台灣能源結構最佳化策略分析

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(1)國立高雄大學土木與環境工程學系碩士論文. 台灣能源結構最佳化策略分析 Analysis of Optimal Strategies for Energy Structure in Taiwan (中文標楷體，英文 Times New Roman 18 號字，置中，以下皆同). 研究生：洪銘謙指導教授：甯蜀光. 撰博士. 中華民國一百年七月 (本論文封面上下邊緣留白一吋，即 2.54 公分).

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(5) 誌謝延續著大學的專題，再加上土木與環境工程研究所兩年，這三年半充實的研究室生活，特別要感謝我的指導教授. 甯蜀光老師。成蒙恩師. 在研究、生活、處事態度與人生道理上的悉心指導及深切教誨，令學生受益良多，在此謹獻上最大的敬意與謝意；另一方面，也要感謝系上老師在課業上的傾囊相授，以及對學生無私的關心，諸多幫助感念在心。口試期間，感謝國立中山大學. 張揚祺老師，朝陽科技大學. 林宏. 嶽老師，於論文架構與內容上給予許多寶貴的建議及指正，使學生的論文更臻完備，在此由衷感謝並上最高敬意。在研究所的日子裡，非常幸運的有學長姐、同學、學弟妹等鼓勵與砥礪我前進。特別感謝 194、耀哥、威呈、寶尼、嘉弘、大慶、昀哥、世鴻、耀弟、小珮等研究室的成員，感謝大家的陪伴、包容與鼓勵；感謝丁-star 隊長阿丁與 97 級的學長姐，以及子桓、博超、牛奶、書晨、宣宇等同學於平日的相互扶持，並一起度過研究生活的困難與挑戰；感謝 99 級的學妹，還有大學部的學弟妹，有你們的歡笑和陪伴是我完成學業的最大助力。最後感謝我親愛的父母與家人，感謝你們多年來的付出與關愛，有你們的支持和鼓勵，是我努力往前進的動力。謹此向幫助過我的人、關心我的人致上誠摯的感謝與祝福。.

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(7) 目錄目錄 ................................................................................................................... I 圖目錄 ..............................................................................................................V 表目錄 ..........................................................................................................VIII 中文摘要 ...........................................................................................................1 英文摘要 ...........................................................................................................2 第一章. 前言 ...................................................................................................3. 1.1 研究源起 .............................................................................................3 1.2 研究目的 .............................................................................................4 1.3 研究架構 .............................................................................................5 第二章. 文獻回顧...........................................................................................7. 2.1 國內能源政策與結構發展.................................................................7 2.1.1 國內能源供需現況 ...................................................................7 2.1.2 能源政策發展方向 .................................................................11 2.2 潔淨再生能源發展現況...................................................................13 2.2.1 我國潔淨再生能源推廣現況 .................................................18 2.3 能源配置策略 ...................................................................................19 2.3.1 潔淨再生能源發展 .................................................................20 2.3.2 能源配置最佳化分析 .............................................................21 2.3.3 能源政策 .................................................................................29 2.4 能源使用與溫室氣體排放...............................................................30 2.5 能源結構多目標規劃 .......................................................................32. I.

(8) 2.6 我國潔淨能源與其他能源開發潛力...............................................35 2.6.1 風力發電 .................................................................................35 2.6.2 太陽能發電 .............................................................................36 2.6.3 水力發電 .................................................................................37 2.6.4 地熱發電 .................................................................................38 2.6.5 核能發電 .................................................................................39 2.6.6 焚化發電 .................................................................................40 2.6.7 洋流發電 .................................................................................40 2.6.8 溫差發電 .................................................................................41 2.6.9 沼氣發電 .................................................................................41 2.7 小結 ...................................................................................................42 第三章. 研究地區背景資料.........................................................................44. 3.1 能源需求 ...........................................................................................44 3.1.1 能源部門 .................................................................................44 3.1.2 工業部門 .................................................................................46 3.1.3 運輸部門 .................................................................................48 3.1.4 農業部門 .................................................................................49 3.1.5 服務業部門 .............................................................................50 3.1.6 住宅部門 .................................................................................52 3.1.7 非能源消費部門 .....................................................................52 3.2 能源供給 ...........................................................................................53 第四章. 研究方法.........................................................................................58. II.

(9) 4.1 研究流程 ...........................................................................................58 4.2 能源結構最佳化模式 .......................................................................59 4.3 情境設定 ...........................................................................................69 第五章. 結果與討論.....................................................................................74. 5.1 基線情境發展之分析 .......................................................................74 5.1.1 能源供應成本 .........................................................................74 5.1.2 能源供應結構變動 .................................................................75 5.1.3 溫室氣體排放趨勢 .................................................................87 5.2 碳交易之可行性評估 .......................................................................89 5.2.1 碳交易對總能源供應成本之影響.........................................92 5.2.2 不同潔淨能源對碳交易獲利之影響.....................................94 5.2.3 碳交易對溫室氣體排放趨勢之影響.....................................97 5.3 潔淨能源開發期程之影響...............................................................98 5.3.1 潔淨能源開發期程對能源供應成本之影響.........................98 5.3.2 潔淨能源開發期程對能源結構變動之影響.......................100 5.3.3 潔淨能源開發期程對溫室氣體排放量之影響...................107 5.4 能源結構多目標規劃分析.............................................................109 5.4.1 多目標規劃對能源供應成本之影響...................................110 5.4.2 多目標規劃對能源結構變動之影響................................... 111 5.4.3 多目標規劃對溫室氣體排放量之影響...............................117 5.5 能源需求成長率變動敏感度分析.................................................119 5.5.1 能源需求成長率變動對能源供應成本之影響...................120. III.

(10) 5.5.2 能源需求成長率變動對溫室氣體排放量之影響...............125 第六章. 結論與建議...................................................................................130. 6.1 結論 .................................................................................................130 6.2 建議 .................................................................................................132 參考文獻 .......................................................................................................134 附件一：符號說明.......................................................................................146 作者簡介 .......................................................................................................149. IV.

(11) 圖目錄圖 1.1 研究架構圖...........................................................................................6 圖 2.1 國內能源供給結構...............................................................................8 圖 2.2 國內能源需求結構...............................................................................9 圖 2.3 我國與日本之能源消費型態.............................................................10 圖 2.4 全球能源消耗類型分佈 (UNDP, 2004)............................................14 圖 3.1 能源部門所需之能源類型以及子部門分類.....................................45 圖 3.2 工業部門所需之能源類型以及子部門分類.....................................46 圖 3.3 運輸部門所需之能源類型以及子部門分類.....................................48 圖 3.4 農業部門所需之能源類型以及子部門分類.....................................50 圖 3.5 服務業部門所需之能源類型以及子部門分類.................................51 圖 3.6 住宅部門所需之能源類型以及子部門分類.....................................52 圖 3.7 非能源消費部門所需之能源類型以及子部門分類.........................53 圖 3.8 能源供需關聯圖.................................................................................54 圖 4.1 研究流程圖.........................................................................................59 圖 4.2 本研究設定之能源供應-需求結構圖 ...............................................61 圖 5.1 總能源供應成本上升趨勢-情境一 ...................................................75 圖 5.2 燃料供應量變化趨勢.........................................................................77 圖 5.3 煤品與天然氣燃料供應量變化趨勢.................................................77 圖 5.4 方案 a 之油品燃料供應量變化趨勢................................................78 圖 5.5 方案 a 之電力供應量變化趨勢 ........................................................78 圖 5.6 方案 b 之油品燃料供應量變化趨勢................................................80 圖 5.7 方案 b 之電力供應量變化趨勢........................................................80 V.

(12) 圖 5.8 方案 c 之油品燃料供應量變化趨勢................................................82 圖 5.9 方案 c 之電力供應量變化趨勢 ........................................................82 圖 5.10 電力自主供應百分比-方案 b, c.......................................................83 圖 5.11 方案 b, c 於 2025 年之自主能源發電量比較 ...............................84 圖 5.12 方案 d 之油品燃料供應量變化趨勢..............................................85 圖 5.13 方案 d 之電力供應量變化趨勢......................................................86 圖 5.14 電力自主供應百分比-方案 b, c, d...................................................86 圖 5.15 方案 b, c, d 於 2025 年之自主能源發電量比較...........................87 圖 5.16 總溫室氣體排放量變化趨勢-情境一 .............................................88 圖 5.17 總能源供應成本上升趨勢-情境二 .................................................93 圖 5.18 方案 e, f 之逐年碳交易獲利...........................................................94 圖 5.19 方案 e 之碳交易獲利來源 ..............................................................95 圖 5.20 各潔淨能源所獲得之獲利-方案 e...................................................95 圖 5.21 方案 f 之碳交易獲利來源 ..............................................................96 圖 5.22 各潔淨能源所獲得之獲利-方案 e...................................................97 圖 5.23 總溫室氣體排放量變化趨勢-情境二 .............................................98 圖 5.24 總能源供應成本上升趨勢-情境三 .................................................99 圖 5.25 方案 g 之煤品燃料供應量變化趨勢............................................101 圖 5.26 方案 g 之油品燃料供應量變化趨勢............................................101 圖 5.27 方案 g 之電力供應量變化趨勢....................................................102 圖 5.28 電力自主供應百分比-方案 c, g.....................................................103 圖 5.29 方案 c, g 於 2025 年之自主能源與天然氣發電量比較.............103 圖 5.30 方案 h 之油品燃料供應量變化趨勢............................................105 VI.

