2022-03-11
海洋坐擁無窮發電潛力？「潮汐能發電」預測性高、成本低，有望成為能源危機的綠色新星？
在後疫情時代，全球經濟開始復甦，令能源需求大增。為追求碳中和的目標，世界各國大幅限制石化能源生產，但轉換綠能的配套措施卻未能跟得上，再加上俄烏戰爭使石油與天然氣供應下跌，引發能源市場嚴重供需失衡的窘況，凸顯出從石化能源轉向可再生能源的挑戰。目前太陽能與風力發電都均存有間歇性、不穩定的問題，因此發電預測性高、設備發展具多樣性的潮汐能（Tidal Power）發電方案，未來將被看高一線。
綠能轉型無法追上能源需求
瑞信亞太區財富管理部大中華區副主席陶冬指出，全球能源危機已迫在眉睫，主要肇因是全球大部分國家都希望能用太陽能、風力發電來取代煤炭、核能發電，可是轉型綠色能源的配套措施卻沒有準備好。
以德國為例，國內已關閉多數的核電廠與燃煤發電廠，惟風力發電卻未能及時補上能源缺口，於是迫不得已要增加天然氣發電。俄烏戰爭爆發後，「北溪2號」輸氣管隨之而停擺，德國政府唯有「臨急抱佛腳」，宣布會盡快增建液化天然氣的接收站，又會讓即將關閉的燃煤發電廠在緊急情況下處於待命狀態。
如此情況下，有人建議重投石化能源、甚或核能發電的懷抱，以解燃眉之急；亦有些人認為堅守潔淨能源才是永續發展之道，當務之急是要尋找更可靠、更穩定的綠能發電技術。相比起風能和太陽能，潮汐能發電較為容易預測發電量，而且地月之間的引力作用，讓全球海水積蓄了非常龐大的潮汐能量，故此成為下一個值得關注的可再生能源方案。
潮汐能獲捧為綠色能源新星
潮汐能以每天潮漲潮落所造成的海面起伏作為動能，推動渦輪發電機產生動力來發電。目前潮汐能設備主要分為兩大類別：「潮汐堰壩」（Tidal Barrage）、以及「潮汐流發電機」（Tidal Stream Generator）。前者本質上是大型水壩，在潮水進入的地方築起堤堰，漲潮時將海水引入蓄水池，驅動渦輪機發電，退潮時再將儲存起來的海水放回大海，帶動渦輪機再發電。
潮汐堰壩方案需要建設水閘和水壩，造價非常高昂，但因設備主體都是由混凝土建成，所以使用壽命相當長。最大問題反而是興建選址有極大局限性，要找到具有足夠高的潮差和流速的潮汐河口，殊不容易；另外，堰壩對海流的阻攔作用，也有可能為海岸生態帶來負面影響。
潮汐堰壩本質上是橫跨潮汐河口全寬的水壩，利用海水潮汐高低差的位能來發電。圖中為始華湖潮汐堰壩的衛星圖片。（圖片來源：維基百科）
1994年，韓國政府在京畿道安山市沿岸築建了一條長12.7公里的堤堰，以組建淡水湖供水給當地居民。不過，因鄰近工業區排放廢水，使這個湖遭受嚴重污染，於是政府決定「將錯就錯」，把它改建成潮汐堰壩發電站。這樣既有助發展綠能產業，又可透過大規模的海水流通來改善湖水水質。
韓建全球最大潮汐堰發電站
2011年，這座全球最大的潮汐堰壩發電站——始華湖潮汐電廠正式啟動，總裝置容量達254百萬瓦（MW），全年可產出552吉瓦時（GWh，即百萬度）電量；同時，每年又可以為韓國減少1,000億韓圜的石油進口，並降低32萬噸碳排放。
始華湖潮汐電廠裝備有10台潮汐能發電機，總發電容量達到254百萬瓦，是目前全球規模最大的潮汐堰壩發電站。（圖片來源：維基百科）
始華湖潮汐電廠開始運營後，在漲潮與落潮過程中，海水不斷進出始華湖，讓經過處理的湖水得以與外界流通，使水質逐漸獲得改善。根據韓國環境部的資料，2018年始華湖的化學需氧量已從17.4ppm下降至2.83ppm。
國際再生能源機構（IRENA）評估，此項目耗資約2.98億美元（約23.24億港元）。若果將建造成本與裝置容量相乘，建設成本為每千瓦時117美元（約912.6港元），發電成本更低至2美分（約0.16港元）。踏入2022年，始華湖潮汐電廠將進一步開發周邊綠能設施，包括興建風力發電站、太陽光電設施等，目標是將全年發電量提高至680GWh，為鄰近產業園區供電。
始華湖潮汐發電廠是韓國發展潮汐能的重要里程碑。隨後韓國政府在西海岸的加露林灣與仁川灣興建2座規模更大的潮汐能發電廠，裝置容量分別為480百萬瓦與1,000百萬瓦。（圖片來源：維基百科）
潮汐流發電機漂浮蘇格蘭海
至於潮汐流發電機，就是透過錨定在海底的浮動設備，在潮差大、水流強的地方捕捉潮起潮落的海流，推動渦輪機發電，類似於風力渦輪機利用流動空氣的發電方式。相較於潮汐堰壩，它不用仰賴大型基礎設施，建造成本比較低廉，兼且對生態環境影響較低，地理局限性也較少，所以受到愈來愈多國家歡迎。
