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20年离岸风场稳定营运的秘诀 沃旭道出水下三道工程关卡

来源:环境资讯中心 作者:陈文姿 人气: 发布时间:2019-01-28 17:08:14

台湾海峡号称有全世界最好的风场,吸引多国离岸风电大厂来台一展身手。而台湾发展离岸风电,除了基于能源转型的必要,更大的野心是藉着开发风场的历程,从零到有打造出在地的产业供应链,进而以产品、技术和人才打入亚太、甚至世界市场。但是,台风多、地震多,加上西部海域海底独特的地质的台湾,真的适合发展离岸风电吗?

台湾离岸风电的发展是采用趸购制度,发电业者自行投资风场建设后,必须有发电,政府才会付钱收购绿电。在风场长达20~35年营运期间,一旦风机无法承受环境变化的考验而提前报销,损失都由厂商概括承担。因此,从设计阶段开始,就必须审慎规划对抗台风、地震和海流的工作。

本报专访全球离岸风电龙头沃旭能源(Ørsted)亚太区项目开发总监欧杰(Jesper Kühn Olesen),从工程角度来说明风机底下看不见的秘密。

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沃旭能源(Ørsted)的亚太区项目开发总监欧杰(Jesper Kühn Olesen)。摄影:陈文姿

地质不同  台欧“水下基础”秘密大不同

沃旭四个风场均位在彰化外海,这里离岸较远,施工与维运较困难,却能成为外商抢攻之地,除了风场条件好,另一个原因是水深较浅。因为浊水溪长期将上游的土壤冲刷到海里,在此处的海底堆积了一层沉积层;但也因此,这里对风电商来说有了独特的考验。

欧杰指出,台湾海峡架设风机的挑战有三项,一是台风和地震,二是海底土壤及矿物组成,三是海床的移动,也就是砂波(sand wave)。

他解释,从山上冲刷到海床的沉积物非常松软,大部分是砂质,无法固定基桩。因此需要先将高90~120米的基桩(pin pile)打入沉积层跟海床,再由基桩支撑起管架(jacket),管架的上方才能架设风机。这就是台湾必须使用管架式水下基础的原因。

管架式水下基础是由三只基桩与管架共同组成,欧洲却只要一只基桩就能撑起风机。欧杰解释,欧洲海床地质坚硬,有的地方海水深度只有20米,60~70米高的单桩式(monopile)结构就足以让风机获得稳固的支撑。但是在沃旭的风场,水深就有45米,加上15~20米的沉积层,基桩跟管架相加至少要165米才够。如果以地面上建筑物来估算的话,已经是超过50层楼高的高度了。

欧杰说,沃旭也评估过使用单桩式的可能性。不过,以台湾的地质环境及地震风险,所要搭配的单桩式水下基础会非常巨大,实务上并不可行。

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同的水下基础:左一为单桩式。左二为管架式(Jacket),下面有三只基桩,上方为管架,管架的上方才是风机。图片来源:Paul M. Thompson(CC BY 4.0)

抗震抗砂波:未来20年的稳定从设计阶段开始

打算在台湾海峡盖风机的厂商,地震是无法回避的课题。虽然台湾地震大多发生在本岛及东部外海,但2018年11月西部外海也发生过地震,不能轻忽。

欧杰表示,沃旭研究1604年以来台湾地区6万多笔地震记录,并依据来源、规模、特性加以分析,以掌握地震的周期与风险,并配合调整水下基础的设计标准。

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地震发生的地点(右图)频率、大小、地点、从风机水下基础的设计就要纳入考量。图片提供:沃旭能源

砂波是另一项台欧海底大不同的地方。欧杰解释,海底沉积层并不是一个平坦的台地,而是像波浪一样,有波峰和波谷,约5至10米的高低起伏。

从卫星照片分析,砂波每年移动10至16米。虽然对风机没有立即的损害,但以风场20年到35年的营运期来看,这代表某些埋在沉积层的水下基础会在数年后裸露在海水中,另一个部分则会被覆盖。这会影响海缆的配置以及水下基础的设计。

欧杰表示,精确的资料能帮助工程师找到最符合台湾风场的设计。当资料缺乏时,就只能采用更保守的方式,例如加大基础、增强结构、或是把基桩作得更深,但这些都不是最佳解答。

为了更精准的掌握地质,施工前的钻探是不可免的。欧杰解释,在沃旭风场的海底沉积层中发现云母的成分,需要进一步研究土壤的特性。但云母结构会因钻探的挤压而改变,因此探测结果会与实际状况有所偏差。解决的方式是直接打三只较小的基桩进行模拟测试,但花费会贵上很多。这项工作必须在公司取得筹设许可后才能进行,也需要搭配工作船和基桩材料才能施作。这代表水下基础最后的设计及基桩长度,至今仍无法定案。

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海底的世界并非平坦,砂波(sand wave)的移动会让水下基础的设计发生变化。图片提供:沃旭能源

全球最大安装船到台湾  最怕台风来捣乱

虽然风机可能被台风吹坏的说法甚嚣尘上,但欧杰澄清,风机一旦架设完成,并不用太担心台风。风速太快时,把风机关掉就可以避免转速太快,台风的影响其实在施工阶段。

他解释,沃旭采用的风机比较大,打算租用一种特殊的自升式海上作业船来协助建置。这艘全世界最大的安装船Seajacks Scylla配备很长的基脚,以此将船只固定在海床上。由于造价昂贵,全球仅有两艘,必须提前2年抢订,而且要在预定的期限内完成作业,否则船只移往下一个预约的风场,工程就会遇上大麻烦。

欧杰说,台风靠近前就会有气象预报,他并不担心安全问题。但是Seajacks Scylla的基脚收回就要花上12小时。船型巨大,移动速度也很缓慢,人员和船只的撤离要花上三到四天,为了安全这都是必要的。但业者付出的是Seajacks Scylla每天20万到25万欧元的租金以及工程延宕的后续效应。

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协助装设风机的Seajacks Scylla。图片来源:Seajacks Scylla新闻稿

牵一发动全身   稳定的时程是成功祕诀

即便列举了多项台湾海峡独特的挑战,但工程背景出身的欧杰认为,真正的挑战不在工程,而在一个稳定的时程。

从Seajacks Scylla作业船的例子就得知,工程开始前的两到三年,就要提前预订船只。同样的,电缆、基桩、风机的订购与生产、港口的准备、人员的训练,在海上风机升起前,各种预备工作都必须提前作业,才能在对的时刻确实到位。这是一个精密、复杂、且各项工作间紧密牵连的计划。

欧杰说,到目前为止,所有的规划都基于研究、理论与经验,实际的情况要等作了才能知道,这是从无到有必经的过程。即便如此,他仍认为,凭借着专业、技术,或是多花一点时间与金钱的代价,难关都能克服。他担忧的是政治环境的变局让决策生变,这是一位工程师无法预知的关卡。

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位于英国西北离岸的Burbo Bank Extension风场2017年开始商转,可提供23万户英国家庭电力使用。图片来源:沃旭能源

(编辑:Nicola)

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