核能電力投入時機對能源供應結構影響之評估
The impact assessment of energy structure for nuclear power input timing
洪銘謙1、甯蜀光2、周亞璇4
Ming-Chien Hung, Shu-Kuang Ning, Ya-Hsuan Chou 國立高雄大學土木與環境工程學系
Department of Civil and Environmental Engineering, National University of Kaohsiung, Kaohsiung, Taiwan
葉欣誠3
Shin-Cheng Yeh
國立臺灣師範大學環境教育研究所
Graduate Institute of Environmental Education, National Taiwan Normal University, Taipei, Taiwan,
摘要
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。然而,隨著能源需求的增加,全球能源系統已貢獻超過一半以上的溫室氣體 排放量,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;備受爭議的「核能」在 2007 年時也被氣候變遷跨政府 小組(IPCC)列入有助於減緩暖化的能源選項之一,此舉已造成國際間極大之爭 議。台灣自產能源有限,2009 年能源進口依存度已高達 99.37%,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。本研究乃藉助優化分析之技術,建立台灣能源 模型,評估在兼顧能源需求、使用成本及環境保護等多重目標下,核四電廠在不 同時機投入能源供應結構,對能源配置之影響,藉以評估各項能源政策之可行性。 關鍵字:核能、能源結構、潔淨能源、系統分析Abstract
Energy is a fundamental element for national development; it offers essential resources, such as fuel, material and the power for developing the economy and maintaining the living standard of people. However, with the increasing of energy demand, global energy system has contributed more than half of greenhouse gases emission. For approaching the dual goal of economical development and environmental protection, the clean energy technologies are developed actively
1 國立高雄大學土木與環境工程學系碩士班研究生
2 國立高雄大學土木與環境工程學系副教授 Email: [email protected] 3 國立臺灣師範大學環境教育研究所教授
throughout the world. Besides, nuclear power has been regarded as an effective GHG mitigation option in IPCC fourth assessment report in 2007. 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. This study focus on the discussion of energy structure variation accompany with the input timing of the fourth nuclear power plant in Taiwan. An energy model was established to optimize the energy structure by considering the energy demand, generation cost, and environmental prevention conditions. The feasibility of potential energy policies, impact on generation cost and clean energy development were also discussed in the research.
Keyword: nuclear energy, energy structure, clean energy, system analysis
一、前言
隨著工業及經濟之蓬勃發展,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,二氧化碳等溫室氣體排放限制帶動 了潔淨能源工業之崛起,然而,如何以最低成本滿足能源需求,同時兼顧國家永 續發展,已成為各國能源規劃之重要目標,因此,在新興能源之利用、區域能源 之配置及對溫室氣體減量之對策的相關研究與討論已廣泛受到重視。 許多研究著重能源配置之最佳化分析,考量包括了技術/運轉特性、終端能 源需求及環境需求限制等面向,且多以成本最低,效益最大為規劃目標進行分 析。例如:Iniyan [1, 2]為了滿足能源需求,對不同類型之最終利用部門,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適分配。 Suganthi and Williams [3]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。