觀測國際能源關鍵議題與技術發展現況

導讀
穩定能源供應是影響國家經濟成長的重要因素,一國能源政策的規劃與執行會影響一般大眾生活、產業發展和國家安全。本文將檢視國際重要組織的能源發展計畫,探討全球目前能源議題的發展趨勢。
文章圖片所有權: https://ppt.cc/frK5bx ,Created by geralt
著作權聲明: CC0 Public Domain-可以做商業用途-不要求署名

一、國際能源署(IEA)

國際能源署成立於1973-1974年石油危機期間,一開始負責協調應對石油供應緊急情況的措施。隨著能源市場的轉變,國際能源署基於提高能源安全、經濟發展、環境保護和全球參與的平衡能源決策概念,目前工作重點為研究應對氣候變化的政策、能源市場改革、能源技術合作、開展與世界其他地區的合作。

國際能源署認為在乾淨能源的進展上在2017年有取得較大的進步,特別是在太陽能電池、發光二極體(Light Emitting Diode, LED)和電動汽車上,但大多數的技術還尚未步上軌道。在能源效率的發展上已經開始停滯不前,例如碳捕獲(carbon capture)和電力儲存等關鍵技術(IEA, 2018a)。鑑於創新對於實現長期能源轉型目標具有其重要性,因此IEA提出的38項乾淨能源的關鍵技術所造成的100個創新缺口,將可提供公部門與私人企業未來對於乾淨能源的技術進行發展與投資。以下將對能源領域和能源整合領域進行各開發項目的關鍵技術之介紹(IEA, 2018b)。在能源領域的部分,包含太陽能發電、風力發電、天然氣發電、燃煤發電、氫能、核能發電、水力發電、地熱發電、潮汐和波浪發電;在能源整合領域部分提出電力儲存的開發項目,每個開發項目的關鍵技術如圖1所示。本文將以臺灣目前最為積極發展的太陽光電與風力發電做關鍵技術說明,在太陽能光電系統中的關鍵技術主要是期望可以將單晶矽P型射極鈍化及背電極太陽電池(Passivated Emitter and Rear Cell, PERC)的光電轉換效率提升至24%。其次,在製作太陽能電池的過程中會需要使用鎘、鉛和鉻等有毒的重金屬化合物,而且太陽能電池中也含有稀有金屬,如鎵和銦,可以透過回收將可有助於節省有限資源的供給。另外,其他的關鍵技術也包含低成本的三五族太陽能電池、混合串聯太陽能電池,提升薄膜太陽能電池的發電效率、低照度下的性能與降低成本。

在風力發電開發項目主要的關鍵技術在於離岸風機的互連和電力傳輸的基礎設施,隨著風力渦輪機組製作成本的下降,風機電纜互連和系統的穩定度,在整體安裝成本中將占有更高的比例,例如在直流基礎設施的建設、高電壓互連系統、風機陣列互連網絡、流線型的電纜布局等。海上風力發電的軟成本(soft cost)占總安裝成本的很大一部分,加速風機安裝過程將是降低成本的一個關鍵挑戰,可在風機運轉前先預做測試與整合多個零件以利於安裝。漂浮式的離岸風機技術將可在高產量製作和結構的標準化設計下降低中長期成本與減少風機在固定海床基地上的安裝成本。而在下世代渦輪及動力傳動系統的技術開發,主要是在渦輪葉片的設計與製造,針對葉片材料與結構進行改善,較大的渦輪轉子直徑和較高的輪轂高度將會增加每單位的發電成本,但是可透過增加產量來降低成本。而在改善環境資源評估和風機空間規劃上,應加強陸域與海上周圍環境的可行性評估,提高海上施工前規劃的準確性,以適應風力資源的季節性變化,根據量測環境數據對所建立的模型進行細部驗證,以確保長期風機發電效率和有吸引力的投資。最後,在降低工廠整合成本並提升整體效率也是一個關鍵技術,工廠可利用大數據分析(神經網絡或人工智慧)針對製作流程上的改善,加強短時間的預測,以促進更高產能的整合,對於風塔組件或混合式材料有更破壞性的創新。

圖1 電力領域和能源整合領域之各項開發項目的關鍵技術

二、美國能源高等計畫署(ARPA-E)

能源高等研究計畫署成立於2007年,隸屬於能源部,為滿足對破壞式創新和潛在應用價值高之風險能源研究的獎勵、開發乾淨、低廉和穩定能源供應的需求,美國能源部仿效國防部高級研究計畫局(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)的成功模式,設立ARPA-E,藉此推動革命性能源技術的開發。

