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離岸風電技術創新需求評估                  

陳霈、莊純琪、古慧雯/ 發布日期:2020/06/11/ 瀏覽次數:118

    隨著離岸風電海事工程與風機技術的發展,離岸風電前期的資本支出 (Capital Expenditure, CAPEX) 與營運支出 (Operating Expense, OPEX) 均大幅下降,成為該產業邁向商業化的核心助力,使得離岸風電邁向成熟產業聚落之前景指日可待。
      發電成本為電力技術競爭力之核心評估指標,通常以發電廠在生命週期間發電之平均成本 (Levelized Cost of Electricity, LCOE) 作為計算基礎。因此,離岸風電產業發展之關鍵在於降低 LCOE,且離岸風電為資本與技術雙重密集的產業, 相較陸域風機,離岸風機另有水下工程的繁瑣工序,高昂的施工成本削弱離岸風電之競爭力,以下將簡述其主要關鍵成本。

一、離岸風電六大關鍵成本

(一)電廠輔助設備:含電氣設備裝置、海底電纜、離岸變電站設備、金屬構件等。
(二)營運與維護:開發建造之前的所有工作,包括場勘、環評、海權與漁權協商、風場規劃,和專案管理之支出,以及試運轉後衍生出之營運、設備維護與檢修、船舶以及維運港口費用等相關成本。
(三)安裝:包含上述所有組件之安裝,以及過程中所需之船舶離、靠港作業、物流與周邊輔助服務。
(四)風機:包括採購渦輪機、葉片和塔架之成本。
(五)基座:浮動式基座雖有成本上的優勢,不需固定於海床,但單純以浮力支撐風機機組重量,在技術上需能克服因波幅引起之傾斜、方向變動與搖晃,因此,技術上需持續創新才能兼具穩定與適用商業化佈局。
(六)除役:港口拆卸和運送物流、海上作業、海底打撈、廢棄物處理回收管理等支出。

    分析成本結構與內涵是降低成本的基石,離岸風電成本模型如上表所示,不管是固定式或浮動式,前三大成本項目依序皆為:營運與維護、風機和基座。以風機與電廠輔助設備為例,兩者總和所代表的系統成本占比較高,意味著若系統整合成效不彰,將導致每GWh的成本顯著增加;若系統性能提升,容量因數 (Capacity Factors, CF) 也將隨之提高,產能利用率則上升。因此,經由各項成本評估列出應優先聚焦的創新技術,以提升系統運作效能從而降低成本,將有利於離岸風電長程商業化之佈局。

二、離岸風電應優先聚焦的創新技術

(一)電網的整合創新

1.遠距離傳輸:透過遠距離交流輸電,例如:中點虛功補償 (mid-point reactive compensation),以及高壓直流 (High-Voltage Direct Current, HVDC) 技術,降低電流以減少輸電過程中的電能損失,成為離岸風電傳輸大量電力的首選技術。
2.電網與儲能系統整合:可減緩海上風力發電的波動性,提供電網穩定的電力來源,並能調節離岸風電併網後之輸配電,針對電網需求執行電力調度。此外,亦可電解成其他形式能源 (例如:氫或氨) 儲存,以降低成本並增加利潤。

(二)優化物流、安裝、智慧營運維護與遠端管理

1.先進的風能模型:透過海上建模預測以確實掌握風況,以提升預測的準確性,將有助於提高輸出功率,以減少不確定因素所衍生之風險。
2.智慧營運維護與遠端管理:因風場離海岸越來越遠,再加上風機尺寸龐大,藉由無人機的探測儀器能即時回傳影像或訊號,進行高風險的定期巡檢 (例如:檢測葉片瑕疵),並透過人工智慧分析進行故障預判,進而延長使用壽命。
3.創新安裝技術:因應渦輪機尺寸大型化,開發相關的吊掛設備與安裝/維運的工作船舶,並建立標準化作業流程與組裝模組化技術,以降低成本並減少裝配廠之基礎設施規模。

(三)浮動式離岸風電的技術發展

1.次世代風機的創新:風機產業在複合材料、電氣系統與傳動系統研發上的成果,將可持續應用於新一代風機,包含:葉片技術與複合材料之創新、優化風機零組件與發展符合更高電壓條件的電氣設備與基座.
2.風機邁向低風速發電:改善渦輪機設計,使其能在低風速下捕獲能量,如此可拓展低風速風場海域,進而提高發電產量。
3.持續推動海底基座技術發展與創新,包括:

(1)強化繫泊系統:浮動式風機以浮台錨定於海床,不需打樁、不受水深影響,隨著浮動式風機尺寸的大型化,風場位置亦朝向更深與湍急的水域開發,繫泊設備須力求提高穩定度與成本效益,技術創新將聚焦於研發彈性更佳的繫纜材質,以適用於水深達 100-150 公尺的水域。
(2)優化浮動式基座:持續開發更具成本優勢的基座及改善系統組裝技術與工序,避免在船運前進行大規模組裝零組件,導致船隻翻覆與海事工程吊掛不易之風險。
(3)穩定動態海纜 (Dynamic Cables) 品質:開發可承受浮動式基座的動態高壓海纜,風場內的陣列海纜 (array cables) 連接離岸風機及陸域電網,為離岸電網核心組件,當海纜長度越長製造難度也更加艱鉅,因此,布纜技術與纜線材質提升已成為關鍵。

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