發佈日期:2016-12-20

全球能源科技研發投入情勢分析

作者:葉芳瑜

政策評析巴黎協定可持續能源能源研發投入可再生能源Paris AgreementSustainable EnergyEnergy Research and DevelopmentRenewable Energy

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一、前言

為達到2030年「國家自定預期貢獻」(Intended Nationally Determined Contributions, 簡稱INDCs)的減排承諾,全球能源强度年度減少率需從現今的1.1%提高到2050年的每年2.6% (IEA, 2015),相當於2011~2100年累積的二氧化碳排放量需低於1兆噸二氧化碳當量(CO2e, carbon dioxide equivalent) (IPCC, 2016)。為實現低碳社會的未來並追求能源多元化的願景,能源技術創新將是關鍵因素。過去文獻(Schumpeter, 1942; 楊忠敏, 2015)也證實,能源技術創新對能源效率的直接影響和間接影響,不僅會體現在能源生產部門和消費部門中,也會體現在能源消費結構的優化、產業結構調整和工業化水平提升的過程中,促使經濟成長與低碳環保兩者兼顧。

COP21《巴黎協定》中明確指出,預估到2040年將大幅增加低碳能源的投資,約略13.5兆美元於低碳技術與能源效率,相當於每年平均約9,000億美元的投資金額。聯合國氣候高峰會後,歐盟也正式簽署全球潔淨能源創新行動計劃(Mission Innovation,a global initiative on clean energy),預計在未來的五年內,將提高節能研發創新投入,從2015年的10億歐元逐年增加到2020年的20億歐元,總投資金額將高達100億歐元,足見擴大能源科研投入將是一大趨勢。

隨著國內減碳意識抬頭,相關的環保法規日趨嚴謹(如溫室氣體減量及管理法、空氣品質嚴重惡化緊急防制辦法、禁止使用生煤及石油焦自治條例等),外加對污染性產業的抗爭事件層出不窮(如雲林許厝分校爭議、台化彰化廠關廠事件),再再顯示潔淨的能源規劃已是台灣刻不容緩的議題。

二、全球能源科技研發經費投入觀測

2000年至2013年的全球能源科技研發經費投入(簡稱RD&D),如圖1所示。整體而言,全球在近十年間(2004~2013) 能源科研投入年平均成長率維持9%。自2000年開始大幅成長並逐年呈現遞增趨勢。主要原因在於石油輸出國家組織(Organization of the Petroleum Exporting Countries,簡稱OPEC) 為因應1996 年能源產業自由化及國際環保趨勢,在1999年宣布減產原油產量目標1.7萬桶/日(MMbpd:million metric barrels a day),致使原油價格自2000年開始逐漸攀升 (如圖2所示)。根據本文分析,能源科技研發經費投入與國際原油價格呈現高度正相關(相關係數為0.716)。

圖1 全球能源科技研發經費投入(研究、開發及示範經費)
資料來源: IEA, 2015;本研究整理

圖2 國際原油年平均價格(2000-2013)
資料來源:(1) 2006年底以前資料來自鉅亨網;(2) 2007年起至2015年資料來自petronet;本研究整理

截至2009年,全球能源科技研發經費投入達到最高峰(約22億美元)。主要原因始於當年度美國國會陸續提出多項能源立法草案,例如:潔淨再生能源與經濟發展草案法S.539、美國潔淨能源與安全法草案H.R.2454及關鍵電力基礎建設保護法草案H.R.2195等,促使當年度提撥8億的研發經費作為改善風力發電技術,大幅提升全球能源科技的研發經費投入。

近幾年(2011~迄今),由於OPEC企圖削弱頁岩油競爭力與伊朗重返國際原油市場,「無產量上限」的產油政策導致市場供過於求,原油價格大幅走跌,歐美地區的能源科技研發經費投入也備受影響。根據IEA(2015)數據顯示,歐美在2013年能源科技研發經費佔各國GDP比例(0.35‰)都低於亞洲國家(如日本0.63‰;韓國0.45‰)。

三、全球能源科技研發投入重點領域

關於能源經費投入的重點領域,2009年之前,以核能領域的研發經費占最大宗、其次為關聯技術/基礎研究、及再生能源技術。在核能領域中著重在核分裂的關鍵技術開發,而再生能源技術中以太陽光電、生質能與風能技術做為開發重點。在2009年之後,能源儲存技術的經費降幅最大,其次在氫能與燃料電池,及核能技術的研發規模均有縮減趨勢。

根據IEA(2015)資料顯示,2014年全球核能的RD&D經費比重減少了33%(比起2013年度),為所有領域中經費降幅比例最大。如圖3所示,以IEA會員國來說,2014年的能源科技研發經費投入約170億美元,其中再生能源的研究經費占比最大(約32%),其次才是化石燃料(19%)及核能技術(18%)與能源效率(17%)。再生能源的投入以其他可再生能源(32%)、太陽能(20%)、海洋能(11%)及水力發電(11%)為研發重點。

