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《2016能源技術展望:邁向永續都市能源系統》重點評析

2016/07/05 經濟部能源局 點閱人次: 563

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撰文/趙家緯、楊秉純

要達到抑制增溫在2℃以下的減碳目標,必須透過全球共同努力。ETP 2016指出,為整合具變動性的再生能源,電力系統應進行4項調整;工業、建築與運輸部門的減量目標需藉由能源效率提升來達成;而「永續都市能源系統」則是能源永續的終極目標。

《巴黎協定》後的減量努力

全球於去年(2015)12月簽署《巴黎協定》,揭示全球各國減碳責任與目標。然而依據聯合國分析,目前各國提出的減量承諾,仍將使本世紀末的地球增溫達到2.7℃,因此各國仍需更加嚴格執行其減量承諾,並加速潔淨能源的發展。國際能源總署(International Energy Agency, IEA)則於今年(2016)6月出版《2016 能源技術展望:邁向永續都市能源系統》(Energy Technology Perspectives 2016: Towards Sustainable UrbanEnergy Systems, ETP2016),綜合最新政策與技術發展趨勢,分析各部門為達到減量目標時,在能源效率提升以及潔淨能源發展上需投入更多的努力。

全球低碳展望

IEA 於ETP 2016中指出, 若欲達到抑制增溫在2℃ 以下的減量目標(2 Degree Scenario,即2DS情境),則需將未來初級能源需求量年平均成長率由BAU 情境(即6DS情境,代表世界現在的發展方向,具有潛在破壞性的結果)的1.5%,抑減至0.5%,亦即未來初級能源密集度改善率需達3%(最終能源消費密集度平均降幅為2.7%)。而在供給面上,2050年時化石燃料於初級能源的占比,則須由2013年的80%,大幅降至45%,再生能源占比則須達44%。若欲達到減量目標,現在至2050年時需較6DS情境多削減7,000億噸的二氧化碳排放量,若就各個減量措施的減量貢獻度加以分析,能源效率的貢獻度為38%、再生能源為32%、碳封存捕集(CCS)則為12%(圖1)。

從部門別分析,電力部門貢獻度為39%、工業為23%、運輸部門為18%、建築物為14%。其中電力部門的貢獻度由ETP 2014的41%下降了2%,而工業部門的貢獻度則由ETP 2014的19%提升至23%。若就各部門中個別減量策略的貢獻度加以分析,可見在電力部門上,除了再生能源以外,核能的貢獻度達18%,CCS 則為15%。工業部門方面,能源效率提升的減量貢獻度達74%,但CCS 的貢獻亦達16%,顯見工業製程如何導入CCS亦為達到減量目標的關鍵策略。而運輸部門中,電氣化與能效提升的貢獻度則高於生質燃料的發展。

若與過往能源技術展望的減量貢獻度相比較,能源效率較2012年能源技術展望(ETP 2012)中大幅提升了5%,再生能源則無改變,而CCS則是削減5%。可見在CCS的技術發展進度不如預期下,能源效率提升對於達到減量目標的重要性日漸吃重。

低碳電力系統的建構

電力部門為減量貢獻度最大的部門,依據IEA分析,若要達到減量目標,則電力部門的二氧化碳排放係數需由2013年的528g /kWh ,削減至40g /kWh。因此低碳電力(再生能源、核能、CCS)的發電量占比於2050 年時需達到95%,而傳統燃煤電廠僅占0.025%,其餘為燃氣電廠。且2025 年起 CCS 開始商業化,新增燃煤與燃氣電廠均需裝設CCS,裝設CCS的燃煤電廠發電量自該年起每年需成長30%。

因低碳電力占比急速成長,故由「2050年電力結構」(圖2)中可觀察到,全球傳統燃煤發電量將於2020年達到頂峰,自此急速削減,2020年至2030年間每年傳統燃煤發電量需減少5%,而2030 年至2040年時每年燃煤發電量更需較前1 年減少14%。然而IEA 指出目前營運中與興建中的傳統燃煤電廠依其年限,2050年尚有1,200GW可運轉,但為達減碳目標,80%以上均需提前除役或增設CCS。為避免上述的碳鎖定(carbon lock-in)效應,IEA建議各國新增燃煤電廠時,應預留增設CCS的空間。

