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风能 专题分析

漂浮式风机(下):浮台技术與市场趋势

December 17, 2021 Wind InfoLink

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漂浮式风机在构造上用浮台取代固定式风机的水下基础,而不同的浮台会搭配特定的系缆系统,以下InfoLink会先介绍两种系缆系统的种类与部件,接着说明目前主流的三种浮台技术,以及各技术的累积容量及案场数的差异。

系缆系统(Mooring system)

系缆系统负责将浮台固定在特定的位置,将环境作用力移转到海床以免风机过度位移,损害发电效率。系缆系统由缆绳跟锚锭组成,不同的系缆系统缆绳的材质与锚锭的种类也不同。

张力式构造(taut-leg configurations)

taut-leg configuration_SC

而系缆系统主要分为两种,第一种为,张力式构造(taut-leg configurations),一般搭配张力腿式平台,这类的系缆由人造纤维或铁缆所制成,与海床有30-40度的夹角,在海床上的跨距较小(footprint),因此对海床的破坏较少,并具备垂直荷载(vertical loading)加上由具备弹性的系缆所提供的回复力(restoring force)使其拥有绝佳的稳定性,能抵抗水平或垂直方向的作用力,但此系缆系统必须承担较大的张力,可能有金属疲劳的隐忧,也需要特制的船驳进行安装。

张力式结构须提供水平与垂直方向的张力,因而适用锚桩(driven pile)、重力锚(gravity anchor)与吸力锚桩(suction anchor)。锚桩的概念与安装方式都类似原先的固定式水下基础的基桩,因此打桩的设备与船只,成本会因水深而快速增加,在打桩时会产生噪音;重力锚由混泥土与钢筋所组成,重达数吨重以提供足够的维持力(holding power)。但锚桩与重力锚在安装或风场退役时都较为困难,故当前张力式结构的锚锭是以吸力锚桩为主流,此类锚锭是利用帮浦抽出原先在锚筒的水,制造锚筒内的压力差,使锚锭不断下沉,拆除时只需往锚筒内灌水即可,锚锭就会被压力顶回表面。


悬缆式构造(catenary configurations)

catenary configuration_SC

第二种为悬缆式构造(catenary configurations),通常会与单柱式、半潜式平台搭配,这类系统多选用铁链或有足够重量的铁缆做为系缆。因部份的缆绳置放于海床上,跨距较大,对海床的伤害也比张力式结构严重,也可能干扰渔业或航运活动,海床上的系缆重量提供浮台水平方向的回复力,锚点也仅能对抗水平方向的作用力,因而在此系统中,垂直方向的回复力由悬缆式结构上的浮筒或配重块(clump weight)提供,但稳定度仍略逊于张力式结构。悬缆式结构的系缆安装过程相对简单,海事工程成本较低,不过随着水深增加,考量到船舶的有效载荷,重量较重的铁链逐渐被合成绳索所取代。

悬缆式结构搭配的锚锭首选类型为嵌入拖锚(drag-embedded anchor, DEA),这类型的锚锭已被广泛使用,适用于粘性土壤,且土壤硬度不会太硬而阻挡锚锭穿透,当风场要退役时也易于拆除。不过这类锚锭有可能意外损害海底电缆或运输管线。

浮动平台技术

而目前主流的浮台技术可以分为单柱式(Spar-buoy)、张力腿式(Tension Leg platform, TLP)与半潜式浮动平台(Semi-submersible),以下将概述各平台的结构,并说明其技术成熟度、适用水深、成本与优劣势等。

floating offshore comparison table_SC

单柱式(Spar-buoy)

单柱式的漂浮式基础是依靠圆筒状的浮台与在结构下半部分的压舱物来稳定整个平台,因此整体重心偏低、稳定,不需要动态稳定系统;因为结构相对单纯、零件较少而易于制造,预期成本下降的速度快。此类型的浮台因结构吃水深,仅适用于水深深度超过100公尺的水域,巨大的体积也让安装、运送单柱式浮台困难,风机安装上因为必须在离岸进行,会动用起重安装船与其他海事工程能量,另外在维修时也因为其吃水较深而难以拖回港口维修。

单柱式基础是目前最成熟的技术之一,全球第一座MW等级的商业示范风场,「Hywind Scotland」便是采用此种技术,此风场由挪威开发商Equinor主导,在2009年先安装示范风机后,以此为基础建立Hywind Scotland,最终于2017年落成,近三年的容量因子为53.1%,凸显外海的风资源更丰富且稳定。除了挪威外,日本的五岛风场(Goto City)与法国的狮子湾风场(Les Éoliennes Flottantes du Golfe du Lion)也都将采用此类技术。
 

张力腿式(Tension Leg platform, TLP)

