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群眾募資也能蓋電廠?公民電廠讓發電走進在地社區

研之有物│中央研究院_96
・2019/08/08 ・4302字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

採訪編輯|劉芝吟   美術編輯|林洵安

除了自備環保筷,公民能為低碳做什麼?

想要節能減碳,隨手關燈、自備購物袋之外,你我還能做些什麼?中研院社會所參與「深度減碳政策建議」計畫,除了提出政策建議,也進一步從「公民電廠」尋找公民的角色和力量。在能源轉型的過程,公民電廠提供了另一種能源選項,更重要的是,將遙不可及的「發電」帶入大眾生活,並展現公民行動的可能性。

小市民集資發電

公民電廠是什麼?一人一股加入臺電?「從英文讀更清楚」主婦聯盟副執行長吳心萍說:「簡單來說,公民電廠(Community Renewable Energy Projects)就是一群人共同參與發電計畫。」這裡的一群人,可以是小企業、社區居民、有共識的社群,人人都有機會參與。

主婦聯盟副執行長吳心萍(左)、南部辦公室主任陳婉娥(右),分享 NGO 團隊執行中研院計畫案,走訪臺灣各地公民電廠的觀察。主婦聯盟在 2016 年也成為「綠主張綠電合作社」第一位法人成員,透過社員集資,尋找案場裝設太陽能系統,率先實踐公民參與綠能發電。
攝影│ 林洵安

在歐洲,公民電廠並不罕見,以德國來說,近半的再生能源發電裝置屬於市民或社區組織,許多民眾會在自家屋頂裝設太陽能板。韓國也以「省下一座核電廠」為目標,推動城市節能與公民電廠,成功讓首爾市達成 20% 能源自主。那麼,臺灣呢?

2014 年,社會企業「一人一千瓦」率先展開公民發電計畫,號召有錢的出資當股東,有屋頂的出租當房東,合力鋪設屋頂型太陽能板。之後,不同組織陸續投入,換算一下年紀,臺灣的公民電廠才剛上幼兒園,仍在緩緩小跑步。

現在,這個腳步正慢慢移向在地社區。

圖說設計│林洵安、劉芝吟

達魯瑪克,臺灣第一家部落電力公司

2016 年 7 月,臺東卑南鄉的達魯瑪克部落一如往常,歡慶一年一度的小米收穫祭。但這一回,祭典的神祕嘉賓很特別:「太陽神」助陣發威!祭典會場架設了 3KW 電力的太陽能板,正式宣告達魯瑪克將成立部落電廠。

原民部落怎麼會和光電科技牽上線?故事得倒轉回 50 年前。當時,一場惡火燒毀達魯瑪克部落,全村滿目瘡痍。居民費盡辛苦遷移到新址,卻又遇上另一個惡夢——經濟部公告鄰村將為高階核廢料的埋放地。

達魯瑪克遠在東部山林,每遇颱風便常面臨斷電,最後卻得承擔全民核廢汙染的風險。

部落能不能有自主的綠能發電,不必再擔心自然災害,不用抗爭核廢選址?

部落自立的祈願悄然種下,數十年後,終於緩緩萌芽。

第一批太陽能板鋪設在活動中心屋頂,供給老人日托、課輔空間的用電。第二批則設在長老教會,提供電動車、手機免費充電。

部落裡保有日治時期的水力發電廠,也設置小型風力發電機,再加入太陽光電計畫,達魯瑪克一步步努力,立下終極目標:綠能百分百,自己用電自己發!

達魯瑪克在公用空間設置太陽能板,邁出部落電廠的第一步。
圖片來源│ 主婦聯盟

綠能百分百,推動部落願景

願景美,現實卻難一帆風順,部落電力公司的成立波折不斷。

起初,募資對象是族人,希望各家戶共同出資,將電力生產納入部落共同事業。但能源如同「空氣」,看不見、摸不到,要說服大家從口袋掏錢,絲毫不容易。

「太陽能板這麼貴,為什麼部落要花這筆錢?」「只要有電用,電費便宜,我們幹嘛去管發電?」各種質疑、不理解的聲音紛起。

溝通、對話、嘗試,是一條漫長卻重要的路。

部落和環團結盟相挺,開設綠能志工培訓營、部落會議討論發展性、帶孩子認識水圳和水力發電,透過各種活動,一點一點拉近村民與綠電的距離。

相比綠能發電的經濟產值,族人逐漸凝聚而成的部落價值,更為珍貴。

達魯瑪克部落在社區避難所設置小型風機,做為自主發電的一部分。
圖片來源│主婦聯盟
部落小學的孩子們,學習如何製作小型風機,透過實作課程認識部落的再生能源。
圖片來源│主婦聯盟

