專題 日本可再生能源的潛力和未來
浮體式海上風力發電設備「福島未來」開始運轉
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11月11日,建於福島縣海域的2,000kw風車開始旋轉,浮體式海上風電場(風力發電廠)實證研究事業正式啟動。計劃在下一年度內修建的兩座7,000kw風車啟用後,發電總規模可達16,000kw,將成為全球最大的浮體式發電廠。日本政府將該事業定位為在東日本大地震及核電廠事故中遭受重創的福島縣實現復興的標誌,意欲將其創造成風車產業的一大聚集地。

2014年度內追加兩座7,000kw風車

建在距離楢葉町沿岸約20km,水深約120m海域之中的浮體式海上風力發電設備「福島未來」已開始發電和對外輸電。其生產的電力將通過海底電纜接入東京電力廣野火力發電廠(廣野町)旁邊的東北電力公司輸電線,可滿足大約1,700戶家庭的用電需求。

風車是日立製作所生產的順風型風車,葉片(3片)單片長度為40m,直徑為80m。風車最高點到海面的距離為106m,這一高度不亞於新宿等地的超高層建築。支撐風車的浮體(三井造船製造)高度也達到了32m。

2,000kw順風型浮體式海上風力發電設備「福島未來」(福島海上風力聯盟提供)

在距此2km外的海域內還修建了一座名為「福島Kizuna(情誼)」的變電廠,它承載著用於將電力轉化為高壓電輸送至陸地的變電設備和測量風向和風速的觀測塔。該廠點的海面以上高度為60m。在海上裝配66,000kv變壓器的做法是一種在全球首開先河的創舉。

2014年度還將追加建設兩座全球最大級別的7,000kw發電設備。以「福島未來」為中心,左右兩側1.6km處各建一座超大型風車(葉片長82m,直徑164m,三菱重工業製造)。海面以上高度為187m,與新宿i-land tower(189m,44樓)不相上下。建成後,它們不僅不會「隨波蕩漾」,到更像一個海上巨無霸。

浮體式海上變電廠「福島Kizuna」(福島海上風力聯盟提供)

「固定式」是全球主流

「福島未來」之所以廣受關注,是因為它採用了將發電設備漂浮於遠離陸地的海上的「浮體式」設計。風車和承載風車的浮體結構像「浮子」一樣漂浮在海上,並由繫留鏈和錨固定於海底,避免被海流沖走。

長期以來,在海底建造基礎結構以固定發電設備的「固定式」一直是全球的主流做法,歐洲地區水深20m左右的淺海海域分布廣泛,當地發展海上發電多採用這種方式。從結構來看,其極限水深為30m左右,可以說在深海海域難以採用這種方式建設。

日本利用海上風力的步伐之所以落後,也是因為適合建造固定式設備的淺海海域較少。如果在水深較深海域也可安裝設備,那麼日本的傳統劣勢就會逆轉為優勢。

日本的領海與專屬經濟區合計面積位居世界第6。海上風力發電資源儲量高達16億kw,大約相當於日本全國10家電力公司所有發電設備裝機總量(2.0397億kw)的8倍規模(環境省「可再生能源儲量調查」),極具發展潛力。對於日本而言,這是一種求之不得的能源資源。

「福島未來」視訊資料(拍攝於11月6日,福島海上風力聯盟提供)

三菱重工,採用油壓傳動裝置滿足大型化發展需求

單從技術來說,浮體式海上風力發電廠的建造技術早已確立。因為我們只需引進在海底油田氣田開發過程中獲得的浮體式平臺技術即可。日本不僅掌握了可滿足海上風車向陸地輸電要求的海底輸電纜線技術​​,更不乏擁有相關技術的龍頭企業。

