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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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德國的大能源實驗

大衛.陶伯特(David Talbot)

德國決定推動野心很大的溫室氣體減量計畫──同時關閉核能發電廠。這個高度工業化的國家,能以風力渦輪機和太陽能板生產足夠的電力,應付整體經濟需求嗎?

德國西部北萊茵──威斯特法倫(North Rhine–Westphalia)州的一條鄉村路上,住著一位名叫諾伯特‧李爾斯(Norbert Leurs)的農夫,他36歲、和藹可親、雙手長繭並育有兩個小孩,不久前他從事平凡無奇的農事:種馬鈴薯和養豬。但從他最近的生意經,可以看出歐洲最大經濟體在能源政策的大轉彎。2003年,一家小型風力公司在李爾斯的馬鈴薯田上豎起一座70公呎高的渦輪機。這是散布在幾百處德國鄉間風力發電廠中,約22,000座渦輪機裡面的一座。李爾斯可以從電力銷售額中抽取6%,合一年收入約9,500美元。他正考慮增添二或三座渦輪機,每一座都是第一座的兩倍高。

然而,從風力渦輪機得到的利潤,和他即將從太陽能板賺到的錢相比,其實不算多。2005年,李爾斯獲知政府要求地方公用事業公司支付高價,購買屋頂太陽能電力設備。於是他去辦理貸款,接下來七年內分階段將豬舍、穀倉和房舍都鋪上太陽能板──即使天空經常灰暗,屋頂的集光角度也未必適當,他現在每年發電690千瓦發,營收28萬美元,等他還清貸款,可望獲得超過200萬美元的利潤。

李爾斯的故事,可以解釋德國如何能在2011年,從可再生能源生產20%的電力,高於2000年的6%。德國保證支付高價購買風力、太陽能、生質物和水力發電產生的電力,並將成本計入電費帳單。像李爾斯和為他安裝渦輪機的小型電力公司等參與者,使用現成的技術,並且鎖定利潤。對他們來說,這樣的綠化行動,再簡單不過了。

接下來要做的事可沒那麼簡單。2010年,德國政府宣稱將著手推動「能源轉型」(Energiewende;或稱能源革命),從化石燃料改用可再生能源,是重工業化國家嘗試過、野心最大的計畫。能源轉型的目標,是將2020年的溫室氣體排放量,從1990年的水準減低40%,到2050年更降低80%。這個目標的挑戰性很高,但德國從核能發電產生20%以上的電力,所以這個目標比較容易達成。核能發電幾乎不產生溫室氣體,但民眾關切去年日本福島海嘯後的核能災難,總理安格拉‧梅克爾(Angela Merkel)下令立即關閉八座運轉最久的德國核能發電廠。幾個月後,政府拍板定案,決定在2022年之前關閉其餘的九座核能發電廠。現在,「能源轉型」還包括不使用德國最大的低碳電力來源。

德國已經準備好展開一場巨大的實驗,可能在全歐洲引起迴響。歐洲十分依賴德國的經濟實力,而德國必須以前所未見的規模,負擔龐大但不確定的成本,建立和使用可再生能源技術,同時降低能源的使用量。它必須順利達成目標,而不傷害依賴電力的產業。「就某種意義來說,『能源轉型』是沒有技術解決方案的政治聲明,」奇異能源德國公司(GE Energy Germany)執行長史蒂芬‧萊梅特(Stephan Reimelt)說:「德國正強迫自己要有創新,因此而誕生一座規模之大、前所未見的巨大工業實驗室。我們必須嘗試許多不同的技術,才能達成目標。」

德國能源產業的巨頭立刻採行幾項策略。為了取代核能發電,它們搶著在遠離德國海岸的北海,建置龐大的風力發電廠;它們也計劃設立新的輸電基礎設施,將電力送到德國的工業區。在此同時,西門子(Siemens)、奇異(GE)和德國最大的電力生產商RWE等公司,正在尋找各種方法,在風力和陽光微弱的時候,維持廠房運轉不輟。它們正在尋找便宜且大規模的電力儲存形式,並希望以電腦軟協調為數可能高達數百萬的分散電力來源。

這次轉型的成本估計差異很大,一部分因素,端視新技術引進的速度和價格降低得有多快。各經濟智庫預測,未來八年,德國在基礎設施擴張和補貼上,將花費1,250億到2,500億美元之間──介於德國2011年國內生產毛額(GDP)的3.5%到7%,這包括核能發電廠除役在內的費用,能源轉型的長期成本將比這個數字高出更多。

