2006/03/05
經濟部能源局
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▓撰文：翁鳳英
2001年底，全德國大約有8,750MW的電量來自風力發電，占全國能源需求的2.5％；2002年風電則供應全德國4％的電力。長期研究報告指出，至2030年時，全德將有四分之一的電力來自於風力。若該報告的預測正確，則表示其中的40％來自於陸上風力，其餘的60％則來自離岸風力。不容否認的，離岸風電在德國未來的能源比例上，占了舉足輕重的地位。
德國在發展風電上的成就早已眾所皆知，其對外原因不外乎是為因應全球氣候暖化現象，實踐京都議定書的精神，確保環境永續發展；而對內原因則為降低進口能源的風險，保障能源供應穩定，使能源供應商和消費者均能分享能源帶來的好處。
離岸風電的發展沿革與其目標和挑戰
事實上，自1990年代中期起，德國聯邦環境、自然保護與核能安全部（Federal Ministry of Environment, Preservation of Nature and Nuclear Safety, BMU）即已著手發展離岸風電的研究。規劃階段始於1990年代末期，截至2002年5月止，共有29座離岸風力發電站提出申請，22座在北海，7座在波羅地海。2001年首度批准了兩處領航海上風電公園，分別位於博爾庫姆島（Borkum）以北和席耳特島（Sylt）以西的海域，範圍在離岸200海哩的特別經濟區（Exclusive Economic Zone, EEZ）。另外在12海哩私海處，也規劃了許多離岸風力發電站。
依照目前的進度，初階段的離岸風力大約有500MW，至2010年時，則有3,000MW，長期來看至2025或2030年時，則能達到20,000～25,000MW（包括德國私海域和EEZ區）。於2015年時可望減少2千萬噸至4千萬噸的二氧化碳。為要達到此遠景，離岸風力發電廠和能源業者必須提供足夠且有效率的系統來運輸離岸風電，例如傳輸容量夠大的海底電纜、連接至路上輸配電路的必要電力環節系統等。
策略要點
在經過長時間研究與各部會的協調合作下，德國聯邦環境、自然保護與核能安全部發表離岸風電開發的策略重點，筆者綜合其內容，列舉出數個要項如下：
一、風電開發的擴大，必須考量環境相容性，因此要逐步進行。
二、開發離岸風電必須面臨技術、經濟與法令未確定性等問題。
三、修法的部分，不只包括環境保護方面，也包括規劃與投資區域的安全性。也就是必須明白劃分德國私海域和特別經濟區的開發。新修法的聯邦環境保護法（Federal Nature Conservation Act）包括了新修訂的EEZ區之海域保護法，明確規定保護區，也指出適合做為離岸風電公園的區域。另外也依離岸風機安裝條款（Offshore Installation Ordinance）規定證照發放程序。除了環境保護，其他如經濟利用（漁業和礦物的開發）以及軍事用途等也必須納入考慮。這些對於風力發電廠的建造、運作和技術布局很重要。
四、有關技術和環保方面的研究，必須隨著離岸風電的擴大而不斷更新。
五、由於離岸風電的開發將大範圍、長期的影響海洋生態，因此必須以漸進的方式進行。再者，也因為發展離岸風電至今仍為新範疇，尚未有實體經驗，必須要等待整體環評證明對生態平衡並無影響，才能進一步執行。
六、在EEZ與沿海海域的風力發電廠將持不同的證照，風電業者與政府將持續交換意見。
離岸風電公園的設立
目前德國所評估選定的離岸風電公園位於波羅地海和北海兩處。北海EEZ的風電公園指的是博爾庫姆島以北和席耳特島以西的海域，涵蓋範圍為510平方公里，每平方公里的裝置容量為5～10MW，整體裝置容量為2,550～5,100MW。目前該地區由普羅康諾得能源公司以1.25～1.4億歐元投資建設12座風機，208台運轉渦輪機，整體建設大約為1.5億歐元。
依評估報告顯示，北海地區適合發展離岸風電的地區，2025至2030年間將可望擴充為3,574平方公里。依每平方公里的裝置容量為5～10MW為單位，整體裝置容量屆時將可達到17,870～35,740MW。
