各國浮動式離岸風機(FOWT)示範計畫概論

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各國浮動式離岸風機(FOWT)示範計畫概論

發布時間: 2023-12-01
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  截至 2023 年,許多浮動式風能概念已成功完成原型示範階段。一套成功的示範計畫,將左右風場最終能否商轉。以台大浮台(TaidaFloat)和德塔浮台(DeltaFloat)為例,這兩套由臺灣所設計的新式浮動平台,後續開發便有賴於所謂的示範計畫。本文除概述及分析各國的成功案例,並針對臺灣如何研擬示範計畫提出建議外,也將深入剖析在臺灣海峽或其他場址完成示範計畫的方式及可能成本。

近代 FOWT 示範計畫面面觀

  陸上風機最初於 1887 年問世,當時就被布萊斯(James Blyth)用於發電一途。一直到了 1990 年代,風電才開始普及並獲得廣泛運用。

 


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表1:成功部署的 FOWT 示範計畫比較

 

  2009 年時,第一套浮動式離岸風機(FOWT)示範計畫由挪威國家石油公司(Statoil,現為 Equinor)安裝完成。此後,僅少數國家推動大規模的試驗和示範計畫,有些甚至等了十年才正式建置風場。總之,這些國家從示範計畫中汲取了不少教訓,並調整相關設計。表 1 為 2022 年 9 月以前所有公開推出的離岸示範計畫(按時間先後順序排列)。

Hywind 與 Tetraspar(斯堪的納維亞半島)

  身為再生能源的先驅,挪威早在 2009 年便率先推出 FOWT 示範計畫,在當時可謂一大突破。此舉不但讓世人對 FOWT 的可行性產生信心 (Reference 1),也促使挪威在 FOWT 技術取得領導地位。值得注意的是,Hywind 浮筒式浮台在完成示範計畫多年後才全面可行,在在顯示主事者在每個方面都必須下足功夫。對於大多數的示範計畫而言,融資並非易事,但這對 Hywind 卻不成問題,因為它是由當時的挪威國家石油公司所打造,目的是追求潔淨能源。該示範計畫仍處於測試階段,預計供電至 2029 年。它催生了目前全球最大的浮動式風場 Hywind Tampen,共計 11 座浮筒式平台,供電對象為當地的油氣平台。

  另一項位在斯堪的納維亞半島的示範計畫為圖 1 中 TetraSpar (Reference 2)。儘管它是 2022 年才亮相的最新示範計畫,但從風機功率為 3.6 百萬瓦(MW)這點來看,嚴格來說已是一座全面運作的平台。TetraSpar 採浮動式設計,走小而美、可量產的路線,由三家能源巨擘共同出資約 5,000 萬美元。設計部分由全球知名的斯蒂達爾(Henrik Stiesdal)操刀,他希望能讓這三家公司相信,這套平台設計將從眾多競爭者中脫穎而出。有趣的是,在該示範計畫登場後,卻又出現一套純半潛式設計,預計供未來使用。這或許也顯示出,TetraSub  (Reference 3) 具備推陳出新和不斷進化等概念。

  歐洲固定式離岸風機大多安裝在相對安全的波羅的海海域,也因此安裝操作容易且極端負載較低。隨著挪威和英國成為浮動式風場的佼佼者,重心已經轉移到北海,平均浪高可達 11 公尺 (Reference 4),暴風雨出現更為頻繁。儘管這對結構壽命帶來全新挑戰,卻也提供了品質更好的風區。正如全球經濟走向,風電重點正轉向亞洲,除了日本於 2015 年成為第一個完成大規模 FOWT 的國家外,臺灣也對風能產業進行了大量投資。不幸的是,亞洲不得不面對當地氣候現象 – 颱風 – 的挑戰。除了秋、冬兩季季風不斷外,夏、秋兩季東亞和南亞偶爾會遭颱風肆虐。換言之,風機和平台的設計必須將颱風風力列入考量。

 


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圖1 全球 FOWT 示範計畫大事紀

 

WindFloat(葡萄牙/美國)與 VolturnUS

  WindFloat 或許可被視為最重要的示範計畫 (Reference 5) ,因為它已成為商用 FOWT 的表率。在葡萄牙推出離岸示範計畫的3年間中,由美國設計的原型遭遇風暴的次數打破紀錄,較預期多出數倍。它成功承受住了破紀錄的 17 公尺浪高,遠遠超過設計浪高。這也說明設計時不僅要考量大多數情況下的浪高,還要顧及極端值。在 5 年使用壽命到期後 (Reference 6),它仍被買下並安置在蘇格蘭的金卡丁 (Kincardine)。該示範計畫催生了兩座成功的小型商轉前風場,一個是在葡萄牙外海擁有 3 座半潛式風場的 WindFloat Atlantic,另一個就是在蘇格蘭外海擁有 5 個半潛式風場的 WindFloat Kincardine。根據美國 Principle Power (Reference 7) 的說法,他們為此設計募資 2,500 萬美元,在葡萄牙外海製造和安裝原型。計畫資金則來自里斯本政府和一家名為 WindPlus 的合資企業,幕後金主包括葡萄牙電力公司 (Energias du Portugal)、西班牙石油業者力豹仕集團 (Repsol)、葡國製造商 A. Silva Matos、丹麥風機大廠維特斯 (Vestas) 和政府創新基金。

