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去碳能源 - 高再生能源占比系統的配套規劃及科技研發

Updated: Aug 21, 2023

TSH碳索系列

TSH淨零排放主題系列文章,透過四大支柱與五項關鍵要素,與您共同探索臺灣淨零路徑的廣度和深度,形塑具體轉型途徑。本文是此系列的第二篇,分享四大支柱之去碳能源的重要性、國際減碳里程碑和可行作為、在發展上須考量什麼要素,以及此範疇在臺灣在地發展的觀點。此系列其他文章之連結請見文末。
 

一、去碳能源為何重要?


  截至2021年4月,全球至少有44個國家及歐盟已承諾並設定了淨零排碳目標,約占全球碳排放與GDP的70%以上 (IEA, 2021),另也已有逾百國於政策中提及淨零排放目標。蔡總統亦於今年世界地球日宣示,2050淨零轉型是臺灣的目標。此外,能源部門約占全球溫室氣體排放的四分之三,占我國溫室氣體排放的九成 (環保署,2020)。是故,顯而易見的,若要達成淨零排碳,需逐步淘汰化石燃料,並加速佈署去碳能源相關技術的發展。


  去碳能源,簡言之就是以再生能源進行能源脫碳,進而促使交通、工業與建築部門在電氣化的過程中使用再生能源。核能雖屬去碳能源,然各國態度存在顯著差異,且我國已明訂非核家園目標,故本文暫不討論。而根據全球能源總署 (IEA) 2050淨零排碳路徑分析,達成淨零目標下,90%的電力需來自再生能源,其中70%的電力將來自於變動性較高的太陽光電與風力發電,代表著相關配套措施如:電網傳輸、電力系統彈性、需求面管理與儲能設備需被高度的重視 (IEA, 2021)。對於去碳能源的迫切需求,當然也會促使技術的投入,並會帶來經濟型態的轉變。同時,我們也必須認知,氣候變遷所帶來的環境風險成本,將遠遠高於去碳能源的投入。其他再生能源如生質能,其在廢棄物再利用,創造循環經濟價值的減碳路徑上,具有重要價值。且生物能源和碳捕獲和儲存技術搭配 (Bio-energy with carbon capture and storage, BECCS)甚至可以創造負碳的價值。氫能的利用則是去碳能源發展下相當重要的關鍵技術,不但可用於取代化石燃料,其若扮演儲能的角色,亦可做為高再生能源下的調度性能源。然而,若以「綠氫」的角度思考,則再生能源的需求將更高,更需要將重心放在如何推升再生能源發電量。



二、去碳化里程碑與可行範例


  去碳能源的推動在淨零排碳中的角色非常明確,國際能源總署的淨零排碳路徑評估與大多數研究機構均認為,去碳化的里程中,再生能源扮演關鍵角色,因此如果要實現目標,從現在起就不應該對化石燃料再有任何的投資計畫。根據評估,再生能源需在2030年達到全球供電的61% (太陽光電與風力占40%),而至2050年再生能源供電需到達88% (太陽光電與風力占68%)以達到淨零排碳目標 (IEA, 2021)。我們可以發現以太陽光電與風力為主的變動性再生能源(variable renewable energy, VRE) 仍是去碳能源的主力,而其高占比下的變異性仍須透過輔助性技術去達成。國際能源總署的報告亦明確指出,維持整體系統的彈性需仰賴儲能、需量反應與彈性的電力來源 (包含水力與氫能技術,可參考圖1所示),同時需要更智能的電網支持。


圖1 淨零排碳電力系統彈性來源 (IEA, 2021)


以下列舉三項可行技術做說明:


1. 儲能系統與去碳能源的整合:

有鑑於去碳能源將有很大一部分來自VRE (Variable Renewable Energy),故系統彈性與儲能設施的整合扮演關鍵角色。其中一個著名案例為特斯拉公司於澳洲所開發的全球最大鋰電池計畫「Hornsdale Power Reserve」,容量共計100MW/129MWh。該儲能系統於2017 年 12 月開始運行,並直接連結Hornsdale風場,於電力過剩時儲能,需求高時則直接參與電力市場,為南澳的電力系統提供穩定性與安全性 (Hornsdale Power Reserve, 2021)。


2. 電轉氣技術(Power to Gas, P2G):

