專題 日本能源政策面臨的選擇
海洋能源的前景

木下健 [作者簡介]

[2012.11.26] 其它語言:ENGLISH | 日本語 | 简体字 |

在力圖實現能源多樣化的趨勢日益加強的今天,蘊藏著巨大潛能的海洋能源正受到人們越來越多的關注。本文探討了日本海洋能源的利用潛力、研究開發的現狀和課題。

落後於歐洲的日本海洋能源研究開發

以1973年第一次石油危機為契機掀起了海洋能源利用研究熱潮之後,直至1998年,日本一直在海洋能源利用研究開發領域保持了領軍者的地位。然而,兩次石油危機過去後,在實際海域開展海洋能源利用實驗活動的國家不知不覺中悄然減少,由於始終無法將發電成本降至140日圓/kWh以下,日本獨立行政法人海洋研究開發機構(JAMSTEC)在三重縣五所灣完成了Mighty Whale(※1)實驗之後,實際海域研究項目就此宣告終結。

然而,在英國、葡萄牙和挪威等國,研究開發仍在繼續。如圖1所示,包括浮體式海上風力發電在內的海洋能源實驗設備,在實際海域的試驗裝機容量,10年間穩步增長了10倍。在日本停止研究期間,國外分別針對潮汐能發電實驗機SeaGen、海浪能發電裝置Pelamis以及今後將成為可再生能源主力的浮體式海上風力發電設備Hywind切實開展了實證試驗。遺憾的是,日本落後了不止一輪,簡直是兩輪、三輪。我們可以舉出許多原因。首先,全球暖化問題的得到廣泛宣傳,人們開始限制化石燃料的使用,這是一個很大的因素;其次,歐洲家門口的北海油田迫近枯竭,出於能源安全和創造就業的考慮,海洋能源在歐州受到青睞;第三個理由與第二個多少有些重疊,就是人們有效應用了以往在波濤洶湧的大海上開發深海石油過程中積累起來的海洋技術。

2050年能源狀況預測

在眾說紛紜之中,多倫多大學多倫多大學的達尼・哈貝教授(※2)根據各種假設,就2050年全球能源狀況平均值做了以下預測。

  • 風力發電量達到6,000-12,000GW
  • CSTP(太陽熱)發電量達到6,000-12,000GW
  • BiPV(建材一體型太陽光發電)或PV(太陽光發電)發電量達到3,000-4,000GW
  • 地熱、生物質能發電及水力發電量有所增加
  • 高壓直流輸電設施連接起可再生能源資源的主要供應地區與主要的需求地區
  • 超過使用年限40年的現有核電廠全部廢爐

以達尼・哈貝的預測上述各項都將得以實現,但其中大部分風力發電設施將建在海上,而且是近海。此外,儘管達尼・哈貝沒有提及,隨著近海浮體式海上風力發電的發展推廣,波浪能發電、潮汐能發電的系統連接、施工和維修成本都將大幅下降。

換言之,從全球角度來看,可以認為,風力和太陽熱能將成為基礎再生能源的主體,然後太陽光能大約為它們的一半左右,還有一部分地熱和生物質能發電,再加上波浪能、潮汐能和溫度差等海洋能量。另一方面,由於大陸間系統海底電纜的成本較高,以及後面將談到的“電網阻抗”的大幅度調整,“地產地消(當地生產、當地消費——譯註)”的本地電網建設也會得到不斷發展。在這一過程中,雖屬中小規模,但卻經濟實惠的潮汐能和波浪能等海洋能源將會大顯身手。

開發具有國際競爭力的技術

另一方面,在與國內其它再生能源進行成本比較時,儘管由於目前實證實驗尚未結束,無法確認最終結果,但只要今後順利開展實證實驗,可以認為到2020年階段,其成本將不會遜色於其它任何一種可再生能源。(表1)

圖2顯示了日本周邊短期未來可利用的離岸距離30㎞、水深100m以內的海洋能源潛力。考慮到歐美國家將水深100m以上的繫泊系統作為當前的技術開發目標,我們就能知道今後的利用對象將是更深水域,這將達到圖表內數值的數十倍,意味著日本周圍存在著巨大的能源資源。只是日本在國際競爭中屬於後起力量,而且必須特別注意的是高人事費對開發工作的影響。與其它眾多可再生能源一樣,開發具有國際競爭力的技術對發展海洋能源而言同樣具有關鍵意義。重要的是細緻篩選海洋能源的種類,以及確定針對其系統中的哪個部分實施技術開發,從戰略角度集中予以技術開發投資。

