一座風場的組成通常包含數座離岸風機、海底電纜(風機與風機之間的海底電纜及輸出海纜)、海上變電站、陸上變電站及陸上電纜。海上的風力由風機從動能轉換為電力後,透過海底電纜運送到海上變電站升壓,再利用輸出海纜與陸上電纜傳輸至陸上變電站降壓或升壓,併入電網將電力輸配到每個家庭用戶。一旦少了任何一項設備,這趟「電力之旅」就沒辦法順利完成。


離岸風場的電力需經由海底電纜、海上變電站、陸上變電站等設備的協助,才能輸配給各個用電戶使用。(圖片來源:EnBW安能)

離岸風機的「神隊友」們
一座風場中,風機往往被視為風場最重要的核心資源(延伸閱讀:離岸風電大解析:離岸風場的「靈魂」-離岸風機)。但根據財團法人船舶暨海洋產業研發中心2016年的研究報告指出,相較於陸域風場中風機系統占總建置成本80%左右,其在離岸風場建置成本僅占41%[註1]。顯示在離岸風場中,除了風機系統,其他建設也各自扮演著舉足輕重的角色呢。現在讓我們一起來認識這些離岸風機的「神隊友」們吧!


歐洲離岸與陸域風場建置成本結構分析。(圖片來源:經濟部)

海上變電站(水上變電站)
海上變電站主要負責匯集離岸風機所產生的電力,並將其升壓至合適的電壓,確保電力順利地透過輸出海纜運輸及併入電網,減少輸送過程的大量電力損耗。海上變電站上配置有升壓變壓器、資料獲取與監控系統、柴油發電機及警報與海上通訊系統等設備。因座落於風強浪大、鹽度高且腐蝕性強的海上環境,海上變電站會採用封閉式鋼質結構,且所有設備金屬配件材料須有抗環境腐蝕防護,因此海上變電站的建造與後續運營作業的難度比起陸上變電站來得更高。


安能集團位於Baltic 2風場的海上變電站。(圖片來源:EnBW安能)

海底電纜與陸上電纜
海底電纜如同離岸風電的生命線,是連接離岸風場及陸域電網的主要設備。鋪設於風機與風機之間的海纜稱為「陣列海纜」或「場內海纜」(array cable),以串聯的方式連結風機;將風場電力輸送上岸的海纜則稱為「輸出海纜」(Export cable);最後再由「陸上電纜」接手岸上的電力輸送任務。相較於陸域風力發電,離岸風電需面對變化莫測的海象條件與氣象狀況,包括水深條件、地質狀況、海床變動狀況及海流波浪等海流營力之因素,因此技術門檻較高,開發成本相對也較高,財團法人船舶暨海洋產業研發中心也指出,海事工程海底電纜的安裝佔整個離岸風場開發成本的13%[註2],甚至高於變電站(5%)的設置成本,海底電纜對於離岸風電的重要程度可見一斑。

安能集團海纜鋪設作業。(圖片來源:EnBW安能)


陸上變電站
陸上變電站不僅是離岸風電系統的一環,更是整條陸域電力系統中負責輸、配電的重要設備。其主要的任務是將電力調整至合適的電壓,再併入電網來提供不同用電戶的需求。以台灣供電系統為例,離岸風場所產生之電力需透過一次變電所降壓為22-11仟伏特來提供中小型工業用戶,而一般民生用電則需透過配電變電所或二次變電所再次降壓後提供[註3]。

離岸風電所產生之電力經降壓後可併入電網以提供用電戶使用。(圖片來源: EnBW安能)

 

龐大新興產業帶來的新機會
離岸風電中每一項設施背後都各自涵蓋精密的技術研發和完整的產業鏈,需要來自海事工程、電機工程、專案管理、以及風場運維等各領域專業人才共同投入這項產業。

而安能集團在2019年底即將完工併網、同時也是德國目前最大的離岸風電專案Hohe See與Albatros開發案便是最好的例證。自2017年開始建設工程以來,已有超過600位員工在海上風場工作,並有各領域人才在德國漢堡的離岸風電開發總部支援海上的建設任務。

事實上,根據經濟部工業局的調查,到2020年,台灣的離岸風電產業將會新增2,010到2,700名的人才需求[註4]。2020年之後,隨著國產化目標的落實,也將創造更多的工作機會,進而帶動離岸風電供應鏈成型,可說是台灣當之無愧的「明日產業」!