社區電廠像一塊大磁鐵,將族人村民聚合起來。3 年來,電廠發電 7119 度,減碳 3773 公斤,數字並不華麗,距離綠能百分百,達魯瑪克還在 9 局上半。然而,社區有了電力公司,發電除了自用,未來也能出售給臺電,大家對部落未來開始有熱切的想像。

「電廠如果有盈餘,我們可以用在哪?」綠能百分百畫出第一個大圓,族人慢慢交會出共同目標:透過風力、光電設施,希望部落的經濟自立,同時結合文化觀光、生態旅遊,打造出達魯瑪克品牌。如果願景也需要「粽子頭」,社區電廠也許是達魯瑪克擊出的第一棒。

社區電廠的臍帶價值

資料來源│公民電廠資訊網 圖片重製│林洵安

主婦聯盟分析,「第一桶金」是社區電廠的一大關卡。要說服鄰里的叔伯阿姨、阿公阿嬤掏錢投資,可謂高難度挑戰。社區某種程度就像「縮小版社會」,成員思考分歧。有人支持在地發展,有人認為下一代註定該往大城市去,也有長輩直言:「二十冬(年)才回本,我都不知道在哪了!」

現階段,政府補助仍是不可或缺的後盾。但長期來說,倡議者得各憑本事,運用在地手法和居民溝通,讓「發電」走入生活。例如,彰化臺西村從信仰中心切入,透過環保團體的相助,在村內「顯龍宮」架設太陽光電。電力自發自用,宮廟每月電費驟降一半以上,綠能成果超有感。

彰化臺西村的顯龍宮,屋頂裝設 3 KW 太陽能板,發電自用,是臺灣第一座光電宮廟。
圖片來源│主婦聯盟
對綠電累積好感,是推動社區電廠的關鍵。嘉義明華社區從 2010 年便循序展開光電計畫。例如,帶阿公阿嬤銀髮聯誼,參觀其他光電社區。高爾夫球車加裝太陽能板,變身社區小巴。家戶補助改裝太陽能熱水器。社區電廠的電力盈餘,也成為地方基金。
圖片來源│主婦聯盟

然而,社區電廠除了收益,還有另一層更重要的意義:價值最大化。運用盈餘改善社區生活,共享發電成果,也讓發電真正走入地方生活。

吳心萍說:「社區集資設置電廠,收益能回饋在地的社福公益,比如長照、托育、醫療。有些社區計畫做老人共餐,有的加開社區巴士,社區自己滿足需求,不用再仰賴外援補助。」

社區公民電廠如同「臍帶」,一方面圈起居民,把家戶變成共同「發電體」。同時,成果、養分也能再反饋輸送至社區,和鄰里居民互利共享。

上網團購……太陽能板

除了社區型,數位時代的公民電廠也要超 E 化。「陽光伏特家」建立募資平臺,開創出「網路集資型」公民電廠,讓你首度體驗,上網搶購的不是年節車票、阿妹演唱會,而是太陽能板!

平臺負責找屋主出租屋頂,評估成本,開設專案。民眾則可以挑選喜歡的電廠,上網認購太陽能板,變身合夥人。生產的電力定期出售給臺電,出資者每 2 個月就能收到一筆獲益收入。

由於投資門檻低(每片太陽能板約 15000-20000 元),預估約 6-8 % 內部報酬率,輕鬆打敗定存,讓熱門度急速上升。

資料來源│陽光伏特家
圖片重製│林洵安
網路集資型電廠,營運、設備維護由平臺負責,集資者不會直接介入電廠營運,但可以隨時上網了解電廠的運作狀況。
圖片來源│陽光伏特家

第一個集資案「臺南擔仔一號」,44 片太陽能板 5 天內銷售一空!紀錄還不斷被超越,現在專案一上線,往往數十分鐘被搶光,最高紀錄 1 分半秒殺!