(13) 圖 5.31 方案 h 之電力供應量變化趨勢....................................................105 圖 5.32 電力自主供應百分比-方案 c, d, g, h.............................................106 圖 5.33 方案 c, d, g, h 於 2025 年之自主能源與天然氣發電量比較.....106 圖 5.34 總溫室氣體排放量變化趨勢-情境三 ...........................................108 圖 5.35 總能源供應成本上升趨勢-情境四 ............................................... 111 圖 5.36 方案 i 之油品燃料供應量變化趨勢.............................................112 圖 5.37 方案 i 之電力供應量變化趨勢.....................................................112 圖 5.38 方案 j 之油品燃料供應量變化趨勢.............................................113 圖 5.39 方案 j 之電力供應量變化趨勢.....................................................114 圖 5.40 電力自主供應百分比-方案 b, c, d, i, j ..........................................115 圖 5.41 方案 e, f, k 之逐年碳交易獲利.....................................................116 圖 5.42 各潔淨能源所獲得之獲利-方案 k ................................................116 圖 5.43 總溫室氣體排放量變化趨勢-情境四 ...........................................118 圖 5.44 能源需求成長率變動.....................................................................120 圖 5.45 總能源供應成本上升趨勢-方案 a1, a2, a3 ...................................121 圖 5.46 總能源供應成本上升趨勢-方案 c1, c2, c3 ...................................123 圖 5.47 總能源供應成本上升趨勢-方案 d1, d2, d3 ..................................124 圖 5.48 總能源供應成本上升趨勢.............................................................125 圖 5.49 總溫室氣體排放量變化趨勢-方案 a1, a2, a3 ...............................126 圖 5.50 總溫室氣體排放量變化趨勢-方案 c1, c2, c3 ...............................127 圖 5.51 總溫室氣體排放量變化趨勢-方案 d1, d2, d3 ..............................129. VII.

(14) 表目錄表 2.1 新興再生能源產量分佈 (UNDP, 2004) .....................................15 表 2.2 全球初及能源需求預測 (百萬油當量)......................................16 表 2.3 新興替代能源技術發展現況與前景評估 (UNDP, 2004).........17 表 2.4 我國未來能源需求配比 ..............................................................18 表 2.5 我國再生能源發電之現況與目標 ..............................................19 表 2.6 不同限制因素與系統參數對規劃目標之影響 ..........................26 表 2.7 可設置區域之風力發電潛力 ......................................................36 表 2.8 核能發電裝置容量與年發電量 ..................................................40 表 2.9 新興及其他能源開發潛力上限 ..................................................42 表 3.1 基準年之能源部門能源需求量 ..................................................45 表 3.2 基準年之工業部門能源需求量 ..................................................47 表 3.3 基準年之運輸部門能源需求量 ..................................................49 表 3.4 基準年之農業部門能源需求量 ..................................................50 表 3.5 基準年之服務業部門能源需求量 ..............................................51 表 3.6 基準年之住宅部門能源需求量 ..................................................52 表 3.7 基準年之非能源消費部門能源需求量 ......................................53 表 3.8 燃料成本與溫室氣體排放量 ......................................................56 表 3.9 發電成本與溫室氣體排放量 ......................................................57 表 4.1 子集合說明 ..................................................................................60 表 4.2 限制式與條件說明 ......................................................................71 表 4.3 情境設定 ......................................................................................73 表 5.1 情境一之總能源供應成本成長趨勢 ..........................................75 VIII.

(15) 表 5.2 情境一之總溫室氣體排放量成長趨勢 ......................................88 表 5.3 情境二之總能源供應成本成長趨勢 ..........................................92 表 5.4 情境二之總溫室氣體排放量成長趨勢 ......................................97 表 5.5 情境三之總能源供應成本成長趨勢 ..........................................99 表 5.6 情境四之總溫室氣體排放量成長趨勢 ....................................117 表 5.7 情境五設定 ................................................................................119 表 5.8 方案 a1, a2, a3 之總能源供應成本成長趨勢..........................121 表 5.9 方案 c1, c2, c3 之總能源供應成本成長趨勢..........................122 表 5.10 方案 d1, d2, d3 之總能源供應成本成長趨勢 .......................124 表 5.11 方案 a1, a2, a3 之總溫室氣體排放量成長趨勢 ....................126 表 5.12 方案 c1, c2, c3 之總溫室氣體排放量成長趨勢....................128 表 5.13 方案 c1, c2, c3 之總溫室氣體排放量成長趨勢....................128. IX.

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(17) 台灣能源結構最佳化策略分析指導教授：甯蜀光博士(副教授) 國立高雄大學土木與環境工程學系學生：洪銘謙國立高雄大學土木與環境工程學系摘要. 隨著工業及經濟之蓬勃發展，世界能源需求持續成長，使得化石能源之消耗大幅提升，另一方面，由於溫室效應及氣候變遷等環境議題備受關注，在兼顧經濟發展與環境保育之雙重目標下，世界各國無不積極投入潔淨能源等相關技術之研發，帶動了潔淨能源工業之崛起，而備受爭議的「核能」在 2007 年時也被氣候變遷跨政府小組 (IPCC) 列入有助於阻止暖化的再生能源之一，此舉雖造成國際間極大之爭議，但已使得潔淨替代能源與核能在能源部門扮演的角色愈加受到重視。台灣自產能源有限，2010 年能源進口依存度已高達 99.39 %，除面臨能源供應安全性之問題外，也同時面對能源需求增加與溫室氣體減量之目標，而擁核與反核之爭議，至今仍未獲得共識。本研究乃期望藉助優化分析之技術，考量各部門能源成長需求、溫室氣體減量及開發核能等條件，同時引入碳權交易之概念，建立台灣能源模型，對能源配置進行最佳化策略分析，探討在不同情境下，燃料與電力需求供應中，化石能源、潔淨能源與核能之配比，同時了解各項能源成本對能源結構造成之競合現象，及溫室氣體減量目標之達成性，藉以評估各項能源政策之可行性。關鍵字：能源結構、能源政策、溫室氣體減量、系統分析、多目標規劃. 1.

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(19) Analysis of Optimal Strategies for Energy Structure in Taiwan Advisor: Dr. Shu-Kuang Ning Institute of Depqrtment of Civil and Environmental Engineering National University of Kaohsiung Student: Ming-Chien Hung Institute of Depqrtment of Civil and Environmental Engineering National University of Kaohsiung ABSTRACT According to blooming industrial and economical development, the global energy demand has undergone a steady growth. The consumption of fossil fuel has been raised significantly in the last decades. In addition, as climate change related environmental issues became a major concern. For approaching the dual goal of economical development and environmental protection, the clean energy technologies are developed actively throughout the world. Besides, nuclear power has been regarded as an effective GHG mitigation option in IPCC fourth assessment report in 2007. Much attention has been paid to the roles these new renewable energy sources and nuclear power can play. In Taiwan, the indigenous energy resources are deficient and therefore the dependence on imported fossil fuel in 2009 has reached 99.37 %. This situation endangers the stability of energy supply, also increases the difficulty for meeting energy demand growth and greenhouse gases emission reduction in the same time. In this study, an optimization model has been developed for deriving the optimal strategies for energy structure in Taiwan. With the objective of minimizing the total costs while taking into account the increasing demand of energy, development of nuclear energy and targets of GHG reduction, the model aims to identity the allocations of fossil fuel, cleaner energy sources, and nuclear power with respect to different scenarios. Feasibility analysis of several energy structures has also been conducted according to tradeoffs among energy sources with different costs, together with the possibility of meeting the goals of GHG reduction. Keyword: Energy structure, Energy strategy, Greenhouse gas reduction, System analysis, Multi-objective programming. 2.