表1 新能源的經濟性

  現在 2015 2020 2030
太陽光 (26〜40日圓/kWh) 23日圓/kWh 14日圓/kWh 7日圓/kWh
陸上風力 9〜15日圓/kWh   7〜11日圓/kWh 5〜8日圓/kWh
海上風力 (9〜15日圓/kWh)   12〜17日圓/kWh 8〜11日圓/kWh
太陽熱 13〜30日圓/kWh   10〜15日圓/kWh 5〜17日圓/kWh
波浪能 (30〜50日圓/kWh) 〜40日圓/kWh 〜20日圓/kWh 5〜10日圓/kWh
海洋溫差   40〜60日圓/kWh 15〜25日圓/kWh 8〜13日圓/kWh

參考:NEDO可再生能源技術白皮書,2010年

表2 離岸距離30㎞、水深100m以內的海洋能源潛力

    海上風力 波浪能 海洋溫差 洋流 潮流 潮汐
最大可利用發電量(TWh/年) 現有技術水準 524 19 47 10 6 0.38
未來技術水準 723 87 156 10 6 0.38
核能換算   相當於118台機組        
電力管區 最大可利用發電量 [MWh/年]
波浪能(現狀) 波浪能(未來) 溫差(現狀) 溫差(未來)
北海道電力 0 7,236,461 0 244,404
東北電力 0 15,651,842 0 13,339,728
東京電力 10,696,748 25,897,889 19,268,496 53,658,504
北陸電力 0 6,731,359 0 5,077,296
中部電力 0 0 0 5,234,976
關西電力 0 1,910,293 654,372 3,894,696
中國電力 0 133,240 0 4,446,576
四國電力 0 0 504,576 4,706,748
九州電力 0 9,295,762 4,446,576 29,588,652
沖繩電力 8,175,971 20,302,351 22,051,548 35,651,448
合計 18,872,719 87,159,197 46,925,568 155,843,028
核電換算 3.6台機組 17台機組 8.9台機組 30台機組

出處:NEDO

必須引入新一代輸電系統

正如前文所述,日本擁有極其可觀的海洋可再生能源資源,卻在海洋能源研究開發領域落後了不止一輪,甚至兩輪、三輪,到底原因何在?讓我們一起來思考一下。首先,非常遺憾的一點是,不僅是海洋能源,可再生能源的利用也大大落後於歐美各國。在歐美一些行動積極的國家,除水力以外的可再生能源發電量比例已達到約10%,而日本尚不足1%。

首要問題是日本的輸電系統。要想大幅引入屬於變動供電源的自然能源作為基礎能源,需經過以下三個階段。

第一階段:設定一個要達到總發電量百分之幾的目標,可通過預測每天電力需求和發電量的集中管理方式來進行調整。這是歐洲國家的現行方式。而我國則還必須強化各個電力公司之間的基礎系統。

第二階段:這是邁向第三階段的準備期,除了根據每個地區的特點建設智慧電網,採用分散管理式的需求調節外,還必須增設並積極利用抽水蓄能電廠(利用電力負荷低谷時的剩餘電力抽水至上水庫,在電力負荷高峰期再放水至下水庫發電的能源儲存方法,即抽蓄發電)、充實固定型蓄電池等旨在實現安定供電的基礎設施,促使其發電量佔到總發電量的30%左右。

第三階段:為了使發電量達到總發電量的40-50%,除了採用新一代電流控制技術,即大力改進電網阻抗,在全國范圍內建設“地產地消”的本地電網,還要修建旨在應對突發性電廠脫網的蓄電壩(大型固定型蓄電池和抽蓄發電),引入能適應電力負荷變化的電網轉換系統。

2050年以前,日本大概也能建成、而且必須建成這樣的電網。否則,能源需求將受制於積弊難除的老舊電網,大家只能忍受計劃停電,最終不得不接受經濟停滯的現實。相反,如果能革新電網,就可以實現可再生能源的“地產地消”,同時促進地區社會的振興。為了適應“地產地消”這種模式,較之超大型風電場,適宜於小規模且應對靈活度大的波浪能發電和潮汐能發電將成為某些地區的重要選擇。

