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我國海洋溫差發展方向之探討
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賴正義
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一、 國內外海洋溫差發展新趨勢
海洋溫差（Ocean Thermal
Energy Conversion, OTEC）的開發利用概念最早源自於1881年法國物理學家達森瓦（J. D’Arsonval）所提出以海洋表層水與深層水之間的溫差來發電，雖然海洋溫差具有多元的利用方式，不過，長期以來均以發電為主。1970年代發生石油危機之後，海洋溫差發電的研究風潮開始蓬勃發展，美、日、法、英、印等國紛紛投入海洋溫差發電的研究，陸續完成多項具有指標性的研究計畫，並建立多個實驗性電廠（中興工程顧問公司，2002a）。尤其是美國在卡特總統執政期間投入了大筆經費，夏威夷儼然成為海洋溫差發電概念發展與應用的世界中心。然而，隨著國際石油價格的回穩，以及興建與維護海洋溫差電廠之技術風險仍高、海洋溫差發電在短中期內尚未具有經濟競爭力等因素下，國際上許多海洋溫差發電研究計畫因而陸續中止（工研院，2006），近年來美、日等國的海洋溫差發展幾已轉向深層海水多元化利用為主。
我國海洋溫差發展早期亦以發電為主，根據我國歷年來海洋溫差發電研發投入的分析（賴正義，2008），以5年為一期之執行計畫項數與投入經費來看，可歸納出1980年代為我國海洋溫差發電研發成長期，1990年代前期為研發蓬勃期，1990年代後期為衰退期，2000年代前期為休止期，2000年代後期為恢復期。對於海洋溫差發電的研發，我國亦面臨上述技術與經濟等瓶頸，有鑑於日本與美國在深層海水的多目標利用已相當成功，我國海洋溫差開發利用也逐步邁向深層海水利用為主。2005年4月行政院核定「深層海水資源利用及產業發展政策綱領」，深層海水產業成為政府極力發展的重點新興產業，行政院經濟建設委員會隨即成立跨部會小組協調整合有關單位積極推動各項重要工作（林金榮、蔡惠萍，2007），溫差發電則淪為次要工作項目。2007年11月召開的「行政院2007產業科技策略會議（SRB會議）」更是影響我國海洋溫差發展方向的關鍵，該會議以「能源科技」做為主軸，提出節約能源科技、再生能源科技、前瞻能源科技三項議題，前瞻能源科技議題包括「海洋能科技」子題。國內簡報單位所提資料指出海洋溫差電廠「大型化困難，發電成本不符效益，而未能繼續發展，反而是海洋深層水產業於近年急速發展，因此，海洋溫差發電應以整合海洋深層水多目標利用方式開發為主。」該會議第二項討論提綱為「溫差發電效率仍低，大型化又面臨技術瓶頸，不足以形成效益，小口徑汲取深層水之技術已成熟，飲用水產業也已成形。為育成及輔導深層海水多目標利用之高附加價值產業的發展，預計至2015年應持續朝向深層海水多目標利用技術進行研發與創新。」此外，國外顧問對海洋溫差發電發展的建議是「沒有希望、低效率」，幾乎是否定了國內海洋溫差發電的可行性。
二、 我國海洋溫差發展方向分析
由於我國研發資源有限，科技發展一向不如歐美日先進國家，因此科技研發方向常參考美日先進國家而為，因此，當美、日等國海洋溫差發展以深層海水利用為主時，也使我國能源研發主管部會對海洋溫差發電抱持觀望、甚至質疑的心理。但是，由於國情不同，我國是否有必要跟隨美、日之步伐，或者應該尋找出適合我國的新方向，此實值得進一步探討。因此，本文將從能源安全、環境保護、產業經濟、工程技術等角度，分析我國發展海洋溫差發電與深層海水應用之優劣，期能釐清我國發展方向，供國內各界參考。
2.1 能源安全
