台灣的海洋資源 陳民本教授
離岸風力發電 波浪發電 潮流及海流發電 溫差發電 天然氣水合物
全球暖化造成洪澇 台灣莫拉克洪災 (2009/8/8) 南極冰融危機 -- 數百座冰山直衝紐西蘭 英國嚴重洪水 (2009/11/21)
人口 能源 環境 食物 水
二十一世紀迫切解決能源與環境問題 為因應全球石化能源逐漸竭, 以及京都議定書之協議, 國內應積極發展再生能源之利用
97 年 永續能源政策綱領 / 淨源節流, 政策目標 能源 環保與經濟 三贏, 政策原則為 二高二低, 建構 高效率 高價值 低排放 及 低依賴 能源多元發展為我國能源一貫政策 114 年達達成再生能源之比例達到 15% 的目標
發展海洋能之政策依據政策依據 : 94 年全國能源會議結論 加強海洋溫差 波浪發電 海流發電及潮汐發電之評估與研究 中長期將發展離岸型風力發電技術 96 年政府將 海洋能科技 納入前瞻能源科技 98 年全國能源會議結論進行波浪能 洋流能 ( 黑潮能 ) 潮汐能 溫差發電利用研發
抗暖化措施 節能 :LED 照明 空調節能控制 綠建築 減碳 : 再生能源 : 風力 太陽光電 生質能 地熱能 海洋能 新能源 : 氫能 核能 二氧化碳捕獲及封存 : 地質 海洋 生物封存 新興潔淨能源 天然氣水合物
海洋能源開發與利用
全球海域能源分佈
全球海洋能源蘊藏量概估及發展趨勢 海洋能發電量 93,100TWh > 全球年發電量 17,400 TWh Offshore wine Farm 200,000TWh/y * 國際能源總署 IEA-OES publication, 2009 DTI The World Offshore Renewable Energy Report 2004-2008 歐洲海洋能協會更訂出 2020 年累計裝置量為 3.6GW,2050 年為 188GW
離岸風力發電
全球風能分佈 資料來源 http://www.ocean.udel.edu/windpower/resourcemap/index-world.html
國際離岸風電推動現況 截至 2007 年為止 全球 12 個國家設置有 28 處之離岸式風力發電廠 Operational Projects Under Construction Projects Turbines MW Projects MW Denmark 8 215 414 1 209 U.K. 6 147 400 4 951 Netherlands 2 96 228 Sweden 5 66 134 Finland 1 10 30 Ireland 1 7 25 Spain 1 5 10 Germany 2 2 7 4 208 China 1 1 1.5 Japan 1 2 1.2 France 1 105 Belgium 1 30 Total 28 551 1250 11 1503
國際離岸風電推動現況 丹麥 Horns Rev (2002) : 160MW(Vestas V80 2MW) 最大 愛爾蘭 Arklow (2004) : 25.2MW(GE 3.6MW) 荷蘭 OWEZ(2006) : 108MW(Vestas V90 3MW) 瑞典 Lillgrund (2007) : 110MW (Siemens 2.3MW) 英國 Burbo(2007) : 90MW (Siemens 3.6 MW ) 蘇格蘭 Beatrice (2007) :10MW(Repower 5MW) 第一個大水深風場 45 米水深 離岸 25 公里
預測發電量 (MW) 2008 年完工之離岸風電廠 國際離岸風電推動現況 荷蘭 Q7-WP :120 MW(60 * Vestas V80 2MW) 徳國 Borkum-West -I :30MW(6 * REpower 5M) 英國 Lynn & Inner Dowsing : 194MW(54 * Siemens 3.6MW) 南斯拉夫 Thornton Bank: 30 MW( 6 * Repower 5M) 國際逐步往離岸式風力發電發展根據歐洲風能協會預測, 2010 年歐洲將可達 1,000 萬瓩離岸式風力發電, 約佔 2010 年歐洲預測總風力 發電量之 13%;2020 年歐洲將可達 7,000 萬瓩離岸式 風力發電, 約佔 2020 年歐洲預測總風力發電量之 39%; 2030 年為 50% 荷蘭 Q7-WP 徳國 Borkum-West 南斯拉夫 Thornton Bank 挪威已經準備進行深海浮式平台的工程技術 160000 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0 陸域 離岸 2010 2020 2030