Drozdz [4]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。Mathur [5]利用能源輸入及輸出之動態平衡,包括新系統建造所需能源 輸入及受到建造速度限制之能源輸出,評估未來再生能源發電容量成長之速率。 Jebaraja and Iniyanb [6]則完整回顧了再生及永續能源相關規劃的模式,包括能源 規劃模式、能源供需模式、預測模式、再生能源模式、排放削減模式及最佳化模 式等。Cai [7]則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。由上述諸多成果顯示, 能源模型對一個國家或區域發展規劃之重要性。 能源配置最佳化的同時,常受到環境、社會等面向之限制;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 [8]曾建立一個能源供需之模 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 或能源消減方案。 Blesl [9]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。Thornely [10]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 [11] 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。Soimakallio [12] 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物質對溫室氣體減排之成效。 我國多年來由於經濟之快速成長,能源需求大幅增加,2009 年已達 13,805.8 萬公秉油當量。其能源供給中,煤炭占 30.45%,石油占 51.81%,液化天然氣占 8.39%,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% [13],顯示本地主要能源之供應仍仰賴石油及煤炭。所有能源供應中,自 產能源占 0.63%,進口能源占 99.37%,顯示台灣對國外能源供給之依存度相當 高,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。近年來在面對國際間溫室氣體減量之要求下,多種替代能源之開發已積極進 行,然而現階段受限於能量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,由於核能在發電過 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,但因其體積小、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[14],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[15]。Yoo and Yoo [16]即指出核能發電對於韓國的經濟發展與電力 供應扮演著重要的角色。Izumi [17]亦曾針對日本的高中學生對於核能發電持有 的態度進行調查,結果指出:對於核能發電是否安全,約有 80%的受訪者的態度 是否定的,但對於核能發電是否必要,則約有 75%的受訪者表示贊成。由此可知, 大部分的民眾對於發展核能仍表示肯定,但礙於風險的無可預知性而無法認同核 能。台灣目前也受限於現行「非核家園」之理念,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;因此本研究希望藉由自行發展之能源結構模型,探 討未來核四電廠在不同時機點投入能源供應,對於我國能源結構、能源生產成本 與潔淨能源發展之影響,藉以評估各項能源政策之適用性。
二、研究方法
本研究依據台灣能源供需現況,將能源供應之方式分成以燃料或電力供應兩 大型式,其中考量之能源供應類型,包括化石能源、潔淨能源與核能,能源需求 部門則包括能源部門、工業部門、運輸部門、農業部門、住宅部門、商業部門、 非能源使用部門。詳細之能源供需結構如圖 1 所示。 在規劃模型部分,則以能源供應成本最小化為規劃目標,考慮之限制條件包 括各部門燃料需求、電力需求、及溫室氣體排放減量之目標等,建立之最佳化模 型說明如下: 2.1 規劃目標 本模型規劃目標為各階段能源生產總成本最小化,其中成本項包括:化石燃 料、潔淨能源、核能等三項能源類型之相關成本(包含購買原料及後續相關處理所需之各項成本): TOC TRC TFC Z min (1) TFC=化石燃料總生產成本 TRC=潔淨能源總生產成本 TOC=核能源總生產成本 以上各項成本之內涵說明如下: 式(2)-式(4)列出上述目標式中各單項能源類型之成本細項
17 1 i 3 1 w wit wit it 17 1 iit FUC ) (FEU FEUC )
(FU TFC t (2) FUit =第 t 年以第 i 種化石能源做為燃料的使用總量(PJ) FUCit =第 t 年以第 i 種化石能源做為燃料使用的單位燃料成本(元/PJ) FEUwit =第 t 年以第 i 種化石能源作為於 w 負載型態發電原料所發的電力數量 (Mkwh) FEUCwit =第 t 年以第 i 種化石能源作為於 w 負載型態發電來源的發電單位成本 (元/Mkwh) 圖 1 本研究設定之能源供應-需求結構圖
9 1 j 3 1 w wjt wjt jt 9 1 jjt RUC ) (REU REUC )
