轉給你看!社區用能的三種轉型與操作 | 台灣環境資訊協會-環境資訊中心

轉給你看!社區用能的三種轉型與操作

2018年05月05日
文:陳楊文 (零碳行動有限公司執行長)

當今人類會面對氣候變遷、極端氣候的風險,從人類工業的發展中可以看出徵兆。

從18世紀,施密斯•瓦特先生改良蒸汽機之後,開啟第一次的工業革命。即掀開潘朵拉的盒子,不單單是簡單將地底下的植物化石(煤碳)作為工業用的能源之外,也開啟將封存古代太陽能有機化石,如煤、石油、天然氣等等,取出到地面將之燃燒,解放所有的碳原子,與現有大氣中的氧氣結合,造成更多的二氧化碳。

而這二氧化碳逸散到大氣之中,在地表上形成一種溫室作用,將熱反射入地表而無法逸散到太空中,以致地球大氣的平均溫度升高,牽連整個氣候型態,造成不是暴雨颶風,就是乾旱無雨,冰川融解,海平面上升。


 以生質能為主的社區示意圖。繪圖:陳楊文

今日大氣濃度已經來到405ppm(陳楊文,2018),比起工業革命打開潘朵拉的盒子的濃度284ppm(李高朝,2013),增加了77%,意味著地球的散熱更益困難,整個地球進入發燒的狀態。

儘管當今人類的社會,在能源的使用,還可能在遠古用火的形態, 拾取周遭環境的生質能,樹葉、木材甚至牛糞等一切可以燃燒的有機材料,為取得能源進行家事,謀生烹飪或是照明所需。

以當今人類社群而言,在工業化之前的社區,屬於無電能或是無電網可及可用者,大多屬於以生質能為主用能組成(energy mix)。就碳的循環來說,這種傳統使用生質能的社區,其能源大多來自現生的植物或衍生物,而植物與其衍生物已經進行光合作用,吸收太陽能從大氣中固定二氧化碳,雖然經過燃燒,將碳釋放到大氣中,基本上是屬於固碳與排碳之間的碳平衡。

工業革命之前,人類的生活活動並未對大氣的碳平衡改變,大氣中的二氧化碳濃度大致在280ppm(陳楊文,2018)。 而從第一次的蒸汽機工業革命以降,人類為能掌控只用相對安全的能源,將電力廣泛運用在生活,成為第二次的工業革命,工業2.0。最著名的里程碑是發明電梯,連帶地帶動超高層的摩天大樓,以及工廠使用電力裝配線,使產能大增。這些革命性的改變,也不過發生在100多年前,自此之後,電力逐漸改變人類的生活型態。

現代人幾乎是活在電的世界裡,想想在台灣沒有電的話,生活會怎麼樣?但是我們在使用電的時候,是否曾經想到其產生驚人的副作用?

化石燃料能源使用型態的環境風險

以生質能為主的社區,主要能源來自地表上的植物,取得能源對於生態的衝擊,主要是在改變植被相與生態相。隨著人口的增長,環境的負荷增加,常常森林的林木被砍伐,林相退化成草地,草地被開墾成農田,過度取水退化成荒漠。歷史上許多農業文明,因為荒漠化而消失,基本上,還是屬於區域的環境風險,不至於成為大規模的氣候型態改變。

工業革命時先是鍋爐燒煤產生蒸汽動力,大量的燃煤造成空氣污染,當時的工業大都市無不烏煙瘴氣,居民苦不堪言。經過100年的演進,人類變聰明了,將燒煤的鍋爐污染源放在遠遠的地方(通常是海邊,好運送煤碳燃料),透過火力發電廠將能源轉換成不會冒煙的能源──電力,輸送到工廠、都市住家,於是人們工作或生活的地方,可以享受到電力的清潔與方便,忘卻源頭燃燒的污染。

無論工業1.0的蒸汽鍋爐到工業2.0發電機,人類所使用的能源都是來自燃燒地底下的化石燃料,這些化石燃料是來自古代的有機(含碳)生物體,只要一經過燃燒,化石燃料成分中的碳就與空氣中的氧氣結合,變成二氧化碳。燃燒排出的二氧化碳不侷限在地上污染,還可能進入大氣擴散到他處,影響全球氣候型態。而眾人所知的全球暖化現象, 即是來自大氣中二氧化碳的濃度不斷攀升。不但如此,更可怕是造成極端氣候型態,不是高溫就是高冷,不是乾旱就是暴雨,更遑論對生態與海洋的改變,對整個人類的生存慢慢造成威脅。