為建構低碳電力系統,太陽光電(Photovoltaics, PV)以及風力此2項重要的再生能源,在2050年時的裝置容量與發電量占比需提升至50%以及37%。IEA 指出為了妥善整合上述2 項具有變動性的再生能源,電力系統需有下列4項調整:

˙燃氣做為備用:2050年時燃氣複循環機組每年發電時數將由每年3,300小時降至1,250小時,以平衡再生能源的變動性為主。

˙儲電能力提升:全球的儲電能力需增加3倍,達到560GW(約為變動性再生能源裝置量的9%),其中仍以抽蓄水力為主。

˙需量反應:藉由智慧電表的導入以及電動車的增加(2050年時全球達5億台),故可以採用智慧調控充分發揮需量反應的潛力,並配合再生能源的變動性,調整電力需求的時段。

˙電網整合:藉由擴大電網可有效整合不同國家間的再生能源,增進電力系統的彈性。

為達到減碳目標,未來10年各類低碳電力的年均裝置容量增加需加倍。如2036年至2050 年,PV年增量為目前的7倍,新增PV用來汰換屆齡的模組。此外專業人力亦為提升低碳電力布建速率的關鍵因子,如風力發電的布建速度若要達到預期目標,產業鏈所需人力將達140萬人以上。2DS相較於6DS新增累計能源投資金額達到8.9兆美元。總再生能源投資額需增加10兆美元,而未裝設CCS的發電設備的投資金額需削減4.2兆美元,且因電力需求較低,電網投資可減少2 兆美元。中國大陸及印度占總投資額的43%,中東與非洲占21%。

工業、建築與運輸部門的減碳策略

與過往《能源技術展望》中的部門減量貢獻度相比較,本次《能源技術展望》中工業部門貢獻度增加至23%,而工業部門中減量貢獻度最高的產業為鋼鐵業以及化學材料業,合計近6成(圖3)。若就各項減量策略的貢獻度加以分析,能源效率貢獻度達55%;為達減量目標,需藉由提升能源效率提升,將能源消費年成長率由2000 ∼ 2013年間的3.4%,削減至0.9%。而藉由導入惰性陽極煉鋁、以生質材料(Biomass)做為化材業進料(Feedstock)等創新製程,並導入CCS,則可貢獻25%的減碳量。此外,工業部門的最終能源消費中,煤的占比將由2013 年的32%削減至23%,天然氣由19%增加至23%,電力由20%增加至24%,藉由燃料轉換,則可貢獻17%的減碳量。最後,IEA指出提升回收率亦為工業部門達到減量目標時的重要策略,藉由提升回收率,粗鋼中來自廢鐵回收再製的比例將達51%,鋁達34%,增加塑膠回收率,2DS情境下主要化學品產量較6DS削減11%。

建築方面,若要達到減碳目標,在2050年全球建築樓地板面積增加1倍時,建築耗能增加幅度需抑制僅較2013年增加5%,相較於6DS情境則削減30%;節能貢獻度較高的設備為空調(45%),照明與電器次之(26%)。在空調節能中,以建築隔熱改善的節能貢獻度最高,於住宅建築中占58%,服務業建築中更占68%,而其空調設備的效率提升貢獻度僅占15〜25%。且為達減量目標下,建築物累積額外投資金額達16 兆美元,其中以建築隔熱改善所需增加投資金額最高,占72%,空調設備效率改善次之,占12%。由此可見住宅隔熱改善對提升建築物能源效率實屬關鍵,然而IEA指出,近年住宅用電強度(Energy Usage Intensity , EUI)改善率僅達1.5%,低於達成2DS所需的2.5%,既有建物的深度翻修率也未能達到所需的2〜3%。故建議各國應制定類似歐盟的近零耗能建築規範(NZEBs),以強化建築節能。