以蘇格蘭為例，當地政府便非常重視海洋能源的發展，2019年啟動Saltire潮汐能挑戰基金會（Saltire Tidal Energy Challenge Fund），支持商業化潮汐能發電計劃。該基金其中一個資助項目，正是全球最大、裝置容量達2百萬瓦的潮汐流發電機「O2 turbine」。
O2 turbine可潛入海平面60呎以下的位置，透過可360度旋轉的葉片，迎合不同方向的潮汐海流，驅動水輪機發電。（圖片來源：Orbital Marine Power官網）
2019年，蘇格蘭潮汐能公司Orbital Marine Power開始著手製造O2 turbine。這座外形有如船艦的潮汐能設備，主體長度達74公尺，配備兩組1百萬瓦的渦輪發電機。其運作方式與潮汐堰壩截然不同，這座設備將會錨泊在潮汐波動大的海域或河流中，透過機底下的渦輪機旋轉發電。
O2 turbine主體機身長度為74公尺，左右兩側各設一組水輪發電機。（圖片來源：Orbital Marine Power官網）
O2 turbine兩組水輪發電機各搭載長達10公尺長的巨型葉片。（圖片來源：Orbital Marine Power官網）
2021年４月，Orbital成功將O2 turbine拖往蘇格蘭北方奧克尼群島（Orkney）海域展開調整測試。該處海域風急浪高，是一個測試潮汐能的理想地點。同年7月，O2 turbine透過海底電纜連接到岸上電網，為2,000戶英國家庭供應電力，每年可抵消約2,200噸碳排放，預計可在大海裡持續運作達15年；日後更會供電給歐洲海洋能源中心（EMEC）的氫能設施，展示綠能製氫的效果。
O2 turbine現正在蘇格蘭奧克尼群島海域中運作，預計可連續操作達15年之久。（圖片來源：Orbital Marine Power官網）
日本離島部署潮汐發電設備
另一個積極投入潮汐能發電的國家是日本。2021年，九州電力旗下的九電未來能源公司在長崎縣五島列島之間的奈留瀨戶啟動日本首個潮汐能發電項目，成功驅動輸出功率達500千瓦的發電機，產出可供360戶日本家庭使用1個月的電量。該公司下一步會嘗試把發電機輸出功率擴大至1,000千瓦以上的規模。
九電未來能源已在長崎縣海域啟動潮汐能發電的試驗性設備。這是安裝在海底，由螺旋槳、水輪機與底座合組而成的發電裝置。（圖片來源：九電未來能源）
九電未來能源之所以推動潮汐能發電，背後原因是要降低日本離島的發電成本。日本總共有6,847個離島，大部分都難以從日本本土鋪設海底輸電纜，只能依靠柴油發電機在島上供電。根據日本經濟産業省的資料，2020年柴油發電成本為每千瓦時30至50日元（約2.02至3.37港元），遠高於煤炭發電成本（每千瓦時13日元，約0.88港元）。更有甚者，有些地方已出現發電成本高於電費的「倒蝕」情況。
該公司未有披露其潮汐能發電成本，外界估計如果可以在離島海域大規模部署潮汐能設備，成本將低於柴油發電，這樣便能以較低成本方式供電給離島居民。參照歐盟委員會提出的目標，到2030年潮汐能發電成本有望下降到每千瓦時0.1歐元（約0.86港元）。
政府補貼有助潮汐發電普及
然而，建造與維護大規模的潮汐能設備需要一定成本，項目盈利能力亦存有不確定性，讓不少企業不敢貿然進入市場。九電未來能源指出，假如政府不為潮汐能設立上網電價補貼（Feed-In Tariff）機制，就難以加速推進這種可再生能源的普及應用。
在此補貼機制下，政府與綠能發電公司簽訂一份長期合約，期間發電者向公共電網輸送電力，除可向用戶徵收電費外，還可以額外獲得政府的若干補貼。1991年，德國為風力發電引入上網電價補貼機制，提供相當於用戶電費90%的補貼給風電公司，刺激當地風能產業蓬勃發展，讓德國變成風電大國。
在海洋能源開發領域上，現時仍以離岸風電為主。歐洲風能協會（WindEurope）的資料顯示，2020年歐洲風能裝置量已達到14.7吉瓦（GW，即100萬千瓦）。根據歐洲海洋能源組織（Ocean Energy Europe）的資料，同年歐洲潮汐能裝置量只有260千瓦（KW），波浪能更低至200千瓦。不過，歐盟已訂立目標，到2050年潮汐能與波浪能的總裝置量要提高至4,000萬千瓦。
隨著離岸風電裝置量愈來愈多，適合興建淺海風電廠的選址就會愈見稀少，加上潮汐流發電機的投資金額比海上風力發電站為低，預計潮汐能發電在不久將來可望有出頭的機會。
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