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淨零轉型思維:為再生能源打造系統

Updated: Jul 11

徐昕煒(中原大學工業與系統工程學系助理教授 )


高再生能源占比為淨零必備條件

已有超過全球GDP總和90%的國家及區域宣布以淨零碳排為目標,涵蓋人口80%及目前排碳量的83% (Net Zero Tracker, 2022),已是不可逆的趨勢。臺灣目前亦展開「溫室氣體減量及管理法」修正草案工作,將名稱修正為「氣候變遷因應法」,並納入2050年淨零排放目標。據統計能源部門約占全球溫室氣體排放的四分之三,占臺灣溫室氣體排放的九成(環保署,2021),能源部門做為轉型的首要工作,其中再生能源扮演關鍵的角色。


國際能源總署 (IEA) 的淨零路徑分析指出若欲達成2050年淨零目標再生能源需達90%,其中具有變動性的風能與太陽能需達70% (IEA, 2021),而IPCC最新出版的第六次評估報告第三工作組 (The Sixth Assessment Report Working Group III, AR6 WGIII)「氣候變遷的減緩」報告亦指出1.5度C路徑下,風光需達總發電量的60~70%。臺灣在今年公布的「臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明」亦具體提到去碳電力轉型,淨零目標下再生能源需達60-70%,風能與太陽能約50~56% (國發會,2022)。此外,在需求面以電氣化做為關鍵措施的同時,也推升再生能源發展的迫切性。AR6 WGIII報告也指出:再生能源的單位發電成本在多數情況下已與化石燃料相當,具有轉型競爭力,而風能與太陽能更被評估為能源部門達成淨零最具成本效益的減緩措施。


然而,除了再生能源發展本身,在這樣一個高比例風光組成的電力系統,我們是否還應該思考什麼?如何為再生能源建造系統,打造屬於淨零的能源體系是我們應該關心的課題。


打造彈性電力系統

風光組成的高再生能源占比或許讓人直接聯想到不穩定及缺電,然而這其實是一個系統的可靠度問題,意即「韌性」。傳統化石燃料組成的電力系統,其不確定性來源主要來自於需求,而由所謂可控的發電端去配合需求。然而,當風光成為主要電力供給端,其高變異性是否使得系統穩定度打折?甚至需要犧牲更多的備用容量 (Reserve Margin) 來因應?回答這個問題,首先必須瞭解所謂的不確定性其實可分為「可預測」與「不可測」兩類,而再生能源儘管具有高變異性,然整體來說仍偏向學理可預測的類別,隨著人工智慧、智慧電網、物聯網等資通訊技術的進步,短時預測變得愈來愈可行。也就是說,在具備完善基礎設施的前提下,風光的電力系統事實上是可預測的,而可預測即意謂著可控。


那下一個問題是:「高變異的再生能源系統如何控制?」


「可控」意謂著可快速調度,供給面通常包含燃氣發電(淨零規劃下,則非優先選項)、水力與氫能技術等彈性電力的快速遞補;需求端則仰賴需量反應機制,並可透過儲能做供需間的調節。IEA的淨零路徑分析也對達成淨零的彈性來源作分析,其結果顯示以上技術的重要性,如圖1所示。高再生能源系統若搭配足夠的彈性來源,其系統可靠度與傳統化石燃料組成無異。然而,這樣的彈性意味著每度再生能源的發電仍需額外成本,稱為均化彈性成本 (Levelized Cost of Flexibility, LCOF)。顯示風光體系系統以彈性的角度來看,成本相對仍然較高,也代表淨零轉型的規劃應以整體彈性同步考量,而非僅著眼於再生能源的發展。


圖1、零碳電力系統的彈性來源(本圖譯自IEA, 2021)

淨零路徑需面對氫能競合

承上,氫能被視為淨零系統下供給端的重要彈性來源。首先,我們須理解氫能的分類,主要包含「灰氫」、「藍氫」和「綠氫」。灰氫意指以化石燃料做為製氫來源,因此不作為淨零下的考量選項,而藍氫泛指使用化石燃料搭配碳捕捉技術產製,綠氫則是以再生能源電解產製。故可以理解,理想上「綠氫」才是淨零轉型迫切需要的來源,這也意謂著我們所需要的再生能源比想像中還要更多。臺灣擁有許多離岸風力,在高再生能源下,夜晚低需求時應有多餘電力製氫。然而我們到底需要多少的氫?根據「臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明」,臺灣供給端的去碳電力需要9-12%的氫氣,約貢獻500億度電,如果全部採用本土產製的綠氫,由於能源轉換的損耗,事實上至少需要額外1,000億度的再生能源(相當於需求的20%)才能達成,因此可以理解很大一部分的氫能必須仰賴進口。