(MW) (MW) 我國風力發電發展現況 台電 - 彰濱工業區台電 - 核三廠台電 - 核一廠英華威 - 竹南英華威 - 後龍台電 - 大園觀音 風力發電設置統計表 (2007/12) 風力發電場 ( 處 ) 16 風力機 ( 座 ) 155 平均風速 完工裝置容量 281.6 MW 年發電量 ( 提供家戶用電 ) 7.6 億度 / 年 (21 萬戶 ) 100 80 60 40 20 0 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 400.0 350.0 300.0 250.0 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 完工建造中規劃中 公尺 / 秒 裝置容量 2.6 2.4 0 0 7.46 90 84.7 93.9 76.6 累積裝置容量 2.6 5.0 5.0 5.0 12.5 103.0 187.7 281.6 358.2 資料來源 : 經濟部能源局 工研院
台灣風能分佈 淺海 ( 水深 5~20 公尺 ) 深海 ( 水深 20 公尺以上 ) 台灣海峽風力資源相當豐富, 在水深 20 公尺以上至 12 海浬領海區域內, 仍有廣大之面積, 在技術不斷發展與提升下, 未來仍具有開發價值與效益 12 海浬領海外界線 ( 內水 ) 及高程 10m 年平均風速大於 8.0m/sec
波浪發電
全球波浪能源分佈 2007 年國際能源總署 - 海洋能源系統 (IEA-OES) 指出全球波浪發電量 8,000 ~ 80,000 TWh UK: Offshore 50 TWh/yr. Nearshore 2~10 TWh/yr. Shoreline: 0.4 TWh/yr. kw/m
波浪發電型態 波浪能機組各具巧思, 尚未收斂出一個最佳效能及成本的構型 震盪水柱式 (OWC) 阿基米德效應式 (Archimedes) 固定基點的浮體運動 (Body buoyant with fixed reference) 變動基點的浮體運動 (Body buoyant with reference moving) 過頂過流式 (Overtopping or Overflow) 撞擊式 (Impact)
波浪發電國際發展現況 首座波浪發電廠 ( 葡萄牙,2008) 採用三具英國 PWP Pelamis 0.75MW 機組, 共 2.25MW 陸基式運轉電廠 :LIMPET(Islay,2000) OWC(The Oscillating Water Column) 波浪發電廠 全球較為成熟之波浪發電設備 英國 丹麥 澳洲 美國 蘇格蘭 愛爾蘭 加拿大等已開發試驗裝置 (10W~ 數百 kw) 英國 PWP Pelamis(750kW) 丹麥 Wave Dragon WaveDragon(7MW 電廠 ) 1/15 之模型已進行測試 澳洲 Oceanlinx Oceanlinx 機組 (900kW) 美國 OPT Powerbuoy( 測試原型 40kW) 24
台灣波浪能分布 台灣波浪能潛能分布 以東北部海域及離島地區的 10~15kW/m 之波能為最大 東部及西北沿海波能約 7kW/m 西南及南部沿海較差約只有 3kW/m 之波能 我國波浪潛能達 10GW 能源國家型科技計畫,2009 高潛能區波能評估 波能數值模擬分佈圖 潛在場址 : 東北角外海 波能 : 10~15kW/m 水深 : 30~60 公尺 以 30~60 米水深估算, 波浪發電裝置容量可達 220MW 以上
台灣波浪能開發現況 民間業者 立上實業有限公司之 縱移浮筒推動風鼓形式之波浪發電系統 計畫 (SBIR) 成大先進技術有限公司之 多功能海浪活塞式防波堤發電廠 (SBIR) 國家實驗研究院海科中心 海洋能科技中長程發展規劃先期研究計畫 能源國家型科技計畫 (NEP) 能源國家型科技計畫 已於 98 年 8 月啟動, 也將海洋能源納入於 能源技術 發展項目中
潮流及海流發電
全球潮流能分佈 The M2 tidal constituent 上層海域環流示意圖
全球潮流能分佈 The M2 tidal constituent 上層海域環流示意圖
國際海流發電技術發展現況 始於 1970 年代 英 美 加 挪威 澳洲 南非相繼投入並有相關成果 機組大小 : 數百 kw 至數 MW 適用環境 : 淺水深環境 (20-100m, 大多小於 50m) 利用能源形式 : 近岸之往復性潮流 機組類型 : 軸流式 逕流式 水翼式 發展況狀 : 以軸流式海流發電機組發展種類最多, 也最成熟 軸流式 水翼式 徑流式
