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你知道什麼是創能嗎?

2016/08/05 經濟部能源局 點閱人次: 1134

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撰文/鍾嘉雯
受訪/工業技術研究院綠能研究所 林福銘組長

2015年,創能的投資與設置量到達新的高峰,聯合國環境規劃署指出,2015年全球再生能源投資金額達到新臺幣2,860億美元,是2004年的6倍;且大半的新設電力裝置量從創能而來。創能有什麼魔力,讓我們趨之若鶩?各國的創能發展,有什麼特別的發展?我國又該如何突破?

什麼是創能?

「創能,就是創造能源。」工研院綠能所林福銘組長言簡意賅地點出要旨。既有的傳統能源如煤炭、石油雖然較穩定可靠,但並非取之不竭、用之不盡,在減碳的潮流下,碳排放量大的傳統能源有可能逐漸退出舞台。創造較為潔淨的替代能源、再生能源,將是全球能源發展的當務之急。

創能的類型非常多樣,從大自然中汲取可用的能源,如太陽能、風能、地熱、海洋能、生質能等等,我國發展主力的太陽能與風能,正是目前全球的前2大再生能源。太陽能發電分為聚熱型(Concentrated Solar Power, CSP)與光電型(Photovoltaic, PV)2種,光電型是目前各國都積極發展的主要技術;風力發電有陸域與離岸2種,北歐國家是主力;地熱發電限定在火山地帶上的國家,如菲律賓、冰島;還有海洋能等仍在持續研發的領域。

林組長表示,其實發展再生能源要視擁有的自然條件而定,每一種能源的開發都有地理條件跟氣候上的限制。理論上臺灣位處太平洋花采列島火山地帶上,有地熱發展潛能,在宜蘭清水地區、新北市金山、大屯山也都有相關發展畫,清水地熱之BOT+ROT案仍在招商中;大屯山地熱則偏酸,在耐酸蝕技術研發方面仍須努力;而海洋能尚未有商業化機組;生質能發電方面,由於生質料源潛力減少、分布廣泛蒐集不易,焚化爐服役年限延長,其發展也無法成為再生能源主力。本篇創能主力,仍將以太陽能與風力發電為主。

創能發展,專家怎麼說?

從APEC 的《2016 能源供需展望(APEC Energy Demand and Supply Outlook 6th Edition)》中可看出,若以2010年為基準年只維持BAU情境,2030年再生能源占比倍增的目標將無法達成,必須增加808GW的再生能源裝置容量,並在運輸部門額外增加3,100萬噸油當量的生質燃料。從上表中可看出,APEC區域中2013年的再生能源使用率僅有31%,且大部分是水力。太陽能與風力的新增容量裝置僅50GW,但若設定為高標再生能源情境,APEC 區域的太陽能和風能容量應可擴展至每年62GW,到2040年,預估再生能源發電量占總發電量將達16%,且太陽能及風力的平均成本也將分別下降17%及38%。

彭博新能源財經(Bloomberg New Energy Finance, BNEF)《2016 再生能源投資全球趨勢(Global Trends in Renewable Energy Investment 2016)》則指出,2015年全球新增電力裝置容量中,再生能源已占53.6%,首次突破過半。不過,對再生能源的投資仍然偏低,未來還有許多成長空間。

BNEF預估,未來25年太陽能發電成本將再跌60%,風電降41%。到2025年,煤炭、天然氣和石油需求將攀峰,之後將陸續下降,到2030年代時,太陽能與風能將成為全球多數地區最便宜的發電方式。再生能源成本持續下降將刺激投資激增,目前成本下降的項目主要在於陸上風能與太陽能,包括電網級集中式太陽能計畫與分散式住宅屋頂太陽能電池。

創能發電,靠天吃飯;產品發展,各顯神通

創能仍有許多發展空間,不過,創能的發電量其實是靠天吃飯。以太陽能為例,太陽能發電分為聚熱型(CSP)與光電型(PV)2種,「以我國有條件發展的光電型太陽能來講,關鍵在土地和電網。不論是屋頂型或地面型,要大量裝置,就需要很多設置面積。裝完之後,電要能輸送出來,電網的設置就很重要。」林福銘組長說。發電不只是把太陽能板裝好就算完工,配套的輸配電設施缺一不可,要架設線路或增設變電所?電網可以容納多少電?這些都必須考慮進去。

至於聚熱型的太陽能則無法適用各種環境。聚熱需要先以反光鏡或拋物線長鏡聚集直射光、產生熱能,再以導熱液儲存熱能,傳送到可以保溫的儲熱槽,再與發電機組整合、發電。問題是有多少直射的太陽光?林福銘組長說,「像美國射日計畫的『集中式太陽能』,在沙漠地帶設置太陽能板,因為乾燥,光線不太會漫射,直射光的量每年超過2,000度/平方公尺,效果就很好,當地的聚熱型太陽能可以做為基載電力。」但是臺灣空氣中水氣太重,光的漫射比較嚴重,年直射光只有700〜800度/平方公尺,就算每天都很熱,也不適合發展聚熱型太陽能。

