新興綠能遇挑戰 永恆之海盼轉機

記者 蔡幃帆、王亭雅、王亭軒/採訪報導

國家發展委員會指出,「2050淨零排放規劃」的四大策略包含能源轉型,其中,主要的再生能源為風力、太陽光電等,海洋能及地熱則歸類於前瞻能源。台灣具備四面環海的優勢,蘊含龐大的海洋能發展潛力,可開發海洋能的背後也隱藏巨大的資金壓力、繁瑣的行政流程,以及與生態環境共存的困境,種種因素阻礙海洋能發電的發展。即便至今尚未有海洋能機組的成功案例,海洋能發電依舊處於萌芽期,各方業者、學者仍不遺餘力地投入,致力提升海洋能發電的可行性。

「2050淨零排放規劃」四大策略中能源轉型政策,提升能源自主與多元。製圖/王亭軒(資料來源:經濟部能源署)

因應地球極端氣候變遷,減少碳排成國際趨勢,由氣候組織(The Climate Group)及碳揭露計畫(Carbon Disclosure Project, CDP)所提出的國際再生能源倡議RE100,推動100%的再生能源,改善溫室效應。而根據台灣電力公司統計,2022年台灣發電量占比,火力發電高達81.0%,包括燃煤34.8%、燃油1.4%、燃氣43.4%,天然氣和煤炭都是從國外進口,戰爭、國際情勢導致原料的壓力,都會危及台灣的能源產業。

近10年全球年平均比較排名。  製圖/蔡幃帆 (資料來源:National Centers for Environmental Information )
溫室氣體排放是極端氣候影響因子,臺灣溫室氣體排放總類與各部門排放比較。 製圖/蔡幃帆 (資料來源:2023中華民國國家溫室氣體排放清冊報告 )

現今台灣火力發電的普及率高,歸功於機組供應迅速及量採的低成本原料,台灣海洋能發展協會理事長莊閔傑表示,台灣在能源發展上應具備生產技術,應多運用先天的海洋源優勢,海洋能有望朝大規模的永續發展。

與海共存等待時機 取之不盡的能源供應

「除非沒有海、沒有水,不然海洋能取之不盡用之不竭」,富鴻網經理陳瑞德表示,海洋的資源無疑是再生能源發展中的優勢,若選擇建造水利水壩,每逢缺水時期便會遭遇枯水困境,但海洋資源隨時皆可取得,因此並無此疑慮。相較於太陽能和風力等再生能源,兩者發電週期變化大,莊閔傑認為,海洋能的優勢為,24小時不間歇提供能量。

海洋能政策規劃 與國際接軌達成淨零碳排

政府近年推動洋流發電,台灣東邊特有的黑潮成首推目標之一。黑潮除長期穩定的海流,可24小時供應,其巨大的開發量,也可通過併網供給民生用電,當作基礎電力。

國家海洋研究院今年攜手台灣大學、中山大學和海洋大學,研發浮游式洋流發電機組,在臺東海域建置黑潮發電示範廠,進行實海域測試,逐步建構能源供應鏈,目標在2050淨零碳排計畫達到1.3GW(十億瓦)至7.51GW之間,相當於3.5座核三廠的發電量。

臺東浮游式發電機組和FKT機型。圖片提供/國海院

全球唯一 掌握黑潮的獨特性

第二期能源國家型科技計畫」又稱為NEP-II,以推動六大主軸為中心,包含,節能、替代能源、智慧電網、離岸風力及海洋能源、地熱與天然氣水合物、減碳淨煤。結合國內產學研,促進再生能源產業及減碳技術的研發,其中也含離岸風力及海洋能源。根據「2050淨零排放規劃」,2050年台灣整體電力預估需要40GW至50GW,再生能源則目標占其中的60%到70%,而再生能源中海洋能又屬黑潮的潛力最大,可達4GW。    

歷經四年實作,國立臺灣大學工程科學及海洋工程學系教授郭振華團隊的浮游式洋流發電機正放在台東與綠島間的海狹。郭振華分享運作模式,發電機組搭配沉落海床上的二十噸水泥塊,兩者之間連接電纜線及牽引線,透過洋流帶動葉片旋轉產生動力,再將資料傳輸至岸上的貨櫃實驗室,透過持續監控以便隨時啟動維修機制。

國家海洋研究院攜手台灣大學、中山大學和海洋大學,研發的浮游式洋流發電機組,透過洋流帶動葉片旋轉產生動力。 圖片提供/國海院

以研究的角度而言,郭振華解說,藉由水流的能量轉變成電力,大約有60%可以進入發電機,最後剩約40%的電量可使用。但若想在本島大量生產機組,需先投入上千台的基礎設備,可初始階段將因成本不足,無法實行。