能源是發展的動力，從1970年代的石油危機與最近的國際油價遽漲，可知人類的生活方式與社會發展深受能源的影響。我國自產能源一向非常貧乏，能源進口比例高達98%以上，能源供應安全度偏低。近年來由於中國、印度等人口大國經濟蓬勃發展，全球能源需求量大為增加，加上現今主要能源如石油、煤等化石燃料已日漸消耗待盡，各國莫不積極爭奪能源資源，讓我國國家安全面臨極大的威脅，所以我國能源安全問題不只是民生和經濟問題，也是國安問題。由此可知，開發自產自主能源以提升能源安全度應是我國的當務之急之一，而對於欠缺化石能源與核能的我國而言，開發再生能源是建立自產自主能源體系的最佳方式。發展海洋溫差發電的首要條件為表層海水與深層海水溫差須達20 ℃以上，由於全球1,000公尺深之海水溫度大多約為0~5 ℃，故海洋溫差發電較適合在表層海水溫度達20~25 ℃以上的地區發展。一般而言，台灣南部及東部附近海域夏季表層水溫在27 ℃以上，冬季亦在20 ℃以上，深具開發溫差發電的潛力。尤其是台灣東側面臨黑潮暖流，海底地形陡峭，更是發展溫差發電最具潛力的地點，此優越的地理環境使我國比歐日等重視再生能源開發的國家更適合積極開發此自產的能源。
除具地理優勢外，國內的研究亦顯示我國擁有可觀的海洋溫差發電潛能。由表1可知，除風力發電以外，在理論蘊藏量及預估可開發量上均以海洋溫差發電為最高，理論蘊藏量可達3萬MW，依當時的技術而言，預估可開發量亦達0.3萬MW。依我國2006年發電總裝置容量約為4.5萬MW來看（經濟部能源局，2007），海洋溫差發電具有成為我國重要發電方式之一的潛能。此外，海水表層溫度在熱帶及亞熱帶中，一年四季的變化很小，且日夜幾乎沒有不同，相較於太陽能、風力及波浪等發電方式要穩定許多，每年運轉時數長，可提供可靠的電力。未來，我國若能發展出遊牧式海洋溫差發電船，可設電廠的地點更能擴及整個熱帶及亞熱帶海洋。在不會影響環境的條件下，據估計全球熱帶及亞熱帶中於深度超過1,000公尺、月平均溫差22℃以上海域，總共可以產生1,000萬MW以上的電力，這些電力可用來生產氫、氨及甲醇等燃料，運回台灣使用或銷售至世界各地，對解決人類能源問題有莫大的助益。反觀開發深層海水應用對國家能源安全並無效益，若將冷水應用於空調冷凍，也只能達到節能效益，但因海水使用量不大，節能效益亦不顯著。
表1 我國再生能源發電潛能
2.2 環境保護
自工業革命以來，人類各種活動快速增多，使用了巨量的資源與能源，因而產生過量的溫室氣體，造成全球暖化現象，危及人類的生活圈，為了永續發展以及建構良好的生活環境，保護環境已成為全球共同追求的目標與關切的議題。尤其是2005年2月16日京都議定書生效後，各國為配合溫室氣體排放減量要求，紛紛考量其國情積極因應。我國雖非京都議定書成員，惟未來仍會受到減量衝擊，有必要規劃國內溫室氣體減量策略與措施。我國二氧化碳排放量約為全球之1/100，大多數來自於發電，若能以海洋溫差發電替代化石燃料電廠，由於海洋溫差發電本身為低污染的再生能源，不需燃料，將可大幅降低溫室氣體排放。根據國外資料顯示（Daniel, 2008），開發大規模的海洋溫差能對環境的影響是微乎其微，其理由為海洋溫差本身不會放熱，雖然深層海水與表層海水確實包含溶解的二氧化碳，但是透過工程技術可以防止二氧化碳釋放至大氣中，與化石燃料發電系統相比，海洋溫差發電僅產生少量的溫室氣體。另一文獻亦指出（Ocean Engineering and Energy Systems International
[OCEES], 2008），海洋溫差係使用熱帶海洋上層所儲存的熱能，即使人類大規模使用海洋熱能還是很小（小於0.1%），因此海洋溫差發電不會改變全球的能量變動，反而能大量減低二氧化碳、一氧化碳、顆粒碳、氮氧化物、與硫氧化物的排放，不僅降低全球暖化，也大量減少煙霧與酸雨。此外，以海洋溫差發電替代化石燃料發電當然也會降低二氧化碳排放量，以我國鄰近海域可開發之3,000MW為例，若設海洋溫差電廠的容量因數為0.7，其每年發電度數預估可達180億度，依據我國2005年度電力資料計算而得之二氧化碳排放係數為0.62公斤?度，180億度即可減少11百萬公噸二氧化碳，對二氧化碳減量有極大幫助。
