臺灣海域能源臺灣海域能源

作者/何無忌(工研院綠能與環境研究所副所長)、羅聖宗、呂威賢(工研院綠能與環境研究所經理)

廣義的海域能源產業,除了潮汐發電、海洋溫差發電、波浪發電與海流發電產業外,還涵蓋離岸風電產業、海底天然氣水合物產業。離岸風電產業除風力機設備與各海洋發電設備不同外,在海事及運維工程技術與環境議題,包括對自然環境挑戰、環保、航運及漁業等,具有相當程度上的共通性。此外,在海底之天然氣水合物(Gas hydrate),目前估計全球蘊藏甲烷碳總量達10兆公噸,約為已知傳統化石能源(煤、油、天然氣)含碳總量的2倍。因此,許多先進國家正積極研發天然氣水合物的開發技術。

國際能源總署–海洋能源系統(IEAOES)指出,海洋能的理論年發電量分別為:海洋溫差發電10000 TWh、波浪發電8000~80000 TWh、海流(包括潮流和洋流)發電800 TWh、潮汐發電300 TWh、鹽差發電2000 TWh。截至2011年底,全球海洋能累計裝置量為544.2 MW,以潮汐發電為主,其次為海流、波浪、溫差與鹽差發電。而我國四面環海,具海洋能開發潛力。依據工業技術研究院的分析:臺灣潮汐能僅在數十MW之規模,較不具產業規模;而海洋溫差能、波浪能與海流能,則具數GW以上之開發潛力。其潛力分佈位置如圖一所示。

圖一:我國海洋能潛力場址分佈圖。

不過,現階段國際上,除潮汐發電已成熟商業化外,海洋能中之溫差、波浪、海流等發電設備,尚無可商業化的機組。在現階段測試機組中,波浪發電已可達百KW級,潮流發電及溫差發電可達MW級,短期內尚難實現海洋能商轉電場。再加上即使引進國外機組,應用於國內海域之效率普遍不佳,且臺灣又有颱風肆虐,所帶來之巨大波能也引起安全的疑慮。故國內需要投入研發,以取得適合我國海域之海洋能發電系統,在提昇效率、安全性及降低成本後,國內開發自有的海洋能源才會有前景。

為積極開發我國海洋能,於開發推動上,政府已規劃我國海洋能發展藍圖,將由「概念驗証階段」發展至「中小型系統開發階段」,擴大至「大型系統開發階段」,最後進展到「商業化電廠階段」,以逐步大規模開發我國海洋能。推動目標規劃如下:(1)2020年建置我國首座MW級海洋能發電廠;(2)2025年建置累計裝置容量達50 MW海洋能發電廠;(3)2030年建置累計裝置容量可達250 MW海洋能發電廠。

依據工業技術研究院所完成之風能評估研究成果說明,臺灣西部海域蘊藏著極大風能,尤以桃園、新竹、苗栗、臺中及彰化等西部沿海地區較佳,而澎湖及蘭嶼等外島亦擁有可觀之風能。保守估計,在臺灣西海岸之淺海區域(5~20 m水深)潛能約有約9 GW(實際可開發1.2 GW以上);而深海區域(20~50 m水深)潛能約48 GW(實際可開發5 GW),合計臺灣西海岸水深5~50公尺水深約可有6.2 GW之可開發裝置容量。若風力機設備以每2 MW約0.5億元計算,合計臺灣約有3000億元之設備商機,足以扶持國內建立中等規模企業。所以離岸風電在我國確實有其發展潛力,尤其在核能發電成為各方關注的焦點時,不論是以二氧化碳減量的觀點論之,或是以環保的觀點論之,離岸風電絕對是我國可以大力發展應用的一種乾淨的再生能源。

