邁向淨零排放：英國未來能源情境（中）能源系統視角

2021/04/11閱讀時間約 7 分鐘

上一篇文章英國未來能源情境（上）消費者視角介紹，英國國家電網2020年未來能源情境報告的不同情境和能源使用上的轉變。這篇文章將從能源系統的角度，來探討要達到淨零排放所需要的轉變。

3. 能源系統視角：低碳能源的使用

能源系統設計除了牽涉不同能源之間的轉換，還要維持系統的安全和可靠度。另外，因為缺少可大量儲存、且容易調節供應的化石燃料，系統的彈性會更加重要。原報告討論在不同情境下，如何用初級能源（電能、天然氣、生質能...）來滿足能源需求。其中還提出兩個重點：

規畫時考慮整體能源系統及各個面向（如：能源傳輸網路、所有能源使用、整體經濟影響...），而非單一的部門。
能源系統要維持基本的安全性和可靠度：供電系統為失載期望值（loss of load expectation）3小時以內；燃氣的最大供應量必須滿足，近20年最冷時的尖峰用量。

另外，尖峰耗能會隨著系統轉變而變化（參見圖七）。尖峰用電在2019年約59GW，之後3到5年因為能源率效提升而慢慢下降，而後隨著各部門電力化（電動車、電供暖的普及）開始上升，到2050年預計達75-95GW。天然氣的尖峰用量，現在一天將近6,000GWh（平均功率250GW），預估2050年時在系統轉變情境中會下降至一半，消費者轉變和積極減排情境中則大輻降低。

從尖峰用電（約60GW）和燃氣供應（大於250GW）可看出，如果供暖完全電力化，會大輻增加尖峰用電量。因此，有必要在供暖尖峰時部份改用氫氣。

英國2020-2050不同情境尖峰耗能

在淨零排放的能源系統中，主要有四種不同形式的能源：

電能

2050年預計有九成以上來自風力發電、核能、太陽能和生質能。其它再生能源有地熱、潮汐、洋流…等。
能源系統電力化（電動車、電供暖、電解製氫的使用），整體用電量將大輻增加。
電力系統因為間歇性再生能源的使用，而需要大量的彈性。另外，電力結構會從傳統的集中式（大型發電廠經過長距離傳輸到用戶），變成有更多的分散式發電系統（發電裝置就近設置於用戶附近），其發電裝置容量可佔總容量的42%。

天然氣

天然氣主要用來製造氫氣，並搭配碳捕捉、封存及再利用（Carbon capture utilsiation and storage）減少95-97%的碳排放（又稱為藍氫）。或是將天然氣燃燒後產生的二氧化碳，透過碳捕捉及儲存來減量或再次利用。
天然氣用量依情境有所不同。系統轉變情境中，天然氣用量和現在並無太大差異，2050年預計98%來自進口。而消費者轉變和積極減排，用量則大幅降低。
目前碳捕捉技術還在發展中，未來要有很大的進展，才能讓天然氣的排放降到可接受的範圍內。

氫能

氫能除了使用天然氣為原料生產，還可用電力透過電解水來製氫（又稱為綠氫）。
高度電力化的能源系統中，大型儲氫系統可提供季節性供應調度。
電解製氫在供電吃緊時可降載或停止運轉，電力過剩時將氫氣儲存起來，能增加風力和太陽能發電的利用。
氫能使用的最大挑戰在零碳氫產量的提升，以及氫能設備的普及。報告指出，氫能系統的部署，很可能會因地理條件而分區執行。例如：靠近製氫或儲氫設備的地區先進行進管線和設備的安裝。

生質能

生質能的來源有：生質燃料（如：人造林或其它作物）、農林業有機廢物、垃圾廚餘…等。
生質能有多種用途（如：發電、製氫、航空海運燃料...）。其中一個很重要的角色，是負碳排的應用（吸收大氣中的碳，再經過碳捕捉存到地底下）。
生質能是否能夠永續性的供應，取決於許多因素，例如：土地的使用、廢棄物管理、是否排擠其它非能源的使用（如：農業、建設）。

4.各情境的能源配比

能源的製造和使用，可以從能源供給與消費流程圖來了解，此圖包含三部份：

能源產生或進口的總量（圖最左邊），又稱為初級能源。常見的有化石燃料（煤碳、石油、天然氣），不同方式產生的電能（核能、再生能源）。
能量轉換、儲存、或損失（圖中間）。例如：天然氣透過發電裝置轉變成電能、電能透過電解產生氫氣、能源的儲存...等。
能源的消耗（圖最右邊）。各種不同能源（燃料或電能）用來滿足不同部門（工商業、住家、交通）的能源使用。

依照不同的情境，各類能源的比例和使用的方式有所不同。接下來整理了其中三個淨零排放情境的能源供給與消費流程圖：

消費者轉變的能源配比

消費者轉變的電力化程度高，初級能源有七成來自各種發電來源，其中風力發電佔一半以上（參見圖八）。剩下的初級能源有生質能22%和天然氣７%。
有關氫能的來源，有三分之二來自電解製氫，相當於18%的電能用來製氫。剩下的三分之一來自天然氣製氫。氫能主要用在長距離交通的燃料，少部份用在工商業，或是尖峰供電或供熱。
36 TWh（5%）電能和65 TWh（43%）氫能在產生後不會直接被使用，而是存在儲存系統中。例如：電池或抽蓄水力系統可儲存電能，大型地下鹽洞中可儲存大量氫氣。要注意的是，36 TWh和65 TWh不等於儲能裝置的容量，因為儲能裝置在一年中可重複使用。各情境所需的儲能容量在之後會介紹。

英國淨零排放— 能源流（消費者轉變）

系統轉變的能源配比

系統轉變主要是將原本天然氣的使用，透過碳捕捉及儲存轉成低碳排的藍氫，初級能源中天然氣佔了一半（參見圖九）。約一成的氫氣來自電解製氫，相當約12%的電能。
氫能的能源轉換效率比電能低，尤其在供暖的使用（電熱泵的能源效率是氫加熱器的2-4倍），所以此情境的整體初級能源（1329 TWh）比消費者轉變（964 TWh）多了近四成。
電能生產的部份較少於消費者轉變，但是各發電方式的比例變化不大，還是以風力發電為主。電能和氫氣在生產後會經過儲存設備的量（電能29 TWh、氫氣74 TWh）和消費者轉變相似。

英國淨零排放— 能源流（系統轉變）

積極減排的能源配比

積極減排結合電力化和氫能的使用來減少排放。2048年達到溫室氣體淨排放為零，2050年負排放。
85%能源來自再生能源，12%為進口能源，其中進口5%氫氣。天然氣用量減至幾乎為零。
氫能有一半來自電網電力，供電過剩時用電解製氫。另外三成來自離岸風電製氫系統，離岸風電產生的電能不會併入電網，而是直接用來電解製氫。剩下二成為進口零排放氫氣，透過管線或是液態氫氣運送。
此情境使用更多的生質能，大部份會結合碳捕捉來達到負排放。

英國淨零排放— 能源流（積極減排）

結語

淨零排放的能源系統中，電力化為主要的減排手段，若繼續使用天然氣則要搭配碳捕捉及儲存。但無論如何，都要有負排放技術（生質能加上碳捕捉）來抵消技術上難以減排部門的排放（部份農業和工業）。另外，間歇性再生能源會成為主要的電力來源，因此能源系統需要有足夠的彈性才能確保供應無虞。能夠提供彈性的技術和所需要的容量，將在英國未來能源情境（下）能源系統彈性中介紹。

原始報告：Ｎational Grid ESO, Future Energy Scenarios 2020