另一方面，再生能源發展需要廣大的空間，台灣地狹人稠，大規模陸上再生能源的開發常會對人類的居住環境產生負面的的衝擊，與人類的生活圈發生嚴重的衝突。由於大規模海洋溫差發電大多不需要利用到陸地空間，可明顯減少與人文環境接觸的機會，降低開發時人為的阻力，因此適合在寸土寸金的台灣發展。反之，若以深層海水開發利用為主，其抽取與排放水之過程類似於溫差發電，對環境的影響雷同，但因需設於陸上，易產生環保糾紛。根據資料顯示（Daniel, 2008），空調是深層海水最具經濟效益的應用之一，冷海水可冷卻熱交換器中的淡水或直接通過適當的冷卻水環路，有效地替代傳統空調系統中耗能佔90%以上的冷媒，此類型系統已應用於夏威夷自然能源實驗室（Laboratory of Hawaii Authority, NELHA）多年，每月可節省4,000美元電費。此外，也可應用於許多工業上，包括蒸餾過程的冷凝器、海藻產品乾燥過程中的濕氣與二氧化碳移除，以及冷凍系統。不過，我國可設深層海水廠址不多，節能效益有限，所衍生的環保效益遠小於溫差發電。
2.3 產業經濟
經濟因素是世界各國從事再生能源開發時的最主要考量之一，以往國內外的研究均顯示，與傳統能源相比，海洋溫差發電成本偏高，未具經濟競爭力。開發海洋溫差能源成功與否，在於是否能商業化，而影響商業化的主要因素為其他能源價格、環保壓力、技術改良、自然條件優劣、電廠規模、市場需求等。國際原油價格已從1999年1月的10.37美元?桶，提高至2006年6月的64.67美元?桶，2008年1月更一舉超過100美元?桶，7月已逼近150美元?桶，有利於海洋溫差發電的發展。京都議定書生效後各國面臨的環保壓力已越來越大，二氧化碳減量的實施將會大幅增加化石燃料發電的外部成本，進一步縮小化石燃料發電與海洋溫差發電成本的差距。在技術方面，未來隨著海洋溫差發電設備與技術的改善與精進，其發電成本也會降低。就自然條件而言，台灣距離全球最高水溫海域「暖池」相當近，台灣東部海域地形陡坡，在離岸3至6公里處水深即達1,000 公尺，可減少溫差發電所需的冷水管長度，能降低其開發成本。在電廠規模方面，由於過去實驗型電廠規模都很小，致使發電成本過高，未來大型電廠商轉化後，帶動相關產業的發展，其發電成本將會更進一步下降。若採遊牧式海洋溫差船，可在溫差較高的地區設廠，提升熱動力效率，並生產氫等能源，運銷至全球。在市場需求方面，根據聯合國教科文組織調查（何秀玲，2003），地球海洋能的總量為7,360萬MW，其中海洋溫差能約為4,000萬MW，國際能源總署亦估計全球海洋溫差發電度數可達100,000億度?年（International Energy
Agency [IEA], 2006），顯見全球海洋溫差能蘊藏量甚為龐大，未來具有可觀的產業市場。
若以前述我國每年海洋溫差發電度數預估可達180億度，而每一度可替代0.2484公升油當量來計算，以2008年7月油價每桶140美元計算，可節省購油支出達40億美元， 此尚未包含二氧化碳減量所衍生的排放交易與海洋溫差相關產業效益。至於我國深層海水的開發，西部海水深度不足，加上人為污染嚴重，並無開發條件，東部海域則有黑潮流經且位居湧升源頭，離岸極近距離內即可取得深層海水，具有開發深層海水的優越條件。經濟部水利署評估，運用深層海水開發的產品產值，每年會從20億元逐年增多，未來預期可以超過180億元。若產業持續成熟，將深層海水產業延伸生物科技、化妝品、溫控精緻農業、休閒觀光等，產值甚至可達800億元以上（羅愛雁，2008）。不過，深層海水應用所需技術不高，需與眾多國家如美日韓等國競爭，不似溫差發電，我國具有地理及技術優勢。
2.4 工程技術