問題是初期投資成本較高。在深海海域建造浮體式發電設備的建設費用很高,維護費用也遠高於陸地上的水準。降低成本的唯一途徑是實現風車的大型化。

三菱重工做到了這一點。該企業開發出了一種「油壓傳動裝置」,通過油壓將風車產生的旋轉力傳導至發電機,而不是藉助齒輪。除了英國的陸地實證機外,這還將應用在兩座7,000kw風車(其中一座被命名為「福島新風」)上。

三菱重工曾在2010年收購了英國的風險企業阿蒂蜜絲智慧電源公司(Artemis Intelligent Power, Ltd.),此裝置便是基於該公司技術設計而成的。不僅可以採用電子方式精密控制風車,還有一個優點在於無需配備維修時需要動用大型重機的增速機(變速器)。此前,要建造大型風車就必須提高容易出故障的增速機的增速率,這一直是難以突破的技術瓶頸,而油壓傳動裝置成功解決了這個難題。據說用它來製造1萬kw級別的風車也並非難事。

全球市場規模將在2020年擴大到4兆日圓以上

據民間市場調查公司富士經濟(總部位於東京)預測,到2020年時,全球海上風力發電市場規模將從2011年的3,864億日圓擴大至43,443億日圓。2030年時的需求規模則有望達到30,875億日圓。

海上風力發電的優勢在於海風強勁而穩定。陸上風力發電的運轉率僅為20%左右,而海上風力發電則高達30-40%。可以穩定地供應電力。

目前,歐洲引領著全球海上風力發電行業發展,英國更是其中的領頭羊。海上風能是已經開始枯竭的北海油田的替代能源。英國政府於2007年發布了將在2020年前達到3,300萬kw海上風力發電規模的開發計劃(事業規模約13兆日圓)。準備在2020年前建造超過7,000座海上風車,以滿足該國三分之一的用電量需求。

今年7月4日,位於距離英國東南部海域約20km處的倫敦陣列(London Array)海上風力發電廠(固定式)開始運轉。總裝機容量為63萬kw,相當於一座核反應爐的裝機容量。這是目前正在運轉的全球最大海上風力發電廠,將為50萬戶英國家庭供應電力。

德國西門子公司為該項目提供了175臺(每臺裝機容量3,600kw,葉片長60m,直徑120m)風力發電機和系統連接設備,並將與丹麥的綜合能源巨頭Dong Energy公司一同為發電廠提供長期維護服務。三菱商事與英國基礎設施投資公司將共同負責其輸電事業運營工作。

突破死亡之谷的動力來自「福島復興」

「福島縣海域浮體式海上風電場實證實驗事業」是一個國家級項目,它不光是要將福島創造成「可再生能源先驅之地」的象徵,而且還意圖將領先世界的浮體式海上風力發電技術投入實際應用。

受經濟產業省委託,丸紅、東京大學、三菱商事、三菱重工、日本海洋聯合公司(Japan Marine United)、三井造船、新日鐵住金、日立製作所、古河電氣工業、清水建設、瑞穗情報總研等11家公司組成專業聯合團體,正致力於推進該事業。工程分為第一期(2011-13年度)和第二期(2014-15年度),工程費用共計188億日圓,已支出125億日圓。

如今,以作為企業整合者的丸紅為首,風車、浮體結構、電線、鋼材等行業的一線企業組成了擁有最尖端技術的專業聯合團體,而在10年前,這還是一個缺乏現實可行性的項目。

東京大學石原孟教授(研究所工學系研究科社會基礎學專業)

作為該項目的發起人和聯合團體技術顧問,東京大學石原孟教授介紹稱:「最大的難題在於如何說服企業。我曾多次向表示『辦不到』的企業叩頭懇求。說服日本政府支出資金也是費盡了周折。儘管3.11後大家的反應有所改變,但如果是從那時才開始努力就已經遲了。」

同時,他感慨良深地表示:「目前,許多優秀技術即便被開發出來以後也難以邁入實證實驗階段。開展實證實驗既費錢又費時,所以好的創意常常無果而終。儘管只有穿越這個死亡之谷才能為社會做出貢獻,產生經濟效益,但我們總是不能走到那一步。此次能突破死亡之谷具有重大意義。」

