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乘浪而上,為什麼海浪發電會是能源下個解答(上)

2016 年 04 月 20 日

文/劉百清

畢業於台師大物理系,之後任教職 30 年。對於海浪發電的研究長達 26 年,目前已經往前推進到第十六代的發明創作,曾獲得國家發明創作獎銀牌獎…等創新、發明獎項。

前年(2014 年),民進黨前主席林義雄為抗議政府執意興建核四,在 4/22 展開了無限期的絕食行動,甚至預立遺囑以示決心,直到政府有善意回應為止,為當時的國內政壇投下了一顆超級震撼彈。到最後,馬政府迫於強大的內、外壓力,宣布將已投入將近三千億興建費用的核四廠停工、封存,並擇期召開一次盛大的全國能源會議,希望集思廣益,解決核四廠封存之後所留下的電力缺口。

能源--本世紀中最重大的課題之一

進入二十一世紀,影響全世界最重大的課題之一就是「能源問題」,根據專家的預估,全世界的石油蘊藏將會在未來的四、五十年內全部開採殆盡,積極開發新能源和尋找各種可能的替代能源,便成了全世界各國政府最重要的課題之一,而「海浪能」則是科學家所公認,能量密度僅次於「核融合能」的優良再生能源,成為各先進國家紛紛投下巨資,大力推動研發的主要項目之一。大家都希望能夠搶先一步,在這個市場非常龐大的新興領域中獨佔鰲頭,研發出最佳的海浪發電「旗艦」機種。

左圖為全世界波能分布圖。右圖為台灣波能分布圖,單位:KW/m(仟瓦/米)
左圖為全世界波能分布圖。右圖為台灣波能分布圖,單位:KW/m(仟瓦/米)

其中,台灣四面環海,擁有極其豐富的海浪能資源(特別是東北部海岸),依照台電的觀測數據來看,大約有八座核四機組(八百萬千瓦)以上的潛能,對能源供應 99% 以上依賴進口的台灣而言是一個絕佳的準自產能源。另外,根據 2014 年經濟部白皮書的看法,也認為在各式海洋能源中以波能轉換裝置W.E.C(Wave Energy  Converter)最具有商轉的潛力。

龐大的商機

工研院綠能所的前所長曾表示:「20 世紀石油經濟的榮景,21 世紀將會轉移到能夠提供再生能源 solution 的公司或團隊!」,以中東的杜拜為例,過去由於大量開採石油,已經成為世界上最富庶的城市之一,不過,一旦石油蘊藏逐漸枯竭,若不改弦易轍的話,可能就再也無法維持目前這樣光鮮亮麗的榮景了。

石油經濟的榮景造就今日的杜拜
石油經濟的榮景造就今日的杜拜。

而海浪發電市場最迷人的地方是「全世界機會均等」,換言之,誰能夠率先研發出可以商轉的海浪發電「旗艦」機種,並且作好各式專利的佈局,誰就有機會獨占全世界的海浪發電市場,這就是為什麼全球各國都是砸大錢不手軟、拼老命作研發的最主要原因--因為商機實在太驚人,一旦研發成功,其有形市場的價值絕對是一個非常可怕的天文數字--估計大約在新台幣 100 兆元左右。

海浪發電的應用領域

海浪發電的研發費用花費不小,但是,相對地其應用層面則較其他的再生能源如風力、太陽能……更為寬廣,其他的再生能源最主要的用途就是發電,因此所能衍生的其他方面的經濟利益寥寥可數,但是某些類型的海浪發電設計卻能作多功能的利用,產生更多的附加價值。儘管現在沒有實體案例,但舉例來說,海浪發電如果採防波堤式的設計,除了可以取代傳統防波堤之外,也擁有發電、海產養殖、觀光…等多種應用發展,就如同水庫一樣可以和觀光、防洪、給水結合。其他應用發展還有像是:

  • 防波/海洋工程。
  • 電力產業/氫能產業/燃料電池。
  • 海產養殖/填海造地:二者擇一。
  • 其他:
    1.  防走私、反登陸
    2.  改善海岸景觀
    3.  觀光

防波

防波堤式的海浪發電發明,建成之後其實就是一個大型的鋼筋混凝土構造,由於要讓海浪自由進出,因此內部有相當大的比例是設計成「中空」的,也相對較傳統防波堤節省了很多的材料和成本,並且可完全取代傳統防波堤,擔負起「保護海岸線」的重責大任。

圓形沉箱構成的防波堤(左圖)與消波塊式防波堤(右圖)。
圓形沉箱構成的防波堤(左圖)與消波塊式防波堤(右圖)。

發電

海浪發電最主要的用途當然還是在「發電」方面,發明家的工作就是盡可能將巨大的海浪能萃取出來,轉換成取之不盡的電能和源源不絕的現金流量,經由初步的估算中可發現,如果電廠壽命 20 年,單單台灣一地,其經濟價值就高達 1 兆餘元,足以發展成另一個「兆元產業」。

左圖:水工模型發電情形 。右圖:葡屬 Pico 島上的 OWC 海浪發電廠。
左圖:水工模型發電情形 。右圖:葡屬 Pico 島上的 OWC 海浪發電廠。

填海造地

防波堤式的海浪發電發明建成之後,其後方是一大片平靜無波的海域,若是該發電廠是位於都市附近的海邊,此平靜無波的海域可以考慮作為填海造地之用,為地狹人稠的都市外圍創造出一塊價值不菲的新生地。

左圖:台塑在麥寮填海造地,總共填出了 2096 頃的新生地。右圖:高雄市南星計畫,利用爐石和煤灰在大林埔填海造地情形。
左圖:台塑在麥寮填海造地,總共填出了 2096 頃的新生地。右圖:高雄市南星計畫,利用爐石和煤灰在大林埔填海造地情形。

海產養殖

防波堤式的海浪發電發明除了可用於填海造地之外,遇到水質乾淨清澈的海域(例如屏東、澎湖、小琉球等),還可作為海產箱網養殖之用,養殖一些高價海水魚,一方面可增加漁民巨額的收入,另一方面還可避免沿海地帶「因超抽地下水造成地層下陷」日益惡化的現象,一舉兩得。

乾淨的海域可作箱網養殖。
乾淨的海域可作箱網養殖。

防走私、反登陸

防波堤式的海浪發電發明建成之後,將在淺海碎波帶附近連成一長條狀的人造結構物,成為一種新式的「海上長城」,對各式船隻具有一定的阻絕效果,可考慮作為防走私、反登陸之用,對內政、國防用途作出卓越的貢獻。

改善海岸景觀

一般沿海地區為了防止擁有巨大能量的海浪之侵蝕、破壞,保護海邊居民的生命財產,經常要在海岸線上堆置消波塊或興建「岸基型」的堤防,不但原來美麗的海岸景觀不見了,取而代之的是其醜無比的消波塊,還妨礙了民眾的「親水權」。而防波堤式的海浪發電發明建成之後,海岸線從此不用再堆置消波塊,將可有效改善目前雜亂、醜陋的海岸景觀。

其醜無比的海岸景觀。
其醜無比的海岸景觀。

介紹了海浪發電基本概況之後,中篇將接續分享台灣與各國海浪發電研發狀況,下篇則討論為什麼一個看似簡單的海浪發電,困擾了全世界這麼多的科學家和發明家二百多年之久,到現在還沒有人能夠輕鬆駕馭它?在技術上有什麼困難之處?

封面圖片來源:photo via AW-Energy Oy@wikipedia, CC License

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