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高貴不貴 再生能源的整合成本

建立於 2016/03/11
作者:柯妤萱

推展再生能源發電,除了要考慮發電廠本身的成本,也須計算電廠接入電網的整合成本。透過國際能源署(IRENA)與德國Agora智庫的計算,我們知道整合成本並不高。追求再生能源的代價與永續低碳社會的效益相比,堪稱微小。

再生能源整合成本知多少。圖片來源:Brookhaven National Laboratory(CC BY-NC-ND 2.0)。

整合成本低

早在2010年,美國國家再生能源實驗室(NREL)便認為,整合35%的風與太陽能到美國西部電力系統內無須設置更多基礎建設,花在燃料的成本還能減低40%。而將太陽能與風能電量整合入電網,是沒有技術困難的。根據國際能源署(IRENA)的分析,若計入化石燃料對健康的影響,並考慮外部成本開徵碳稅,已算入整合成本的陸上風電與化石燃料的成本差不多,太陽能則高了約0.2美元/度,由下圖可知。若制定健全的法規,凸顯化石燃料的高污染、環境衝擊等所有外部成本並因此課徵碳稅,一個再生能源佔40%的系統所需的電網整合成本就可親得多,在0.035至0.05美元/度之間。

圖左方的化石燃料未計入外部成本,再生能源也未計入整合成本。右方的化石燃料計入外部成本,再生能源也計入整合成本,此時的陸上風電成本與煤差不多。來源:RENEWABLE POWER GENERATION COSTS IN 2014,IRENA。

如下圖所示,包含整合成本的陸上風電均化成本依然低於核電,也遠低於具有碳捕捉與封存技術(CCS)的火電廠。在希臘,太陽能整合成本甚至是負值,因為它有效舒緩了尖峰需求的壓力。由此可知,儘管整合再生能源需要費用,但它們依然是成本最低廉的低碳能源。

化石燃料未計入外部成本,再生能源也未計入整合成本。來源:RENEWABLE POWER GENERATION COSTS IN 2014,IRENA。

化石燃料計入外部成本,再生能源也計入整合成本,此時的陸上風電成本與煤差不多。來源:RENEWABLE POWER GENERATION COSTS IN 2014,IRENA。

整合成本的內容

國際能源署(IRENA)將再生能源的整合成本分成兩大項:電網建設成本與系統營運成本(如下圖)。在第一大項的電網建設成本中,可分為電網連接成本與電網升級成本,而電網連接成本包含輸電與配電成本。至於第二大項的系統營運成本,則包含平衡成本與特性成本。平衡成本意指為了彌補預測生產量與實際生產量之間的偏差所導致的成本:若100MW的再生能源發電廠每年須為平衡電量花費200歐元,則平衡成本為2歐元/千度;買來的電量可在短期內即穩定變動的電力供需。特性成本的內容複雜,佔比最重的是再生能源電量進入電網後出現使用效應(utilization effect)所生的成本(註1)。但Agora智庫表示,對於使用效應成本是否該被納進再生能源整合成本中,專家們意見分歧。

在第一大項的電網建設成本之中,連接成本按照每個再生能源計畫的規模大小而不同,例如:離岸風電計畫的電網連接成本據估計是計畫成本的15%至30%。而在風電量佔30%至40%的電力系統中,輸電成本少於13美元/千度;在再生能源佔15%的電力系統中,配電成本是12美元/千度(註2)。若是要升級為智慧電網,在再生能源(不計離岸風電)佔20%至30%的電力系統中,電網升級成本約是0.5至3歐元/千度。至於系統營運成本中的平衡成本,價格在2至6歐元/千度間。特性成本中的使用效應成本(未有納入與否之定論)則為15至25歐元/千度。綜上所述,整合再生能源的價碼並不駭人。

國際能源署將再生能源的整合成本分成兩大項:電網建設成本(Grid infrastructure costs)與系統營運成本(System operation costs)。電網建設成本分為電網連接成本(Grid connection costs)與電網升級成本(Grid upgrading costs),而電網連接成本包含輸電與配電成本。至於第二大項的系統營運成本,則包含平衡成本(balancing costs)與特性成本(profile costs)。特性成本內含使用效應(utilization effect)成本。來源:Renewable Energy Integration in Power Grids,IRENA。

再以德國為例,根據Agora的研究,德國風電與太陽能的整合成本分為三項:電網建設成本、平衡成本,與其壓制傳統電廠所導致的使用效應。先看電網建設,德國太陽能與陸上、離岸風電的整體平均輸電成本約為5歐元/千度,而離岸風電的平均輸電成本約為30歐元/千度(下圖一)。至於太陽能與陸上風電的整體平均配電成本,則約在6至14歐元/千度(下圖二)。

圖一、離岸風電的平均輸電成本約為30歐元/千度。來源:The Integration Costs and Solar Power ,Agora。

圖二、太陽能與陸上風電的整體平均配電成本,則約在6至14歐元/千度。來源:The Integration Costs and Solar Power ,Agora。