你以為集資者都是年輕網購族?陽光伏特家的調查顯示,50-60 歲世代的搶購力超強!許多人認為這是穩定的長期投資,也有人打算為子女「定存」太陽能板。

主婦聯盟分析,群募平臺最大的優勢是擴散影響力,吸引不同類型、地區的網民。有人支持綠能,有人相中報酬率,有些人則是對光電有興趣但無法投入太多時間。群眾多元,讓陽光伏特家成長快速,目前已經有 80 多個案場,超過 1 萬名參與人次,而且每個計畫約有 7-8 成的新成員。

「不管投資動機是什麼,有了接觸管道,民眾就會更靠近能源議題。」吳心萍樂觀地說。

陽光伏特家第一個集資案:臺南擔仔一號。這棟民宅約 45 坪,樓下是牛肉麵攤,屋頂可鋪蓋 44 片太陽能板,如果由屋主獨力負擔,總金額約 80 萬。透過集資案,認購每片太陽能板只要 15600 元,小資族也能參與。
圖片來源│陽光伏特家

全民參與,才是真正的能源轉型

初綻開花 5 年,臺灣公民電廠的故事還在首部曲。除了資金不足、法規受限(臺灣有不少違建屋頂),目前的最大阻礙是什麼?陳婉娥觀察:「『人』,最難也最關鍵。怎麼讓民眾覺得能源有選擇性,和我有關係,而不是只要電費不漲、電廠別蓋在我家,其他我不管。」

不論是否支持綠能,願意討論就是破口,如何把「能源」具體活生生地帶入日常,便成為一大課題。最困難的這一關,就是公民電廠的價值:社區電廠紮根地方,群募平臺擴大戰場,能源合作社對議題有高度討論力,各自在守備區助攻。

主婦聯盟觀察,目前社會的鬆動、改變仍然零星,然而每一處公民電廠,都代表了某一群人正在接受、創造不同選擇——「民眾參與」正是能源轉型的核心。

陳婉娥回憶:「有一次,我在火力發電廠設立的討論現場。社區原本強烈反彈,但到了當天,有些居民已經放棄,開始討論回饋金。這讓我感觸很深,社區要蓋一座大型能源設施,民眾卻是最後一秒才知道,毫無選擇權,最後只能無奈地轉向要求補償。」

過去,「發電」離我們萬分遙遠,彷彿只有公投那一秒,大家才可能發聲。公民電廠或許提供了另一個解方,由下而上扭轉這個公式——「我/我們」有機會選擇怎麼發電、怎麼分配,思考規劃社區的模樣。此外,發電裝置的容量小,不一定得「鋪好鋪滿」,便有機會和農地、生態、文化共存。

總結目前的觀察心得,兩人說:

「我們每天用電,如果 80% 的人誤以為核電是主要能源,代表能源距離大眾仍非常遙遠,物理距離遙遠,心理距離更遙遠。也許,這就是公民電廠的重要意義。」

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本文轉載自中央研究院研之有物,原文為怕停電、省電費、挺綠能?臺灣公民電廠正發威,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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邁向淨零排碳的未來:去碳燃氫技術!
研之有物│中央研究院_96
・2022/12/10 ・6194字 ・閱讀時間約 12 分鐘

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位。

  • 採訪撰文|廖英凱
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

高排碳發電方式的轉型

氣候變遷是全球議題,為了降低碳排放,發展低碳電力相當重要。臺灣目前主要使用天然氣發電,雖然排碳量較燃煤發電低,仍屬高碳排的發電方式,若未來要達到 2050 淨零排放,勢必要開發更多的低碳電力。

中央研究院「研之有物」專訪院內物理研究所陳洋元研究員,他與團隊應用天然氣催化裂解的理論,突破各種技術限制,打造出「去碳燃氫」(methane pyrolysis)裝置,使得燃氣發電可以更進一步減少碳排放,目前成果已接近歐盟需求,並預計陸續擴大運用至商用發電機組。

陳洋元向研之有物團隊介紹「去碳燃氫」技術。
圖|研之有物

因人類工業活動排放的二氧化碳而導致的氣候變遷問題,已是當代人類亟欲解決的難題。近幾年,國際組織與科學機構也不斷地強調減少碳排放的必要,以及調整減碳標準。2014 年聯合國政府間氣候變化專門委員會(IPCC)的綜合評估報告指出,人類應在 2100 年以前削減 90% 的碳排。

但到了 2018 年的全球暖化特別報告時,IPCC 則將標準加嚴,人類需在 2050 年時達到「淨零排放」,亦即「人為溫室氣體的排放量,扣除透過碳匯碳捕等移除量後為零」。2021 年下半年,世界各大工業國也陸續提出在 2050 年前後達到該國淨零排放的政策目標和政策路徑。

在世界潮流的推動下,2021 年 4 月總統蔡英文在世界地球日的活動,宣示臺灣將努力在 2050 年達到淨零排放。同年中研院在廖俊智院長的主導下,啟動了「Alpha 去碳計畫」,院內物理所的陳洋元研究員與研究團隊也開始為臺灣的「去碳燃氫」技術建立基礎。

把天然氣變成氫氣,真的可能嗎?先來看看過去科學家怎麼做吧!

