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第一章 離岸風力發電發展 - 現況與展望
By Poul Erik Morthorst, Jørgen Lemming and Niels-Erik Clausen
1.1 前言
目前離岸風機裝置容量大約只佔全球風機容量的1%，主要使用於北歐國家，大多分佈在北海及波羅的海，該地區至今已有20餘個離岸風電計畫被執行。2007年底有將近1100MW的離岸風電容量應用於瑞典、丹麥、愛爾蘭、荷蘭以及英國等五個鄰近海域國家 (參閱表1.1)。為了盡量減少海底基礎工程與海底電纜的額外成本，大部分都安置在較淺的海域(水深小於20m)、鄰近沿海的地區和離岸不超過20km的地方。2000年最大離岸風場的建置位於瑞典海域，在Lillgrundern開發110MW額定容量，使得瑞典離岸風電容量規模擴增至133MW。英國於海上持續不斷地設置離岸風機，包括2000年4MW的Blyth 離岸風場，2006年90MW的Barrow風場，2007年90MW的Burbo Bank風場及10MW的Beatrice風場，此外2008年還有629MW的離岸風場建置中(BWEA 統計)。
海上風力發電成本比陸上的發電成本高出50%，但是由於海上風力發電可以獲得較大的風力能量，而且對視覺影響較小，因此許多國家對於海上風力發電相當積極投入。
表1.1 各國已開發之離岸風電容量（來源：BTM Consult）
國家 2006年安裝量
(MW) 2006年累積量
(MW) 2007年安裝量
(MW) 2007年累積量
(MW)
丹麥 0 398 0 398
愛爾蘭 0 25 0 25
荷蘭 108 127 0 127
瑞典 0 23 110 133
英國 90 304 90 394
全世界合計 198 877 200 1077
1.2 離岸風電的開發和投資成本
離岸風力發電的總容量雖然有限，但是其成長率相當高。一個離岸風場容量通常為100MW至200MW，一年安裝兩個風場就可保持年增加20~40%。但是製造成本高、製造能量問題與安裝船隻數量不足等問題，導致離岸風電發展有些延遲。
離岸風場的成本與天氣、波浪、水深和離岸距離相關，目前最詳細的離岸安裝成本資訊，來自英國在2006年和2007年所裝置的90MW離岸風場，以及瑞典2007年於Lillgrunden所裝置的離岸風場。部份近期離岸風場的建造資訊附於表1.2。
如表1.2所示，海上風場所選擇的風機容量範圍為2~3.6MW，較新風場所裝置的風機較大。從規模較小的23MW Sams 風場，到額定容量為180MW，即將成為世界最大風場的Robin Rigg風場，其規模有很大的差異。投資成本也就不盡相同，投資成本從120萬歐元/MW(Middelgrunden風場)到近乎兩倍的270萬歐元/MW(Robin Rigg風場)不等，請參見圖1.1。
表1.2 近期離岸風場重要資訊
離岸風電場 運轉 風機數量 風機容量
(MW) 總容量
(MW) 投資金額
(百萬歐元)
Middelgrunden (DK) 2001 20 2 40 47
Horns Rev I (DK) 2002 80 2 160 272
Sams (DK) 2003 10 2.3 23 30
North Hoyle (UK) 2003 30 2 60 121
Nysted (DK) 2004 72 2.3 165 248
Scroby Sands (UK) 2004 30 2 60 121
Kentich Flat (UK) 2005 30 3 90 159
Barrows (UK) 2006 30 3 90 －
Burbo Bank (UK) 2007 24 3.6 90 181
Lillgrunden (S) 2007 48 2.3 110 197
Robin Rigg (UK) 2008 60 3 180 492
離岸風機的結構較大，塔架安裝複雜，使得離岸風場的建設成本較高。海底的基礎工程、建造、安裝和併網成本比起陸上要高出許多。離岸風機價格比陸上風機高出約20%，離岸風機的塔架和海底基礎比相同大小的陸上風機成本高出約2.5倍。
