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產業技術評析

Global Offshore Wind 2019 離岸風電產業趨勢觀察
發表日期:2019-08-07
作者:林晏平(工研院)
摘要:
Global Offshore Wind為英國最大離岸風電展會,今年於6月25至26日舉行,與會行業人士超過3,000人,在市場動態、產業發展、新興技術等面向均有交流討論。本文就風力機系統技術趨勢、浮體式離岸風電發展動態、無人機技術應用於風力領域三項趨勢進行分享。

全文:

一、Global Offshore Wind 2019簡介
 

Global Offshore Wind為英國最大離岸風電展會,今年於6月25至26日舉行,與會行業人士超過3,000人,在市場動態、產業發展、新興技術等面向均有交流討論。
 

英國為當前全球最大離岸風電市場,2019年預計將有6GW的裝置容量併網發電,其市場發展動態是離岸風電產業關注重點;同時也將目光投向亞洲及美國等新興市場,探詢出口及投資機會。
 

產業發展較著重在營建及營運期所需產品與服務,也有部分廠商已開始探詢除役階段商機。浮體式離岸風電為最受矚目新興技術,廠商積極推動商業化進程;各類無人機應用也試圖找尋離岸風電生命週期中可切入之處。
 

本文就風力機系統技術趨勢、浮體式離岸風電發展動態、無人機技術應用於風力領域三項趨勢進行分享。
 

二、產業趨勢觀察
 

(一)風力機系統技術趨勢
 

1. Siemens Gamesa 10MW風力機系統將用於第一座零補貼離岸風場
 

離岸風力機系統領導廠商Siemens Gamesa已安裝超過13GW裝置容量,其中超過600支、總功率達3.4GW為直驅式系統。直驅式系統不含易故障的變速齒輪箱,可靠度相當高,為離岸風力機演進主流趨勢。Siemens Gamesa五代直驅式離岸風力機系統演進如圖1。
 

配合電力價格零補貼時代來臨,風力機大型化進程越趨快速。依Siemens Gamesa開發規劃,2014年至2020年離岸風電機單機發電容量成長33%,而2020年至2022年,兩年的時間內將成長25%。
 

 

圖1 Siemens Gamesa五代直驅式離岸風力機系統演進

資料來源:Siemens Gamesa(2019)
圖1 Siemens Gamesa五代直驅式離岸風力機系統演進
 

2. LM Wind Power下一代離岸風力機葉片長度超過100m
 

LM Wind Power現為GE集團下一員,仍持續為陸域及離岸風力機系統商生產葉片。配合GE Haliade-X 12MW風力機系統開發,LM已打造出全球最長風力機葉片,長度為107m,此款風力機預計可於2021年商轉之風場。
 

風力機單機發電容量是否能持續增長,LM從葉片廠商的觀點說明幾點技術挑戰需克服:製造、運輸及生產規劃、高強度低成本混合材料開發、能減輕葉片負擔的控制系統,而這些考量都須回歸到風力機系統商的成本模型,才能決定單機發電容量的成長空間。
 

3. GreenSpur開發減少對稀土材料依賴的永磁直驅式發電機
 

英商GreenSpur開發了一款以鐵氧體(Ferrite)為主要材料的永磁直驅式發電機,完全不須使用稀土材料(Rare Earth Magnets),發電功率為250kW。
 

當前用於離岸風電的永磁直驅式發電機相當仰賴稀土材料,生產成本易受其價格波動影響。依GreenSpur提供之數據顯示,稀土材料每公斤價格為40英鎊,鐵氧體僅為1英鎊;且前者預估年產量為30萬噸,後者之儲藏量則高達800億噸。稀土金屬在需求面有電動車、半導體等產業共同競爭;生產面來看,全球最大稀土材料生產國為中國大陸,中美貿易戰帶來的負面影響是廠商亟欲避免的一項風險。
 

(二)浮體式離岸風電發展動態
 

1. 浮體式離岸風電商業化推動策略
 

德國電力公司Innogy為相對積極投入浮體式離岸風電之開發業者。根據其定義,安裝1~3支風力機屬於示範型計畫,50~250MW為準商業化,250MW以上才屬於真正商業化應用。為達成浮體式離岸風電商業化目標,Innogy提出五項要素:(1)開發商經驗、(2)設計最佳化、(3)產業鏈建置、(4)了解完整生命週期、(5)技術保證;和四項策略作為:(1)積極參與示範技術、(2)找尋全球開發機會、(3)發展浮體式合約策略、(4)投入共同產業計畫(Joint Industry Project)。同時強調,整體產業須合作才能達成目標。
 

美商Principle Power之主力技術為WindFloat浮體式水下基礎,於歐洲、美國、亞洲等地均有佈局,相當自信能夠降低亞洲市場離岸風電設置成本及風險,尤其能適應地震及颱風等天災;除適用於60m水深以上之海域,也試圖取代40-60m之固定式水下基礎。WindFloat未來兩年將於葡萄牙(24MW)、法國(25MW)、蘇格蘭(50MW)用於浮體式實證計畫,在技術可行的狀況下,希望能說服銀行團放款及降低離岸風電發電成本,為前進商用市場的前置作業。
 

2. 多樣的浮體式水下基礎設計及技術驗證
 

Demowind計畫由ERA-NET(European Research Area Net)共同基金資助,此共同基金之資金來源為歐盟展望2020(Horizon 2020)計畫。Demowind目標為鼓勵公私部門於離岸風電技術示範階段合作,並使技術商業化、進一步降低離岸風電發電成本;其中與浮體式離岸風電技術相關的計畫有WIP+、ForthWind及CHEF(Compact Holistic Efficient Floating Turbine)三項。
 