多功能性防坡堤 天然風洞成首選

國立中興大學土木工程學系早期發展海岸防護及海岸工程,現則轉為設計新型的防波堤。國立中興大學土木工程學系博士後研究員柯鈞瀚表示,此裝置依附在現有的開發之下,建造時已具備發電的條件,能夠收集原被防波堤消散的能量,再轉變成電能。他補充,當修復或延伸現有的防波堤時,可替換成新式裝置,而此新裝置具備多種模組,可因應各種天氣變化。當遇颱風,裝置體的受力將降低,比原本的防波堤更加穩定,進而增加存活性,並朝再生、永續發展。    

防波堤式波浪發電,適用於具港灣延伸需求之港口,而從港灣延伸出去的防波堤,主要功用為阻擋大浪。柯鈞瀚表示,早期文獻的場域皆以東北角港域為主,但被稱作天然風洞的西部地區,浪隨著風起伏,也適合開發波浪發電。藉由港灣技術研究中心提供的測站,顯示台中港的波浪規模的潛能較東北角理想,流向也更加穩定,因此選定為,此次與富鴻網合作研究的防波堤式波浪發電的場址。

富鴻網與國立中興大學土木工程學系博士後研究員柯鈞瀚合作防波堤式波浪發電機,將水渦輪機放置水中,使用消波艙結合浪的力量,善用其箱體抗震、扛浪的性質,並利用電力轉換器,發電後送往電力公司。

波浪發電機組運行示意圖。圖片提供/富鴻網

國外已有波浪能發電機組成功的案例,陳瑞德期望參考其優勢,並運用至自身研發的機組。其中,西班牙的Mutriku港有世界第一座商業化的防波堤式波浪發電系統,已運行13年,穩定提供漁港居民的民生用電,陳瑞德認為,非常適合未來台灣在發展商轉上的借鏡。

技術發展逐漸成熟 颱風來臨的應變策略  

台灣的天然災害頻繁,業者需將此納入考量,以預防天災破壞機組運作。莊閔傑表示,應對策略是在岸邊的波浪能機組,設計懸臂和浮桶發電,若颱風來襲,能立即將發電機拉回附近港口,並關閉機組。他強調,海洋的變化性大,需實際安裝測試及長期實驗觀察,又因水中器材保養不易,發電設備使用FRP玻璃纖維防腐蝕材料,且需考量長久性,並透過定期維護,延長使用時間。

一般海流都是海面的流速較強,反之,一定深度流速就會略減,直至海底速度即歸零。郭振華提及,若想採用海流發電,唯一的方法為,將發電渦輪機浮在水面,並使用一定重量的錨碇固定至海底。假設颱風來襲,巨大的風暴會使海平面產生漩渦,但越深的海域晃動相對越小,所以郭振華團隊在發電機內設計沉浮系統,仿效潛水艇內部的水櫃,透過排水及吸水,控制整體或特定部位的上浮與下沉,應用阿基米得原理防治天然災害。

除此之外,為了使航道通暢,發電機也需適時下潛,郭振華說明,將發電機組設置在淺海處可降低纜線的損害,卻恐影響漁業生計,因此必須移往深海。他說,雖深海的海流較強,但目前台灣所營運的深海工程的船舶佔少數,過去也僅有沿岸的海事工程,因此缺乏深海船舶的業者協助,整體實行又更加困難。

天災技術有解方 繁雜行政影響作業

天然災害、環境保育的平衡一直是學者考量的因素,郭振華表示,現今已有應對措施。再者,黑潮發電的技術開發與離岸風電的海事工程相同,保養程序也一致,技術層面的疑慮也得以解決。然而,繁複的行政流程也需改善,郭振華舉例,申請測試場域需要花費一年的時間,經由水下考古、漁場、公眾等社會團體同意,才得以獲得一個月的實驗機會。

以波浪能為例,台灣海岸線一千多公里,可用的範圍卻有限,案場的主管機關基於安全考量,以及不熟悉機組特性,通常不願意開放地點給予業者試驗。莊閔傑提到,工研院評估波浪能發電裝置適合的海域場址,分布東北角、澎湖和離島等,期望以「海堤共構」的形式,與港都周圍的業者合作,開發新生地。而其首需考量社區與捕魚產業的影響,興建設施應要避開消波塊防止海浪侵蝕的地帶。