天然氣水合物的賦存,需具備豐富碳源在高壓、低溫下形成。因此除永凍帶外,陸緣深海區為其存在主要環境之一。經濟部中央地質調查所為了解臺灣周圍及附近海域天然氣水合物賦存的資源特性,於2004年開始推動「臺灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究」科技計畫,重點調查區域涵括高雄–恆春外海的深水海域(600公尺~3500公尺),總調查面積超過10000平方公里。目前,現階段調查研究結果中(圖二),已經可以確認區域內蘊藏有豐富的天然氣水合物,而在其賦存甲烷資源量推估上,以西南海域深海區面積10000平方公里來估算,若依不同的估算方式甲烷資源量甚至可以高達2兆1千億~3兆6千億立方公尺,最保守計約5千億立方公尺以上。若此推估資源量完全開發使用,將可供我國目前天然氣使用50年以上,並可達到減碳量約129萬噸二氧化碳。此新型態資源開發,不僅提升國內能源自產比例,亦可發展國內天然氣水合物相關產業。

圖二:臺灣西南海域底仿擬反射(BSR)圈合分布圖。(Liu et al., 2006.)

產業發展現況及障礙

面對政府宣示打造綠能低碳環境,逐步邁向非核家園等政策目標下,首重於未來相關技術之掌握及提升。

一、海洋能發電產業發展現況
在國際尚未有適當的成熟機組之現狀下,國內海洋能發電產業必須面臨自主投入之主要問題在於,海洋能初期研發風險高,且海上設置及測試成本極高。有鑒於此,經濟部能源局率先投入海洋能發電機組研發,已由概念驗證、模型驗證進行至海上測試,並透過業界合作研發計畫,再以成功經驗吸引業者投入開發,來開啟國內海洋能產業的契機。

近年來,能源局委託工業技術研究院投入波浪發電機組研發,已發展至20瓩級波浪發電機組,邁向機組海上長期測試驗證階段,並與臺灣造船公司展開業界合作。同時,能源局鑑於臺灣東部海域之大陸棚陡峭,表層海水溫度終年達24~29℃,而離岸3~5公里海深達1000公尺,深層海水溫度僅約4℃,具備海洋溫差發電之條件。2010年能源局委託工研院,設計低溫差發電的朗肯熱機循環(organic Rankine cycle, ORC)系統,成功地開發我國首座瓩級海洋溫差發電示範機組,經實驗成果顯示,表層海水和深層海水的溫差≧8℃即可發電。

在海流發電部分,2009年至2013年間國科會能源國家型科技計畫,包括臺灣大學、中山大學、海洋大學及成功大學,分別完成「臺灣東部海域自然資源綜合性研究」、「澎湖海域海潮流能源開發研究(開發海潮流發電平臺)」、「我國沿海潮流發電評估與發電機組雛形研發」、「建置國家級臺灣海洋能測試場可行性分析」以及「海流發電系統效能驗證」等,也由環境調查至機組研發進行至海上測試,建立海流發電國內自主技術開發能量。其中成功大學在2014年於雲林外海,進行初步實測其發展之直立式渦輪機組。

二、離岸風力產業發展現況
為達成國際減碳承諾原則,並宣示打造綠能低碳環境,逐步邁向非核家園等政策目標,政府於2012年公布「千架海陸風力機」政策目標,並由能源局支持成立「千架海陸風力機計畫推動辦公室」,全力推動國內風力發電之設置與發展。我國風電應用之短期目標乃於2016年完成首座離岸風電示範機組;中期目標在2020年完成陸域風場1200 MW開發,離岸風電累計裝置容量320 MW;長期目標在2030年累計安裝約600架、容量3000 MW離岸風力機,與陸域450架1200 MW風力機,合計共設置超過1000架風力機,總裝置容量達4200 MW,占我國再生能源設置目標33%以上。

離岸風電面臨許多的開發、融資、設備、工程技術的挑戰和風險。其中,開發申設流程中的跨部會業務協調與專案融資的推動,複雜程度不遜於70年代的十大建設。在設備方面,由於目前國際通用/常用之標準無法完全涵蓋臺灣海域所面臨之颱風、鹽害、濕熱、腐蝕等問題,應配合採取因地制宜之設計或修改調適,使設備之妥善率及使用壽命得以確保。在工程技術方面,離岸風電場之施工及運維皆須仰賴海事工程。就風場建造計畫成本,其中海事工程(含施工及海上併網)超過50%,因此海事工程(技術)能量與成本之掌握,影響開發時程及成敗至鉅。目前國內海事工程技術和經驗是以港灣工程及水深較淺之海域工程(港埠擴建、及電訊電力管線佈設等)為主,其使用之作業船隻亦多係配合港灣建設所需而購置,深水作業條件及技術能量相對受限。除上述之技術問題外,離岸風電的推廣存在法規與行政障礙及經濟誘因不足等問題,申設階段所可能遭遇到之問題包括:人工結構物審查、雷達干擾問題、保育問題、與其他目的事業所規劃之海域利用間的衝突問題等。