降低天然氣碳排的方法

為能達到降低碳排的能源轉型,又需兼顧產業發展的用電需求,臺灣目前的能源規劃,預估在 2025 年時,再生能源發電量佔比約 15.2%,其餘則為 45% ~60% 的燃氣發電與 25% ~40% 的燃煤發電所組成,到 2050 年時,樂觀理想情境中再生能源發電量佔比可逾 60%,剩下則以燃氣發電為主。

儘管燃燒天然氣(甲烷)的理論排碳量,約只有燃燒煤炭的一半,但每燃燒 1 噸的甲烷,仍會產生 2.75 噸的二氧化碳排放,這與淨零排放的目標,仍有相當大的差異。因此,當代天然氣的運用,必須回應如何有效降低碳排放。

大抵來說,降低天然氣的碳排可以分成兩種不同方向的策略,其一是「碳捕捉、再利用與封存carbon capture, utilisation and storage, CCUS)」,方式是將燃燒後的二氧化碳,捕捉下來再利用,如應用於綠藻養殖、水泥製造等,或是將二氧化碳壓縮後封存於耗竭油氣庫這種地質結構上的特殊封閉構造,或是封存於海底富含鹽水的地層構造。

碳捕捉、再利用與封存(CCUS),就是將燃燒產生的二氧化碳,收集與分離出來,拿去工廠再利用或是封存於特殊地層。
圖|研之有物(資料來源|聯合國歐洲經濟委員會

然而碳捕存的技術與概念新穎且須有特定地質條件配合,要能達到具規模的運用仍有相當技術門檻需突破,且碳捕存在臺灣多年來也持續面臨政治及環保爭議,發展進度緩慢。

另一種策略方向,則是「燃料轉換」,將化石能源的天然氣,全部或部分替換為零碳的能源,例如利用微生物分解利用農業等方式生產的有機物質來產生「生質甲烷」(註1)作為燃料;利用大量的無碳電力,電解水後分解為氫氣和氧氣,再將氫氣做為燃料;或是再利用無碳電力將二氧化碳與氫氣合成為甲醇、甲烷、氨等「載氫劑(hydrogen carrier)」以利運送和利用。

還有一種備受矚目的燃料轉換方式,是直接將甲烷裂解為氣態的氫氣和固態的碳黑(carbon black):

只要有足夠的能量,甲烷就能裂解為固態碳和氫氣。
圖|研之有物

其核心原理為,若能提供甲烷分子每莫耳 74 千焦耳的能量,就能把碳原子與氫原子的鍵結打斷,而關鍵在於如何提供能量以及如何提升使用能量的效率。

1999 年,M. Steinberg 發現當溫度夠高時,甲烷鍵結被打斷的效率隨之提升,而提出「甲烷熱裂解」(thermal decomposition of methane, TDM)技術,該技術是將甲烷處於高於 700°C 的高溫環境,使甲烷裂解為氫氣與固體的碳。固體碳可以穩定的儲存,不會增加大氣中的二氧化碳,也可以做為工業生產的原物料使用。

為進一步提升甲烷分解的效率與商業價值,近二十餘年來,許多針對 TDM 的研究,引入了各種催化劑,作為熱解甲烷的反應環境。目前常使用特定比例的惰性合金作為催化劑,將合金加熱成熔融態,當甲烷氣體通過液態合金時,即開始分為氫氣與固態碳。

加熱溫度越高、氣體通過的熔融合金管柱越長,則甲烷熱裂解的程度越高,例如以一公尺長的管柱環境,利用不參與反應的 1175°C 熔融錫金屬,則可轉化 78% 的甲烷;利用具催化性的熔融金屬如 27% Ni–73% Bi 合金,則可在 1065°C 達成 95% 之甲烷轉化

如圖所示,此為天然氣裂解的簡易流程,當天然氣進入管柱時,需要熔融合金 Ni-Bi 作為催化劑,以便在高溫環境下轉化為固態碳(C)和氫氣(H2)。
圖|研之有物(資料來源|Science

為什麼需要催化劑?為了降低化學反應的難度。

化學反應的過程就像冒險者從小鎮(反應物)出發,克服山頂上的巨龍(活化能),並取得山谷寶藏(生成物)。而催化劑就像是幫冒險者開外掛的流浪法師,短暫加入冒險者一伙,開啟原本沒有的秘密通道,讓冒險者不用打龍就輕鬆取得寶藏。
圖|研之有物(資料來源|chemorphesis

實際運用上的限制與問題

以裂解方式生產氫氣的技術,有可能會成為未來氫能發展最主流的方向,歐盟針對氫能發展的預估中,即認為到 2050 年時,歐盟所使用的氫能會有 55% 來自於甲烷裂解,有 30% 來自目前化工產業較成熟使用的天然氣重組,以及 15% 來自於水電解產氫。

