議題背景:

隨著政策推進,離岸風電的技術和產業,皆是臺灣極力發展的重點,即便離岸風電技術在歐洲已發展成熟,但臺灣的自然環境、生態、地質與歐洲迥然不同,才剛踏出發展技術關鍵的第一步「完成第一座示範風場的建置」。我們邀請專家陸續由風場評估、地質、生態、面對災害的風險等面向,說明相關問題。

成功大學機械工程學系特聘教授兼能源科技與策略研究中心主任 林大惠

Q1. 我們常看到新聞報導臺灣擁有大量優良的離岸風場,在全球前20座優良風場中,佔了16 座,優良風場的定義是什麼?

離岸風場選址需先劃定一最大可能開發區域,針對該區域的風速與風能、水深與地質、電網併聯、環境影響等諸多因素進行綜合評估後,進而選擇風能資源豐富,且最具開發價值的區塊,再進行後續離岸風場的細部規劃設計[1,2] 風場評估的先決條件在於風場位置的風速(關於風速:請參考離岸風電名詞解釋1特性,平均風速的大小可以初估風力發電的潛能。根據國際風力發電顧問公司4C Offshore評比[3] ,全球排名前五十名優良風場的位置皆在臺灣海峽,部分風場位於中國大陸沿海,多數風場則鄰近臺灣西岸,這些風場的平均風速差異不大,介於12.12 公尺/秒至11.94公尺/秒間(2020年1月30日資料)。工研院評估我國離岸風電發展[4] ,結果顯示在臺灣海域水深5~20公尺、20~50公尺及50~100公尺處,風電開發潛能分別可達1.2 GW(關於GW:請參考能源名詞解釋1)、5 GW和9 GW;優選離岸區塊場址由北至南共有36處。

臺灣海峽每年有明顯的東北季風與西南季風交替吹拂,中秋節過後,就逐漸開始吹起一波波的東北季風,一直持續到隔年三、四月,吹拂期間近半年。東北季風風力相當強勁,加上臺灣海峽兩側山脈形成「狹管」的地形效應,當季風吹過時受到地形的壓縮而加速[5] ;彰濱外海台電公司測風塔的風速量測資料顯示(參見圖一) [6] ,2018年全年平均風速為9.61 公尺/秒,東北季風時期平均風速可達12.29公尺/秒,非東北季風時期則降至6.90公尺/秒,突顯出臺灣海峽擁有優良風場的絕佳條件。

離岸風電:風場評估篇─專家QA
圖一 彰濱外海台電公司測風塔2018年風速資料 資料來源:Chang, S-C (2019)

Q2. 在劃設36個潛力公告場址的過程中,如何評估與挑選風場區塊?

離岸風場的評估與挑選需經由風力潛能分析、環境條件與開發需求、區域範圍界定、潛在風能理論推估等四個層面來完成[7] 。風力潛能分析可利用海氣象模式模擬、海域觀測及衛星影像資訊進行多重比對分析,以得到大範圍高解析度的風能特性資訊。可開發環境條件包括自然環境(地形、地質、氣象與海象等)、人為活動(交通、國防、漁業與海底電纜等)及生態環境(自然保留區、重要野鳥棲地、濕地、沿海保護區、人工魚礁禁漁區、保護礁區與中華白海豚等)等多項因子,開發需求則需考量海纜與基礎工程的施工成本,避開海底地形變遷劇烈區域、河口區域、斷層帶、魚礁區、海岸保護區、既設海纜及海底管線處。

針對前述環境條件與開發需求所界定的離岸開發區域,搭配風能特性資訊(中尺度數值天氣預報系統)且設定平均風速模擬值,可用地理資訊系統來界定區域範圍,再利用圖層套疊方式篩選出可能潛在場址。最後,透過微選址(micro-siting)方法,在相同土地面積與風力機組數量條件下,進行風力機佈置最佳化,理論推估風場最大發電量,相關推估程序請參見表一[8] 。工研院經由上述四個層面來評估臺灣海域離岸區塊[9] ,在12海浬領海外界線等深線內(編註:圖二的綠線),篩選出36個離岸優選區塊,主要分布在西部彰化與雲林沿海,多達25個離岸區塊,年平均風速由近岸的8公尺/秒至12海浬領海界線的9公尺/秒;其餘零星分布在桃園、新竹和苗栗等縣市,年平均風速亦達8公尺/秒,極具開發潛力,如圖二所示。

表一 離岸風力最大潛力與推估可開發量程序

離岸風電:風場評估篇─專家QA
離岸風電:風場評估篇─專家QA

圖二 36處離岸風電潛力場址範圍

資料來源:表一與圖二之來源皆為呂學德等(2015)

Q3. 承前述,即便臺灣海峽的風能主要集中在冬天,夏天的風能較不足,也能算是「優良風場」嗎?