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(21) 第一章. 前言. 1.1 研究源起能源是推動國家發展之原動力，它提供產業發展所需之燃料、原料及動力來源，是現代社會提高人民生活水準之必需品，也是國家經濟建設不可或缺之要素。能源供應之穩定性，與國家安全、經濟發展及國民福祉有著密不可分的關係。然而，全球能源分佈極不平均，能源供應形成獨占或寡占市場，因此，能源價格常易受到供需情況、區域政治穩定性等因素大幅波動。近年來全球能源需求增加，特別是石油之需求增加更多，2007 年 7 月 9 日國際能源總署 (International Energy Agency, IEA) 在其中程石油市場報告中，即預估在未來五年國際間石油需求將以每年 2.2 % 之幅度成長，因此預期 2010 年之後國際石油供給將日益匱乏 (經濟部能源局，2007)。台灣自產能源有限，2010 年能源進口依存度已高達 99.39 %，受到國際原油價格波動及京都議定書等國際公約之雙重壓力下，尋求替代能源之需求日益迫切。因此，國內的能源發展主要著重在潔淨與新興替代能源的推廣，作為提高能源自主及潔淨能源比例的策略。近年來有關太陽能、生質能源、風能、垃圾衍生燃料等相關技術之研發正如火如荼展開，調整國內能源結構之規劃亦同步進行。有效的利用潔淨之替代能源不但有助於減少對進口能源的依賴，同時也能降低化石能源所產生之污染。但限於效率不佳、成本過高、需要龐大的基礎建設等多種因素，一直沒有顯著的突破。能源價格可以提供市場上各類能源供需配置的指標作用，在經濟層面部分：若能源使用為最終消費用途，則其價格將影響民眾的生活支出。若能源使用為生產要素用途，其價格. 3.

(22) 水準即構成使用者的生產成本。在能源層面：能源價格決定能源種類的替代關係，進而影響新興及潔淨能源的發展 (洪德生，2007)。由此可知，在自由市場的競爭中，未來能源的價格變動幅度將是我國能源結構調整的關鍵因素。然而，現階段受限於潔淨能源轉換效率及成本偏高之因素，短時間難以大幅取代既有化石能源之使用，因此備受爭議之核能又多次被提出討論。核能在發電過程不會產生任何二氧化碳，且擁有成本低，燃料體積小，廢氣少等優點。此外，核燃料雖是進口能源，但因其能量密度高、運儲方便，安全存量約有三年，不會受短期的天災或國際局勢影響，故核能已被 IPCC 視為解決全球溫室效應的可能選項，各國也紛紛調整既有的核能政策，連帶著全球核能電廠的復辟也備受討論 (Mazen et al., 2009)。然而，台灣目前受限於現行「非核家園」之理念，以及 2011 年日本核災的影響，使得核四電廠的興建一波三折，擁核與反核的爭論難以停歇。基於上述諸多因素，台灣對未來整體之能源結構亟需廣泛且周延之探討，以維持國家長期發展之競爭力。. 1.2 研究目的台灣多年來用於進口能源開發管理之經驗，與目前面臨投入潔淨能源及核能發展之新方向有極大之差異，規劃與管理的思維應有所調整，不當的開發策略，可能大幅降低開發利用之效益。能源結構問題具有涵蓋範圍大、相互關聯性強及問題不確定性高等特性，因此藉助系統分析. 4.

(23) (System Analysis) 之技術將可協助釐清各項因素間之關連性，透過優化模型 (Optimization Model) 之建立，可尋求相互關聯與相互制約目標間之權衡。因此，本研究乃期望藉由系統分析之技術，對區域之能源配置進行最佳化策略之分析，透過基本資料之蒐集，評估研究區域能源之供需現況與成長趨勢，並考量溫室氣體減量之目標，來釐清不同能源價格變動，以及潔淨再生能源和核能發展的影響，因此，本研究主要的研究目標及內容包含： 1.. 配合區域自然環境及地理特性，篩選可能替代之潔淨再生能源類型，評估潔淨再生能源發展潛力；. 2.. 考量能源供應成本、現有能源供需情況，並配合未來能源成長需求及溫室氣體減量等目標，建立台灣能源結構之最佳化模型；. 3.. 釐清能源價格、再生能源技術發展、溫室氣體減量目標與核能政策對能源結構之影響，期望對國內未來能源相關政策推動有所助益。. 1.3 研究架構本研究旨在透過最佳化模式，依據設定之目標與限制因子，評估我國能源結構可能產生的變動，主要研究內容包括：蒐集我國各種能源供應類型、需求部門、能源需求量、技術/運轉特性，以及自然環境社會特性，並針對國內外能源結構及能源政策、環境政策相關研究文獻資料進行探討，以提供最佳化模式建立及限制條件之設定。而後利用所蒐集之自然環境及社會特性資料，評估我國潔淨之替代能源開發潛力，以提供. 5.

(24) 模式參數之設定，再經由本研究所建立最佳化模型進行各方案分析，探討我國能源結構之變動趨勢及各項能源未來的發展情況，詳細流程如圖 1.1 所示。. 研究目標設定. 文獻回顧. 確立研究方法. 資料蒐集. 能源供需現況. 潔淨能源類型. 環境政策. 設定規劃目標與限制條件. 自然環境特性. 潔淨能源開發潛力評估. 最佳化模式建立與分析. 結論與建議圖 1.1 研究架構圖. 6.

(25) 第二章. 文獻回顧. 本研究主要目的是藉由系統分析技術進行能源結構最佳化策略分析，以評估區域適合發展之能源類型，並決定各項能源之配置。以下將針對國內能源政策與結構發展、潔淨再生能源發展現況、潔淨能源配置策略、能源使用與溫室氣體排放之關係、源結構多目標規劃與潔淨能源開發潛力等主題進行相關的文獻探討。. 2.1 國內能源政策與結構發展 2.1.1 國內能源供需現況多年來由於我國經濟快速成長，能源需求大幅增加，能源總供給量自 1994 年 7,279.7 萬公秉油當量 (9,000 kcal/L) 逐年成長，至 2009 年已達 13,805.8 萬公秉油當量，年平均成長率為 4.36 %。2009 年能源總供給中，煤炭占 30.45 %，石油占 51.82 %，天然氣占 8.62 %，水力發電占 0.26 %，太陽光電、風力及太陽熱能占 0.14 %，核能發電占 8.72 %，如圖 2.1 所示。其中自產能源僅占總能源供應的 0.63 %，顯示我國自有能源匱乏，對國外能源供給之依存度相當高。在能源需求部份，國內能源消費自 1994 年 6,502.1 萬公秉油當量增至 2009 年 11,308.5 萬公秉油當量，年平均成長率為 3.76 %。2009 年國內能源消費量中，能源及工業部門占 59.70 %，運輸占 13.16 %，農業占 0.89 %，住宅占 11.48 %，服務業占 11.64 %，如圖 2.2 所示。我國 2008 年能源進口總值為 562.12 億美元，較上年增加 44.69 %；. 7.

(26) 平均每人負擔能源進口值則由 2007 年的新台幣 62,504 元，增加為 2008 年的 85,057 元，漲幅約 36.08 %。到了 2009 年，能源進口總值降為 348.64 億美元，較上年減少 37.78 %；平均每人負擔能源進口值減少為 54,652 元，減幅約 35.56 %。造成上述結果的原因在於，2007 至 2008 年全球金融風暴之影響，足見我國經濟發展極易受到國際能源市場變動的影響，凸顯台灣能源供給系統的脆弱性，因此，如何提高能源供給的自主性，確實是永續能源政策的重要方向之一 (經濟部能源局，2009；經濟部能源局，2010)。. 百萬公秉油當量. 煤及煤產品原油及石油產品 Coal Petroleum 進口液化天然氣慣常水力發電 LNG Conventional Hydro Power 地熱、太陽光電及風力發電 Geothermal, Solar Photovoltaic and Wind Power 160 0.1 % 140 0.0 % 8.5 % 0.2 % 120 6.7 % 0.5 % 0.1 % 100 0.0 % 11.5 %0.5 % 0.1 % 5.4 % 80 0.0 % 0.9 % 51.5 % 13.9 %0.7 % 60 4.0 % 50.7 % 1.1 % 40 52.9 % 20 27.4 % 1994. 32.5 %. 31.1 % 1999. 2004. 圖 2.1 國內能源供給結構. 8. 自產天然氣 Natural Gas 核能發電 Nuclear Power 太陽熱能 Solar Thermal 0.1 % 0.1 % 8.7 % 0.3 % 8.4 % 0.2 % 51.8 %. 30.4 % 2009.

(27) 能源部門自用 Energy Sector Own Use 農業部門服務業部門 Agricultural Service 120. 工業部門 Industrial 住宅部門 Residential. 百萬公秉油當量. 3.2 % 11.4 % 11.3 %. 3.1 % 11.6 %. 9.1 %. 8.1 %. 7.2 %. 1999. 2004. 2009. 100 80 60 40 20. 運輸部門 Transportation 非能源消費部門 Non-Energy Use. 11.5 % 4.6 % 0.9 % 1.6 % 13.2 % 12.8 % 14.5 % 4.0 % 11.4 % 1.5 % 11.7 % 10.4 % 2.2 % 16.8 % 17.8 % 52.5 % 49.9 % 43.9 % 44.5 % 9.4 % 1994. 圖 2.2 國內能源需求結構值得注意的是，我國能源的人均消費量與日俱增，與人均所得迄無脫鉤傾向，顯見能源消費型態的不永續，眼見日本、德國等工業先進國家早已呈現脫鉤情勢 (見圖 2.3)，因此，如何積極促進能源人均消費量與經濟成長的脫鉤，亦為國內在推動能源政策中不可忽視的課題 (黃宗煌、盧誌銘，2005)。. 9.