因此,2021 年 3 月起,在廖俊智院長的主導下,中研院啟動了「Alpha 去碳計畫」,目的在發展熱催化、電漿裂解等各種技術方法,以達成去碳產氫的發電目標。物理所陳洋元研究員的團隊,也開始在院內建構甲烷熱裂解的裝置,試圖為我國建立起去碳燃氫的技術基礎。

然而,儘管催化性熔融金屬的理論可行,在實務運作上此方法卻有其瓶頸,陳洋元研究員的團隊發現,當裂解後產生的氫氣和碳從熔融金屬表面冒出時,熔融金屬的蒸氣會把碳包住而在金屬表面變成如岩漿般的黏稠流體,必須不斷暫停實驗把岩漿給撈出去,使得學理上雖可高效率地裂解甲烷,但仍難以放大規模至發電機機組或提供給發電業使用。

上述催化性熔融金屬用在天然氣裂解,理論上可行,但是陳洋元團隊實作發現,熔融金屬的蒸氣會把碳包住,會在金屬表面(如管壁)形成岩漿般的黏稠流體,必須不斷暫停實驗,把廢碳渣撈出去。
圖|研之有物(資料來源|Science、陳洋元)

體認到催化性熔融金屬的限制後,陳洋元研究員開始尋找其他也可具有類似催化效果的材質。其中一種可行的催化劑,就是碳黑本身。過去針對催化反應的研究中,即發現碳本身即是一種理想的催化劑。在甲烷裂解的過程中,研究者可以透過利用不同形式、結構與表面積的碳,來調控碳的催化活性

2013 年,韓國研究者 Seung Chul Lee 等人提出用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置設計,其概念是將高溫管柱中,裝填直徑 30 nm 的碳粒作為催化劑,使甲烷通過高溫碳粒時,被催化裂解為氫氣和碳,再透過集塵器與過濾器捕捉碳黑。

2013 年韓國 Seung Chul Lee 等人提出了利用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置。
圖|Korean Journal of Chemical Engineering

雖然概念裝置已提出逾十年,但至今市面上仍未有成功商業化與量產的設備。由於催化劑和裂解後的碳都是相同的物質,因此隨反應時間增加,實驗裝置中的碳黑會不斷吸附。

因此,該實驗設計若要能用於實務上的燃氣電廠減碳,關鍵就在如何能維持或定時減少高溫管柱中積存的碳;如何能延長集塵設備與濾網的更換週期,以須確保裝置能不間斷的長時間運作;以及如何與既有燃氣機組的系統結合。

Alpha 去碳計畫:以局部比例的氫氣代替甲烷

面對過去研究的基礎與限制,中研院的團隊已在開發利用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置,且能搭配自動化的清除積碳、與更新集塵、過濾器,使熱裂解裝置能持續性地運作。

熱裂解的裝置設計上,也並非追求極致的甲烷轉換率,由於氫氣比甲烷擁有更劇烈的燃燒反應,如在空氣中的燃燒速度,甲烷為 0.38 公尺/秒,但氫氣則高達 2.9 公尺/秒,這使得氫氣爆燃的衝擊力遠大於甲烷。

因此,目前仍未有純氫氣或高比例氫氣的商品化發電機組,而多以在甲烷中混合 10% ~30% 的氫氣,達到局部比例的減碳,因此在裝置設計上,須同步調控所產製氫氣與甲烷的比例,使發電機能持續燃燒固定成分比例的甲烷氫氣混合物。

中研院天然氣熱裂解裝置的實體照片。天然氣高溫裂解系統,包含:控溫電子儀器、高溫爐與流量計。放大區域顯示高溫爐上面的構造,白色為隔熱棉,石英管管壁已經有少許的碳渣附著。
圖|研之有物(資料來源|陳洋元)

從減碳效益來比較傳統天然氣發電和部分比例的去碳燃氫發電,以目前大潭電廠最新燃氣機組的熱效率 60% 來計算,每噸天然氣燃燒,可提供 9300 度的發電量,並排出 2.75 公噸的二氧化碳。

但若能將其中 30% 的甲烷高溫裂解後,將氫氣與天然氣混燒,因氫氣的燃燒熱較低,且需額外提供裂解所需的能量,此時每噸天然氣則能發出 7400 度的電量,但碳排放降低為 1.92 公噸的二氧化碳,並生產 0.225 公噸的固體純碳。