Year Device Countr 潮流及海流發電 目前均以淺海潮流發電為主,MW 級機組已在測試階段 y Company Location kw Status 2000 Vertical Axis/1 Canada Blue Energy - 250 Demonstration 2002 Hydrofoil Oscillates UK Engineering Business 2003 Horizontal Axis/1 UK Marine Current Turbines Ltd Yell Sound, 150 Demonstration Shetland Lynmouth 300 Demonstration 2005 Horizontal Axis/2 UK SMD Hydrovision - 500 Developing 2005 - Australia Atlantis Energy NSW Aus. 1000 Developing 2006 Horizontal Axis/1 UK Lunar Energy - 1000 Developing 2007 Open Center Ireland OpenHydro Scotland Orkney - Demonstration 2008 Horizontal Ireland Marine Current Strangford 1200 Demonstratio Axis/2 Turbines Ltd Lough n MCT Lunar Energy OpenHydro 均已進入連結電網測試階段, 並有後續發展大規模電廠之規劃 Blue Energy (250 kw) SeaFlow (300 kw) 資料來源 : 工研院整理 SeaGen (1.2 MW) SMD (500 kw) Aquanator (1.0 MW) Lunar (1.0 MW) OpenHydro
台灣東岸海域黑潮能發電計畫 台灣東岸之黑潮流經處流速大於 1.2m/sec 以上的區域有蘇澳外海 (Site1) 花蓮外海 (Site2) 綠島 (Site3) 及蘭嶼 (Site4) 以綠島海域及蘇澳外海為較易開發之廠址, 而其中又以綠島離本島最近, 開發海流發電成本較低
溫差發電
全球海洋溫差能源分佈 利用 ORC 動力循環系統將海洋表層溫海水 (22-30 ) 和深層海 水 (4-6 ) 的溫差熱能轉換為機械動能, 再產生電力 E=1.163 T (kwh/m 3 ) T > 20
國際溫差發電技術發展 熱力循環類型 : 封閉式 開放式 混合式 開發型態 : 陸基式 漂浮式及半潛式三類 全球蘊藏能量 : 歐洲無開發 OTEC 之潛力 ( 因表層水溫不高 ) 美國大島陸基式 OTEC 電廠 美國 MINI OTEC 漂浮式電廠 印度 OTEC 漂浮式電廠 Year Device Country Company Location kw Status 1979 Closed Cycle USA NELHA 夏威夷 52 Demonstration 1981 Closed Cycle Nauru - - 100 Demonstration 1993 Open Cycle USA - 夏威夷 210 Demonstration 1997 Closed Cycle India - 泰米爾那德 1000 Demonstration
台灣海洋溫差能源分佈 潛能 : 3GW 6 7 1 2 3 4 5 8 9 場址 (1) 南澳 (2) 和平 (3) 七星潭 (4) 石梯 (5) 樟原 (6) 知本 (7) 金崙 (8) 綠島 溫差 ( ) 22.5 20.9 22.4 21.5 21.5 25.0 22.5 24.4 (9) 蘭嶼 21.9 資料來源 : 國科會 ODB (1985-2005)
溫差發電 深度 ( 公尺 ) 石坪梯溫度分布 ( 度 C) 3 10 18 26 0-200 -400-600 -800-1000 -1200-1400 OTEC 3,000MW 距海岸 3-4 公里南澳和平花蓮 石梯坪 樟原 綠島金崙知本 蘭嶼 海洋溫差發電 (Ocean Thermal Energy Conversion,OTEC) 即利用深層冷海水與表層溫暖海水之溫度差來發電 發電系統型式包含 : 封閉式 開放 式及混合式 台灣具備海洋溫差發電優良環境, 東部海岸離岸 30 公里內蘊藏量約 30,000MW( 台電,1993)
工研院 5kW OTEC Lab Unit 台灣溫差發電開發現況 2008~2009 年建造於工研院中興院區, 並成功運轉 展示 kws OTEC Field Unit 正建造於花蓮台肥深層海水園區, 預計 2010 年運轉測試 MW 級 OTEC 電廠技術和經濟可行性研究 綠島 10MW 岸基式先導電廠 知本外海 100MW 浮式商業電廠 台東深層海水低溫模廠 台電公司已完成 80kW 複合式 OTEC 電廠 [ 太陽熱水器提供熱源 DSW 提供冷源 ] 可行性評估 能源國家型科技計畫 (NEP) 能源國家型科技計畫 針對溫差發電之規劃內容如下 : 發電平台的安全性及可靠度 發電廠熱交換元件抗腐蝕或抗侵蝕 大管徑冷水管的設計 製造與鋪設 大型海上平台的設計與建造 高效率海底電力輸送電纜
海洋溫差發電 ITRI PLC 控制系統 冷 / 熱水供應系統 動力系統 自動化數據擷取系統 關鍵元件設計開發
