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產業技術評析

離岸風電供應鏈低碳化技術發展剖析
發表日期:2023-07-26
作者:陳芙靜(金屬中心)
摘要:
根據2019年國際能源署IEA離岸風電展望報告指出,未來20年離岸風電將顯著成長,成為重要電力供應來源,有助推動各國脫碳和減少空氣污染。

全文:

一、前言

根據2019年國際能源署IEA(International Energy Agency)離岸風電展望報告指出,未來20年離岸風電將顯著成長,成為重要電力供應來源,有助推動各國脫碳和減少空氣污染。截至2022年底,全球離岸風電累計設置量約63GW,隨著2022年5月德、荷、比、丹四國宣布埃斯比約(Esbjerg)離岸風電宣言(2030年北海建置目標65GW)、2022年12月英國提高2030年離岸風電設置總量目標至50GW等,BloombergNEF彭博新能源財經預期2030全球離岸風電累計設置量將高達519GW。然當離岸風電需求大幅成長,為回應生產過程中對環境的衝擊影響,各國際大廠都致力於推動供應鏈減碳,並透過其ESG績效報告、永續報告書等向各方利害關係人揭露減碳資訊,英國政府更將供應鏈低碳作法納入離岸風電差價合約(Contracts for Difference, CFD)計畫招標之評分項目。

今(2023)年2月1日全球11家離岸風電企業,包括英國石油(bp)、德國安能集團(EnBW)、弗雷德克歐森海洋(Fred Olsen Seawind)、比利時能源公司Parkwind、萊茵再生能源(RWE)、蘇格蘭電力再生能源(ScottishPower Renewables)、殼牌石油(Shell)、蘇格蘭再生能源(SSE)、道達爾能源(Total Energies)、瑞典國營能源Vattenfall以及沃旭能源(Ørsted),攜手英國碳信託公司(Carbon Trust)合作離岸風電產業永續聯合計畫(Offshore Wind Sustainability Joint Industry Programme),針對離岸風場生命週期包括上游供應鏈、施工安裝及運維各階段的碳排放量計算,研擬訂定全球第一個獲得產業支持的方法與準則,共同促進離岸風電產業更加永續的未來。顯見國際大廠認為離岸風電產業不僅止於提供低碳能源,更力求能源建置的過程中能減少碳排。

二、國際大廠低碳化策略與作法

「生命週期評估(life cycle assessment, LCA)」是目前常用來估計產品或服務在可用期間內對環境(例如溫室氣體、廢氣與固態廢料產生)影響的重要工具,包括丹麥、英國各大學及研究單位皆以此方法進行離岸風電碳排分析。根據2016年丹麥技術大學(Technical University of Denmark)發表的離岸風電產品生命週期評估研究報告指出,離岸風電製造用的原物料(塔架及水下基礎用鋼、葉片用複材等)的碳排貢獻最高、其次分別為安裝、除役、加工生產製造及運維。而英國離岸再生能源整合開發中心(Offshore Renewable Energy Catapult, ORE Catapult)針對離岸風場零組件進行碳足跡研究則發現,以產品碳排高低來看,風力機最高,其次依序為水下基礎、扣件及陣列海纜。由於離岸風電建置過程如同一般產業皆會對環境造成影響,尤其涵蓋生產製造、安裝、運維及除役等眾多範疇,為響應各國政府2050淨零排放目標,國際風場開發及風力機系統標竿廠商也紛紛跟進提出淨零目標,並採取低碳化策略與作法。

(一)風場開發商沃旭(Ørsted)

沃旭能源自2020年起即推動供應鏈減碳計畫,從策略供應商(占採購支出60%以上)開始進行離岸風電供應鏈減碳,力求2032年供應鏈之絶對碳排放量較2018年減排50%,2040年需達淨零排放,並要求供應商需設定以科學為基礎的目標並報告其排放量、2025年前100%採用綠電製造產品與提供服務(含所有Tier1供應商)、優化產品船舶運輸路線並制定可採用低碳動力系統(例如採用氫燃料、油電混合或全電動)的路徑圖。為提高供應鏈碳排資訊揭露的透明度,針對溫室氣體排放源範疇3之排放績效進行特定資產LCA評估報告,並參與英國碳信託公司主導的離岸風電產業永續聯合計畫。由於鋼鐵碳排占供應鏈50%以上,開始探索如何由除役後的風場廢鋼材再次投入到風場使用。沃旭和德國鋼鐵廠Salzgitter AG達成協議,沃旭提供Salzgitter離岸風電能源和離岸風電製氫等綠電使用外,Salzgitter所生產的低碳鋼材在沃旭離岸風場應用,並計劃將沃旭廢棄風力機產生的廢料重新用於鋼鐵生產製程。

(二)風力機商西門子歌美颯(Siemens Gamesa Renewable Energy, SGRE)

西門子歌美颯(SGRE)90%碳排放來自供應鏈,擬定2040年達淨零排放目標,並建立正式供應鏈永續團隊,推動50%的供應商(葉片、齒輸箱、電力零件、機艙)原料採購、製程加工及運輸配銷需訂減排科學目標。由於風力機零組件大都可以回收再利用,目前只有葉片較具挑戰性,致力於2030年可將葉片100%回收。SGRE已推動其配電盤使用全球暖化潛勢值(Global Warming Potential, GWP)<10的氣體,並致力於與其供應商合作,為其餘使用案例尋找類似的解決方案。

(三)維特斯(Vestas)