(28) 圖 2.3 我國與日本之能源消費型態. 10.

(29) 2.1.2 能源政策發展方向面對全球能源情勢之變遷與挑戰，經濟部能源局依據國內多次重要會議並參考先進國家做法所擬定的政策目標，曾於 94 年全國能源會議具體結論中提到，能源政策之總體因應策略包括：穩定能源供應，提高能源效率，開放能源事業、推動市場自由化，重視環保安全、調和能源、經濟、環境之發展，加強研究發展、擴張科技能量，推動教育宣導、擴大全民參與及能源結構調整等策略 (經濟部能源局，2005)，其中與能源結構調整有關之工作項目為： 1.. 積極發展再生能源並推廣使用：再生能源配比增加，預定 2010 年發電裝置容量達到 513 萬瓩，2020 年達到 650 至 700 萬瓩，2025 年達 700 至 750 萬瓩。. 2.. 擴大潔淨能源使用，提高燃氣發電：2010 年天然氣使用量達到 1,300 萬公噸，預定 2020 年達到 1,600 至 2,000 萬公噸，2025 年達到 2,000 至 2,200 萬公噸。. 3.. 核能四廠 270 萬瓩依計劃進行，核一、二、三廠 514 萬瓩正常營運。. 4.. 配合不同能源使用狀況，建構充分的能源基礎設施。另外，在能源與電源結構規劃上，也擬定了三大方向：. 1.. 能源結構調整方向：根據所規劃的能源政策，未來石油配比下降，煤炭配比隨著核能運用相對調整，天然氣與再生能源配比增加，核能配比在核四廠依計畫進行，核一、二、三廠正常營運下，隨能源總使用量變化而變動。. 2.. 規劃我國能源結構配比在 2020 年估計約為：煤 40～2 %、油 32～. 11.

(30) 32 %、天然氣 14～18 %、核能 7 %、再生能源 4～6 %。在 2025 年：煤 41～45 %、油約 30～31 %、天然氣 16～19 %、核能 4 %、再生能源 5～7 %。 3.. 規劃我國發電裝置容量結構配比在 2020 年估計約為：燃煤 46～47 %、燃油 3 %、燃氣 26 %、核能 9 %、抽蓄水力 5 %、再生能源 10 ～11 %。在 2025 年：燃煤 48～50 %、燃油 2～3 %、燃氣 27～28 %、核能 5 %、抽蓄水力 5 %、再生能源 10～12 %。由上述策略規劃可以得知，未來我國能源發展將著重在潔淨永續能. 源之推廣，兼顧「能源安全」、「經濟發展」與「環境保護」，以滿足未來世代發展的需要。另外，97 年永續能源政策綱領提到未來永續能源的推動，應由能源供應面的「淨源」與能源需求面的「節流」做起 (經濟部能源局，2008)。在「淨源方面」，推動能源結構改造與效率提升： 1.. 積極發展無碳再生能源，有效運用再生能源開發潛力，於 2025 年佔發電系統的 8 % 以上。. 2.. 增加低碳天然氣使用，於 2025 年佔發電系統的 25 % 以上。. 3.. 促進能源多元化，將核能作為無碳能源的選項。. 4.. 加速電廠的汰舊換新，訂定電廠整體效率提升計畫，並要求新電廠達全球最佳可行發電轉換效率水準。. 5.. 透過國際共同研發，引進淨煤技術及發展碳捕捉與封存，降低發電系統的碳排放。. 6.. 促使能源價格合理化，短期能源價格反應內部成本，中長期以漸進方式合理反應外部成本。. 12.

(31) 以上目標與 94 年全國能源會議具體結論相似，仍視核能為未來無碳能源發展的潛力之ㄧ。然而，至 98 年全國能源會議「永續發展與能源安全」總結報告，對於以核能發電作為邁向低碳社會的過度能源持有正反兩面的意見，未來核能在台灣的發展仍有待進一步做深入探討 (經濟部能源局，2009)。總結報告中所建構的低碳發展藍圖包括： 1.. 展現我國開發再生能源潛力的決心，兼顧低碳與自主。. 2.. 因應全球原油蘊藏日漸耗竭，能源供給逐步導向脫油。. 3.. 發展淨煤技術善用煤炭蘊藏，兼顧成本與溫室氣體減排。. 4.. 合理使用天然氣，兼顧環保與能源供應安全。. 5.. 強化核能發電的安全。然而，潔淨再生能源之利用，與自然環境、地理等特性密切相關，. 例如，風力發電與當地風力、風向有關；太陽能之利用與當地日照時間有關、生質能源開發則與該區土地資源利用情形關係密切，諸多因素均須考量區域特性之差異，因此在決定相關開發計畫之前，應先進行開發區自然環境特性之調查評估，以確保規劃之正確性。. 2.2 潔淨再生能源發展現況隨著科技之發展與環保意識之抬頭，人類能源之供應系統，也由全需仰賴石化原料之時代，逐步演進到再生能源已可供應部分需求之進程。潔淨之再生能源之類型包含甚多，例如：生質能、太陽能、風能、地熱及海洋能源等，聯合國開發計畫署 (United Nations Development Programme (UNDP), 2004) 統計 2001 年全球能源消耗類型，其中傳統生. 13.

(32) 質能占 9.3 %、新興再生能源則有 2.2 %，如圖 2.4 所示，而在新興再生能源部分又以生質能及地熱所佔比例較高，兩項合計已高達總產量之 91.8 %，如表 2.1 所示。國際能源總署 (International Energy Agency, 2007)，將 2006 年前各國政府已頒布或採行之政策與措施列入評估，估算 2004 年至 2006 年全球初級能源需求，其中生質能與其他再生能源所佔比例約維持在 10.3 % ～10.9 %，如表 2.2 所示，但由於能源需求年平均成長率約 1.8 %，因此再生能源之產量亦隨之提高，各國均積極投入相關技術的研發。. 圖 2.4 全球能源消耗類型分佈 (UNDP, 2004). 14.

(33) 表 2.1 新興再生能源產量分佈 (UNDP, 2004) 能源產量 (EJ*). 百分比(%). 新興生質能. 6.000. 68.00. 地熱. 2.100. 23.80. 小型水力發電. 0.360. 4.10. 低溫太陽熱能. 0.200. 2.30. 風力發電. 0.160. 1.70. 太陽光電板電力. 0.004. 0.04. 太陽熱能發電. 0.003. 0.04. 海洋能源. 0.002. 0.03. 8.900. 100.00. 能源/技術類型. 總計 * EJ=1018 Joule. 聯合國開發計畫署 (UNDP, 2004) 針對多項替代能源類型之現況與發展前景進行評估，包含：過去五年增加之裝置產能、運轉能量、產能因數、能源產量、組裝投資成本、當前能源成本及未來潛在成本等，就現階段而言，在裝置產能上風力發電及太陽能光電板電力上成長最快；能源產量則以大型水力發電最高，但在組裝投資成本及單位能源成本上則以生質能、風力、低溫太陽熱能、水力發電及地熱等項目互有優勢，如表 2.3 所示。. 15.

(34) 表 2.2 全球初及能源需求預測 (百萬油當量) 能源類型. 2000. 2005. 2015. 2030. 年平均成長率. A.煤炭. 2,292. 2,892. 3,988. 4,994. 2.2%. B.石油. 3,647. 4,000. 4,720. 5,585. 1.3%. C.天然氣. 2,089. 2,354. 3,044. 3,948. 2.1%. D.核能. 675. 721. 804. 854. 0.7%. E.水力. 226. 251. 327. 416. 2.0%. 1,041. 1,149. 1,334. 1,615. 1.4%. 53. 61. 145. 308. 6.7%. H.合計. 10,023. 11,429. 14,361. 17,721. 1.8%. (F+G)/H. 10.91 %. 10.59 % 10.30 %. 10.85 %. F.生質能 G.其他再生能源. * IEA (2007). 16.

