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航港新知
臺灣港群春季創刊號 2018-03-02
德國Eemshaven港WTG構件組裝港口

離岸風電港口之機能與類型

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  • 撰稿:文/臺中港務分公司工程處楊志斌、處長林佑任

臺灣的離岸風電可安裝面積達5,640平方公里,總裝置容量可達290億瓦,相當於2千萬戶的年用電量。我國政府為實現非核家園,將風力發電列入未來能源發展政策主力之一,並已將離岸風電發展計畫納入前瞻計畫。

「港口」是開發離岸風場不可缺要素
臺灣的風能天然資源相當豐富,尤其是臺灣海峽桃園至雲林沿海一帶,除了受到臺灣海峽兩岸山脈縮口而加速,又有夏季西南氣流與冬季東北季風吹襲,根據4C Offshore 2017年風速資料,全球風況最好的15處風場,臺灣海峽內就佔了14處。

另工研院2013年之研究顯示,臺灣的離岸風電可安裝面積達5,640平方公里,總裝置容量可達290億瓦,相當於2千萬戶的年用電量。我國政府為實現非核家園,將風力發電列入未來能源發展政策主力之一,並已將離岸風電發展計畫納入前瞻計畫。

離岸風場的開發流程可以概分為開發前置作業、離岸風機上部結構製造、風場其他附屬構件製造、安裝與試運轉、運轉與維護五個階段。

安裝與試運轉可細分為支撐結構安裝、風力機組陸上預組裝及海上安裝、變電站安裝、海底及陸上電纜鋪設及其他相關土建工程,為了減少海事工程費用,安裝時程會儘量縮短,一般需要1~2年;風場建設完成後,運轉及維護一般來說是20~25年,運轉工作多以SCADA系統(supervisory control and data acquisition,數據採集與監控系統)透過運維中心進行遠端遙控,維護工作則依性質分為計畫性維護及臨時性維護,此最後階段也包含除役之評估及實施。

離岸風場開發除了在陸上製造外,運輸、安裝、運維都在海上進行,重達數百甚至數千噸之水下支撐結構與風力機組均須由安裝工作船運輸與安裝,開發離岸風場「港口」為不可或缺之要素。

離岸風電港口五種機能類型
依據歐盟文獻”Supply Chain, Port Infrastructure and Logistics Study for offshore wind farm development in Gujarat and Tamil Nadu,JUNE 2016,European Union”,依海上風電項目之建造和運營將所需之港口機能分為下列五種主要類型:

(1) 風力發電機(WTG)製造港 (Wind turbine manufacturing port)
考慮到離岸風力發電機的大尺寸運輸問題,風力發電機製造商需要將其製造設施設置在具有合適碼頭的港口區域內,以便接收製造材料/組件,並裝載製造完成之WTG組件。

國外在具有海上風電高開發密度的地區(例如10年內距離100海浬以內超過設置5 GW風機),大型WTG設備製造商已經建立了專門建造的風力發電機製造港口設施,例如西門子Siemens風電公司在英國赫爾Hull港投資風機製造廠。

Hull港(英國)西門子投資風電WTG製造廠(資料來源:歐盟文獻)

 


風機製造港主要處理來自岸上製造商之風機零組件,並將其轉移到遠處的施工港口/碼頭,這種港口不需要提供風機組裝或提供適合Windturbine Installation Vessel(WIV)的泊位設施。風機製造港主要具備條件包括:
廠房(Workshops):具備大型內部設施,用於葉片、塔柱和機艙製造/組裝 
儲存區:具有足夠的承載能力和面積以滿足供應鏈。
碼頭:適合輸入/輸出船舶之泊靠岸線、航道
道路/鐵路連接:必須方便供應材料/組件之基地、提供重型陸上運輸能力
適當起重能力:足以製造和裝載組件使用
勞動力:需要大量專業員工,例如:熟練的焊工、塗層專家和機械操作員
位置:良好的可達性,靠近供應鏈,優先減少轉運

(2) WTG 基礎製造港 (Wind turbine foundation manufacturing port)
鑑於海上風力基礎之超大尺寸和質量要求,歐洲現有很多經驗豐富之風機基礎製造商考慮將其製造廠設在具有合適碼頭的港口區域內,以用於接收原製造材料和裝載完成之基座,不像風力發電機OEM廠商將工廠位置以更多的海上風電市場為中心來考慮。