離岸風力發電之核心為風力發電機組設備,我國東元公司已建立2 MW級陸上機組之能量,並朝更大型機組之研發邁進。不過,國際上現正值離岸風力機組之開發熱潮,3 MW以上之機型已超過20款,所以,我國廠家必須強化競爭力,方可勝出。中鋼公司對我國離岸風電市場之開發,早已投入人力,尤其在全系統之工程服務方面。工業技術研究院正選擇其間關鍵技術投入研發,此乃當離岸風電機組大型化後,傳統發電機組將超過百噸,致使發電機及海上吊裝之成本大幅增加,故發電機採用高溫超導材料以大幅降低其重量與體積為研發關鍵。目前,工研院已取得初步成果,臨界電流領先世界,若可將此技術商業化,必可為臺灣衍生許多商機。

三、天然氣水合物開發現況
天然氣是目前最潔淨的傳統化石燃料能源,其產生的溫室氣體約為煤炭1/2、石油的2/3;而且天然氣發電機組具有即時調峰、複循環等高能源效率優點。我國的天然氣能源約90%以上來自進口,且供應來源不穩。因此,更需積極尋找天然氣供應來源,若能開發自主天然氣替代原有的天然氣進口供給並取代部分火力發電,這種新型態潔淨天然氣能源–天然氣水合物的探勘與開發將成為重要可行方案之一。

天然氣水合物技術屬於前瞻能源科技之一。國際天然氣水合物的研發趨勢,以資源探採與生產開發、全球碳循環候變遷、陸坡海床穩定性及區域地質災害衍生等為主。目前,科技部國家型能源科技計畫推動執行天然氣水合物主軸計畫,近期主要有三大目標包括:(1)海域資源特性評估;(2)深海鑽探調查與關鍵技術發展;(3)鑽探與生產開發計畫研擬。並規劃於2015年前能完成深海鑽探調查,以確定臺灣西南域之天然氣資源量進而推動水合物的開採技術,以積極迎頭趕上國際間探勘腳步。

由於國內在天然氣水合物調查方面的海洋探測設備,相較先進國家有不足之處,所以在短期策略上先利用國際合作的機會,引進國外先進調查技術與設備與經驗;另一方面再以分年添購的方式,逐步增加目前在儀器市場上已經成熟設備,並將這些新增設備與國內的研究船相互搭配,以提升我國海洋地質的探勘能力。

我國海域能源開發方向

一、海洋能發電開發策略
為達成我國海洋能發展目標,第二期國家型科技計畫主軸專案計畫(2014年~2018年)統合產官學研,考量臺灣海洋能的先天條件與技術能量,將以先導研究模式,以由上而下(Top-Down)方式,並結合產業共同研發,在控制所需經費的條件下,建立所需海事工程技術團隊及海洋能源關鍵元件設計能力,並進行試運轉,來奠定未來發展海洋能的基礎。

海洋能主軸計畫選定海洋能發電及相關海事工程前瞻研究,進行波浪與黑潮關鍵技術研發,開發波浪與黑潮高自製發電系統,建立波浪與黑潮發電先導示範,吸引產業投入海洋能源發電,共同進行商轉機組開發與設置示範電廠。藉由進行實際運轉測試作為階段研發之重點。

二、離岸風力開發策略
為達成千架海陸風力機設置目標,應逐步且按部就班地穩健推動,規劃離岸風力發電開發策略如下:

1. 以風場示範計畫,開發國內先導性離岸風場。業者透過此計畫可建立國內離岸風場開發標準作業程序,同時對該開發計畫之規劃、設計、施工、驗證及運維,獲得經驗,更可對後續風場開發提供參考。