也就是說,以大潭燃氣電廠為例,若將 30% 的甲烷裂解,產生氫氣與天然氣混燒,最終是以減少 20% 的發電量為代價,換得 30% 的減碳效益,以及具有精密工業、高產值化工業運用潛力的高純度碳黑原料。

目前中研院的 Alpha 去碳計畫已完成了將甲烷熱裂解裝置與 13 kW 天然氣發電機串聯,混燒 10% 氫氣燃料的概念驗證。

預計在 2025 年以前,將陸續擴大至針對建築物規模使用的 65 kW 燃氣渦輪發電機;和針對廠房、工商業用途使用的 1~2 MW 商用燃氣機組;以及與既有大型燃氣電廠使用的 170 MW 燃氣機組結合,以此建立我國去碳燃氫的產業鏈。

中研院將與業界合作,目標在 2025 年以前,推出裂解效率可達 40% 的去碳燃氫裝置,使臺灣天然氣發電的碳排達到歐盟訂定的永續標準。

開闢臺灣淨零排放的路徑

面對氣候變遷的威脅,世界各國無不積極且緊迫地尋找能達到零碳排放的方式,然而多數國家在有限的自然資源條件下,風力與太陽光電等再生能源的發電規模和穩定程度仍遠不及大型發電廠。

因此 2021 年起世界各國,相繼提出了符合淨零與永續精神的天然氣使用規準。2022 年 2 月,歐盟批准了有助實現歐盟環境目標的「永續活動分類法」與「氣候授權補充法案」,其中針對燃氣發電廠的規範,是要求 2035 年以前須完全由天然氣轉向低碳燃料或再生能源燃料;或是 2030 年前施工但每度電少於 270 克二氧化碳排放量,才能獲得永續金融投資的優惠。

以此作為標準來檢驗目前臺灣的燃氣發電,較先進且尚有機組興建中的大潭發電廠,碳排係數約低於每度電 388 克二氧化碳排放,若能順利搭配裂解效率 30% 的去碳燃氫技術,則碳排係數可降為每度電 271.6 克二氧化碳排放,幾乎符合歐盟的標準。

若再能輔以部分比例的生質甲烷混燒,排出二氧化碳又有部分比例利用碳捕存處理,至少就能使我國在未來最主要使用的天然氣,能符合目前歐盟看待永續能源的標準。

目前中研院陳洋元團隊打造的去碳燃氫技術,能利用臺灣既有天然氣和燃氣電廠的基礎建設,維持穩定的基載電力供給,又能達到減碳的效益,預計將是未來幾年內,能有效提供臺灣減碳成果的重要技術方向。

然而,去碳燃氫技術也因減碳目的而降低燃氣的發電量,這會使臺灣已經擴大天然氣使用的政策方向還要更加強化,如增加更多的天然氣進口量,興建更多的天然氣接收站、儲存槽與管線。近年烏俄戰爭帶來世界性天然氣的短缺,以及第三天然氣接收站的興建帶來海岸生態的危害,使用天然氣仍有難以忽視的環境與社會風險。

中研院的去碳燃氫技術,可能不是淨零未來的唯一選項,但傾力推動這項技術,才有機會在邁向淨零未來的過程中,爭取到足以讓永續與潔淨能源普及的時間。

中研院陳洋元團隊打造的「去碳燃氫」技術,利用臺灣既有天然氣和燃氣電廠的基礎建設,維持穩定的電力供給,又能達到減碳的效益,預計將是未來幾年內,能有效提供臺灣減碳成果的重要技術方向。
圖|研之有物

註解

  • 註1:生質甲烷的概念是,透過微生物分解農業生產的有機物質,由此生產甲烷,這種有機物的碳,是來自植物光合作用的固碳反應。因此理論上不會使用到地底下的化石碳,比天然氣還要減碳。

延伸閱讀:

研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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【水獺媽媽專欄:從日常學永續】我也好想像太陽一樣,可以發光又發電!
PanSci_96
・2022/11/02 ・830字 ・閱讀時間約 1 分鐘

「隨手關燈,節能減碳」這是在我們日常生活中,絕對會看見或聽見的標語!在家裡被爸爸媽媽隨時叮嚀、到學校被老師耳提面命、忘記關燈而被罵的記憶肯定不會少。

建立節能好習慣很重要,但我們現在還有哪些跟能源相關的永續行動呢?