已有超過600位員工在安能集團位於北海的Hohe See與Albatros開發案工作。(圖片來源:EnBW安能)

 

自1991年,丹麥安裝了全球第一座離岸風電場開始,離岸風電便成為備受看好的綠色能源技術。27年來,全球離岸風電裝置容量逐年上升,建置成本快速下降。截至去年,全球裝置容量已達23GW,全球風能協會(Global Wind Energy Council)更預測全球離岸風電裝置容量將在未來五年內成長139%,於2023年達到55GW的容量[註1]。


離岸風電之所以受到全球海洋國家青睞,主因包括穩定的風力條件、不受土地限制和噪音較小等優點。因為海面不像陸地上有建築物、自然地形阻擋風勢,因此風力供應往往更穩定、充足,而風場座落於海上,不會佔用民生用地、破壞沿海景觀,風機運轉所發出的噪音對於沿岸居民的影響也較小。

 

離岸風力發電場組成
離岸風電場是由風機、海纜、離岸變電站、陸域電纜與陸域變電站所組成。海上的風力由風機產生出來後,透過海纜運送到離岸變電站加壓,再利用海纜與陸域電纜傳輸至陸域變電站轉換為可進入電網的電壓,最後再經由電網設備輸配至每個家戶。

 

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圖說: 離岸風機主要由葉片、機艙、塔架和水下基礎所組成。(圖片來源: EnBW安能)

 

離岸風場的靈魂─離岸風機
在一座離岸風場中,離岸風機可說是風場不可或缺的「靈魂」。缺少了風機,海上的風力便無法轉換成大眾可使用的電力。離岸風機看似結構單純,但事實上每一隻風機裡頭都包含了無數精密的零件,而風機身上的每個組成:葉片、發電機、塔架和水下基礎等,也各自有其一門「學問」。

 

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圖說: 安能集團位於北海的最新風場Hohe See,葉片尺寸長達75公尺,支撐塔高度超過100公尺。(圖片來源: EnBW安能)

 

葉片與機艙 (Blades and Nacelle)
離岸風機葉片與機艙位於風機頂端,風力推動葉片運轉,並將轉動所產生的機械能透過轉子軸心傳到葉片後方的機艙。艙內包含發電機、齒輪箱等,將機械能轉換為電力。離岸風機的葉片長度也會隨著風機單機功率大小而不同,安能集團最新在北海建置中的離岸風場Hohe See採用西門子歌美颯SWT-7.0-154風機,在今年4月剛安裝上的葉片尺寸長度則長達75公尺[註2]。

風機支撐塔架 (Tower)
支撐塔架就像是離岸風機的脊椎,支撐著風機豎立在海中。塔架上方搭載著機艙及葉片,下方則固定於基礎建設之上。一般來說,因為距離海面愈高,風速愈大,因此愈高的塔架通常愈具優勢。如Hohe See風場的風機支撐塔高度便超過100公尺高[註3],大約30層樓高。

 

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圖說: 安能集團主要採用單樁式、套筒式水下基礎,並積極研發浮動式基礎(圖片來源: EnBW安能)

水下基礎建設 (Underwater Foundation)
水下基礎是風機的雙腳,使風機能穩固的站在海床上。隨著技術發展,單支風機功率愈來愈大,再加上風場往更深的水域發展,對於支撐塔的要求和設計也愈發複雜。

安能集團目前主要使用的水下基礎建設為單樁式基礎(monopile foundation)與套筒式基礎(jacket foundation)。單樁式基礎適合使用於海床地盤較為堅實的淺海(20至25 公尺)地區;而套筒式基礎則是在水深超過20公尺的風場中最為經濟的基礎型式,且因不需大型樁基礎,對於鋼材的需求量也較低[註4]。目前安能集團旗下已完工或建置中的四座風場Baltic 1、Baltic 2、Hohe See及Albatros均使用單樁式水下基礎建設,而Baltic 2部分水深超過40公尺的區域則採用套筒式水下基礎建設。

此外,安能集團也積極研發適合使用在離岸距離更遠,且水深超過50公尺以上深海區的浮動式基礎(floating foundation),並計畫將此項技術運用於安能集團在美國加州的離岸風場中。

 

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圖說: 安能集團位於波羅的海的風場Baltic 2 (圖片來源: EnBW)

 