(35) 表 2.3 新興替代能源技術發展現況與前景評估 (UNDP, 2004) 技術型態生質能電力熱乙醇生質柴油風力發電太陽光電板電力太陽熱能發電低溫太陽熱水力發電大型小型地熱電力熱海洋能源潮汐波浪海流海洋熱能轉換. 過去五年增加之裝置產能(%/年). 運轉容量 (2001). 產能因數 (%). 能源產量 (2001). 組裝投資成本 (美元/kw). ~2.5 ~2.0 ~2.0 ~1.0. ~40GWe ~210GWth 180 億公升 12 億公升. 25-80 25-80. ~170TWh(e) ~730TWh(th) ~450PJ ~45PJ. 500-6000 170-1000. ~30 ~30 ~2. 23GWe 1.1GWe 0.4GWe 57GWth (95 百萬 m2). 20-40 6-20 20-35. 43 TWh(e) 1 TWh(e) 0.9 TWh(e). 8-20. ~2 ~3. 690GWe 25GWe. ~3 ~10 0 -. ~10. 當前能源成本. 未來潛在成本. 850-1700 5000-18000 2500-6000. 3-12￠/kWh 1-6￠/kWh 8-25$/GJ 15-25$/GJ 4-8￠/kWh 25-160￠/kWh 12-34￠/kWh. 4-10￠/kWh 1-5￠/kWh 6-10$/GJ 10-15$/GJ 3-10￠/kWh 5 or 6-25￠/kWh 4-20￠/kWh. 57 TWh(th). 300-1700. 2-25￠/kWh. 2-10￠/kWh. 35-60 20-90. 2600 TWh(e) 100 TWh(e). 1000-3500 700-8000. 2-10￠/kWh 2-12￠/kWh. 2-10￠/kWh 2-10￠/kWh. 8GWe 11GWth. 45-90 20-70. 53 TWh(e) 55 TWh(th). 800-3000 200-2000. 2~10￠/kWh 0.5-5￠/kWh. 1or 2-8￠/kWh 0.5-5￠/kWh. 0.3GWe 實驗階段實驗階段實驗階段. 20-30 20-35 25-40 70-80. 0.6 TWH(e) -. 1700-2500 2000-5000 2000-5000 8000-20000. 8-15￠/kWh 10-30￠/kWh 10-25￠/kWh 15-40￠/kWh. 8-15￠/kWh 5-10￠/kWh 4-10￠/kWh 7-20￠/kWh. 17.

(36) 2.2.1 我國潔淨再生能源推廣現況我國在分散能源供應來源及溫室氣體減量之雙重目標下，近年亦積極投入替代能源之研發及規劃，第二次全國能源會議所訂定之未來我國能源需求配比，至 2025 年再生能源規劃之比例約 5～7 %，如表 2.4 所示，同時亦統計了近年對利用再生能源發電之推廣實績與未來推廣之目標，如表 2.5 所示。根據 98 年全國能源會議「永續發展與能源安全」總結報告，我國未來將以太陽能、生質能、風力發電為主要推動項目，致力技術研發降低成本及提高設置誘因，並輔以推動其他再生能源發電如地熱、水力、海洋能等，全面有效運用可再生資源 (經濟部能源局，2009)。表 2.4 我國未來能源需求配比總需求量. 2020. 2025. (百萬公秉油當量). 107. 214. 煤炭. 40～42 %. 41～45 %. 石油. 32 %. 30～31 %. 14～18 %. 16～19 %. 7%. 4%. 4～6 %. 5～7 %. 天然氣核能再生能源. 在多方努力下，近年來已獲得部分成果 (能源局，2007)，台灣太陽能熱水系統裝置總容量已達 158.9 萬平方公尺，單位面積安裝密度居世界第三；風力發電已完成 121 座，裝置容量 203.7 MW；太陽光電裝置容量 1.58 MW；生質能源之應用則包括垃圾焚化發電、沼氣發電、固態衍生燃料、氣化發電、生質柴油、生質酒精等多種類型，惟技術上仍有. 18.

(37) 努力之空間，地熱發電及海洋能之應用則多處於潛力調查評估階段。由於替代能源之開發與當地環境特性關係密切，國際間之發展經驗雖可提供諸多規劃之參考，但仍應注意國內外之差異性，並經完整調查，始能進行正確之評判。表 2.5 我國再生能源發電之現況與目標 2004. 2006. 2010. 推廣實績. 推廣實績. 推廣目標. 發展時程. 推廣項目. 累積裝置容量 (萬瓩). 配比 (%). 累積裝置容量 (萬瓩). 配比 (%). 累積裝置容量 (萬瓩). 配比 (%). 太陽光電發電. 0.059. 0.00 %. 0.145. 0.00 %. 2.1. 0.04 %. 0.9. 0.02 %. 20.37. 0.45 %. 215.9. 4.20 %. 56.73. 1.27 %. 65.53. 1.46 %. 74.1. 1.44 %. -. -. -. -. 5.0. 0.10 %. 慣常水力發電. 191.1. 4.27 %. 192.2. 4.28 %. 216.8. 4.22 %. 合計. 248.8. 5.56 %. 278.25. 6.2 %. 513.9. 10.0 %. 風力發電生質能發電地熱發電. 2.3 能源配置策略隨著工業及經濟之蓬勃發展，世界能源需求持續穩定成長，如何以最低成本滿足能源需求，同時兼顧國家永續發展，成為各國能源規劃之重要目標。因此，能源配置的相關研究與討論亦廣泛受到重視，以下將針對新興或潔淨再生能源發展、能源配置最佳化分析及行政決策等方向進行說明。. 19.

(38) 2.3.1 潔淨再生能源發展近年來，溫室效應及氣候變遷等環境議題備受關注，二氧化碳等溫室氣體排放限制帶動了潔淨再生能源工業之崛起。潔淨再生能源種類繁多，如：太陽能、風力、水力及生質能等，許多研究著重在技術/運轉特性、終端能源需求及環境需求限制等面向的發展，多以成本最低，效益最大為目標進行分析；部份研究即針對潔淨能源或再生能源進行成本或效率分析，比較潔淨能源與傳統能源之優劣及未來的潛力。 Jenkins, (1997) 即以經濟學之觀點，探討在不同尺度下之固定及變動成本，決定生質能利用設施之最佳規模。Rana et al., (1998) 提出一個將再生能源與原有電力系統混合供應電力需求之規劃方案，並以印度 Madhy Pradesh 山谷地區為案例，採用生物氣體 (biogas) 、生物質 (biomass) 及太陽能等再生能源系統與原電力系統搭配供電，結果證明此類分散式系統較傳統集中式供電系統具有更高之經濟效益。Nagel, (2000) 運用線性混合整數最佳化模型，建立經濟的生質能源供應結構。結果顯示，影響經濟結構最大的因素在於能源價格。Dornburg and Faaij, (2001) 則借助系統分析之技術，建立生質物特性、運輸系統、熱能供應範圍及燃燒或汽化單元等項目與設施規模間之關係，以探討生質能源系統在能源及經濟上之效能。Carlson, (2002) 分析將環境損害的外部成本考慮到線性最佳化能源系統之中，即替代原本後續的污染防治成本，並設定五種情境進行分析。分析結果顯示，當外部的損害成本被考慮進來後，生質能源投入的比例將會變大。Yoshida et al., (2003) 更針對電力、石油及熱能，以生命週期評估之觀點比較不同生質能轉換技術之效率及 CO2 排放. 20.

(39) 之情形，發現效率之高低與生物質之含水率有密切之關係，此外，該研究並建構整個能源系統之模型，探討各項生產技術之成本與 CO2 排放量間之權衡 (tradeoff)，以決定最具成本有效性之再生能源技術。Sensfuß et al., (2008) 利用 PowerACE 集群系統平臺分析了再生能源發電成本對德國現貨市場價格的影響，結果說明再生能源的投入會使得消費者負擔的成本太高，但驅動再生能源發電的因素在於化石燃料價格的持續成長。 Dalton et al., (2009) 評估能源供應設施現值、再生能源使用比例及回收期等條件，進行傳統電廠、再生能源及傳統/再生能源混合發電系統供應大型旅館電力之技術及經濟可行性分析；結果顯示，以傳統/再生能源於 2004 年之淨現值計算，採用 73 % 再生能源比例，可取代傳統電廠之供應，並可減少 63 % 之二氧化碳排放比例，其中又以大型風力發電系統 (>1000 kW) 為最具經濟效益之再生能源類型。Fuss et al., (2010) 針對潔淨能源之不確定性的投資決策進行分析，並著重在不同社經條件下與溫室氣體排放標準的最佳化組合。結果顯示，不確定性的社會經濟情境較嚴格的排放標準影響程度低，尤其投資者可能面臨更高的潔淨能源價格。然而，能源價格是隨著時間變動的，因此未來可能會產生更廣泛和多樣化的影響範圍。. 2.3.2 能源配置最佳化分析近年來隨著系統分析技術運用越來越廣泛，國際上已有許多利用系統分析的概念探討能源結構最佳化配置的研究，目的是為了使能源結構更具經濟效益或減少成本支出，另外也著重在降低環境衝擊和避免資源. 21.