海洋能源開發研究大大落後於歐美的第二個問題在於沒有設立實證試驗廠。要在大海中建設海洋能源開發基地,需要在實際海域開展實證實驗以推算建設費用、運轉率、耐用性、維護費用,但開展實證試驗的費用和勞力投入非常巨大;並且,為確保試驗海域,要與目前的海域利用者達成協議也需要花費大量的財力和勞力。進而還必須通過多項繁雜的批准手續,而且,儘管投入如此巨大的費用和人力,在實驗結束之後也必須要撤除,於是有得耗費巨額資金。用於監控數據的測量儀器和纜線等裝備僅做一次性使用,浪費十分嚴重。因此,歐洲早在10多年前就充實完善了海洋能源利用實證試驗廠,如今有10多個試驗廠在歐洲各地得到有效利用。如後文所述,近年來,日本終於也啟動了海洋能源實證試驗廠點建設計劃。希望這些實證試驗廠點今後不斷開發出高性能、低成本、具有國際競爭力的設備。

確保實證試驗廠與達成海域利用協議

導致海洋能源開發研究之所以大大落後於歐美的第三個問題,是難以就相關海域的利用達成協議。在有意開發利用海洋能源的海域內,以漁業營生的漁民和設有航線的輪船公司等各方的利害關係錯綜複雜。在歐洲,隨著海上風力發電在20世紀90年代後半期的發展,近海的海上風力發電開發需要與漁民以及相關國家進行協調,所以歐洲人開始尋找合理的問題解決方法,現在主要採用的是通過海洋空間計劃(Marine Spatial Planning)和海洋綜合管理(Integrated Ocean Management)達成協議的方法。也就是說,對相關地區的環境、漁業活動和海上交通等將帶來怎樣的影響,依據有說服力的具體的數據訊息,多層面分階段地最終達成協議——通過這種方法形成的海洋空間計劃正日益得到推廣普及。

日本海上保安廳也根據名為“沿岸海域環境保護情報CeisNet”的Web-GIS地理資訊系統,製作了旨在了解、把握相關海域情況的“海洋資訊錄”。今後,我們期待在海洋空間的利用上能夠合理而迅速地達成協議。作為海洋能源而言,選定合適地點的關鍵,主要有以下幾個要素。

  • 海洋再生能源賦存量
  • 水深、底質、波浪、風、洋流
  • 漁業資訊(漁業權、各種捕撈方法下的許可漁業活動等)

實際上,此外還有兩點將大大地影響協議的達成。

  • 各個漁業協會的經營狀態、內部紛爭的歷史
  • 漁民進取心的強烈程度

目前,水產行會法禁止漁業行會從事電力事業,但我們可以認為,如果漁業行會也能參與電力事業生產可再生能源,將之用於魚苗生產、陸上養殖、遠海養殖、電動漁船等新型水產事業,促進能源的“地產地消”,這將有助於振興地方經濟。

激發再生能源發展地區居民的“公民自豪感”

目前的電源三法(※3)單純追求的是經濟價值的分配,即便取得了一定的成果,仍不得不說它對振興地方經濟所發揮的作用是非常有限的。再生能源的選址,是以與自然環境共生為基礎的生存方式的自發選擇,希望它作為面向未來的倫理價值,激發出地區全體居民的“公民自豪感(civic pride)”(對城市和地區的自豪與熱愛)。

在經濟高速成長時期的重化工業走向衰退的同時,歐美各國在城市重建和以再生能源為核心的智慧城市等領域進行了大量嘗試,遺憾的是現實中很多都是失敗的例子。我們可以在為數不多的成功案例中看到一個共同點,那就是它們都激發了地區全體居民的公民自豪感。

慶幸的是,日本也在1998年3月31日召開內閣會議通過了“21世紀國土宏偉規劃”,這成為了旨在制定沿岸區域綜合管理計劃的指針,作為制定和推進綜合管理計劃的體制,它要求建立沿岸區域綜合管理協議會。該規劃確定,除了狹義上的利害關係者外,為了確保實效性,行政機關應帶頭組織民間企業、漁民、居民、NPO等相關各方的代表人員共同參與,在徵得多數同意後即可決定籌劃總體計劃。非常遺憾的是,由於這項內閣決議並未形成具有強制力的法令,所以很難說它具備實效性。在此過程中,為了回應海洋能源相關人士的要求,內閣官房綜合海洋政策本部(總理大臣出任本部長,有關部門的大臣擔任委員)於2012年5月25日決定,將通過完善大規模的綜合實證試驗海域,穩步實現我國海洋可再生能源的實用化、商業化。

進展中的項目 

環境省的長崎縣五島海域浮體式海上風能發電項目

根據2011-2015年的計劃,目前正在開展2MW級浮體式海上風力發電實證試驗。構建地區協調機制的實證調查、氣象與海象觀測、安全設計評估、維護管理、環境影響評估等相關工作正在順利展開。這是全球第三個浮體式海上風力發電實證試驗,有關方面還在研究用於今後開展地區協調的環境影響評估法。

