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2015年9月13日 星期日

離岸風電場配置規劃學問大,強韌法規成後盾

作者  | 發布日期 2015 年 04 月 09 日 分類 能源科技 , 風力

離岸風場除了建置時除了建置地點需考慮到風力因素外,還需要把國防、航道以及自然生態等多項因素考慮進,除此之外,為了有效達到經濟規模,降低個別單位建造時間,這都是需要一個全面且詳實完整的規格,本文就近一步針這些方面來進行探討。



政府法令支援與規劃

離岸風電在電力市場扮演越來越重要的角色,先進國家都有所謂的「國家級水域計畫(National Water Plan)」,規範離岸風電場、航道、油氣採掘、國防、漁業、生態環境、港口使用等用途。這是一個非常複雜的規畫,需要跨部會的通力合作,才有可能得到高分。


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(Source:The Ministry of Economic Affairs & The Ministry of Infrastructure and the Environment, Netherland, September 2014, “White Paper on Offshore Energy, Partial Review of the National Water Plan-Holland Coast and area north of the Wadden Islands”)

強韌的法規環境永遠是發展離岸風電產業最重要的成功因素,也是最難達到高分的因素。荷蘭的作法分成五個步驟:
  1. 制訂國家級水域使用計畫
  2. 規劃未來 5 年的 roadmap
  3. 政府做好先期的風場調查計畫,提供業者參考(台灣目前沒有此制度)
  4. 電網公司規劃海底電纜
  5. 風場讓民間業者競標


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離岸距離攸關使用技術

在風力發電機改朝換代的初期,離岸風力機的發電效率並不會有明顯的改善,因為還需要針對實際環境做許多調整。由於風力發電場本身也要用電,以及海底電纜的損耗等因素,離岸風機的毛發電量通常比淨發電量(扣除用電、耗損與其他因素)高出許多。平均來說,德國風場的淨容量因素(Net Capacity Factor)約在 45-48% 之間。淨發電量通常是毛發電量的 75-78%。我們一般計算風力發電成本的時候,使用淨發電量來估計。


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德國規定離岸風電場必須至少離岸 40 公里,所以成本偏高。台灣據說最近的地方(已經避開白海豚棲息地),僅有 3 公里。多數台灣的風場應該離岸 5.5 公里以外,避開白海豚的棲息地。考慮台灣海峽的寬度、海峽中線距離、發電成本、生態保育等種種因素,台灣多數的離岸風場將離岸 6-50 公里之間。
這樣的考量之下,多數的台灣離岸風電場將使用 HVAC 技術,介於 22-150KV 之間。有別於歐洲普遍使用的 HVDC 技術。HVAC 技術的線路損耗會比 HVDC 高出許多,但總體建置成本比較低。


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風機數量、配置有玄機

根據研究,固定式離岸風機的經濟規模是 100 支,這樣單位建造時間約可以降低到 5 天左右。台灣目前三家離岸風電業者的平均數字是 36 支,單位建造時間約在 13-26 天,缺少經濟規模,造成台灣離岸風電成本居高不下。
如果台灣的離岸風場規劃均以小風場為主(低於 100 支以下),這個產業大概也是做不起來。英國的 Dogger Bank 離岸風場,規劃 7.2GW,即使分期建置,將來的發電成本將非常低廉。成本低廉的綠色電價,成敗繫於政府的前瞻規劃。


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使用同樣的離岸風機,類似的風場設計(layout),年發電量差距達 36.76-38.47%。風場開發商有其 knowhow,後面將說明原因。


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(Source:ECN, 2014, Quick scan wind farm efficiencies of the Borssele location, ECN-E–14-050)

正確的觀念是最大化風場發電量(GWh/year)與風場密度(Wind Farm Density, MW/Km2),而不是最大化風機的容量因素(Capacity Factor)。高容量因素的風場未必是好事。我們可以看到這四種風場設計,以 Design 1 & Design 2 的年度發電量較高,但其容量因素反而較低。Design 1 與 Design 3 使用同樣的風機,不同的風場密度。Design 2 與 Design 4 亦同。
如果風機比較密集配置,風場密度會比較高,風場的年度發電量也會比較高。但因為風機比較密集,所以單支風機的容量因素會下降,有些風能被前面的風機拿去了,後面的風機自然發電效率較差。


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(Source:ECN, 2014, Quick scan wind farm efficiencies of the Borssele location, ECN-E–14-050)

從實際的數字來分析,Design 2 使用大風機(8MW)、高風場密度(9MW/Km2),所以其單位投資成本的發電量是最高的,達 22.0(GWh/y 除以百萬歐元)。其次是 6MW 風機,9MW/Km2,其單位投資成本的發電量是 20.9。


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強韌的法規環境永遠是發展離岸風電產業最重要的成功因素。荷蘭的作法分成五個步驟,非常值得台灣參考,特別是政府做好先期的風場調查計畫,提供業者參考,台灣目前並沒有此制度。正確的觀念是最大化風場發電量(GWh/year)與風場密度(Wind Farm Density,MW/Km2),而不是最大化風機的容量因素(Capacity Factor)。從數字上來看,使用 6-8MW 離岸風機,9MW/Km2 風場密度的投資效益最好。