德國已經承擔很高的成本,除了重工業,每個月的電費賬單包括可再生能源附加費約上漲15%。自八座核能發電廠關閉以來,批發電價躍漲約10%。德國的電力網不曾那麼吃緊。說來諷刺,「能源轉型」的目標在於降低溫室氣體排放量,關閉核能發電廠,卻更加依賴火力發電廠。

儘管需要承擔這些成本,德國卻有可能從這次的大實驗獲得巨大的利益。過去十年,德國不只扶持風力和太陽能發電,也培育了較少為人報導的能源技術,例如管理軟體和高效率產業流程。這些「綠能」技術加起來,創造的出口產業價值高達120億美元──而且柏林自由大學(Berlin Free University)環境政策研究中心主任米蘭達‧舒列奧斯(Miranda Schreurs)表示,這個數字即將成長得更高。政府實施的政策,可能提供進一步的新技術發展與部署獎勵。「這是可以賣給別人的技術祕訣,」舒列奧斯說:「德國長期的競爭方式,是成為能源效率和資源效率最高的市場,並在這個過程中擴張出口市場。」

如果德國轉型成功,便能提供一張切實可行的藍圖,供其他工業國家參考。許多工業國家也可能面對能源消費轉型的壓力。「能源轉型眾所矚目,如果在德國行得通,將是其他國家的樣板。」RWE的首席經濟學家葛雷姆‧威爾(Graham Weale)說。RWE正設法關閉它的核能發電廠,卻希望讓電燈繼續亮著。「如若不然,對德國經濟和歐洲經濟會是很大的傷害。」

能源轉型瓶頸

在紐倫堡(Nuremberg)北方20公里處的埃朗根(Erlangen)市,訪客必須通過嚴密的安全檢查,才能進入能源巨擘西門子的工業建築群,裡面有實驗室和工廠。西門子是能源轉型的幾家承包商之一。其中一棟大樓的機具真的嗡嗡作響──總共消耗30個百萬瓦的電力。裡面有一座巨大的鋼和銅製機器,能很有效率地將交流電轉為直流電;這台機器將送往離岸平台安裝,必須經得起北海的惡劣風暴長達數十年之久。

德國需要這種技術,它正在尋找最穩定風力來源,而能夠找到離海岸很遠的地方──遠到用標準的交流電線路無法傳送電力。到目前為止,德國的離岸風力發電量約500個百萬瓦的,機具全部安裝在離陸地90公里的距離內,海深不超過40公尺。現在,能源公司計劃在離岸160公里、海深高達70公尺的地方,裝設10,000個百萬瓦的風力發電設備。幾座1萬到2萬公噸的離岸變電站,會將數十億瓦的交流電產出轉成直流電,以利長距離傳送而不損失大量的能源。「世界上沒有其他地方做這種事──以這種方式和這種數量建立離岸電網和離岸連結。」負責德國北海大型計畫一部分作業的荷蘭電網公司天網(Tennet)企業發展總監萊克斯‧哈特曼(Lex Hartman)說。

這一切當然只能將電力送到海灘。電力需要跨越德國,送到南方的主要工業中心。這需要約3,800公里長的新電力線,但到目前只鋪設約200公里,原因在於地主不願配合,地區性政治人物也阻礙進度和製造瓶頸。這樣延遲新穎技術的普及,使得德國的離岸風力計畫本身成了一大賭注。「沒人真的知道能源轉型的成本是多少,」慕尼黑大學的能源經濟學家卡倫‧皮特爾(Karen Pittel)說:「那些風力發電廠更是未知數──它們大致上是先導專案。」

不確定的事情不只如此。即使以目前的風力發電水準來說,在有風的日子裡,電網經營業者還是必須關閉渦輪機,因為電力無處可送。當雲層遮蔽本來晴天高照的德國南部,這個地區的許多太陽能電池板,可能減少數百個百萬瓦之多的產出;造成的影響,就像關閉一座中等容量的燃煤發電廠,因而提高斷電的風險。

如果沒有足夠便宜、可靠的電力以支援高科技產業和運輸系統,德國的經濟──以及整個歐洲經濟──可能陷入麻煩。一些德國公司已經在其他地方興建新的製造設施;例如,化學製造商瓦克化學(Wacker Chemie)去年決定在美國田納西州設立多晶矽工廠,主因是德國的能源成本很高。威爾說:「供電品質只要稍微惡化,對高科技產業便相當嚴重。即使燈光繼續亮著,我們也看到產業界緊張兮兮。」