美國能源高等研究計畫署在2018年推出6項計畫徵求提案,包含電力儲存下持續電力供應(DAYS)、建模增強型創新核能模組(MEITNER)、創新天然氣技術以提高可靠且具經濟效益的熱化學發電效率(INTEGRATE)、改善材料與製程開發高強度熱交換器(HITEMMP)、電網最佳化競賽(GO)、建構可靠且具安全性的千伏特級電子產品(BREAKERS)。ARPA-E在每個計畫提案中將會針對該技術發展的潛在影響力、安全性、環境影響與經濟效益提出說明,如下表1所示(ARPA-E, 2018)。以「電力儲存下持續電力供應(DAYS)」為例,現今大多數的新能源儲存系統皆是在有限時間內提供電力,為了紓緩輸電擁塞、穩定電壓與頻率標準,或提供一日內的電力轉移,DAYS計畫項目將尋求團隊開發可部屬在任何地點的儲存系統,並可按照每個周期的目標,在成本固定下進行充電和放電。該DAYS計畫項目將分為兩種主要開發策略,(1)儲存系統除了持續更長的供電外,可提供每日的供電循環;(2)儲存系統不提供每日的供電,但是在每日供電若出現滿載或缺電時,可即時接管電力供應。DAYS計畫將開發電力儲存的新設計概念,以增加儲存能量和延長固定電力儲存系統的持續時間,並可整合國內電力資源與可再生能源,從策略性的性能整合下實現低成本的供電系統。

表1 2018年ARPA-E提出六項計畫的簡要說明

資料來源:ARPA-E (2018);本研究整理(2018)。

三、歐盟戰略性能源技術計畫

戰略能源技術計畫(Strategic Energy Technology Plan, SET-Plan)是歐盟能源與氣候政策之創新研究的核心基礎,該計畫協調歐盟成員國與其他參與國對於低碳研究與創新活動有共同目標。戰略能源技術計畫的主旨在於改變歐盟的能源生產方式與能源使用效率,目標是成為世界的領先者和提出降低能源生產成本的解決方案,以達到2020年和2050年預計的目標。SET-Plan歸納出能源發展的6大策略方向與10個關鍵行動,在能源策略發展方面將包含:(1)可再生能源的全球領先者、(2)建構智慧的能源系統、(3)高效能源系統、(4)可持續性的運輸系統、(5)碳捕捉利用與儲存、(6)安全的核能。而針對SET-Plan實施10個關鍵行動將整理如下圖2所示,能源聯盟表示透過實現這10個關鍵行動所設定的各種能源發展目標,將可以使能源技術具有可開發的成本效益和更好的性能,加速能源系統和運輸部門的減碳計畫(EU, 2018)。

圖2 SET-Plan歸納出能源發展的6大策略方向與10個關鍵行動

戰略能源技術計畫(SET-Plan)在確定10項關鍵行動的發展目標後,截止至2018年已經在這些領域上實施了11項計畫,包含集中式太陽能/太陽熱能發電、工業能源效率、碳捕捉儲存與使用、光伏能源、全球電動車電池發展、能源系統、深層地熱能、海洋能源、生物能源和可再生燃料、海上風電、正能耗區域等,SET-Plan將利用這些具體的研究與創新計畫,實現10項關鍵行動的設定目標。

以離岸風力發電為例,離岸風力發電的風能資源穩定且豐富,歐洲是離岸風電的領先者,截至2015年,歐洲已經有3,100組離岸風力渦輪機,分布在11個國家的82個風場中,而且這些離岸風電發電機組都已經成功的併網。2020年離岸風電成本目標可以降低至0.1-0.14歐元/kWh。為了保持歐洲在離岸風電的領先地位,離岸風力部門必須針對以下兩點進行解決:(1)離岸風力發電的成本必須要持續降低(2020年<0.1歐元/kWh;2030年<0.07歐元/kWh),並且需要與其他的能源系統進行整合以提高性能與可靠度;(2)需要開發浮動式風力發電系統以實現在深水域(>50公尺)和其他海洋氣候條件下的風場布署(2025年<0.12歐元/kWh;2030年,0.09歐元/kWh),加強歐洲在全球市場的競爭力。SET-Plan在離岸風電的創新研究與關鍵技術開發項目如表2所示,主要的分類項目有系統整合、離岸風力發電廠周邊設施、浮動式離岸風力發電系統、風力發電的營運與維護、風力發電的產業化、風力發電渦輪機技術。

