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打造虛擬電廠
重新認識能源、能源問題與出路

2003/11/1綠色公民行動聯盟秘書長 賴偉傑

  
一、重新認識能源問題

  如果你的住家樓下是自助餐店或是麥當勞,你一定對它炒菜或炸薯條排出的油煙味和熱氣感到深惡痛絕,但如將熱能回收,可能成為替社區溫水游泳池加熱的熱源;貨輪載滿液化天然氣進港,當要從低溫要把它轉為常溫下的氣態天然瓦斯的過程中所產生的吸收能量效果,其實正好是港口新鮮魚貨保鮮冷凍最好冷凍劑;據說以前還沒有發明冰箱前,人們生活的智慧是把食物放在吊桶中,放進深井內,以防東西腐敗。
  你將發覺能量無所不在,而且多的是我們根本就在不知不覺中忽略、甚至幾乎忘了他們的存在。當然由於電的可傳輸性與安全性,因此各種能源的形式,最後幾乎都轉化成為電能,再由電能供給各種日常生活所需,也因此我們已經習慣了把「有沒有電」當作「有沒有能源」。然而能量的轉變,蘊藏在我們日常生活的每個角落。因此在所謂台灣缺不缺電,電需要「開源」需要「節流」的這種大家耳熟能詳的口號下,我們如果用各種能量的轉換角度來看,能量轉換過程中提高效率,減少耗損,其實反而就是一種新得的量來源,然且您可能不知道以下的現況:

  1. 我們所用的電是經過「發、輸、配、送」四個階段才為我們所用,但大家關心的通常只是「發電」,甚至是「發電廠」的部分,但其實輸電、配電、送電的「耗損」和「管理」,才是大有可為的關鍵。
  2. 台灣的用電在一天內的落差是很大的,在白天尖峰與晚上離峰用電比是3: 2,也就是說如果白天的尖峰時有百分之十的備用容量,到了晚上離峰時刻就有將近百分之四十的備用容量,換算來講白天跟晚上的預留備用的電量差距是將近四座核四廠的發電量。因此利用不同的誘因來引導客戶避開尖峰用電時刻,是電力負載管理的重要課題。

  因此在探討台灣的能源政策的時候,就不應只是何種發電的爭議,而是一個社會全體的選擇,德國社會也有這些爭議,但他們的考量過程,非常成熟而具啟發性。以德國為例,他們面臨的是:

  1.必須解決二氧化碳造成溫室效應:因為要考量二氧化碳排放問題有兩個選擇減少,一個是核能,一個是再生能源與節能產業,但他們發現這兩種不但不能並存,而且有嚴重的互斥性,因為一種是集中型大供電系統,必須周邊配套的是更多的大型輸配線路,這些投資,和智慧型電表更新、市電併聯、區域電力網絡等的佈局,以及以分散式為主的再生能與節能產業是完全不同的。

  2.攻佔再生能源的市場;這兩種互斥的選擇中,他們認為發展再生能源與節能產業是傳統產業提升與科技產業結合的明日之星,且能為德國產業能增加更多就業的機會。就德國的經驗而言,核能發電工業只能提供37,700個工作機會,但總計以再生能源的發電方式,如風力、潮汐、太陽能、沼氣等,以及節能產業,將在未來的就業市場提供約20萬個工作機會。所以最後2000年德國的能源政策是在「多元能源產業提供大量就業機會」基調下,達成能源政策的共識。

  那台灣的能源政策何去何從?不過在回答這問題之前,我們大概都必須面對的是新的能源觀念是從過去以不斷開發、大型電廠的「硬質能源」時代,而改為現在以永續、節流、管理、分散的「軟質能源」時代的趨勢。而這其中,的確再生能源和節能產業的局面,值得我們探究

二、再生能源產業

  再生能源是對環境比較友善和乾淨的能源,也希望把集中的發電方式,能朝向分散式發展,而在台灣,它更重要的意義在於讓台灣高科技產業和純熟的傳統產業能升級整合成,開創一個新興的再生能源產業。

