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產業技術評析

全球風力發電擴大應用技術發展現況
發表日期:2023-05-17
作者:吳秉洲(工研院)
摘要:
因應全球積極尋求達成淨零碳排目標的方法,以及俄烏戰爭使歐洲各國思考能源自主的重要性,故使再生能源需求顯著增加。技術成熟的陸域風力發電持續擴張設置,臨海國家則聚焦在推動離岸風電;隨著風力機的裝置量提高,預期未來離岸風場開發將面臨發展障礙,各國開始依其背景發展各式可能解方,以進一步推升風力發電裝置量。

全文:

一、淨零碳情境提升風力發電需求

在聯合國氣候變遷綱要公約(United Nations Framework Convention on Climate Change,UNFCC)框架下,COP 26主辦國英國於2019年6月宣布將2050年前達到溫室氣體淨零排放的承諾納入氣候變遷法,也成為第一個把淨零碳排目標入法的G7國家,「淨零碳(Net Zero)」讓世界各國紛紛提出各種技術以達目標。從技術應用角度可歸納成能源供給、能源應用、固碳及負碳、及其他等類別。在淨零碳發展趨勢,對風力發電裝置容量的需求將提高,但可預期未來風場開發將面臨以下發展障礙。由於風況優良且易於開發的場址已不易尋覓,未來將面臨開發困難,必須擴大可應用場域,如陸域往山區、離岸向深海擴張,所需技術能量應隨之調整。

因應全球積極尋求達成淨零碳排目標的方法,以及俄烏戰爭使歐洲各國思考能源自主的重要性,故使再生能源需求顯著增加。技術成熟的陸域風力發電持續擴張設置,臨海國家則聚焦在推動離岸風電;隨著風力機的裝置量提高,預期未來離岸風場開發將面臨發展障礙,各國開始依其背景發展各式可能解方,以進一步推升風力發電裝置量。

二、陸域風電擴大應用技術概論

我國在陸域風電裝置量不如離岸風電裝置量,主因受限於陸域風場可設置面積有限,容易影響原本地目使用。若暫不考慮可設置面積,在印度風能和太陽能資源豐富,透過風能和太陽能共構可以增加電網穩定性和可靠度。其自2018年宣布印度風能暨太陽能混合動力(Wind-solar hybrid, WSH)政策,風能、太陽能技術各需至少占比33%,使印度截至2021年9月已累積6.2GW風能暨太陽能混合電力專案得標。

在英國懷特利風場(Whitelee wind farm)是截至2021年英國最大的陸域風場,其計劃利用既有陸域風場擴增建設太陽能、儲能和製氫設備。此風場座落於蘇格蘭的第一大城市格拉斯哥(Glasgow),風場占地55平方公里,也是蘇格蘭最大陸域風場。2007年第一期裝置量322MW開始運營;2013年第二期裝置量217MW開始運營,共有215台西門子的陸域風機,總裝置量539MW。2021年蘇格蘭電力提出風場增建計畫:太陽能20MW、電網級儲能50MW x 100MWh、電解製氫槽20MW(每日可生產8噸氫氣),預期在2023年底開始運營,將是英國最大的綠電製氫槽,每天將產製8噸綠氫供給巴士(550輛 x 145公里-可往返愛丁堡至格拉斯哥市),實現蘇格蘭無碳交通的計劃,同時滿足蘇格蘭日漸增長的工業氫氣需求。

三、既有離岸風場擴大應用製氫技術

在淨零碳的情境下,國際能源總署(IEA)指示淨零排放的關鍵策略,其中即包含提高再生能源和開發氫能。此外因俄烏戰爭影響歐洲天然氣正常供應,更加深各國強化能源自主的意識,使得再生能源製氫受到更高關注。另從2023年3月已公布的「臺灣2050淨零排放路徑藍圖」中亦可得知提高再生能源裝置,再加上氫能,都是落實淨零排放的必要手段。國際現階段離岸風電製氫仍處在發展初期,許多國家及業者相繼投入規劃,逐漸形成不同的發展模式。