現階段社區用能組合(energy Mix)型態,是以毀壞生態與大氣平衡高風險為代價的用能型態。繪圖:陳楊文

生質能轉為化石能源後的議題

當社區從生質能到電能的能源轉型過程,社群結構從鄉村轉到都市,即使用電力雖需付費,供電往往是政府當作國民福利的一環,文明生活的要素。不單在台灣如此,在發展中國家如印度,現任首相莫迪 (Narendra Modi)也將普及到全國的供電網作為國家發展目標,甚至有些政客主張免費供電,以爭取選票。這是國家從農業轉到工業型態,以毀壞生態與大氣平衡高風險為代價的能源轉型過程。

近幾年,世界人口最大國從農業轉為工業、從農村轉到都會,能源組合從生質能轉為依賴化石燃料與電能,隨之而來的因為燃燒所造成排碳問題,使得中國超越美國成為當今最大的二氧化碳排碳國。大多數工業化國家意識到使用化石燃料所造成的全球暖化與極端氣候問題,從20年前的1997年,簽署聯合國氣候變化綱要公約(UNFCCC) 京都議定書,明定各國減碳目標。以及後續的2015年簽訂的巴黎協定,希望將全球平均溫度控制在工業革命前全球均溫的攝氏1.5~2度之間。

各國與各都市間各自進行減碳措施,以丹麥首都哥本哈根為例,主要透過風力再生能源供應都市用電,使得從2015年的排碳總量比2014年減少11%,人年均排碳量降到2.45公噸,並雄心勃勃希望在2025年達到零排碳的目的。其排碳的措施主要是經過能源轉型,將化石燃料來源轉自再生能源、提高建築的效率降低用能、以及大力提倡低碳交通運輸 (步行、自行車、電動車)(Carbon Disclosure Project, 2017)。

台灣缺乏一次能源化石燃料資源,98%的能源來自國外,自行製造成二次能源電能。對於電能的政策,台灣以國家資本寡占專賣,並以電能攸關民生經濟為由,長期給予能源補貼政策,電價與其他國家相較偏低。歷屆總統候選人,在安穩民生物價與選票的考量下,亦很難以自由經濟市場的方式反應合理的電價。除了以犧牲環境成本來降低電價成本外,並可能造成電能社會價值觀的偏差。造成國人年均排碳量約10.8公噸,高於世界平均值的人均排碳量4.4公噸、中國的人均6.6公噸與日本的人均9.7公噸(洪敏隆,2016)。

新竹用電對全台暖化「貢獻」最大

如果問起那個地方居民用電用最多,很多人都會以為是首善之區的台北市。根據台電公司的調查資料顯示,全台灣用電最多的是新竹市,每人平均每天用電5.95度。第二名還不是台北市,而是新北市人,人均日用電5.46度電,第三名才是台北市民的人均日用電5.32度電。換言之,新竹市居民可說是全台灣對暖化「貢獻」最大的一群人(陳楊文,2017)。

人均用電前三名都是北部的都會區,有可能是都會地區受到熱島效應影響,都市硬鋪面多、蓄熱高不容易散熱,造成冷氣機用電高。也有可能是都市人收入較好,不在乎花錢的社會價值觀問題。我個人相信兩者都有可能(陳楊文,2017)。 宜蘭縣在能源轉型由前縣長林聰賢提出三把箭,三個措施分別是

  1. 再生能源3年內倍增到41.5MW
  2. 能源管理地方治理配套
  3. 鼓勵公民參與(林敬倫,2016a)

於落實公民參與部分,最早達到箭中標。2016年培力20位住宅節能管理師志工,並實際到家戶中服務,就所學的住宅建築、電氣設備、使用行為三方面,共服務2,030戶住宅,協助居民診斷家中用電與節能改善。且透過面對面問卷方式,記錄診斷宜蘭居家生活中普遍可節能的潛力與策略,最後建構14萬筆的用能行為診斷資料庫。2017年透過此種居家節能診斷與宣導的方式培力138位管理師服務812戶住宅,繼續實施診斷與宣導,建構宜蘭住宅用能的變遷資料庫,目標在於建構公民自主管理能源的能力。透過這些點點滴滴的努力,希望能夠擾動社會,營造社會節能的氛圍,其核心作為也希望能夠改變對於能源的社會價值觀,並以環保為榮。

