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2024年荷蘭離岸風電創新技術發展

陳霈;古慧雯/ 發布日期:2024/12/23/ 瀏覽次數:289

隨著巴黎氣候協定的實施,各國為了實現碳中和目標,正積極加速再生能源的佈局,其中離岸風電憑藉其穩定的發電能力,成為主要發展方向之一。荷蘭在政府積極的政策推動下,加速擴展離岸風電的佈局,並且持續降低能源均化成本(Levelized Cost of Energy, LCOE)。荷蘭在離岸風電技術上的創新使其在全球市場中保持競爭優勢,不僅在鼓勵創新和降低環境衝擊方面提供支持,更積極促進創新技術的全球應用,協助其他國家發展離岸風電產業。2022年政府將2030年的離岸風電裝機容量目標提高至約21 GW,以響應歐盟“Fit-for-55”碳減排目標。在政策驅動下,荷蘭成為全球離岸風電發展的典範,通過明確的競標機制,成功實現了無補助的風場建設。不僅如此,荷蘭還引領了一項新興趨勢,即將離岸風電與綠色氫能製造技術結合。這種創新不僅能有效儲存多餘的風力電能,還能進一步推動能源系統的綠色轉型,為其他國家提供寶貴經驗和技術參考。

一、荷蘭離岸風電政策
荷蘭離岸風電成果豐碩,明確的政策支持可謂功不可沒,荷蘭政府依循永續成長能源協議(Energy Agreement for Sustainable Growth)架構,制定出一系列強勁的再生能源發展政策,確保再生能源的市場穩定性,提供長期發展路徑圖,為企業和投資者提供規劃依據。

其能源政策主要著重在以下面向:
(一) 長期目標設定:荷蘭政府制定了到2030年和2050年的再生能源裝機容量目標,2030年的目標是21GW離岸風電裝機容量,而2050年長程目標則是加速達到70 GW。設定具體目標不僅為荷蘭國內能源轉型擘畫方向,也為全球市場帶來技術和政策示範。
(二) 激勵措施:為了加速離岸風電發展,荷蘭政府採取多元激勵措施,像是再生能源支持補助「刺激永續能源生產計畫」(SDE++計畫)(the Stimulation of Sustainable Energy Production),以紓解開發者的財務壓力,使產業相關計畫能以較低風險推進。
(三) 電網基礎設施:荷蘭政府積極投資建置離岸電網之基礎設施,並通過TenneT等國有電網運營商確保風電場與國內電網連接。荷蘭企業署 (Netherlands Enterprise Agency) 則提供環境影響調查結果,並簡化許可程序。這一系列措施顯著降低了開發商的風險,促進了離岸風電市場的快速成長。

 

二、離岸風電創新技術

荷蘭在離岸風電領域中的技術創新動向,與風電場的建設、安裝、營運和維護息息相關,致力於提升效率、降低成本以及減少環境衝擊。主要亮點技術如下:

(一) 無噪音打樁技術

1.技術特色:傳統離岸風電場建設工法,常使用打樁技術將風機基座固定於海床上,施工會產生強烈的噪音,對海洋生物與周邊生態系統造成嚴重衝擊。藉由優化施工設備與工序,荷蘭有效減少施工過程中的噪音,降低對海洋環境的影響,進而保護海洋生物的棲息環境。

2.技術案例:

(1)荷蘭AdBm Technologies、Van Oord和台夫特理工大學Delft University of Technology開發一種減噪系統(Noise Mitigation System, NMS),以特殊聲學共振器(Acoustic Resonator)對產生最大噪音的頻率進行干擾,且不受波浪和水流影響。再結合大型氣泡帷幕(big bubble curtain)技術產生大量的氣泡作為屏障,可有效阻擋打樁時產生的噪音。

(2)荷蘭海事工程商 CAPE Holland以震動舉升技術(Vibro Lifting Tool, VLT)快速翻轉及安裝大型單樁基礎,此技術結合震動錘與起重工具取代傳統撞擊的打樁方式,可避免滑樁風險及不需要額外抑制噪音設備。

(3)荷蘭工程公司 IQIP 開發一種藍色打樁技術(Blue Piling Technology),透過大量的海水重力取代金屬樁錘進行打樁,以較溫和的打樁方式來降低水下噪音。該技術可對基礎進行連續衝擊,不會破壞基礎結構,且可用來安裝較大型的單樁。

 

(二) 低成本單樁安裝(monopile installation)

1.技術特色:單樁式是歐洲離岸風機支撐結構最常見的水下基礎形式,其安裝技術直接影響風電場的成本和效率。荷蘭的創新低成本單樁安裝技術,能有效縮短施工時間,並降低整體基礎建設成本,提升整體效率。

2.技術案例:幾家荷蘭公司正在研究更低成本的單樁安裝技術,包含滑接單樁技術(Slip joint monopile installation)和無轉接段的單樁配置(TP-less monopile configuration)。滑接單樁技術(Slip joint monopile installation),利用滑動接頭避免傳統精確定位的需求,可容易在安裝過程中調整單樁與基座之間的相對位置;無轉接段的單樁配置(TP-less monopile configuration),直接將風機安裝在單樁上,減少了連接部位的潛在風險及材料和施工成本。

 