為了避免嚴重的狀況,德國將必須開始以遠大於以前的規模,部署儲存技術和採取負載平衡策略。德國今天有31座抽水蓄能發電廠,晚上將水送到高處的水庫,然後利用水往下衝的力量轉動渦輪機產生電力。它們總共能夠儲存38個十億瓦小時的電力。聽起來好像很多,卻比德國風力發電廠90分鐘的尖鋒發電量還低。

電池或許有幫助,但是目前電池成本太高,讓電池只能扮演能源轉型的小型利基的角色,無法發揮很大的作用。西門子在埃朗根的另一棟建築中,正以三種不同的鋰離子技術,製造牽引車大小的電池。每個電池能供應德國四十棟房子一天的電力,但這種電池太過昂貴,無法作為備用電力。反之,高科技製造商可能利用它們以度過短暫的限電期間(例如15分鐘、8個百萬瓦的供電不穩),好讓專業設備不必花費很高的成本重新啟動。鋰離子電池的價格需要下跌至少一半,才能以經濟有效的方式,儲存來自風力渦輪機好幾個小時的多餘電力。

其他的儲存技術也正在開發之中,但即使具有實用價值,也可能需要等上幾年才能派上用場。舉例來說,西門子的一種新技術,利用過剩電力將水分子分解產生氫。但這只在實驗階段,而且目前十分昂貴。

不可避免的是,7月炎熱的日子裡,高氣壓會滯留在歐洲上空,渦輪機紋風不動,但被太陽烤焦的德國人急忙打開冷氣。在有大型、便宜的儲存技術可用之前,火力發電廠能快速高效率啟動,是因應尖峰用電的最務實方法。但是興建火力發電廠的誘因少之又少。如果為了滿足尖峰電力需求而興建火力發電廠,那就不再能指望發電廠全時運轉,因為在平日下午,無法預測會隨著日照和風力大小而增減的用電需求。波茨坦氣候衝擊研究所(Potsdam Institute for Climate Impact Research)的首席經濟學家歐特瑪‧艾登霍費爾(Ottmar Edenhofer)說:「電力市場的供給設計,將必須從根本改變。需求波動不拘,而在此同時,供給也波動不拘。兩個構面交互影響,可能使新能源市場失靈,這已經是我們密集研究的課題。」

虛擬電力

杜伊斯堡(Duisburg)這座堅韌不屈的城鎮,位於埃森(Essen)的正西方,是二次世界大戰的主要軍火製造中心,遭到盟軍的轟炸而夷為平地。德國四大公用設施公司之一的RWE,在這裡走在另一個重要技術的尖端──虛擬發電廠。軟體以聰明的方式,控制數量龐大的小型電力來源(最後會包括分散式儲存場址),以協調它們的產出,並在能源市場上出售。這麼做的目的,是將數以千計的可再生能源來源(單獨一個並不可靠),化為公用事業公司能夠仰賴的龐大網路。這個叫人目眩神馳的概念,但仍處於嬰兒期。

在納粹興建、形狀有如尖角巫師帽的防空洞前,有座RWE的實驗室,研究人員正在那裡測試產生熱和電的十二台燃氣鍋爐和燃料電池。理論上,公用事業公司可以請數十萬戶家庭單位,在緊要關頭為電網生產額外的電力──數量更多的家庭單位,則可供電給公寓或辦公大樓。德國有5%為上限的電力,可以用這種方式生產──和公用事業公司預期新建的離岸風力發電廠的發電數量相當。

要達到這種配電水準,可能需要數十年之久,因為屋主和企業需要逐步汰換現有的鍋爐,並且建置基礎設施,將數十萬個電力來源同步。但是在杜伊斯堡東邊一小時車程的地方,多特蒙德(Dortmund)近郊一棟1960年代的辦公大樓中,工程師正在測試比較不起眼的網路,作為計畫的起點。他們將一個地下室伺服器房間,設計成120個小型發電站的通訊樞紐,合起來總共從可再生能源產生160個百萬瓦的電力──主要是靠風力,但也依賴生質物和太陽能。軟體會參考氣象預測,並從風力和太陽能組成可再生能源電力,同時視需要而啟動和關閉沼氣發電廠,以平衡波動不居的產出,並且產生穩定供應的電力。

類似這種處於早期發展的專案,有如踏腳石,可藉以邁向較為複雜的系統,將需求管理包含在內:顧客如果同意在尖峰需求時段自動限制用電,公用事業公司將會補償他們。終有一天,這個系統也可能從靜止中的電動車電瓶抽取電力,或者將過剩的電力儲存在它們裡面,以彌補風力忽大忽小的變動。