土地受限成難題 海洋能法規仍未健全

台灣地狹且四面環海,取得用地是海洋能發展中面臨的最大問題,柯鈞瀚表示,太陽能、風力等再生能源的建置皆需陸地,在土地受限之下,應思考波浪發電如何開發。陳瑞德提到,在推展的過程,可能會面臨環境保護、古蹟甚至釣客權益受損等爭議。相關業者也未必有過往經驗。因此,柯鈞瀚建議,當政府的法令還未明確之前,各領域專家應提供專業建議,使各界基於自己的職責下,達到能源開發、生態保育、地區利益的平衡。

對於海洋能而言,前期的場址調查為設立發電廠的關鍵,台灣明耐洋流發電設備有限公司專案經理陳勇隆認為,若資源評估錯誤,將影響後續電力的產生。他提到,潮流能為天體運動,藉由月亮、太陽、地球的引力產生動能。透過儀器取得數據,再對照數值模式,可以準確預測未來五年的潮流狀況,進而估算電能,相較其他海洋能更有可預測性。    

可不確定海域所屬的權責機關,加上申請流程漫長,有否適合的海域讓業者測試,柯鈞瀚認為,缺乏實際海域進行測試,將影響後續研究評估。他表示,雖研究室具有各式人工水槽,但實際的浪潮並不規則,方向也不固定,藉實際場域才可收集實測資料,再經數字模擬等,進一步優化基礎,調整出適合台灣的OWC裝置(震盪水柱式發電系統),因此,至實際海域測試機組仍為必要。

OWC防波堤裝置示意圖。 圖片提供/柯鈞瀚

實地調查並非容易,因為深海的狀況難以預測,且四季皆不規律,必須監測一年才可得整年的氣象狀況。再者,龐大的結構體放置海床,將增加環境的負擔,需花費人力、資金調查水下生態,投入的經費也為風險之一,且在試驗階段無法保障能否回本。

除以上難關,台灣電力公司再生能源處處長蔡英聖認為,法令是新能源面臨的最大挑戰。由於海中並無建築物,法條完整度不如陸地上興建房子的建築法規,僅能嘗試按照陸地上的法規申請,但海洋的界線模糊,無法準確分別所有權及歸屬權,衍生諸多問題。業者只能自行搜尋認為適用的法規,可假設缺乏相關法規,審核機關也未必有負責人,公務人員更可能因無法規依據,而停滯處理。

海洋能試驗基地相關法規許可建議流程。資料來源/台電再生能源處

期盼與漁民共融共存

申請海域許可權需要內政部地政司的核准,依據《中華民國專屬經濟海域及大陸礁層法》第15條規定《中華民國大陸礁層舖設維護變更海底電纜或管道之路線劃定許可辦法》,受理在我國經濟海域暨大陸礁層,進行海底電纜或管道之路線勘測、舖設、維護及變更許可申請,國海院研究員李傳宗表示海底電纜的架設牽涉到漁業和礦區的開發和水下使用的規範,需要和縣市政府、農業部漁業署、原住民委員會等的十幾個單位協調。    

位於西岸的離岸風力發電的設置歷程也需時間解決,國海院主任廖建明談到,機組葉片轉動產生海流,透過攝影機監測站觀察,海流變化會吸引大批魚群跟隨。影響漁船捕撈,目前正和延繩釣業者溝通,期盼與漁民合作。

海洋能機組的隱憂 漁業與生態環境挑戰

目前台灣沒有真實的海洋能案例,仍處研究階段。黑潮海洋文教基金會執行長林東良表示,環境保育僅能參考西部海洋離岸風電。若未來海洋能商業化成功,機組運作過程中產生的低頻噪音,或風扇設計促使魚群誤入,皆會影響魚類生存以及安危。

位於深海的洋流能機組,需使用鋼纜或繩索固定於海床,林東良認為,可能造成回游生物被纏繞甚至傷亡,損害漁民的漁具,或導致電廠設備異常。避免繩具對機組造成傷害,他說道,曾設想回歸傳統ー標刺漁法,即漁人使用標槍於海平面上標刺鬼頭刀、旗魚。此方法雖不會影響海面下運作的機器,但對於漁民反而效益不佳。業者為了維護長時間處於高鹽度海水內的機組設備,除定期保養,也運用防水材料,以減少機組損害。其中,防水材料為化學塗料,內含些許毒物,也讓國際環保組織倡議,禁用特殊塗料。