離岸風電整合製氫計畫在丹麥和英國均有使用既有示範風場的風能供給製造綠氫,以下分別介紹丹麥H2RES計畫(離岸風電配合陸域製氫)及英國HT1計畫(離岸風電配合海上製氫)。

(一) H2RES計畫

丹麥是最早發展離岸風電的國家,以離岸風電龍頭開發商Ørsted為首的廠商,在丹麥哥本哈根實現全球第一個離岸風電製氫的計畫。為了響應丹麥政府 Power to X 計畫,沃旭使用Avedøre離岸示範風場的自有2支風機,如圖1所示,以展開H2RES計畫。規劃在位於哥本哈根的Avedøre離岸示範風場旁邊陸地上再增建2MW電解製氫槽(由Green Hydrogen Systems, GHS負責)及儲氫裝置(由Nel Hydrogen負責),電解所需能源來自於離岸風場的2座3.6MW離岸風電系統(另有第3座屬於私人公司,無參與H2RES計畫),利用離岸風力機的風能電解水來產綠氫,隨後將綠氫用於零碳排燃料電池的運輸燃料。

圖1、丹麥H2RES計畫所用的Avedøre離岸示範風場

資料來源:沃旭能源官方網站 (2023/04)
圖1、丹麥H2RES計畫所用的Avedøre離岸示範風場
 

(二) HT1計畫

瑞典籍電力公司Vattenfall於蘇格蘭亞柏丁離岸風場(該公司自有風場),離岸3公里,最大水深32公尺,執行「氫渦輪一號機」(Hydrogen Turbine 1, HT1) 的氫能源示範專案,以驗證海上製氫可行性。HT1採用風場的其中一支風機(編號B06,8.5MW) 再加裝延伸平台以容納製氫設備,產氫風力機將通過海底管線(J-Tube和Flowline)連接到陸上儲存設施(Onshore Receiving Facility),將綠色氫氣輸送到岸上,如圖2所示。上述延伸平台的製氫設備包含電解槽、海水淡化設備和壓縮機,以及最多7個獨立的氫氣運輸集裝箱,這些集裝箱將視需要提供額外冷卻。而J-Tube將會是新安裝,是連接製氫平台和海底Flowline的橋梁。此計畫在2022年5月獲英國商業、能源及產業策略部(BEIS)提供930萬英鎊的創新資金,用於在其位於亞伯丁灣的測試和示範風電場,來建造8MW海上製氫電解槽,屬於離岸風電配合海上製氫的類型。

圖2、HT1計畫在既有風機旁新增製氫平台

資料來源:HT1計畫網站 (2023/04)
圖2、HT1計畫在既有風機旁新增製氫平台
 

四、離岸風電整合海上製氫技術(新創試驗)

H2RES和HT1計畫是利用既有離岸風場採取不同策略的製氫模式,此外英國和法國均有投入創新試驗架構設計於海上製氫,以下分別介紹英國Dolphyn計畫及法國新創公司Lhyfe海上電解製氫,這兩個計畫均為浮動式離岸風電搭配海上製氫整合系統。

(一) Dolphyn計畫

首先Dolphyn(Deepwater Offshore Local Production of HYdrogeN)計畫是由英國永灃環境管理顧問公司(ERM)主導開發,將於北海開發浮動式離岸風電與海上製氫的整合系統,並經由既有天然氣管線將氫氣送回陸上氫氣接收站,再分配給加氫站、住宅、大眾運輸及港口/碼頭/工業等基礎設施使用,如圖3所示。採用美國Principle Power公司之WindFloat®浮動式平台,在平台上部署 10MW 大型風機整合質子交換膜電解槽(Proton-exchange Membrane Electrolyzer Cell, PEMEC)電解技術。ERM也和英商海德益有限公司(Offshore Design Engineering, ODE)合作,其為英國石油、天然氣和再生能源市場的國際工程承包商,在Dolphyn計畫負責海水淡化裝置、電解槽接口、儲氫裝置、備用動力裝置和輸出管線的設計,如圖4所示。

