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依「技術成熟、成本效益、均衡發展、帶動產業、電價可接受」原則,達成再生能源目標

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焦點專欄

電轉氣技術之國際案例與市場評析

  • 發佈日期:2022/7/29
  • 資料來源:本站
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世界各國為因應化石燃料短缺的能源危機,無不積極投入替代性能源的研究開發,當前各種能源種類、型態皆有其最佳用途及不可取代性,本研究以燃氣供應進行研究評估,聚焦再生能源與生質能所產電能轉換為氣體能源之討論,藉由蒐研電轉氣技術國內外相關案例,從中評估本土化可適用條件,未來進而結合電力市場輔助服務進行可行性評估。

電轉氣技術最大貢獻處在增加更多在能源使用上的彈性,並有效降低再生能源的間歇性問題,並將電力系統結合至其他能源供應系統(如供熱、運輸交通),長期而言可作為解決電力儲存挑戰的前瞻選擇,藉由將再生能源所產之綠電進行能源樣態的轉換,得有助於緩解併網時電網壅塞的困境,成為電力系統的輔助服務工具。

一、前言

世界各國為因應化石燃料短缺的能源危機,無不積極投入替代性能源的研究開發,近年電轉氣(Power to Gas,P2G)技術發展進度與各先進國家極力推廣再生能源高度相關,主要係再生能源具有間歇發電特性,如太陽光電早晚及季節發電量具相當落差、風力發電同樣具有季節性因素致發電量表現極端,而再生能源所發之電量若要將其儲存後供做為調度使用,囿於儲能設備現在價格仍高,造成實際難以普及缺乏實作效益,因而無法將離峰時所發的閒置電力有效儲存,常有產出電能後卻無法及時找到合適的使用、輸出,造成電網調節時的潛在阻礙。因此電轉氣技術是在再生能源間歇性情況加劇時,以能源儲存方式作為供需平衡工具,提高能源系統的安全性。

本研究試以燃氣作為討論主軸,藉由供熱系統應用於民生、工業、交通部門使用,研擬採電能、生質能相關能源做為燃氣轉換之潛力評估,分析其加值應用空間。

二、電轉氣技術介紹

在電能轉換燃氣方面,以再生能源所產之電能轉換應用最為廣泛,並多作為風力發電、太陽能發電等具有間歇性的再生能源輔助搭配,將超出電網負擔、儲能容量以外之電能,及時轉換系統無法消耗的電能,有效使電能獲得最佳配置;而以生質能所產之能源則是由有機物(如農業廢棄物、畜牧業廢棄物、廚餘)經反應產生熱能來源後(燃氣、酒精),並將熱能轉換為電能,視需求再轉換為燃氣型態供儲存、使用。換言之,無論電能的供應係來自於再生能源或生質能,其樣態只要是電能型態,皆可進一步成為電轉氣技術的供應源,並視不同空間情境使用該技術將電能加以轉換為氣體能源(gasenergy)形式供使用。

如圖1所示,現電轉氣技術以電解法(electrolysis)為技術主流,該方式係透過電能把水放置於電解槽後,轉換為氫氣與氧氣,將氫氣與二氧化碳結合後,轉換為甲烷。進一步廣泛應用於再生能源所產製之電能與燃氣用途,並可觀察對於供應端的討論未侷限其來源,只要是「電力」、「氣體能源」都可將技術實踐應用,轉換為合適的能源型態、併入電網內,作為照明、交通運輸、工業製程、供熱等用途使用。電轉氣技術多應用於電力供應過剩時,以能源轉換形式將其加以儲存,待能源需求旺盛時以氣體能源供應達到能源調度,而生質能所產製的氣體達到燃氣儲存目的,觀察此過程可發現,現行技術應用可使不同能源型態進行物理化學作用反應後成為需求的能源態樣,最大差異處在於來源的供應、取得料源成本及終端價格的可負擔程度。

圖1、電能轉燃氣技術示意圖
三、國內外案例及技術發展現況與趨勢

法國於2015 年,結合如輸電系統的營運商、工業鍋爐及石油與天然氣設備的製造及系統商、再生能源公司、儲能系統與工業用氫氣供應商、低碳能源與物聯網等業者,以示範推廣進行(Jupiter 1000)電轉氣運轉規劃,以1MW設計預計約可供應150家戶年使用量,並估計至2050 年時約可供應年產量120 億度的天然氣。此外,西班牙政府亦推估至2050 年時,電轉氣技術每年至少有14 億度電的實施潛力,對於該技術的裝置容量設置需求約為7 至13GW 間。隨著技術突破及成本降低,燃氣、再生能源及其輸配電設施在公用事業上的布局已逐漸取代傳統燃煤電廠,隨著各電廠的除役期限將至,國際間能源公司(如Dominion Energy、Duke、NextEra Energy、Southern Company、Xcel Energy 等)的主力業務也開始進行轉型。而占溫室氣體過半比例的二氧化碳,其排放一直被視為需迫切解決的環境議題,位於日本的國際石開發帝石公司(INPEX Corporation)則採取於日本境內(新瀉縣長岡市)最大油氣田導入二氧化碳結合氫製成甲烷技術,作為其本身低碳路徑的實現方式,並取得燃氣做為另項主力發展業務,而該產甲烷技術亦獲得政府部門大力推廣。