(RU TRC t (3) RUjt =第 t 年以第 j 種再生能源做為燃料的使用總量(PJ) RUCjt =第 t 年以第 j 種再生能源做為燃料使用的單位燃料成本(元/PJ) REUwjt =第 t 年以第 j 種再生能源作為於 w 負載型態發電來源所發的電力數量 (Mkwh)
REUCwjt =第 t 年以 j 種再生能源作為於 w 負載型態發電來源的發電單位成本(元 /Mkwh) ) OEUC (OEU TOC wkt 1 1 k 3 1 w wkt
t (4) OEUwkt =第 t 年以第 k 種其他能源作為於 w 負載型態發電原料所發的電力數量 (kwh) OEUCwkt =第 t 年以第 k 種其他能源作為於 w 負載型態發電原料的發電單位成本 (元/kwh) 2.2 限制條件 (a)燃料需求限制式 式(5-7)在確保各部門之燃料需求獲得滿足。
d' d dt d' 9 1 j jt 6 1 i it RU FD Cd' FU t (5)
d' d dt d' 9 1 j jt 15 7 i it RU FD Od' FU t (6)
d' d dt d' 9 1 j jt 17 16 i it RU FD Gd' FU t (7) FDd’dt=第 t 年第 d 個能源需求部門中第 d’個次部門之燃料需求量(PJ) Cd’=第 d’個次部門對於煤類燃料需求百分比 Od’=第 d’個次部門對於油品類燃料需求量百分比 Gd’=第 d’個次部門對於天然氣體類燃料需求量百分比 (b)電力需求限制式 式(8)在確保各部門之電力需求獲得滿足。
d' d dt wd' 1 1 k wkt 17 1 i 9 1 j wjtwit REU OEU ED
FEU w t, (8) EDwd’dt=第 t 年第 s 個月第 d 個能源需求部門中第 d’個次部門之 w 負載型 態電力需求量(kwh) w =1 基載電力需求百分比(化石能源與核能源需求) w =2 中載電力需求百分比(化石能源與潔淨源需求) w =3 尖載電力需求百分比(化石能源需求) (c)環境限制式 本限制式在確保各年溫室氣體排放總量不超過目標值。
t 1 1 k 3 1 k wkt 9 1 j 3 1 w j wjt 9 1 j j jt 17 1 i 3 1 w i wit 17 1 i i it EO ) COOEU (OEU ) COREU (REU ) CORU (RU ) COFEU (FEU ) COFU (FU
w t(9) COFUi =第 i 種化石能源之溫室氣體排放係數(kg/MJ) COFEUwi =利用第 i 種化石能源於 w 負載型態發電過程之溫室氣體排放係數 (kg/kwh) CORUj =第j種潔淨能源之溫室氣體排放係數(kg/MJ) COREUwj =利用第 j 種潔淨能源於 w 負載型態發電過程之溫室氣體排放係 數(kg/kwh) COOEUwk =利用第 k 種核能源於 w 負載型態發電過程之溫室氣體排放係數 (kg/kwh) EOt=第 t 年之溫室氣體排放總量上限 (d)非負限制式 it FU > 0 wit FEU > 0 jt RU > 0 (10) wjt REU > 0 wkt OEU > 0三、結果與討論
3.1 情境設定 由於台灣對能源需求的持續成長,又面對全球溫室氣體減量之目標,加上本 地對核能議題的不確定性,因此本研究在情境設定上,分別考量了能源需求、溫 室氣體排放限制與興建中核四發電供應之期程先後,設定三種情境,分別為情境 一:於 2011 年啟用核四發電;情境二:於 2016 年啟用核四發電,及情境三:於 2021 年啟用核四發電,且三種情境需同時滿足能源成長需求,並至 2025 年溫室 氣體排放量逐年降回到 2000 年標準[18],各情境設定詳述於表 1。為了充分反應 實際的能源結構與能源需求的形式,本研究於模式建立時將能源需求分成燃料與 電力兩大型式,各年之能源供應須滿足各部門之個別需求;對各項能源之成本, 參酌本地與國際間之相關預測,考量逐年之變動,其中化石能源部分設定為逐年 成長,而潔淨能源則依據相關調查推估結果設定為逐年下降,此外在電力需求部 分,則依據台灣現況分成發電基載、中載、尖載等三種負載的假設,分別設定 60%、27.5%、12.5%,其中核能則依據特性被限制供作基載之選項。本研究以 2009 年為基線,模擬期間自 2010 年至 2025 年。表 1 情境設定 能源需成長設定 溫室氣體排放總量限制設 定 核能發展設定 情境一 於 2011 年啟用 核四發電 情境二 於 2016 年啟用 核四發電 情境三 初始年以 3%為基準,且 成長率逐年減少 0.2%, 至 2025 年成長率為 0% 自初始年開始逐年下降至 2025 年回到 2000 水準(年 下降率 1.7755%) 於 2021 年啟用 核四發電 3.2 結果分析 根據上述模型與情境設定,模擬所獲得之結果將分成(1)能源生產成本,(2) 能源結構變化,(3)潔淨能源供應量趨勢等部分說明如下: 1. 能源生產成本 模擬結果顯示:各情境之總能源生產成本將逐年提升,如圖 2 所示。由於情 境一於 2011 年即投入核四發電,之後逐年才慢慢加入新的潔淨能源來滿足能源 需求與溫室氣體排放限制,因此總能源生產成本之上升趨勢平緩且變化幅度較 小。情境二與情境三由於投入核四發電的時機較晚,則必須優先選擇較高成本之 潔淨能源作為能源供應來源,以符合溫室氣體排放限制的需求,所以情境二與情 境三在規劃投入核四的期程之前,總能源生產成本相對較高,差距最多可達 1,000 億。整體而言,若期望達成溫室體減量之目標,又不希望能源成本大幅提升,及 早投入核能將是可能之選項。 12 14 16 18 20 22 24 26 2010 2013 2016 2019 2022 2025 千 億 元 情境1 情境2 情境3 圖 2 總能源生產成本上升趨勢 2. 能源結構變化 由情境一之模擬結果(圖 3(a))得知:由於規劃期程第二年即投入核四發電, 短時間內對潔淨能源的需求與溫室氣體減量較不迫切,因此潔淨能源可以穩定的 發展。在情境二的部份(圖 3(b)),由圖形的趨勢可看出至 2016 年投入核四後的能