Dolphyn計畫已於2019年提出產品概念,獲得英國商業、能源暨工業策略部之氫氣供應競賽(Hydrogen Supply Competition)資助312萬英鎊,並於2021年開發完成第一階段–前端工程設計(Front-End Engineering Design, FEED)階段。第二階段的資金將使 2MW原型系統的詳細設計成為可能,第二階段示範項目將根據第一階段提交的可行性研究進行選擇,預計2029年商業化。

圖3、英國Dolphyn計畫海上製氫專案架構圖

資料來源:Dolphyn計畫,工研院產科國際所 ITIS研究團隊整理(2023/05)
圖3、英國Dolphyn計畫海上製氫專案架構圖
 

圖4、英國Dolphyn計畫海上製氫原型機示意圖

資料來源:Dolphyn計畫,工研院產科國際所 ITIS研究團隊整理(2023/05)
圖4、英國Dolphyn計畫海上製氫原型機示意圖
 

(二) Lhyfe新創公司計畫

除了英國Dolphyn計畫之外,總部位於法國,2017年成立的新創公司Lhyfe是一家為交通和工業提供可綠氫的生產商和供應商,其生產基地及其商業項目管道提供工業綠氫,並進入以環境保護為導向的良性能源模式。

於2022年6月Lhyfe 和法國海事工程和造船公司Chantiers de l'Atlantique簽署合作備忘錄,計畫開發浮動式離岸風電整合海上製氫示範系統,如圖5所示。該案於法國西部Le Croisic 海岸附近的SEM-REV離岸試驗場域,未來電解槽將安裝於複合式浮動再生能源平台上。Lhyfe和Chantiers de l'Atlantique將在連接或不連接電網的風電場上合作開展海上製氫專案。Chantiers de l'Atlantique 負責設計、建造和安裝平台,而Lhyfe則設計和運營綠氫基地。

Lhyfe積極發展海上電解製氫,又於2023年3月Lhyfe與英國能源公司Centrica簽署協議,將在英國共同開發海上綠氫,優先是在北海南部展開試點項目,由Lhyfe提供綠氫生產的專業知識,結合Centrica 在氣體儲存和基礎設施方面的經驗,在英國北海的南方海域合作建設一個離岸風電海上製氫的示範生產基地。圖6為法商Lhyfe與英商Centrica離岸風電海上製氫示意圖。

值得注意的是英國Dolphyn計畫和法商Lhyfe都發展離岸風電海上製氫技術,兩者差異在於Dolphyn是直接在10MW浮動式風機旁的平台on-site製氫,優點是風機之間不用額外舖設高電壓海底電纜,改用氫氣管線送至陸地;也無需擔心風機之間串聯的內部電纜會因為單一風機故障而導致嚴重電壓下降的問題。法商Lhyfe則是在風場附近另外建置海上製氫場生產綠氫,其優點為另外海上製氫場規模大,集中風場的綠電所產製綠氫量大,可透過氣體管線送至陸上,若離岸太遠亦可考慮用氫能船舶運送綠氫,彈性更大。
 

圖5、法商Lhyfe離岸風電海上製氫設施

資料來源:Lhyfe 公司 (2023/04)
圖5、法商Lhyfe離岸風電海上製氫設施
 

圖6、法商Lhyfe與英商Centrica離岸風電海上製氫示意圖

資料來源:Centrica公司 (2023/04)
圖6、法商Lhyfe與英商Centrica離岸風電海上製氫示意圖
 

五、結論

我國積極發展再生能源以達淨零碳及能源自主目標,再生能源政策又以增加離岸風電裝置量為首要,在風力發電裝置容量的需求不斷提高的情況下,可預期未來風場開發將面臨以下發展障礙,風況優良且易於開發的場址已不易尋覓,未來將面臨開發困難,必須擴大可應用場域。本文涵蓋陸域風場及離岸風場的擴大應用,歐洲國家除了加速風場建置以外,也積極發展離岸風電搭配陸上製氫和海上製氫,但仍在萌芽階段,建議我國可依產業技術能量,開發並驗證可行的技術與商業模式,輸出國際爭取全球商機。
 

(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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