總而言之，近年來離岸風機的成本與陸上風機相比有所增加，圖1.1僅部分地顯示出成本的增加。因此，未來離岸風機的成本可預期地會逐漸增加。平均而言，現今的近岸淺水區的離岸風場投資成本預估約在200萬~220萬歐元/MW。
為了更徹底的說明離岸風機的經濟效益，以丹麥最大的兩個風場以及瑞典的Lillgrunden為例說明。Horns Rev 離岸風電場位於日德蘭(Jutland)半島西邊(挨塞比亞(Esbjerg)西面)大約15公里處，於2002年完工，擁有80台2MW風機，總容量為160MW。Nysted離岸風電場位於羅蘭(Lolland)島的南部海域，由72台2.3MW風機所組成，總容量為165MW。此兩個風場都有建置專用變電站，通過傳輸電纜與陸上的高壓電網連接，人員不需要在風場中操控，而是透過陸上控制站遠端監控風場的運轉。
Lillgrunden風電場位於哥本哈根和Malmo的Øresund橋的南邊，距離瑞典海岸大約8~10公里，有48台2.3MW風力發電機。以上提到的風場平均投資成本如表1.3所示，分成幾個主要部分。
在丹麥，變電站和與岸上連接傳輸電纜費用是由TSO所負責，其餘所有成本都是由投資者負擔。丹麥的兩個離岸風場每一個風場的總成本都接近2.6億歐元，而瑞典的造價約為2.15億歐元。
表1.3 Horns Rev、Nysted和Lillgrunden離岸風場每MW的投資成本
Horns Rev 和 Nysted Lillgrunden
投資
1000€/MW 所占比例% 投資
1000€/MW 所占比例%
風機(不包括人工，包括運輸及安裝) 872 49 1074 57
變電站與主要傳輸至陸地電纜 289 16 244 13
風機間的內部電網 91 5 - -
基礎 375 21 361 19
設計、計劃管理 107 6 60 3
環境分析等 54 3 - -
其他承包費 - - 80 4
雜費 11 1 54 3
總計 1798 ~100 1873 ~100
備註：2007年價格
Horns Rev和 Nysted匯率1Ä=7.45DKK=9.31SEK
離岸風機和陸上風機相比，有兩點成本結構上的不同：
對於離岸風機來說，基礎的造價要高出許多。基礎的成本取決於水深和所選擇的建造方式。對於陸上的傳統風機，基礎成本大約占總成本的5~9%。上述所提的3個離岸風場，平均基礎成本比例達20%（表1-3），因此較陸上風機要貴上許多。但是在安裝這些風場時從中獲得許多經驗，因此未來可以期待能建造更好的基礎。
離岸風場的變電站及海底傳輸電纜比陸上風場增加了不少額外成本，例如Horns Rev、Nysted和Lillgrunden 3個風場的變電站和海底傳輸電纜平均成本占總成本的比例為13~21%（參見表3）。在Horns Rev和Nysted，風機間的內部電纜所占比例較小，其成本只佔總成本的5%。
另外對於Horns Rev和Nysted風場也進行了許多環境分析，包括環境影響評估和風場的觀察，並且增加了補充研究和開發。這兩個風場中，這些分析成本平均起來大約占總成本的6%。其中部分成本為計畫先導性開支，在下次規劃時將不再重復支出。
1.3 離岸風能之發電成本
儘管離岸風場的成本要高出許多，但是由於海上風力較強，風力發電機可以產出更多的電能，降低了一定程度的成本。陸上風力發電機使用時間（等效全負載時數）通常是每年2000~2300小時，而典型離岸風場的使用時間可以達到每年3000小時甚至更多。表1.4列出利用投資和產量估算出每MWh的成本
表1.4 成本的計算
離岸風場 營運時間 裝機容量(MW) 成本
(百萬歐元/MW) 使用時間
(每年滿載時數)
Middelgrunden 2001 40 1.2 2500
Horns Rev 2002 160 1.7 4200
Sams 2003 23 1.3 3100
North Hoyle 2003 60 2.0 3600
Nysted 2004 165 1.5 3700
Scroby sands 2004 60 2.0 3500
Kentish Flat 2005 90 1.8 3100
Burbo 2007 90 2.0 3550
Lillgrunden 2007 110 1.8 3000
Robin Rigg 2008 180 2.7 3600
在風能產量的成本計算方面，若考慮以下各項經濟因素：