現有化石能源電網面對極端氣候的困境

1. 極端氣候對發電設備與廣大輸電網造成的風險

2017年7月31日,因尼莎颱風關係,位於宜蘭東澳的輸電電塔倒塌,花蓮和平火力電廠發電量的130萬瓩電量,無法輸送到北部(林敬倫,2016b)。另外,在宜蘭也產生停電災情,尼莎颱風強風造成頭城許多電線桿斷倒,導致11萬5千戶無電可用(陳雲上,2017)。隔日,
面對此供電短缺,行政院通函全國行政機構,要求政府機構下午1點到3點之間停止開冷氣,及至8月10日後解禁(陳雅芃,2017)。無獨有偶,幾天後8月15日台灣中油對台電大潭發電廠的天然氣供應管線意外停止運作,造成全台灣大停電,稱之為815全台大停電。

集中式的大型電廠,所發出的電量往往遠超過周圍地區所需,需要靠輸電塔傳送到遠方廣大需求的地區,輸電的電塔與電線設備往往面臨各種環境風險,即使再增加更多的發電量,只要是其中一個環節斷落都會造成發出的電量無法輸出。有的人會認為停電是電的不夠,是缺電的問題,提出要恢復核能電廠或是擴充電廠設備,即使擴充再多的集中式發電廠與電網,也是暴露在未來極端氣候的風險下,發再多的電輸送不出來,也是徒勞無用的。解決供電不足之道,必須考慮修正現有集中式電網的結構與管理,與其暴露在極端氣候下的脆弱性。

2. 極端氣候高溫造成用電量劇增

每年台電公佈用電的最尖峰,全都是最熱的時刻,表示整個用電高低受溫度的影響最大。2017年用電的高峰是8月7日,當天台北的氣溫高達38.5度,用電高達3616.54萬瓩;2016年台灣的用電高峰是7月6日,最高需求達3,556萬瓩。以2017年6月26日用電的樣式(pattern)來看,最高點在中午2點左右,也是最熱的時刻。從凌晨到清晨6點,用電量一路下滑,等到太陽上升時,用電量又一路跟著爬升,到中午最高點後又一路下滑,一直到隔日的凌晨6點,這是典型的全台夏季用電型態。但在冬季的用電型態,樣式類似夏季,但需求量整體下滑,用電的高峰也移轉到傍晚6點10分左右。以2月15日為例,尖峰需電量大約是2,500萬瓩。與夏季尖峰用電的需求減少了1,100萬瓩,相差將近30%的需求,很明顯的看出溫度對於用電量的影響。


左圖為台灣的夏日用電型態, 以2016年6月26日為例;右圖以台灣的冬日用電型態, 以2016年2月15日為例。資料來源:台灣電力公司,

我們現在所使用的電網是交流電電網(alternating current),交流電的設計很適合集中式發電或是大型電廠,因為發出的電可以透過輸電網傳輸到遠處。但是交流電電網有一個大隱憂,也就是整個電網,隨時隨刻都要保持著供電大於用電的狀態,否則只要瞬間用電的需求大於供電,整個電網系統就會停擺,發電機組受損,造成大停電(blackout)。

所以不管平時省掉多少電,當用電需求的尖峰不省下時,還是必須有足夠的發電量供應,否則就是逼著電力公司為了保護發電機組,關閉部份的供電主動斷電(brown-out)。加上先前所觀察到電力公司因為遇到颱風因此瞬間需求的用電量才是供電的關鍵。如果看台灣一整年的最高用電需求,以2015年整年的用電容量樣式來看,夏天用電接近3,600萬瓩,而冬天最高用電接近2,700萬瓩,兩者相差約900萬瓩。夏季用電多,冬季用電少,就是台灣用電的型態。是氣候與人的使用行為所共同造成的結果。


2015年度每日尖峰備轉容量曲線。資料來源:台灣電力公司

如果電力公司不知道瞬間用電量確實是多少,造成電力供電的困境,給電太少會造成大停電,太多也會發生供過於求,多給的電量也會浪費掉。供電與需電是否平衡可以從備轉容量率(%)來推估,夏季的備轉容量率遠低於冬季的備轉容量率,其原因是冬季用電需求量遠少於夏季需求量約25~30%,以電力公司的固定裝置容量來說,尖峰發的電量應付需求應該綽綽有餘。為了夏天用電的高峰,需要的發電裝備,就必須要有超過3,560萬瓩以上的發電廠設備,才不會造成大停電。