離岸風電在全球各地都是一項成長中的新興產業,各個海洋國家也持續精進離岸風場開發的技術與累積經驗。在台灣,政府亦規劃在2025年,於西部的海域上豎起數百支風機,提升台灣的能源自主性和永續性。



雖然比起歐洲諸國,台灣起步的較晚,但台灣擁有成熟的鋼鐵、碳纖維和船舶等重工業基礎;再加上政府大力支持,協助企業共同籌組「離岸風電海事工程聯盟」(Marine Team)和「離岸風電零組件國產化產業聯盟」(Wind Team),展現發展離岸風電供應鏈極高的潛力。

 

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圖說: 安能集團分別在波羅的海和北海擁有5座風場。(圖片來源: EnBW安能)

 

安能集團自2011年開始開發離岸風電場,至今在德國已擁有5座風場;同時,安能集團也積極向外發展,除了在加州也即將開發離岸風場之外,安能也立足台灣,與上緯新能源、麥格理資本兩大夥伴共同投資位於彰化外海的海鼎風電(Formosa III)三座風場。我們也很期待透過這樣的合作,能夠為台灣離岸風電產業貢獻安能的經驗和技術,協助台灣落實能源永續的目標。

在去碳化和減核的浪潮下,世界各國紛紛開始找尋更永續、乾淨的能源替代方案,即「再生能源」,以填補持續增長的電力需求。再生能源發電是將來自大自然的資源,如潮汐、風力、陽光、地熱等,轉換為可以運用於日常生活的電能;不但在發電的過程中幾乎不會產生廢氣汙染空氣和環境,且這些資源會隨地球的運轉而自然再生,取之不盡,用之不竭。

再生能源種類多元,不同地區因應其各異的自然條件,也有各自適合發展的再生能源項目。目前在全球最為廣泛使用的再生能源包含太陽能光電、風力發電、水力發電、地熱發電及生質能源發電等。

 

太陽能光電Solar Power / Photovoltaic
太陽能光電是指將太陽輻射出的光能收集起來,轉換為電能併入電網供大眾使用。太陽能設備除了可以設置在大片的空地和農田之外,也可安裝於工廠等建築物上,在發電之餘還能達到隔熱的作用,降低建築耗能。



安能集團自2008年開始在德國發展太陽能,不但已經在德國建造九座太陽能發電廠,今年更計畫建設德國第一座透過市場價格競爭、「零補貼」的太陽能廠Weesow-Willmerdorf。這座太陽能廠啟用後除了可滿足全國約五萬戶的用電之外,也將為地球減少約12.5萬噸的二氧化碳排放。

 

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安能集團的太陽能發電廠Leibertingen (圖片來源: EnBW)

 

風力發電 Wind Power
風力發電的原理是藉由風來吹動風力機葉片,進而帶動發電機發電。根據風機設置的地點不同,又分為陸域風力發電和離岸風力發電兩類。


陸域風電 Onshore Wind Power
陸域風電多設置於沿海與平原等地勢平緩、障礙物較少的地點。隨著風力發電科技日趨進步,發電成本下降,現在已是再生能源當中相當具有經濟競爭力的能源。



安能集團在德國的許多城市都設有陸域風機,合併裝置容量約達470MW(2017年)。除了在德國境內繼續建設新的風機之外,安能集團也在瑞典和土耳其發展陸域風電,擴張再生能源的版圖。

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安能位於Eisenach的陸域風場 (圖片來源: EnBW)

 

離岸風電 Offshore Wind Power
離岸風電是近年來快速崛起的再生能源,也就是在海上建設風力發電,由於海上風速比陸地上的風速來得更快,因此能夠提供的發電量也更高,且此類鄰避設施的反彈也較小;但因海上作業難度也更大,發電成本也相對較高。



在2011年,安能集團在波羅的海打造了德國的第一座商用離岸風場Baltic 1、緊接著在2015年完成Baltic 2風場。截至2018年,安能集團已啟用的離岸風場總裝置容量為336MW,2019年底,安能在北海的兩座風場Hohe See及Albatros也即將商轉,預計可供給71萬戶德國家庭的用電。除此之外,安能也看中台灣良好的離岸風場條件,與上緯新能源、麥格理資本共同投資海鼎風電,未來將爭取在台灣離岸風電第三階段「區塊開發」中脫穎而出。

 

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安能集團位於波羅的海的Baltic 1離岸風場(圖片來源: EnBW)

 