風力發電則分為陸域與離岸2種。陸域風場需要良好的自然環境與足夠的土地空間,如我國目前在新竹竹北、雲林麥寮與澎湖中屯等地皆有風力發電示範系統,也已開發了29座風場,但在土地有限的情況下,再加上鄰避現象,可設置陸域風場的地區並不多。離岸風力的設置則需考量漁業的發展,另外,在技術方面也須因地制宜。

再生能源是不是只能拿來發電?「以太陽能為例,太陽光電的終極情境,應該是無所不在的應用!車子、背包、時鐘、桌子、隔間牆、門窗等,每一樣產品都可以光能發電,有些應用產品可以不用一天到晚換電池,讓它自主供電。像是有固定位置的感測器,可以跟物聯網(Internet of Things, IoT)結合,自主供電,它只要定時發射訊號就能獲得需要的環境參數,2、3年內,應該就有機會商品化了。」林福銘組長表示。也有業者設計弱光發電應用的展場名牌,結合場地內的發電設備,可以整合大數據,不論是參觀者的喜好、或是特別來賓的行程,都可以清楚呈現。

只不過,重點還是在成本。工研院曾設計一款太陽能窗戶,對企業來說,安裝太陽能窗戶或許可以提升企業形象,但考慮成本與技術仍未成熟到足以讓人心動下手。

量產型研發─未來產業之路

成本、成本、成本!現在太陽能電池有P型和N型2種,P型是現在的主流,但未來會往N型走。為什麼?「P型轉換效率約20%,N型大概22%多一點,差異不大,但P型便宜,現在就有競爭優勢。不過論轉換效率,P型已經是上限,N型還有成長空間,未來就是N型的世代。」林福銘組長點出關鍵。目前全世界轉換效率最高的是25.6%的N型電池,而大量生產N型電池僅2家公司:松下(Panasonic)和SunPower,分別生產HIT電池和IBC電池,這2種電池效率雖高,在高效率電池市場上具獨占性,但仍無法普遍達生產成本優勢。

太陽能電池的主要研發國家是德國、日本跟美國,生產製造則以我國和中國大陸為主。不過,研發的國家也投入量產計畫,歐盟xGW計畫要發展HIT 電池,預計在2018年設置1GW的電池廠;日本在福島有個近100MW的試量產計畫,把設備商、生產商、研究單位都集合起來,一起測試N型電池的量產計畫直到產品可靠度。林福銘組長說道,「他們都是以研發為主、賣整廠輸出(Turnkey)的國家,還打算投入這麼大的試量產計畫,除了提升自己設備商的能力,也是打算維持自己整廠輸出的領先優勢跟未來自主量產的可行性。」

我國的出路在哪?林福銘組長表示:「量產型研發!」例如聚焦在2年內可以量產的技術目標。目前的專利技術到量產階段,通常要5年、10年才有可能,臺灣業者需要的是發展接近量產的技術,讓業者可以保持領先優勢,工研院也試著推廣試量產平臺,讓業者與研發可以銜接。「我們目前的高效率量產技術大概比中國大陸早個半年到1年,在產線量產導入時程跟效率提升還是比較好,但未來若要讓業者持續保持優勢,就應該仿效歐盟與日本,結合產線跟研發,建立開放式量產型研發平臺。發展N型電池,難度增加,對良率控制的要求更高,就有可能更強化我們的技術優勢。」

高度挑戰,我國向前看

我國的新能源政策以節能、創能、儲能、智慧系統整合做為未來的4大綠能產業主軸,在創能方面,增加地面型與屋頂型太陽能、建設陸域與離岸風能都非常重要,相關技術研發必不可少。同樣是太陽光電,若P型量產效率20%、N型量產效率23%,相對轉換效率就提升15%,若N型有24%,就提升到20%!一樣的土地,可以多裝15〜20%的量,更能加快實現政策目標。

P型太陽電池

目前最普遍的太陽能電池,以矽晶做為主要材料,吸收太陽光轉換為電能,平均效率為20%。

N型太陽電池

分為傳統N型與特殊結構2種。傳統N型為雙面發電,吸收漫射光、散射光後,總發電量可增加10 ∼ 20%;特殊結構如異質接面太陽能電池(Heterojunction with Intrinsic Thin layer, HIT)、交趾式背電極太陽能電池(Interdigitated Back Contact, IBC),目前最高效率為25.6%。


關鍵字:創能,再生能源,太陽能電池,物聯網,整廠輸出

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