漁電共生 環評法規深入調查

現今大型開發皆需朝漁電共生及環社檢核,意旨開發初期需透過生態環境等調查,檢視工程能否與環境、社會共存共榮。林東良舉例,假設選擇花蓮外海為場址,除牽涉海上區域,還須顧及陸地上接應電力傳輸的處理站,而此建置必須考量當地環境、社會面的狀況。因此,關於業者使用範圍,東海岸原有的賞鯨業者、休閒娛樂業者、漁民,以及日漸興起的交通船產業,未來都可能面臨使用空間被限縮。

以西部海岸而言,離岸風電即將發展,才同步進行當地生態環境的深入調查,林東良認為,整體「進展太慢」,儘管法令完備,對於當地的接受度仍是一大挑戰。林東良期望東部海岸開發前,能儘早溝通並執行環境評估,以迴避動物的棲息地。且面對仰賴捕魚維生的漁民,雙方需儘早溝通協調,使漁民有充足的時間可以提早調整、輔導轉型應對未來生計。而沿海地帶多屬於原住民的傳統領域,族群文化也成為備受關注的議題。

公正轉型 追求兼容並存的社會

去年(2022),工研院事先與黑潮夥伴溝通,盤點東部海域的隱憂,林東良認可此作為。也透過與餐廳業者、旅遊業者等交流,收集社會層面的擔憂,提供工研院在地相關資訊的彙整,期許推動過程中,政府能照顧不同層面的居民,幫助其減少衝擊,並讓不同領域發聲。

開發環境需聆聽各方的聲音,採納多方意見,林東良談及,以黑潮的立場相當支持「綠能」發展,但綠能推動過程中仍存疑慮,能否邁向「公正轉型」,顧及不同面向並追求多方的平衡性。林東良表示,應非單純犧牲生態面,且優先考量人類的需求,應降低對生物的傷害,且關心當地的居民。

電網傳輸大解密

提及傳統電力與再生能源發電,蔡英聖說明,傳統電力依靠台北、台中、台南、高雄的大電廠發電,電量提高後,透過電網傳輸至各地域。但因電壓越高,易損耗熱能,導致效率降低。因此,高壓電力傳送至不同地區,需降壓以因應當地需求。反觀再生能源為低壓電力,屬於分散式能源,適合自給式供應,可減少消耗,若電力不足台電再補給,也可升壓集結成大電廠。

商轉仍有一段路 經費成最大阻礙

現今台灣的大規模基載發電仍在發展中,商轉規模的發電量預估至少500千瓦,相當於一整個發電廠,郭振華表示,若想提供本島民生用電,短時間仍受成本阻礙。若海洋要發展成商業發電,可能仍需十年,雖技術、行政層面等疑慮皆可解決,但學者、專家還需時間驗證整體成效。他提到,目前台灣的黑潮發電,仍處學術研究階段,未來的商業轉換依舊存在許多不確定性。

政府為了鼓勵民間投資,於是設定躉購機制。假設建置成功,台電將給予躉購契約,保證購買未來20年的電力。每一度電的躉購費率則是政府透過電力委員會計算,委員們蒐集民間完成後花費的總費用,再以成本加利潤的方式,推算每一度躉購費率約7.32元,但許多業者認為此價格並不合理。蔡英聖表示,因為目前尚未商業化,成本相對較高,且政府本就不會投資研究案,因此價格僅為示範,未來會考量調整,業者仍應先以技術為優先,提升至商業化,而非研究階段使用商業模式看待。

再生能源的發電產業,需要國家政策的支持和市場的接受度,莊閔傑表示,雖富連海能源科技在技術研發上已突破,但其所需的資金龐大,且目前海洋能躉購電量每度7,32元,成本在短期內無法獲利。因此,他指出,盼透過長期規劃,與國科會、海委會能源局等相關單位合作,以達成商轉,海洋能才有望在2030年大量拓展。

  • 躉(ㄉㄨㄣˇ)購:為了推廣再生能源的保證收購制度,與固定金額不同,由政府或台電公司以特定費率在特定年限收購所產生的電。

資料來源/能源教育資源總中心

國際海洋能源趨勢 實現氫能儲能

今年七月底到八月初期間,國海院參與英國舉辦EMEC(The Uroprean Marine Energy Centre LTD)海洋能研討會,廖建明指出英國政府補助新創公司研究再生能源,EMEC主要研究潮汐能和波浪能。鄭明宏則表示,國外測試場利用電能轉氫能儲存,似蓄電池,過程中沒有碳排,可做為未來海洋能規劃中的一環。

 

延伸閱讀:

海洋能入列綠電 整體發展待考驗

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