然而,氫能之於淨零,其貢獻不僅在供給,而更重於需求。產業需求端除了大量電氣化與低碳製程外,當屬採用綠氫做為必要之使用,以完成產業淨零轉型的目標。而臺灣的策略總說明與工研院發布的「臺灣2050氫應用發展技術藍圖」推估,需求端產業轉型至少需要200萬噸以上的氫。換句話說,除了需在國際市場上搶購大量氫外,氫氣儲運設備與供需端皆需的競合關係,仍有必要在後續清楚地釐清。


此外,依據工研院的推估,約僅有25%氫氣可自產,且綠氫僅占70%,如圖2所示。故在循環經濟成為淨零不可避免的訴求下,或許可轉而思考多加利用「廢棄物固態燃料」,透過氣化處理搭配碳捕捉,亦可產出生命週期排碳極低的「藍氫」,可為廢棄物處理找到新出路,也為氫能來源開闢新的管道。


圖2、臺灣2050氫氨需求推估 (資料來源:工研院,2022)

系統轉型的階段規劃

淨零已是國際普世價值,然非一蹴可幾,臺灣的策略總說明已勾勒出願景,仍需包含相對應配套措施的路徑,並投入相對應的資源。由於需求端以電氣化作為主要措施,儘管提升能源效率,電力需求的增加似不可避免,而低碳電力系統除再生能源潛力評估,其與需求端、氫能、儲能和電網基礎設施等都有密切關聯,甚至於碳缺口該導入多少的碳移除技術皆為關鍵課題,故應有階段性規劃。此外,臺灣的燃氣配合碳捕捉、利用與封存技術 (Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS) 比例估計達到20-27%,比例偏高,對於後續的碳利用也需提早佈局。再者,若考量能源轉換效率,儲能作為再生能源供需調節的選項,需評估其搭配再生能源變動的週期性充放電頻率,以設置適當的容量。


變動性再生能源的導入初期勢必會面臨系統的衝擊,額外的彈性成本增加與電網支出,然而隨著有計畫性的中長程轉型,可以有效地節省資本與大量燃料支出,建構可靠的再生能源系統。漸進規劃需考量多種技術和政策措施在經濟、環境與社會面向的影響,勢必需透過量化模式以比較各種可能路徑,結合「由下而上」的工程技術模型與「由上而下」的經濟模型,甚至加入社會需求的模式共同評估,是一個急需跨域整合的迫切議題。有效地達成淨零不再只是能源技術進程的問題,對於國家社會的多元發展亦有重大影響,跨域專家更需鏈結公眾想法,政府政策與數據應以一種能被理解與討論的科普化方式呈現。漸進式的打造淨零的再生能源系統,需整合供需規劃與成本效益;在政府研擬階段目標的同時,相對應措施與評估結果都應被提及。淨零轉型,是公眾的事情,資訊的透明與理解是競合下共創價值的要件,仍需各界一同努力。



參考文獻

  1. 工業技術研究院 (2022)。臺灣2050氫應用發展技術藍圖。工業技術與資訊月刊(365期-2022年8月號)。https://www.itri.org.tw/ListStyle.aspx?DisplayStyle=18_content&SiteID=1&MmmID=1036452026061075714&MGID=1163474053670526315

  2. 行政院環境保護署 (2021)。2021年中華民國國家溫室氣體排放清冊報告。https://unfccc.saveoursky.org.tw/nir/tw_nir_2021.php

  3. 國家發展委員會 (2022)。臺灣2050淨零排放路徑及策略總說明。https://www.ndc.gov.tw/Content_List.aspx?n=FD76ECBAE77D9811&upn=5CE3D7B70507FB38

  4. International Energy Agency (IEA) (2021). Net Zero by 2050 - A Roadmap for the Global Energy Sector, Paris. https://www.iea.org/reports/net-zero-by-2050.

  5. Net Zero Tracker (2022). https://zerotracker.net


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