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2017-06-01臺灣離岸風能發電與環境之評估
426 期
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商文義／美國普度大學教授、臺灣中央大學講座教授；曾任臺灣颱風洪水籌備中心主任、北美洲臺灣人教授協會會長。
臺灣能源缺乏，也無法處理核廢物，節約能源和開發再生能源應該是最好的辦法。近幾年裡政府將海上風電開發作為重要項目。行政院推動在臺灣海峽靠近西海岸處建造800座風車。2006~2008年，我在「臺灣颱風和洪水研究中心」工作時，參加了葉超雄教授主持國科會計畫「臺灣離岸風能發電研究計畫」，回到美國普度大學（Purdue University）之後，審查了幾個歐洲和澳大利亞的風力發電研究計劃。最近訪臺期間發現很多人關心海上風力發電並與我討論，因此在這裡我提出我和一些關心者的觀點和意見。
海上風電的推動者強調：由於臺灣海峽東岸是中央山脈，而西岸則是中國福建的武夷山。山脈像一個漏斗一樣，產生很強的風。風力大的寬闊海面可規劃大型海上風力發電場， 將擁有世界上最好的海上風電資源。容量指數（capacity factor）是風力發電重要指標之一，顯示該區域風力是否能讓發電機持續運轉。發電機需要在風速3 米／秒以上才能啟動，分析離岸風能風險的4C Offshore顧問公司評估：臺灣風力發電機的容量指數約為 29％（發電機的實際產量與其在全年皆能充分運轉時，產生功率的比率），僅次於英國和日本。即使在臺灣少風的夏天，這個數字也是20％。在澎湖，這個數字要高出40~50％。
澎湖高度10米處觀測到夏季季風風速通常低予3米／秒，冬季西北風風速約5~6米／秒，因此之前研究資料的風速可能被高估。當風力薄弱的夏季，臺灣需要額外的電力，但是工研院能資所呈現的是年平均風速。我們知道，夏天夜間，陸風和山風從涼爽的山區，陸地吹向溫暖的海洋，可以加強臺灣海峽的風速。但早上10點到晚上8點，風從涼爽的海面吹向溫暖的陸地、山峰，可能減少前面討論的渠道（channel）效應， 如圖一晚上8點和圖二清晨2點所示， 箭頭代表風的方向，箭頭本身愈長代表風速愈高。圖中看起來會較黑的區域，代表風力較強。
冬天當北風或東北風吹向臺灣時，因為中央山脈阻塞，山脈的背風面風速可能減弱，而臺灣西南方海上也可能形成低氣壓或渦流（vortex），同時將污染物堆積在海岸附近（如圖三和圖四所示）。雖然數值天氣模式能夠模擬和預報短期風場和天氣，但需要長期觀測，包括颱風和其他惡劣天氣期間，來驗證數值模式的準確性，之後，這些數值模式才可能用於預測離岸風力機對環境的影響和評估海上風能的潛力。《臺灣離岸風能發電研究計畫書》第 16頁指出：「由於離岸環境很難在實驗室中模擬出 ，尤其是綜合颱風、驟雨以及洶湧波合作用的天然災害環境，更是難以在實驗室中重現；故有必要直接於海上設置離岸風機，進行長期之觀察監測以校核值模型之模擬推估結果，此對了解離岸風機在天然災害環境的真實為，進而能夠安全地設計抗颱耐震型離岸風機而言，非常重要。」第24頁也指出：「為使模擬和預報的結果具代表性，將同時使用美國國家大氣研究中心:天氣研究與預測模型（NCAR Weather Research and Forecasting Model, WRF）和普度區域氣候模式（Purdue Regional Climate Model, PRCM） 個模式， 並比較和整合者之結果」。可惜至今，這項初步但非常重要的評估工作並未落實。臺灣尚未在海上設置岸風機的觀測網，進行長期之觀察監測，也沒有比較在各種條件下不同值模式的模擬結果。
在平常情況下，海洋學者在臺灣近海收集了大量的水文、生態資料，但是很少收集在颱風、暴潮或地震等時的資料。因此很難知道在極端情況下水流、波浪、沉積物等的運動和生物的反應。由於臺灣地區海水流動方向和水溫的季節性變化，加上河流排放不同鹽度和溫度的溪水及泥沙到海裡，海水的流動可能比普遍使用的淺水模型（shallow water model）更為複雜。同時，普林斯頓海洋模式（Princeton Ocean Model）也不適合在海底變化較大的海岸附近使用。此外，它需要聯合大氣和海洋模式來模擬颱風、惡劣天氣期間潮汐、海浪和水流跟大氣的相互作用。但是因為缺乏詳細的觀測數據，加上多數數值模式本身不是臺灣自己發展的，可能難以改進。在北海或丹麥收集的與風力發電的資料也不可能直接應用於臺灣。同樣地實驗室不能模擬地球旋轉、斜壓及不同尺度波浪的共存，也無法模擬大氣–海洋的交互作用。因此嚴謹的計算流體力學模式（Computational fluid dynamics model），並且通過實地和實驗室觀測資料驗證，是目前能夠提供合理評估的最佳工具。
投入龐大的資金，人力和外國公司的參與，臺灣應該可以克服設立離岸風電機初期的困難。然而臺灣河流每年向周圍海洋排放3億多噸沉積物，其中一 半在臺灣海峽，沉積物排放量與河流流量有關，有些沉積物隨著水流而移動。我們擔心冒然興建800架風車會增加沉積物的漂移、累積或減緩海流速度，並造成颱風、暴雨或漲潮，暴潮期間海水倒灌、海岸淹水，也擔心波浪及海流作用下基座附近之海床變形、沖刷及風車被巨浪摧毀。這些難以在實驗室中模擬，也超出了當前數值模式預報的能力。 在北歐的北海離岸風電場2014年的一項分析發現，因為建造風車所造成大量不穩定的沉積物從風車開始， 可以覆蓋100~500英尺寬的地方，並跟隨水流延伸數英里。這些移動沉積物對北海淺層海洋環境中的魚苗和海洋生物有什麼影響還不清楚。同樣地，我們也擔心施工期及以後風車對附近環境，生態的影響、破壞。因此，我們需要完整的氣象、水文、生態觀測網和發展出適合臺灣的數值型式，評估對環境的影響。
1994年，我代表「北美洲臺灣人教授協會」試圖要求李總統放棄核4廠，因為它不僅昂貴，而且危險。當時政府高估了臺灣電力的需要，同時低估了核電的成本和危險。幾十年來，臺灣浪費了數千億元。
當然風能比核能安全。但是沒有完整的評估，風車仍然可能對環境，生態和財政造成巨大的損害。在收集可靠的觀察數據，了解各種條件下的數值模擬，和通過嚴格的環境和專業評估之前，建議臺灣政府應該暫緩大規模施工。
1. V.T. Tran, T.H. Chen and T.Y. Hsieh, Simulation offshore wind farm in Penghu Island, IPEC, 2012 Conference on Power & Energy, 88-91, 2012.
2. Sun, W.Y., and J. D. Chern, Diurnal variation of leevortexes in Taiwan and surrounding area, J. Atmos. Sci, Vol. 50: 3404-3430, 1993.
3. 吳清吉等人，《冬季臺灣附近流場與大氣傳送數 個案數值研究》，《大氣科學》第31期29-54頁， 2003年。