發佈日期:2015-12-30

聰明選擇能源技術讓低碳永續社會不再是夢想

作者:黃郁棻

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文章圖片所有權:國研院科技政策中心黃郁棻繪製(2014)

能源技術創新與傳統技術創新有何不同?

傳統技術創新理論強調線性創新模式,亦即技術的演化會經歷基礎研究、研究開發、示範、部署到商業化的線性發展過程,熊彼得(Joseph A. Schumpeter)等學者認為只有當技術發明被應用於經濟活動時才能成為創新,藉此能獲得超額利潤(Joseph A. Schumpeter, 1934),因此傳統技術創新以線性創新過程、可應用性及可獲利性為依歸,以市場化程度及經濟利益評估技術創新的成功與否。

低碳能源技術創新與傳統技術創新以獲取商業利潤為核心目標的特質有所不同,低碳能源技術的創新融入低碳、節能及永續發展的元素,終極目標在於追求公共利益與民眾生活福祉。低碳能源技術創新具有公共利益性、長期策略性、生態經濟性、高風險性及公眾參與性(吳傳,2014),是一個高風險、高投資且高技術門檻的創新過程,除了技術突破之外,還需要配合知識擴散、制度創新、文化培養及服務推廣等多方面要素,才有機會實現保護能源供應安全與環境永續,促進經濟與能源產業發展的最終目標,其中政府配合創新價值鏈發展提出的配套政策、資金支持及跨部門的協調機制不可或缺(如圖一所示),亦可能藉此激發更高的創新成效。

能源技術發展往往即使在先期市場達到成本效益性,但非經濟性障礙因素(如社會價值觀或民眾意識)仍然阻擋私部門的投資意願,必須透過政府推動的配套措施或規範(如能源效率標準)及民眾接受節能減碳產品的文化養成來形塑對技術大規模部署更有利的市場環境。能源技術創新系統在自身演化的同時,亦與系統外部環境產生相互作用,包括知識創新系統、制度創新系統、文化創新系統及服務創新系統,強調的是共同演化(co-evolution)和系統性的協同創新,且在每個創新過程階段均可透過反饋(feedback)、互動及鏈結來強化創新潛能,鼓勵「從做中學(learning by doing)」及「從研究中學(learning by research)」的機制,譬如在商業化或技術擴散 過程中,來自使用者或市場的反饋可能產生新的研發機會,帶動持續性的創新。

圖一 能源創新系統架構

聰明選擇低碳能源技術 量身打造政策支持工具

由於碳排放引致的氣候變遷威脅是影響國家安全與人民生活的公共利益問題,因此政策措施及技術發展的推動以是否能夠達成節能及減碳效益為首要目標,範圍涉及產業生產方式、民眾生活模式、社會價值觀及政府發展策略等面向的深度變革,因此需要制度的引導、規範與支持。能源科技創新為實現低碳社會 的必要手段,其應用與部署亦與這些面向密可不分,需要透過互動良好的創新系統方能有效達成。能源科技創新為低碳經濟轉型的基礎,不僅是達成氣候變遷減緩目標的核心所在,亦為實現經濟發展和能源安全目標的支柱。選擇適當的能源科技組合(portfolio)將有效協助國家降低減碳成本,使能源系統轉型更順利,帶領國家及民眾對抗氣候變遷的威脅。

無論是要達成節能減碳目標,優化能源結構或發展能源產業,均須以低碳能源技術的研發、市場應用及推廣為基礎,將效益佳且成本可負擔的能源技術廣泛部署(deploy)於能源系統當中,且需要配合政府政策的支持力道,才能回應快速變動的能源市場及全球範圍的氣候變遷威脅帶來的挑戰。實際上,能源科技的創新非僅發生在低碳科技領域,傳統化石燃料的開發技術亦日新月異,譬如水平鑽探技術及水力壓裂技術的進步,促使大量且低價的頁岩氣及頁岩油進入市場,造成低碳科技發展的阻礙。