在風場的壽命期間內，除了Middelgrunden風場的營運費和維修費假設為12歐元/MWh，其餘風廠的營運費和維修費均假設為16歐元/MWh。營運和維修成本的假設有很大的不確定性。
全負載時數係假設在正常風能年份下，風場中的陰影、無效能量、傳輸損失可作適當修正。
保持風機產出能量通常是管理風場者的職責。根據先前在丹麥的經驗，控制成本大約需相當於3歐元/MWh。此外，控制成本有很大的不確定性，不同的國家可能會有很大的不同。
經濟性分析可以簡單的國民經濟分析進行，假設20年壽命的時間裡，每年能有7.5%的折現率。稅、貶值、風險差額等都不考慮。
圖1.2表示各風場每MWh的總計算成本。各風場成本有很大的不同。Horns Rev、Sams 和North Hoyle 的生產成本最低，英國的Robin Rigg 生產成本最高。Lillgrunden 的生產成本與近期英國海上風場Scroby Sands 、Kentish Flat 和Burbo Bank 的成本相當接近。部分成本差異是與水深和離岸距離有關，另一部分是與投資成本增加有關。
1.4 建造及規劃階段的離岸風場
正在建設中的離岸風場，包括有英國海域的Robin Rigg、Rhyl Flats、Inner Dowsing和Lynn，荷蘭近海域由60台2MW風機組成的荷蘭第二離岸風場。還有更多的風場也正在規畫中，例如英國於2006年London Array Limited 准許建設的世界最大風場London Array，擁有1000MW的裝機容量，可以滿足倫敦約1/4的家庭用電，如圖1.3所示。
丹麥未來將開發更多的離岸風場。2007年4月未來離岸風場位置委員會公布了它的最後報告，報告中顯示許多可以開發風場的區域，總容量達到4600MW，可以產出約18TWh的電能或超過丹麥8%的所有能源消耗，相當於丹麥約50%的耗電量。該委員會詳細調查了7個海域23處可以開發的區域，每處約44平方公里，總計1012平方公里，如圖1.4所示。
該委員會對社會所關心的電網傳輸條件、航海、海上環境、地景、原材料等進行評估，同時也對連接主要風場和國家電網的各種方法進行評估，包括工程、經濟和能源傳輸到陸地上的多種選擇，以及可能建設區域的電路鋪設，且委員會也描述了風機在較深水域進行安裝的技術開發方法。委員會認為有計畫並且協調得當的風場開發，以及使經濟效益達到最佳化的電網傳輸是很重要的。
2008年丹麥議會決定將在2012年前建設2座200MW的風場。
1.5 未來的技術發展
離岸風力發電的技術開發與空氣動力學、結構動力學、結構設計、機械、電力設計和電網整合等方面有關。主要發展包括：
遞增式發展
新式主要元件概念
新式風機概念設計
從20世紀70年代開始，風機產業不斷地成長。未來發展將會集中在以下區塊：
開發更有效的風能測定方法
開發更有效的量測外部設計條件方法，如正常和極限的風況、海況及冰況等。
發展更有效的方法來設計與建造風機葉片、傳輸和變換系統、承載結構、控制系統和電網互連系統。監視系統可以引入更先進的感測元件，增加風機的可靠性，對降低成本且更有競爭力的技術開發是很重要的。
更高的技術創新設計，引進新的控制元件，如新的感測系統來增加風機的智能溝通以及引進更多先進材料。
風力發電機的生產、運輸及安裝的創新。
技術之遞增式發展主要在於研究和發展。成本的降低來自風電設計與製造的發展，以及生產量的提高。
主要元件的新概念設計發展大約從20世紀70年代中期開始，新概念與舊概念的競爭使風機主要元件持續不斷的改良。這種競爭主要顯示於下列方面：
新風力發電機葉片概念具有新材料、新結構設計和新的空氣動力特色。
新傳動和變換系統，例如具有變速箱的風機和沒有變速箱但是有多個發電機的風機。
新發電機概念。
新電力電子技術概念。
新電網整合概念。
新結構基礎概念，例如重力基礎、單樁基礎、三角架基礎和漂浮式的風機。
發展新元件的主要概念為風力發電技術開發的一個動態部分，主要在開發創新元件。這種發展相當依賴新元件性能的可靠性，需要從研究和試驗得到認證。
新概念的風機競爭從20世紀70年代到90年代中期一直都很激烈。最重要的概念有：
3葉片迎風風機，透過變速箱和感應發電機連接到電網。
2葉片順風風機，透過變速箱和感應發電機連接到電網。
2葉片或3葉片Darrieus型風力發電機（垂直軸），透過變速箱和感應發電機連接到電網。