台灣的發電來源,主要仰賴燃煤、燃氣等化石燃料,比重高達80%,但提供穩定電量讓人類使用的同時,卻也大量排放二氧化碳及空氣汙染物、加劇氣候變遷,灰濛濛的天空就是最直接的證據。

近年,政府積極推動能源轉型,希望降低對化石燃料的依賴,發展再生能源,尤其是太陽光電和離岸風力發電。

像是今年夏天,家長跟小朋友都很期待的「班班有冷氣」政策,除了讓大家可以舒適上課,也同步規劃「校校會發電」,降低對地球的負擔。

近年,政府積極推動能源轉型,希望降低對化石燃料的依賴,發展再生能源,尤其是太陽光電和離岸風力發電。圖/水獺媽媽提供

不過大家有發現,學校的發電設備裝在哪裡嗎?

原本烈日長期曝曬,又熱又空的學校頂樓,竟然可以搖身一變,成為設置太陽能板的最佳基地!而當地球最豐沛的資源——陽光,照射到板內的矽晶片時,光子會撞擊電子並產生電流。

這些我們肉眼看不到的次原子粒子,卻悄悄在太陽能板中移動,而且發電的過程不會排放任何溫室氣體,也不會造成空氣汙染,非常不可思議!

陽光照射到板內的矽晶片時,光子會撞擊電子並產生電流。圖/水獺媽媽提供

也許我們都沒想過,學校可以從原本「電的消費者」變成「電的供給者」,將能源轉型落實在校園中,那麼大家趕快找個時間,去看看自己的學校,有沒有用來發電的太陽能板吧!

隨手關燈,一起節能愛地球!圖/水獺媽媽提供
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若風力、太陽能變成主要能源,如何不被無風陰天弄得全國大停電?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/20 ・3299字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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電網:將電力輸送到各地的網路系統

在十九世紀,電力是在靠近電力需求的地方生產的,但到了二十世紀,規模經濟催生出集中式發電廠、長距離傳輸線和地方的變電站。現在,世界上大多數國家的電力都是透過電網來提供。

電網,就是用來傳輸電力的網路,像是電廠、變電廠、配電系統等等,都是電網的一環。圖/Pixabay

這套系統是為了滿足供電需求──最低需求稱為基本負載(baseload)──所設計的,由最便宜的發電機來滿足。

直到最近,發電方式通常是以燃煤為主(也有國家是以核電或水力發電為主),而且大部分的時間都在運作。會搭配其他發電廠(通常是循環燃氣渦輪發電機)來支援,以滿足每天的負載量變化,也會有可快速運作的小型燃氣渦輪或柴油發電機來應對激增的需求或是發電廠停擺等故障問題。

發電廠和變電站間的輸配電系統很重要,這可確保即使有單一線路或發電廠出現問題,仍舊能夠維持電力供應。電網有辦法將電力輸送到偏遠社區,也能獲得偏遠地區的發電。

再生能源進場後,該如何和傳統電廠互相配合?

現在,太陽光電場和風場在許多電網上提供的電力占比日益升高,這正在改變對發電廠的要求。在一般情況下,一天之中混合使用再生能源和傳統發電廠的發電方式最為經濟,而不是完全使用大型的傳統發電機。

風場和太陽光電場容易受到天氣的影響,現階段該如何讓再生能源電場與一般傳統電廠配合,也是能源議題中的一大考驗。圖/Pixabay

除了提供潔淨的電力外,風場和太陽光電場的營運成本最低──這稱為邊際成本(marginal costs)──因為它們沒有燃料成本,並且會首先調用。

為了讓風場和太陽光電場達到最大使用效能,最好是搭配能夠因應電力供需變化而快速反應的其他發電廠;而且理想上,這些電廠的運作也應該符合經濟效應,運作時消耗的用電量僅占其最大負載量的一小部分。

一般來說,燃煤電廠和核電廠的數量並不會有快速的增減,而燃氣和再生能源電廠則是更好的選項。根據地點的不同,水力發電、生質能、地熱和聚光太陽能(搭配蓄熱儲能)都可以擔任靈活發電的功能。

化石燃料發電廠可以儲存燃料並因應需求來提供電力。風場和太陽光電場與這些可以隨時供電──稱為可調度或固定供應──的發電廠不同,這兩者的運作都取決於天氣這項變數。

運用 AI 技術,擺脫「天氣」這個天生弱點!

儘管有時會出現風力弱和陰天的日子,然而,與一些人想像的剛好相反,擁有大量風力發電和太陽光電的電網其實能夠在需要時提供電力。

透過人工智慧(artificial intelligence,AI)來獲取良好的天氣預報,太陽光電場和風場的輸出變化通常是可以預期的,因此可得到最佳結果。

透過人工智慧的協助,可以更有效的運用電力。圖Envato Elements

當再生能源供應達到總電力需求的 30% 時,這些變化可以輕易透過裝配在電網上的快速反應發電廠來填補,以滿足供電需求的變化。

當一處 1000 兆瓦的大型發電廠意外跳電(可能是設備故障或過載),處理起來可能遠比風力發電或太陽光電的電力突然下降更具挑戰性。備用儲電站必須迅速上線,而風場和太陽光電場若是尚未達到滿載,還可以在有風和晴天的天氣迅速提高其發電量,提供額外的寶貴備用電。

再生能源成為主要來源後,怎麼讓電供保持穩定?