海洋溫差發電已發展甚久，惟至今尚無商業運轉電廠，工程技術有待提升為其主因之一，國外研究指出，其最主要的瓶頸在於海底冷水管的製作與施工（梁乃匡，1989）。在台灣，依據台電公司與經濟部能源局過去的研究成果顯示，大型冷水管之製作、施工與維護技術，以及颱風、地震對電廠安全的衝擊等問題是我國發展海洋溫差發電尚待克服之技術瓶頸。2001年經濟部能源局曾委託中興工程顧問公司進行海洋溫差發電利用計畫，就海洋溫差發電之關鍵技術資料進行蒐集、評估及確認，並考慮東部海域之廠址特性進行評估，選擇最適合之廠址及其關鍵技術，再進行先導型實驗電廠之系統及整廠之規劃及概念設計，以及進行經濟可行性、工程可行性、風險性評估及環境影響評估，是國內較新與較完整的研究報告之一。其研究結論為（中興工程顧問公司，2002b）：國內產業界與學研機構可執行海域環境調查，國內造船業可與國外合作引進浮動平台設計與建造之相關技術，國內業界可獨立完成電廠海事工程，國內業界有能力提供發電之設備及系統元件，國內業界可生產一般所常用之海底管線材料，陸基式電廠所需深開挖之工程技術國內已相當成熟。近年來，工研院（2006）分析我國各項海洋能開發之可行性初步評估及開發優先順序之結論為：「在所有的海洋能發電技術裡最適合我國開發的屬溫差發電」，其理由之一為國外相關技術成熟且國內具有可承接的技術水準。此外，2006年國家實驗研究院科技政策研究與資訊中心的能源計畫辦公室於執行國科會委辦之行政院能源政策及科技發展指導小組幕僚作業其間，亦曾舉辦數次會議，邀集國內產官學研界專家學者探討我國海洋溫差發電發展可行性、面臨問題及因應對策，如深層海水取水管製作、施工與維護等議題，會議主要結論為我國已具備相關研發能力與產業基礎，另可藉助國際技術合作及尋求國際奧援以強化我國較未成熟之技術（能源計畫辦公室，2007）。
國外資料顯示（OCEES, 2008），海洋溫差發電設備與技術近年來亦有改善，包括卡利那循環（Kalina Cycle）的開發，明顯地比以前封閉式循環系統有效許多，目前利用傳統電廠與鋼廠廢熱的卡利那循環具有良好的可用性與可靠度。另已開發出效率較高的熱交換器以及對生物附著與腐蝕有較佳控制的熱交換器，也發展出開放式循環海洋溫差渦輪機可靠性高的冷水管設計與佈設方法。此外，主要應用於3,000英呎海域石油開發的深海石油開發鑽探平台，可以應用至未來浮動海洋溫差電廠設計上。在台灣，工研院於2006年開始開發國內第一套小型低溫差發電實驗系統，並成功發電（郭啟榮、徐泊樺、曾安康、李毓，2007），為我國海洋溫差發電的發展跨出了一大步。相對於海洋溫差發電，深層海水應用因所需冷水量遠少於海洋溫差發電，冷水取水管口徑小且取水深度淺，故其所需工程技術較溫差發電簡易成熟，目前已可商業化應用。
三、 結論與建議
總結上述分析，我國發展海洋溫差對能源安全、環境保護二者的效益明顯優於發展深層海水，在產業經濟方面，短期內深層海水有較佳產值，長期而言，大型海洋溫差電廠商轉化後所衍生的直接與間接產值則會高於深層海水應用；至於工程技術，海洋溫差發電遠比深層海水應用複雜困難，雖然在動力系統、熱交換器、冷水管、運轉平台之設計與施工已有精進，但仍須投入研發資源以改善技術問題及提升經濟競爭力。
2008年7月7日八大工業國領袖高峰會於日本北海道舉行，全球暖化與油價飆漲成為與會各國代表最關切的議題。面對能源、環保與經濟等新情勢，我國能源政策應有新思維考量，注重3E均衡發展，期能有效提高我國自主能源比例以增加能源安全，大幅降低我國溫室氣體排放以因應京都議定書，積極建立我國兆元能源產業以發展綠色經濟。文獻指出（徐泊樺、顏志偉，2007），對於海洋溫差大部分停止研究或興建計畫的國家均是導因於資金的缺乏與不良的經濟效益，技術上問題應不是無法解決之事。由於當前全球能源、環保與經濟等條件已與1990年代大不相同，應重新審度海洋溫差發電的可行性及其綜合效益。目前全球尚無商業化運轉之溫差發電廠，產業市場尚未被先進國家壟斷，台灣若能搶先投入佈局，掌握關鍵技術，將易於切入建立利基產業，能在未來全球海洋溫差相關產業中搶占領先及重要地位。本文建議，我國因本身的自然條件與對自產能源的需求，應推動以發電為主的海洋溫差研發，首先宜訂定發展目標，投入研發資源，籌建研究團隊，進行整合型計畫，並經由國際合作方式來彌補我國技術不足之處，俟技術上有相當把握，並具經濟競爭力時，即可建立商業化的海洋溫差發電廠。
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