氫能和其相關燃料,對於電力在轉型過程中無法立即經濟有效的取代化石燃料,以及生質能源的有限性具有填補作用,並可在船舶、飛機、鋼鐵和化工等產業中使用。通過於離峰時段過剩的再生能源電解製氫或甲烷,雖然目前商業可行,然成本仍高。世界上最大的P2G廠目前為德國的Audi e-gas,額定功率為 6 MWe,此廠直接連接該公司資助的離岸風場,整體P2G生成效率為54%,但不是連續運行,而是配合離岸風場的供電模式,具有平衡電力的功能 (Bailera et al. 2017)。


3. 虛擬電廠 (Virtual power plants, VPP)

虛擬電廠透過設備的連結與使用者的聚合,強化調度能量,屬於需求面管理的重要一環,亦為去碳能源導入後的重要技術。歐洲最大的虛擬電廠是由發源於德國的Next Kraftwerke所營運,每年已可交易約12 TWh。虛擬電廠通過現有資產,增加彈性的調度,使電力系統更加穩定可靠 (NEXT, 2021)。



三、去碳能源的發展策略


  根據國際能源總署估計,為達到2050淨零排碳的目標,全球潔淨能源的投資至2030年需增加兩倍以上,可帶來百萬就業機會與全球的經濟成長 (IEA, 2021)。在政策上,「碳稅」的實施與妥善運用對於淨零排碳路徑下的能源轉型具有關鍵性作用,不但可為去碳能源提供更有利的發展基礎,若將稅收用於強化有孩童的低收入戶補助與提升工作年齡福利金,亦有可能為轉型過程中所帶來的能源貧窮議題產生紓解的效果。根據愛爾蘭經濟和社會研究 (ESRI) 2020年發布的政策研究報告指出,若將1/3的碳稅用於低收入戶的補償,即可同時使成人及兒童貧困減少02%~0.5%的比例 (ESRI, 2020)。再生能源的成本已快速下降,在不考慮外部成本下已可與傳統能源競爭。儘管如此,我們仍需要認知的是,所需考量的投資不僅僅是去碳能源與外部成本這樣的單純,在成本的計算上需以均化彈性成本 (levelized cost of flexibility, LCOF) 做為投資的考量,意即估計每增加1MWh變動性再生能源電力調度彈性所需額外增加之成本。這些彈性成本選項包含電網基礎設施、儲能技術與需求端整合等,而這往往也是最容易被忽略的部分。相較於再生能源,電網的發展需要進行跨區建設,面臨更為廣泛的土地徵收,更需提早規劃和充分溝通,否則面對的公眾反對壓力可大過於再生能源本身。另一方面,為了整合高再生能源系統、電網設施、儲能與需求面,智慧化的預測與演算技術需被有效的應用與導入,以降低風險並最適化資源分配。最後,在去碳能源發展的最後一哩路,仍是「公眾溝通」。政策的成敗關鍵往往取決於公民的理解,如何使公眾理解共享去碳能源轉型的果實,有效運用碳稅槓桿,將是首要的課題。



四、臺灣去碳能源發展的願景與配套


  臺灣去碳能源的發展面對著比國際更為嚴峻的挑戰,除孤島電網之外,低電價與世界數一數二昂貴的土地成本,都造成在發展上需要更多的投入與政策規劃。儘管如此,筆者仍審慎而樂觀看待臺灣淨零排碳下的去碳能源轉型。一般來說,再生能源的潛力我們將之區分為資源、技術、經濟與市場潛力四大類,而往往我們所看到的潛力規劃屬於經濟與市場潛力兩大塊,因其關連政策與技術發展。然而,先不討論資源潛力,臺灣在許多再生能源的技術潛力上相當充沛,若能有效的規劃與排除土地利用障礙,仍大有可為。反之,相較於是否具備足夠的再生能源潛力,筆者更擔心的是在孤島系統下,相關輔助技術是否得以達成。要知道,一旦電力供應不穩定,除對經濟造成衝擊,亦將嚴重影響淨零排碳轉型的推動。因此,對於穩定的理解應該跳脫現有的「備用容量」概念,在高VRE占比下,引入機率模型,採用缺電期望值 (loss of load expectation, LOLE) 評估電力系統可靠度。同時,預測的準確性以及如何有效快速的平衡電力系統,都將是去碳能源發展下首要的問題,也都是「彈性」的問題。是故,去碳能源的發展,應結合電網基礎設施、儲能與需求面管理共同思考,而在政策投入時亦應一併納入考量,避免互相排擠的現象發生。


  淨零排碳是願景,是目標,需有政策投入與支持。然政策,始終是人的事,需要大家共同理解,一同努力。



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參考資料

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