WIP+計畫由英國和西班牙工程公司合作,開發可乘載雙風力機之浮體式水下基礎。今年度將在西班牙加那利群島測試中心實際驗證1:6模型,目標希望能裝設單機發電容量5~6MW的風力機,使平台之總發電容量達到10~12MW。
 

ForthWind計畫下包含多項新興技術試驗,而西班牙公司Saitec設計的一款半潛式浮體式水下基礎技術SATH也將於此進行實地驗證,預計今年度將完成安裝。
 

CHEF(Compact Holistic Efficient Floating Turbine)計畫設計出一款適用於8MW風力機之水泥材質浮筒式水下基礎,水槽試驗已於2018年底完成。
 

3. 海上變電站適用之自安裝式浮體式水下基礎
 

英商ARUP工程顧問公司移植其油氣產業經驗,將固定式ACE海上平台改造為浮筒式,可用於乘載離岸風電所需之海上變電站。ACE浮筒式水下基礎安裝程序如圖2。
 

ACE浮筒式水下基礎之優勢包含(1)可先於港口預組裝,使作業時程較不受海象影響;(2)不需動用大型工作船,只需拖移至安裝點,再執行自安裝(Self-Installing)作業;(3)可用甲板空間廣闊;(4)便於安裝及除役。整體可較傳統浮筒式結構成本節約14%。
 

圖2 ACE浮筒式水下基礎安裝程序

資料來源:ARUP(2019)
圖2 ACE浮筒式水下基礎安裝程序
 

(三)無人機技術應用於風力領域
 

1. 無人飛行載具可擴大風場資訊監控範圍
 

First Airborne是一間以色列的新創企業,試圖利用空中無人機更精準掌控風場運作狀況。因無人機之量測範圍較不受高度及範圍限制,並可直接量測風力機造成之尾流效應(Wake Effect)。
 

一般風力機上均有安裝感測器,並將資訊回傳至控制中心;而First Airborne更進一步擴大資訊蒐集範圍,可蒐集風場任意位置的環境資訊,搭配原有風力機感測器資訊,更快速找出哪一支風力機運作狀況不佳,再安排檢修服務。
 

2. 無人水面船舶提高海洋環境資訊蒐集效率
 

XOCEAN來自愛爾蘭,其設計之無人水面船舶可在海上運作18天,24小時運轉。服務項目包含海床調查(Seabed Surveys)、生態資訊蒐集(Environmental)、海洋環境資訊蒐集(Metocean Data)、即時資料整合(Data Harvesting)及資產監管(Asset Security)等。與一般傳統調查方法相比,耗費成本約為三分之一,因不必派遣人力至海上且可連續運轉。XOCEAN一款無人水面船舶XO-450實體如圖3。
 

目前尚未有離岸風場開發採用XOCEAN之服務,但已獲得英國海事及海岸救援局(Maritime and Coastguard Agency)下Civil Hydrography Programme計畫委託,完成2,000小時的海床地形調查實績。
 

圖3 無人水面船舶XO-450

資料來源:工研院產科國際所ITIS研究團隊(2019/07)
圖3 無人水面船舶XO-450
 

3. 遠端遙控載具搭配即時3D成像技術觀測水下資產
 

若要調查離岸風電水下資產狀況,目前所用技術需解析大量影像,相當耗時、昂貴且不即時,如何使過程自動化相當關鍵。
 

英國公司ROVCO利用遠端遙控載具(Remotely Operated Underwater Vehicles, ROV)配備SubSLAM X1攝像機,可輸出4K影像及3D畫面,讓技術人員可立即偵測問題並指導維修,並能更精準預測水下資產的預期壽命及各類風險,降低維運成本。
 

三、總結
 

從此次Global Offshore Wind 2019觀察到三項離岸風電產業趨勢分析如下:
 

(1)離岸風力發電機致力於降低成本:離岸風力機系統為影響發電成本最關鍵的一環,一般認知為單機發電容量越大,越能降低發電成本。而各國改採價格競爭模式決定開發權分配或電力補貼對象,開發商面臨相當大的成本壓力;面臨此狀況,風力機系統商則盡力加速研發時程,使得無補貼風場成為可能。
 

(2)浮體式離岸風電商業化進程:浮體式離岸風電技術可行性受認可,推動商業化進程之重點在於取得利害關係人信任及建構產業鏈。當前主流離岸風電開發業者於浮體式離岸風電著墨不多,採取較被動的觀察姿態;而未能在固定式技術取得優勢的開發業者,則投入各類浮動式水下基礎的研發與實地驗證,期望能在浮體式技術應用中取得主導位置。此外,可觀察到不少新創公司投入浮體平台技術設計,但甚少能進展至現地驗證,缺乏資金為最主要原因。
 

(3)無人載具技術創新空間廣闊:離岸風電因設置於海象險峻之處,海上作業常受限於天候,技術人員之效率也因此受到影響,如何應用無人載具輔助資訊蒐集及維運是一重要發展方向。在企業投入技術創新同時,必須積極與離岸風電營運商接觸,並清楚闡述能為業主帶來之附加價值,一方面縮短研發至商用所需花費時間,也較能說服業主轉換運用新技術。
 

(本文作者為工研院產科國際所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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