台灣海域能源開發挑戰 可開發場址面積有限 環保問題 利益衝突 ( 漁業及航行 ) 海域能源開發法令問題 施工能力 極端條件
甲烷冰 Gas Hydrate 天然氣水合物
天然氣水合物
Kvenvolden (1998) 能源多元化與能源自主 我國能源供給比重, 以石油及煤炭等化石燃料為主, 合計超過 80%, 其燃燒是我國 CO 2 排放量的主要來源 天然氣水合物的甲烷總資源量約有 2 萬兆立方公尺, 其有機碳含量約有 10 兆公噸, 約為目前已知所有傳統化石燃料能源之有機碳總儲量的 2 倍 國際能源價格持續高漲, 我國缺乏自產性能源,2006 年進口能源依存度已超過 98% 穩定安全的能源供應, 是國家經濟發展的命脈 含碳總量 ( 單位 :10 15 克 )
天然氣是一種比較潔淨的能源 全球溫室效應持續惡化, 國際 CO 2 減量壓力劇增 世界 CO 2 之人均排放量為 3.9 公噸, 我國則達 11.9 公噸, 高居全球第 3 名, 僅次於美 澳 天然氣 ( 甲烷 ) 燃燒後的 CO 2 排放量只有燃煤的 57% 或燃油的 67%
世界各國爭相對其經濟海域的天然氣水合物展開調查 包括美國 加拿大 日本 印度 中國和韓國等, 皆積極展開調查並研發開發技術 預計在 2015 或 2016 年前達成商業開發目標
經濟部(地調所)已初步證實我國 西南海域 富含天然氣水合物 估計在10,000平方公里的調查 區域內天然氣水合物所含的甲烷 氣總資源量在5,000億立方公尺 以上 若能全部開發生產 以國 內天然氣年使用量100億立方公 尺估算 此天然氣資源可供國內 使用50年以上 (經濟部中央地 調所新聞資料96年7月11日)
亟待進行高精度的潛能調查評估與技術研發工作, 作為評估天然氣水合物 : 是否具備成為我國自主關鍵性能源的潛能 及是否具備開採可行性的重要參考依據
全球天然氣水合物賦存區或潛能區的分布概況 全球 27% 的陸域永凍層及 90% 的陸緣海域沉積物中, 可能有天然氣水合物的賦存 大西洋 Messoyakah field 印度 印度洋 北極海 Nankai Trough 台灣西南海域 北極海 Hydrate Ridge 太平洋 Mackenzie Delta 墨西哥灣 Blake Ridge 大西洋 Hydrate Ridge Hydrate Ridge 確認產出區 推論產出區 確認產出區 : 已採得天然氣水合物岩心標本推論產出區 : 各種遠距調查資料顯示有天然氣水合物賦存者 Kvenvolden and Lorenson (2001); Kvenvolden and Rogers (2005) Gulf of Mexico
天然氣水合物組成與特性 天然氣水合物是由多個水分子包覆一個天然氣分子所形成的籠狀結構 ( 化學式約為 CH 4 5.75H 2 O) 常溫壓下,1 單位的天然氣水合物可分解 150~180 單位體積的甲烷及 0.8 單位體積的水 1 m 3 甲烷水合物 150~180 m 3 甲烷氣 0.8 m 3 + 水 天然氣 ( 大部分是甲烷 ) 水合物燃燒只產生少量的 CO 2 與水 ; 又稱為甲烷水合物 可燃冰 甲烷是比 CO 2 強 20 倍的溫室效應氣體, 若大量排放到大氣會對全球氣候造成影響
天然氣水合物的生產方法 ( 熱激發法 ) ( 減壓法 ) 開採的方式可分成 : 1. 地層減壓法 水平生產井 垂直生產井 2. 熱刺激法 3. 加入化學藥劑法 技術瓶頸 化學藥劑法不適合海域天然氣水合物 單純用熱刺激法所需的熱量及成本高 減壓法的效率低於熱刺激法 水平生產井的配置產能較高, 但井承受壓力較大易崩塌 垂直生產井的產能較差 ( 化學試劑激發法 ) ( 鐘三雄等,2007)
技術瓶頸 化學藥劑法不適合海域天然氣水合物 單純用熱刺激法所需的熱量及成本高 減壓法的效率低於熱刺激法 水平生產井的配置產能較高, 但井承受壓力較大易崩塌 垂直生產井的產能較差 ( 鐘三雄等,2007)
天然氣水合物生產方法及可能環境衝擊 工程設備毀損 海床崩塌 海嘯 氣候暖化
國際發展現況 -- 技術發展類別及機構 Production Stability Characteristic 數值模式評估產能的開發 Masuda Lab. (Tokyo Univ., Japan); G.J. Moridis (UCBerkeley, US) 等 分解行為模式的建立 Kiyono Lab. (AIST, Japan); Bishinoi (Calgary Univ., Canada ) 等 水合物經濟性開採方式的開發 ED. Sloan (Colorado School of Mines, US);Ebinuma Lab. (AIST, Japan) 等 發展以水合物型態運送天然氣 Mitsui Ship Building Company (Japan) 開發水合物對地盤穩定性的影響 RL. Kleinberg (Schlumberger Doll Reserch, US) 等 水合物化學及物理性質的研究 Uchida T. (Hokaido Univ., Japan); P. Englezos (British Columbia Univ., Canada) 等 地層結構特性及水合物分布調查與取樣 ( 佔水合物研究的大部分 )