如前所述,臺灣海峽在東北季風時期擁有高風速、豐沛風能特性,而在非東北季風時期風速顯得較小、風能不足。利用彰濱外海台電公司測風塔的風速量測資料,套用其中一家廠商裝置容量為9.5MW的離岸風力機發電曲線,估算2017年和2018年不同月份單一風力機的容量因子(capacity factor)(關於容量因子:請參考能源名詞解釋3),發現東北季風時期可達70%以上,非東北季風時期則介於20%至30%間,如圖三所示。東北季風時期有些時候風速超過風力機的25公尺/秒停機風速(cut-off speed),風力機剎車停機,不納入發電估算,否則東北季風時期風力機的容量因子可超過80%。進一步估算2017年和2018年離岸風力發電特性得知,風力機的滿發小時(關於滿發小時:請參考離岸風電名詞解釋4)分別可達4013小時和4047小時,全年發電量則高達38.12百萬度和38.45百萬度 [10] ,視臺灣海峽為優良風場,實至名歸。由風力機在臺灣海峽的容量因子、滿發小時和全年發電量的分析結果顯示,臺灣海峽在東北季風時期風能過於豐沛,在非東北季風時期風能則較為不足;以臺灣電力需求特性(冬天低、夏天高)為前提下規劃離岸風電建置,前者需要選擇高停機風速的風力機,同時搭配大型儲能系統,後者風能雖小但仍值得攫取,且適合規劃安排風機維護歲修作業。很顯然地,由於臺灣海峽風能和臺灣電力需求在季節上的明顯差異,再加上風機數目多且集中安置於彰化與雲林沿海,整體離岸風電未來發電量大,因風速變化而產生的發電量變化也大,電力系統的調配將面臨極大的挑戰,智慧電網的完善建置刻不容緩。

離岸風電:風場評估篇─專家QA
圖三 2017年和2018年不同月份彰濱海域單一風力機的容量因子估算

資料來源:Chang, S-C (2019)

Q4. 我們是「優良風場」就能保證離岸風場開發的成績嗎?

風力和太陽能皆屬自然資源,靠天吃飯。太陽很規律的早上上班、傍晚下班,鋪滿全地的太陽光電板在晚上是毫無作用的,一片烏雲飄來也會阻斷太陽光發電;同樣的,臺灣海峽在東北季風盛行時,風能足、發電量高,而非東北季風時期,風力發電能力就大為減弱。太陽能依循朝夕週期來調節,尚屬易於預測和調控;臺灣海峽風的強弱也有季節之分,但是海上強風通常伴隨著大浪,洶湧浪濤才是離岸風電的真正挑戰

彰濱外海台電公司測風塔的量測資料顯示,2018年9月到2019年1月東北季風吹拂期間,彰濱海域浪高隨著風速而變化,風速逼近25公尺/秒時,示性波高(significant wave height)(關於示性波高:請參考離岸風電名詞解釋3)和最大波高(maximum wave height)分別可達3公尺和6公尺,如圖四所示。在此風況與海況下,各式船隻皆不易出海,困難執行各類海上作業,因此臺灣海峽建置離岸風機的作業需於非東北季風時期完成,而且東北季風時期的運轉維護作業將是嚴苛的挑戰。

過去臺灣建置離岸風機的規劃,著重於風機須具備抗颱、耐震特性;然而中央氣象局資料顯示[11] ,百年來(1911~2018年)侵台颱風經過臺灣海域離岸優選區塊,主要是第3、7、9類路徑颱風(圖五),占比約26.57%,鄰近優選區塊的颱風登陸地點僅有三個(圖六),占比約1.60%。從颱風路徑和登陸地點來看,考慮颱風的短期(一週左右)影響固然重要,實質上如何克服長達半年東北季風的風浪效應(圖四),在運轉維護期間,需隨時監控風場狀況,因應緊急維護需求,才是保證離岸風場開發成績的重點。臺灣海峽東北季風時期的海況非常惡劣,若無法因應緊急維護需求,便無法保證離岸風場的開發成績,但是充分了解東北季風的風浪特性,據此設計安置離岸風力機、預備能於惡劣海況作業的各式船隻和妥適規劃運轉維護策略,將有機會提升臺灣海域離岸風電開發成果。

離岸風電:風場評估篇─專家QA
圖四 2018年9月到2019年1月間彰濱海域風速和浪高的比較關聯圖[6]

資料來源:Chang, S-C (2019)

離岸風電:風場評估篇─專家QA
圖五 侵台颱風路徑分類(1911~2018年)
離岸風電:風場評估篇─專家QA
圖六 颱風登陸地點統計(1911~2018年)

資料來源:中央氣象局(2019)

Q5. 風場評估的結果與實際建造會否有落差?是否有風險或限制?

