海上浮式風力發電發展前景

一、中國大陸首座深遠海浮式風電平台“海油觀瀾號”

   媒體報導，3月26日，中國的“海油觀瀾號”浮式風力發電平台由廣東珠海福陸碼頭出海，前往海南的文昌海域進行安裝調試。浮式風電平台是一種可在水中漂浮並利用風力發電的裝備，通過在浮體內部注水壓載，實現在水中漂浮並保持平衡狀態，以克服海水對風機基礎的晃動作用。海油觀瀾號裝機容量7.25MW，投產後年均發電量可達2200萬千瓦時，是目前世界上第一個最深最遠，同時也是全球首個給海上油氣田供電、海域環境最惡劣的半潛式深遠海風電平台，在單位千瓦投資、單位千瓦用鋼量、單台浮式風機容量、抗颱風性能等多個指標上，均處於國際先進水平。海油觀瀾號是中國第一個距海岸線100公里以上，水深超過100米的浮式風電平台，機艙重260噸，使用2000噸加強型履帶吊跨距達到46米，吊高近140米，創下中國海上吊裝跨距與吊高最大紀錄。高精度的吊裝工藝複雜，過程中要面對複雜多變的潮水和風力影響，是目前中國國內實施難度最大的集成吊裝作業。為避免這些浮式發電平台不被颱風吹走，在近淺海，風機是通過鋼鐵打造的鋼管或者導管架，深深插入海底固定風機。在深海海域，這種結構的基礎將變得龐大而成本增加，性價比將大打折扣。海油觀瀾號採用半潛式固定在海上，通過9根總重超過2400噸的錨鏈牢牢拽住，使其可抵抗84m/s的極端風速，它所在的地方是全球已有海上風電環境工況的最複雜海域。該平台優化了甲板設備佈置，將管線佈設在了浮體內部，同時採用水下張緊器技術，避免在浮體甲板上設置錨機等設備，不僅節約了設備採購成本，而且減少了對浮體甲板空間的佔用。海油觀瀾號浮式風機需要定期保養。在離岸136公里的海上進行維護非常困難，技術人員採用了“簡單可靠，減少後期維護”的設計原則，降低維護保養需求和難度。在設計上，將需要更換的設備都設計為可以拆卸成單個重量小於0.5噸的小部件，確保在25年的運行中穩定發電。中海油融風能源有限公司總經理張樹德稱海油觀瀾號通過1根5公里長的動態海纜接入文昌海域的油氣平台，替代部分天然氣發電機組，可節省天然氣近千萬立方米，預計年均減少二氧化碳排放2.2萬噸。

   目前，中國是世界第一大風電整機裝備生產國，產量佔全球一半以上，已形成了完整的具有領先水平和全球競爭力的風電產業鍊和供應鏈，從風機到葉片，從海底電纜到海上施工裝備，一系列海上風電關鍵技術取得突破。海底電纜是跨海電能輸送的關鍵裝備，是海上清潔能源送出的關鍵技術。海纜不同於陸纜，其所處環境更複雜要求更高，需能應對強腐蝕、海床礁石等惡劣海洋環境，實現遠距離輸送。海油觀瀾號利用35千伏動態電纜連接文昌油田，為石油平台提供綠色電能。目前，中國已建成20多個海上風電產業園，實現了海上風機從6MW到18MW的跨越，不斷推陳出新的大型機組讓海上風電的造價大幅減少，推動海上風電裝機規模超過3000萬千瓦，持續保持世界第一。中國海油執行副總裁兼新能源部總經理楊雲稱進軍深遠海洋風力發電是中國海油結合油氣主業，探索新能源產業差異化發展的一條新路徑。發展海上風電，不僅能直接帶動船舶工業、海洋養殖、氫能等產業發展，還可以跟其他經濟進行組合，促進海洋經濟與地方經濟的發展。

二、浮動式風機與固定式風機差異 

風力渦輪機離岸愈遠愈能獲得更高的效率，根據美國能源部的數據，僅在2021年，全球漂浮式海上風力發電平台就增加了一倍多，從26,000MW增加到60,000多MW，到2030年預計將達到 260GW。對於尋求清潔能源減少對化石燃料依賴而言，遠離海岸的廣大深海區發展浮式風力發電非常有願景。遠海的風力往往更強且更穩定，這些結構位於深水區需考慮平台的設計、建造和維護的複雜性。深水平台必須漂浮、牢固地繫泊在適當的位置，並且能夠在相當惡劣的條件下運行。這項任務無異於在持續動態、本質上不穩定的環境中保持 30 層樓的直立和穩定。風浮平台是在造船廠建造，在那裡組裝和安裝風力渦輪機塔架、機艙和葉片。然後由商業拖船將完成的組件拖到位。一旦到位，平台必須固定在海底。繫泊系統不是靠錨在海床上的抓力，而是靠錨鏈的重量。在此類應用中，合成材料通常優於鋼絲繩或鏈條，因為合成材料重量更輕、強度相當、不易腐蝕且使用壽命更長。

