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我國未來的能源結構

各類能源的發電成本,可分為內部成本與外部成本。在規劃國家能源結構時,除了考量各種能源的傳統內部成本外,尚需考慮影響生態環境與社會的外部成本,以及技術實務上的可行性。
 
 
 
在規劃國家未來能源發電結構時,除了考量傳統的內部成本外,尚需考慮影響生態環境與社會的外部成本,以及技術實務上的可行性。

理想上,延續目前發電主力的「碳捕捉及儲存」(carbon capture and storage, CCS)發電成本最低,未來卻有很高的不確定性。大體上,再生能源的外部成本極低,技術可行性也高於CCS,雖然內部成本與發電本質評價不高,但無可諱言,再生能源的確是現今全球新興能源發展的趨勢。

如果說要符合上述3項規劃要項的能源,核電似乎是最佳選項,因為不但零汙染且發電成本低。況且核電商業營運至今已半世紀有餘,核安應變與廢料處理已是成熟的技術。唯一的缺點是要顧及政治干擾,前者是可人為努力的目標,後者卻是不可預期的因素。

發電成本定義

各類能源的發電成本,可分為內部成本與外部成本。前者包括電力事業部門在興建發電廠時所需要的成本,以及電廠完成後營運所需要的維運成本、燃料成本等;後者則包括電廠營運後所排放的CO2、NOx、SOx等影響地球環境和人體健康所造成的社會成本。

在規劃國家能源結構時,各種能源的這兩項成本須同時納入考量。因為外部發電成本攸關人類社會的永續經營,事關重大,尤其是溫室氣體排放所造成的氣候變遷,更是目前熱門的話題,也是各國急欲解決的施政議題。

溫室氣體(包括CO2)的排放,隨著採用最佳可行技術,加上政府訂定及執行管制規範與措施,雖然未臻理想,但已見大幅改善,因此本文僅考量CO2溫室氣體所造成的外部成本。

排碳量與成本

各式發電設施的碳排放計算方法,是採用符合ISO14000標準的「生命周期評估法」,或稱「搖籃至墳墓法」。計算時考慮各種能源材料從原物料開採、提煉、處理、運輸,到使用運轉、維修及除役過程中消耗或產生能量時,所排放的溫室氣體。

再生能源與核能發電

太陽光電、海洋能發電、水力發電、風力發電等再生能源,在發電過程中雖不產生溫室氣體,但在製造渦輪機、太陽能板等設備的過程中仍會少量釋放,因此只能視為低碳能源。而使用燃煤、氣、油的電廠,則是聲名狼藉的溫室氣體製造者。

太陽光電—製造太陽能板所需的矽,必須在高溫下從石英沙中提煉,而這過程會消耗整個製程60%的能量。就現有技術而言,太陽光電的CO2排放量約為每瓩小時58公克,預期未來的排放量可降至每瓩小時15公克。

海洋能發電(波浪與潮汐)—目前尚無商業化量產的數據,但這方法大部分的二氧化碳是在製鋼過程中產生的。估計製造一組波能轉換器需665公噸鋼(額定功率是750瓩),計算它的排碳量大約每瓩小時50公克,未來可望降至每瓩小時15公克。

水力發電—排碳分為儲存設施(攔水壩,排放量約為每瓩小時10公克)與發電設施(渦輪,排放量是每瓩小時3公克),其中儲存設施的排碳量較高,因建設儲存設施需大量的混凝土與鋼鐵。在所有的發電技術中,水力發電屬於排碳量最低的,排放的二氧化碳甚少,但美中不足的是,水中植物會因腐敗而釋放出甲烷。

風力發電—約有98%的排碳發生於建造時,例如塔架所需的鋼、基座所需的水泥、葉片所需的玻璃纖維與樹脂等,而在運轉時的排碳,則發生於維修過程中。依生命周期評估,陸域風機的排碳量約為每瓩小時4.6公克,而離岸風機因基座較大,每瓩小時約5.3公克。

生質能發電—來自生長周期較短的灌木柳樹、草、芒草等,且被視為是「碳中和」的能源(因燃燒所釋放的二氧化碳大約等於生長期間所吸收的量)。但若進一步考慮植物生長期間所施加的肥料等,生質能只能視為低碳能源;又因其能量密度較低,大量載運時會增加二氧化碳排放量。據估計,芒草、氣化的木屑及稻草的排放量,各約為每瓩小時80、25及230公克。

核能發電—排碳量大約是每瓩小時5公克,未來減排空間很小。因為不需燃燒,在運轉過程中排碳量所占比率小於1%,大部分的排碳來自於鈾礦開採、濃縮與燃料製備,除役時則占約35%的排碳量。

化石能源及廢棄物發電

燃煤電廠—是現今排碳量最大的電廠。我國若導入新一代整體氣化複循環技術(integrated gasification combined cycle, IGCC)燃煤電廠,二氧化碳排放量將是每瓩小時0.8千公克。

