[能資源]

永續發展與核四替代的最佳選擇－分散式熱電共生系統

作者：黃秉鈞　(台大機械系教授、新能源研究中心主持人)

能源、環保、永續發展、與新能源

　　科技固然為人類帶來許多福祉，改善了物質生活，但也因著經濟成長引起能源與資源日漸枯竭、環境遭受破壞。如果持續發展下去，人類最終的解決方法只有三個：

(1)依自然法則，即採最原始的方法，便是戰爭，以爭奪有限資源與生存環境;

(2)以道德勸說人類回歸儉僕或原始生活;

(3)運用人類智慧找出解決或預防的方法。

　　永續發展的意義即是在運用人類智慧來預防人類悲劇(戰爭)的發生，包括資源再生(再生能源、資源回收)與資源有效利用。因此，永續發展的能源策略即是新能源開發，包括：

。再生能源(太陽能、風能、地熱能、生物能、水力能、海洋能、大氣熱能)

。智慧能源(傳統能源的有效新利用) : 如汽電共生、電動車輛、燃料電池、超導等

。廢棄物能源 (農業廢棄物、工業廢棄物、都市廢棄物、廢能回收)

　　就以我們日常生活所倚賴最深的電力能源來說，它是初級能源(如油、天然氣、核能等)在發電廠經能量轉換成電力後，再輸送至用戶。其總能源轉換效率約百分之三十六，另外的百分之六十四是變成廢棄能源，在發電廠經煙囪排入大氣，或是經海水排入海中，或是沿著輸配電線沿路散失。當電力輸送至家中，用來推動冷氣機時，又將室內熱能與輸入之電能一起排向大氣。能源利用效率之低，以及造成環境污染之嚴重不言可喻。人類便是在這種所謂的科技發展中，一直浪費大量能源並破壞環境，朝向自我毀滅之路邁進。因此，如果說二十世紀人類最重大的革命是電腦革命，那麼可以預測二十一世紀人類的最重大革命將是「新能源革命」。

永續發展觀念下的新能源

　　永續發展觀念下的未來能源供給趨勢也將朝向：(1)「分散式供電系統」，建築物、社區與產業獨立供電系統，包括用戶自備部分電力，以及(2)多元化能源(如酒精汽油、太陽能、風能、氫能、地熱等再生能源)。試想不久的未來，我們住家陽台或後院，可能裝設有一套1-7 kW發電系統，採瓦斯或石化燃料或太陽電池發電，自給自足，有多餘發電時則轉賣給電力公司以供應附近用戶，如果發電不足則向電力公司買入。發電之排熱在夏天用來推動熱驅動式冷氣機以供應冷氣，冬天則用來供給熱水，或其他應用(如工業加熱應用)，整體能源利用效率可高達百分之八十甚至九十以上。在緊急狀況時，每一用戶仍可維持部分電力。即使是一般的用品，也將採用小型或迷你型可攜帶式發電器(數十瓦至數百瓦電量)獨立發電，逐步捨棄效率低、昂貴、又會污染的各種蓄電池。以上便勾勒出人類未來對新能源開發的願景，是很快會實現的。

「集中式發電」問題重重

　　核四之所以興建就是為應付電力成長需求，換一個角度說，也是因用戶無法或不願自設發電設施自給自足，全部需仰賴電力公司集中設置一個大型發電廠(核四)來發電再配送到用戶端，這就是傳統所謂的「集中式發電」觀念，至今已有百年歷史。可是「集中式發電」也發現諸多嚴重問題: (1) 集中式發電能源效率低、快速消耗地球有限資源; (2)集中發電也代表集中污染，破壞環境生態，; (3)低發電效率造成的相對較高量污染及引起發電廠附近居民不斷抗爭，所產生的社會成本，被長期忽略，也未反應在電價結構。

「分散式小型熱電共生系統」值得推廣

　　核四就是「集中式發電」的典型範例，是項古老傳統觀念。隨著時代變遷，我們必須有新思維才能應付挑戰。增加供電並不一定非得採「集中式發電」不可。上述「分散式供電系統」就是提供解決「集中式發電」問題的良方。