但是到了冬天,就只需要有2,700萬瓩的發電量就夠了。長達將近半年冬季,多出來的發電硬體就無需發電,只好放著閒置或是整修,也會成為設備上的浪費。如何在不同季節間,供需電之間達到平衡,又能讓所有發電設備都能夠被充分使用,提升發電設備的效率,是電力公司所面對的困境。真正的發電需求量應該是要根據即時用電需求所決定的,也就是尖峰用電來決定。需要多少電才發多少電。

換言之,以台灣夏季是用電尖峰,發的電如果無法滿足此瞬間需求,在別的時間發再多的電,不但無法滿足電網需求,也是浪費無用的。以目前台灣電力公司所公布的發電容量,全部發電裝置容量已經達4,327萬瓩(聯合新聞網,2017)。比用電歷史新高需量3,616萬瓩,還高出711萬瓩,約是總容量的16%。當然這些發電容量,有些難以掌控,是屬於看天候才能發電的再生能源。但是否有辦法可以透過管理與電網結構(infrastructure)來改善?這也是全球人類在未來供能、供電所需面對的議題。

再生能源的規劃與實踐

台灣現有社區的電能主要是來自集中式發電廠與廣大的電網供電,將來極端氣候下,面臨強風強雨的風險,與高溫甚至高冷氣候的用電需求下,以及現有火力燃燒發電所排出的高濃度二氧化碳,必須有些調適改變。從一些國家與都市在規劃未來社區用能的結構上,可以讓我們作為學習與參考。另一方面也應該發揮台灣自身再生能源的科技,協助世界上許多的無電社區。

1. 德國運用工業4.0促成能源轉型

德國人在2011年提出第四代工業革命的概念,相較於前一代的工業革命3.0可程式化工業生產(Program Logic Control, PLC),主要的進展是加入感知器與網路,變成虛實系統(Cyber-Physical System, CPS)或稱為「智慧型整合感控系統」,透過感知器將現實世界的數據,傳送到雲端網路儲存與運算,根據客戶的需求來生產產品的過程(林士蕙,2015)。會成為革命性的顛覆,主要是先前的大量生產方式,往往是根據成本與市場需求,無法根據客戶個別需求差異,耗費能資源大量生產同樣的產品,而這些產品不一定會被使用者所購買,造成生產過剩,浪費能源與資源。

德國主要運用工業4.0的設計概念在再生能源電網上,其主要的再生電網不單只有考慮運用再生能源作為發電廠,更要搭配智慧電網、儲能設備、與提升現有建築的耗能效率,多方搭配,才有可能成功推動,德國在2014年全國的能源組成(energy mix)中,再生能源所佔的比例已經達到27%,且再生能源發電設備已經超過150萬(GTAI, 2015)。

德國以工業4.0的概念所設計的再生能源網,是為了能夠作最大的效能發揮。裝上電力感應器與具備傳輸功能的智慧電網,可用來瞭解即時用電的需求與適當的輸電供應,在此供需電的管理下,以最低的備載容量供電,大幅減少供過於求的浪費問題,達到電網最大的效能。而傳統的電網是以估算用電需求來供電,因為無法預知下一刻用電是否能滿足需求,加上現有的交流電網,供電量絕對不能低於用電,所以會比實際的需電量,供給較高的電量,其需與供之間多出來的比例即為備載容量。

如果有所有用電者的即時用電資訊,就能最佳的供電管理。只要燃料供應無缺,傳統化石燃料發電廠可以穩定發電供電,然而再生能源的問題完全要看天候發電,隨時都可能停止發電,造成無法穩定供電。因此很重要的就是需要有儲能裝備,以穩定再生能源不穩定發電的屬性。德國的再生能源發電設備在2014年已經超過150萬座,此數量遠多於傳統集中式幾千座大電廠,屬於分散式電廠。

其好處是可以分攤風險,其中的幾座如受到損害或停止發電時,在適當的管理下,仍然可以用其中眾多的電廠來彌補,增加電網面對極端氣候的韌性。如果將來再併入電動車與車上的儲能裝置,整個電網會有革命型的突破,也更能減少化石能源所產生排碳與二氧化碳問題。


