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一座實驗性風力渦輪機漂浮在受災的福島第一核電站海岸約 20 公里處,標誌著日本朝著建設世界上最大的海上風電場邁出的第一步。 但這個島國在旨在核災難後增加可再生能源方面仍然面臨著巨大的挑戰。
該渦輪機連線到世界首個漂浮式海上風電場變電站,旨在雄心勃勃地開發深水區的海上風能。 這種技術可以幫助日本開始利用估計蘊藏約 1,570 吉瓦功率的海上風力——是日本電力公司當前容量的五倍以上。(吉瓦是十億瓦。)風能被認為是該國在福島核災難後尋找替代能源的關鍵。“我相信福島專案將幫助福島地區和整個日本走向更多地使用可再生能源,”東京大學土木工程師、福島風電場專案負責人石原猛 (Takeshi Ishihara) 說。
傳統風力渦輪機塔從海底向上延伸,在水深超過 50 米的水域安裝成本過高——這對日本來說是一個大問題,因為其海岸被 50 至 200 米深的陸架包圍。 但是,漂浮式風力渦輪機和變電站透過多條巨大的鋼鏈錨定在海底,可以在更深的水域中執行。
此外,與陸上風電場相比,海上風電場可以獲得更高的平均風速優勢——一項為期兩年的研究表明,福島附近海上的風速在每秒 7.4 米到 9 米之間,而陸地上則不到每秒 4.3 米。“日本近海有很多深水,這是一個很好的風力資源,”科羅拉多州博爾德附近國家風能技術中心 (National Wind Technology Center) 的首席工程師沃爾特·穆西爾 (Walt Musial) 說。“為了開發這種資源,它需要在漂浮式渦輪機技術發展的前沿。”
第一臺福島風力渦輪機原型機已經在十月份經歷了地震、小型海嘯和颱風——所有這些都在渦輪機和變電站計劃於 11 月全面執行之前。 正是一場致命的地震和海嘯於 2011 年 3 月 11 日襲擊了福島核電站,促使日本政府加快了原定於 2016 年進行的示範專案的計劃。
海底電纜將兩兆瓦的渦輪機連線到連線福島第一核電站的同一電網。 日本政府已投資 2.26 億美元用於安裝第一臺原型渦輪機和另外兩臺七兆瓦的風力渦輪機。 如果測試順利,包括丸紅 (Marubeni)、三菱 (Mitsubishi)、日立 (Hitachi) 等公司在內的私人聯盟已簽約支付 140 臺漂浮式風力渦輪機的全部安裝費用。
計劃於 2020 年竣工的最終 1 吉瓦風電場將產生與大型核反應堆相同的電力。 石原說,這可以為福島縣到 2040 年實現 100% 可再生能源的目標貢獻約 7%。 他希望日本最終可以使用海上風電來滿足全國三分之一的電力需求。
這個夢想與今天的現實相去甚遠。 東京大學研究員保羅·斯卡利斯 (Paul Scalise) 說,風力發電僅佔日本總髮電量的 0.9%(2.6 吉瓦)。 日本尚未開發多少海上風電潛力,部分原因是它缺乏歐洲海上風電場利用的淺海沿海水域。
福島專案由日本經濟產業省支援,並非該國唯一涉足漂浮式風力渦輪機的專案。 日本環境省正在支援在兜島 (Kabashima Island) 附近建造另一臺兩兆瓦的漂浮式風力渦輪機,該渦輪機於 10 月 28 日開始執行。 這些專案使用不同的技術來穩定渦輪機以抵抗海浪。 穆西爾解釋說,福島的渦輪機平臺是一種半潛式設計,帶有三個浮力艙,呈三角形圍繞渦輪機排列。 相比之下,兜島渦輪機平臺代表了一種立柱式設計,類似於一個又高又細的浮標,其大部分質量延伸到水面以下深處——提供更大的固有抗浪穩定性,但需要更深的水域才能執行。
挪威在 2009 年率先在其 Hywind 漂浮式風力渦輪機中安裝了立柱式設計,葡萄牙隨後在 2011 年安裝了半潛式 Windfloat 渦輪機。 但日本的福島專案以世界首個漂浮式變電站而引人注目,該變電站包含將電力從渦輪機傳輸到岸上所需的電氣裝置。
斯卡利斯說,日本的海上風電努力仍然面臨著巨大的挑戰,例如惡劣的海況使風電場的維護變得困難。 他還警告說,政治障礙會增加此類運營的成本,包括鄰避效應(不要在我家後院)抗議以及航運線和漁區的權利。(福島專案仍然需要與當地漁民談判,以建造超過最初三臺原型渦輪機。)斯卡利斯說:“開發商將風電場建在日本海岸更遠的地方,以避免來自各種利益衝突群體和鄰避主義者的政治抗議,建造、維護和將電力輸送到陸上客戶的成本就越高。”
研究表明,一旦渦輪機距離海岸超過 16 或 20 公里,它們在晴朗的天氣裡看起來就像地平線上的小點,或者在其他情況下甚至可能看不見,這可能是原型機錨定在目前位置的原因之一。 福島專案旨在在地平線之外部署全尺寸風電場,以避免鄰避效應的擔憂。 但無論是否可見,第一臺原型渦輪機和變電站都標誌著日本的未來可能是一個從海洋中崛起的未來。