綠能科技助臺灣邁向淨零永續

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撰文/唐祖湘

根據環保署「國家溫室氣體排放趨勢報告」顯示,能源部門歷年為臺灣溫室氣體總排放量最大之部門,占比超過9成。圖為火力發電廠。(圖/pixabay)

 

全臺5月均溫創下74年當月新高,氣溫攀高致電力需求激增,連帶使臺灣電力議題浮上檯面。然而,全球百餘國已宣示2050淨零碳排,在零碳與電力需求之間,平衡點在哪?工研院綠能與環境研究所副所長劉志文,深入剖析臺灣電力供需實況,並為我國推動能源轉型,邁向淨零碳排尋求完美解方。

全球暖化問題日益嚴重,減碳乃至零碳,是當前國際社會共同努力的目標。根據環保署「國家溫室氣體排放趨勢報告」顯示,石化燃燒歷年為臺灣溫室氣體總排放量最大之來源,占比超過9成,其中又以電力公司以石油、天然氣等化石燃料發電占了60%,是二氧化碳排放最大來源,再來是運輸與製造產業,各占約15%,剩下約10%為農業與環境。

綠電加碳捕捉 可大幅降低碳排放

「國內降低溫室氣體首要目標,就是要讓燃燒化石燃料的發電廠,逐步轉為再生能源,也就是用『綠電』,就沒有碳排問題。」工研院綠能與環境研究所副所長,同時身兼電網管理與現代化策略辦公室主任劉志文指出,臺灣再生能源以太陽光電、離岸風力發電為主力,預計2025年兩者裝置容量可分別達到20GW、5.7GW的目標,屆時再生能源發電占比將至20%;「希望再過30年,也就是2050年,世界主要國家及國際組織主張實現淨零排放的時間點,再生能源發電占比能接近百分之百。」

劉志文指出,要達成這個目標,除了擴大再生能源發電,運輸部門與製造部門也要跟著調整,像是將傳統燃油汽機車汰換為電動車,過去製造多採用化石燃料,現在也要朝向電氣化發展,或選擇不會產生二氧化碳的氫能取代,但無論是電動車、電氣化與生產氫能所需的電力,來源仍是電力系統,因此需回歸到積極發展再生能源發電,才能顯著降低二氧化碳的排放。其他難以實施電氣化的領域,則可透過碳捕捉、封存或再利用技術,投入新的製程中循環再利用。

資料來源:環保署國家溫室氣體排放趨勢報告。
資料來源:環保署國家溫室氣體排放趨勢報告。

發展再生能源 儲能系統是關鍵

雖說再生能源是國際趨勢,不過劉志文不諱言,再生能源具有間歇性且不易預測的特質,一般會有無法穩定供電的疑慮,特別是今年5月13、17日發生兩次輪流停電,讓臺灣是否缺電、未來再生能源發電占比提高,停電情況是否將更頻繁等議題引起討論。劉志文指出,5月的停電事件,肇因於人為操作疏失及系統設計問題,造成電廠發電機組跳機,台電為避免當下供需失衡導致系統崩潰,所採取部分停電的預防性措施,屬於調度決策的問題,其實與缺電無關。

那臺灣究竟缺不缺電?劉志文提出數據表示,全臺傳統火力電廠、再生能源、民營電廠、汽電共生系統等容量加總起來,總裝置發電容量約50GW,這個數字代表我們的供電總能力,而用電最高峰則在39至40GW之間,理論上備用容量仍有10GW以上,即使到了夜晚,再生能源無法充分發電,減少了5GW供電量,但相對晚上通常不會出現尖峰,因此備用容量仍有7、8GW之多,「因此我們並不存在缺電問題,更應把焦點放在落實電力管理與系統規劃及運轉上。」

至於外界擔心的再生能源間歇特性,導致晝夜發電落差,或因天候因素波動影響供電能力,「這個問題放眼全世界,只要發展綠能的國家都遇過,但透過儲能系統等技術協助,並非無法解決,」劉志文舉例,例如正午太陽光電發電強烈,可將多餘的太陽光電儲存起來,應付夜晚的電力需求,有助於穩定化供電。

在儲能系統方面,現階段鋰電池為儲能系統的主流,屬於化學儲能技術,國內廠商從上游原始材料、中游電池芯、下游模組製造,以及系統管理等,相關產業鏈布局完整,世界各國對鋰電池的製造材料、穩定性與安全性也不斷提升與改善。

另一種儲能系統為抽蓄水力,是水力發電再搭配下流蓄水庫,利用高低落差的水流力量推動發電機來產生電力,發完電後再將水從蓄水庫抽上來,可以反覆利用;臺灣抽蓄水力年發電量約260萬kW,雖然不多但升降載快速,能夠即時供應電力,對電力穩定供給扮演關鍵角色。劉志文提醒,極端氣候導致旱澇交替,水量不穩定,影響水力發電量,未來建議水電資源一併考量,在儲水上做更好的規劃安排,才能繼續扮演穩定供電的關鍵角色。