再看其次的平衡成本,由下圖可知,德國再生能源的平衡成本在1至2歐元/千度之間。以德國經驗來看,風電與太陽能的擴張並非平衡成本的主要推手:依下圖(右)所示,自2008年以來,風電與太陽能容量成長三倍,用來平衡電力的容量卻下跌15%,維繫這些容量的成本也下跌50%。這樣的跌幅可能是出於預測技術精進、經濟衰退、電網商通力合作等原因。

左圖中,平衡成本(紅)在1至2歐元/千度之間。右圖的平衡成本跌幅(紅線)可能是出於上述等原因,但不表示越多再生能源需要越少容量支援之。來源: The Integration Costs and Solar Power ,Agora。

總結來說,德國整合高比例再生能源的成本相當低,估計約在5至13歐元/千度之間。

智慧電網

若想將高比例的再生能源整合接入電網,便需讓現有電網轉型為智慧電網,不但能使電流由集中式發電廠流向消費者,也能讓小型發電者或消費者上傳電力,形成分散式發電。智慧電網也能快速調節再生能源變動的供應電量、即時平衡供需,可說是整合高比例再生能源電量的關鍵。

發展智慧電網對消費者、電力產業與社會都有益。消費者受益於停電時間減少、電費降低;電力公司則受益於電力損耗降低;社會則能因為應用更多再生能源而減少碳排量(註3)。例如:在美國田納西州,智慧電網能讓EPB電力公司在風暴導致停電時快速偵測出損壞之處並恢復供電,與缺乏智慧電網的狀況相比,可讓四萬個消費者提早17小時恢復用電;此外,智慧電網還讓EPB的系統平均停電時間指標(SAIDI)改善40%(註4)。可見智慧電網並非只是再生能源的禁臠,而對全體社會有利。

已有許多研究認為智慧電網其實是誘人的投資。國際能源總署(IEA)認為,建立與維護智慧電網的浩大投資將不負所望。一份分析30多個商業案例的跨國研究發現,智慧電錶的平均投資收益是成本的兩倍(註5)。美國研究則顯示,單單只對電力公司的股東而言,智慧電網投資的淨現值就已在200億至250億美元之間(註6),而智慧電網投資的效益成本比( benefit-to-cost ratio)在2.8至6.0之間(註7)。投資智慧電網的回報豐厚,關鍵在於各個計劃是否具有財務效益。

IEA認為,多數國家的智慧電網收益大於投資。來源:About the How2Guide for Smart Grids in Distribution Networks,IEA。

整合成本與外部成本

計算整合成本,是為了要理解採用再生能源電廠的真正代價。不過,無論加入電力系統的新容量是由哪種發電技術供應,都會影響現有的系統,系統內的發電成本自然也會受影響。太陽能與風能由於看天吃飯,易於變動,常遭指為增加系統營運成本的禍首。但這種指控卻忽略了核電與煤電廠缺乏供應(與財務)上的彈性,無法立即解決系統當下的需求,故也需中載、尖載機組來搭配。

整合成本也依照外部成本的高低而定:若未來的碳稅價格走低,大量再生能源可能導致高昂的整合成本;但若完整納入外部成本使碳稅的計價上升,再生能源的整合成本甚至可能為負值。外部成本包含健康保險、環境成本、氣候變遷或核災的代價等。

根據Agora智庫的建議,「不同的發電方法如何互相比較?」這項問題宜重新被詮釋為「哪些假設與研究方法才能讓一種技術看來比另一種更有競爭力?」決策者應考慮的是要基於哪些理由來選擇某種科技,而非選擇某一種最佳方式來比較不同技術。電力市場若是缺乏決策者施行的配套來凸顯再生能源的益處,民眾很可能選用他們眼前看似最便宜的發電技術,但這種選擇實際上卻有害環境。政府若能納入外部成本來預估各種未來發電組合的「所有」成本,方能適當地研究如何能源轉型,而不僅是專注於某項技術對系統的影響(註8)。

所有的發電技術都含有整合成本,每一種發電廠也都讓電力系統額外增加成本。不過以德國、美國(註9)的前例來看,再生能源的整合成本並不昂貴,投資智慧電網不但獲利可期,更益於全體社會。期待政府在推展非核政策時全盤考慮未來能源組合的所有成本,讓人民了解認真整合再生能源的電力系統才是實惠的能源選項。


【註】

【參考資料】

  1. Renewable Power Generator Costs IN 2014,IRENA
  2. Renewable Energy Integration in Power Grids,IRENA
  3. Smart Grids and Renewables a Cost-Benefit Analysis Guide for Developing Countries, IRENA
  4. The Integration Costs and Solar Power ,Agora
  5. About the How2Guide for Smart Grids in Distribution Networks,IEA。