專家專欄

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向天借能源?

李傳宗 助理研究員

國家海洋研究院


台灣地處西太平洋上之海島,島上地狹人稠且缺乏礦產及資源,根據經濟部能源局之統計,目前台灣之能源約98%仰賴進口,其中又以煤、石油等化石能源的依存度最高,過度依賴化石能源之結果將導致汙染及二氧化碳排放問題日益嚴重,在近年來世界各國對於環保及二氧化碳減排之要求;另我國政府在2011年3月11日本大地震所引起的核電廠爆炸,以及國人對於核能安全的疑慮及核廢料儲存場址問題之因素影響下,於106年提出「能源發展綱領」朝向「確保能源安全、綠色經濟、環境永續期能達成2025年非核家園」之願景規劃。

近來由於氣候環境改變,從去年底加州森林大火、今年初的德州暴雪以及台灣遭遇56年缺水大危機,使得「溫室效應」及「極端氣候」等名詞,已經成為熱門名詞深植人們心中,也一直在探討其原因,目前認為造成極端氣候的主要原因為二氧化碳的排放,而使用化石能源材料也被認為是產生二氧化碳的主要原因之一,國際上目前有128國家宣示2050年達成淨零碳排,紛紛宣佈將針對高排碳進口產品課徵碳關稅,如此將嚴重影響國內產業之競爭力,欲達成二氧化碳減排降低汙染及補足核能發電之電力缺口,世界各國積極發展無碳再生能源,對此我國經濟部也於今年4月宣示2050年零淨排之政策,積極發展無碳再生能源產業,目前預定2025年將再生能源裝置量提高27GW,佔總發電佔比20%,至2050年達到零淨排之政策。

圖1 50瓩發電單元機組布放狀態(資料來源:研發團隊)。

再生能源主要包含風力發電、太陽光電、海洋能等,目前我國發展再生能源初期從太陽光電及岸上風力發電開始開發,主要鼓勵農地及埤塘種電及設立風力發電機組,中期推出離岸風力發電,其中更宣示離岸風力發電至2025年累計達 5.5 GW,之後2026年至2035年更規劃10年10GW之區域開發政策,以每年1GW的規模來建置離岸風場,後期(第三期)納入海洋能之發展,其中海洋能又分為潮流能、波浪能、溫差能及洋流能等。
根據統計台灣全年主要用電尖峰在夏季,而夏季每日用電尖峰主要分為中午1點至3點及下午6點至8點這兩個時段,發展太陽光電無法補足夜間用電缺口須加以考慮;另台灣地理環境夏季吹西南風風量小,冬季吹東北季風風量大,如何將冬季所發之電儲存至來年夏季使用則是另一個須加以考慮之課題;在發展上述發電時同時發展海洋能發電正可以補足此部份之缺口,台灣適合發展海洋能發電主要有波浪發電,主要適合場域有北部及東北部海域,而發展溫差發電之區域在東部海域,發展波浪發電可與防波堤結合,將海浪作用防波堤之能量吸收,保護防波堤;發展溫差發電時更可以同時發展海洋深層水及其附加產品,提供高其經濟利益;而流經台灣東部的北太平洋最大的海流一黑潮(Kuroshio),全年流速及流向穩定,其所發之電可為基載用電,補足台灣之用電缺口。

圖2 「KAIRYU」發電機組(資料來源: http://tokiox.com/wp/ihi)。

黑潮是北太平洋最大的海流,其主流在通過台灣東部沿岸與綠島之間,其最高流速可達1~1.5 m/sec,而流量則介於20.7 ~22.1x106 (m3/sec)之間,黑潮距台灣本島約30公里~170公里間,甚至距離綠島僅數公里;根據科技部研究初期適合發展黑潮發電區域包含綠島附近(北緯23o)、花蓮附近(北緯23.5o)及蘇澳附近(北緯23.5o)之黑潮流域,隨季節和季風變化影響的每個斷面總功率在冬季約可達到 4 GW,在夏季約為10 GW,三個斷面即可提供12GW(冬天)及30GW之能量,若善加規劃可以在黑潮流經台灣海域,可以向其借用30GW之發電能量,目前我國總發電裝置容量約42GW;利用黑潮發出的電力可很容易的輸送至岸上使用。黑潮可提供乾淨的綠色電力來源,且因為黑潮發電不需要原料成本可減少進口能源之成本增進我國經濟發展,並帶動相關產業之發展。
發展黑潮發電就技術方向來說主要分為二部份,一為水渦輪機發電技術之研發;另一為適合之發電場址及營運基地港之規劃。針對水渦輪機發電部份世界各國專家學者皆致力研究,目前已發研發成果如下:
一、 萬機鋼鐵公司國立中山大學研究團隊自2010年開始研究低流速高效率水渦輪發電機組,2016年於台灣東部黑潮主流域實海域錨碇50瓩浮台式機組(圖1)試驗成功,目前該團隊正在進行200瓩機組之研製,預定2021年中至綠島實驗。
二、 日本企業IHI亦於2017年7月發表一款新的黑潮發電機組” KAIRYU”(圖2),「KAIRYU」發電機組發電量可達100瓩,並於2021年初發布2020年長期運轉報告,長期運轉試驗預計進行報告。
三、 國立臺灣大學國立臺灣海洋大學研究團隊從國科會能源國家型計畫第二期(NEP- II)支助下於2015年開發研發浮游式發電機組(圖3),更在2020年時在海洋委員會之經費支助下,與國家海洋研究院合作於2020年完成10瓩浮游式發電機組先導機之研發製作,並於同年10月完成流速1.286 m/sec條件下10瓩之發電之海域測試,該團隊目前正在研製20瓩之機組,預定2022年至綠島海域錨碇實驗,之後即朝向商轉機組500瓩機組之研製。
另外針對最適合之發電場址及營運基地港區域,從國科會能源國家型計畫第一期以來由政府與學界持續研究至今,目前完成初期適合開發場域及對應營運基地港之規劃,並開始規劃國際洋流能測試場及洋流能發電示範電廠之研擬與建置,期能吸引更多之有志之士及企業之投資與參與。
台灣擁有得天獨厚適合利用黑潮發電的海域,而黑潮也是上天送給台灣之最佳能源,期待早日完成這個向天借能源之最後一哩路,減少汙染使台灣重現「福爾摩沙」美麗乾淨之島。

圖3 10瓩浮游式發電單元機組 (資料來源:研發團隊)。