水力發電Hydroelectric Power
水力發電是在重力作用下,運用水位的落差產生的水流推動輪機,帶動發電機發電。水力發電發展歷史悠久,也是目前社會應用最為廣泛的再生能源之一。

安能集團運營水力發電的歷史已超過百年。目前在德國擁有67座水力發電站/廠,裝置容量達2,700MW,佔其所有能源生產量的10%。不僅如此,安能也持續擴大水力發電廠的規模,旗下的Iffezheim水力發電廠在擴增後更將成為歐洲最大的川流式電廠之一。

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安能集團的Iffezheim水力發電廠 (圖片來源: EnBW)

 

地熱發電 Geothermal Energy
地熱發電是利用地殼內部熔岩所產生的熱能,將水加熱後產生的氣體來推動發電機組產生電能。但因地熱資源開發難度高,較難達到經濟規模,和其他再生能源相比較不普及。

安能在1980年代開始研究地熱能,目前擁有2座地熱發電廠,約可滿足3,600戶家庭的年用電需求。此外,安能也計畫提供多餘的熱能給發電廠附近的居民,更有效率地使用地熱資源。

 

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地熱也可作為發電的原料之一(圖片來源: Unsplash)

 

生質能發電 Biomass and Biofuel
生質能發電是將植物和生物廢棄物等有機物質經過加工轉換為提供大眾使用的電力。有別於化石燃料,生質能屬於「碳中性」的能源,因此使用這些能源依然能夠維持大氣中碳含量的水平。而「沼氣發電(Biogas)」則是一種以氣體型態被利用的生質能發電。沼氣不僅能於沼澤產生,事實上堆肥、汙水、家庭廢棄物等都可以是沼氣的原料,因此許多垃圾掩埋場、畜牧場,都將沼氣收集設備整合進設施內,以沼氣做為燃料生熱或是發電。

在德國,安能是巴登-符騰堡邦最大的生質能源供應商,擁有5座沼氣發電廠,發電量可提供至少8,000戶家庭的年用電量。

 

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玉米、果皮等植物或堆肥等有機物質均可成為生質能發電的原料(圖片來源: EnBW)

 

全球再生能源持續擴張,潛力無窮
REN21於2018年6月發表「RENEWABLES 2018 GLOBAL STATUS REPORT」,回顧了2017年全球再生能源的發展狀況。在報告當中可以發現,受惠於再生能源裝置成本的下降和各國對於再生能源發展的日趨重視,再生能源投資額與設置量都持續成長;在2017年底,再生能源產電量已佔總體發電量26.5%。而根據國際能源總署(IEA)所發布的「Renewables 2018 Market Analysis and Forecast Report」中,更預估到2023年,再生能源發電將達總發電量的三分之一,顯示全球再生能源成長的高度潛力。

 

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2018年安能集團能源配比(圖片來源: EnBW)

 

安能集團自從2013年公布「2020策略白皮書」開始,便訂下清楚的再生能源目標-「在2020年將再生能源發電量提高至總發電量的40%,2035年更提高到55%-60%。」截自2017年底,安能集團在德國的再生能源發電佔所有能源的27.9%,其中水力發電佔19%、陸域風電5%、離岸風電3%、其他1%,由於再生能源多依賴自然環境變化,因此安能以準確的預測系統調度不同的再生能源,以提供穩定的電力來源。此外,安能除了持續擴大再生能源開發之外,身為一間提供整合能源服務的企業,安能集團更致力於打造完善的再生能源供電系統。透過智慧型電網確保再生能源併網後的可靠度,以及調度各種能源配比穩定24小時供電,最終達成能源轉型的目標。

縱觀全球的能源發展,無論是透過發展更多風能、水力、太陽能、地熱及生質能等可再生能源的應用,或是進而提高電價鼓勵國民減少使用用電等,這些策略的背後都圍繞著同一個核心價值-「去碳化(Decarbonization)」-即減少使用化石燃料的機會,進而降低對環境及氣候的影響。

 

Source: Aditya Joshi. From:https://unsplash.com/photos/sfCugNOdUGc

 

