由下而上解決用電需求 馬國鄉村的再生能源套餐 | 環境資訊中心

由下而上解決用電需求 馬國鄉村的再生能源套餐

2015年10月28日
作者:Rebekah Shirley(美國加州大學柏克萊分校能源與資源部)、Daniel Kammen(美國加州大學柏克萊分校高曼公共政策學院);翻譯:莊迪澎

※ 編按:沙勞越(Sarawak,又稱砂拉越)是馬來西亞面積最大的州,而台灣是沙勞越木材的第三大進口國;也是2013/2014年馬來西亞最大的油棕進口國。當地團體「達邦樹 の 吶喊」認為,木材與油棕正是衝擊森林生態的兩大原因,為此提供相關的中文資訊,包括翻譯自英文媒介的報導與研究報告,特別授權給本報,希望藉此傳達相關資訊給中文讀者。

分佈式能源 鄉村能源供應

評估鄉村的能源需求

雖然能源基礎設施可以促進經濟發展目標,它們促進在地生計的潛能卻有所不同。討論分佈式能源方案和取捨問題時,必須考慮鄉村能源可及性的重要性,尤其是在鄉村總人口如此顯著的國家。規模和在地化需求是能源規劃的重要考慮因素。東馬大部分鄉村並無「電纜網路」(grid connected)可及性,非常依賴高成本的柴油電力和交通運輸。改善鄉村能源獲取一直是未來討論能源課題的一個重要環節,但關於需求和潛能的量化資料卻很少。

我們在巴南盆地(Baram Basin)——下一個將被洪水淹沒,以作為水力發電水庫的盆地——做了一項個案研究,探討再生能源作為一種自下而上的解決方案,來滿足這些受影響社區的能源需求之潛能。

巴南河是馬來西亞第二長的河流。水壩所在地的巴南河上游沿岸共有超過20個村莊,代表不同的土著族群。為了本次研究,我們做了多次實地考察,訪問巴南河沿岸12個村莊(見下圖)。我們使用實地觀察、家戶能源審計和訪談的方法調查每一個村莊。在每一個村莊,我們都訪問了村莊領導人、家戶代表和召開社區會議。我們也實地考察當地的一些生物氣化項目,並與超過20個政府機構和非政府組織訪談,以了解小型能源獎勵、機會和限制。通過調查和數據測量,我們收集了各個巴南村莊的能源使用和能源資源可用性的訊息。

馬來西亞砂拉越州,巴南盆地。圖片來源:〈甘榜(鄉村)的能源潛力:評估以分佈式能源滿足東馬來西亞在地需求之潛能〉報告。

馬來西亞沙勞越州,巴南盆地。圖片來源:〈甘榜(鄉村)的能源潛力:評估以分佈式能源滿足東馬來西亞在地需求之潛能〉報告。

以肯雅族定居的龍山(Long San)為例,它是其中一個最大的巴南村莊,距離美里(最近的主要城市)東南部大約150公里。龍山擁有多座「長屋」(long-house,單一建築物,內含相鄰的房間,社區的所有家庭都住在這裡),合計160個家戶(長屋裡的單一住房單位,由二至三戶人家共用,每戶大約五人),代表大約800人。

龍山是城市商品的主要貿易基地,已成為巴南社區的樞紐。另一個肯雅族村莊是龍阿納普(Long Anap),距離龍山35公里,是個中等規模存在,有兩座長屋,合計54戶。丹絨特巴力(Tanjung Tepalit)是一個規模更小的村莊社區,位於龍山沿岸以南約22公里。它包含一座擁有25戶的長屋。肉類和農產品貿易是當地的經濟基礎,使得它享有現代能源服務。周圍村莊的農產品(水果、蔬菜和肉類)都帶到龍山沿岸交易和進一步的運輸。

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馬來西亞著名的長屋,社區的每一戶人家都同住在一個屋簷下。圖片來源:adam79(CC BY-NC-ND 2.0)

根據實地考察和家戶訪談,我們記錄了每個村莊裡的發電機數量和類型,以及使用的時間和總油耗量,以估算當前的能源供應。每個村莊除了長屋之外,一般上還有一座社區教堂或診所,以及一所小學或中學,而且都有各自的發電機。當地的州政府部門供應柴油,以便為這些公共建築物供電。