雖然市面上還有其他概念的風機，但是至今3葉片的風機已獨佔整個市場。當然，隨著海上技術的發展，可能會出現其他新概念的風機。另一方面，相對已經累積許多豐富經驗的傳統風機，新概念的風機將面臨很大的挑戰。
整體來說，未來離岸風電技術的發展將不斷提升的，基礎研究對於持續性的創新是很重要的。陸上風電技術比起離岸風電技術的發展成熟許多，因此一些新的創新概念可能會被應用於海上。
離岸風機從淺水往深水發展，現在主要集中於淺水區域。離岸風電技術的應用會因為水深的不同而大不相同，可以分為；
淺水
中等水深(20m <水深<50m)座底式
漂浮式
應該注意的是，可行性和可靠度對於發展具有競爭力的離岸風電技術而言是相當重要的，將成為未來發展的主導因素。
1.6 離岸風力發電的未來展望
在過去的20年裡，風力發電的發展相當的迅速。15年的累積裝置容量年成長率約為20~35%。目前風力發電的市場需求相當強勁，而且沒有任何跡象顯示這些需求在未來幾年有減弱的趨勢(BTM market world market updates ref. [1])。風機製造業者及其供應商正在擴大他們的製造能量，且有些新公司陸續進入這個領域。氣候變化、能源供應安全、過高的原油價格等議題，未來的風電產業仍會快速的成長。
里瑟（Ristzl）國家能源實驗室對未來離岸風力發電發展進行評估[3,12]，認為未來的離岸風力發電發展具有很大的不確定性。其評估依據下列假設：
假設2015年之前，離岸風力發電發展年成長率約為34%，2015年之後開始下降，2015-2020年約為27%，2020-2030年期間約為20%，2030-2050年期間降為5%。
直到2050年，離岸風機的容量係數平均約為38%（3300滿載小時），雖然新型風力發電機在高風速下的產能較高，但是一直在高風速營運的可能性較低。
全球電力消耗目前都遵循預測值[12][3]，即2030年之前年成長率約為2.8%，假設之後2030-2050年成長率為1.5%。
在這些假設下，表1.5顯示了未來離岸風力發電的展望。
如表1.5所示，推算2050年的離岸風能產量為2559TWh，離岸風力發電可供應全球電力約6%，是全部風力發電機容量的18.4%。以此成長率假設，全球離岸風電每2~3年就會成長一倍直到2015年，在2015~2020年每3年就能再成長一倍，而在2020~2030年間每5年又再成長一倍。
表1.5 全球離岸風電的未來發展
年度 離岸風電 GW 離岸風電年成長率% 離岸風電在風能佔比% 離岸風電年產值TWh/y 世界電力消耗量TWh/y 離岸風電在世界電力佔比%
2006 0.9 1.2 3 15500 0.0
2015 12.8 34 2.6 42 21300 0.2
2020 42.4 27 4.0 140 23800 0.6
2030 251.1 19.5 9.5 829 29750 2.8
2050 773.8 5.5 18.4 2559 40100 6.4
1.7 離岸風電長期成本前景
2004年以前，風力發電成本大致跟隨著中期成本降低曲線 (學習曲線)，學習率約為10%，這意味著風機容量翻倍成長時，每百萬瓦安裝成本減少約10%。這種減少成本的趨勢在2004-2006年間被打破，風電價格平均增長了20%。主要是由於材料成本的上升，以及風電的強勁需求，造成製造商和次級供應商供貨上的瓶頸。
離岸風力發電也出現了類似的價格增長，雖然離岸風力發電的少量實證計畫搭配後續的大規模投資，使得在離岸的精確成本估算上有其困難度，目前離岸風力發電的平均投資成本約為200萬~220萬歐元/MW。
以下離岸風力發電的長期成本發展將採用學習曲線方法來估算。在下列考量下，離岸風力發電的長期成本展望如表1.6所示。
不管是陸上還是海上，所有風機裝置容量的發展都被認為是風力發電的驅動因素，因為風力發電機的主要成本與風機總裝置量的發展有關。然而離岸風機的海底基礎、傳輸電路等成本是海上特有的，這些都存在著可觀的成本降低空間，所以離岸風電將比陸上風電有更高的學習率。
目前風電產業成長率約25%，陸上和海上累積裝置容量的增長將會持續到2015年，成長率上下會有波動，年平均成長率約為23%。發展中地區（例如中國）對能源的需求增加，日益增加的環境問題以及石油燃料價格的增加將會促使風力發電的需求上升。
