2014年3月27日

海洋能 能?不能?

作者/林鎮洲(任教於臺灣海洋大學機械與機電工程學系)

海洋能的優勢,其一是基於水的密度是空氣的830 倍,故海洋能轉換器的體積可以比風能小許多,其次是可預測性高,可運用時間長。

進入二十一世紀後,人們逐漸面臨化石燃料使用枯竭與全球暖化兩大棘手問題。其中全球暖化影響的層面很廣,包括了氣候變遷,農作物產量下降;冰河逐漸退後與兩極冰帽融化流失,造成海平面水位上升,濱海陸地面臨被淹沒等,並將進一步衍生出更複雜的社會與民生問題。而化石燃料(主要指石油、煤炭、天然氣)枯竭,直接影響的是人類的文明,是否會進入停頓期甚至是倒退階段。

一切似乎來得非常突然且意外,然而,這些問題真的是一夕產生的嗎?顯然不是!其實,人類如果有危機意識的話,早在三、四十年前就可以著手因應。1970 年代,所謂第一次石油危機來臨時,人們就有機會正視化石燃料枯竭所造成的問題;以及溫室氣體(主要指甲烷和二氧化碳)濃度,由工業革命前(1750 年)的280 ppmv(體積百萬分率),上升到目前的390 ppmv,與全球的平均上升溫度正相關的趨勢。研究顯示,過去20 年當中,大約四分之三的人為二氧化碳排放來自燃燒化石燃料,目前的二氧化碳排放量約為每年65 億噸。這些數據都告訴我們,如果再不採取因應措施,人類的未來將會岌岌可危。有鑑於此,1997 年12 月制訂的《京都議定書》(Kyoto Protocol)通過全球溫室氣體排放量管制規範,以及《聯合國氣候變化綱要公約》(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC),為解決全球暖化問題跨出了第一步。

人類永續的出路─再生能源
基於規範溫室氣體排放量的《京都議定書》,已於2005 年2 月進入強制執行階段,使得無汙染之虞的再生能源或永續能源開發計畫愈來愈受到重視。除了解決全球暖化的問題外,開發再生能源也是為了解決目前化石燃料枯竭,以及核能可能帶來的核輻射汙染問題。所謂再生能源指的是該類能源取自於自然界,具有可再補充與永續的特點。傳統再生能源主要包括水力能與傳統生質能(如燃燒木材),非傳統(新)再生能源常見的有太陽能、風能、現代生質能(如由玉米提煉之生質柴油)、海洋能、地熱等。

2011 年全球的總發電量中約有67.9%來自於化石燃料,16.3%來自於水力發電,而僅有4%來自於新再生能源,其中風力佔了2.1%,是目前發展最快的再生能源。在國內方面,2011 年底各類能源形式的發電量以燃煤佔最高比例(40.6%),其次為天然氣(30.3%),再加上燃油(2.5%),化石燃料的發電量共佔了國內總發電量將近四分之三;而核能發電佔18.4%,汽電共生發電佔2.3%,抽蓄水力發電佔約1.4%,再生能源發電佔約4.5%(圖一)。其中水力發電雖然屬於再生能源,但因為水壩的建置經常會影響環境生態,故發展有其侷限性。目前臺灣開發的再生能源以太陽能與風能為主,其中風力發電已達經濟效益,2011 年發電量(含台電與民間風力發電)為14.9 億度,約可提供41 萬戶家庭一年的民生用電。由於臺灣西海岸與澎湖離島具有良好的風場條件,離岸風力蘊藏量據估計可達每人每天29.9 度電。風力發電的發展潛力相當高,然而考慮國土面積有限與風力機噪音的問題,未來應該朝向興建離岸風電場發展。
圖一:我國2011 年各類能源形式的發電量比例。
(資料來源:臺灣電力公司)
海洋蘊藏能量
海洋覆蓋地球表面71%的面積,由於水的比重與比熱皆大的特性(相對而言),使得接收來自太陽的輻射熱後,海洋自然而然成為一個巨型的能量儲存槽,其中蘊藏極豐富的能源。海洋蘊藏能量的形式主要包括:波浪能、潮汐能、海流能、海洋熱能及鹽差能,其中潮汐能受月球引力影響較大,而鹽差能與海水鹽分濃度差異相關,其他則主要受太陽的影響。有些文獻將離岸風力也納入海洋能源的範疇,本文則暫不列入。以蘊藏量而言(表一),以上海洋能當中以波浪能的蘊藏量最豐富,全球估計每年約產生8000~80000 太瓦.時(TWh;一太瓦TW 為1012 瓦特W)的能量,其次為海洋熱能。海洋能的優勢相對於風能而言,其一是水的密度是空氣密度的830 倍,因此海洋能轉換機的體積可以比風能的小許多,其次是可預測性較高,其三是可運用時間較長。
表一:各種海洋能源理論蘊藏量
波浪能
波浪能(wave energy)是由太陽能經多次轉換而來。由於太陽輻射在地球表面的加熱過程不均勻,造成不同區域海水表面溫度差異,進而產生大氣流動( 即是風)。此外加上地球自轉使大氣受到科氏力與慣性力的影響, 進而改變風向與風速,最後當風吹過海面時,空氣壓力與摩擦力作用在海水表面,波浪就這麼形成了。波浪的傳遞距離可達數千公里,直到遇到海岸,能量才會被損耗掉。由海嘯所造成的巨大災害可知,波浪所夾帶的能量非常可觀。在一般情況下,我們可以利用波浪運動的位能差、往復力或浮力產生動力,推動渦輪機或磁鐵而轉換成電能。