表2 離岸風電的技術開發項目

分類項目 創新研究與關鍵技術 TRL 發展時間
1. 系統整合 (1) 現有的天然氣發電平台 6-9 2018-2023
(2) 海上天然氣發電併網 6-9 2018-2026
(3) 風電產氫技術 3-9 2019-2022
(4) 廢棄氣田的電力儲存 1-6 2019-2024
(5) 風能和波浪能的結合 1-7 2019-2021
(6) 人工能源島的開發 2-5 2018-2020
2. 離岸風力發電廠周邊設施 (1) 生命週期成本優化的深水型風力發電廠的安裝 3-7 2018-2024
(2) 離岸風力發電廠的模組化設計與營運 3-7 2018-2024
(3) 開放數據資料用於驗證海上風電廠的設計模型 3-7 2018-2024
(4) 使用系統工程和跨領域技術來優化設計模型 3-7 2018-2024
(5) 電力基礎設施的設計條件 3-7 2018-2024
3. 浮動式離岸風力發電系統 (1) 開發低成本的MW級浮動式平台 2-9 2018-2026
(2) 開發製作浮動式平台的標準化程序 2-9 2018-2027
(3) 開發先進錨碇系統 2-9 2018-2028
(4) 浮動式平台工程工具之開發和驗證 5-6 2018-2020
(5) 不同放置區對浮動式風力發電機的支撐結構之差異性比較 7-8 2018-2020
4. 風力發電的營運與維護 (1) 健康程度監控的感測器開發與資料分析 3-7 2018-2022
(2) 用於性能量測和狀態監測的感測器系統 2-5 2018-2022
(3) 風能系統的資料數位化轉型 2-5 2018-2022
(4) 開發和驗證在負載環境下風機結構受損和退化之模型 2-5 2018-2022
(5) 開發在空中或水下環境的自動駕駛工具與機器人 2-5 2018-2022
5. 風力發電的產業化 (1) 量化場地需求和系統條件的標準化 4-7 2018-2025
(2) 用於準確評估系統和元件可靠度的量化測試 2-7 2018-2025
(3) 經過系統工程和跨領域技術優化的驗證模型鏈 2-4 2018-2025
(4) 風機的製造、施工和退役的設計程序 2-7 2018-2025
6. 風力發電渦輪機技術 (1) 破壞性創新技術 3-7 2018-2025
(2) 下世代的測試與驗證方法 3-7 2018-2025
(3) 使用創新材料優化結構 3-7 2018-2025
(4) 風力發電場的控制 3-7 2018-2025
(5) 大型渦輪機(>10 MW)示範測試 6-9 2018-2022
(6) 大型渦輪機(>15 MW)示範測試 6-9 2021-2025

資料來源:SET-Plan (2018)、本研究整理(2018)。
註解:TRL是描述技術在開發週期中成熟度之指標

四、日本第5次能源基本計畫

日本內閣於2018年7月通過「第五次能源基本計畫」,基於國內外能源情勢變化,福島復興為最優先推動的課題,以實現2030年能源結構目標,並因應2050年能源轉型和脫碳化的挑戰,強化能源安全。而根據2019年度能源預算要求可分為三大項:(1)致力於福島的復興與創生:實施廢爐/污染水對策、推動福島縣為再生能源產業基地等;(2)推動能源轉型和脫碳化的創新:實現氫能社會、化石燃料的低碳化、未來型再生能源和儲電技術開發、核能安全技術開發、製造和運輸的脫碳化創新技術開發、實現分散式能源系統、中長期的創新技術開發等;(3)強化能源安全:促進甲烷水合物等國內資源開發、確保海外石油和天然氣的權益、強化國內能源供應網。

在「致力於福島的復興與創生」的項目中,主要是提出安全且可確實的實施廢棄福島核電廠與污染水的處理對策,建置汙染土地的中間儲存設施,在福島機器人試驗場展示最先進無人機。後續,在福島推動再生能源產業基地,加強輸配電網的布建以加速導入再生能源。在「推動能源轉型和脫碳化的創新」的項目中,主要著重於能源供給端進行低碳化和脫碳化的開發與改善,在能源需求端進行供給最佳化處理,主要的開發技術議題包含以下六點:(1)徹底強化實現氫能社會的措施;(2)透過CCUS進行化石燃料的低碳化;(3)未來型再生能源和儲電技術之開發;(4)提高核能安全性、可靠性與機動性;(5)透過脫碳化技術進行製造程序的創新;(6)分散式能源系統的創新。如表3所示,在「強化能源安全」的項目中,首先將促進國內海洋資源的開發,包含能源與礦物資源等,將甲烷水合物進行商業化的技術開發,並且調查國內石油和天然氣蘊藏量與試鑽。在海外資源開發上可透過JOGMEC提供風險資金,以確保日本企業在海外石油和天然氣的權益,在資源外交上可透過人才培育和技術合作等方法實現戰略合作,持續進行海外資源探查以確保可穩定供應節能與再生能源設備所需的礦物資源。最後,加強國內能源供應網的強韌性,進行災害和突發事件時燃料供應網的危機應變能力,可利用物聯網建構次世代燃料供應基礎設施;透過石化園區的重整,改善供應結構和煉油廠的強韌度;建立石油和液化石油氣的儲備制度。