未來社區的清潔再生能源電網示意圖。繪圖:陳楊文

2. 以虛擬電廠Virtual Power Plant整合再生能源的操作

虛擬電廠指的是運用資訊通訊技術(ICTs)來整合管理分散各處的發電來源與電力需求,由於虛擬電廠是運用ICTs整合眾多小型發電廠,並非是具體單一的發電廠,但仍具有發電廠的供電功能,甚至超過傳統電廠功能,可以同時具有發電、輸電與控制需電的功能,故稱為「虛擬」。鄰近日本的關西電力公司,結合日立與三菱等公司,在日本兵庫縣淡路島建構虛擬電廠系統,藉以整合島上再生能源與用電需求。關西電力整合島上現有的太陽能及風力發電系統,日立供給高效率可控制冷暖氣機等電氣設備,與開發調整電力供需的電力平衡系統,三菱則提供蓄電池,眾多公司一起建構實證實驗系統(劉禹伸,2016)。


日本淡路島鹽田新島太陽能發電廠。拍攝:陳楊文

具體說,是為了將變動性的再生能源發電納入電網穩定供應範圍內,有效率地供應電力予關西地區各地工廠及辦公室,當再生能源若產生剩餘電力,先儲存至蓄電設備,而預知再生能源電力不足時,可將儲存在蓄電池的電力釋出,彌補電力不足之處,並同時遙控提高辦公室冷氣設定的溫度,以抑制電力的需求。如此不但可以穩定電網的安全,用戶亦可節少不必要的用電享受較為低廉的電費(劉禹伸,2016)。

3. 偏遠無電社區的再生能源演進策略

當我們離不開現代電氣化的世界時,很難想像這個世界上可能還有廣大地區與可能有數千萬人口無電可用。當筆者2015年以亞洲生產組織(APO)能源顧問造訪印度與印尼時,印度總理莫迪(Narendra Modi)正發表國情咨文,希望能夠幫印度偏遠尤其是的農村與社區提供電力。而印尼是將近2萬個島嶼所組成的國家,許多偏遠的離島居民亦沒有電網供電。對於這些廣大地區或離島居民,建構大型集中式發電廠與分布電網,不但造價遠高於平地,且輸電電塔與電線的建造難度也高,將來燃料的運送亦是一大挑戰,更不用說建造過程對於環境的衝擊。筆者建議印度當局,想想通訊技術的演進。

以前有線電話,必須靠電信線與傳輸電桿傳遞,而現代的手機,人手一機省卻有線電話網路,也沒有人會大費周章拉電話線。同樣的道理運用於此,如果偏遠無電的地區,跳過集中式大型發電廠,使用該地區在地可用的再生能源,譬如只要有陽光,就能有太陽能發的電力可用。確實在印度有赤足學院(Barefoot College),專門教導婦女學習利用太陽能建構家用的太陽能系統。並到世界各地1,300個鄉村,為超過55萬人口帶來照明(Barefoot College, 1972)。對於無電可用的社區而言,或是無電網供電的地區而言,即使是夜間的照明也是一項難以取得的安全挑戰,與其給與現代化集中式源源不斷的電力,除了需曠日費時的建設,也不一定消費得起高昂電費。

還不如幫助這些社區,給予簡易的太陽電能設備,除了太陽能LED燈外,在廣大的鄉村地區,運用太陽能抽水幫浦(solar pump)幫助抽運水灌溉,或甚至用來吸取日常生活不可缺的飲用水,低投資與低維護成本,無需取得燃料,這是無所不在的再生能源將來運用在偏遠社區的優勢。


轉給你看:開啟臺灣能源轉型

作者:周桂田、張國暉主編 

出版社: 臺大風險社會與政策研究中心 、秀威出版

出版日期:2018/4/15

電價補貼政策,幫了經濟,壞了空氣?台灣用電最多的是臺北還是新竹?首都與竹科大車拼!澎湖除了開發賭場,其實還有另一種選擇綠金的可能?台北的下一步可望循鹿特丹模式,轉型為低碳智慧城?水泥廠本應解決的空污問題,竟然是透過高雄小學生的自發行動才得以改善?台中的火力發電廠很重要嗎?讓我們用能源地圖解開台中的用電密碼!

關於能源,我們實在需要知道更多,本書特邀十餘位跨領域的專家學者,以十三篇專文向讀者介紹「什麼是能源轉型」「能源政策如何推展」「綠電該怎麼做」「公民可以怎麼樣參與能源轉型」這四大議題。

參考資料