設置於長崎縣五島列島中部的椛島海域的“浮體式海上風力發電”試驗機圖片提供:環境省

 

新能源與產業技術綜合開發機構(NEDO)的海洋能源(波浪能、潮汐能、洋流、海洋溫差)技術研究開發

根據2011-2015年的計劃,目前正在展開4種(波浪能1種、潮汐能1種)實證試驗和兩種(潮汐能、溫差)創新要素技術的開發工作。圖2是可在颱風襲來時沉入水下,躲避過大波浪的波浪能發電浮標。圖3是設置在防波堤上的振動水柱式波浪能發電(Oscillating Water Column:OWC)裝置。該堤壩工程牆體向外突出,可提高波浪能吸收效率。圖4的波浪能發電設備,其動力輸出裝置利用了日本原創陀螺儀技術。圖5是便於檢查維修部、經濟性非常優秀的可裝卸式潮汐能發電裝置。這四個項目都是在實際海域內的實證試驗,此外還在開展如圖6中像放風箏一樣繫泊於海中的黑潮發電和圖7利用高性能熱交換器的高效海洋溫差發電的要素技術開發工作。

圖2 三井造船的波浪能發電浮標發電示意圖。這種構造還可以抵禦颱風。圖像提供:三井造船株式會社

圖3 用於防波堤的帶有工程牆體的振動水柱式波浪能發電(OWC)設備圖像提供:海洋研究開發機構

圖4 日本原創技術:陀螺儀式波浪能發電設備圖片提供:株式會社Jairo Dynamics

圖5 便於維護的海底設置型潮汐能發電裝置圖像提供:川崎重工業株式會社

圖6 IHI、東芝、東大、三井物產戰略研究所開發的單點繫泊黑潮發電裝置。圖像提供:株式會社IHI

圖7 利用高性能熱交換器的高效海洋溫差發電裝置出處:佐賀大學海洋能源研究中心

 

著眼於促進東北重建的清潔能源研發工作中的海洋能源

根據2012-2016年的計劃,有效利用波浪能,使其作用於船舶的船舵驅動系統進行發電,並將這種形式的發電裝置設置於災區各地。這種裝置將由當地的造船廠製造、組裝,生產的電力在當地使用。這是一項振興地方產業、能源“地產地消”的實證試驗。

旨在實現未來成長與發展的技術開發

儘管削減成本並非只是日本國內的課題,但它對日本發展海洋能源來說尤為重要。也就是說,通常來看,海洋能源的輸電成本,尤其是海底電纜的成本較高。但是,除了北海道和東北的部分地區外,與在山區修建風車相比,沿岸地區(near shore)的輸電成本較低,而且對周邊環境的影響也較小。此外,相對於受道路運輸制約的大型風車,設備運輸障礙也較少,所以可以實現大型化,並進一步降低成本。我們應該預見到不遠的未來在近海(off shore)的發展,實現沿岸風電場的大型化,並立足於國際競爭力的觀點,盡快解決具有前瞻性的浮體式海上風力發電的各種技術問題。採用浮體式發電技術,極其重要的一點是降低安裝成本和維修成本。作業船的開發和一體化施工法的開發將是必不可缺的。通過組合潮汐能發電技術與波浪能發電技術,也很可能有助於降低成本。此外,還應該考慮如何制定綜合計劃來促使蓄電功能和漁業設施達到最佳狀態。

(※1)^ 近海浮體式波浪能發電設備,不僅可以高效吸收波浪的上下運動,將之轉化為電能,而且在實現設備後方海域穩定的功能上也令人矚目

(※2)^ Danny Harvey, Carbon-Free Energy Supply, 2010

(※3)^ 供電源開發促進稅法、特別會計相關法律(舊供電源開發促進對策特別會計法)、發電用設施周邊地區建設法的總稱。把作為電價的一部分徵收的供電源開發促進稅作為財源,對發電設施所在的市町村,以供電源所在地區對策補助金的形式予以回報的製度。其目的在於通過完善公共設施和支援地方振興事業,促進發電設施的建設以及安全穩定的運轉。 (出處:kotobank.jp)

  • [2012.11.26]

1978年完成東京大學工學系研究科船舶工學專業博士課程。1996年起任東京大學生產技術研究所教授。主攻船和海洋設施的運動流體力學和運動學。一般社團法人海洋能源資源利用推進機構(2008年3月成立)會長。

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