我國天然氣水合物潛能區 已證實我國西南海域, 富含天然氣水合物, 估計此天然氣資源可供國內使用 50 年以上
MV1 MV2 MV7及 MV8等4座泥火山直徑 約750~1,000公尺 高度約50~100公尺 MV3~MV6等4座泥火 山直徑約2,000~2,200 公尺 高度約 150~200公尺 MV9~MV13等3座泥 火山直徑約 3,000~3,500公尺 高 度約250~300公尺 小琉球南部海域發現之13座海底泥火山群分布圖
海底泥火山噴發奇觀 噴泥柱 氣泡 持續噴滾溢流 新鮮泥流 經濟部中央地質調查所新聞資料 (100.10.18)
國內技術發展現況 2004~2006 台灣西南海域天然氣水合物賦存區地質調查研究 研究成果 : 調查與建立西南海域天然氣水合物之賦存指標 確認西南海域天然氣水合物的分布型態 確認西南海域天然氣水合物賦存層的地質特性 估計在調查區域內天然氣水合物所含的甲烷氣總資源量在 5,000 億立方公尺以上, 若能全部開發生產, 約可供國內使用 50 年
Crystalline solid consisting of gas molecules, usually methane, each surrounded by a cage of water molecules
Marine Gas Hydrate Studies ODP Ocean Seafloor drilling & downhole meas. Deep-towed high res. seismic Hydrated sediment Seismic studies OBS * Electrical profiling Sampling & Seafloor Measurement Heat flow Free gas zones Water saturated sediment
海底仿擬反射 (Bottom Simulation Reflector, 簡 稱 BSR)
Gas hydrate sampling Piston Coring ROPOS submersible
venting ocean Seafloor //////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////////// Concentrated chimneys Diffuse hydrate layer BSR sediments
Bacterial mats Urchins 海膽 Xenophyophore Shrimps 小蝦 Worm tubes Anemone 海葵 ( Van Dover et al., 2003 )
Massive hydrate Higher hydrocarbons in hydrate? Hydrate Pingo (Chapman et al.)
Rising methane and hydrate dredged by bottom fish net Birds ~2 m Methane froth Floating gas hydrate and surface ice Gas hydrate dissociating to free gas foam on sea surface
( Paull et al., 2000 )
TowCam (WHOI)
Vent chimneys
Dense bivalves patches
Carbonate buildups and bacteria mats
0.8 Firewood 0.6 Coal 0.4 Gas Hyd rate Hydrate Oil 0.2 Gas Nuc lear Hydro 0 1800 1850 1900 1950 2000 2050 <Consumption History> (Makogon, 1997)
結論與建議 開發新興潔淨能源天然氣水合物, 加強儲量特性評估 環境災害預防及開發運儲研發等 以技術成熟度, 離岸風力發電仍是海域能源開發之指標 風力發電的研發已落後歐洲國家, 其他海洋能之研發應加快腳步, 台灣跨入才會有競爭機會
台灣需要更多的技術創新與突破, 開發高效率及低成本之機組, 才有開發海域能源之機會 淺海可用以開發海域能源之面積有限, 往深海發展時之共通性技術應逐步建立 配合收購電價之合理訂定, 海洋能源之利用將指日可待
Thank you for listening! 100