燃油電廠—排碳量僅次於燃煤電廠,大約是每瓩小時0.65千公克。由於國際油價變動劇烈,考慮未來的風險,現有的燃油電廠將逐步以同樣發電量的燃煤或燃氣電廠搭配CCS技術取代。

燃氣電廠—排碳量居第三名,大約是每瓩小時0.4千公克。另外,利用都市廢棄物燃燒發電的排碳量則是每瓩小時1.36千公克。

註:1英鎊=48 NTD;折現率=0.0425;1澳元=30 NTD;1 GJ=277.8 kWh;1 Ton CO2=31澳元=930 NTD

國家能源結構規畫

如前所述,各型電廠的內部成本關係到建造投入資金與營運成本,以及每一度電的成本,若電價越便宜,國家經濟發展將越有競爭力。

人類幾百年來極力發展科技,在內部成本上確實降低了許多,但因為一直未把外部成本納入考量,致使溫室氣體大量排放,嚴重影響氣候變遷,也造成社會與生態的打擊與損失。如今外部成本的考量漸受重視,本文將就廣泛的發電成本,構想我國未來20年應有的發電能源結構。

能源政策與發電成本

就各種發電能源的內部成本分析顯示,在3種內部成本中,占最多的是建廠成本,這與能源的開發技術時間長短有關。傳統能源,包括煤、石油、天然氣和核能,由於人類已使用多時,因此比新開發的再生能源(如太陽能、風力、生質能等)便宜。但是,化石能源的社會成本太大,使得各國轉向推廣低碳能源。基於新能源技術起始期內部成本很高,這時政府宜利用政策獎勵建廠,使民間在有利可圖下樂於隨量提升技術層次,建廠成本也會逐步下降。

據研究,一些新能源發電技術,例如「整體氣化複循環」(IGCC)、「氣渦輪機複循環」(gas turbine combined cycle, GTCC)、與「捕碳儲碳技術」(CCS),將陸續於未來二、三十年因技術成熟而進入商業營運。尤其是CCS與風力、太陽能等再生能源,若能隨著政策的推動(如政府的獎勵措施)與技術的演進(如發電效率的提升),在量價增減相互作用下,使得內部成本逐漸下降,加上民間興建低碳電廠意願提高,外部成本的降低自是水到渠成。

當然政府的補助應隨著時間而下降,在數量增加後,技術原本會因政府補助下降的刺激而提升層次,但這時如果仍然依賴政府的高檔補助,技術將因怠惰而停滯,內部成本自是居高不下。且因數量停止增加,降低外部成本的目標自然也無法達成。更危險的是,政府持續高檔補助這種不當的政策,將造成財政赤字與經濟衰退,德國與西班牙就是前車之鑑。

各類能源發電成本估算

依據經濟部99年再生能源躉購費率及其計算公式可知,各種能源發電的內部成本,是由建廠、維運與燃料3項所構成,其中又以建廠成本是最大宗,也是影響內部成本最主要的。而在這方面,傳統火力電廠的內部成本最低廉,一度電只要0.5元新臺幣。

值得一提的是,由於普通電廠的建廠資金是向銀行借貸的,因此建廠成本是每年還給銀行的部分本金與利息。基本上,若電廠的可用率高,不但適合當作基載發電,每年發電量維持連續高檔,加上長期使用年限,實際上是可大幅減少每年付給銀行的建廠成本。

相較之下,再生能源燃料成本雖然幾乎是零,但因無法穩定供電,使得電力公用事業部門基於經濟因素,與考慮電網併聯的穩定性和管理性,對於間歇性的高價分散式再生能源發電是有所顧忌的。

數據分析

由前述可知,傳統化石能源發電的單位溫室氣體排放量較高,相對地,外部成本也水漲船高。但顧及這些化石能源發電具有的較低內部成本與龐大的蘊藏量,例如,評估全球的煤可再使用200年,天然氣是60年,為了增加傳統能源的延續性,相關產學界開發了低排放的火力發電技術—IGCC、GTCC與捕碳儲碳技術(CCS),讓燃煤與燃氣電廠能在更潔淨的狀態下繼續發電運作。

然而,這些技術至少在二、三十年後才能商業化,實在緩不濟急。這時,另一種傳統能源—核電—似乎是個不錯的選項。據研究,核電外部成本與再生能源一樣低,能源可用率(即穩定性)卻與火力電廠一般高,且核電技術目前已臻成熟,是一種可行性極高的低碳能源。

如前所述,雖然再生能源的外部成本極低,是一種潔淨能源,但由於供應不穩定,即使技術啟蒙很早,內部成本仍然居高不下,單位發電成本自然無法下降,若要當作主流發電能源,可能尚有待考量。
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