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風力發電的機會與挑戰

2015/11/05 經濟部能源局 點閱人次: 1039

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撰文/吳彥儒 (台灣經濟研究院助理研究員)

人類很早就知道如何利用風力的能量,遠在西元紀元前就懂得利用風能作為帆船的動力來源,或將風能轉換為機械能用來磨碎穀物或灌溉,但數千年來風能技術發展緩慢,直至20 世紀因環保課題,人們才重新重視風能資源,並廣泛應用於發電,以取代傳統的化石能源。

風能分布廣泛,蘊藏量巨大,若善加規劃利用,即可作為便宜可靠的電力來源,用風力來發電已成為各國推廣再生能源的重點項目,如何從國際發展脈絡找尋成功經驗,是我國未來擴大風能利用的重要關鍵。

風力發電的起源

在中世紀的歐洲,風力一直扮演重要的動力來源, 但直到1887 年才由美國的查爾斯‧弗朗西斯‧柏許(Charles Francis Brush)製造出世上第一座發電用的風車,該風車以雪松木製成144個葉片,其葉片直徑達17公尺,發電裝置容量為12瓩,可惜該風車雖能運轉,但其發電效率仍相當低。後來經過丹麥氣象學家保羅‧拉‧庫爾(Paul La Cour)加以改良,發現減少葉片將有助於提高發電機的葉片轉速,使發電效率提升,並於1897年完成兩座風力發電機測試,自此風能開始廣泛應用於發電用途。

雖然風力發電機在19世紀末已完成初步雛形,但是技術發展或是設置的情形也相當有限,尤其目前主流的百萬瓦(MW)等級大型風力發電機,更是間隔了一個世紀後才問世,1995年9 月丹麥NEG Micon 公司首次於丹麥埃斯比約市(Esbjerg)的西部設置裝置容量1,500 kW之風力發電機。自1998年起,百萬瓦級風力發電機市場開始起飛,各國的風力發電市場趨勢已明確朝向大型化的機組規格,同時,百萬瓦等級的風力發電機亦是未來離岸風場最理想的選擇,能更有效的利用風力資源。

發展風力發電可增加能源自主率

風力發電是潔淨無汙染的再生能源,除無須依賴燃料外,也不會產生空氣污染或輻射問題,是兼具環境保護與提升國家能源自主的重要資源。此外,近年來大型風力發電技術進步快速,其單位發電成本比太陽光電、地熱發電等再生能源都要便宜,目前部分大型風力發電單位成本甚至比若干化石燃料發電更為低廉,顯示風力發電不僅環保,而且還相當具有經濟效益。

風機產業是製造業的新活水

風力發電機從基座、塔架、發電機、葉片一直到電纜與變電設施,每一項都需要不同的工業技術參與或支援,一座風力發電機的完整生命週期裡,從金融服務、各部件的製造、施工裝設、營運維護到機組除役回收,每個環節都可創造嶄新的商機,風力發電的興起也同步刺激許多產業一併進行技術與服務升級,並挹注鋼鐵、電線電纜、機械、重電工程、化工材料、土木工程等產業投入相關開發所需要的資金,故風力發電之產業發展可替產業注入新的活水,創造倍數的經濟產值。

此外,風力發電機在迎風吹拂時,葉片旋槳會以規律的節奏整齊轉動,一字排開的大量風力機不僅壯觀且饒富趣味,亦能吸引遊客目光,成為熱門景點,進而帶動觀光商機。

國際風力發電發展現況

根據21 世紀再生能源政策網(REN21)今年度全球再生能源現況報告指出,截至2014年底全球風力發電設置量最大的國家是中國大陸,總裝置容量高達114.6 GW,其次依序是美國、德國、西班牙及印度,而中國同時也是2014年在風力發電投資最多金額且新增設置量最多的國家,將一大堆再生能源發展先進國家遠遠拋在後頭,穩坐全球風力發電第一名的寶座。但如果以人口數平均來看,人均總設置量最多的國家是丹麥,其後依次為瑞典、德國、西班牙及愛爾蘭,清一色是歐洲國家,中國大陸則未擠進前5名,顯示近年中國雖然在風力發電的投資上呈現快速成長,且設置量也躍居世界第一,但以人均角度觀察風力發電的普及程度時,發現歐洲仍然是居於領先地位。