奇異和其他的公司也採用這些概念。「我們知道能源市場將化整為零;這將是個零碎的市場,」奇異的萊梅特說:「以前我們有四家公用事業公司。今天我們有三百五十家發電公司,將來會有一千家,而如果將屋頂裝有太陽能板的每個人算進來,則將有一百萬家。所以我們看到的趨勢之一,是將來必須少強調發電,多重視電力的管理。」

巴伐利亞核電廠的困惑

巴伐利亞小鎮貢德雷明根(Gundremmingen)的鎮長沃爾夫岡‧邁耶(Wolfgang Mayer)辦公桌後的落地窗,居高臨下可以遠眺一哩外聳立著貢德雷明根核能發電廠B和C機組的兩座冷卻塔。這兩個機組合起來,是德國最大的核能發電來源。發電廠的地點選得很好,就在斯圖加(Stuttgart)和慕尼黑兩個工業中心之間一半的地方,能夠生產2.6個十億瓦的電力。能源轉型對這座小鎮數百人的工作造成威脅,也可能傷害稅收,令邁耶感到不解。「他們說,2017年要關閉B機組,2021年要關閉C機組,」他指向遠處的發電廠說:「但它們都在1989年同時蓋起來!正常人無法理解。邏輯何在?」

不是只有邁耶感到迷惑。目前的政策有不少地方不合邏輯。至少短期內,決定關閉核能發電廠,意味著「能源轉型」將迫使公用事業公司更為依賴煤。舉例來說,RWE去年在接近比利時邊境的現有設施,用最髒的化石燃料(褐煤)燃燒兩具規劃已久的新鍋爐。雖然這些鍋爐比它們取代的舊鍋爐乾淨,但這座燃煤發電廠是世界上同型發電廠中規模最大的,而且近來全能運轉,以滿足電力需求。

「如果一夜之間關閉八座不排放碳的核能發電廠,就會增加碳排放量,」威爾說:「這時會比原先的預期更依賴煤。也許我們很難如願快速降低二氧化碳的排放量。」現在對於要建置何種發電廠所做的決定,將影響數十年之久,他說:「你不能突然之間,就從投資一種能源設備跳到另一種。」

第二個問題是,就算改用替代能源,德國也沒有獎勵降低二氧化碳排放量。反之,它的政策對特定的技術,提供定義明確的補貼:一千瓦小時的太陽能發電得到的獎勵,高於從離岸風力發電得到的獎勵,而離岸風力發電又得到比陸上風力發電要高的獎勵。雖然太陽能補貼已經降到遠低於李爾斯鎖定的費率,使用太陽能發電仍然支付最高的費率。但如果重點放在降低排放量,那麼應該將更多錢導向降低能源的使用才是。「如果你能選到最適當的工具,那麼最優先的應該是以最便宜的方式達成目標,不應該把那麼多的注意力放在可再生能源,而是應該更重視效率。」慕尼黑的能源經濟學家皮特爾說。

目前的補貼也沒有鼓勵現有技術的創新。例如,開發全新的光電技術幾乎沒有給予獎勵,而這很可能是使未得到補貼的太陽能發電,最後便宜到能與化石燃料競爭的唯一方式。

德國的一些經濟學家認為,這個國家的能源政策根本就是走錯了方向。慕尼黑大學的伊佛經濟研究所(Ifo Institute for Economic Research)所長漢斯-維爾納‧辛恩(Hans-Werner Sinn)尤其苛刻。「能源轉型將一事無成,因為綠能技術根本不足以替代現代社會的能源需求,」他說:「關閉核能電廠是錯的,因為這是便宜的能源,也因為風力和太陽能發電絕對無法作為替代能源,它們貴得多,而且產出的能源品質比較差。能源密集產業將外移,德國製造部門的競爭力將滑落,不然就是工資將低迷不振。」

德國政治人物當然賭辛恩的看法是錯的。許多叫人振奮的跡象,在在反駁他的悲觀看法。太陽能板的成本急速下降,表示太陽能發電變得更有競爭力,電池的成本可能跟著下滑。如果化石燃料持續變得更為昂貴,可再生能源發電會更具吸引力。「四十年是一段漫長的時光,而且我們持續因為有利的技術突破而驚訝不已──例如目前太陽能電池價格下跌的方式。」威爾說:「依據拙見,我要強調『能源轉型』的挑戰性有多高。目前看起來很困難。但只要給予正確的誘因,就有好理由相信技術的進步,會遠比我們目前所預期的要快。」

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