  有別於大多數的商用計畫,Volturn US demo (Reference 8) 的詳細資料不但被完整公佈,還用於驗證模擬軟體的預測:它證明模擬產生可信的結果 (Reference 9)。它還詳細探索了拖曳操作。然而,使用的風機非常小,儘管取得了成功,但並未立即在美國造成全面性的 FOWT 開發,甚至 10 年後也未見有效的計畫。18 個月後除役並被拆卸。

Mirai、Shinpuu 與 Gotoin(日本)

  在四座 Fukushima Forward 平台 (Reference 10) 中,配備 2MW 風機的 Fukushima Mirai (Reference 11) 順利執行。不同的日本機構為其量身打造多項技術,甚至是鋼級的繫泊鏈。在其他專案中,以前未曾有過如此多的不同機構為 Fukushima Forward 匯集資金(整個 Forward 專案共計 1.15 億美元),並共同努力使它成為規模最大、時間最長的示範計畫(2021 年除役)。該專案從一開始就由該財團的技術顧問、東京大學教授石原孟 (Ishihara Takeshi) 主導,他回憶道:「最困難的事情是說服公司參與……我們不得不一再懇求那些起初表明無法參加的公司。政府也的確必須努力募集資金。」 (Reference 12)。並非所有專案都如此順利,但當事情偏離計畫時,有機會吸取寶貴教訓。Fukushima Hamakaze 的資料使用了 5 MW 的風機,用於驗證軟體預測 (Reference 13),由於壓載問題, 2016 年拖曳期間模擬未能避免 45 度傾斜。平台因此遭拆卸 (Reference 14)。配備 7 MW 風機的 Shimpuu 在許多方面都具有創新概念。它是一個 L 型的半潛式平台,有三個方截面立柱,但只有兩個浮筒。它是當時 FOWT 中排水量最大者。由於該專案被認為無利可圖,因此從海中撤離。Mirai、Hamakaze 及其離岸變電站的總除役工程招標金額為 4,800 萬美元 (Reference 15)。得到的教訓是除役成本可能頗高,初始成本評估中不應忽略。

  同樣在日本,浮筒式平台 Goto Demo (Reference 16) 成功承受了兩次強颱而沒有失去穩定性,而且隨後的實體檢查也未發現結構損壞或裂縫。Goto Demo 與 Hywind 非常相似,不僅僅是因為它是浮筒式設計,而是因為在 2016 年結束 3 年的漂浮運行後,它背後的工程師(類似於 Fukushima 計畫,來自許多合作機構)停下來思考得到的經驗。為了利用全尺寸模型進一步展示來邁向商業化,它被搬遷到福江島離岸 5 公里處。在那裡可進行 2MW 的全功率發電,並且預期未來會擴展成浮動式離岸風場。現在日本離岸 16.8 MW 的 Goto 浮動式風場預計於 9 月動工,並於 2024 年 1 月服役 (Reference 17)

  另一方面,Skwid (Reference 18) 是第一台在日本進行測試的垂直風機,但 2014 年時它在加部島(Kabe Island)外海 1.2 公里處於安裝過程中沉沒。當時據稱是因未適當錨定而造成,這提醒人們必須進行適當的海底調查和安裝程序,連設計錨定這種例行程序也須經縝密思考。平台最終從海中撤離 (Reference 19)

  日本共有 5 個不同的大型實際建造原型,在這項指標中排名第一。這是透過兩個因素所實現:首先是產學的緊密整合,數十家企業和大學結盟,處理特定的 FOWT 計畫。日本大學為經驗豐富、敏捷的工業合作夥伴提供創造力和創新。美國也有類似的財團 DeepCWind,負責 VolturnUS 專案。然而,儘管經過十年的預備,平台的全尺寸版本仍未建成。日本在這場競賽中的領先可歸功於第二個因素:政府的政治支援和資金。日本政府計劃利用 Fukushima 計畫為福島核災影響區域重建 (Reference 19)。此專案只是實現綠色能源轉型目標的數項專案之一。在美國,儘管科技進步,綠能在當時並未成為政治焦點,再加上專案資金有限,審核流程過於冗長,難以吸引私人企業。最終,總部位於加州的私人企業 Principle Power 與多家歐洲機構合作,在葡萄牙和英國測試並成功安裝平台,而非在美國進行開發。