隨著風力發電產業發展趨勢飽和，陸上和離岸風機容量成長率將會有所下降，2015~2020年年平均為17%，2020~2030年為10%，2030~2050年為2.4%。
現有的風機製造能力已受到瓶頸，風機發展的情況將會持續到2010年。儘管風力發電產業量逐漸擴大，但是持續增長的需求仍然使製造能力吃緊，要到2011年後，風力發電機的製造廠商和次級供應商之間激烈競爭才會再度使產業成本降低。
1985~2004年的學習率估計約為10%。2011年隨著風力發電產業的競爭程度回復，此學習率將能在產業中再度實現，因為離岸風力發電相對年輕的產業領域，學習率將一直持續到2030年，到了2050年時，假設學習率將會跌到5%。基於這些假設，表1.6列出了最大、最小和平均的成本的預估。
表1.6 離岸風電投資成本預估
年度 投資成本 (百萬歐元/MW) O&M 容量係數
Min Average Max 歐元/MW %
2006 1.8 2.1 2.4 16 37.5
2015 1.55 1.81 2.06 13 37.5
2020 1.37 1.60 1.83 12 37.5
2030 1.20 1.40 1.60 12 37.5
2050 1.16 1.35 1.54 12 37.5
如表1.6所示，離岸風力發電的平均成本從2006年的210萬歐元/MW減少到2050年的135萬歐元/MW，降低約35%。最大與最小值從116萬歐元/MW到154萬歐元/MW，仍然有相當大的成本差異。
1.8 新的離岸概念
儘管離岸風電市場只占約世界風力發電市場的1%，但是在風力發電上能看到許多首見的創新技術。其中有很多原因，離岸風力發電發展比陸上的發展要晚許多，技術並不成熟，同時，海上環境較為惡劣的情況下，風能的利用更加困難及具有挑戰性，需要有非常可靠的自主設計。另外，離岸風力發電的海底基礎和電網連接價格相對較高，為了減低風力發電的成本，風機的容量會越來越大。在一些國家中，如美國和挪威，為了避免和海邊居民們的衝突，離岸風力發電考慮建在可看見範圍的區域之外。可看見範圍之外的區域(>25公里)水較較深，因此帶來了更多新的挑戰。
當近海石油和天然氣的生產日益減少，相關的設施可能從單純的化石燃料生產改造成風能、波浪能和太陽能發電裝置的混合/可再生能源設備，還可應用到燃料運輸。第一個代表性開發位海蘇格蘭海岸北海的Beatrice油田，這個示範場有2個5MW的風力發電機，水深位於42m的海域，風機所生產的能量能夠滿足附近產油平台約1/3的能源需求(圖1.5)。
2004年美國能源局、通用電力(General Electric)和麻薩諸塞州技術合作，開發水深50英尺到100英尺(20~35m) 所須離岸風電技術。同年Atlantis Power LLC公司發動200萬美元的資金計劃，開發3個2MW風機，水深為120m。2006年3月，通用公司宣布與美國能源局2700萬美元的合作計畫，在2009年前開發出5~7MW的風力發電機，取代公司現有的3.6MW風力發電機。
日本也一直進行著離岸風力發電的發展調查[8]。日本的目標是2010年前建造3000MW的裝置容量(目前陸上和離岸全部總容量為1500MW)，達到全國電力消費的0.5%。在日本很多地方海面上60m高處風速達到8~9 m/s，而20m的水深距離海岸只有約2公里。琉球大學已經開發出10m的混凝土”hexa-float”系統，並且計劃製造一台10kW的原型機種。此外還設計了一種可安裝兩台風力發電機的菱形穩定漂浮式平台，而且已經在水池中對這種Spar形式的漂浮式結構進行了試驗。
挪威的兩個競爭項目，Hywind (Norwegian Hydro, Statoil)和Sway (Statoil, Statkraft, Lyse Energi, Shell) 都是開發漂浮式離岸風場的概念，適用於深水區域(200~300m)，都是3~5MW或者更大的風力發電機，半潛水的結構採用水泥製成。兩種概念的主要區別在於拋錨的方式。最近，Hywind已經獲得由挪威政府提供的5900萬挪威幣的財政支助，可在2009年在挪威沿岸安裝風機，同時，Sway公司也成功的從私人投資募集了足夠的資金。
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