波浪所包含的能量包括動能與位能,大致上波浪能量(單位:千瓦∕米,KW/m)與波高平方以及波浪週期成正比。由此可知,波浪高度是影響某一地區波浪能豐沛與否最主要的因素。以目前的波浪發電技術而言,波浪能量大於10 千瓦∕米以上就具備開發價值。從全球波能潛勢分佈情形來看(圖二),介於緯度30 度至60 度範圍之間具有最高的波浪能量,其中以歐洲北大西洋岸(包括英國與愛爾蘭西岸)、北美洲北太平洋岸、非洲南端、澳洲南端、紐西蘭南端、智利南端等地最有開發潛力。臺灣所處位置緯度較低,波浪能大約介於5~20 千瓦∕米,其中以臺灣東北部與澎湖西北部較具有開發潛力,波浪能大約為15~20 千瓦∕米。
圖二: 全球波能潛勢分佈(單位:千瓦∕米)。
(圖片來源:OES 年報)

要將波浪能轉換成為電能,須經過一系列機械裝置與程序進行能量傳遞與轉換,此類機械裝置稱為波浪能轉換器(wave energy converter, WEC)。波浪能轉換器是將振幅變化不規律、頻率低的波浪,透過機械結構聚波和共振來採集並轉換能量。一個波浪能轉換發電系統的架構可分為三個階段,第一階段為波浪能的擷取(採集),通常利用機械結構聚波或機構與波浪共振的方法,把分散的波浪聚集起來,此部分也可視為機械式的整流;第二階段為透過工作介質加壓,轉換與傳遞能量。能量傳遞的方式包括低壓水力傳動(水之重力)、高壓液壓傳動(液壓)、氣動傳動(氣壓)、機械傳動(連桿機構),使波浪能轉換為可利用的機械能;第三階段轉換稱為最終轉換,將上一階段的加壓工作介質通過渦輪機,帶動發電機轉換為電能。有些波浪能轉換發電系統架構僅包含兩個階段,應用電磁感應定律,省略工作介質加壓的部份,將第一階段由波浪能轉換為具有動能的磁鐵芯往復通過線圈來發電。

歐洲海洋能源中心(European Marine Energy Centre, EMEC) 針對波浪能轉換器提出了八種分類形式,其中較為常見的六種是衰減式(attenuator)、點吸收式(point absorber)、波浪振盪衝擊式∕推拉板式(oscillating wave surge ∕ flap)、振盪水柱式(oscillating water column)、越頂式(overtopping) 和水下壓差式(submerged pressure differential)。......【更詳細的內容,請參閱第532期科學月刊】

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