離岸風力是未來發展的趨勢

觀察風力發電技術的發展趨勢,在發電機的設計上,單機裝置容量、塔架高度與葉片長度均有朝巨大化的方向發展。根據美國能源部的資料顯示,美國在2014年新安裝的風力發電機,平均單機裝置容量已超過1.9MW,相較1998 - 1999年增加約172%,在塔架高度及葉片直徑部分,2014年平均塔高為82.7 公尺,葉片直徑為99.4公尺,分別比1998—1999年增加48%及108%,這些巨大化的技術發展有助於風力發電機捕獲更多風能資源,以彌補後續開發風況場址較差之劣勢(好的風場已漸漸被開發殆盡)。另由於陸域風場終究有其開發極限,故在2000年左右,英國等歐洲國家即開始嘗試將風力發電拓展至潮間帶與近海區域,此已成為未來風力發電的發展趨勢。

至於在發電機的設計,近年則是朝向低風速設計,藉以有效利用風況次佳地區之風能,若以國際電工委員會(International Electrotechnical Commission, IEC)公布的風力發電機分級來看,美國的主流機組已經由IEC Class 2(塔高位置年平均風速8.5 公尺/ 秒)進步到IEC Class 3(塔高位置年平均風速7.5公尺/秒),且IEC Class 3的風力發電機在2014年已占新安裝機組68%。

同時以各種政策組合來推廣風力發電

由於各國所具備的風力發電工程技術與發展條件各不相同,所以對風力發電推展政策上也有極大的差異,我們可以將推廣政策或措施概略分為電能躉購制度(Feed-in Tariff, FIT)、再生能源發電配比制度(Renewable Portfolio Standard, RPS)、政府招標、優惠融資及租稅抵免,研發補助及設備補貼等不同方式,各國大多以各種政策組合鼓勵風力發電推動,藉由多管齊下的方式來達成發展目標。從彙整表中可以發現,目前風力發電推展較成功之國家均以電能躉購制度作為主要政策,並輔以其他配套措施。

電網基礎建設是未來風力發電之最重要的挑戰

中國大陸與德國在近幾年都開始面臨電網饋線容量不足的問題,產生風力發電產能過剩的狀況,故中國大陸的電網企業至今仍須以「棄風措施」—亦即降低風電併入電網的速度,以因應風力發電遠超過電網建設速度的窘境。反觀德國的因應做法,則是計畫建造總長度達1,876公里的電網高速公路,藉由將德國北部及東部利用風力所發之電力輸送到西部及南部,以為未來德國核電廠全部除役後準備。未來各國在風力發電的推展上,仍然有賴電網建設的配合,風力發電才有機會持續在電力發電結構中占有更大的比重。

 

國家
電能躉購制度
發電配比制度
政府招標優惠
融資及租稅抵免
研發補助及設備補貼
中國大陸 自2009 年開始制定陸域風力的電能躉購費率,並依風資源差異區分各地理區的費率水準;離岸風力則在2014年開始以躉購制度取代原本的特許權競價制度 - 在2014 年之前開發離岸風場係採特許權競價制度 風力發電增值稅可退稅50% 1996 年制定乘風計畫,據以推展大型風力發電設備國產化
美國 遲至2009 年才在加州、夏威夷州、佛蒙特州等少數州政府實施 全美目前已有29 個州施行RPS 制度 - 1999年開始施行風力發電生產稅抵免 由美國能源部主導研究計畫,藉以加速風電技術之部署
德國 自2000 年頒布再生能源法(EEG),實施電能躉購制度,並自2004 年開始增定離岸風力的躉購費率 - - 德國復興信貸銀行 (KfW)離岸風力計畫,特別針對離岸風電提供專屬的貸款融資方案 德國聯邦政府通過第6 次能源研究計畫,提供創新獎勵及研發補助
丹麥 陸域風力係根據北歐電力交易所的電力交易價格加計固定價額後躉購,離岸風力及25kW 以下小型風力則採固定價格躉購 - 離岸風力採區塊競標方式決定開發者與躉購費率 國營輸電網路運營商針對25kW以上陸域風力發電及非參與競標之離岸風力發電提供個案最高50萬元丹麥克朗的貸款擔保 -
英國 於2014 年起改以差價合約制度作為主要推動措施,採固定費率躉購風力電能 自1990 年開始要電力公司有義務購買一定數量之再生能源電力,並規劃在2017年3 月31日後,改以差價合約制度完全取代配比制度 離岸風力所需之海域土地須以競標方式取得開發權 再生能源所發電力可免繳 氣候變化稅(CCL)及碳稅(CPF) 在2015年以前針對離岸風力發電、海洋能、廢棄物和生質能源領域,提供約5,000萬英鎊的研發創新獎勵

各國風力發電推廣政策與措施彙整/資料來源:台灣經濟研究院–研究報告


關鍵字:風力發電,再生能源,發電效率,電網饋線

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