維特斯(Vestas)透過風力機設計、綠色材料採購(2030年前採購10%零碳鋼材)、基礎設施脫碳以利運輸與服務、設定減碳目標及知識分享協助供應商脫碳等作法,致力於達成2030年供應鏈減排45%、碳排放量達3.75kg/MWh。為能於2040年達零廢棄風力機目標,2030年之前承諾製造商業化可回收葉片、提高材料有效性達90%、減少供應鏈廢棄90%及零組件翻新再利用率達55%。Vestas持續投資瑞典公司Modvion研發木製塔架,材質由單板層基材(Laminated Veneer Lumber, LVL)構成,與現有鋼材相比,宣稱可減少90%碳排放量,惟目前僅在2MW商業化階段。鋼材約占供應鏈碳排的50%,Vestas鼓勵鋼鐵材料供應商採用綠氫和綠電生產鋼材。

三、離岸風電供應鏈低碳化技術趨勢

(一)風力機

SGRE和Vestas致力於可回收葉片的開發,SGRE著重在葉片採用新型樹脂設計,除役後將葉片浸入再生能源加熱的弱酸性溶液中,可將樹脂與玻璃纖維、塑料、木材和金屬分離,基材可回收成為熱塑性材料,並與增強材料在各領域重覆使用;而Vestas則致力於葉片的回收再利用,與環氧樹脂公司Olin及資源回收商Stena Recycling合作,將熱固性複合材料分解成纖維和環氧樹脂,再藉由新的化學循環(chemcycling),將環氧樹脂分解成類似基本元素的小分子,最後將這些小分子重新製成環氧樹脂,再次投入葉片的生產。2021年SGRE和其母公司Siemens Energy宣布開發創新離岸風電製氫解決方案,透過改造SG 14-222 DD風力機,以在其塔架底部集成電解系統,並能透過離網運行、連結更多風場來降低製氫成本。

(二)水下基礎

丹麥商Bladts Industries在業主沃旭指導下,使用綠色鋼材及100%綠電生產單樁式水下基礎。阿拉伯商Lamprell為供應低碳套筒式水下基礎,則透過數位創新及提高能源使用效率、生質能及天然氣等作法,以達到2050淨零排放。荷蘭複合材料接頭設計和製造商Tree Composites 開發K、雙 K、三 K、T、X 或 Y(字母表示接頭的形狀)等接頭結構,採用複合材料(樹脂供應商AOC Nederland和Büfa)包覆製成【圖1】,以產生足夠大的黏合表面,以重量和材料體積有效的方式承載應力,從而減少構件界面處的極端載荷,進而減少鋼材使用。Tree Composites已與Shell Global Industries和 Siemens Gamesa以及工程公司 Enersea以及兩家導管架基礎製造商 HSM Offshore和 Smulders建立合作夥伴關係,技術成熟度尚在TRL 5,預計2023年可達TRL6示範。

圖1 複合材料接頭於套筒式水下基礎應用

資料來源:Tree Composites
圖1 複合材料接頭於套筒式水下基礎應用
 

(三)電力設施

過去離岸風電用變壓器、配電盤等開關設備採用SF6(六氧化硫)氣體作為絕緣介質和冷卻介質,乃因其在防火、安全、用電可靠性等方面具有優異性能。但SF6屬含氟溫室氣體(F-gases),歐盟2014年曾禁用但遭電力業者反對,2023年3月,歐盟提議修訂這項關鍵立法,對在電網技術中使用含氟氣體施加更多限制。西門子能源改採潔淨空氣(Clean Air,由80%氮氣和20%氧氣組成)作為介質,目前已廣泛使用在風力機上,並開發Blue GIS氣體絕緣開關設備,將陸續推廣至陸上及海上變電站所用。日立能源除了推出SF6 Free配電盤及、EconiQ的變壓器(低耗損設計、使用生物可降解絶緣油)之外,近來更與浮動式風電開發商合作開發OceaniQ™變壓器,採用輕便、緊湊和模組化的設計,包括外殼、油箱和零組件等,進而降低運維能耗成本。丹麥商NKT採用低碳銅生產離岸風場的高壓直流海纜,製造流程乃由瑞典Boliden Aitik礦場低碳銅(礦區和冶煉廠運輸採用電動車)以電動火車運至Elcowire公司進行銅線製造,銅線再運至NKT位於瑞典Karlskrona的工廠進行,該工廠使用100%的再生電力生產高壓直流海纜,碳足跡將能減少35%以上。

四、結語

目前包括沃旭、SGRE、Vestas等國際大廠皆以2040年達淨零排放為宗旨,並透過製程改善(綠色材料、提高能源使用效率)、能源轉換(採用天然氣、綠色電力)、循環經濟(原料替代、能資源整合)三大面向推行減碳措施。在政策推動下,我國業者已陸續成為這些國際大廠的供應鏈,然我國製造業者的產品在離岸風電生命週期內尚屬溫室氣體排放範疇3(就風場開發商、風力機系統商而言),為碳排較高的一環。為能配合業主的減碳目標,推動低碳化工作克不容緩,建議國內廠商可盡早投入碳盤查或碳足跡相關作業,並設定減排目標,後續透過製程改善、能源轉換及循環經濟等作法達成。

歐洲刻正進行離岸風場生命週期包括上游供應鏈、施工安裝及運維各階段的碳排放量計算,將成為未來全球離岸風電業界碳排放計算標準,恐對未來我國離岸風電產品出口貿易造成衝擊,政府及廠商皆需密切關注其發展進度,以便提出相關因應措施。

(本文作者為金屬中心執行產業技術基磐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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