1、太陽能:

  太陽照射在地球上45分鐘所供給的能量,等於人類活動一年所需的所有能量。因此在傳統能源蘊藏量告急之下,如何把太陽照射的能量有效的轉化使用,是全球能源產業團隊競相努力的領域,而多年來技術也有大幅的進展,成本也大幅下降,已有相當的競爭力。
  太陽能量的利用現今分為太陽能加熱器、太陽熱能和太陽光電能:前者是利用平面集熱器,將太陽能轉為家庭之加熱系統,包括太陽能熱水器;而太陽光能則是利用太陽能光電板其中有矽晶片,可以把太陽能的光子轉換為能量,也就是說,經由太陽光驅動矽晶片的電子,藉以產生電流,將光能轉換為電能,因此可以發電。
  技術成熟的模組化太陽光電能設備較常見的就是裝在一般獨立家屋的斜屋頂上,甚至現在已發展成可彎曲軟式太陽能電板,可搭配建築外牆。直接以電線拉進室內,「屋頂發電廠」所製造的電在用剩之餘,還可以直接與市電相通,將剩餘電力賣給電力公司,晚間則使用電力公司提供的電力,所以通常設有一「雙向電表」作為計費依據。
  台灣因為地處亞熱帶,日照時間相當充足,而且用電需求量較大時的日正當中,也正是太陽能最可發揮功能的時候,因此比起歐美日本等高緯度國家更有條件發展,也應視為台灣未來不會產生溫室效應氣體的「自產能源」。而台灣新竹科學園區的晶圓製造技術,更是適合投入太陽能產業的後盾

2、風能:
  風力發電是新的再生能源中,技術最成熟且已商業化的一種能源。美國、日本、英國、德國、丹麥等工業先進國家,為了因應溫室效應,減少二氧化碳的排放,均積極進行風力發電的開發與利用。
  風力原本就是古代的能源,20世紀初期,當化石燃料時代出現時,風力能源似乎從此塵封。1970年代,丹麥公司發明一部由三支螺旋槳狀的玻璃纖維葉片組成的機器,此機器可裝置在鋼塔上迎風運轉。德國、印度、西班牙、美國更開發出新產品,可隨風速調整葉片的傾斜度,在低風速時仍可運轉。
  此種風車透過新一代電子變速推進器(drive),可使葉片改變轉速,維持既緩慢又持續的速度,從而增加機器的效率。發電機的設計,就如連接到柴油引擎的機型,座落於塔頂和傳動系統、剎車及其他精密的微處理器組合在一起。
風力發電沒有燃料成本(因為風力是免費的),其主要的成本為資本設備成本,約佔總成本的75%~90%。由於技術進步與生產規模的擴大,風力發電機的成本不斷地下降。在許多地方,風力發電早已比燃煤電力便宜,隨著風力科技的日新月異,風力發電的成本將會更低,在未來的十年,風力可確定是許多國家動力能源最經濟的來源。
  台灣是個海島,每年約有半年以上的東北季風期,風力資源相當豐富。新竹湖口、關西台地的部分山區、中南部海濱及離島,都很適合風力發電,若能積極開發與利用,則不僅可提高電力的供應能力,有助於電力的穩定供應,而且可增加本土性自主能源的比重,減少對外的能源依賴度;同時也有助於落實能源多元化的目標。

3、汽電共生
 

  汽電共生系統,係指利用燃料或處理廢棄物同時產生有效熱能與電能之系統。大工廠常需要大量的熱能--在廠內現地產生熱能,在這製程中,同時也可產生電力。
  減低工廠電費帳單的方法之一就是在廠內自己發電,同時於廠內其它製程利用發電後的廢熱(此即「汽電共生」程序)。汽電共生程序對燃料中能源的利用效率可高達90%,遠高於集中式電廠,其平均效率僅有33%。
  以汽電共生的方式運用能源不但可提高效率而且可節省能源﹐對源匱乏的台灣地區尤為重要。全台目前使用鍋爐的工廠,如造紙、水泥、鋼鐵、紡織、化石等,都可善加使用其蒸汽發電,即增加汽電共生發電。
  十年來,台灣汽電共生的裝置容量已經從無至1999年達到361萬瓩,約一個半的核能四廠電量。