源供應比例變化,因為此時間點尚在本研究的規劃期程初期,潔淨能源於能源供 應與溫室氣體減量所佔之比重仍低,因此整體衝擊尚不明顯。然而至情境三(圖 3(c)),由圖形的結果可清楚看出至 2021 年後才投入核四發電,對於潔淨能源供 應將造成嚴重的影響,主要原因在於投入核能後,減少 1kg 的溫室氣體排放的同 時,取代現階段燃料(煤)還能減少 0.2 元成本的付出,比起使用潔淨能源在成本 上佔絕對優勢。由此可知,以成本之角度來看,在本研究規劃的期程之內,在開 始投入的核能發電的數年間,對於能源結構將產生明顯之衝擊。 3. 潔淨能源供應量趨勢 潔淨能源在能源結構中之貢獻量,取決於價格的競爭與溫室氣體減量之要 求。根據圖 4(a)顯示之模擬結果:情境一需要 RDF 至 2015 年才完全被風力發電 取代,主要原因在於情境一於 2011 年即投入核四發電,短時間內對溫室氣體減 量較不迫切,因此模式根據本研究整理所得之不同類型燃料的發電成本,選擇具 有經濟效益之 RDF 作為中載發電的主要來源,直到溫室氣體減量責任落於風力 取代 RDF。另一方面,受限於溫室氣體減量限制日益嚴苛,水力發電與生質柴 油也於 2015 年前後開始穩定成長。圖 4(b)則說明情境二受到規劃期程初期限制 核能發展的影響,由於規劃初期沒有核能的投入,且受限於溫室氣體減量的目 標,因此 2012 年之前 RDF 已經完全被風力發電所取代,而水力與生質柴油也分 別於 2011 以及 2013 年後即開始進入能源供應結構中。然而,2016 年核能的投 入,對潔淨能源供應量產生壓縮造成衝擊,但由於投入核四時間點仍算早,因此 2016 年後潔淨能源的供應也逐漸回穩,並在本研究之規劃期程內穩定成長。至 於情境三(圖 4(c))模擬之結果,於規劃期程初期的變化與情境二雷同,但由於核 四投入時間延後至 2021 年,加上潔淨能源供應於能源結構中已佔有一定之比 重,因此產生的衝擊也較為嚴重。模擬結果同時發現水力發電和風力發電之成長 甚不明顯,主要是因為本研究評估水力發電在台灣已經沒有開發的潛力,因此限 制了水力發電的成長,至於風力發電則是因為在實際之應用上僅適合作為中載負 載發電,因此僅需滿足此部分之需求,成長幅度變動有限。 由上述情境分析結果可發現:開發潔淨能源與核能源,不僅能降低溫室氣體 的排放,對於未來的能源供應之穩定與安全性似乎也不可避免。然而,若限制核 能發展且要兼顧溫室氣體減量目標,必須面臨的問題是在短時間內要使用大量的 潔淨能源,對於台灣的能源供應現況將是一大挑戰。但是核能也許是最具爭議的 發電方式,對於許多環保組織和民眾不具吸引力,也存在著核廢料處理、安全、 擴散等問題有待克服,只能作為解決過度時期燃料需求的方式[19]。因此,對於 台灣未來的能源結構變化,如何靈活的應用潔淨能源與核能源,值得更加深入的 探討,以找出真正最佳的解決方式。 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 2010 2013 2016 2019 2022 2025 P J/ 年 潔淨能源 核能 氣 油 煤 (a) 情境一
0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 2010 2013 2016 2019 2022 2025 P J/ 年 潔淨能源 核能 氣 油 煤 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 2010 2013 2016 2019 2022 2025 P J/ 年 潔淨能源 核能 氣 油 煤 圖 3 各種燃料供應量變化趨勢 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 2010 2013 2016 2019 2022 2025 P J/ 年 水力發電 風力發電 生質柴油 RDF 0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 2010 2013 2016 2019 2022 2025 P J/ 年 水力發電 風力發電 生質柴油 RDF (b) 情境二 (c) 情境三 (a) 情境一 (b) 情境二
四、結論
本研究以能源供應總成本最小為目標,考量各部門能源成長需求及溫室氣體 減量等目標,建立台灣能源結構優化模型,對能源配置進行最佳化策略分析,探 討未來核四在不同時間點投入能源供應之情況下,各項能源配比之變動,所獲得 結論如下: 1. 在總能源供應成本部分,最早投入核四發電之情境一,能源生產成本之 上升趨勢平緩且變化幅度小。投入核四發電的時間點愈晚,則必須優先 選擇較高成本之潔淨能源作為能源供應來源,以符合溫室氣提排放限制 的需求,總能源生產成本相差最多可達 1,000 億。 2. 在能源供應結構上,越晚投入核四發電將對於原本穩定成長之潔淨能源 供應造成嚴重的影響,主要原因在於投入核能用以減少 1kg 的溫室氣體 排放還能節省 0.2 元成本的付出,於減量成本上佔絕對優勢,勢必在短 期內壓縮潔淨能源發展之空間。 3. 在潔淨能源供應量趨勢,無論在哪個時間點投入核四發電,均會對潔淨 能源供應產生影響。惟獨在潔淨能源發展初期,其對能源供應與溫室氣 體減量之貢獻尚未明顯,此時投入核能才能避免造成過多的變動。 然而,潔淨能源受限於技術發展之進程、成本之高低及自然環境之特性,在 短時間內難以大幅提升,核能則存在著社會接受度與核廢料處理等問題。因此, 對於台灣未來的能源結構變化,如何靈活的應用潔淨能源與核能源,值得更加深 入的探討。五、參考文獻
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