邁向新能源系統

作者 : Karim Amin,西門子能源執行董事會成員

為了能源安全並建立脫碳(decarbonized)的能源系統展望未來,必須在成本、可靠度和永續性之間取得平衡,進一步發展氫氣發電廠和電網穩定服務…

能源是一切的開始,是文明發展的基礎,也是所有經濟進步的根基。為了展望未來,必須在成本、可靠度和永續性之間取得平衡,其中包括逐步淘汰煤炭、擴大再生能源,進一步發展氫氣發電廠和電網穩定服務,以及可在無風和無陽光時導入的儲存解決方案。這些步驟和技術可望確保能源安全並建立脫碳(decarbonized)的能源系統

氣候變遷實際存在,也是人類歷史上面臨最大的挑戰之一。全球暖化所造成的極端氣候顯而易見,乾旱、火災和洪水已發生在我們身邊及地球的每個角落,這幾年也是自有記錄以來最溫暖的天氣。如今,我們正處於轉型的關鍵時刻。正如氣候變化專門委員會(IPCC)的最新報告所述,「為了讓全球暖化限制在1.5℃以內,到2030年溫室氣體排放量必須比2019年的標準減少45%」,這需要徹底改變全球能源系統。

世界需要更多樣化的能源結構和再生能源的大規模擴張,以及相應的基礎設施和儲存能力。淘汰煤炭是重要的第一步,且改用天然氣可顯著減少CO₂排放。例如,西門子能源(Siemens Energy)最新的複合式循環電廠如果能取代當今運轉的每座燃煤電廠,電力產業的排放量可望減少一半。此外,綠色氫氣也可用於氣渦輪機,作為替代天然氣的可持續燃料,混和燃燒高達75%的氫氣,並於2030年達到100%的目標。

為了達到可負擔、可靠且永續的能源系統,沒有人能獨力完成。企業、政府和社會必須共同努力,創造一個新的永續能源格局,共同平衡能源三難困境,不僅要面對地緣政治危機,還要管理能源轉型和實現淨零氣候目標。本文概述推動能源轉型的具體步驟。

2030:變化的能源格局

當我們逐步淘汰煤炭時,目標很明確:在2050年達到CO2淨零排放的經濟體,同時滿足不斷升高的能源需求。此外,所需的額外容量必須由替代能源供應。雖然實現該目標的確切路徑尚不清楚,但根據國際能源署(IEA)等組織的分析,對於2030年的複合型能源結構可望有更清晰的認識。

從大多數市場情勢來看,到2030年,不斷增加的能源需求必須透過加速擴展再生能源(即太陽能和風能)才得以滿足。2020年,全球再生能源約佔發電量的30%,而根據宣佈的國家承諾,預計到2030年這一比重將增加45%。

但如果要到2050年實現淨零排放,根據IEA《2021年世界能源展望》(World Energy Outlook 2021)報告,再生能源發電量需要再增加15%,同時迫切需要提供平衡和可調度的電力以及電網穩定度。可理解的是,這些是波動的再生能源無法持續提供的基本特徵。但如果能克服這樣的缺陷,再生能源的比重將會再增加。電力可能主要來自於越來越多使用氫氣等乾淨燃料的火力發電廠——不僅用於大型電廠,工業應用方面也是如此。鑑於當前的地緣政治氣候,預期這一轉型將會加速。

迎接我們這個時代的挑戰:到2030年,煤炭排放量將下降,而天然氣和氫氣將促進再生能源需求,滿足不成長的電力需求。
(來源:World Energy Outlook 2021, IEA)

為淨零做準備:混合動力發電廠和跨領域耦合

很顯然地,燃氣發電廠和電網穩定技術是當今再生能源的必要搭配條件,長遠來看,也將是成為混合動力發電廠必不可少的要素。此類電廠通常結合至少兩種再生能源、火力發電或儲能設備,其中還包括其他如電網穩定技術、電解器或熱泵等元素。它們有望在分佈式能源發電中發揮重要作用,例如用在可能需要量身訂製的靈活發電廠以滿足地區或工業區的需求。

讓我們仔細看看混合動力發電廠的三個核心組成部份,它們也各有其缺陷。再生能源會波動;儲能最終耗盡;火力發電只有在使用環保燃料的情況下才是永續的。如果將這三種組成整合在一起,則可解決每一種要素的缺陷。再生能源的波動性顯著降低、火力發電可連續進行,儲能本身無法提供持續的能源供應,但當火力發電廠和再生能源結合時,可以避免這一缺陷。

然而,更理想的整合方法需要第四項要素:管理這種動態系統的智慧控制系統和調度優化器。透過組合上述所有部份,就可以根據站點的特定需求進行調整,從而實現其最佳化應用。

任何正興建中的混合動力發電廠都必須滿足特定地點的要求以及技術和經濟邊限條件。簡單來說,多風地區最適合風電併網,陽光充足地區最適合光電併網。這就是為什麼任何混合動力發電廠都將代表特定地點且量身訂製的技術組合和配對。

最後,混合動力發電廠最重要的好處可能超出能源生產領域。這裡的關鍵術語是產業耦合,多餘的能源可以轉移到所有耗能產業,例如建築、交通、工業和農業。於是,供需不平衡的潛在風險可以被解決,因為公用事業可以使用長期儲能來實現季節性平衡,協助解決供需不平衡的問題。

從哪裡開始?

最後,雖然我們擁有運用所有這些技術的可能性,但很顯然地,在推動脫碳和逐步淘汰煤炭的過程中,每個國家,甚至每個產業都在這個過程中經歷不同的壓力。

擁有豐富再生能源的國家,例如巴西、紐西蘭和加拿大已幾乎不使用煤炭,但它們仍受益於脫碳措施,以增加綠色燃料的比重,在天然氣廠中混合燃燒氫氣以實現淨零排放。由於再生能源的比重相對較高,這些國家也有電網穩定措施的要求,但水電為主的國家除外。

其他能源結構更多樣化的國家,如美國、德國和日本,可以透過建造可燃氫的燃氣發電廠將CO2排放量減少約65%。他們可以使用天然氣作為過渡燃料,同時不斷增加氫的比重,使用碳捕集技術以推動再生能源,並採用電網穩定措施。

混合動力發電廠加上跨領域的能源組合,才能有效為淨零鋪路。
(來源:Siemens Energy)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2023年4月號雜誌

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