20年離岸風場穩定營運的秘訣 沃旭道出水下三道工程關卡 | 台灣環境資訊協會-環境資訊中心

20年離岸風場穩定營運的秘訣 沃旭道出水下三道工程關卡

2019年01月26日
環境資訊中心記者 陳文姿報導

台灣海峽號稱有全世界最好的風場,吸引多國離岸風電大廠來台一展身手。而台灣發展離岸風電,除了基於能源轉型的必要,更大的野心是藉著開發風場的歷程,從零到有打造出在地的產業供應鏈,進而以產品、技術和人才打入亞太、甚至世界市場。但是,颱風多、地震多,加上西部海域海底獨特的地質的台灣,真的適合發展離岸風電嗎?

台灣離岸風電的發展是採用躉購制度,發電業者自行投資風場建設後,必須有發電,政府才會付錢收購綠電。在風場長達20~35年營運期間,一旦風機無法承受環境變化的考驗而提前報銷,損失都由廠商概括承擔。因此,從設計階段開始,就必須審慎規劃對抗颱風、地震和海流的工作。

本報專訪全球離岸風電龍頭沃旭能源(Ørsted)亞太區專案開發總監歐傑(Jesper Kühn Olesen),從工程角度來說明風機底下看不見的秘密。

沃旭能源(Ørsted)的亞太區專案開發總監歐傑(Jesper Kühn Olesen)

沃旭能源(Ørsted)的亞太區專案開發總監歐傑(Jesper Kühn Olesen)。攝影:陳文姿

地質不同  台歐「水下基礎」秘密大不同

沃旭四個風場均位在彰化外海,這裡離岸較遠,施工與維運較困難,卻能成為外商搶攻之地,除了風場條件好,另一個原因是水深較淺。因為濁水溪長期將上游的土壤沖刷到海裡,在此處的海底堆積了一層沉積層;但也因此,這裡對風電商來說有了獨特的考驗。

歐傑指出,台灣海峽架設風機的挑戰有三項,一是颱風和地震,二是海底土壤及礦物組成,三是海床的移動,也就是砂波(sand wave)。

他解釋,從山上沖刷到海床的沉積物非常鬆軟,大部分是砂質,無法固定基樁。因此需要先將高90~120公尺的基樁(pin pile)打入沉積層跟海床,再由基樁支撐起管架(jacket),管架的上方才能架設風機。這就是台灣必須使用管架式水下基礎的原因。

管架式水下基礎是由三隻基樁與管架共同組成,歐洲卻只要一隻基樁就能撐起風機。歐傑解釋,歐洲海床地質堅硬,有的地方海水深度只有20公尺,60~70公尺高的單樁式(monopile)結構就足以讓風機獲得穩固的支撐。但是在沃旭的風場,水深就有45公尺,加上15~20公尺的沉積層,基樁跟管架相加至少要165公尺才夠。如果以地面上建築物來估算的話,已經是超過50層樓高的高度了。

歐傑說,沃旭也評估過使用單樁式的可能性。不過,以台灣的地質環境及地震風險,所要搭配的單樁式水下基礎會非常巨大,實務上並不可行。

不同的水下基礎:左一為單樁式。左二為管架式(Jacket),下面有三隻基樁,上方為管架,管架的上方才是風機。圖片來源:Paul M. Thompson

不同的水下基礎:左一為單樁式。左二為管架式(Jacket),下面有三隻基樁,上方為管架,管架的上方才是風機。圖片來源:Paul M. Thompson(CC BY 4.0)