為了提供潔淨、安全和價格低廉的電力,並且在本世紀中葉大幅減少碳排放,避免氣候變遷演變到危及生靈的程度,全球的供電必須以再生能源為主。透過增加再生能源的輸出、地理分布以及與其他電網的連結,再生能源的供電占比將可望提高到電網的 50% 左右。

在一定程度上,增加這類綠電的發電能力可以彌補天氣條件惡劣的情況,而連接大範圍的太陽光電場和風場則可以提供更平穩可靠的電力。

在歐洲,丹麥已經與挪威、瑞典或德國等國進行電力交易,以此來平衡電力供需:在他們自己的風力發電量高時出口電力,而在發電量低時則進口電力。

然而,建立洲際再生電網並非易事。過去曾經有一項 DESERTEC(沙漠科技基金會)的提案,計畫要將北非的太陽能傳送到歐洲,但由於政治不穩定,再加上不同地區和國家對規畫中的電網各有所圖,產生相互衝突的反對意見,因此難以具體實現提案。

增加太陽能板的面積、建立跨國、洲際再生電網,都是維持電力供應穩定的做法。圖/Pixabay

此外,由於太陽能板的成本急劇下降,因此日照多的優勢變得不那麼重要,因為可以靠增加太陽能板的大小來彌補日照少的缺憾,這比支付長距離傳輸費用更為經濟。能夠在地方發電也等於是提供了一份供電的安全保障,不必依賴化石燃料進口。然而,廣泛架設的電網確實對於供需平衡有極大的幫助。

若是能配合供電來調整電力需求,就可降低對儲能廠的需求──這稱為「需量反應(demand response)」──或許可成為一個更便宜的選項,因為那些用來支援電力尖峰的快速反應發電廠的運作成本最高。

智慧電網:更聰明、更彈性的調整電力供應!

使用智慧電網可以讓電網營運商和用戶間進行雙向溝通,調整電力負載量,使其與供電端相等,這樣就能確定出需要從電網中取用的的需求量,或是添加量。

出現短時間停電或減少電力供應時,許多運作仍有可能繼續維持,好比那些具有熱慣性的操作──像是保持鐵或瀝青、熔融物或超市冰箱冷藏食物的溫度;或是建築物的溫度調節──或是在將零件組裝成產品前,先製造出充足的零件備量。

智慧電網最重要的就是雙向的溝通來進行調整。圖/Envato Elements

同樣地,可以透過啟動電爐、大型電解槽或海水淡化廠(以幫助應對氣候變遷造成的乾旱)來增加需求量。在數位化科技的推動下,我們正處於智慧電網革命的開端,這將會對電力負載量造成重大變化,將會讓邁向再生能源的這段過渡期更為容易,並且為客戶帶來更低的成本。

另外,可以用價格差異來鼓勵客戶改變他們的電力需求。在義大利,有推行一個簡單的計畫,是以固定費用(取決於所使用的最大功率)和每度電的價格來回收發電廠的資本和配電成本以及發電成本。

以限制電力需求的方式(讓消費端的電價變得更便宜),白天必須間隔使用電熱水壺、洗衣機和烤箱等電器;如果一次全部使用,就會跳電。

這樣便可降低發電成本中最高的尖峰用電。而在離峰期(例如夜間)提供便宜電價也是一種方式。不過要達到有效調整,需要同時使用智慧電網和智慧電錶。這樣用戶端可以看到他們的消費細節,並選擇僅在低電價或優惠價格時段才使用某些電器設備。

儲能設備對於提高再生能源的發電占比非常有幫助。以太陽光電場和風場這樣的組合來供應夜間用電,往往會有白天過度生產,導致電價下跌的情況。若是沒有儲能設備,必須盡可能出口過剩電力,或是以減少供電來降低損失。短期儲能可以將部分電力從下午轉移到晚上,因此小容量即可以滿足日常需求。

隨著電池成本的急劇下降,這種儲能的可用性變得越來越高,而且也開始取代那些用來補強綠電不足時的快速反應化石燃料電廠。

——本文摘自《【牛津通識課02】再生能源:尋找未來新動能》,2022 年 6 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

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