例如,在龍山,有四個20千瓦的發電機供校舍和診所使用,並由政府維護。我們選擇不將這些負荷納入我們的模型,因為它們並不影響家庭開支。我們也選擇不做以一年裡非定期發生的特設/額外負荷(ad-hoc loads)建模。種植山稻(hill rice)的村莊主要是為了維持生計,例如巴南人的村莊,在收割季節過後,便將已收割的稻米從稻殼中磨碎成個別顆粒。用多少台磨機、多少天及多少個小時,取決於當季的收成情況。此外,磨機可能在一年裡某些需要額外稻米的時節運行,如大規模探親、社區慶典或節日。因此,很難為此類負荷建立日常和季節性的需求資訊檔案。

馬來西亞的高山稻田。圖片來源:ammi02(CC BY 2.0)

馬來西亞的高山稻田。圖片來源:ammi02(CC BY 2.0)

我們聚焦於晚間所需的負荷,發現各村莊平均60%至70%的家戶必須擁有小型發電機方可獲得電力。一個3kW 220-V的中國進口同步發電機,是各村莊最常見的家用發電機。便攜式發電機一般可實現15%至20%的總功率或7-8kWh/gal。

發電機以低功率操作,是因為疏於頻繁維護,以及以低於額定容量運行。然而,我們假設村里的發電機以15%的功率操作是保守的。每一家戶平均容納二至三個家庭,讓發電機從傍晚6時運行至午夜12時,每一個晚上消耗0.5至1加侖,相當於每晚3.5至6.5kWh。我們的電力消耗和日常需求狀況調查結果,與馬來西亞的其他村級能源審計非常一致。

在調查中,我們審核每一個家戶使用的家電類型和數量,以及使用的頻率。我們的調查顯示,可用電力主要是用於照明和風扇,而很多家庭同時也有洗衣機、電視機、DVD播放機等家電。很多擁有發電機的家庭指出,他們無法負擔每月固定的柴油供應,因此盡量少用這些額外的家電。根據在文獻中找到的標準功率額定值,我們估計每個家戶的夜間電力需求為0.7kW。我們所記錄的家電類型和其使用模式,與本地和區域性文獻的研究發現一致。

除了這些日用檔案,我們還使用調查結果來建立一個季節性需求檔案,作為測量每個月的日均需求。6月至7月的假期,孩子從寄宿學校回到家裡,電力需求較高,而12月至1月的假期,家庭成員從市區返回自己的村莊,電力需求達到高峰。

每個家戶每個月大約105 kWh,與沙勞越州內每戶每月平均家用電量205 kWh相比,村莊的負荷量相對較小,當中主要的負荷也可以包括空調、吊扇、冰箱和熱水器。不過,雖然是以每公升馬幣1.8元(約新台幣18元)的標準零售補貼價格出售,按照我們的效益假設,柴油電力的有效成本是每千瓦時馬幣1.1元(約新台幣11元),是州內公用事業客戶家用電費每千瓦時馬幣0.31元(約新台幣3.2元)的2.5倍。

因此,村莊的一個家戶每個月可能花費大約35美元(約新台幣1100元)的電費,其中有些錢是用來購買柴油,相比之下,馬來西亞平均家用電力開支是每月19美元(約新台幣615元)。

柴油和有效電費
柴油能源含量(BTU/gal) 139,000
假設平均發電率(%) 15%
每單位柴油電力(kWh/gal) 6.11
標準已補貼柴油價格(US$/L) 0.55
電力效益成本(US$/kWh) 0.34
SESCO家庭電費(US$/kWh) 0.10

模型框架

我們使用國家再生能源實驗室(NREL)開發的能源資源混合優化模型(HOMER)。HOMER模擬成千上萬的系統配置,優化生命週期成本,並針對大多數的投入生成敏感性分析結果。HOMER最初是開發來供發展中國家應用,如今已是用作遠程微電網的最受歡迎商業設計軟體。我們為每個村莊提供HOMER,並備有資源和技術投入,包括每月生物質殘留可用性、每日太陽輻射和每月平均流量。長屋五公里範圍內的微水力電站(Micro-hydro sites)都適於發展。