工研院綠能所副所長暨電網管理與現代化策略辦公室主任劉志文。
工研院綠能所副所長暨電網管理與現代化策略辦公室主任劉志文。

電力承載順序以需求面管理優先

隨著經濟發展與氣溫升高,國內用電尖峰每年呈現3%至5%成長,加上再生能源發電比例日益增加,凸顯電力系統管理的重要性。工研院引進國際間「電力承載順序」(Loading Order)的新觀念,也就是當電力系統面對用電量攀升以及負載端多樣的需求時,尋求解決辦法的優先次序。

劉志文說明,電力承載順序依照先後順序,從推動需量反應、節約能源、分散式電源等方式,解決電力問題,以抑低尖峰負載達到穩定電力供需平衡;若皆不可行,再來考慮規劃蓋變電所或新傳統火力電廠。

「以需求面管理優先,是對環境最友善的作法,只要是蓋電廠,對環境、空氣、水質都會造成破壞,就算興建的是零碳排的再生能源電廠,仍會占用農漁業的土地空間,」劉志文解釋,蓋電廠並非一勞永逸的解方,若無法有效抑低尖峰用電成長,「蓋再多電廠都不夠用!」遺憾的是,當碰到電力問題,許多人最直覺的念頭仍是蓋電廠,這與減碳的潮流恰恰背道而馳。

「理想的需求面解決方案是有效運用負載管理,讓尖峰負載零成長,藉由節約能源措施,降低或停止總體用電量繼續往上增加,不過這樣的努力還需要工業、製造業等業者共同參與,」劉志文說,像是今年起正式上路的「用電大戶」條款,即規範契約容量5,000kW以上的企業用戶,需設置一定裝置容量的綠電發電設備或儲能設備,用戶可利用自設綠電,規劃負載用電排程,達到產品使用到綠電百分比;此外,台電設計不同需量反應方案,藉由調整電力價格或提供折扣等誘因,鼓勵企業與一般用戶配合移轉尖峰用電時間,降低發電端的負載,發揮平衡作用。

在供給端,再生能源的間歇性、不易預測,是再生能源併網與電力調度的最大挑戰,可預測再生能源發電、確保電力穩定供應的智慧電網(Smart Grid),扮演重要角色,但要充分發揮其特性,結合通訊傳輸功能的智慧電表的普及裝設是關鍵。劉志文表示,目前全臺2萬多戶高壓或大型工業用戶已完成布建,一般低壓或民生用電約100萬戶,若能再布建得更完整,蒐集使用數據愈多,愈能優化電力調度,還能進一步促使用戶改變用電習慣,發揮節能效果。

臺灣可借鏡國外作法,設立「獨立電力調度中心」,並在其上層設立電業監督管理機關,訂定調度規範,要求ISO執行。圖為IESO控制系統室(IESO提供)
臺灣可借鏡國外作法,設立「獨立電力調度中心」,並在其上層設立電業監督管理機關,訂定調度規範,要求ISO執行。圖為IESO控制系統室(IESO提供)

以虛擬電廠精確調度 達成電網穩定平衡

作為產業科技的先行者,工研院也運用科技,協助維持電力系統的穩定性,像是開發「虛擬電廠」(Virtual Power Plant;VPP)驗證平台,透過資通訊技術整合分布在各區域的分散式資源,如儲能、需量、再生能源或小型發電機等多元資源,進行運轉監測分析與決策,當電網需用電時,VPP可調度轄下各種資源,提供輔助電力;反之,當電網發電過多,可彈性提升負載或以儲能吸收電力,協助達成平衡。

劉志文透露,工研院現正與電信業者合作,利用VPP雲端網路技術聚集基地台的用電資訊,以演算法排程發號施令,準確控制調度,使得基地台於特定時段或尖峰,運用先前存入儲能系統的備用電力,自給自足供電,不僅可成為電力調度的救援部隊,還有機會加入需量反應機制,創造額外收入。

另一方面,隨著國內電力市場逐步開放,民間電廠、企業自用發電漸增,劉志文建議,電力調度操作的任務,可考慮從台電調度處釋放出來,借鏡國外作法,設立「獨立電力調度中心」(Independent System Operator;ISO),並在其上層設立電業監督管理機關,訂定調度規範,要求ISO執行,將有利於電力自由市場公平競爭。

邁向2050淨零碳排,不只是臺灣是世界村的一份子,為環境永續盡心力;許多國家也都開始針對高排碳產品實施碳關稅、碳權、碳交易等,如果減碳的步調太慢,可能危及臺灣產業的國際競爭力。劉志文呼籲,電氣化、電力系統無碳方案應加速落實,需求面管理也要加快腳步,在供電穩定基本前提下,靠智慧電網、VPP與儲能系統等新科技,促使綠電極大化,全民朝著2050年實現淨零碳排的目標全速前進。

 

文章轉載自工業技術研究院工業技術與資訊月刊