台灣的離岸風電缺乏長遠規畫，未建立自己的國產風機設備製造及施工能力，完全依賴外國廠商因此施工成本及未來電價都很高，台灣目前規劃的海上風機都採用固定式基座的風機，也就是透過打樁固定在海床上，不僅水深受到限制，選址也無法離海岸太遠，因此產生漁業及航道干擾問題，而打樁產生的噪音更影響「中華白海豚」的生存環境。而國際上，一股「浮動式風電」的潮流正在興起。浮動式風機的水下基礎平台，並沒有直接與海床接觸，而是像一艘漂浮在海上的大船，再以類似「拋錨」原理，將巨大、沉重的海錨投放於海床，再透過纜線連結水下基礎平台，限制其漂浮的範圍。由於固定式基座必須配合水深高度，平均最多只能到50公尺深，但浮動式少了這樣的限制，可以裝設在平均50公尺到200公尺的海域，大幅提升了離岸風電的開發範圍。雖然水下基礎天差地遠，但上半部採用的風力發電機型式兩者大同小異，普遍而言，浮動式平台不須考量基樁的承受度，較適合安裝大型風機。國際上常見的浮動式平台種類有(1)半潛式：半潛式平台是由三或四個浮筒組成一個半沉潛的平台，安裝較方便，目前最廣為應用(2)張力腿式：張力腿結構類似半潛式，但其繫泊系統會將連接海床的鋼纜拉緊，使平台更為牢固，但鋼纜受損斷裂的風險較大( 3)浮筒式：浮筒式是一個直立式柱狀浮筒，浮筒底部配重較重使其穩定，安裝起來較複雜(4)駁船式：駁船式是一個大型的環狀浮動平台，透過環形浮筒結構分散浮力。海上浮動式平台在過去數十年內，大規模應用在海上鑽油平台、天然氣井等海事工程，近年也與海上牧場結合作綜合性用途。浮式風機仍有技術和後勤的挑戰問題須克服。浮式風機的部件都設計為可移動式，若磨損將減少壽命，尤其是繫纜、電纜等部件，可能受金屬疲勞、腐蝕、衝力和惡劣海象影響，特別容易故障。台灣欠缺繫泊與錨定相關的海洋工程產業，除了缺少工程經驗，硬體設備也有不足之處。浮式風場對港口基礎建設要求很高，需要動力強大的工程吊車，重件碼頭的地基也需要特別加強，國際上的浮式平台經驗豐富，在浮動平台的繫泊與錨定工程上已成功克服無數惡劣天氣的海域。面對浮動式風機未來展望，很多業者對於開發深水區域的風能都表示有興趣。

三、浮動式離岸風電技術發展展望

   2009年挪威廠商Statoil在挪威裝置全球首座浮體式離岸風電平台，運轉至今。2016年Statoil取得蘇格蘭政府許可，在蘇格蘭彼得黑德外海裝置5座自身開發之Hywind浮體式平台，裝置容量為30MW，是全球首座商轉等級浮體式離岸風場，該平台採用浮筒式，風場水深約為95~120公尺。目前全球規模最大的浮式風場，是2021年9月甫完工的Kincardine，位於蘇格蘭亞伯丁沿岸，由西班牙風電開發商Cobra Group開發，裝置容量約50MW，每年可產生218百萬瓩小時的電力，足以為5.5萬多戶蘇格蘭家庭供電。風場採「半潛式」浮動平台，風場水深約60~80公尺。代表浮體式離岸風電技術向前邁出一大步。現階段全球已有超過三十個團隊投入浮體式離岸風電開發，隨著Statoil的 Hywind浮體平台在2017年商轉，其他廠商亦加快開發使得浮式離岸風電產業發展逐漸成熟。各國政府亦發現浮體式離岸風電的市場商機，以及可能產生新的產業鏈，逐步投入浮體式離岸風電產業發展。目前，除歐洲外，中美二國也袃積極發展。美國北加州擁有美國最強的海上風力，具有生產清潔能源的巨大潛力。但其大陸架迅速下降，直接在海底建造傳統的風力渦輪機成本很高。加利福尼亞州正在推進一項開發全美國首個浮動海上風電場的計劃，美國政府將距加州海岸約20英里的五個租賃區拍賣給計劃開發浮動風電場的公司。

   浮動平台可以支持產生10MW或更多電力的風力渦輪機，一些最強的風力資源遠離海岸，位於水深數百英尺的地方，例如美國西海岸、五大湖、地中海和日本海岸。美國一些最強大的海上風力發電潛力位於水深不適合固定渦輪機的地區，包括西海岸附近。 美國位於加利福尼亞州中部的莫羅灣附近，另一個靠近俄勒岡州界線。加利福尼亞附近的海水很快變深，因此任何距離海岸甚至幾英里的風電場都需要浮動渦輪機。據美國政府估計，一旦建成，這五個地區的風電場可提供約4.6GW的清潔電力，足以為 150 萬戶家庭供電。但是在水面上安裝真正的風力渦輪機需要時間，許可和環境審查過程通常需要數年時間。歐洲和亞洲已經開展了幾個採用漂浮式風力渦輪機的全面示範項目。Hywind Scotland 項目於 2017 年成為第一個商業規模的海上浮動風電場，由挪威能源公司 Equinor設計的 spar 浮標支持五台 6 兆瓦渦輪機。Equinor Wind US是加利福尼亞中部附近的中標項目之一。另一個中標者是RWE Offshore Wind Holdings。RWE在歐洲經營風電場，並擁有三個漂浮式風力渦輪機示範項目。其他相關公司——Copenhagen Infrastructure Partners、Invenergy 和Ocean Winds——擁有大西洋沿岸的租約或現有的海上風電場。雖然漂浮式海上風電場正在成為一項商業技術，但仍有一些技術挑戰需要解決。平台運動可能會對葉片和塔架造成更大的力，以及更複雜和不穩定的空氣動力學。此外，隨著水深變得非常深，繫泊線、錨和電纜的成本可能會變得非常高，因此將需要更便宜但仍然可靠的技術。台灣既然想發展離岸海上風力發電，應作長期完整規劃將海上牧場、休閒娛樂及浮式海上發電綜合應用，未來發展無限。