4、燃料電池

  燃料電池是一種能源直接轉換裝置(Direct Energy Conversion Device),將燃料不經過燃燒,而以電化學的反應方式,藉由氫氧結合成水,讓化學能直接轉變為電能。簡而言之,這是一項水電解過程的逆向反應。
  它的主要燃料是氫氣,來源多而容易取得,包括石油、天然氣等化石能源,再經過重組反應後,都能取出大量氫氣,做為燃料電池的進料,這部份技術已相當成熟。另外,太陽能、水力也都能提供電力,經水電解反應產生氫氣。
  燃料電池的能量轉換效率非常高,可達40%以上,如果再利用汽電共生的技術,將能反應時釋放的廢熱回收,總熱效率可以超過80%。且其發電過程幾乎不造成任何汙染。以目前容量最大的十一百萬瓦(11MW)級燃料電池發電廠為例,同樣以天然氣為燃料,該電場廠運轉初期氮氧化物排放量為1ppm,而硫氧化物及粒狀汙染物未曾測得,比目前最清潔的燃氣發電廠還乾淨。
  燃料電池應用範圍十分廣範泛,包括電力、工業、運輸、太空、軍事等各領域,目前已製作出多樣產品如發電廠、備用電源、可攜式電力、堆高機、機器人、電動車、小型潛水艇、太空船太空梭的電源等等。燃料電池的成本造價較高,但經過多年的研發,不但技術更趨成熟,而且已漸漸規格化,並且有適合不同大小的居家、店家社區等的模組化商品出現,同時價格也逐年下降,今後將普及於日常生活之應用上。

5、其他:包括地熱能、海洋能、生質能等

三、虛擬電廠

  過去電從發電廠經過輸電、配電、送電、電器使用,每一步驟都有很多耗損,所以改善這些耗損,就等於蓋了「虛擬電廠」。而虛擬電廠的概念,讓狹隘的「電力事業」的觀念,轉變成節能科技產業、節能電力服務產業和創意節能的環境教育。

一、節能科技產業

  1. 工研院曾特別針對LED(冷光二極體)應用做了一項調查,發現在同樣亮度的基礎上,LED只產生光不產生熱,用電量只有傳統燈泡的四分之一,因此,若將全台灣的交通號誌全部更換成LED,省下的電力,幾乎相當於一座核能電廠的電量;台北火車站透明天窗,用自然採光節省了相當多的照明用電;而你的個人電腦應該都依照規定達到「Energy Star」能源之星的省電標準。
  2. REPOWERING技術:將現有的一些電廠(非核能電廠),如果全面改善發電效率由現在35%到65%,預估大約要500億,不必再增設輸電系統,不必蓋新電廠,就可減少燃料使用,增加超過一個核四廠的電量,更重要的是還能減少現有電廠二氧化碳排放,比蓋核電廠(只是不增加二氧化碳)更能符合降低溫室效應氣體的國際要求。
  3. 區域冷卻系統儲冰式冷氣:除冰式冷凍空調系統在半夜把耗電的結冰過程做好,可以在白天只須用少量的電把冷空氣吹出,避開最熱、開冷氣的用電尖峰時間;是一種把尖峰用電調到離峰用電的設計,但因為硬體成本較高,故需要搭配的離峰電價優惠的配套誘因;同時因為儲冰式需要較大的空間放置儲冰器,所以在國外發展出「區域式」冷卻系統,也就是找到一塊空間(例如停車場地下室),放置大型的儲冰器,再把冷氣用管線送到各大樓,因此此省能技術,顛覆了「區域電廠」的概念,而成為「虛擬區域電廠」。

