邁向淨零排放:英國未來能源情境(中)能源系統視角

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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:
  1. 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)。
  2. 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。
  3. 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。
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