2008/01/05
經濟部能源局
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▓撰文：翁鳳英
▓圖檔來源：E.ON
在現今能源議題發燒的時代裡，重新思考能源的產生，同時衡量對環境的影響與衝擊，替代能源的發展因應而生。綠色能源發展至今大約有20年的時間，諸如風力、太陽能、生質能等均因人類科技的進步與思維的改變而有了長足的發展；然而在能源供應吃緊的前提下，這些現代的綠色能源即使發展快速，卻仍有若干難題尚待克服，而無法完全替代傳統能源。在眾多新舊能源的探討裡，古老的水力發電常被人遺忘，事實上，若能運用現代效率的發電設備，與環境合諧共生的水力發電應該被視為重要的能源之一。
以全球歷史來看，水力發展始於3500年前；而歐洲從19世紀中期後，因西門子的創辦人維爾（Werner）發明了自勵感應發電機，水力在轉變為電力供工業應用範疇中才有了長足的進步。德國境內大小河川眾多，深具能源概念的德國人在1914年攔阻艾德河完成艾德大壩（Eder Talsperre），10年後（1924）瓦亨湖水力發電廠（Walchensee Wasserkraftwerk）完工並開始運轉，之後德國各地的水力發電廠如雨後春筍般相繼設立，至今全區有超過133座水力發電廠，負責供應全德5％的電力需求。
水力：綠色能源
事實上，水力發電為綠色能源的一環，水的循環是一種自然的現象。水在經過陽光的照射後，蒸發為水汽向上儲存在雲層中，平均水汽儲存在雲層的時間為10天，之後化為雨水降至地表。因此可以說，太陽能是水循環的動力，而水力也是太陽能的間接使用。
水力的運用可分為動態水力和靜態水力，顧名思義動態水力指的是流動的水力，泛指一般河川或甚至海潮之動能的運用；而靜態水力則為累積在湖泊等靜止水域內的位能。
全球應用水力非常發達的國家有加拿大、巴西和挪威，都是拜天然地理優勢所賜。沿著河流設立水力發電廠，有時可改善河流本身氾濫成災的情形，例如春夏之間常有水患的多瑙河，則因為配合電廠而完成的水壩而較少發生水災。
除此之外，隨著水力發電廠的建立也可為動植物創造新的生存空間，以德國第1大水力能源公司E.ON為例，在全德水力電廠附近即發展出111個自然保護區，包括：風景保護區、鳥類保護區和動植物保護區等，全德大約有三分之一的鳥類保護區位於水力發電廠周圍，另外對水庫內魚類的保育更不在話下。
水力發電廠的攔水壩常是垃圾的終點站，在德國每年由攔水壩所攔截的垃圾達千噸，這些垃圾經由垃圾回收廠進行分類回收，每年回收成本達200萬歐元。且不論成本高昂，水面垃圾經由水力發電廠的收集，對於保護沿岸生態區發揮莫大的助益。
水力發電原理
水力的發電原理是經由水力的驅動旋轉水輪機帶動發電機產生電力，再由變電設備將發電機所產生的約6,600伏特的電力，升壓為110,000伏特的高壓電，經由輸配電線路輸送。
水力發電最重要的機械部分為水輪機，水輪機是將水之動能與位能轉變為軸功的設備，目前全球所使用的水輪機共可分為三種：螺旋槳水輪機（Kaplan-Turbine）、法蘭西水輪機（Francis-Turbine）及衝擊式水輪機（Pelton-Turbine）。以下分別說明它們的運作原理：
一、螺旋槳水輪機（通稱卡布蘭式水輪機）
形狀類似船舶推進機，這類水輪機適用於低水位，適用於落差大約在50公尺以內，可以依水流大小，調整螺旋漿的角度，是能將進入水輪機的水流發揮最大效能的機種。由於水位低，因此需要較大水流量。
二、法蘭西水輪機
螺旋形狀類似蝸牛殼，適用於落差20公尺至700公尺之間的中水位地勢。
三、衝擊式水輪機