圖3 IEA會員國之能源科技研發經費投入領域分配(2014年)
資料來源:(1)OECD iLibrary;(2)IEA Energy Technology RD&D Statistics;本研究整理

反觀台灣,104年的能源科技研究計畫總經費為38.4億台幣,主要投資的重點領域以太陽光電類的23.8% (約9.3億元)比重為最高,其次為電動車輛的19.9%(約 7.6億元),再其次為LED照明與生質燃料各占18.6%及 12.1%,氫能與燃料電池占 10.1 %,能源資通訊類占 8.1%,而比重最低者是風力發電類,僅占7.3% (GRB, 2016)。

整體而言,在能源政策及產業技術的大力推動下,以再生能源類別來看,以太陽光電、氫能與燃料電池、生質燃料為我國過去十年的研發主軸。近年隨著能源投資環境的政策改變,風力發電與太陽熱能將視為後起之秀。

圖4 台灣再生能源研究發展經費之研發主軸
資料來源:GRB, 2016;本研究整理

三、能源科技情勢分析

本文從能源依存度及能源科技研發經費(RD&D)的角度去分析能源安全,如圖5所示。對於擁有並出口能源的國家來說,如波蘭、捷克、荷蘭、愛沙尼亞等國,由於能源依存度較低,所以研究、開發及示範(RD&D)經費比率相對也偏低。在能源政策的規劃上,建議可從改變經濟結構、提升能源系統方面著手。如以荷蘭為例,土地面積與台灣相似,但卻擁有西歐產量第一,也是全世界排名第十的天然氣田。然而,在過度開採的情況下,導致環境破壞、工業出口減少、國內製造業衰退的現象,簡稱荷蘭病(Dutch disease)(Corden and Neary, 1982)。為解決這些衍生問題,荷蘭近年開始積極投入非傳統天然氣(unconventional gas)的探勘工作,並提升科研經費投入在頁岩氣(shale gas)、煤層氣(coalbed methane)、淺層氣(shallow gas)及緻密氣(tight gas)(Energy Report, 2011)。

對於具有先進能源技術的國家,如英國與德國等,除讓技術能夠有效落實、使得能源市場能夠更穩定供應。能源策略上採積極與擁有能源的國家合作,能源轉向政策著重在高能源效率、低能源消耗與再生能源發展為主。以德國為例,近年科研重點投入在能源和傳統的機電、材料(鋼鐵)與機械等跨領域的技術合作與創新,再生能源與核能的結構變化顯得突出。

反觀能源消耗國或能源進口國而言,包括西歐、中國等。受限於能源依存度較高,所以相對於能源出口國來說,其研究、開發及示範(RD&D)經費比率相對應投入較多。惟我國能源依存度極高(2014年約97.75%),但整體的能源研發預算(RD&D)投入卻是相對偏低(約0.02)。然而台灣屬於能源密集的產業結構發展,一旦遇到國際能源價格上漲,則將無法承受可能面臨的衝擊。因此,建議可持續提高在能源研發經費(RD&D)的投入,並重新審視規劃能源產業政策發展方向,以促進再生能源與低碳技術的研發,將有利提升經濟體系承載衝擊的能量,進而降低能源依存度,最終朝向標竿國家丹麥、芬蘭等國。

圖5 國際能源科技情勢分析(2014年;部分國家為2013年)資料來源:(1)國際資料來自OECD iLibrary;(2)國內資料來自能源局;本研究整理

關於能源安全因應對策,多數國家多以「替代能源」和「節能」作為主要的研發重點(IEA, 2015)。如圖6所示,世界各國再生能源佔該國總能源研發投入佔比及研發投資重點。各國致力發展的替代能源重點不同:如美國近年來始終鎖定在生質能的投入(投資佔比65%);德國與日本強調太陽能的投資(投資佔比40%以上);丹麥與挪威則是以風能為主;澳洲和瑞典則是關注在海洋能;加拿大關注在水力發電;及瑞士關注在地熱。

相較於世界國家,我國再生能源研發投入佔比高(73%),其投資方向符合國際發展趨勢。除了智慧輸電技術開發及相關節能技術開發外,風能與太陽能的技術開發多有持續挹注的趨勢。關於未來示範場域的建置與維運,可分別就上述幾個標竿國家觀察與效仿。

圖6 「國際能源安全因應對策投資重點」與「再生能源佔該國總能源研發投入佔比」資料來源:(1)國際資料來自OECD iLibrary及IEA, Energy Technology RD&D 2015; (2)國內資料來自科技部;本研究整理