福耀與三峽(中國)

  可能很難將福耀 (Reference 20) FOWT 稱為「示範」,原因是它的設計排水量高達 15,600 噸。但在建造更大的商用風機之前,這個 6.2 MW 的平台被規劃作為技術示範。如同任何產業中的許多中國專案,福耀規模空前,儘管配置相當傳統(3 根立柱、偏心風機、浮筒和支撐)。另一項挑戰傳統的設計也是採浮動式:三峽 (Reference 21)。 兩者都部署於南海,但相關技術資料或論文並不多,結構與財務細節也未公開。

Floatgen(法國)

  法國公司 Ideol 堅信混凝土可作為建築材料,因為它更便宜,但日本人不這麼認為 (Reference 22)。因此在 2018 年,他們同時啟動了妹示範計畫 – 法國的混凝土製 Floatgen (Reference 23) 和日本的鋼構 Hibiki (Reference 24)。令人好奇的是,日本鋼駁船的建造成本似乎仍低於法國的混凝土駁船。有趣的是,一種設計如何適應非常不同的細節:3 葉片與 2 葉片風機、合成材料與鍊式繫泊設備、混凝土與鋼構船體、BV 與 ClassNK 級。儘管據說自服役以來已遭遇了三場颱風,但事實證明,駁船式平台在俯仰運動與入射波發生共振的情況下,容易受到巨大的渦輪負載的影響 (Reference 25)。這讓人想知道 Hibiki 的工程師是否已解決了這些問題,以及多年後可能會如何呈現疲勞產生的損傷。

  在法國,它得到的支持包括歐盟將它列入 FP7 計畫,除了地方政府的支持,法國環境暨能源管理署也將它視為國家投資未來計畫的一環。示範計畫完成後,法國決定讓它們繼續生產能源,Ideol 與幾家公司簽署了一項投資協議,目標是為創新基礎設施專案提供資金,這些專案是由一項名為「投資未來」的計畫 (Investment for the Future Program) 所資助。Floatgen 報告表示,依照他們的技術優勢,2023 全年可實現 60% 的容量因子 (Reference 26),實際效率比一般規劃的 40% 高出許多。值得注意的是,募資階段說服投資者花了多年時間。BW Ideol 在新聞稿中詳述了流程與資金額度。 (Reference 27)

示範計畫的趨勢

  在這些示範計畫中,它們的主要尺寸、渦輪額定值、成本與其他資料已匯整於表1中。資料來源包括新聞稿、科學出版刊物和新聞專欄。表中的灰色代表混凝土結構。讀者可參考筆者們於 2021 年發表的另一篇會議論文,以針對全尺寸半潛式 FOWT 計畫進行類似比較 (Reference 28)。從表 1 中,可針對示範 FOWT 的現階段狀態進行一些觀察。

  半潛式浮動平台佔絕對多數,13 個中就有 8 個屬於此類,只有2個為駁船式,其餘 3 個是浮筒式,目前尚無 TLP 示範(除了一個在義大利完成的微型 80 kW 原型) (Reference 29)。 浮筒式 FOWT 彼此間差別不大,均直接繼承自固定底柱的概念,也更易於設計,因此這類型 FOWT 的開發已進入工業規模,不再作為示範計畫。而半潛式彼此間差異頗大,創新概念都在積極測試與示範中。被廣泛討論的 TLP 技術似乎尚未準備就緒,或者無人有興趣為其提供資金。

  資金是示範計畫的重要組成部分。在成功完成的示範計畫中,只有一小部分除役,而大多數專案於測試後都連至電網並繼續供電 – 這對投資者來說是一大關鍵,因為被認為無利可圖的示範計畫都已退場。這些趨勢如圖 2 所示。


Figure2_ma_40KB.webp (40 KB)圖2 FOWT 示範計畫的浮動平台類型與目前階段

 

  較小型的風機已限量生產即將被淘汰,新的示範產品必須跟上腳步,因此浮動平台的排水量和額定功率開始增加。儘管在早期專案中,2 MW 風機乃標準配置,但固定式和浮動式離岸風機的尺寸不斷增加 (Reference 30),如圖 3 所示,風機製造商因應需求而生產更大的風機,逐步淘汰較小的機型。2022 年 2 MW 離岸風機只能經由客製化生產,不再量產,這迫使示範計畫採用更高的額定功率。另一項因素是投資者期望不僅是獲得技術資料,還希望能出售示範產品提供的電力。而在早期專案中,很少考量到電力收入。