石原教授強調:「促成此次突破的動力來自實現福島復興的願望。我們希望創造出堪與核能產業比肩的可再生能源產業。如果最終不能創造出數千人的就業機會,則根本談不上福島的復興。」

相關產業基礎廣泛,有望成為出口產業

日本政府之所以在今年6月14日提出「力爭在2018年前後實現浮體式海上風力發電商業化應用」(「日本復興戰略」內閣會議決定)方針,也是因為風力發電機像汽車和家電一樣,除了相關產業基礎廣泛外,擁有相關技術的優秀企業也很多,蘊藏著未來成長為前景無量的出口產業的可能性。

一臺風力發電機共有1萬到2萬個零部件,與汽車和家電大致相當。如果風力發電事業發展起來,零部件和建材需求也將成長。由於這些零部件與飛機、汽車、船舶上使用的零部件具有高度通用性,所以對於現有相關行業來說,風力發電也將是一個具有吸引力的市場。

佐藤雄平知事(左)和赤羽一嘉經產省副大臣按下啟動鍵(磐城市小名濱iwaki lalamew)

福島縣正致力於在小名濱港(磐城市)的廣大地區和向北延伸的濱通等地方形成大型產業集群,創造就業機會。有關方面對其寄予厚望,表示「雖然風力相關產業尚未獲得實際發展,但實證研究事業結束後,只要確定事業化(商業化)發展路線,就能帶動其它相關產業」(縣商工勞動部產業創造課)。

福島縣知事佐藤雄平也在啟動儀式上表達了期待之情,他說:「受到核電廠事故的影響,福島縣的整體形勢十分嚴峻。儘管我們力圖恢復到3.11以前的狀態,但產業復興工作還不盡如人意。我們希望把濱通創造成風力發電的聖地。」

成敗關鍵在於能否與漁業共存

實證研究的主要目的在於攻克技術性難題,比如開發氣象與海象觀測技術、確立浮體搖晃預測技術、確立浮體式海上風力發電與變電技術、開發高性能鋼材等,但莫如說更為重要的是,如何在周邊海域航行安全性,以及針對噪音、景觀、電波障礙、漁業生物等各方面的環境影響評估等問題上達成社會共識。

尤其是能否得到漁民的理解被視為此項目成敗的關鍵。因為使用拖網捕魚時,漁網可能會勾住海底架設的繫留鏈和輸電纜線。

然而,如今已開發出了避免漁網勾連的感測技術。實證實驗結束後,錨也將被撤走。我們還使用特殊機械將海底泥沙液化,把海底電纜敷設在了泥沙以下1m左右的地方。

 「儘管現有技術完全可以解決上述所有問題,但仍必須向漁民展示『可行性』。因此我們決定實際操作讓大家看。我們已達成了共識,在未來兩年內一邊開展漁業活動一邊確認這一方案。」(石原教授)針對海上風力發電能否​​與漁民共存共榮這一問題開展的實證實驗具有重要意義。

福島縣漁業協會聯合會野﨑哲會長致辭

福島縣漁業協會聯合會的野﨑哲會長對此表示支持,稱「本縣的漁業活動尚處在試驗性作業狀態。我期待著海上風力發電能夠成為促進漁業復興的重要支柱」。可是,這並不表示漁民已經不再抵觸。就現階段而言,充其量也只能是期待「明年追加建設兩座風車,如果再有第三座風車漂浮在海面上,形勢肯定會有所變化」(該事業相關人士)。要達成社會共識確實非常困難。這或許就是實證研究的最大課題。

採訪、撰文:長澤孝昭(Nippon Communications Foundation高級編輯、媒體人)

標題圖片:浮體式海上變電廠「福島Kizuna」(福島海上風力聯盟提供)

  • [2014.01.22]
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