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2015年9月13日 星期日

為何美國風力發電成本較低?先讓我們從補助談起

作者  | 發布日期 2015 年 03 月 23 日 分類 能源科技 , 風力

在科技能力執世界牛耳的美國本土也採用了不少風力發電系統,且陸上與離岸的系統兼備,整體風力發電達到 14,800GW,於 2013 年時為世界各國風力發電量之首。雖然美國採用陸上風電比重較高,不過離岸風電配置仍達到三成,仍有諸多可供參考之處,本文嘗試比較美國陸上風電與台灣離岸風電每月容量因素的變化,來探索新趨勢。



風力發電的容量因素(Capacity Factor,CF)是實際的發電量除以理論的發電量,數值位於 0 到 100%間,數字越大表示風電的發電效率越好。不同月份的風力有大有小,雖然不穩定,但是可以預測,也可以被管理。一般而言,離岸風電的容量因素會高於陸上風電。

陸上風電以中部各州居冠

美國的陸上風電以中部州(Interior)的平均風速最高,海拔 80 公尺高度的地方,平均風速多數在 8 m/s 以上,大部分地區可達 9-9.5 m/s,少數地區超過 10 m/s。其次是五大湖區(Great Lakes),約在 6.5-7.5 m/s 之間。東北部的風力資源又比西北部更好一點,但兩者都遠遜於中部地區與五大湖區。


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根據 NREL 在不同時期與假設不同的風機輪穀高度所做的預測,美國的陸上風電裝置容量潛力達 7,834~10,362GW,離岸風電為 4,150~4,438GW。美國總風力發電裝置容量約 11,984~14,800GW。總發電量 NREL 與哈佛大學認為介於 14,000~17,200 TWh(十億度電)之間。
根據國際再生能源署(International Renewable Energy Agency,IRENA,2015)最近的研究顯示,美國的風力發電,預估總裝置容量達 15,179GW,其中陸上風電佔10,955GW,離岸風電佔 4,224GW。每年總發電量達 49,760TWh,其中陸上風電佔 32,784 TWh(容量因素34.16%),離岸風電佔 16,976 TWh(容量因素 45.88%)。
由於 IRENA 的數據比較新,且考慮到新風機與新技術的發展,用容量因素來做驗證,我們認為 IRENA 的資料比較可以作為實際投資評估時的依據。


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離岸風電以大西洋沿岸最佳

更深入分析美國離岸風電的潛力,當總蘊藏量為 4,150GW 的情況下,美國東北部(大西洋沿岸)蘊藏量最高(1,256GW),其次是美國西岸太平洋地區(930GW)、五大湖區(734GW)、夏威夷區(637GW)、墨西哥灣沿岸(594GW)。


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由於墨西哥灣沿岸與大西洋沿岸的南部位置容易出現颶風(Hurricane),所以美國目前實際開發離岸風電較積極的區域在大西洋沿岸的中北部位置。分析美國離岸風電未來可能發展比較好的州,依序是Virginia(2,012MW)、Massachusetts(968MW)、New Jersey(705MW)、Rhode Island(530MW)、Delaware(450MW)、Texas(150MW)。
最近美國 Rhode Island 南方海域的 Block Island 離岸風場將設置 30MW,作為先期示範計畫。使用Alstom(2015 年被 GE 合併)的 6MW 離岸風機,容量因素預估達 47.56%,年發電量 125,000 MWh,預計在 2016 年底完成營運。


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風電成本低廉

美國的陸上風電成本非常低廉,全國平均的電力採購協議 / 購電協議(Power Purchase Agreement,PPA)價格約在 US$26/MWh(1MWh=1,000 度電、1KWh=1 度電、約 NT$0.82/KWh)。PPA 價格為風力發電業者出售電力的價格。五大湖地區的成本稍高,達 US$44/MWh(NT$1.39/KWh)。東北部地區與西部地區的 PPA 價格分別是 US$53/MWh(NT$1.67/KWh)與 US$60/MWh(NT$1.89/KWh)。


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美國的風電補助主要分成三個部分:
  1. 聯邦補助:生產稅收抵免(Production Tax Credit,PTC)或投資稅收抵免(Investment Tax Credit,ITC);
  2. 加速折舊,折舊期縮短至 5-6 年;
  3. 可再生能源配額制度(Renewable Portfolio Standard,RPS)。風力發電業者可以在 PTC 與 ITC 擇一使用。如果選 PTC,則可以在前十年或得 US$23/MWh 的補助;如果選 ITC 則可以得到投資金額的 30% 作為聯邦企業所得稅抵免。
一般陸上風機的設計壽命達 20 年,折舊年限是 10 年,加速折舊讓初期的成本增加,減少企業繳稅的金額,效果相當於無息貸款(稅盾)。多數美國的州立法要求電力公司必須出售一定比例的再生電力給用戶,如果達不到要求,電力公司必須購買配額,此為 RPS 制度。RPS 的配額風電價格各州差異很大,約在 US$5-50/MWh 之間。如果我們還原 PTC 的補助,將其視為風電的成本之一,則還原之後美國風電的成本約在 NT$1.54-2.61/KWh 之間。


MAXWELL

美國風電便宜的原因有:
  1. 優越的地理條件
  2. 便宜的風機價格
  3. 便宜的風場投資成本
  4. 超低棄風率
2014 年美國平均風力機售價,如果是大於 100MW 風場的情況下,風機價格低於 US$1M/MW。如果低於 100MW,則接近 US$1.2M/MW,平均數字約在 US$1M/MW 左右。可是在 2012 年美國風機的平均價格約 US$1.14M/MW,風場的投資金額約 US$1.94M/MW。如果我們假設風機佔風場投資的比例不變,則 2014 年預估風場的投資金額約在 US$1.7M/MW,約比 2012 年下降 12.37%。


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美國風電棄風率非常非常低,2012 年平均棄風率僅有 2.7%。當年度中國棄風率達 17.12%,損失了 20.82TWh 的電力。2013 年中國依然棄風 10.74%,直到 2014 年棄風率才降低到 8%。2012 年德國的棄風率約在 10% 左右。
由於以上種種原因,美國在 2013 的風電發電量居全球首位,達168TWh(61.11GW,CF(含棄風)=31.38%),中國居次,達 136TWh(91.424GW,CF(含棄風)=16.98%),第三名是西班牙,達56TWh(22.959GW,CF(含棄風)=27.84%),第四名是德國,達 52TWh(34.25GW,CF(含棄風)=17.33%)。


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隨著 GE 成功合併 Alstom,取得 6MW 離岸風機的技術,有助於加速 GE 自己的 10MW 離岸風機開發。美國也開始在較少颶風的大西洋東北部海岸進行小規模的離岸風電場開發計畫。目前看起來容量因素超過 47%,成效應該相當不錯,2016 年底我們就可以看到實際運轉的風機了。
對於美國而言,陸上風電才是真正的主力部隊,挾低成本的優勢,加上 PTC、加速折舊與綠電配額的政策,加速風力發電的發展。即使取消 PTC 的補助,美國風電的成本約為每度電新台幣 1.54 元,全國的最低價與最高價分別是每度電 1.42 與 2.61 元新台幣。2.7% 的棄風率,讓美國的風電發電量穩居世界第一位,其智慧電網技術值得台灣好好學習。