为何美国风力发电成本较低?先让我们从补助谈起


2020-06-15


为何美国风力发电成本较低?先让我们从补助谈起

在科技能力执世界牛耳的美国本土也採用了不少风力发电系统,且陆上与离岸的系统兼备,整体风力发电达到 14,800GW,于 2013 年时为世界各国风力发电量之首。虽然美国採用陆上风电比重较高,不过离岸风电配置仍达到三成,仍有诸多可供参考之处,本文尝试比较美国陆上风电与台湾离岸风电每月容量因素的变化,来探索新趋势。

风力发电的容量因素(Capacity Factor,CF)是实际的发电量除以理论的发电量,数值位于 0 到 100%间,数字越大表示风电的发电效率越好。不同月份的风力有大有小,虽然不稳定,但是可以预测,也可以被管理。一般而言,离岸风电的容量因素会高于陆上风电。

陆上风电以中部各州居冠

美国的陆上风电以中部州(Interior)的平均风速最高,海拔 80 公尺高度的地方,平均风速多数在 8 m/s 以上,大部分地区可达 9-9.5 m/s,少数地区超过 10 m/s。其次是五大湖区(Great Lakes),约在 6.5-7.5 m/s 之间。东北部的风力资源又比西北部更好一点,但两者都远逊于中部地区与五大湖区。

为何美国风力发电成本较低?先让我们从补助谈起

根据 NREL 在不同时期与假设不同的风机轮穀高度所做的预测,美国的陆上风电装置容量潜力达 7,834~10,362GW,离岸风电为 4,150~4,438GW。美国总风力发电装置容量约 11,984~14,800GW。总发电量 NREL 与哈佛大学认为介于 14,000~17,200 TWh(十亿度电)之间。

根据国际再生能源署(International Renewable Energy Agency,IRENA,2015)最近的研究显示,美国的风力发电,预估总装置容量达 15,179GW,其中陆上风电佔10,955GW,离岸风电佔 4,224GW。每年总发电量达 49,760TWh,其中陆上风电佔 32,784 TWh(容量因素34.16%),离岸风电佔 16,976 TWh(容量因素 45.88%)。

由于 IRENA 的数据比较新,且考虑到新风机与新技术的发展,用容量因素来做验证,我们认为 IRENA 的资料比较可以作为实际投资评估时的依据。

为何美国风力发电成本较低?先让我们从补助谈起

离岸风电以大西洋沿岸最佳

更深入分析美国离岸风电的潜力,当总蕴藏量为 4,150GW 的情况下,美国东北部(大西洋沿岸)蕴藏量最高(1,256GW),其次是美国西岸太平洋地区(930GW)、五大湖区(734GW)、夏威夷区(637GW)、墨西哥湾沿岸(594GW)。

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由于墨西哥湾沿岸与大西洋沿岸的南部位置容易出现飓风(Hurricane),所以美国目前实际开发离岸风电较积极的区域在大西洋沿岸的中北部位置。分析美国离岸风电未来可能发展比较好的州,依序是Virginia(2,012MW)、Massachusetts(968MW)、New Jersey(705MW)、Rhode Island(530MW)、Delaware(450MW)、Texas(150MW)。

最近美国 Rhode Island 南方海域的 Block Island 离岸风场将设置 30MW,作为先期示範计画。使用Alstom(2015 年被 GE 合併)的 6MW 离岸风机,容量因素预估达 47.56%,年发电量 125,000 MWh,预计在 2016 年底完成营运。

为何美国风力发电成本较低?先让我们从补助谈起

风电成本低廉

美国的陆上风电成本非常低廉,全国平均的电力採购协议 / 购电协议(Power Purchase Agreement,PPA)价格约在 US$26/MWh(1MWh=1,000 度电、1KWh=1 度电、约 NT$0.82/KWh)。PPA 价格为风力发电业者出售电力的价格。五大湖地区的成本稍高,达 US$44/MWh(NT$1.39/KWh)。东北部地区与西部地区的 PPA 价格分别是 US$53/MWh(NT$1.67/KWh)与 US$60/MWh(NT$1.89/KWh)。

为何美国风力发电成本较低?先让我们从补助谈起

美国的风电补助主要分成三个部分:

    联邦补助:生产税收抵免(Production Tax Credit,PTC)或投资税收抵免(Investment Tax Credit,ITC);加速折旧,折旧期缩短至 5-6 年;可再生能源配额制度(Renewable Portfolio Standard,RPS)。风力发电业者可以在 PTC 与 ITC 择一使用。如果选 PTC,则可以在前十年或得 US$23/MWh 的补助;如果选 ITC 则可以得到投资金额的 30% 作为联邦企业所得税抵免。

一般陆上风机的设计寿命达 20 年,折旧年限是 10 年,加速折旧让初期的成本增加,减少企业缴税的金额,效果相当于无息贷款(税盾)。多数美国的州立法要求电力公司必须出售一定比例的再生电力给用户,如果达不到要求,电力公司必须购买配额,此为 RPS 制度。RPS 的配额风电价格各州差异很大,约在 US$5-50/MWh 之间。如果我们还原 PTC 的补助,将其视为风电的成本之一,则还原之后美国风电的成本约在 NT$1.54-2.61/KWh 之间。

为何美国风力发电成本较低?先让我们从补助谈起

美国风电便宜的原因有:

    优越的地理条件便宜的风机价格便宜的风场投资成本超低弃风率

2014 年美国平均风力机售价,如果是大于 100MW 风场的情况下,风机价格低于 US$1M/MW。如果低于 100MW,则接近 US$1.2M/MW,平均数字约在 US$1M/MW 左右。可是在 2012 年美国风机的平均价格约 US$1.14M/MW,风场的投资金额约 US$1.94M/MW。如果我们假设风机佔风场投资的比例不变,则 2014 年预估风场的投资金额约在 US$1.7M/MW,约比 2012 年下降 12.37%。

为何美国风力发电成本较低?先让我们从补助谈起

美国风电弃风率非常非常低,2012 年平均弃风率仅有 2.7%。当年度中国弃风率达 17.12%,损失了 20.82TWh 的电力。2013 年中国依然弃风 10.74%,直到 2014 年弃风率才降低到 8%。2012 年德国的弃风率约在 10% 左右。

由于以上种种原因,美国在 2013 的风电发电量居全球首位,达168TWh(61.11GW,CF(含弃风)=31.38%),中国居次,达 136TWh(91.424GW,CF(含弃风)=16.98%),第三名是西班牙,达56TWh(22.959GW,CF(含弃风)=27.84%),第四名是德国,达 52TWh(34.25GW,CF(含弃风)=17.33%)。

为何美国风力发电成本较低?先让我们从补助谈起

随着 GE 成功合併 Alstom,取得 6MW 离岸风机的技术,有助于加速 GE 自己的 10MW 离岸风机开发。美国也开始在较少飓风的大西洋东北部海岸进行小规模的离岸风电场开发计画。目前看起来容量因素超过 47%,成效应该相当不错,2016 年底我们就可以看到实际运转的风机了。

对于美国而言,陆上风电才是真正的主力部队,挟低成本的优势,加上 PTC、加速折旧与绿电配额的政策,加速风力发电的发展。即使取消 PTC 的补助,美国风电的成本约为每度电新台币 1.54 元,全国的最低价与最高价分别是每度电 1.42 与 2.61 元新台币。2.7% 的弃风率,让美国的风电发电量稳居世界第一位,其智慧电网技术值得台湾好好学习。



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