  由於平台的尺寸主要取決於穩定性和適航性要求,而非風機重量,因此風機功率大幅增加只會讓浮動平台的微幅增大。更大的風機僅適用於離岸專案,因為百公尺長葉片和機艙無法穿過大多數道路、隧道和橋樑。受到渴望效率增加的影響,即使是離岸風機也變得如此龐大,以至於大多數港口起重機都無法搬運它們,幾乎沒有工廠有辦法生產直徑 10 公尺左右的機艙軸承,這就是為何 2023 年維特斯執行長對眾人夢想的 30 和 50 MW 風機喊停,表示現在 15 MW 的風機已夠大,不會立即往上成長 (Reference 31)


Figure3_ma_34KB.webp (34 KB)圖3 示範 FOWT 規格趨勢

 

  對於海底部件(即繫泊部件),在兩個中國專案進行負壓式基樁和撞擊式打入樁實驗之前,所有示範計畫都只使用拖錨。這是合理的選擇,因為拖錨成本最低。但其他錨型也有許多潛在的好處,例如錨共享、精確的錨定位置、使用小型船隻快速簡便安裝等。繫泊佈置通常是 3 x 3 懸鍊,而有些設計則選擇使用大直徑鏈條的 3 x 2 甚至 3 x 1。使用較少但較大的鏈條有助於節省安裝時間與船舶租用成本,這是整個產業的主要考量因素之一。然而,3 x 1 或單點繫泊不提供備用冗餘以防單線損壞,因此在繫泊故障的情況下並不可靠。

臺灣的發展

  在臺灣,自從政策逐步廢核以來,風能始終是發展焦點,因為很難再有其他再生能源選項 (Reference 32)。浮動式風場研究也開始受到關注。最近,對駁船式 FOWT 進行了波浪槽試驗 (Reference 33)。筆者們還參與了當地德塔浮台的半潛式設計。同為半潛式的台大浮台 (Reference 28)可被視為當地另一個著名設計,由包括本文兩位筆者在內的團隊操刀。台大團隊得到科技部的贊助,提出了一個參考平台,最適合臺灣當地環境和製造條件,並可能作為風能開發商的可行設計。目前正在設計台大浮台和德塔浮台的縮小版,以作為技術準備示範的原型。

  此類專案所需的融資金額也引發熱烈討論。根據表 1,FOWT 示範計畫的平均成本(不包括 VolturnUS 迷你專案)為 3,550 萬美元(新臺幣 10.84 億元)。由於學習曲線,專案會隨時間變得更加便宜。然而此數字僅供參考,因為表 1 顯示的成本乃根據媒體提供的有限資料針對不同專案進行比較。

結論與啟示

  在分析之前的示範計畫後,得到以下設計新示範原型的數個關鍵點:

  首先,資金是示範計畫的成功關鍵。日本政府願意在 FOWT 專案上投入巨資。歐洲專案通常特過私人與政府合作,而美國直到最近才決定開發浮動式風能 34。最近,英國決定向 FOWT示範計畫投資3,160萬英鎊 35。從以上分析可清楚看出不同國家在FOWT技術方面的進展,所以對於像臺灣這樣新的加入者,若要趕上現有的競爭對手,政府必須制定明確的政策,以法規促進風場租賃,並由政府資助研究與示範計畫以及免費能源市場,藉此獎勵私人投資。成功和快速安裝示範計畫的關鍵,在於聚集大量感興趣的利害關係人。可以吸引他們的部分,則是示範FOWT會不斷生產能源並且幾年後不會被棄置。大多數最初除役的平台都經過重新利用,多年來持續發電。

  其次,建設和開發成本往往因國情而大有不同。例如法國刻意使用混凝土以降低成本,而日本的鋼駁船成本卻低於法國的混凝土駁船。每個決定開始 FOWT 專案的國家或地區在開發設計時都應適合本身工業情況,不一定要購買外國設計。示範浮動平台尺寸、材料和其他設計選項,應考量當地工業相容性與基礎設施。

  第三,前面所提的每個專案都有一定程度的學術合作。來自東京大學、麻省理工學院、丹麥技術大學、法國南特中央理工學院以及許多其他小型知名機構的學生研究人員與教授,都直接參與了浮動平台的設計,這也替他們碩博士論文背書。由於 FOWT 是一向嶄新且未開發的技術領域,唯有在研究人員的協助下,企業才能確保設計內容先進、安全且可靠。

 

 
 

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雲在天 Glib Ivanov

國立臺灣大學博士生,出生於烏克蘭。目前正攻讀博士學位,研究方向是半潛式平台「TaidaFloat」的結構設計。興趣是將科學數據轉化為有趣的藝術作品。

 

 

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馬開東

馬開東教授,出生於臺北。U.C. Berkeley 博士,任職於臺灣大學工程科學及海洋工程學系,獲選教育部玉山學者以及美國造船海事工程學會會士,之前曾經在美國石油業界工作多年,著作有原文教科書和多篇學術論文。

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