過往10〜年間運輸部門的直接排碳量每年增加2%,然為達全球減量目標,則其2050 年的排碳量需較2013 年削減30%。其中運具效率提升、低碳燃料轉換、運具移轉與降低旅運量的減量貢獻度相當。在低碳燃料轉換上,電力、生質燃料與氫能的占比,需由2013〜年的4%提升至2050年的36%。在運具移轉與降低旅運量上,藉由更完善的都市規劃,可使2DS情境下的旅運量較6DS 削減15%。由於降低旅運量以及私家車輛的持有數,在2DS情境下的總運輸部門投資金額還可較6DS情境省下14兆美元。IE建議各國應該優先推動削減化石燃料補貼以及增加車輛持有的相關賦稅之政策措施,以建立低碳運輸系統。

邁向永續都市能源系統

由於全球有50%的人口居住於都市,80%的GDP是由都市所創造,且都市的整體能源消費量占全球的66%,碳排放量更占70%,故IEA指出都市是形塑能源地景的驅動力。另外,都市亦是永續能源轉型的核心,故須建立永續都市能源系統,以期在2050年時,都市人口數增加67%以及GDP增加2.3倍的社經趨勢下,初級能源需求仍可抑制至僅較2013年增加20%,且化石燃料占初級能源比例由83%降至43%。

IEA建議永續都市能源系統可從建築節能、低碳運輸系統、分散式能源3面向著手。在建築節能上,ETP 2016 中指出都市藉由建照核發、使用分區核准等制度促使新建築外殼隔熱能效提升;各城市則可仿效美國的芝加哥、波士頓等大城市推行強制建築物能效查核與揭露制度,蒐集建築物能效資訊,增加建築節能誘因。在低碳運輸系統上,藉由妥善都市規劃搭配塞車稅等財政措施,可讓運輸需求減少15%,且小客車於總旅次占比由69%降至63%。IEA指出都市可運用的分散式能源包括屋頂型太陽能光電板、廢棄物能源回收、廢污水回收以及工業廢熱回收等4 項,全球屋頂型PV 技術潛力最高可滿足全球都會區電力需求32%,而廢棄物能源回收、廢污水回收則可供應4%的電力需求,工業廢熱回收則可滿足3%的建築能源消費。以瑞典斯德哥爾摩市為例,該市中已有80%建築物均與區域能源系統相接。

然而永續都市能源系統的建立,仰賴關鍵政策與融資措施的導入。IEA建議各城市應採行的措施包括將能源整合至都市規劃、市政服務以及公共採購的一環,並建立市民、社區組織、建商與能源公用事業間的對話平臺,依據城市特性規劃適切的減碳策略以及發展諸如永續能源公用事業(Sustainable Energy Utility, SEU)等創新商業模式,推動能源轉型。

未來的關鍵──能源效率與再生能源

由2016年《能源技術展望》中可知能源效率與再生能源為全球履行《巴黎協定》的關鍵措施,且能源效率提升的減碳貢獻度日益吃重。然在建構低碳電力系統時,需掌握全球從2020 年起面臨急速減煤以及變動性再生能源增加的2 大趨勢,一方面於近期新增燃煤電廠規劃時,即將提前除役以及預留增設CCS 的廠區空間兩因素納入,另一方面需藉由儲電能力的發展、需量反應的整合以及電網的擴增來建構穩定的高再生能源占比的電力系統。

需求面上,化材以及鋼鐵為全球工業部門減碳貢獻度最高的產業,亦為臺灣的關鍵產業,故應參考IEA 所建議的增加生質料為進料、製程整合增設CCS等減量措施,研擬國內工業部門的部門別減量行動方案。建築隔熱改善為住商部門節能貢獻度最高之措施,故應全面檢視國內建築法規中針對外殼隔熱的規範,以及參考國際推動深度能源翻修的推動計畫,提升國內建築能源效率。

而由此次《能源技術展望》專題探討都市能源系統,可知地方政府在能源治理的角色,日益獲國際重視。後續國內進行相關規劃時,亦可參考其中對地方政府的角色與法規建議,建立各地方政府的能源管理量能。

楊秉純 小檔案

現職
工業技術研究院綠能與環境研究所副所長

專長及研究領域
熱流及熱傳(含廢熱回收及再利用)、冷凍空調、微熱傳、能源政策及節約能源、能源供需統計分析

趙家緯 小檔案

現職
工業技術研究院綠能與環境研究所研究員

專長及研究領域
能源策略分析、生命週期評估、投入產出分析


關鍵字:ETP,IEA,巴黎協定,能源效率,CCS,都市,減碳

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