專題報導

    離岸風電首度引進「負壓沉箱」免打樁工法 本土地震研究將揭曉可行性

    報導/李蘇竣

    目標2025年併網發電,沃旭能源的大彰化西南第二階段、西北離岸風場,首度選用無打樁噪音的「管架式負壓沉箱基礎」工法,近期通過環評審查,若成功引進,台灣或將成為全球第二個具備此技術的國家。

    生態保育優先,技術面的挑戰可不小。成功大學水利及海洋工程學系教授郭玉樹接受環境資訊中心專訪指出,負壓沉箱工法在台灣面臨獨有的地震、土壤液化以及砂波挑戰,產業界恐怕還有很多工程技術與環境調查的課題須解決。

    管架式負壓沉箱基礎示意圖。圖片來源:環評書件資料

    免釘免敲免打樁 「沉箱施工」無噪音 完整拆下除役更永續

    目前離岸風電業界常見的「打樁式」水下基礎工法,就像在木板上釘釘子,用強力衝擊將基樁打入海床固定,而衝擊難免會產生噪音。近年隨著保育意識抬頭,人們意識到水中生物如保育類中華白海豚,如何受到水下噪音的壓力影響,於是將工程焦點轉向不用打樁的「負壓沉箱」。此工法最大的優勢就是施工過程沒有噪音問題,頂多就是船隻運作的背景噪音。

    郭玉樹解釋,負壓沉箱工法的原理其實非常簡單,「想像一個中空、倒扣的碗」,緊緊壓在海床上,再將碗內的水慢慢抽出,使內部壓力降低產生吸力,此時,這個「碗」就會慢慢朝開口方向——往下方移動,碗內也會漸漸吸滿砂土,最終整體沒入海床內達成固定效果。

    實際上,應用於離岸風電水下基礎的負壓沉箱可比「碗」大多了,沉箱的外型為圓柱體,直徑約8m~18m,直徑和高度通常是1:1,只有頂部加蓋,內部中空,比起一只碗,可能更像一個倒置的超巨型鋼鐵水桶。

    負壓沉箱工法還有一大特點,郭玉樹說明,離岸風機的水下基礎往後面臨除役時,若是採負壓沉箱工法,只需「反向操作」往沉箱內部灌水加壓,沉箱就會自動往上退出海床,可以輕鬆將水下基礎完整拔除,不會留在海床上。對於以「永續」為目標的再生能源來說,可完整移除、復原海床的特色可說是難能可貴。

    安裝工法極度要求嚴謹 僅少數國家有成功案例 

    負壓沉箱工法過去應用於石油鑽探等海事工程,若要用於離岸風電水下基礎,只需將與海床接觸的基樁換為負壓沉箱,其餘部分不需要特殊設計。不過,目前只有少數歐洲國家有成功案例,台灣能參考的對象並不多。

    負壓沉箱施工流程示意圖。圖片來源:環評書件

    此外,負壓沉箱只適用於鬆軟的黏土或砂土地質,過硬的岩石地則無法貫入,因此事前的地質調查相當重要,每個安裝點位都要鑽孔調查。

    慶幸的是,就算在水深較深的海域也不影響設置,郭玉樹解釋,負壓沉箱本身就是依靠壓差原理,水深越深壓力越大,理論上越容易貫入,但實務仍要回歸開發業者對於水下基礎的建造成本考量,不會毫無限制的往深海發展。

    選定設置地點後,安裝才是最大難題。郭玉樹解釋,貫入過程中,若是壓力控制不當可能造成沉箱扭曲崩壞,或是土壤鬆動而導致基礎傾斜,施工單位一定要非常謹慎,必須以流速很慢的慢速抽水,全程搭配水下觀測設備,監控沉箱沒入的情況,安裝一個基礎通常要花費半天到一天時間。連帶的,為了維持穩定抽水與監控能見度,還得避免發生揚砂攪動水質,安裝才能順利到位。

    郭玉樹用研究團隊自製的透明沉箱模型,向我們解釋其施工原理。攝影:李蘇竣

    在台特殊挑戰:砂波、土壤液化與地震 成大團隊全球首例

    若負壓沉箱工法引進台灣,將是此技術首度應用在地震頻繁地區,沃旭能源邀請郭玉樹合作進行研究計畫,特別向國家地震研究中心承租專業級設備,展開全球首例的離岸風電負壓沉箱基礎地震試驗。

    郭玉樹發現,台灣周邊海域多為砂質地,土壤條件較歐洲軟弱,恐怕有三大問題需克服:地震、土壤液化以及砂波。

    「砂波」是指海底沉積層如波浪般的起伏,高低落差可達10公尺,會隨著海流等因素不斷變動、移動,對任何建設都是一大挑戰。郭玉樹表示,根據台灣周邊海域的觀測,普遍而言離岸越遠砂波的影響越小,以大彰化西北風場離岸約48公里來看,砂波的干擾理論上比起近岸較小,可透過工程設計克服,將沉箱的固定深度低於砂波移動範圍,仍可維持穩定不受太大影響。

    而土壤液化的主因是地震造成表層土壤鬆動,導致土壤顆粒之間孔隙水壓增強,水壓進而把土壤顆粒推開,就會讓建築物歪斜。大彰化風場屬於砂質土壤,尤其可能發生土壤液化。

    施工位置的鑽孔調查至關重要,郭玉樹的研究室保存了數十管從大彰化風場現地鑽出的土壤樣本。攝影:李蘇竣

    對於地震可能造成的危害,郭玉樹團隊的初步研究成果顯示,部分地區確實會發生土壤液化,也可能造成水下基礎些微變形,但整體的傾斜角度仍維持在0.5度以內,是風機可以正常運轉的容許範圍。

    郭玉樹補充,研究模擬到加速度0.25g的地震,換算震度約是5、6級,已經是罕見強震(未來50年內發生機率約10%,回歸期475年)。以目前風機設計壽命20年來看,這樣的結果應是可以承受的。但是完整成果和詳細數據仍待研究報告出爐。

    國產化培養本土工程師 台灣有望成為「全球第二」

    台灣離岸風電政策近年力推國產化,新技術能否在台落地生根也是評估環節之一。郭玉樹表示,負壓沉箱的構造並不複雜,在前端製造方面,國內有建造基樁經驗的廠商都有能力生產;唯一的挑戰是焊接要求,因為沉箱將承受壓力,必須完全密閉,因此焊接部位必須人工細細操作,如頂蓋部位可能就需要大量焊工人力。其餘如風機的管架式水下基礎,都可以沿用既有的設計。

    安裝的技術挑戰就困難多了,沉箱的安裝需要專業技術與經驗,事前也必須經過嚴格的鑽孔調查分析地質,不是隨便抽水就可以貫入海床,郭玉樹指出,目前只有一家荷蘭的海事公司有安裝實績,台灣若能成功複製,取得負壓沉箱的安裝技術,可望佔領市場先機。更重要的是,歐洲公司不見得能應付台灣的砂質土壤條件,培養本土的安裝能力有其必要性。

    郭玉樹認為,負壓沉箱式雖然整體成本不會比基樁式便宜,且引進過程有諸多挑戰,必須花費心力理解技術與環境,但反過來說,這也是很好的本土化角色,讓國內工程師得以有更多新技術可以研究,延伸觸角。

    管架式負壓沉箱基礎模擬(貫入過程)

    管架式負壓沉箱基礎模擬(拔除過程)

    【更正註 2022.5.27】部分內文經修正,因負壓沉箱技術仍在發展中,台灣未必有機會成為全球第二。不過台灣地質條件特殊,若能累積本土研究,將對離岸風電產業發展有極大幫助。

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