觀點投書:30年後之全球能源供需情況

2019-11-18 05:30

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2050年時之全球風力及太陽能發電量預計占比合計50%。(資料照,取自台電)

2050年時之全球風力及太陽能發電量預計占比合計50%。(資料照,取自台電)

彭博新能源財經(Bloomberg NEF)今年六月公布New Energy Outlook 2019報告,該份報告對30年後,也就是2050年時全球之能源供需情況,有深入淺出之介紹,可為台灣能源轉型及電力系統規劃之參考,爰對該報告之內容,擇要予以介紹。

全球風力及太陽能發電占比合計約50%

為將地球溫升控制在攝氏2度內,2050年時之全球風力及太陽能發電量占比合計50%;水力、核能及其他再生能源之發電量占比合計21%;燃煤發電占比12%(目前約37%)。

屆時,再生能源約占全球發電裝置容量之三分之二(目前化石燃料占全球發電裝置容量比率為57%)。此外,為將地球溫升控制在攝氏2度內,屆時之資源組合尚需包括:低成本再生能源搭配鋰離子電池(Lithium-ion battery)、具調度彈性之需求面資源、尖載燃氣機組等。

新增13.3兆美元之再生能源及11.4兆美元之輸配電投資

未來30年,全球需新增120億瓩(TW)發電容量。其中,77%為再生能源,總投資金額13.3兆美元。配合前述建設,在電池及輸配電方面需分別增加8,430億美元及11.4兆美元之投資。

同一期間(2018年至2050年),全球電力需求共計成長約62%,全球發電容量為目前之三倍,需增加約13.3兆美元投資。其中,新增風力發電投資5.3兆美元,太陽能發電投資4.2兆美元,化石燃料電廠投資低於2兆美元。以亞太地區之新增投資金額最高(5.8兆美元,占比45%),中國及印度合計4.3兆美元。

商業及住家用戶自建太陽能及電池(behind-the-meter)新增之投資約1.7兆美元。其中,電池之投資8,430億美元,公用電業電網端投資5,210億美元。為因應電力需求成長,輸配電需新增11.4兆美元投資。

歐洲、中國、美國碳排量減少95%、48%、54%

因為非煤(coal phase-out policies)政策及採行碳定價(carbon pricing),2050年時歐洲再生能源占其總發電量比例將達92%;其他地區之再生能源發電量占比為美國43%,中國62%,印度63%。

同一期間,非OECD國家因人口及GDP成長、空調用電增加等因素,電力需求成長約98%。OECD國家在電動車及其他因素影響下,電力需求年平均成長率為0.4%。2050年時,電動車占全球總用電需求比例為9%,英國甚至高達24%。

在電力部門之減碳方面,歐洲2050年時之排碳量將較2018年減少95%(大量採用再生能源及2043年起全面停止燃煤發電所致)。其他主要經濟體碳排量亦呈現下降情況,中國2050年時之碳排量較2027年碳排量(歷史高點)下降48%;美國以新建燃氣電廠取代老舊燃煤電廠之結果,碳排量下降約54%。

未來30年PV、陸上風電及電池價格將持續下降

2010年至今,風力及太陽能之發電成本降幅分別為49%及85%,已較全世界新建燃煤電廠及大多數(三分之二)新建燃氣電廠,更具成本競爭力。預估風力及太陽能發電之成本,在2050年之前仍將持續下降,PV發電成本之降幅為63%,陸上風力發電成本之降幅為50%。

鋰離子電池(Lithium-ion battery)受惠於電動車市場快速發展,生產規模將持續擴大,成本連帶大幅下降。目前鋰離子電池組價格,較2010年下降約85%,預估2030年時,成本將進一步下降65%,由目前每度176美元,降為每度62美元。屆時,不論是單獨設置(standalone)或搭配再生能源(co-located with renewables),皆將較具彈性調度能力之新建燃煤或天然氣電廠具成本競爭力。

今年9月,保時捷正式發表自家第一款純電動跑車Taycan,被認為將動搖特斯拉獨霸的高端電動車市場(圖/擷取自保時捷官網)
鋰離子電池(Lithium-ion battery)受惠於電動車市場快速發展,生產規模將持續擴大,成本連帶大幅下降。(資料照,擷取自保時捷官網)

消費端PV及電池佈署使電網朝分散化方向發展

2050年時,消費者端PV占全球發電裝置容量之比例約為12%,消費者端電池(behind-the-meter batteries)占全球電池裝置容量比例約為40%。

對日照條件良好、PV價格低廉、零售電價較高之國家/地區,消費者端PV發展速度亦相對快速。以澳洲為例,其2050年時消費者端PV占其總PV裝置容量比例將高達39%。

