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產業技術評析

離岸風力機漂浮式平台技術發展趨勢
發表日期:2017-03-29
作者:陳芙靜(金屬中心)
摘要:
2016全球離岸風電累計裝置容量約為14,384MW,85.5%集中在歐洲。歐洲離岸風場平均設置於29.2米淺水域,現以固定式水下基礎為主。

全文:
一、前言

2016全球離岸風電累計裝置容量約為14,384MW,85.5%集中在歐洲。歐洲離岸風場平均設置於29.2米淺水域,現以固定式水下基礎為主。然未來隨著海域深度增加,固定式基礎將大幅增加建造及安裝成本,而漂浮式基礎因透過錨碇繫泊固定的方式,將有效突破近海水深及土壤條件限制擷取更多風能,其發電效益更高;亦降低海上視覺、海床地質衝擊及施工安裝安本。歐盟國家為達2020年再生能源佔總發電量之20%,各國積極探索在中深水海域(farshore, 50米以上水深)發展離岸風電的可行性。2009年挪威石油巨擘Statoil即在挪威外海200米水深處安裝1台2.3MW西門子機組,使得該Hywind成為全球第一座漂浮式離岸風場。後續義大利、葡萄牙、美國、法國、日本及英國陸續展開漂浮式離岸風電示範專案。

二、全球漂浮式離岸風電市場發展現況

以發展階段來看,漂浮式離岸風電則屬於萌芽期之產業,尚有許多概念與設計進行驗證中。漂浮式離岸風電的發展自2009年挪威國家石油公司(Statoil)展開Hywind示範計畫揭開序幕,爾後許多國家陸續展開示範計畫。預計到2016年底,全球漂浮式離岸風電設置容量可達19.6MW。而近期許多國家推出的興建計畫高峰點將落於2018年,屆時將有130MW的年度新增設置容量,全球累計裝置容量將可達180MW,詳見【圖1】。主要發展地區仍以歐洲為主,美國和日本則為其他兩個致力發展浮動式離岸風力發電的國家。

2015年7月日本福島外海成功安裝 7MW三菱重工機組,成為全球單機容量規模最大之漂浮式平台(floating platform)。2015年11月Statoil獲得英國政府批准在蘇格蘭 Peterhead 外海打造全世界最大的海上浮動式風力發電廠-Hywind Scotland Pilot Park,預計2017年完成5台西門子SWT-6.0-154風力發電機組安裝,能供應約2萬戶家庭用電。法國環境與能源管理署ADEME於2015年8月宣布公開招標100MW漂浮式風場專案,2016年7月公布二大得標商:Eolfi與CGN(lle de Groix風場, 24MW)採用DCNS設計之半潛式(Semi-Submersible)平台搭載4台GE-Alstom Haliade 6MW機組、Quadran(Gruissan風場, 24.8MW)採用Ideol設計之駁船式(barge)damping pool平台搭載4台Senvion 6.2MW機組;2016年11月公布另二大得標商:Engie與EDPR等(Leucate風場, 24MW)採用Principle設計之半潛式平台搭載4台GE-Alstom Haliade 6MW機組、EDF(Faraman風場, 24MW)採用SBM Offshore設計之張力腿式(Tension Leg Platform)平台搭載3台Siemens 8MW機組。中國大陸上海市發改委、上海市科委和上海綠色環保能源公司因應十三五計畫,申請「漂浮式深遠海科技項目」,邀請華銳風電等廠商和研發機構共同深入研究及進行試驗。