為了達成最佳的創新成效,加速低碳能源技術的部署,對於不同技術成熟度或市場化程度的技術應提供不同的政策支持工具來輔助其發展。國際能源總署 (International Energy Agency, IEA)將原型及示範階段到具市場競爭力階段劃分為四個階段,每年依技術成熟度及市場化程度詳細評估各項低碳能源技術的進展,並將技術歸類於四階段當中(如圖二所示)(IEA, 2015)。IEA強調取得成功的關鍵在於了解可行的政策工具對於不同技術在不同成熟階段的有效性,在每個階段中政府都可以透過適當、穩定及長期的支持來發揮關鍵性作用。對於早期階段的技術,以降低成本及提高效率為要務,必須透過策略性的RD&D計畫支持,導入「技術推進」機制以使其更有競爭力;而對於示範及應用階段的技術就不再著重於投入R&D資源,而是必須導入「市場拉動」機制,協助其跨越市場障礙以加速採用,譬如對於某些節能產品,雖然達到市場化門檻,但仍需透過市場拉力提高其市場滲透率,進一步促進整體節能效益提升。

圖二 以技術及市場成熟度評估適當的創新政策工具

國內日益重視低碳能源技術的開發,主要負責能源科技研發推動的政府部會包括經濟部、科技部、原能會及環保署等,部會間對不同發展階段的低碳能源技術推動亦有分工,經濟部主要負責扶植低碳能源產業及發展較具商業化潛能的低碳能源技術,陸續推動「綠色能源產業旭升方案」(2009)及「綠色能源產業躍升計畫」(2014);科技部則主要推動早期階段或具前瞻技術潛能的低碳能源技術開發,並著重其未來銜接產業化的潛力,陸續投入推動第一期及第二期「能源國家型科技計畫」。在政策工具導入方面,應可參採國際作法,掌握國際產業及技術發展動態,更細緻地評估各項技術的技術及市場成熟度,並提供適合的扶植政策工具引導其發展,將能使低碳能源科技發展更具效益。

哪些低碳能源技術將在未來嶄露頭角呢?

要實現全球能源系統的低碳轉型,既需要漸進式創新(incremental innovation),也需要激進式創新(radical innovation),能源科技的優先性選擇必須兼顧短期及中長期目標,對於不同技術的資源配置亦須同時考慮創新活動未來會面臨的機會和挑戰。短期而言,能源科技的部署需要積極的創新,但由於化石燃料價格波動對低碳產業造成市場風險及發展阻礙,應實施高能源效率標準或再生能源配比等政策配套措施,加速採用市場成熟度較高、較具應用性的能源效率技術或再生能源技術,以達到短期減排效果。而對於長期具潛力的技術需持續支持研發、示範與推廣,同時結合多元能源整合利用模式以加速其市場化進程,譬如注入二氧化碳以提高油田的原油採集率(EOR)是加速採用二氧化碳捕獲與封存(CCS)技術的一個成功策略。

全球的減碳邊際成本預期將隨時間的推延而逐漸升高,表一說明全球若要控制在升溫2度(2DS)的情境之下,2020年到2050年間各階段減碳的邊際成本,並分析能源轉換、工業、運輸及建築部門在各階段應導入之減碳能源技術。若能提早導入這些低碳能源技術,可望透過學習過程與規模擴大在未來達到成本效益性(cost-effective);而技術是否能夠成功導入與發展,除了成本因素之外,環境影響與社會民眾接受度亦為主要的挑戰因素(例如生質燃料與土地糧食的競爭關係及核能發電的公眾接受度)。

表一 2DS下全球邊際減碳成本與邊際減緩技術選項範例表

2020203020402050
邊際成本(USD/tCO2)30-5080-100110-130130-160
能源轉換
(Energy conversion)
1.陸基風力發電
2.屋頂太陽光電
3.搭配碳捕捉封存(CCS)的煤炭發電
1.發電廠等級之太陽光電
2.離岸風力發電
3.聚光式太陽熱能發電(CSP)
4.搭配碳捕捉封存的天然氣發電
5.加強型地熱系統
與2030年相同,但部署的規模和區域都會拓展1.搭配碳捕捉封存的生質能利用
2.海洋能
工業部門
(Industry)
1. 所有部門皆採行最佳可行技術(BAT)
2. 高爐爐頂煤氣回收(TGR-BF)
3. 提升催化製程效能
4. 使用氨與HVC之碳捕捉封存技術
1.生物性化學製品與生物塑膠(石化業)
2.黑液氣化技術(black liquor gasification, BLG)(造紙業)
1. 新穎膜分離技術
2. 惰性陽極法與碳熱還原法 (製鋁業)
3. 水泥業之碳捕捉封存技術
1.鋼鐵業的氫冶煉與熔融氧化物電解法(MOE)
2.新型態水泥
3.製鋁業的碳捕捉封存技術
運輸部門(Transport)1.柴油引擎
2.油電混和車(HEV)
3.插電式複合電動車(PHEV)
1.油電混和車(HEV)
2.插電式複合電動車(PHEV)
3.電動車(BEV)
4.先進的生質燃料
與2030年相同,但對所有型態的部署會更廣泛1.燃料電池汽車
2.概念性新型航空器
建築部門(Buildings)1.太陽熱能提供空間與水加熱技術
2.改良型建築隔熱技術
1.提升有機LED的穩定性
2.地源熱泵系統整合與最佳化
太陽熱能空間降溫1.新穎建築材料:發展「智慧建築」
2.燃料電池熱電共生技術