波羅地海區的風電公園指的是盧更島（Ruegen）以北和阿德勒根得（Adlergrund）以西的地區，涵蓋範圍為135平方公里。以每平方公里的裝置容量為5～10MW預估，整體容量為675～1,350MW，此地區的風機設置必須考量軍事用途。
北海與波羅地海所涵蓋的12海哩處之近岸風電公園，係由鄰近國家合力規劃而成。目前只有波羅地海的梅克能布格海灣（Mecklenburg Bay）和達斯半島（Darss Peninsula）依計畫有200MW的裝置發電能力，北海區的12海哩處現階段則無較大的進展。預計北海與波羅地海依目前的設施計畫，在2010年的總發電量應可達到3,425～6,650MW。
離岸風電的技術要點
以北海區為例，離岸10公里處的海面，平均風力為每秒8～9公尺，所以海上風機不應與陸上風機等高，因為海上風力因海面平坦無障礙而速度較快，因此海上風機渦輪的載量應比陸上風機強。另外必須要注意的是，發電量介於4～5MW的渦輪機，其風葉運轉範圍應可到達10,000平方公尺。
為了要能抵擋海潮，海上風機的桅杆和底座必須要特別堅固。在EEZ區，渦輪機裝置在海底15～40公尺深處。在北海區，渦輪機必須能抵抗達4.5公尺的浪湧，以及波羅地海區的海冰壓力。北海區最大的浪潮可達20公尺高，而波羅地海則只達7公尺高。至於海上風機的設計，必須特別考慮海洋底部經常性的陷落，浪汐狀態與桅杆本身自然的擺動頻率。
目前德國的離電風機底座之建構可分為二種方法，其一是「單柱底座」（Monopile），其二為「鼎狀底座」（Tripod）。前者係以液壓打樁機將風機桅杆打入20公尺深的海床。其特點為風機較有彈性，能隨浪潮柔軟搖擺，適合海床深25公尺以內的地方。後者指的是利用鼎狀構造來支撐風機桅杆，此種構造尤其適合較深的海域。
除此之外，離岸風電公園也必須考量具腐蝕性的海風，冷卻系統必須受到密閉的保護，也需具備遙控維修與問題解決系統。維修船必須要能停靠，也需常備錨機，整個風機結構必須能承受因停靠船隻而造成的撞擊。
海上風電公園所產生的電力必須透過輸送電路傳送至陸上，以高電壓來傳送可防止電力流失，而鋪設於國家公園的海底電纜也必須儘可能減少，因此海上風電必須先被傳送至海上變壓站，然後再傳至陸上輸送電路。陸上變電所必須要同時連接高壓與超高壓輸送電路。
根據德國聯邦能源署（Deutsche Energie-Agentur GmbH, dena）於2005年2月公布的最新「離岸風力與陸上風力整合計畫書」，因應未來更大的電力需求以及歐盟電力市場更加自由化的問題，德國境內現階段400公里的380kV之輸配電路的更新，和另外850公里新輸配電路的建造勢在必行，總共經費大約為11億歐元。
設立研究平台提供參採
為要能更準確發展海上風電，德國海運與水文地理局（Federal Martime and Hydrographic Agency）成立了3個離岸風電研究平台，它們分別位於離博爾庫姆島40公里處、席耳特島北方70公里處、以及盧更島北方40公里處。
該3處研究平台的預算來自於德國政府的「未來投資計畫」預算。以2001至2003年所規劃的1,540萬歐元，除了軟體外的建築物（土建），另外還設置了該平台的傳送系統、測量系統以及雷達。其中雷達系統記錄來往的船隻數量，是建立海上風電公園的重要依據。目前此3座研究平台由漢堡的研究中心負責監控與操作。
研究平台所獲取的資料，將可提供廠商在發展離岸風機並建造更具成本考量的風機底座之重要參考。離岸風機一般而言，裝置容量為5MW，配上特殊的底座構造以及海底電纜。風葉高度最高離海平面160公尺處，底座深度可至海床40公尺處。
他山之石的深思
在能源日漸短缺的情形下，先進國家無不以創新的技術，周全的計畫與環評，致力利用己身的地理情勢來增加能源來源。德國地處歐洲中心，雖然日照短，南部仍積極發展太陽能；北部海岸線雖然短，仍以陸地風電技術為基礎，努力克服技術障礙開發海上風電。德國在發展再生能源的作法，讓人認識到一個積極的國家，突破瓶頸並擔當身為世界公民的責任，也增加人民對未來永續發展的希望。德國的例子，是否也讓國人反思台灣在發展再生能源上的作法呢？（作者為本刊駐德國特約記者╱對於相關資訊有興趣的讀友可查看網址：www.gigawind.de、www.offshore-wind.de、www.fino-offshore.de、www.bsh.de、www.bine.info）