(三) 浮動式離岸風電

1.技術特色:隨著離岸風電場設置地點越來越遠離沿岸,傳統的固定基礎技術已不敷使用,浮動式風電技術則順勢而生。該項技術將風力發電機安裝於漂浮平台上,使風電場可建設在風力更強更深的海域(水深超過50公尺的深海區域),進一步開拓了風力資源版圖。

2.技術案例:荷蘭新創公司TouchWind開發直徑6公尺的一體式轉子之浮動式風力發電機,並使用由3D列印技術和當地材料製造的生態混合錨,2023年已進入測試階段。


(四) 離岸太陽能技術

1.技術特色:荷蘭也在探索將太陽能技術應用於離岸能源生產的潛力,離岸太陽能板可與風力發電機結合使用相輔相成,實現更加穩定的能源供應,尤其在風速較低的情況下仍能保持發電能力。風力發電通常受限於風速,離岸太陽能技術能夠截長補短,在風速低的時候提供補充能源,進而平衡電網供應。

2.技術案例:Oceans of Energy在荷蘭Hollandse Kust Noord離岸風場內建置全球首個在高波浪條件下的離岸太陽能電場,並結合電池儲能、電解製氫,預計於2025年完工,屆時每年離岸風場及太陽能將產生至少3.3 TWh的潔淨能源。

 

三、離岸風電製氫技術

隨著離岸風電的廣泛應用,荷蘭積極推動離岸風電製氫技術,啟動了多項示範與前導計畫。除了具體的技術項目,荷蘭政府還通過政策激勵和資金支持來推動氫氣技術的發展。例如,政府為氫氣生產設施提供資金補貼,並與多個國際機構合作,促進氫氣技術的國際交流與合作。荷蘭政府還強調氫氣基礎設施建設,尤其是在氫氣管道和儲存方面的投資,這些基礎設施對於氫氣技術的長遠發展至關重要。以下說明荷蘭推動離岸風電製氫的相關計畫及挑戰:

(一)離岸風電製氫示範計畫

1.PosHYdon計畫:為全球首個離岸風電製氫示範計畫,該項目旨在測試離岸電解技術在實際運行中的表現。PosHYdon計畫利用現有的天然氣平台,搭載1.2MW的質子交換膜(Proton Exchange Membrane, PEM)電解槽,並已透過現有天然氣管道輸送到海岸,與傳統能源基礎設施進行協作。不僅為荷蘭的氫能技術積累了寶貴的經驗,也為全球其他國家提供了重要的技術參考。

2.CrossWind計畫:在Hollandse Kust Noord風電場中建設一個2.5MW的PEM電解槽系統,並將與1MW電池儲能和0.5MW浮動式太陽能系統相結合,目標在2025年前投入全面運營。這種多能源組合方案將大幅提升氫氣生產系統的穩定性與靈活性,並為未來離岸氫氣技術的應用提供重要經驗。

3.H2opZee 計畫:是歐洲目前規模較大的離岸製氫計畫之一,目標於北海建立300~500MW的大型離岸製氫設施,以離岸風電作為製氫能源來源,並透過專用管道將氫氣輸送到岸上。

4.階段性示範計畫:荷蘭政府提出兩個階段性離岸氫氣示範計畫,分別為 DEMO 1 和 DEMO 2,旨在推動更大規模的離岸氫氣生產技術商業化示範。DEMO 1於2027年荷蘭Hollandse Kust Noord場域示範規模小於100MW的商業化離岸製氫技術;DEMO 2至2031年在瓦登群島北部(Ten Noorden van de Waddeneilanden)示範500MW的商業化離岸製氫技術。

 

(二)大規模離岸製氫的技術挑戰

1.提升製氫設備在海洋環境的耐候性

在離岸製氫項目中,設備必須能夠在高鹽度、高濕度、強風暴等惡劣條件下穩定運行。因此,電解槽、管道和儲存設施的材料選擇與設計必須能抵抗嚴苛的自然條件。此外,考量離岸平台的維護和檢修不易,荷蘭將拓展無人技術,探索如何利用無人機和自動化技術執行離岸風電場的檢測和維護。風電場的運營與維護,透過導入數位化技術應用,強化預測性維護,預判可能會出現的故障,減少設備停機時間並確保運作穩定。

2.優化製氫系統能源供應的持續性

氫氣生產需要穩定的電力輸入,但風速和陽光照射的間歇性變化會導致離岸風電和太陽能電力輸出的不穩定,進而影響電解槽的持續運轉效率。然而,離岸太陽能與風能具有一定的互補性,再加上電池儲能系統技術,將可顯著提升整體能源利用率。

3.改善氫氣的運輸技術

離岸氫氣生產後需要將氫氣安全高效地運輸至岸上。當距離較短時,專用管道是可行的選擇,但在距離較遠或海域較深的情況下,管道鋪設成本會大幅上升。浮動生產、儲存與卸載系統(floating production, storage and offloading, FPSO)是借鑑石油和天然氣產業的技術創新,用於解決深海遠距離的氫氣生產和儲存問題。FPSO系統能夠在遠海環境中持續運行,將生產的氫氣儲存在船上,並定期通過運輸船將液態氫或氫載體(如氨)運輸至岸上。FPSO不需要鋪設長距離海底管道,適合深海風場的離岸製氫,具有靈活性和經濟性。

 

 

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