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海洋能源:海洋再生能源

海洋,因為它的物理及化學特性,扮演著氣候記憶系統的角色,也是穩定地球氣候的一個緩衝器,更提供了豐富的再生能源。
 
 
 
變遷中的氣候

大氣中二氧化碳濃度從工業革命前的280 ppm上升到2010年的390 ppm,增加了約39%。由南極大陸取得的冰芯資料顯示,從65萬年前至工業革命時,地球大氣的二氧化碳濃度從未超過300 ppm。而今不論在何處,所測量到的大氣二氧化碳濃度都已超過300 ppm,且持續上升中。根據聯合國跨政府氣候變遷小組(Intergovernmental Panel on Climate Change)的第4次評估報告,從20世紀中期以來的全球平均溫度上升,非常有可能是人為的溫室氣體增加所造成的。

隨著經濟的成長,初級能源的需求也跟著增加。研究報告指出,約85%的初級能源來自化石燃料,占了人為溫室氣體排放量的56.6%。雖然全球暖化的現象並非都是大氣二氧化碳濃度增加所造成的,森林的砍伐、燃燒,土地使用的改變,或工、商、農業活動所排放的非二氧化碳溫室氣體,都是因素之一,但不可否認,使用化石燃料造成的二氧化碳排放是最主要的因素。

根據美國能源資訊署(Energy Information Administration)的資料,臺灣在2006年燃燒化石燃料所產生的二氧化碳約3億公噸,平均每人產生約13.65公噸,大約是全球平均值的3倍,顯示臺灣對減少二氧化碳的排放需要再努力。而若要維持經濟的成長,又要降低溫室氣體的排放,開發再生能源的技術就相當重要了。

海洋的角色

全球變遷基本上可以從變化的方向、變化的頻率,以及極端事件的發生三方面來考量。

美國海洋暨大氣總署(National Oceanic and Atmospheric Administration)的專家利用實測資料計算海洋的含熱量,發現自1955至1998年,整個海洋的含熱量增加了14.5 × 1022焦耳,相當於海水平均溫度上升了攝氏0.037度。由於海水熱膨脹及陸上的冰融為淡水流入海洋,從衛星測高資料發現,自1993至2010年,海面也以每年3.2毫米的速度上升。這些都說明了海洋已開始暖化。

此外,每年產生的颶風數雖沒有多大的變化,但是強烈颶風的數目確有增加的趨勢,這可能也與海水暖化有關。近年來,很多人都可感受到全球氣候變遷的威力,許多百年未見的極端天氣也發生了。這些現象,有些科學家歸咎於全球暖化。雖然不能說某一次的熱浪或強烈風暴的發生,就是因全球暖化而引起,但這種極端天氣發生的頻率的確有增加的趨勢。

海水因它的物理及化學特性,扮演著氣候記憶系統的角色。海水的密度約為大氣的800倍,比熱也比空氣、土壤大4~5倍,因此海水的溫度變化若要與大氣或土壤一樣,需要吸收或失去較多的熱量。此外,海洋是二氧化碳最大的儲存庫,儲存量超過大氣的50倍,若沒有海洋儲存二氧化碳,現今的溫室效應會更明顯。因此,海洋是穩定地球氣候的一個緩衝器。

海洋再生能源

海洋占地球表面的70%以上,利用其物理特性,透過能量之間的轉換,就可獲得海洋再生能源。海洋再生能源泛指儲存在海水中可供利用的能源,具有下列特色:雖然單位能量小,但總蘊藏量大;來源不虞匱乏,只要有太陽、月亮等天體,就有海洋再生能源;對環境衝擊較小,屬乾淨能源。一般而言,海洋的再生能源可分為波浪能、潮差能、海(潮)流能及溫差能等。

風吹拂海面產生波浪,海面波浪蘊藏著巨大的能量,但能量分布廣泛且不穩定,因此無法廣為利用。波浪發電原理是把波浪的動能、位能轉變成機械能,用以推動渦輪。對理想的波浪而言,所蘊含的能量與波高的平方及周期成正比。

全球波浪能量分布最大處在南、北半球的西風盛行帶附近,因此臺灣周圍海域的波浪能並不高。根據工研院的調查,臺灣東北及東部海域的波浪能較大,較具開發優勢。

開發波浪能的方式有3種:應用波浪的升降,使浮體物件抬起落下,產生位能的變化而推動渦輪;應用水粒子的運動或海面傾斜的變化,推動物件前後晃動而推動渦輪;應用波浪水位的抬升,壓縮空間內的空氣,進而推動渦輪。當然也可整合三者使用。

2003年,英國在蘇格蘭的奧克尼(Orkney)海岸外,建造完成並啟用世界上首座海洋能源試驗場,稱為「歐洲海洋能源中心」(European Marine Energy Centre)。這海域波浪起伏非常劇烈,且很有規律,適合新型設備的檢測,是發展和測試波浪能源轉換設備的理想場所。目前國際上發展的波浪發電設備,以英國的技術較為成熟。