基礎製造商過去之主要業績往往是石油/天然氣平台、或海運船舶製造。因此,一些具有製造風機基礎之港口,並不一定非常接近海上風電場,主要考慮設廠製造之投資經濟性問題。

德國不來梅Bremerhaven港風機基礎製造碼頭區(歐盟文獻)


基礎製造港設施的主要特點包括: 
製造廠房(Fabrication shops):具備非常大的內部廠房,用於製造基礎部件所需之切割、軋製和焊接等作業空間。
塗裝廠房:具備大型內部環境用於噴砂和塗裝海上結構。
儲存區:具有足夠的承載能力和面積以滿足供應鏈。 
碼頭區:具有適當的承載能力,適合船隻泊靠之岸線、航道。
起重:足以製造和裝載基座(裝載通常使用頂式龍門起重機或大型履帶起重機或可能的SPMT)。
道路/鐵路連接:必須方便供應材料/組件之基地。
原材料供應鏈:海上鋼材的合適供應鏈至關重要。
勞動力:需要大量的專業員工,例如熟練的焊工、塗層專家和機械操作員。
位置:如果與組裝港口組合,靠近供應鏈為優選,但非關鍵。

(3) 海上變電站製造港 (Offshore substation manufacturing port) 
像海上風力發電機基礎一般,離岸變電所製造廠過去業績往往是石油/天然氣平台。根據不同製造商的能力以及項目的契約安排,變電站之底座和上部構件並不一定在相同位置製造。

在離岸變電站製造港口設施要求方面,與風機基礎製造港口非常相似,對於大結構尺寸與重量,必須具有較大的承載能力和載荷要求。

荷蘭Zwijndrecht港內之Heerema工廠製造離岸變電站(資料來源:歐盟文獻)

  


(4) 營運和維護港 (Operations & maintenance port)
海上風電項目需要指定一個營運及維護港口,並配置必要之勤務碼頭、辦公室和倉儲倉庫等設施,以供離岸風電場20至25年的壽命期間所需運營和維護作業。一個港口可以營運和維護多個風電場,例如英國Ramsgate港即負責多個海上風電項目之操作和維護,包括:Thanet (300MW)、Kentish Flats (90MW)、Kentish Flats Extension (49.5MW)、及London Array (630MW)等海上風電場。

營運及維護港Port of Ramsgate (UK) (資料來源:歐盟文獻) 



 
營運及維護港口及其船舶應儘可能靠近海上風電場,以減少維修技術人員之運輸時間。港口用作定期維護的基地,必須能夠容納小型服務船舶及人員上下。這些船舶通常是具有750~1500kW推進功率的雙體船,能夠以20~25節或更多船速巡航(典型船型:LOA為15~25m,吃水約2m,最大船寬10m),更重要的是:在所有天候條件下,O&M港口必須接近100%的可及性,且不受潮汐限制。此外,如果有時須使用直升機支援時,則支持直升機之基礎設施最好位於港口基地附近。

(5) 組裝(或集結)港 (Marshalling or staging port)
組裝或集結港口是位於其服務的離岸風電項目附近的中間港口設施。當製造商位於距離風電場安裝地點很遠的距離時,這個概念變得越來越有價值。一般而言,專業的海上風電場安裝船之租船費率是貨船之數倍,為了使總體安裝、運轉和維護成本最小化,將主要安裝船的航行時間減至最小即非常重要。實際上在北歐建成的大多數離岸風電場,其風機製造場所和海上風電場彼此相距很遠的距離,而且大多數情況下風機製造場所多位於其他國家。因此,組裝(集結)港口對海上風電場之開發至關重要。


港口設施需求依離岸風電場開發之每個階段而定
值得注意的是,單一個港口區域是可以具有處理上述一個以上或甚至所有港口機能;然而不同風機組件具有不同的處理和儲存要求,所需港口設施必須根據實際情況考慮。

例如:風機之製造和安裝過程,不同階段可能需要不同之起重機規格、碼頭區負載和水深條件等,在選擇海上風機港口設施時,必須根據離岸風電場開發之每個階段期間所需要處理之工作而定。


參考文獻
歐盟文獻”Supply Chain, Port Infrastructure and Logistics Study for offshore wind farm development in Gujarat and Tamil Nadu,JUNE 2016,European Union”

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