四、能源發展之策略建議

1.鼓勵企業自主投入能源技術創新與研發活動

創新動能來源除利用政府本身資源投入外,同時必須利用各項政府措施以誘導民間積極投入研究發展。過去許多文獻(Carmichael, 1981; Lichtenberg, 1984, 1987; Lerner, 1999; Wallsten, 2000)證實了政府投入過多的研發經費將可能排擠到私部門或創投資金的支出。因此,政府研發支出的過與不及為各國政府審慎面對的重要課題。隨著近年文獻(Lichtenberg, 1988; Paul et al., 2000)發現,政府的研發補助有助於提升企業的研發投入。從彌補廠商研發資金缺口,進而帶動廠商自身願意增加投入研發經費,以至於技術研發能夠更加密集與創新。

根據Breaking Energy (2015)數據顯示,全球能源領域的研發支出總額穩定成長(成長率約3%-4%),且私部門的投入比例更是逐年增加。以2014年為例,再生能源的研發支出增加2%(約117億美金),其中公部門佔51億美元,企業投入就高達66億美元(Frankfurt School-UNEP Centre/BNEF, 2015)。

有鑑於國外做法,初估台灣2013年能源科技研發經費占本國GDP比例約0.92‰,面對2030年的減排目標,政府除須明確制定完備的能源科技研發政策外,更須有效落實政策工具(如:合理的融資機制、租稅減免等),以緩解企業對大型能源投資的融資問題與政策風險,讓私部門及其相關利益者能夠共同承擔能源決策與社會責任。

值得一提的是,就政府研發政策效果而言,研發經費補助較提供研發支出投資抵減之租稅優惠措施更受廠商歡迎,且當兩者同時實施時將有加乘效果;而商品化的研發補助比起技術研發來說更受廠商的青睞(Liu and Shieh, 2005)。

圖7 2004至2014年公私部門再生能源之研究發展經費投入
資料來源:Breaking Energy

2.加速台灣「能源技術」的轉型規劃及擴散

美國能源部之再生能源實驗室(NREL)報告中指出,再生能源的技術創新將是因應氣候變遷的關鍵課題。全球目前著重在探討捕碳封存(Carbon Capture and Storage, CCS)、能源系統轉型的創新驅動力、減少風能和太陽能的波動性、增加電力系統靈活性之技術等。預估到2050年風能和太陽能的發電潛力將為每年電力行業減排貢獻22%,其中電力需求側管理、能源儲存和智慧電網基礎設施的創新將是一大關鍵。

反觀台灣,現行推動的六大主軸能源議題均符合其國際趨勢,後續建議除強化技術與營運模式的創新發展外,應建立一套完整且精心設計的能源政策和市場監督機制與框架。諸如推廣電動車之前,應先規範電池的回收做法、推動電力市場自由化之前應提早規劃市場規則、以及整體供應鏈的跨產業合作框架等。

除此之外,隨著中、印為主之新興國家競逐全球能源,台灣可透過南向政策的國際合作與技術轉讓來提高投資流動,除累積自身創新技能,更能因此建構一個具有可行性的商業市場環境。例如:與通用電氣(General Electric Company;簡稱GE)或艾波比電力領導廠商(ABB)這樣大型機電公司合作,增加大型減碳淨煤的實戰經驗。

3.碳捕捉與綠建材將是能源科技研發投入的明日之星

參酌國際能源科研計畫徵求主題(如美國ARPA-E),提供我國未來能源科技研發經費投入的主軸重點與議題,包括:在智慧電網領域中的電網整合、可供循環測試的電力儲存系統、可調度的電力儲存設備開發、分散式的發電系統等技術;在生質能領域中的植物液體燃料、農作物的相關基因特徵演算等;在氫能與燃料電池領域中的微生物燃料發電技術、電源管理與保護等;在太陽能領域中的高效率熱儲存技術、全頻譜轉換與利用技術等。有關電力傳輸與電力儲存為長期的重點投資議題,而碳捕捉與綠建材為近年興起的熱門議題。

五、結語

能源支出每年高達2兆元的台灣,未來如何面對2030年的減碳目標,將受到能源價格、產業結構、技術發展、能源消費結構及工業化水平等諸多因素共同作用的影響。其中,能源技術發展能夠長期對能源效率產生直接與間接的影響,不僅體現在能源消費與生產部門,同時也能夠體現在整體產業結構上的調整。

隨著新政府提出的「五大創新研發計畫」,將可預見未來能源產業將為科技研發的重點。透過傳統的機械、材料、機電等和能源相關領域做跨領域的合作,將使台灣傳統產業注入永續能源發展的活水,同時也能夠帶動綠能產業向上提升。此外,具前瞻的技術開發將是未來研發重點,而長期的能源RD&D投資將有效地降低成本,私部門的積極參與將是未來的一大關鍵。

參考文獻

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