　　近年來政府大力推動的汽電共生，即是「分散式供電」的一種，不過所推行的對象限於工業大用戶(使用大量蒸汽之場所)，發電量仍大(數百千瓦)，應用範圍受限，因此發展日趨飽和。要想替代核四的「集中式發電」規模(270萬千瓦，每年發電156億度)，只要將現行的鼓勵裝設汽電共生政策，予以擴大規模，便有可能。將「分散式供電」觀念予以徹底普及化，鼓勵採用小型(10-100kW)甚至超小型(1-10kW)的熱電共生系統(只製熱水不生產蒸汽)，安裝場所則可包括住家、宿舍、商業大樓、大小工廠等，初期燃料以瓦斯為主。

　　就目前已成熟的瓦斯引擎或燃料電池技術，以1kWe發電量的熱電共生系統為單元來推算，每單元每年可發電約8,700度(以每度電2.8元計，價值約24,000元)。

　　如參考美國GE公司的HomeGen 7000型燃料電池系統技術規格，其發電量為7 kWe，發電效率0.29，回收熱能6.6 kWth，熱電共生總效率0.75以上。因此，1kWe單元之系統可以回收0.94 kWth的熱能，每天可以製造約485公斤(或485公升)的60oC熱水。

　　亦即，只要每天熱水(60oC)使用量達485公斤之場所，便可以裝設1kWe單元的小型熱電共生系統。其瓦斯用量為0.32 m3/h，換算成燃燒熱為3.4 kWth。而一般家用的瞬間瓦斯熱水器之燃燒熱為22 kWth，需2.1 m3/h之瓦斯流量，故現有家用瓦斯管線可以承擔到約7 kWe的發電系統。

　　如裝設一百萬個單元(1kWe/單元)，每年便可發電約87億度，約為核四每年發電量(156億度)的百分之五十六。

　　廢熱回收每天製造約485公升60oC的熱水(一個6口家庭所需)，每年可以節省獨立製熱水的瓦斯量960立方公尺，價值約10,000元 (單價10.6元/m3)。

　　因此，發電與廢熱回收之總收益每年約34,000元。而發電所需的瓦斯量每年2,800立方公尺，花費約30,000元。

　　合計每年可節省燃料費用4,000元。這種小型熱電共生系統的大量生產成本，可望達到每千瓦(kWe)單元新台幣30,000元左右 (按: 以美國通用電氣公司將推出的HomeGen 7000 7kWe燃料電池熱電共生系統售價約3,000美元，約新台幣90,000元，上述成本估算仍很保守)。不過，要個人投資新台幣30,000元的設備去獲得每年約4,000元的收益，一般人是不會做的。因此，必須有政策配合。

　　核四約花費1,700億元，而上述一百萬單元(1kWe)熱電共生系統的投資約需300億元，只佔核四預算的百分之十八，卻可以提供核四的百分之五十六的發電量。即使考慮超小型熱電共生系統的壽命為15年(核四為40年)，以40年週期來算，即使每十三年更新一次設備，一百萬單元超小型(1kW)熱電共生系統含更新兩次(共300萬台)需900億元，也只佔核四預算的百分之五十三。

　　進一步來看，如將同一發電量(每年87億度)的核四預算(948億元)的一半(474億元)，平均分攤補助裝設用戶，每單元個人投資便可降至15,000元，每年約4,000元的收益，四年便可回收成本，民眾接受性將大幅提高。

　　以上只是以簡單的觀念與成本分析來說明，增加供電並不一定非得採「集中式發電」不可。有人可能會質疑，一百萬單元超小型熱電共生系統的裝設可行性以及技術問題。依經濟部所公佈的能源政策白皮書，民國八十九年至九十九年的年總需電量約增加790億度，其中住商部門約增加545億度/年，而上述一百萬單元超小型(1kW)熱電共生系統，每年可發電約87億度，只佔增加額度(545億度/年)的16%。要找出16%的新增用戶鼓勵其裝設超小型熱電共生系統，困難並不是不能克服，關鍵還是在決心與魄力。

　　除了上述住商用的超小型(1kW)熱電共生系統外，工業用小型(10-50kW)熱電共生系統的潛力也很高。依經濟部所公佈的能源政策白皮書，民國八十九年至九十九年的工業部門約增加139億度/年。如果透過政策立法與獎勵補助，規定新增用電者必須至少一半採自備發電，如此工業部門便可提供每年約70億度的發電量。