2. 以區塊開發方式,推動大規模風場開發。政府將仿效英國第三階段(Round 3)特許權之開發模式,以具一定規模容量之區塊開發方式,開放業者申請,以達經濟規模符合成本效益。

3. 以國家型計畫之推行,建立自主系統整合與海事工程技術能量。其中的重點包含研發自主抗颱耐震型離岸風電系統、建立自有船隊、開發海洋基礎工程及最適化之風力機安裝技術等。

三、天然氣水合物開發策略
投入我國海域能源資源之開發,應積極確定資源特性、建立開發生產運儲技術、解決全球碳循環之環境安全以及海底不穩定性之防治等, 才能達商業化生產運用。能源國家型科技計畫所規劃之天然氣水合物研發的最終目標,包括:(1)評估我國專屬經濟海域之天然氣水合物的資源特性;(2)開發生產等關鍵技術之研究;(3)瞭解天然氣水合物對於海床邊坡穩定性及地球環境系統的影響,並提出評估模式與防治對策;(4)研發天然氣水合物輸儲天然氣,促進相關產業提升節能之比例。旨在累積未來探採與應用技術所需之科學知識工程理論基礎,以利在環境調和(或衝擊最小)的前提下,永續經營我國專屬濟海域內之天然氣水合物資源開發與利用。

結論與建議

1.我國四面環海極具海域能源發展潛力,海域能源開發不僅能提升我國自有能源發電佔比,亦能帶動產業發展,並可打造綠能低碳環境、永續能源發展。

2.由於海洋能發電產業面臨之問題在於,初期研發風險高,且成本偏高,故宜慎選項目,集中研發資源推動。

3.離岸風電產業可透過「風場示範計畫,開發國內先導性離岸風場」、「以區塊開發方式,推動大規模風場開發」、「以國家型計畫,建立自主系統整合與海事工程技術能量」,逐步成長。

4.臺灣西南海域深區面積10000平方公里中天然氣水合物資源量,最保守計約 5千億立方公尺以上。此新型態資源開發,不僅提升國內能源自產比例,亦可發展國內天然氣水合物相關產業。

誌謝
本文有關推動政策、海洋能/風能之潛能預估、相關技術之研發成果,皆有賴於經濟部能源局科技專案之經費資助,於此特別表達工研院的誠摯謝意。



延伸閱讀
1.科技部,第二期能源國家型科技計畫總體規劃報告書,2013。
2.Ocean Energy Systems, Annual Report-International Energy, http://www.iea.org/media/openbulletin/OES2012.pdf, 2012.
3.4C Offshore Database, 4C Offshore, http://www.4coffshore.com/, 2013.

1 則留言:

  1. http://www.google.com/patents/CN103982383A?cl=zh

    中國大陸在去年登錄了一個透過太陽熱能進行超臨界海洋溫差發電的專利,內容看起來相當合理--若我們能利用目前技術已成熟的低成本太陽能集熱器,藉加熱表層海水以拉大其和底層海水的溫差,搭配適合的工作流體,應該就能得到發電效率更高的溫差發電機,同時在底層海水需求量變小的情況下,冷水管鋪設成本甚至可以大幅降低!

    以近年來所評估的100MW級離岸浮式海洋溫差發電成本在6.5元/度上下(http://energymonthly.tier.org.tw/outdatecontent.asp?ReportIssue=201106&Page=17)來看,一旦採用太陽能加熱超臨界技術,是否有可能一舉將其發電成本降至3元/度左右以取代傳統火力發電?

    以國內相當成熟的太陽能熱水器產業,只要技術上進一步開發出可加熱海水、儲存溫海水、耐海水鹽蝕的機種,便可應用於超臨界海洋溫差發電;加上離岸浮式發電在海事工程方面,只需船舶錨定、定點浮潛以避颱風和海底電纜鋪設等技術,以國內產業技術而言尚足應付;不須高度倚賴國外設備技術,又可帶動國內相關產業技術升級,超臨界溫差發電實在相當值得國內進行研究和大型裝置試驗!

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