風場評估結果與實際建造及運轉間必然存在落差,這是國際間在離岸風電開發過程必須納入考量承擔的風險。對臺灣而言,評估與實際間的落差與風險相對來得比國際大,除了臺灣海峽風浪的詭譎特性是最大的變數外,民意的溝通協調(漁民、地區民眾、環保團體)、離岸風電發展所需的基礎建設(維運港埠、施工與維運船隻、電網並聯、產業供應鏈等)與政策措施(示範獎勵、躉購費率[關於躉購:請參考能源名詞解釋]、離岸區塊評選、銀行融資、國產化等)、臺灣海峽兩岸間的航運與國防考量等多重複雜因素,皆增加了開發離岸風電的風險或限制。近年來,初期投入臺灣離岸風電示範開發的國內廠商,在資本不足以承受高風險下,逐步轉手他人或改變策略,而目前積極參與臺灣離岸區塊開發的皆屬資本雄厚的國際開發商,就是很明顯的例子。

話說回來,高風險、多限制就讓我們裹足不前嗎?當然不是!經濟部能源局發行的能源統計手冊[12] 顯示民國107年臺灣的整體能源供給面,自產能源占1.94%而進口能源占98.06%;其中,自產能源包括生質能及廢棄物(1.13%)、慣常水力發電(0.29%)、太陽光電(0.18%)、天然氣(0.12%)、風力(0.11%)、太陽熱能(0.07%)及煉油廠進料(0.05%);進口能源則包括原油及石油產品(48.23%)、煤及煤產品(29.38%)、液化天然氣(15.06%)、核能(5.38%)、生質能及廢棄物(0.01%)。政府規劃2025年各類再生能源推廣目標要達發電占比20%目標[13] ,以臺灣的自然資源來看,20%目標極具挑戰性;且尚未能回答接下來剩餘80%傳統發電與整體能源供應(包含電力和石油)占比近半的石油,如何被取代的問題。臺灣是個生態多元、物種豐富,但又能資源極端短缺的國家,沒有自產能源,又孤立於四面環海,整體國家施政必須同時考量能源安全、綠色經濟、環境永續及社會公平的均衡發展,開發再生能源(水力、太陽能、風力、生質能及廢棄物、地熱、海洋能)來取代傳統能源是臺灣永續發展的必要手段,能攫取多少離岸風力,就要多方努力尋求。

臺灣海峽風浪的詭譎特性可以藉由工程科技來掌握,民意溝通、基礎建設及政策措施則有待全民齊心共識與政府妥適規劃來克服,風場評估與實際運轉維護的落差是可以被縮小,甚至實際優於評估。

Q6. 完成風場評估後,有其他的監測或是相繼的作為,以確保優良風場能善加利用嗎?

臺灣海峽風浪特性是長年存在,優質風力是上天的厚賜,惡劣海況則是伴隨的挑戰。經由前述審慎的評估與篩選程序[14] 來評估離岸風場,有助於規劃、設計和建置穩固牢靠的離岸風力機,接續的離岸風場運轉維護則需要妥適完善的運轉維護策略、預備能於惡劣海況作業的各式船隻,以及穩定及時的零配件供應鏈。長期的風況與海況監測是風場運轉維護的必要作為,尤其是經由大數據分析的AI預測可以充分掌握風力變化,調控電力輸出,並降低電網並聯衝擊[15] 。未來2025年再生能源達發電占比20%時,日照和風力變化將大幅影響電力系統的調度;離岸風機數目多且集中安置於彰化與雲林沿海,整體發電量大,因風速變化而產生的發電量變化也大,電力系統的調配將面臨極大的挑戰,智慧電網配合AI預測將有助於穩定電力輸出。

註釋:

[1] 林俶寬、張上君、黃振愷、劉晉堯(2014)。〈臺灣地區離岸風場選址技術之探討〉,《中華技術專題報導》(103): 62-71。
[2] 王詠祺、張桂肇、張珮錡、郭禮安、楊瑞源、黃煌煇(2011)。〈離岸風力發電環境影響評估規範之探討〉,「第33屆海洋工程研討會」論文。高雄:國立高雄海洋科技大學海洋環境工程系暨研究所,12月1-2日。
[3] 4C Offshore (2020). “Global Offshore Wind Speeds Rankings.” Retrieval Date: 2020/01/30.
[4] 呂學德、何無忌、呂威賢、胡哲魁、陳美蘭、連永順(2015)。〈臺灣離岸風力潛能與優選離岸區塊場址研究〉,「中華民國第三十六屆電力工程研討會」論文。桃園:中原大學電機工程學系,12月12-13日。
[5] 宣崇堯、林大惠(2016)。〈臺灣海峽的生態與資源──臺灣海峽的風〉,《臺灣博物季刊》35(2): 6-13。
[6] Chang, S-C (2019). Analysis on Meteorology and Power Generation Characteristics in Chanbin Offshore Area. Master Thesis, Department of Mechanical Engineering, National Cheng Kung University, Taiwan.
[7] 同註4。
[8] 同註4。
[9] 同註4。
[10] 同註6。
[11] 中央氣象局(2019)。《颱風百問》台北:中央氣象局出版。
[12] 經濟部能源局(2019)。《中華民國107年能源統計手冊》台北:經濟部能源局。
[13] 經濟部能源局(2019)。《能源轉型白皮書核定版》台北:經濟部能源局。
[14] 同註4。
[15] 林大惠(2019)。《臺灣離岸風場海氣象大數據預測技術與觀測標準認證》(科技部綠能科技聯合研發計畫MOST108-3116-F006-009-CC2)。台北:科技部。

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