　　綜合住商部門一百萬單元超小型熱電共生系統的自備發電量87億度/年，再加上工業部門每年約70億度的自備發電量，兩者恰巧合計達157億度/年，正好是核四的發電量。

如何推動分散式小型熱電共生系統

　　至於如何推動分散式小型熱電共生系統，理應不甚困難。針對前述結論: 只要每天熱水(60oC)使用量達485公斤之場所，便可以裝設1kWe單元的小型熱電共生系統。大致上可採取下列步驟:

1. 對住商部門以及各種產業，展開每天熱水用量或製程用熱量普查，清查可裝設之潛力。
2. 確認可裝設之對象(為確保電力網品質，每一地區有裝設總量上限)。
3. 推算全國總裝置容量。
4. 確認小型熱電共生系統之技術規格，針對特殊規格立即委請產業界投入開發。
5. 擬定獎勵補助辦法。

分散式小型熱電共生技術的前景

　　最後再就技術層面，分散式小型熱電共生系統是已商品化的技術，最成熟的是採汽油、柴油、或瓦斯的內燃或外燃引擎發電機，國內所有大樓幾乎都裝設有緊急發電機，可見其技術成熟度應無疑慮。因此，分散式熱電共生系統的推廣，初期可採用現成的引擎發電技術。而較新型的燃料電池發電技術也已成熟，且已有產品問世，也是我國列為國家重點發展科技項目(用於電動車)，因此，可以將燃料電池發電技術列為中程目標(四、五年以後)。另外，太陽電池發電技術則是早已商品化，只是目前成本仍高，但在各國政府積極進行獎勵推廣後，成本已快速下降，估計十年後必可達普及價位，屆時分散式小型熱電共生系統將可部分採用太陽電池發電。因此，可以將太陽能電池發電列為長程目標。

　　已有專家預估全世界小型分散式熱電共生系統的市場，十年內將達美金一百億元。全世界現有約四十家公司積極開發這種系統，一場新能源革命正在二十一世紀初默默展開。我國推廣小型分散式熱電共生系統，除可替代核四的實際效用外，小型分散式熱電共生技術(引擎、燃料電池、太陽電池)，全在國內可以自己掌握範圍，包括技術引進、產品開發與量產，可以建立一個規模不小的國內新能源產業，甚至外銷，對產業與經濟發展絕對是正面的，這是附帶效益。而核電廠則整廠向國外採購，只消耗外匯，對國內產業發展並無太多助益。

結語

　　本文由永續發展觀點來探討新能源發展驅勢以及可行的核四替代案，僅係拋磚引玉，不過由初步分析看來，分散式熱電共生系統將帶動新世紀的新能源革命，確有相當程度的可行性。總結如下：

1. 核四的替代可採行下列兩大措施來彌補:

(1) 徹底推動分散式發電，鼓勵採用小型熱電共生系統。
(2) 透過政策立法(含回售電力法規)與獎勵補助，規定工業新增用電者必須至少一半採自備發電，並鼓勵百分之十五以上之新增住商用電者，採用小型熱電共生系統，均由政府進行設備投資補助。

2. 分散式小型熱電共生系統的燃料，短、中程以採天然氣為主，未來則結合太陽電池，整個技術發展恰好有連貫性，可建立國內新能源產業。

3. 分散式小型熱電共生系統的技術，可先由引擎發電切入(1-5年)，再逐步進入燃料電池發電(5-10年)，最終則是太陽電池(10年以後)，能完全配合國家科技發展重點(燃料電池、太陽電池)，充分掌握新能源發展趨勢與時機。

4. 分散式發電系統能提升能源效率至百分之八十甚至九十以上，也有抑低我國二氧化碳排放量的效果。

5. 推廣分散式發電系統所涉及非技術層面問題(如政策法規、教育宣導、管理等) 是非常複雜的，然均是在可以克服的範圍內，基於環境保護與國家永續發展，但看為政者的決心與魄力。

全文詳見：http://news.ngo.org.tw/issue/energy/sub-energy00103101.htm