表3 日本推動能源轉型和脫碳化的創新主要的技術議題

能源供應的低碳化和脫碳化
1.徹底強化實現氫能社會的措施






1.1 建立從製造到利用的大規模氫氣供應鏈
(1) 利用海外褐煤製氫的供應系統
(2) 甲烷熱分解製氫技術(無二氧化碳)
(3) 開發氫能發電的燃燒技術
1.2 加速引進氫氣利用技術
(1) 加氫站的發展策略
(2) 燃料電池汽車(FCV)和定置型燃料電池的技術開發
2.透過CCUS進行化石燃料的低碳化

2.1 大規模CCS實用化技術展示
2.2 煤氣化燃料電池複合發(IGFC)等低碳火力發電技術開發
3.未來型再生能源和儲電技術之開發

3.1 超輕量太陽能電池、超臨界地熱發電、再生能源作為主力電源技術開發
3.2 全固體蓄電池技術開發與再利用技術(車用電池、定置型)
4.提高核能安全性、可靠性與機動性


4.1 開發創新的核能技術,應對多樣化的社會需求
4.2 提高輕水反應器安全性的技術開發
4.3 放射性廢棄物最終處置技術開發
能源使用的最佳化
5.透過脫碳化技術進行製造程序的創新









5.1 製造程序中脫碳化技術開發
(1) 利用氫氣的還原技術進行煉鋼與化學製程
(2) 木質纖維素奈米纖維(CNF)低成本製造程序開發
(3) 利用植物進行機能性材料生產開發
5.2 互聯產業的製造和輸送的創新
(1) 無人自動駕駛實現移動服務
(2) 以人工智慧和機器人為核心的整合技術
(3) 使用人工智慧縮短先進機能材料開發週期
(4) 透過高速和超低耗能處理大量資料的AI晶片與計算技術
(5) 透過補助金支援中小企業和多家業者進行合作的節能方案
6.分散式能源系統的創新



6.1 透過需求端定置型電池和電動車技術,建構電力供需平衡的虛擬電廠
6.2 開發次世代控制技術以克服電力系統的限制
6.3 超高速充電基礎設施
6.4 住宅淨零耗能

資料來源:日本第5次能源基本計畫(2018)、本研究整理(2018)。

五、結論

經由檢視各個國際重要組織的能源政策與能源技術發展現況,可以了解目前各國的能源發展皆致力達成一個平衡且多樣性的能源結構,包含高效率且潔淨燃煤電廠、再生能源(太陽能、風力發電、海洋能)、核能、氫能…等,並考量到能源的安全性、經濟效率與環境保護相關議題。目前臺灣的電力供需主要是以火力發電作為基載電力來源,有節能減碳的需求以逐步實現脫碳化。然而,臺灣資源匱乏且土地有限,應發展多元化的能源型態以避免依賴特定能源供應不足之風險。目前台灣政府將採取「創能」、「節能」、「儲能」、「系統整合」等具體策略推動能源轉型,各公部門積極擴大再生能源建置與節能減碳的推動,包括陽光屋頂百萬座、千架海陸風力機、智慧節電、耗能產業強制節能等措施,將可兼顧經濟發展與逐步朝向非核家園的理想邁進,並且可降低對於傳統石化能源的依賴,可望於2025年將再生能源發電占比達到20%的目標,落實能源永續發展的願景。

參考文獻
  • 第5次エネルギー基本計画,資料取自: https://www.enecho.meti.go.jp/category/others/basic_plan/
  • 經濟部能源局 (2017)。能源發展綱領。資料取自: https://www.moeaboe.gov.tw/ECW/populace/news/News.aspx?kind=2&menu_id=56&news_id=2565
  • 經濟部能源局 (2018)。107年全國電力資源供需報告。資料取自: https://www.moeaboe.gov.tw/ECW/populace/content/ContentDesc.aspx?menu_id=6985
  • ARPA-E (2018). Latest ARPA-E NEWS. Retrieved fromhttps://arpa-e.energy.gov/?q=media/latest-arpa-e-news&page=1
  • IEA (2018a). Tracking Clean Energy Progress. Retrieved from https://www.iea.org/tcep/
  • IEA (2018b). Tracking Clean Energy Innovation Progress. Retrieved from https://www.iea.org/tcep/innovation/
  • EU (2018). Strategic Energy Technology Plan. Retrieved from https://ec.europa.eu/energy/en/topics/technology-and-innovation/strategic-energy-technology-plan
延伸閱讀