高再生能源發電占比情況之因應

當風力及太陽能發電滲透率達80%以上時,電力系統必須保有電池、尖載機組(peakers)、具調度彈性負載(dynamic demand )等資源,以避免棄風棄光,使系統發電成本最小化。

未來30年,全球對前述資源之預估需求量

電池:1,393GW (將電力系統之電力移轉至風力及太陽能出力較低之時段)
需求面彈性:用以搭配再生能源之間歇性特性,例如:讓電動車透過時間電價或需量反應措施,於電力系統尖離峰時段充放電。
尖載燃氣機組:1,225GW (因應再生能源間歇發電特性及季節性尖峰負載需求)
可卸載之發電:對於風電及光電滲透率較高地區(如80%以上),當再生能源出力過多時,為避免棄風棄光,系統須保有可快速卸載之發電資源,以使發電成本最小化。

燃煤電廠將於2026年以後陸續退場

燃煤電廠目前在亞洲仍呈現成長趨勢,但2026年以後,因為中國、印度、東南亞地區之新增燃煤電廠發電容量,低於歐洲(採行碳定價及政策要求燃煤電廠退場)及美國(以燃氣電廠取代燃煤電廠)減少之燃煤發電容量,將於2026年達峰值後,開始呈現下降之趨勢。

未來10年,中國仍將是全球新建燃煤電廠之主要地區,其燃煤發電在2027年達峰值前仍將成長15%;印度之燃煤發電預估將在2038年達峰值。2032年之前,全球風力及太陽能發電量,將可超越全球燃煤電廠之總合發電量。2050年時,全球燃煤發電量將較目前下降51%,占全球發電量比例,亦將由目前之37%下降為12%。

燃氣電廠將在較低之容量因數區間運轉

未來30年,天然氣使用量年平均成長率估約0.6%,主要用以滿足各國電力市場備用(back-up)及彈性調度(flexibility)之需求。2050年時全球天然氣發電容量將較目前增加一倍。其中,複循環燃氣渦輪(CCGTs)約增加1,263GW(約較目前成長37%);尖載燃氣電廠(peaking gas plants)約增加1,225GW(較目前成長350%)。

為因應電力系統彈性調度要求,2030年時複循環燃氣電廠之容量因數(capacity factor)將維持在30%-60%之區間運轉。同一期間,尖載燃氣電廠為因應再生能源間歇性發電特性,經常快速升降載(help to ramp up quickly)之結果,亦將在較低之容量因數區間運轉。

全球天然氣需求在2035年之前,將呈現持平之發展趨勢,2035至2050年之平均年成長率約1.4%。2050年時對天然氣之需求,將較目前成長約22%。

高雄市環保局為減緩秋冬季節的空氣污染影響,在燃煤電廠的生煤使用上,採取了降載減排、許可管制、加嚴標準等多管齊下的應變措施。(圖/徐炳文攝)
為因應電力系統彈性調度要求,2030年時複循環燃氣電廠之容量因數(capacity factor)將維持在30%-60%之區間運轉。(資料照,徐炳文攝)

以電力替代交通及暖房之能源需求

以電力替代交通運輸及住家暖房能源需求之結果,2050年時之電力需求將較目前成長約25%,發電裝置容量較目前成長約28%。

太陽能面板(PV)將是最大支贏家,不過風力及天然氣之發電量亦將明顯成長。天然氣發電量增加之結果,連帶使得碳排量較目前增加約27%。電力化亦將對冬季負載曲線造成重要之影響,使得暖房之尖峰用電需求移至傍晚時段(以德國為例,電力化將使其2050年時尖峰需求較目前增加約74%)。整體而言,以電力替代暖房及交通運輸能源需求之結果,將可為未來30減少126Gt之CO2排放量。

將地球溫升控制在攝氏2度內所需之資源組合

為將地球溫升控制在攝氏2度內,未來30年必須透過碳捕捉及封存、沼氣、氫、核能、太陽能等技術,取代大約13.268兆度之發電量(約目前全球總發電量之一半)。

在燃煤電廠陸續退場後,燃氣電廠亦將自2030年中起陸續退場。2050年時之天然氣發電量,將較目前下降約45%;再生能源發電量將較目前成長150%。

前述風力及太陽能發電量,在儲能電池及彈性調度發電容量之協助下,尚不足以滿足冬季暖房需求,須再佈署若干零碳排、可在低容量因數下經濟運轉、大規模碳捕捉與封存之技術。

*作者為能源產業之從業人員;對能源轉型有濃厚興趣之文字工作者。

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