由於大多數社區在河岸定居,以便使用其交通的便利,這個特別適合於沙勞越的鄉區村莊。綠色培力組織(Green Empowerment)的水流測量與40年的降水資料串聯,以估計每月平均流速。我們利用NASA的地面太陽能數據和村莊的坐落點,以便確定該地區的太陽能潛力。巴南頂峰在3月的全年平均日照為5.34 kWh.m-2.day-1。

我們以稻殼作為原料來估計小規模生物氣化的潛力。巴南村莊以自給自足的農業為生,每個家庭都擁有土地用來種植山稻。一個大家庭一般上在村莊範圍內擁有六至七畝的土地,而較小的家庭可能擁有二至三畝,每年每一畝土地平均可產出十袋白米。白米收割後裝袋存儲,並在當年內按需要研磨。研磨期間產生的稻殼廢物目前並沒使用。我們可以根據每月白米消耗量來估計全年的稻殼分佈。我們不會保守假設稻田廢物(即稻草)不能搬運到長屋。稻殼的高熱值(HHV)是15.84 MJ/kg。文獻表明,天然氣收益率是介於1.63〜1.84 m3/kg之間,而氣化效率則介於80.8%〜84.6%之間。我們假設氣化比例為1.7m3 /kg,並觀察敏感性。我們記錄到較低的天然氣收益。

最後,根據NASA的數據,今年的50米風速大約有50%是每秒二米,這是因為該地區的內陸位置和崎嶇地理條件所致。鑒於該地區的低風速模式,我們認為風力並非可行的能源選擇。

我們提供關於水輪機設計流量、生物質氣化補給率、預期效益、預期壽命、投入資金、每一項技術的更換和操作/維護成本等HOMER投入數據。水力發電和太陽能資本成本數據(分別為US$1300/kW和US$2,300/kW)是根據綠色培力組織的數據為準。小規模的生物氣化資本成本(US$1500/kW)乃摘自文獻。調查也報告了柴油發動機的成本(US$440/kW),這與文獻所引用的成本相符。我們採納了柴油發電機燃料曲線、已在HOMER普遍使用的標準深循環鉛酸蓄電池特性(資金成本為US$350/kWh),並假設利率為7%,設定最大能源短缺約束為10%,以及總系統壽命為25年。我們使用敏感性分析來觀察不同技術價格、資源可用性和短缺約束的結果。

每個村莊的預計能源需求和能源資源屬性。圖片來源:〈甘榜(鄉村)的能源潛力:評估以分佈式能源滿足東馬來西亞在地需求之潛能〉報告。

每個村莊的預計能源需求和能源資源屬性。圖片來源:〈甘榜(鄉村)的能源潛力:評估以分佈式能源滿足東馬來西亞在地需求之潛能〉報告。

整體模型結果

HOMER為每個可能的技術結合提供根據總淨現值成本(Net Present Cost, NPC)排名的優化配置。我們在這裡提出巴南河沿岸三個肯雅族村莊的模型,即龍山(Long San)、丹絨特巴力(Tanjung Tepalit)和龍阿納普(Long Anap)。

這三個村莊分別依據它們的規模和村民活動而代表高、中、低能源消耗量。論家戶數,丹絨特巴力是最小的村莊,需求水平低,但是論人數和相對穩定的年度電流流動模式,它卻有較大的水力潛力。該村成本最低的系統是單一的9kW水輪機搭配60kWh電池組,單位發電成(LCOE)為US$0.15/kWh。柴油為主的案例是20kW柴油機系統,無需備用電池。該水電系統佔總淨現值成本的1/3,年度運營成本(主要是燃料成本)佔1/5,所產生的單位發電成本是有效柴油單位發電成本的1/3。我們發現,電池組佔用了該系統的大部分成本。電池系統維持將近100%的充電狀態,除了乾燥的夏季和2月例外。另一個最便宜的選擇是把一個5kW PV加到水力系統,顯示太陽能有助於低成本系統的潛力。

龍阿納普這個村莊的總需求較高,但年度平均電力流量較低。因此,儘管村莊成本最低的系統是圍繞一個7kW的水輪機旋轉,它也需要20kW的柴油和120kWh的電池。水電機組每年產生總發電量的54%。事實上,龍阿納普的所有最佳配置包括一個最小的20kW柴油後備。這個最低成本系統大致是總淨現值成本的4/5和40kW柴油系統的單位發電成本的4/5。由於它的每天平均燃料消耗低得多,所以其常年營運費也低得多。