抗震抗砂波:未來20年的穩定從設計階段開始

打算在台灣海峽蓋風機的廠商,地震是無法迴避的課題。雖然台灣地震大多發生在本島及東部外海,但2018年11月西部外海也發生過地震,不能輕忽。

歐傑表示,沃旭研究1604年以來台灣地區6萬多筆地震記錄,並依據來源、規模、特性加以分析,以掌握地震的週期與風險,並配合調整水下基礎的設計標準。

地震發生的地點(右圖)頻率、大小、地點、從風機水下基礎的設計就要納入考量。圖片提供:沃旭能源

地震發生的地點(右圖)頻率、大小、地點、從風機水下基礎的設計就要納入考量。圖片提供:沃旭能源

砂波是另一項台歐海底大不同的地方。歐傑解釋,海底沉積層並不是一個平坦的台地,而是像波浪一樣,有波峰和波谷,約5至10公尺的高低起伏。

從衛星照片分析,砂波每年移動10至16公尺。雖然對風機沒有立即的損害,但以風場20年到35年的營運期來看,這代表某些埋在沉積層的水下基礎會在數年後裸露在海水中,另一個部分則會被覆蓋。這會影響海纜的配置以及水下基礎的設計。

歐傑表示,精確的資料能幫助工程師找到最符合台灣風場的設計。當資料缺乏時,就只能採用更保守的方式,例如加大基礎、增強結構、或是把基樁作得更深,但這些都不是最佳解答。

為了更精準的掌握地質,施工前的鑽探是不可免的。歐傑解釋,在沃旭風場的海底沉積層中發現雲母的成分,需要進一步研究土壤的特性。但雲母結構會因鑽探的擠壓而改變,因此探測結果會與實際狀況有所偏差。解決的方式是直接打三隻較小的基樁進行模擬測試,但花費會貴上很多。這項工作必須在公司取得籌設許可後才能進行,也需要搭配工作船和基樁材料才能施作。這代表水下基礎最後的設計及基樁長度,至今仍無法定案。

海底的世界並非平坦,砂波(sand wave)的移動會讓水下基礎的設計發生變化

海底的世界並非平坦,砂波(sand wave)的移動會讓水下基礎的設計發生變化。圖片提供:沃旭能源

全球最大安裝船到台灣  最怕颱風來搗亂

雖然風機可能被颱風吹壞的說法甚囂塵上,但歐傑澄清,風機一旦架設完成,並不用太擔心颱風。風速太快時,把風機關掉就可以避免轉速太快,颱風的影響其實在施工階段。

他解釋,沃旭採用的風機比較大,打算租用一種特殊的自升式海上作業船來協助建置。這艘全世界最大的安裝船Seajacks Scylla配備很長的基腳,以此將船隻固定在海床上。由於造價昂貴,全球僅有兩艘,必須提前2年搶訂,而且要在預定的期限內完成作業,否則船隻移往下一個預約的風場,工程就會遇上大麻煩。

歐傑說,颱風靠近前就會有氣象預報,他並不擔心安全問題。但是Seajacks Scylla的基腳收回就要花上12小時。船型巨大,移動速度也很緩慢,人員和船隻的撤離要花上三到四天,為了安全這都是必要的。但業者付出的是Seajacks Scylla每天20萬到25萬歐元的租金以及工程延宕的後續效應。

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協助裝設風機的Seajacks Scylla。圖片來源:Seajacks Scylla新聞稿

牽一髮動全身   穩定的時程是成功祕訣

即便列舉了多項台灣海峽獨特的挑戰,但工程背景出身的歐傑認為,真正的挑戰不在工程,而在一個穩定的時程。

從Seajacks Scylla作業船的例子就得知,工程開始前的兩到三年,就要提前預訂船隻。同樣的,電纜、基樁、風機的訂購與生產、港口的準備、人員的訓練,在海上風機升起前,各種預備工作都必須提前作業,才能在對的時刻確實到位。這是一個精密、複雜、且各項工作間緊密牽連的計畫。

歐傑說,到目前為止,所有的規劃都基於研究、理論與經驗,實際的情況要等作了才能知道,這是從無到有必經的過程。即便如此,他仍認為,憑藉著專業、技術,或是多花一點時間與金錢的代價,難關都能克服。他擔憂的是政治環境的變局讓決策生變,這是一位工程師無法預知的關卡。

位於英國西北離岸的Burbo Bank Extension風場2017年開始商轉,可提供23萬戶英國家庭電力使用

位於英國西北離岸的Burbo Bank Extension風場2017年開始商轉,可提供23萬戶英國家庭電力使用。圖片來源:沃旭能源