此種水輪機作用的原理是藉由高水位之高壓力獲取高速度水流，當高速度水流衝擊水輪機的扇葉所產生之作用力，推動水輪機發電。一般適用在落差較大的地區，落差可達140公尺至1,500公尺之間，水流量不需太高。
德國各類水輪機應用的實例及其成效
◎福堡水力發電廠和螺旋槳水輪機
螺旋槳水輪機最常運用在相差數公尺的水域範圍內，水域之間的落差常建置有堰以相隔。想要獲得1瓩小時（kWh）的電力，必須將400,000公升的水從9公尺高處引往低處。
位於多瑙河沿岸，英格市（Ingolstadt）的福堡水力發電廠（Vohburg Wasserkraftwerk）是典型的運用低水位落差地形和螺旋槳水輪機的水力發電廠。這個發電廠共配有3座巨型發電機組，每個機組由具強大調節效能的螺旋槳水輪機和豎軸式發電機組成，總計每年產出146,500萬度的電力，供德國鐵路公司驅動火車之用。
這類水力發電廠除了生產能源外，它還有調節水位防洪的功效，電力公司在河流沿岸1,200公尺均裝有水位預警裝置，可以提早預告水位的變化讓下游居民提早做防洪的準備。單單在2006年，福堡水力發電廠周圍的防洪系統建置就花去3,800萬歐元。
多瑙河和萊茵河是歐洲著名的水道，用來解決水位落差問題的堰和船閘也是幫助船隻順利通行的重要建設，船隻被引入船閘中，藉著引入水或抽取水使水位變化的方式讓船隻順利進入下一個水域中，也常變成遊船觀光的重點之一。
◎瓦亨湖水力發電廠和衝擊式水輪機 1924年1月24日，瓦亨湖水力發電廠正式開始運作，即使到今日該發電廠仍每年產出300,000萬度的電力，是德國重要的水力發電廠之一。
它的作用原理就是藉瓦亨湖和科卻湖（Kochel）之間達200公尺落差，配合衝擊式水輪機來發電。這個電廠建有6條各長達400公尺的管道，直徑為1.85～2.25公尺之間讓水順利引入發電室中，8個水輪機的最大水量達每秒鐘84立方公尺，水管最大承受壓力為28 bar，大約為一般小型客車輪胎所承受壓力的10倍，這六大水管的總重量為3,600噸。
這類發電廠的運作原理主要是配合電力供應不足的尖峰期來發電，瓦亨湖水力發電廠能配合巴伐利亞區的德國鐵路公司的用電需求來補足不足的電力。
讀友也許想像不到，水力發電廠也可以成為國家保護古蹟，從1983年開始，瓦亨湖水力發電廠就成為德國的國家古蹟。這座電廠外觀類似城堡，它具高度建築美感的外觀，但其內的設備非常現代和科技化，又因為它位於山區，配合山區美景而成為觀光旅遊的勝地。
◎瓦德克水力發電廠群和法蘭西水輪機
利用法蘭西水輪機可逆轉充當汲水幫浦之特性，首先先將水打至高處儲存，在需要用電時或電力不足時，再配合法蘭西水輪機發電是這類抽蓄式水力發電廠的運作原理。
瓦德克水力發電廠群位於艾德湖（Edersee）區，是德國受到喜愛的休閒娛樂區。因為它特殊的地形，從20世紀初開始即有建廠的想法出現，發展至今，現在這裡有3座運用法蘭西水輪機的發電廠，2座運用衝擊式水輪機的發電廠和10座運用螺旋槳水輪機的發電廠，總裝置容量為862MW。
瓦德克水力發電廠群是德國第1座運用法蘭西水輪機的發電廠群，它先將艾福弗登湖（Affoldener）的水打到300公尺高的人工湖泊存放，所儲存的水量大約為4,300萬立方公尺，裝置容量為440MW。在電力不足時，該電廠群尤其在補足其他水力發電、火力發電、核能發電和風力發電不足時，直接進入配電系統發揮效用。
這類電廠裝置因為和風力發電機一樣可以立即啟動，發電輸送至配電系統之中，即時補足電力，因此也是最具成本效益和環保的發電廠。（作者為本刊駐德國特約記者╱有興趣的讀友可上網www.eon-wasserkraft.com查詢相關資料）