(40) 浪費的情形。部分研究藉助包含能源技術、成本因素及環境目標等整體架構之能源模型，評估其錯綜複雜之關係。例如，Iniyan and Sumathy, (2000) 利用線性規劃之方法，探討印度對於未來再生能源發展之方向，研究中發展一套「最佳化再生能源數學模型」 (Optimal Renewable Energy Mathematical Model, OREM)，以再生能源單位效益之成本最小化為目標，考量社會接受度、系統可靠度、能源需求性及再生能源發展潛勢等因素，尋求該國未來最佳之能源政策，其後，更結合德爾菲 (Delphi) 問卷調查技術，將相關專家之意見納入政策之評選中 (Iniyan and Sumathy, 2003)。Suganthi and Williams, (2000) 以最佳化模式決定印度商業化再生能源系統之配置策略，並針對需求、技術發展潛勢、系統可靠度、污染排放及人力需求等各項參數之變動進行敏感度分析。Pavlas et al., (2006) 從現有設備利用程度著眼，盡量選擇可應用於現有設備之能源技術，並考量能源成本、電價及政策面等因素，期望能充份利用現有設備，研究中以成本最低為目標，選用最佳能源技術以進行小電廠現有設備的現代化。Iniyan et al., (2000) 為了滿足能源需求，對不同類型之最終利用，如：照明、運輸及取暖等，運用以社經為基礎之最佳化模式進行太陽能、風力及生質能等再生能源之最佳分配。Iniyan et al., (2006) 進一步以修正經濟數學模式 (Modified Econometric Mathematical, MEM) 預測煤、石油及電力等傳統能源之需求，並以能源 - 經濟 - 環境模式 (Mathematical Programming Energy-Economy-Environment, MPEEE) 以環境作為限制，進行商用能源之最佳配置，其間的差距則由再生能源補足，並利用建立. 22.

(41) 之數學模式，考量成本、效率、社會接受度、可靠性、潛勢等因數進行最佳利用分析。Rao et al., (2006) 使用最佳化能源模型 (Model for Energy Supply Strategy Alternatives and their General Environmental Impact, MESSAGE)，考量能源技術的內生技術變革 (Endogenous Technological Change) 及外溢效果 (Spillover Effect)，模擬基準情境與全球二氧化碳濃度管制對能源技術組合之影響，結果顯示：在基準情境下僅依賴技術的內生技術變革不足以達成全球二氧化碳濃度之穩定，若沒有其他誘發機制或管制措施之配合，技術的內生技術變革並無法達成顯著的二氧化碳減量。Andreassi et al., (2009) 提出一個執行系統分析和模擬的專用程式，模擬工業電力系統最佳管理控制策略。此模式可模擬基於成本最小、能源消耗最少、污染排放最小等不同操作策略，獲得各種不同策略的操作標準。此外，Cai et al., (2008) 亦發展出一套結合系統分析與環境經濟概念，考量能源供需、能源成本及環境衝擊的能源模型，以利能源決策者與能源使用者參考，並成功應用於加拿大安大略省 Waterloo 都會區能源政策之評估與推動。另一方面，在各類型電力結構之配置規劃上，亦有相當廣泛的討論，例如：Botterud et al., (2002) 探討以 20～50 年週期建構電力市場解除管制模型，主要考量電力供給與需求線，使用線性最佳演算法 (Linear Optimization Algorithm) 計算每年之平均電力價格，並採用動態描述電力市場供給與需求變化。 Graham et al., (2003) 使用最佳化模型 (Optimization Model) 探討澳洲溫室氣體減量目標下的最佳發電技術組合。在成本最小化的目標下，考量技術進步、資源開採成本遞增、再生. 23.

(42) 能源發展目標等設定，求算最佳的發電技術組合，並進行敏感度分析。 Avetisyan et al., (2006) 利用數學模型探討在市場經濟和環境限制的條件，並考慮能源供應安全的情況下，發展中的電力系統最理想的擴張。此研究將電力系統屬於非線性、動態、隨機且離散關係線性化，於簡化之後利用線性規劃求解。結果顯示，因為不確定性所以選擇使用隨機篩選的數據會造成無法獲得最佳方案，因此還需要適當的敏感性分析檢查以核查結果的可信度。另外也有研究著眼於內部配置最佳化之研究：Florentino and Sartori, (2003) 以賽局理論 (Game Theory) 探討巴西甘蔗之最佳種植數量，其規劃之目的期望使作物殘渣剩餘最少而蔗渣生產能源最大之雙重目標並考慮滿足所有能源生產工廠之需求。Hongxing et al. (2009) 利用 5 項決策變數，太陽能光電模組數、傾斜角度、風力渦輪機數、渦輪重及蓄電池量設計一項以技術-經濟為主要考量之太陽能-風力混合發電系統之最佳配置，確保能源需求滿足下成本最低之目標。除了上述利用系統分析的方法之外，也有利用投資組合理論和系統動態分析方法，探討能源結構變動的趨勢與風險。Qudrat-Ullah et al., (2001) 評估環境保護與資源限制，藉由系統動態理論建立巴基斯坦電力系統動態模型以了解各部門動態關係，模型結構主要考量了電力需求、投資、資本、生產、環境、成本與價格等條件。Drozdz, (2003) 則為波蘭的能源系統的現代化提出建議，其中包括了能源裝置適當的配置、設定及燃料的選擇等，對波蘭能源系統進行妥善地規劃。Awerbuch et al., (2003) 應用投資理論中的平均數-變異數模型探討歐盟的最佳發電組合，此模型. 24.

(43) 考量了燃料價格波動、營運操作成本變動及電廠營運前置時期的風險三種不確定性。分析結果顯示，目前歐盟所規劃的發電技術組合並為達到最佳化且效率欠佳，應透過組合效果的多樣性，增加再生能源技術取代傳統化石燃料技術以降低風險。Awerbuch, (2004) 使用投資組合理論探討歐盟、美國與墨西哥的發電組合，並說明如何利用再生能源裝置容量的增加以降低風險或減少發電成本。黃韻勳 (2007) 應用數學規劃方法，將投資組合理論與傳統電力供給規劃模型整合，設定「風險調整後的發電成本現值」最小化為目標。模型中的發電成本風險主要考量化石燃料價格波動、發電技術進步及設備成本下降等三類風險；同時將再生能源之間歇性產出與減少溫室氣體排放等特性納入模型，並結合電力相關限制式，建構電力供給規劃模型。彙整上述針對不同目標、參數條件之能源結構相關研究結果於表 2.6 所示。. 25.

(44) 表 2.6 不同限制因素與系統參數對規劃目標之影響環境衝擊技術發展潛勢再生能源發展能源需求性系統可靠度社會接受度成本最小化能源價格. 考量限制因素. 學者. 研究目標. Iniyan and Sumathy,. ¾ 利用線性規劃模型 (Linear Progamming Model)，以再生能 □ □ ■ ■ ■ ■ □ □. (2003). 源單位效益之成本最小化為目標。 ¾ 結合德爾菲 (Delphi) 問卷，將相關專家之意見納入政策之評選中。. Suganthi and Williams, (2000). ¾ 以最佳化模型 (Optimization Model) 決定印度商業化再生 □ □ □ ■ ■ □ ■ ■ 能源系統之配置策略。. Pavlas et al., (2006). ¾ 以成本最低為目標，選用最佳能源技術。. Iniyan et al., (2006). ¾ 以修正經濟數學模型 (Modified Econometric Mathematical, □ ■ ■ ■ □ ■ □ ■ MEM) 預測煤、石油及電力等傳統能源之需求。 26. ■■□□□■□□.

(45) ¾ 以能源-經濟-環境數學規劃模型. (Mathematical. Programming Energy-Economy-Environment, MPEEE)，進行商用能源之最佳配置。 Andreassi et al., (2009). ¾ 利用優化過程 (Optimization Procedure) 和優化準則 □ ■ □ □ ■ □ □ ■ (Optimization Criterion) 建立系統分析模擬的數學模式，模擬工業電力系統最佳管理控制策略。. Graham et al., (2003). ¾ 使用由下而上的模擬模式 (Bottom-up Model) 探討澳洲溫 ■ ■ □ □ □ ■ ■ □ 室氣體減量目標下的最佳發電技術組合。. Becerra-López and Golding, (2008). ¾ 利用多目標最佳化 (Multi-objective Optimization) 技術，進 ■ □ □ □ □ □ □ ■ 行區域性產能系統擴展。 ¾ 規劃天然氣及再生能源轉換之最佳容量。. Cai et al., (2008). ¾ 發展一套結合系統分析與環境經濟概念之能源最佳化模型 ■ □ □ □ ■ □ □ ■ (Optimization model)。. 27.

(46) Daniel et al., (2008). ¾ 依能源流之觀點建立能源流最佳化模型 (Energy Flow □ ■ □ □ ■ □ □ ■ Optimization Model)，考量多種能源選項。 ¾ 以成本最低為目標，進行電力能源系統之規劃。. Qudrat-Ullah et al., (2001) 黃韻勳 (2007). ¾ 藉由系統動態 (System Dynamic) 理論建立巴基斯坦電力 ■ □ □ □ ■ □ □ ■ 系統動態模型以瞭解各部門動態關係。 ¾ 將投資組合理論與傳統電力供給規劃模型整合，設定「風 ■ ■ □ □ □ □ ■ □ 險調整後的發電成本現值」最小化為目標。. 28.