由於人口較多,龍阿納普的稻殼資源浪費也較多,因此能以比丹絨特拉比較低的成本做出最優設計的沼氣發電機。龍山的人口最多,有80家戶,估計電力需求為45kW。最低成本系統包括11kW的水輪機和40kW的柴油機,電力生產總量為60%水電和40%柴油發電。該系統大致是總淨現值成本和60kW柴油機的單位發電成本的2/3。龍山的最低成本系統並不是柴油發電機,因為它需要顯著的電池儲存(240kWh),而是PV或沼氣發電機。

因此,由於經常性燃料成本的緣故,柴油即便享有政府的補貼零售價格,卻是巴南村莊中最昂貴的電動生產形式。

HOMER通過常年能源短缺情況來追蹤系統的可操作性。這是再生能源系統的主要失誤,因為總淨現值成本增加顯著滿足零短缺的約束。柴油機系統是技術上最靈活的,因而可靠——儘管誠如調查所述,燃料短缺越來越成問題。由於短缺約束收緊,滿足需求的最佳配置逐漸變得更貴,而雖然成本低,有可能使用高再生組分系統,但它們更為複雜,需要三個或更多的燃料類型和電池儲存。

總體來說,我們發現,結合再生能源技術(RET)的系統比獨立家庭柴油發電機標準系統便宜。在每個村莊的案例中,論需求水平、生物質廢棄物和水力資源的可用性,結合再生能源技術的最低成本系統將滿足至少50%的電力生產。在每一種情況下,這些最低成本系統的總淨現值成本、單位發電成本和常年經營成本顯著低於柴油發電案例。然而,我們注意到解釋這些結果的局限是,柴油為基礎成本在很大程度上已經出現在使用現有發電機的家庭。這凸顯了在地、小規模的再生能源技術具有滿足鄉村能源需求之潛力。

每個村莊的選擇最優化結果。圖片來源:〈甘榜(鄉村)的能源潛力:評估以分佈式能源滿足東馬來西亞在地需求之潛能〉報告。

每個村莊的選擇最優化結果。圖片來源:〈甘榜(鄉村)的能源潛力:評估以分佈式能源滿足東馬來西亞在地需求之潛能〉報告。

靈敏度分析

我們觀察到不確定性變量對優化系統配置產生的影響。我們對資源可用性(生物質廢棄物和平均電力流量)和需求(每年需求規模、短缺約束)展開靈敏度分析。雖然是以標準價格出售,我們也觀察柴油燃料成本對系統的影響,以了解現任政府的補助和潛在未來價格上漲的影響。我們也觀察光伏技術成本的影響,因為技術的資本成本瞬息萬變。

我們發現,在所有靈敏度方面,水力渦輪機對村莊社區而言是最具經濟效益的技術。由於電力流量預測提高,電池支持的需求就下降。然而,應付旱季的負荷,對有較高需求的村莊是個挑戰,特別是處於零短缺約束的村莊,它們需要額外的技術和更高的成本。

研究表明,電力流量可能因溫度和降雨的變化而變得更加極端。這與文獻對微型水電局限性的描述一致。有一個最小量的生物質可用性,當中的小規模氣化技術與水電結合,產生成本效益。這可在龍阿納普和龍山看到。光伏並不總是被選為最佳系統,主要是由於其晚間負荷,但在柴油價格高企而光伏資本成本低的時候可以具有成本效益。一般上,柴油價格提高和村莊需求預測提高能改善再生能源技術系統的成本效益。

為鄉村提供能源可及性的機會

我們的研究結果與最近的一些研究發現相符,即發現光伏、水力渦輪機和生物氣化因微電纜網技術而更受歡迎。稻殼生物氣化方面的區域性成果,如印度的稻殼電力,以及多數為是在地使用的其他生物質廢棄物形式,如鄰近沙巴州的京那生物能源(Kina BioPower)展現了部署的潛力。文獻討論發展這些技術的壁壘,主要包括維護問題。還有在旱季應付負荷的具體挑戰、需求管理和收費。然而,跨婆羅洲的一些成功安裝證實了,這些都是可行的技術,當中有一些還單獨操作超過十年。甚至是砂能源公司也援引微水電潛力在不久的將來應付遠程負荷。其中最突出的綠色培力組織和托尼邦(Tonibung)案例研究是在龍拉文(Long Lawen),這個村莊有一半的村民在1994年的巴貢水壩排洪期間反對遷徙計劃,並搬到地勢較高的祖先土地範圍內,而另一半的村民則被安置在阿薩普(巴貢水壩居民徙置區)保留地(Asap Reservation)。

