼氣設備，沼氣發電的效率實際上只有25%，其他75%都成為廢熱。但畜牧沼氣若直接燃燒用於製冷或製熱的話，效率幾乎是100%。製冷包括吸收式冰箱、冷水機、空調等應用，製熱則包括水管加熱、替厭氧消化槽維持恆溫、以及鍋爐、保溫燈、熱水器、瓦斯爐等設備。蘇忠楨老師認為台灣利用沼氣的方向應以直接燃燒製冷/製熱為主要模式，以沼氣發電為次要模式，最好是場內已經具備經濟可行之沼氣發電機，或是用於區域型微電網，將區域性集中堆肥場轉型為畜牧沼氣工廠，每發一度電，節省一度電的購電成本。只要具備有機廢棄物的產業，例如可以水解微生物和發酵的食品工業大型發酵槽，皆可發展類似的應用，創造環保與產業發展的雙贏。

【關於能源多元化系列講座】

能源多元化系列講座是Pansci舉辦的科學聚會，活動的主要形式是找兩位來自能源相關領域的講者，各自在 30 分鐘內與大家分享能源相關知識或相關的想法，並讓所有人對能源議題有興趣或關心台灣能源產業現況的人都能參與討論。本系列活動由PanSci 泛科學、工業技術研究院與經濟部能源局聯合主辦。