(47) 2.3.3 能源政策區域能源配置之規劃與國家能源政策方向息息相關，。Jamasb et al., (2008) 即發現越來越自由化的能源市場，使得能源供應安全再次成為英國和其他歐盟國家能源政策的核心問題。此研究探討能源供應安全和能源網絡管理之間的關係，結果顯示能源網絡具有自然獨占的特性，所以在管理上容易被忽略。另外，能源供應安全和氣候變遷有相互影響的可能，因此需要適當的管理和措施來加強能源網絡的靈活性，以分散能源供應安全的風險。Fan et al., (2005) 探討國際上運用再生能源憑證制度 (Renewables Portfolio Standard, RPS) 的經驗，鼓勵再生能源在中國的發展，期望對於中國以燃煤為主的能源結構有所改善，以減緩對於環境和生態的衝擊並促進區域能源結構配置最佳化。結果顯示，中國大陸有充足的太陽能與風力還有生質能潛力，但是投資單位電力生產成本還是比傳統的化石燃料要高出許多，因此需要政府政策的支援。Mahone et al., (2009) 同樣探討再生能源憑證制度 (RPS) 和有成本效益的能源效率 (Energy Efficiency) 投資，用來對抗全球氣候變遷和降低對化石燃料的依賴。結果顯示取決於 RPS 的迴避成本估算，會提高能源效率的程度，有助於達到供應最低成本的潔淨電力。Trømborg et al., (2007) 利用區域化空間分佈均勻模型，涵蓋森林、林業和生質能源部門，能考量不同區域對於熱能或生物質的需求和不同空間分佈的運輸與交易，並且評估不同政策方案對於經濟潛力的影響。結果顯示，強而有利的政策可克服緩慢的生質能源投資，對於生質能源生產和價格有重大的影響。Fang et al., (2007) 全面的分析中國能源相關的環境管理手段、影響和展望，對於面. 29.

(48) 臨平衡能源消費和環境保護之間的困難任務。說明現行中國能源和能源相關的環境管理所面臨的阻礙和挑戰，並且建議節能、能源結構最佳化、公佈環境標準、提昇環境技術、環境成本內部化、設立公共利益基金、採用 RPS 等管理手段的優先策略。Giatrakos et al., (2009) 利用長期能源替代方案規劃系統 (Long-range Energy Alternati)ve Planning system, LEAP) 計算架構軟體、最佳化模式及模擬模式，建構地中海上克里特島的最佳能源供應計畫，以滿足因大量觀光客而造成急劇上升的電力需求。研究中考量了現行可利用的再生能源種類、技術、法律執行的限制，並有計畫的將傳統發電廠升級。結果顯示，最有節制和實際可行的再生能源執行方案，配合部分成功的需求限制，可以進一步減緩克里特島的環境負荷且不妨害觀光產業的發展。總之，國家能源政策之配合是調整能源結構成功與否之最大關鍵。. 2.4 能源使用與溫室氣體排放能源配置最佳化的同時，常受到環境、社會等面向之限制；目前能源部門面臨最大挑戰，除了常見 SOx、NOx 等空氣污染物外，隨著氣候暖化現象受到的注目愈來愈多，由於二氧化碳貢獻全球升溫比例高達 55 %，加上京都議定書的實踐，二氧化碳開始成為環境考量的主要項目之一，有鑑於此，國際間大多以修正能源政策，調整能源結構達成二氧化碳減量目標。在能源利用與 CO2 排放之整合性研究中，模擬與優化模式之應用是常被用於成效評估的工具，Brownsword et al., (2005) 建立一個能源供需. 30.

(49) 之模式，模擬能源需求在空間及時間上之變化，並可評估能源管理措施及 CO2 減量之成效；而其中之優化模組更可評估最具成本有效性之 CO2 或能源削減方案。Pehnt, (2006) 則以生命週期評估方法 (LCA) 探討傳統石化燃料、水力、太陽能、風力、地熱、木材等能源資源於發電及發熱系統之環境效益，研究成果顯示再生資源之利用確實對環境較為友好。 Gilau et al., (2007) 評估傳統柴油、光電-柴油、風-柴油及光電-風-柴油混合能源之經濟效益，結果發現當 87 % 的 CO2 被去除後，由於外部成本之削減，使再生能源開發成本達到零，若能 100 % 使用再生能源則更具經濟效益。Granovskii et al., (2007) 則討論利用再生能源分別取代以天然氣產生的電力及氫對空氣污染影響之差異，結果顯示再生能源取代天然氣產電較產氫對空氣品質之改善更為顯著。Blesl et al., (2007) 分別評估德國整體及各部門以提昇能源效率達成二氧化碳減量目標之成效，研究結果顯示，針對住宅部門提昇能源使用效率對於二氧化碳減量有顯著地效果，而運輸部門則需花費最多之成本。Lafforgue et al., (2008) 更依據碳匯量之角度進行石化燃料及再生、潔淨能源開發比例之評估。Thornely et al., (2008) 曾建立包含技術、經濟、環境及社會面向共 42 種指標，評估多種生質能系統於各面向之表現；研究結果指出，一般汽電共生系統排放之二氧化碳較傳統發電系統少，而大型汽化系統與傳統電廠相較，可大幅減少二氧化碳之排放量。Daniel et al., (2008) 則依能源流之觀點建立最佳化模式，考量多種能源選項，以成本最低為目標，二氧化碳排放量為限制，且滿足不同部門之能源需求，進行電力能源系統之規劃。 Dougherty et al., (2009) 更透過不同產氫技術及運輸系統之分析，評估將. 31.

(50) 傳統電力系統轉換為產氫發電系統所需之成本及能源產量、二氧化碳減量之效益。Soimakallio et al., (2009) 著眼於運輸部門進行二氧化碳排放減量，該研究以生質燃料取代石化燃料達到減排目的，並討論選用不同之生質物對溫室氣體減排之成效。綜合而言，調整傳統化石燃料為主之能源結構是改善當今溫室氣體排放之共識，然而能源成本之考量則是各國共同關注之焦點。. 2.5 能源結構多目標規劃隨著潔淨能源技術之成熟，將降低該項能源供應之成本，屆時取代傳統化石能源則成為必然之趨勢，而溫室氣體減量之目標亦可能隨之達成。然而，管理者在進行決策時，必須由多面向進行考量，因此常希望政策之推動可同時達成多項目標，使得能源模型預測結果之選擇性與明確性受到很大的挑戰。多目標規劃是系統方法 (System Approach) 概念下發展出來的規劃技術，以線性規劃法為基礎，將單一目標函數擴大至多個目標函數，是一種明確並可同時考量多個決策目標的數學規劃法，其目的在協助決策者於有限的資源及目標衝突的限制下，尋求一個最佳的行動方案，其特性如下 (陳啟進，2006；廖國維，2005)： 1.. 多目標規劃強調選擇的彈性與可行方案彼此間之替代性，即由分析者先規劃出一個或數個解，然後經由決策者進行比較與選擇最佳方案，可避免單一目標規劃經常出現分析者與決策者角色混淆的問題。. 2.. 多目標規劃可以同時處理多種不同單位之目標，而無單位換算主觀. 32.

(51) 性標準之問題產生。 3.. 多目標規劃可處理多個目標衝突與矛盾的問題。. 4.. 多目標規劃可處理優先次序不同的問題，決策者排定其重要性或優先順序，分析者能根據此次序，求出最滿意的解。在能源配置之相關研究中，常藉助多目標規劃，考慮多重目標間對. 於能源結構之錯綜複雜之關係，並且儘可能的多方衡量，以獲得最滿意之結果，Mezher et al., (1998) 即利用多目標分配模型，將能量分配過程分成經濟和環境兩種觀點，經濟目標包括成本，效率，節約能源，並創造就業機會，而環境目標則考慮環保因素。Koroneos et al., (2004) 說明能源決策過程是在各式各樣可能的答案之間進行選擇，其困難點在於存在多種的判斷準則。多目標規劃即適合應用於需要在多種目標之間進行最終的決策，同時滿足環境、程序和資源等限制的情況。此研究以希臘萊斯沃斯島為研究對象，以多目標最佳化規劃島上各種再生能源的利用，並滿足環境、需求、成本和資源的限制之多重標準。Becerra-López and Golding, (2008) 利用多目標最佳化技術，以經濟成本及環境衝擊為主要參考因數，進行區域性產能系統擴展，規劃天然氣及再生能源轉換之最佳容量。 Rena et al., (2010) 利用多目標優化模型分析分散式能源 (Distributed Energy Resource, DER) 的最佳經營策略，同時結合能源成本和溫室氣體排放最小化。選定日本某生態校園為案例，所考慮的分散式技術包含太陽能光電、燃料電池和汽油發電機，提供所需要的電力和熱能。結果顯示：提高經濟目標的滿意度將導致二氧化碳排放量增加，若考慮電力回購、碳稅，以及燃料改用沼氣則或多或少會影響 DER 的操. 33.