圖1 全球漂浮式離岸風電設置容量分析
資料來源:Carbon Trust/各廠商/金屬中心 MII-ITIS研究團隊整理
圖1 全球漂浮式離岸風電設置容量分析

三、離岸風力機漂浮式平台創新技術

(一)漂浮式平台發展型態

相較固定式水下基礎,漂浮式平台結構簡單適合大量生產,可在陸域進行風力機組裝,節省時間成本與避免離岸施工的風險。漂浮式平台結構組成主要包括錨索、錨定地點、浮箱或壓載艙,每種不同要素能組合成各種浮式基礎形式,依浮動載台與繫泊系統主要可分為三大類:張力腿式TLP(Tension Leg Platform)、深水浮筒式Spar、半潛式Semi-Submersible。張力腿式採用繫泊保持結構穩定,特別是拉錨,如原藉荷蘭的Blue H公司(公司註冊於英國)於義大利離岸風場專案;深水浮筒式利用固定在風力機中心底部的配重(壓倉物)來保持平台的穩定性,如Hywind將風力機設置在一個浮台上,底部透過三根纜索與海底固定,內置水和岩石當作壓艙物。半潛式主要由立柱、橫樑、斜撐、壓水板、繫泊鏈和錨固基礎組成,在運輸和安裝時具有良好的穩定性。近年來亦發展出混合式創新平台設計,如Hexicon平台可搭載多台風力機。目前全球共計33個離岸風力機漂浮式平台設計型態,以半潛式佔,比最多達43%,主因為成本介於其他二者之間,建造複雜度及技術難度雖較高,但安裝較簡易。歐洲為目前漂浮式平台設置量最多國家,約佔全球2/3。平台概念設計數量以日本居冠,其次為美國、法國。

(二)創新技術發展

1.尼龍取代鋼製繫泊鏈

由蘇格蘭政府與Carbon Trust 運用海洋能商業化基金(Marine Renewables Commercialization Fund)共同資助新型態合成纖維繫泊技術開發產業聯盟專案JIP(Joint Industry Project),共計9家業者進行測試及品質控管作業。Bridon International研發尼龍繫纜不僅通過英國勞氏驗證機構2千萬次的疲勞循環測試,使用在淺海域將比傳統鋼製繫泊鏈減少30%成本,更具經濟效益。同樣在JIP專案內,英國Exeter大學與Vryhof 及TenCate共同研發出紡織重力錨碇袋(textiles gravity anchor bags),可同時應用在漂浮式離岸風電、潮汐發電及其他海洋能源以維持海床錨碇的穩定度。

2.新型1點繫泊搭載雙葉片風力機

日本新能源及產業技術總合開發機構(NEDO)的漂浮式風力機系統的開發已經進入了一個新階段。在開發次世代漂浮式風力機系統的實證研究(元件技術開發)上,為達2030年漂浮式離岸風電發電成本達20日元/kWh,啟動風力機、塔架與漂浮式平台之整合式輕量化新型概念設計。此設計採用1點繫泊技術搭載雙葉片的風力機,在颱風期間能減少風負載。這些技術及相關零件的原型概念設計,尚需經波浪水槽試驗、安全性、信賴度及可行性評估。企業合作廠商包括九州大學、港灣空港技術研究所、日本アエロダイン及富士ピー・エス、グローカル。

四、結語

漂浮式平台尚處於發展初期之示範推廣階段,未來在歐美日各國積極推動情勢下,預計2017年陸續有經濟規模的發展,可望在2020年實現商業化,而2025年發電均化成本(Levelised Cost of Electricity, LCOE)預估可達1.06-1.18歐元/度(約3.84-4.28元新台幣/度),將能與固定式基礎成本相抗衡。為加速離岸風力發電開發,我國已完成風力發電潛力場址劃設,北起富貴角、南至貓鼻頭,涵蓋台灣西部海岸線,共畫定36個區塊場址。目前我國風場開發商主要仍以固定式水下基礎為主,然西海域平均水深超過40米者有新北市、新竹市、苗栗縣、台中市、彰化縣之海域,未來可針對上述中深水海域進行離岸漂浮式平台解決方案之先期示範研究,搭載漂浮式平台、繫泊、錨碇等自主元件開發技術,共同探索我國中深水海域風力運用的發展潛能。

(本文作者為金屬中心執行產業技術前瞻研究與知識服務計畫產業分析師)

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更新日期:2020-04-08

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