技術研發結合區域創新與驗證,低碳永續社會不再是夢想

社會及能源系統的低碳轉型過程中,技術的開發、示範與驗證不可或缺,但須透過能源創新系統的協同創新模式方能達到事半功倍之效。除了達成技術突破與開發目標之外,特別需要重視市場應用的可行性、民眾接受度及對環境社會的長期性影響,也因此各國亦相當重視低碳能源技術須於可驗證的平台上進行試驗,以了解民眾與社會的接受度,進一步激發融合民眾參與的跨界創新。譬如瑞典斯德哥爾摩結合政府、企業與居民的共同參與力量,打造2050年的零化石燃料城市(fossil fuel free city)(蔡亦真,黃郁棻,2015);英國倫敦發展貝丁頓零耗能社區(BedZED),運用低碳能源技術與建築節能設計達到能源自給自足,亦積極培養居民的節能環保意識,成功塑造世界上第一個零碳社區(Wikipedia,2015a);韓國首爾市政府2012年決心透過節能與發展再生能源達成減少一座核電廠(One Less Nuclear Power Plant)的目標(Wikipedia,2015b);歐洲配合科研架構計畫推動歐洲生活實驗室網絡(ENoLL),透過各國的Living Labs共同展開創新合作研發,國內臺北市的民生社區也以Taiwan Living Lab於2008年度入選為ENoLL組織成員,將能源管理及資訊科技帶入民眾的生活,讓民眾親身體驗行動綠生活及能源遠端監控服務的便利性(Living Labs Taiwan, 2015)。

國家要如期達成節能減碳目標,低碳能源技術是重要的選項,而政府扮演的支持者角色不可或缺。由於能源技術創新具有與傳統技術創新不同的特質,政策規劃者應突破傳統思維,在能源科技發展的過程當中,審慎評估技術發展進程、短中長期的競爭力及應用於在地市場的可行性等,針對市場成熟度不同的技術量身打造適合的政策工具,同時讓技術走出實驗室,將能源產品及能源服務的研發融入使用者的真實生活情境當中,在城市、區域(如科學園區)的平台上去應用和驗證,透過民眾的親身體驗及意見反饋,不僅可加速低碳產品概念的改善,更能進一步優化解決方案,使技術在實際的驗證平台上試驗可行性。透過產、官、民的共同參與為學研界開發的技術創造更有利的市場,從區域創新出發,進一步推展到社區及國家創新,低碳永續社會將不再只是夢想!

參考文獻

  1. 吳傳(2014),區域低碳技術創新系統協同演化路徑,中國流通經濟,2014年第10期。
  2. 蔡亦真、黃郁棻(2015),節能減碳的智慧城市 創造政府、企業與居民三贏局面,經濟日報(預計於2015年11月29日刊登)。
  3. IEA (2011), Good Practice Policy Framework for Energy Technology RD&D.
  4. IEA (2012), Energy Technology Perspectives 2012.
  5. IEA (2015), Energy Technology Perspectives 2015.
  6. Joseph Alois Schumpeter (1934), The Theory of Economic Development: An Inquiry into Profits, Capital, Credit, Interest, and the Business Cycle.
  7. Living Labs Taiwan (2015), retrieved September 21, 2015, from http://www.livinglabs.com.tw/index.php
  8. Wikipedia (2015a), BedZED, retrieved September 5, 2015, from https://en.wikipedia.org/wiki/BedZED
  9. Wikipedia (2015b),One Less Nuclear Power Plant, retrieved August 30, 2015, from https://en.wikipedia.org/wiki/One_Less_Nuclear_Power_Plant