二、節能電力服務產業

  1. 負瓦特管理--美國有一家電力公司從1975年開始投資替客戶免費改善家庭、辦公、工業之能源效率,結果增加效益、省下能源,雖然每一位客戶的用電量都減少,但由於單位電價提高,客戶的總電價還是減少,但因省下的電可賣給更多客戶,電力公司還是有盈餘,達到雙贏,這就是「節約一度電比開發一度電還要便宜」的所謂「負瓦特」觀念。
  2. 在台灣,白天、晚上用總用電約為3:2,但台灣現在的電表仍為傳統機械式而非電子式,電力公司無法像電話、手機等一天內有不同時段的費率,因此將電表換成電子式,可設定彈性電價或夜間降價時段誘使大眾白天不必要的電少用。若家中有裝置太陽能電板或燃料電池,白天沒人在家用電時,可當作發電機輸電給別人使用,所儲存的電量額度可抵免日常用電量,因此電表不只是電量表,而像是電力帳戶一樣,而這種雙向電表的系統,電可流進流出,和其他輸電線併聯,也就是所謂的「市電併聯」。


三、環境教育創意節能

  1. 把「用電」的思考還原到「能量的轉換」的思考,同時跟生活智慧結合,就是最好的能源教育。例如1997年聯合國得獎的作品,是非洲的國小,結合兒童教育、遊戲、實用與自然科學的不耗能汲水系統,簡易的遊樂設施,在小朋友下課時候邊玩邊轉動的時候,同時也把水抽上來存到水塔,顛覆「沒有電就不能用」的既定思考模式,也替學校省下大量電費。


四、台灣未來應需面對的能源對策的結構性調整

  台灣能源問題的確是大問題,包括不斷開發電廠的環境爭議和資源浪費,電力品質不穩以及能源產業的停滯不前,現在已到了不改不行的地步,尤其其中環環相扣,且需一步一步儘快來調整:
很多事值得現在就做:

  1. 對既有電廠全面體檢,精算更新舊有電廠機組可能性、可增加發電容量、成本以及時間表
  2. 精算再生能源產業、省能產業所能帶動相關的新興產業與傳統產業的產值
  3. 體檢並公佈台灣電力鍊(各類能源→能量轉換→發電系統→輸電系統→中繼站→配電系統→用戶端(工業用、住宅用、商業用、其他))的耗損比例,並精算訂定每一鍊段改善之可行性、可增加發電容量、成本以及時間表
  4. 開始逐年汰換既有機械式電表為數位式電表,以迎接電力尖離峰負載管理、市電併聯、區域式分散式電力等
  5. 應召開全國能源會議修正會議,以「電業法修正後台灣的能源政策」為主要議程,由產、官、學、民共同討論,來架構未來台灣的能源新趨勢與新願景的推動進程。

  永續發展觀念下的未來能源供給趨勢也將朝向新能源,包括:(1)「分散式高效率供電系統」,建築物、社區獨立供電系統,用戶自備部分電力,以及(2)多元化能源(如:酒精汽油、太陽能、風能、氫能、地熱等再生能源)。新能源政策的研究提出了這樣的想像:不久的未來,我們住家陽台或後院,可能裝設有一套1-7 kW發電系統,採瓦斯、石油燃料或太陽電池發電,自給自足,有多餘發電時則轉賣給電力公司以供應附近用戶,如果發電不足則向電力公司買入。發電之排熱在夏天用來推動熱驅動式冷氣機以供應冷氣,冬天則用來供給熱水,或其他應用(如工業加熱應用),整體能源利用效率可高達百分之八十甚至九十以上。在緊急狀況時,每一家庭仍可維持獨立發電不受影響。即使是一般的用品,也將採用小型或迷你型可攜帶式發電器(數十瓦至數百瓦電量)獨立發電,逐步捨棄效率低、昂貴、又會污染的各種蓄電池。
  能運用「虛擬」,是因為真正瞭解「真實」的種種問題。打造虛擬電廠,其實就是是重新認識能源、能源問題與出路,但我們準備好上路了沒?雖然我們已經有點慢了。



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