最終,在綠色培力組織和托尼邦完成調查工作後,一個8kW的水輪機和微電網網絡在2002年投產,如今已在運作。與我們的結論相符的是,這個新的微電網系統的成本比社區之前投入在發電機的總投資減少了50%。該村及其微電網也代表了在地解決方案在社會運動所發揮的角色。

在沙勞越,微電網(更具體地說微型水電),已經承擔了遊說拯救巴南河的環保運動的社會象徵意義。即便該州有興建大規模水壩的計劃,以從鄉區傳輸高壓輸電,這從來沒有轉化為受影響地區或高地河流社區的電力可及性。

該微型水電系統明確再現了同一河流資源交替使用的情況。因此與其說它是以自身為目的,其實更是一種社區培力手段。還有就是,這個鮮明的並列,使得一個有趣的政治生態隨著微型水電系統在東馬的村莊逐一普及而衍生。綠色培力組織和托尼邦正在掀起顯著勢頭,它們於2013年在沙巴州設立了一個聯合培訓中心——CREATE,內設培訓場地、技術課程、模式和產品測試設備。該培訓中心接納馬來西亞各地的社區成員前來參加職業培訓。該培訓中心與一個在地社區組織——沙巴社區夥伴信託組織(PACOS Trust)合作,讓學生也有機會學習社區領導技巧。

這個實踐已從技術部署不斷發展成在地能力建設,創建一個在地的鄉村工業,並參與原住民的環保運動。本案例研究代表了新穎、實際且實時地應用技術作為自下而上的解決方案。

第十個馬來西亞計劃(Tenth Malaysia Plan)和國家第五燃料政策(National Fifth Fuel Policy)強調增加電力取得和再生資源在燃料結構中所佔份額的重要性。事實上,小型再生能源發電計劃(SREP)是設計來讓高達10兆瓦的再生能源項目得以出售其產出,以供使用,雖然截至2012年此計劃只安裝了53兆瓦的產能。然而,《2011年再生能源法令》(Renewable Energy Act of 2011)取代了小型再生能源發電計劃,該法令促成建立和實施全國性的政府電力收購制度(Feed in Tariff,FiT),以促進投資於再生資源。然而,在為鄉區州屬如沙勞越增加電力取得方面,兼用集中式和分散式解決方案的「雙軌制」做法是必要的。

此外,燃油補貼佔馬來西亞國內生產總值的2%和政府總開支的11%。燃油補貼並沒有在城市和鄉村社區之間和整個經濟階層之間有效分佈。因此,政府有意改革補貼支出。儘管有許多有利於微電網系統的潛在政策工具,例如最高的收購費率和建立最低服務品質標準,目前該州的獎勵辦法並不適用於非電網項目開發商。因此,需要進一步研究設計適用於在地開發商和住宅區的政策。

結論

我們借助東馬來西亞沙勞越州巴南河沿岸村莊的研究,促進在地和大型能源服務的辯論。我們根據成本和資源可用性,探討這些村莊的最佳燃油配置,並找出能源服務的最低成本選項是在地管理的小規模水電、沼氣發電機和附帶電池的混合方案。各種不同的再生能源服務方案,成本都比柴油能源方案較低。

我們的結果強調,需要進一步研究沙勞越其他高地社區的適當地點。研究結果強調沙勞越鄉區各村莊的潛力,以便利用在地和永續的資源,滿足他們自己的能源可及性與需求,並建議採用一種完全不同的策略,以便在現有的州政府計劃中擴大鄉區的能源可及性。

雖然發電和擴大電網的集中化計劃乃必要,探索以在地化、自下而上和分散式解決方案獲得能源的實適用性,亦十分重要。擴大能源可及性將需要各式各樣的技術創新,但也需要新的政策、業務開發、融資手段和體制機制來促成引進這些技術。政府支持的在地和全國性創新,以提高現代能源可及性,有好些成功的案例研究和最佳範例。