回顧國內外各項技術報告,電轉氣技術現已相當成熟,取而代之討論的是如何應用該技術於需求產業,為各國極力突破處,由於此技術產出物為甲烷或氫氣,因此現多被用於供熱或是運輸業所使用。以氫氣、甲烷為例,過往被視為邁向永續發展情境下不可或缺的發展項目,但囿於成本與生產量不符合經濟效益,故未能蓬勃發展,而自電轉氣技術逐漸普及及生質能產業在原料取得使用獲得突破,帶動每單位生產邊際成本下降後,氣體燃料由於易於儲存及作為運輸能源時幾乎零排放的特性,並具備化石能源的用途外,亦可減少對化石燃料的依賴,廣泛應用於運輸、供熱、工業及電力部門使用,在全球未來發展各產業的低碳路徑中將扮演關鍵性角色。

另一方面,相較傳統火力發電或是核能,雖在原料去價具有競爭優勢,但卻有投資上的進入障礙,也就是營造成本門檻,且在環境意識高漲的現代社會,建設相關能源設施在選址上須付出大量交易成本,就經濟效率而言,採取可取代燃煤排放及政治風險的發電方式,以臺灣而言較具可行性。同時,生質能及結合電轉氣技術之再生能源有助於滿足燃煤需求端的消費需求,以潔淨的供應能源方式取代高碳排的能源使用,抑低二氧化碳的排放,尤其是對於空氣污染的防治(重金屬、懸浮微粒、硫、有毒氣體)具有顯著貢獻。如進一步將電轉氣技術與各產業部門結合,成為智慧化的能源管理系統,有助於能源供需面作為擬定規劃策略。

四、潛在應用市場

電轉氣技術雖具可行性,但現況而言在實際操作上卻較為缺乏經濟誘因。單純僅就經濟效益來衡量電轉氣技術的市場可行性,因藉由電能轉換所得之氣體能源係以多重製程而得,現階段價格仍尚無法與直接由油田取得的天然氣價格競爭。

研究文獻指出以再生能源作為主導的電轉氣市場的可行性,透過向消費者確認電力的願付價格,並與歐洲各種現行市場電力要價及市場波動進行比較,評估以電轉氣技術來生產氫氣的燃氣發電廠營運之商業案例,發現短期下用電意願取決於生產者的邊際成本與收入是否得以負擔,而長期時用電意願則會將投資和固定運營成本考量考量進去,因此對於生產者來說,是否採行電轉氣技術所產的燃氣作為製程能源供應,短期以邊際效益為決策依據,長期下仍需將固定成本攤提至總生產平均成本因素考量進去,並決定是否將對電轉氣技術進行較大規模投資。因此,在採用電轉氣技術時,無論電力是來自於再生能源或是傳統石化燃料,電價的成本仍會是此項技術是否具備實施效益的關鍵性因素。

另外,電轉氣技術本身為物理性質的能源型態變化,因此可應用空間較大,如離岸風電的所產之電力,經由風機將風力動能轉換為電力後,透過海底電纜送到海上變電站進行升壓,再利用輸出海纜與陸上電纜傳輸至陸上變電站降壓或升壓,最終併入電網將電力輸配到需求端。上述過程可觀察除海事工程及基礎建設費用外,成為電能後的運輸費用也是可觀的支出,電轉氣技術在此即可應用於在陸上變電站併入電網端之服務,可將原先須併網之電能,透過電轉氣技術進行電解技術,視需求端需要產出氫氣及天然氣,並結合天然氣管線直接供應當地區域的燃氣使用,變成在地化的能源供應。

就環境成本角度進行分析,無論是採取碳定價(Carbon Pricing)或碳預算(Carbon Budget)方式使能源消費者將使用過程所造成的碳排成本內部化,可預期未來二氧化碳的排放成本將逐漸提升,在當前減少二氧化碳排放總量的情境下,電轉氣技術可以發揮相當作用,同時,促使二氧化碳的減排達成各國所制定之政策願景,亦使電轉氣技術在商業化階段被視為仍有相當幅度的成長潛力。

五、結論

電轉氣技術最大貢獻處在增加更多在能源使用上的彈性,並有效降低再生能源的間歇性問題,並將電力系統結合至其他能源供應系統(如供熱、運輸交通),長期而言可作為解決電力儲存挑戰的前瞻選擇,藉由將再生能源所產之綠電進行能源樣態的轉換,得有助於緩解併網時電網壅塞的困境,成為電力系統的輔助服務工具。生質燃料可作為基載電力供應,將燃煤電廠轉換為生質能設施所能運行的時程及成本較短,投資可能性較其他再生能源項目來的高,亦有助於提高能源多樣性。我國訂於2025年將達到再生能源發電量占總發電20%之目標,但隨著再生能源裝置容量快速增加,僅以儲能設備尚無法處理太陽光電及風力發電在離峰時刻對電力系統造成的負載,因此,電轉氣技術亦是項可以將電力轉換為其他能源樣態,以不同物理型態進行儲存的能源調度模式,並可以不同產業需求提供燃氣使用,對於降低化石能源的依賴,保持多樣性的能源發電組合,具相當貢獻。

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