(52) 作。Alarcon-Rodriguez et al., (2010) 對於現今的能源和環境問題，DER 已被視為一種可能的解決方案。最佳整合的 DER 分散網絡是不可或缺的，以確保最佳的資源運用，如減少二氧化碳的排放量，減少網絡的能量損失，並盡量減少投資和運營成本。然而，此種利害相互矛盾的多目標問題，需要同時進行優化。因此，多目標規劃方法即適合應用在此，考慮技術、環境和經濟影響，於不同的觀點下進行妥協。Lixin, (2011) 說明中國的能源策略由能源系統的供需平衡逐漸轉變為能源、經濟和環境之間的協調，將涉及到技術，成本，財務，環境等問題。因此，該研究採用多目標決策模型，以經濟發展和環境為目標，進行中國未來十年的能源結構最佳化分析。結果顯示，目前以煤炭為主的能源結構，到 2020 年將轉換為煤炭和石油並重，且電力作為一種替代能源類型也將發揮重要的作用，意味著中國未來的能源發展必須依靠技術創新，提高能源效率，加快水力和核能發電建設，同時強調新興和再生能源的開發利用。 Unsihuay-Vila et al., (2011) 提出一種新穎的多目標，多區域和多層級為一體的模型，結合生產、傳輸、投資規劃，並納入能源永續發展的準則。該模型用來決定最佳的電廠位址和發電和供電時段的選擇之多層級規劃。所採用的能源永續發展準則包含：(1) 盡量減少發電和供電之經營與擴張成本；(2) 減少溫室氣體排放；(3) 最大化的多元化發電結構。結果顯示：碳捕獲技術對於永續發展是有益的，可與能源效率形成互補作用。然而，以長期來看，能源多元化才是發展的重點，如生質能和風能技術等潔淨能源，均具備很高的減碳效益。Oliveira et al., (2011) 則基於投入產出分析的多目標線性規劃模型，發展多部門間，經濟-能源-環境相互作. 34.

(53) 用的前瞻性評估，以分析經濟結構和能源系統的變化，以及相應的環境影響，提供決策支援。. 2.6 我國潔淨能源與其他能源開發潛力 2.6.1 風力發電近年來國際間對綠色能源的重視使得再生能源的成長趨勢有目共睹，其中對於風力能源更是居主要角色。根據世界風能協會 (World Wind Energy Associatiob, WWEA) 的統計，截至 2008 年底，全球風力發電總裝置容量為 121,188 MW，2008 年新增了 27,261 MW，超越了 2007 年的紀錄，年成長率為 29 % (WWEA, 2009)。目前全球已有超過 76 個國家應用風力發電作為電力供給來源 (經濟部能源局，2010)。我國屬於海島型又是在季風氣候帶，多數地區年平均風速可達 5～6 m/s 以上，風能密度達 250 W/m2 以上。根據風能潛勢的評估，考慮 50 m 高度風速大於 5 m/s 且風能密度達 200 W/m2 以上風力較佳地區，使用 1 MW 風力機配置則最大約可設置 281 萬瓩。然而，實際上可設置數目須受限於其他因素如：土地開發規劃、土地使用限制、或軍事管制區、生態保護或敏感區等，故實際可配置之風機數目必將減少許多，保守以三分之一計，考慮風能密度達 200 W/m2 以上較值得開發的地區，則台灣地區陸上約可設置 1,000 台百萬瓦級風力機，即約可有 100 萬瓩風電潛力量。在海域部分，以風機於垂直風向上及平行風向上之間距分別採 4 倍及 10 倍扇頁直徑排列，總計台灣本島西部海域及澎湖地區約可設置 400 部風力機，以每部風機 3 千瓩估計，台灣西部海域淺海離岸風電可開發. 35.

(54) 潛能可達 120 萬瓩 (工研院能資所，2002)。以每瓩裝置容量每年可發 2,700 度電來計算 (能源文宣手冊，2011)，估算所得總發電量可達 5,940 GWh，詳細內容如表 2.7 所示。表 2.7 可設置區域之風力發電潛力設置區域. 裝置容量 (MW). 年發電量 (GWh). 陸域. 1,000. 2,700. 海域. 1,200. 3,240 總計. 5,940. 2.6.2 太陽能發電太陽能是地球上最潔淨，也用之不竭取之不盡的能源，而太陽光電 (photovoltaics；PV) 之特點為利用太陽電池 (Solar Cell) 將太陽光能直接轉化為電能，是最便利且低污染、無噪音、安全性高、操作簡單、分散式之再生能源電力系統 (經濟部能源局，2010)。自從 1954 年貝爾實驗室開發出轉換效率 4.5 % 的單晶矽太陽電池以來，太陽光電技術從早期應用在太空中，以提供人造衛星和太空船的主要動力來源，後應用至偏遠離島電力網無法到達的地方，作為給水、供電系統，到 90 年代，人類逐漸意識到工業污染引發溫室效應對環境及生態產生了嚴重威脅。美、日、德等先進國家推動大規模國家級太陽光電發展計畫和太陽能屋頂計畫，透過政策鼓勵、提供租稅減免和設備補貼，大量設置太陽光電發電系統 (再生能源網，2009)。太陽光電經過五十年的發展，除了設置成本仍然偏高，市場應用多. 36.

(55) 元而廣泛，能結合於許多地方，如路燈、電子路標、車子，甚或是建築物的表面，皆可以裝設太陽能光電板，已經是相當便利的發電技術。台灣位於北回歸線北緯 23.5 度上，地理環境優越，日照充沛，高於德、日等國家，有發展太陽光電之良好條件。根據研究，考量環境、地形、位置和氣候，評估我國太陽能光電板的可設置面積可達 196.5 Km2，年發電量預估為 34,995 GWh。另外，太陽能光電板也可以廣泛架設於建築物的樓頂，利用都市區內建築的頂樓樓板設置太陽能光電板，裝置面積約 327.2 Km2，年發電量可達 29,618 GWh (王世鴻，2011)。. 2.6.3 水力發電潔淨能源中以水力發電應用歷史最久且技術最為成熟，台灣自西元 1905 於臺北縣新店. 山完成興建第一座水力電廠迄今，水力發電利用已. 達百年之歷史。然台灣地區因受地形，地質及水文氣象等天然條件之限制，優良之水力位址不多，且大都已開發利用，未來開發應以中、小型水力機組為主。依據台灣電力公司 97 年度統計年報，統計至民國 97 年底止，全台灣水力發電廠共有 45 座，總裝置容量達 453.99 萬瓩。其中抽蓄水力有大觀二廠及明潭 2 座，裝置容量合計 260.2 萬瓩，淨尖峰能力為 239.2 萬瓩，年發電量約 38.5 億度。另慣常水力包括大、小水力電廠共 40 座，裝置容量合計為 193.79 萬瓩，淨尖峰能力為 151.9 萬瓩，年發電量約 30.1 億度 (再生能源網，2009)。然而，根據經濟部能源局預估，台灣地區尚待開發技術可行之水力發電總潛力共計 249 萬瓩，抽蓄水力則還有多達 966.3 萬瓩的蘊藏量。由於台灣的水力因受河川流量豐. 37.

(56) 枯懸殊的影響，慣常水力的發電容量因數僅有 23.8 % (經濟部能源局， 2010)，而抽蓄水力在過去 10 年的紀錄中，平均的發電容量因數只達 16.5 % (台灣電力公司，2010)。經評估，慣常水力和抽蓄水力之發電量預估可達 9,200 和 17,700 GWh。惟獨近年來全球氣候變遷，降雨量與降雨分佈不平均，導致水力年發電量起伏不定，在應用上值得注意。. 2.6.4 地熱發電地熱能源有別於其他潔淨能源，它具有地球內部自產能源的特色，而且在既定開發時間內其能源產出量是固定，不像太陽能或風力能有著供應不穩定的情形。地熱應用的領域可分為熱能及電能兩項，其中在熱能方面應用頗早，有工業應用、農業應用及觀光休憩的多目標功能，自古溫泉就用於沐浴、理療、烹調以及有用礦物成分的收集；而地熱若從能源利用的觀點而言，以利用於發電最有效率，因為發電後電力輸送比直接熱能利用時必須輸送大量熱水容易，而且電廠可以就近建造於地熱區內，比較不受地理環境的限制，因此在擁有高溫地熱資源的國家，皆以發電為地熱優先利用的項目。同時發電後的餘熱 (蒸汽或熱水) 以繼續發展供各種熱能的利用，據資料顯示預估全球地熱資源可供應 8.65 億人口的電力需求 (Dickson, 2002)。經濟部能源局在 2005 年全國能源會議之後，成立「新能源及潔淨能源研究開發推動小組」熱能的利用推廣亦為其推動工作之一 (經濟部能源局，2010)。我國位於環太平洋火山帶，全島共有百餘處溫泉地熱徵兆，地熱活動廣泛，顯示熱源條件存在具地熱熱潛能。根據地熱資源初步評估結果，. 38.