台灣電力企業聯合會電子報 第九十三期 2025.02.20
本期焦點

海洋能之分類與應用初探

黃佳寗* 主筆

*金屬中心產業研究組

一、前言:海洋具備可觀能量

  全球約有70%被海洋覆蓋,具有良好的調節溫度與濕度的作用。除了氣候不佳時的波濤洶湧外,多數時候海洋的平靜與穩定讓許多人喜愛。看似平靜悠遠的海面,其實也蘊含了大量能量。在全球淨零減排呼籲日益發酵下,各國加快潔淨能源的部署,太陽光電與風力發電是目前部署最為廣泛的再生能源類型。由於所需關鍵技術較為複雜與困難,導致海洋能的發展較為緩慢。在太陽光電和風力發電部署逐漸飽和的同時,近海、臨海乃至於四面環海的國家也開始思索運用海洋作為基載電力的可行性。

二、海洋能的分類

  海洋能為各式海洋發電形式的統稱,目前發展較為成熟的應用形式為潮汐能及波浪能,其他尚有洋流能、溫差能和鹽差能等。參考國際能源總署(IEA)的研究,至2050年,全球海洋能開發將達到300GW,其中波浪能占180GW、洋流能占120GW。目前瑞典、英國、日本等國家針對洋流能有長期研發計畫支持;丹麥、德國、美國等國則已有成熟的波浪能技術。以下將分別說明之:

(1)波浪能:主要運用波浪上下運動所產生的能量帶動發電機,機組設計可分為「岸基型」或「離岸型」。外海的波浪能能量較高,但相對維護成本也較高。岸基型則成本較低、容易維護,但能量可能不如外海。

(2)洋流能:利用固定流向的洋流推動渦輪發電。我國東部海域擁有黑潮支流流經的優勢,因此國內已有研究機構投入關鍵技術之研發,如國家海洋研究院研發20kW洋流發電機已有多年時間,如今也已積累初步成果,目標展開MW等級的研發;中研院也正在研發100kW洋流渦輪發電機。

(3)溫差能:主要運用表層與深層海水的溫度差異,以熱交換方式驅動發電機,發電原理相對較複雜。首先抽取表層溫度較高的海水,經加熱成為低沸點的「工作流體」,促使其蒸發汽化後推動渦輪發電機,再運用深層的低溫海水冷卻,形成循環。

(4)鹽差能:主要運用海水與淡水的鹽分濃度差異,將兩者之間的化學電位差透過滲透壓等方式,轉換為位能發電。

  由於發電原理較為複雜或技術難度較高,洋流能、溫差能和鹽差能雖也已發展一段時日,技術進展較緩慢。以我國為例,東部海域表面看似相當平穩,但海面上的顏色深淺亦反應出深度,深藍色處深度可能達1,000公尺以上。因此,雖發電原理都能掌握,主要問題在於如何在那麼深的海洋中,確保發電機可穩定運作而不會影響到海洋生物的生存。從此也能看出,海洋雖擁有可觀能量,但如何妥適應用是各國重點考量的關鍵。

三、國際上海洋能發展案例

  波浪能與潮汐能是海洋能中發展較成熟的領域,數十年來,關於波浪能發電技術的專利多達數千項,其發電裝置型式相當多樣。世界各海洋國家也相當重視波浪能發電技術方面的研究,其中以英國、瑞典、葡萄牙、美國、日本等國處於領先地位。以轉換效率40%為基準,預估全球波浪能發電潛在容量約500GW。

  丹麥的WaveStar為波浪能的新創公司,由兩位愛航行的兄弟,尼爾斯・漢森(Niels Hensen)和凱爾德・漢森(Keld Hensen)耗費10年開發的系統,運用波浪起伏的律動設計一套水下浮標系統,連續的運動可確保持續收集能量。為降低外部環境的影響,此浮標系統還搭配了防風暴系統,確保惡劣天氣下的安全性。為了推進大型原型機的建設,WaveStar獲得歐盟地平線2020計畫的援助,期望可藉此建立歐洲首座大型波浪能發電廠。   
  日本於2011年福島核災後便積極尋找新的綠色能源,日本石川島公司(株式会社IHI)設計一個海流發電機,期望妥善運用日本東岸穩定且強勁的黑朝,讓電力透過海底電纜傳輸至陸地。就目前試驗結果顯示,洋流發電機成效良好,待技術更完備,就可用較海上風電低的成本生產大量電力,以協助提升日本的供電穩定。
  

  洋流發電主要利用海水流動的動能,驅動巨大渦輪發電機運作而發電。流經臺灣、中國大陸、日本等地的黑潮,是世界洋流中數一數二的穩定洋流之一。若此項技術可克服海岸地形挑戰,可望帶來較太陽能及風力發電更穩定且低成本的發電效率,甚至有機會於不久的未來滿足日本四至七成的電力需求。IHI於2017年投入洋流發電示範機的驗證,並與新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)合作,初步實驗於2022年結束,並獲得不錯的實證成績。目前嘗試擴大示範機規模並進行長期測試中。

四、結語

  我國於2023年發布的「2050淨零戰略」中,將海洋能列入關鍵的「前瞻能源」發展項目,經濟部能源署則進一步訂出海洋能的政策目標,預計至2030年完成設置0.1MW-1MW的示範發電機組,2035年設置1-10MW商業運轉發電機組,並於2050年達成裝置容量1.3-7.5GW的目標。

  工研院綠能所曾於2015年盤點台灣適合發展海洋能的潛在場址,全台估計可開發近10GW容量。波浪能場域主要集中在東北角外海、富貴角等地,潛力約為2.4GW;洋流能場域為東部黑潮、富貴角、澎湖水道等,潛力約為4GW;潮汐能則分布於金門、馬祖等外島區域,但由於面積有限,開發潛能僅有0.2GW。

  我國為四面環海的國家,因應國際淨零減排趨勢,再加上能源轉型的需求,如何妥適應用我國擁有的海洋能源資源成為關鍵。目前,雖已有研發單位或廠商投入洋流能和波浪能的關鍵技術和應用模式研發,但與此同時也有必要就相應的配套措施進行建置,確保整套系統可按時程規劃,成為我國穩定基載電力之一。

參考資料:

1.環境資訊中心(2024),海洋能發電有幾種?台灣哪些地方具備海洋能潛力?遠見ESG,2024/06/21,https://esg.gvm.com.tw/article/56083

2.IEA-OES, https://www.ocean-energy-systems.org/

3.行政院,臺灣2050淨零排放,https://www.ey.gov.tw/Page/5A8A0CB5B41DA11E/7a65a06e-3f71-4c68-b368-85549fbca5d1

4.WaveStar, https://wavestarenergy.com/

5.Daniel Palomino, WaveStar:將波浪能轉化為電能的開創性項目,https://reurl.cc/DK2vGQ

6.株式会社 IHI, 世界最大級の海流発電システムを世界で初めて実証,https://www.ihi.co.jp/technology/techinfo/contents_no/__icsFiles/afieldfile/2023/06/16/4169f108a3fac34316d2b7ebfc41b92a.pdf

7.台灣英文新聞(2022),日本利用世界最強洋流發電 發電優異綠色能源最佳契機,https://www.taiwannews.com.tw/zh/news/4567337

8.NEDO, 海洋エネルギー発電実証等研究開発, https://www.nedo.go.jp/activities/ZZJP_100143.html

 
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