因太陽、月球等天體引力作用,使海水水位變化,稱為「潮汐」。潮差發電的原理是利用潮汐造成的海水水位變動推動渦輪,從位能的變化獲取電能,發電原理近似水力發電。潮差發電通常建置在潮差較大的河口或海灣,以攔水壩攔水,在壩堤適當地點設置可控制出入的水閘門,並在水閘門裝設水輪發電機。漲潮時,海水流入攔水閘門推動水輪發電機發電,退潮時,則利用海水流出閘門發電。潮差能是目前海洋能技術中最成熟的,其能量與潮差的平方及蓄水面積成正比。

在臺灣附近海域,由於潮波自太平洋向臺灣傳遞,從臺灣南、北二端進入臺灣海峽,並在海峽中部會合,在臺中附近產生較大潮差,因此西岸能量密度較大。但因潮差發電廠址通常需要有良好的峽灣地形,以利於建築攔水壩攔截潮汐發電,而臺灣西岸並無這種條件,因此不太具有開發潛力。

1966年,法國在蘭斯河(Rance River)口建立第1座240百萬瓦的潮差發電廠,每年約可提供540 × 109瓦時的電力,也就是540 × 106度(1度相當於1 × 103瓦時)。而加拿大的安納波里斯河(Annapolis River),大潮時潮差可達8.7公尺,小潮時潮差也可達4.4公尺,因此在1984年建造了一座20百萬瓦的潮差發電廠。

海(潮)流發電(或稱潮汐發電)的原理與風力發電相似,風力發電是利用風力推動發電機葉片,海(潮)流發電則是利用海洋中的水流推動水輪機,把動能轉換成電能,其功率和密度與面積成正比,並與流速的3次方成正比。由於海水的密度是大氣的800倍,若葉片轉動的截面積相同,當海流流速是空氣的1/9時,海流能仍稍大於風力能。

流速較強的海流大多位在大洋西側的洋流,如北大西洋的灣流、北太平洋的黑潮。黑潮起源於赤道,向北流經菲律賓東北轉而沿台灣東部海域北上至日本。黑潮流速強,流軸穩定,且離台灣東岸僅數十公里。長期觀測的海流資料顯示,在水深50公尺,綠島附近的流速有90%以上超過0.5公尺/秒,平均約為1公尺/秒。因此,台灣東部海域單位截面積的功率較其他周遭海域高,是一個良好的海流能試驗場。

除了海流外,由潮汐的漲退引起的規律性潮流也可以使用。基隆的和平島與基隆嶼之間的基隆海檻及澎湖附近海域,因受地形的影響,潮流流速較強,平均可達1公尺/秒,與黑潮流速相當,是開發潮流能的可能場址。

國際上,目前英國愛爾蘭北部有全球唯一商業運轉的潮流發電,以2.4公尺/秒的流速,兩具葉片直徑16公尺的螺槳,可產生1.2百萬瓦,而每潮汐周期約產生10 × 106瓦時。

溫差發電的原理是利用海洋表面較高溫的海水,使沸點低的液體汽化,進而推動渦輪發電,再以由深海汲取的冷水把它冷凝為液體,循環使用,其熱能與溫差成正比。溫差能與波浪能或海流能比較,能源密度大,較穩定,適合大規模發電,且具附加價值,如海水淡化、海水養殖等優點。

在熱帶海洋,海水表面溫度一年四季變化很小,日夜溫度變化也不大,因此,海水表層、深層的溫差都大於適合開發溫差能的攝氏20度。

全球可開發海洋溫差能的海域面積估計約60 × 106平方公里,可開發的潛能超過10 × 106百萬瓦。國際上,投入海洋溫差發電的國家大多位於熱帶或亞熱帶,其中約有半數國家是太平洋上缺乏天然資源的島國。然而興建試驗性電廠的國家並不多,大多處於可行性評估階段。

臺灣東部外海有黑潮經過,表層溫度高,水深也超過1,000公尺,極具溫差能開發的優勢。2008年,工研院開發了一套5千瓦溫差發電實驗系統,並成功發電。目前在花蓮台肥廠區結合汲取的深層水和表層水,建造海水溫差發電現場機組,進行實地發電測試。

氣候變遷似乎越來越劇烈,姑且不論這些現象是否與燃燒化石燃料造成大氣二氧化碳濃度增加有關,若能減少或降低人為因素對環境的干擾,對地球的永續發展應有相當的助益。因此,若要經濟持續地成長,又要降低對環境的衝擊,海洋再生能源的開發是一個值得考慮的方向。

深度閱讀
  1. Boyle, G. (2004) Renewable Energy: Power for a Sustainable Future, 2nd Ed., Oxford University Press, New York, NY.
  2. Levitus, S., J. Antonov, T. Boyer(2005) Warming of the world ocean, 1955–2003. Geophysical Research Letters, 32, L02604, doi:10.1029/2004GL021592.
  3. Lewis, A., S. Estefen, Ed.(2011)Ocean Energy. In: IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation. Cambridge University Press, New York, NY.
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