张力腿式的基础是依靠具有张力的系缆来维持平台的稳定,由于系缆保持着张力,使整个结构几乎不会垂直移动,稳定度是所有浮台中最高的;制造、安装、维护的难度都较低,因为其较小的体积与零件而使平台重量较轻,也使制造与组装都较为容易,制造后可以在港口或陆上组装再拖至风场,但系泊系统与系缆的安装成本较其他浮台类型高,因安装具备张力的系缆不仅需要特殊的船只,维修与安装的过程复杂,且锚锭适用于特定的海床条件,另外,锚炼也须承受较高的负荷,又整个平台平衡全仰赖锚炼,一旦锚炼因金属疲劳断裂,将使整个结构倾覆。

张力腿式虽然也是石油探钻平台的常见技术之一,但风场的应用上不如单柱式与半潜式平台成熟,目前仅在示范阶段,示范的风场位于德国,由GICON SOF主导,搭载一台2.3MW的风机,不过预计在2022-2023年间商转的法国的普罗旺斯风场(Provence Grand Large),浮台由SBM offshore建造,风机则由西门子歌美飒打造,风场总装置容量为25.2MW,是第一座大规模采用张力腿式浮台的风场,这项专案也是验证张力腿式技术可行性的关键专案。

 

半潜式(Semi-submersible)

半潜式的浮台是由数个浮筒与圆柱相互连接,浮筒负责提供浮力、圆柱则负责提供稳度,再由系缆系统将浮台固定于指定区域搭配。半潜式浮台的成本是所有类型之中最高的,推估490MW的风场中,LCOE约为147欧元/MWh,略高于张力腿式的142欧元/MWh与单柱式的138欧元/MWh(註一) ,此外,位于葡萄牙的WindFloat示范风场LCOE平均是135.7欧元/MWh(註二),高于其他类型的示范风场 。其一是因为浮台制造困难,半潜式平台的结构复杂、体积庞大、需要多个连接件,第二是因为需要搭载动态稳定系统与主动压载系统,来确保平台的稳定,不过这类型的浮台安装过程较为简易,风机可以先在港口安装于浮台后再拖往定点,仅需要传统的港口起重设备,而不需要动用风机安装船,必要时也可以拖回港口维修;另外,这类型的浮台适用的水深广,从40公尺到上千公尺的水深都适用,成本不会因水深变化而快速变动。

半潜式平台的技术也相当成熟,位于英国的Kincardine,总装置容量50MW,为当前最大的漂浮式风场,而位于葡萄牙北部海域的Windfloat Atlantic,总装置容量为25MW,采用的都是Principle Power制造,名为WindFloat的半潜式平台,因此在可行性上是无庸置疑的,但制造成本如何降低仍是一大挑战。
 

技术趋势

floating offshore wind installed capacity_SC

从上图可以看到,半潜式与单柱式浮台技术都有相当的累积容量,两项技术在2022年累积的装置容量就各自超过100MW,而张力腿式一直到2022年才有明显的增幅。

Cumulative number of  projects_SC

在2017年到2019年间,单柱式的大幅成长是来自英国由Equinor开发的高风风场,总装置容量为30MW,在这段期间半潜式都尚未有超过10MW的风场,但之后由于Principle Power的WindFloat技术应用在葡萄牙25MW 的WindFloat Atlantic 2风场,以及英国48MW的Kincardine2风场,让半潜式技术的累积容量大幅成长,而在风场数量上,半潜式技术在2021年之后也开始大幅成长,从下图的风场数量可以更明确的看出半潜式风场数量在2022年后远超过单柱式。
 

结论

上述的三种浮台有各自的优缺点,三种浮台的主要稳定度来源分别是压舱物、浮筒与悬缆系统,各家厂商的技术差异,在于透过这三项结构取得稳定度的比例不同(註三) 。除了结构上的差异外,海事工程与基础设备的需求也有所差异,如半潜式浮台的体积较大,且在港口组装,因此对港口存放空间需求较大,但由于仅需要在港口进行风机吊装,不再需要大型的吊装船。而无论何种类型,漂浮式风场多离岸较远,船舶航行时间长,对补给线与船员身心健康都会是一大挑战

InfoLink认为,当前半潜式风场数超过单柱式浮台,原因可能是单柱式浮台要求水深须超过100公尺,水深越深通常离岸距离越远,而离岸的远近会大幅影响运输、维运与海缆的成本,离岸距离每增加10m,LCOE约增加1欧元/MWh(註四),且单柱式浮台安装与维修上难度较高,相对的半潜式浮台虽然说制造上较复杂,但其结构与船体相似,船厂在技术衔接、产量提升或成本降低等方面都较为容易。

註一、註四 Heidari, S. (2017). Economic modelling of floating offshore wind power: Calculation of levelized cost of energy. 情境假设漂浮式风场容量为490MW,70只风机
註二 Bjerkseter, C., & Ågotnes, A. (2013). Levelised costs of energy for offshore floating wind turbine concepts (Master's thesis, Norwegian University of Life Sciences, Ås)
註三 Butterfield, S., Jonkman, J., Musial, W. & Sclavounos, P. (2005). Engineering Challenges for Floating Offshore Wind Turbines. Washington D.C.: National Renewable Energy

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