一場進行數十年、全球參與的長期能源改革
去碳化,指的是減少人為排放所釋放的溫室氣體。這些氣體主要來自煤炭和天然氣等化石燃料的使用。
隨著工業發展日趨進步,人們對於能源的需求大幅增加,大量煤炭和天然氣被用於發電、製造和運輸等工業,也因此產生了大量的溫室氣體,包含二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、全氟碳化物(PFCs)、氫氟碳化物(HFCs)、六氟化硫(SF6),以及三氟化氮(NF3),對於環境造成極大的負擔:大氣和海洋溫度提高、積雪減少、海平面上升,暴雪、乾旱和熱浪等極端天氣也開始肆虐大地。
1990年代起,各國開始重視「碳排放」對於環境的破壞。1992年,聯合國通過《聯合國氣候變遷綱要公約》(United Nations Framework Convention on Climate Chang,簡稱UNFCCC),邀請締約國每年召開氣候變遷會議,檢視各國除碳的成果。1997年《京都議定書》規定將溫室氣體穩定在適當的水平;2015年的《巴黎協議》更明訂各國需致力將全球平均升溫幅度控制在工業革命前水平的2 °C以內,避免對地球造成無法挽回的破壞。

 

德國去碳化三支箭:氣候保護法、碳訂價與再生能源開發
德國是世界上最早開始著手規劃除碳的國家之一。從1990年起至2017年,德國不但將國內溫室氣體年排放量降低了28%、約348百萬噸,也完美達標當年《京都議定書》所規範的減碳幅度。

德國溫室氣體排放逐年趨勢圖。取自EnBW Factbook 2018。

 

《氣候保護法》:制訂清楚減碳目標與評估手段
德國政府在法條中以十年為單位制定各階段減碳目標,並以地方政府為單位,要求各聯邦政府因地制宜地提出一系列減碳措施,系統性的規畫去碳化的方向。

碳訂價的實施:綠色賦稅,透過使用者付費精神「以價制量」
碳定價是許多國際組織、政府和企業認為最能有效減碳的手段之一。目前,全世界約有40個國家、超過20個城市已開始或計畫透過提高碳價來達到減量的效果。德國政府不但支持這項措施,更大力呼籲所有G20國家都應採取此項機制。

再生能源開發:從根本解決對於燃煤的依賴
為了讓能源不再仰賴火力和天然氣,德國持續地開發再生能源。在2019年及2020年,德國計畫提高陸域風電及太陽能發電各4GW發電量,以及開發更多離岸風場,目標在2030年時,將再生能源佔總發量的比例提高至65%以上。
對於未來的去碳化目標,德國政府也相當明確:在2030年,全國的溫室氣體排放將降至1990年時的55%,2040年更降至70%,落實低碳家園的永續目標。

 

安能貫徹去碳精神,兼顧環境永續與企業成長
順應德國能源轉型和去碳化的政策,安能也致力推動去碳化,並對此訂定了明確的方向與策略。

 

安能指出,最能反映去碳化成效的指標之一便是「碳強度」,亦即每單位GDP的二氧化碳排放量。而提高國內的燃煤價格和課徵能源稅、調漲碳排成本,也被廣泛認為是最能有效減少大眾使用化石燃料的方法,以減少碳強度。


2018年11月,安能也與包括沃旭、西門子、意昂集團(E.ON)等多間企業發表聯合聲明,呼籲歐盟排放交易體系(EU Emission Trading System)針對交通和建築制定最低碳價。安能執行長Dr. Frank Mastiaux表示:「設定碳價格的門檻能夠有效減少傳統以煤碳為基礎的製造業、進而加速從燃煤轉換為使用天然氣。此外,也能促使產業對再生能源的資金投注,加速再生能源的擴張。」

安能認為訂定最低碳價並減少對於使用低碳排能源的課稅將可減少人民使用化石燃料。取自EnBW Factbook 2018。

 

除了鼓勵制定碳訂價之外,安能也致力於降低開發能源時所產生的二氧化碳。包括將旗下Rheinhafen 蒸氣發電廠新建發電更有效率的RDK 8機組;而再生能源開發方面,也計畫在2025年擴增離岸與陸域風力發電裝置容量各1.5GW與2GW;同時,為了克服再生能源發電較不穩定的特性,安能也積極發展能源基礎建設,建構智慧又可靠的電網來滿足大眾用電的需求。


2015至2018年,是全球有史以來氣溫最高的四年,因碳排放而產生的氣候變遷和空氣汙染早已是全球人民共同面對的重大問題。面對這樣的環境,安能亦擬定未來目標,企圖在2020年降低因發電而產生的碳強度15%至20% (以2015年606g/kWh為基準),持續積極地為氣候保護和減低碳排放而努力。

 

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