太陽光電系統減少碳排放量之可行性研究

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國立臺中教育大學環境教育及管理研究所

碩士論文

太陽光電系統減少碳排放量

之可行性研究

指導教授：林明瑞教授

研究生：陳亮榮撰

中華民國一

○ ○

年七月

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謝誌

經過三年的努力論文終於能夠付梓，我想這應該只是階段性任務之完成，「節能減碳」是一個新興的議題，全世界都在「做中學」中如火如荼地發展這門學問，不敢奢望達成兼具深度、廣度與時效性的典範之作，只求在當前眾多繁雜資訊中理出一點頭緒，能夠對後續研究者起個拋磚引玉的帶頭作用。並期待藉由本研究成果，提供太陽能光電產業自我檢視之參考，以早日邁向名副其實之綠能產業。研究過程不是那麼順遂，所幸一路上有善知識相助，首先最要感謝的是恩師林明瑞教授，若沒有老師的耐心指正及釐清觀念，論文將無法順利完成。另外，口試委員林堅楊老師、廖文毅老師及張國雄總經理在口試期間賜予寶貴意見，謹在此致上由衷的感謝。回首來時路，能熬過這一切的考驗，順利獲得碩士學位，對身旁老師、助教、同學、同事及業界朋友們的鼎力相助，銘感五內。最後僅以此論文獻給我的家人，過去這三年身兼為人子、為人父及為人丈夫的我，有許多失職之處，感謝家人這三年來的包容與支持。陳亮榮謹誌中華民國一○○年七月

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I

中文摘要

本研究目的主要是釐清三個主要的太陽光電系統，單晶矽、多晶矽及非晶矽薄膜太陽能電池，在生命週期中，何者有較少的碳(溫室氣體)排放量，在何生產階段可以採行何種方法進行減碳，並討論出有利於國內的太陽光電產品外銷的國家又為何。研究方法主要採用全生命週期碳排放評估法及專家訪談法。研究結果顯示單晶矽太陽能電池之碳排放量為 92g-CO2e/KWh，多晶矽太陽能電池之碳排放量為 77g-CO2e/KWh，而非晶矽薄膜太陽能電池之碳排放量則為 216g-CO2e/KWh，三種太陽能電池碳排放量皆遠低於能源局公告之 98 年電力排放係數(623 g-CO2e/KWh)，單晶與多晶矽太陽能電池的碳排放量差異主要來自於單晶矽太陽能晶片的拉晶製程耗費較多的能量之故。研究結果顯示單晶矽及多晶矽太陽能電池能源回收期分別是 2.37 及 1.957 年，以現今太陽光電系統 20 年以上之使用壽命來看，20 年內每 1KWp 約可淨生產 19710KWh 的電力，每年約 985.5KWh，節能效益十分顯著。太陽能光電系統產品碳排放量削減，可從增加太陽能光電系統發電量、減少生命週期碳排放量及延長使用壽命三個面向著手。各種減碳方法中以多晶矽原料製程改採碳熱還原法約有 18~27%之減碳潛力、將模組使用壽命由 20 年延長至 25 年則約有 20%之減碳潛力、多晶矽原料製程改採流體化床法約有 18%之減碳潛力、無鋁框模組設計約有 10%之減碳潛力及晶錠切方與切片使用較細的線鋸約有 7.2%之減碳潛力。關鍵詞: 單晶矽、多晶矽、非晶矽薄膜、太陽能電池、碳排放量、生命週期評估

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II

Feasibility Study of Photovoltaic Systems to Reduce Carbon Emissions

abstract

The main purpose of this research is to clarify three major solar PV systems, single crystal silicon, polycrystalline silicon and amorphous silicon thin film solar cells, which one has less carbon (greenhouse gas) emissions in the life cycle, which methods is adopted in production stage can further reduce carbon emissions, and explore to which country solar photovoltaic favorable export products. Lifecycle assessment methodology was applied for

evaluating carbon emissions and expert interviews were conducted in the study.

The results are shown that carbon emission of the single crystal silicon solar cell is 92 g-CO2e/KWh, carbon emission of the

polycrystalline silicon solar cell is 77 g-CO2e/KWh and carbon

emission of the amorphous silicon thin film solar cell is 216 gCO2e/KWh, carbon emissions of the three kinds of solar cells are

far lower than the electricity emission factor announced by the Energy Bureau in 2009(623 g-CO2e/KWh).The main differences of

carbon emission between single crystal and polycrystalline silicon come from pulling process of the single crystal silicon solar cell consumes more energy.Energy payback time of single crystal silicon and polycrystalline silicon solar cell are 2.37 years and 1.957 years, respectively, According to present solar system can be used for more than 20 years, approximately 19710KWh net energy can be produced by 1KWp PV system ,equal to about 985.5 KWh/per year energy saving .

The reduction of carbon emissions to solar PV system products, can be taken on the increase of energy generation capacity of solar photovoltaic systems and reduce carbon emissions for whole life cycle and extend the use life of PV system. A variety of methods to reduce carbon emission , about 18~27% carbon reduction can be got from silicon feedstock process conducted by carbothermal reduction method, about 20% carbon reduction can be got when useful life of PV module extended from 20 to 25 years ,about 18% carbon reduction can be got when Siemens silicon feedstock process shift

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III

to the fluidized bed method, about 10% carbon reduction due to the frameless module design and about 7.2% carbon reduction for thinner wire saw block squaring and wafer slicing.

Key words:Single crystalline silicon,polycrystalline silicon amorphous silicon thin film,solar cell, carbon emission,lifecycle assessment.

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IV

中文摘要 ···Ι 英文摘要 ···Ⅱ 目錄 ···Ⅳ 表目錄 ···Ⅵ 圖目錄 ···Ⅷ 第一章緒論 ···1 第一節研究背景與動機 ···1 第二節研究目的 ···4 第三節研究範圍與限制 ···4 第四節名詞釋義 ···5 第二章文獻回顧 ···6 第一節能源供需及環境問題 ···6 第二節全球暖化、京都議定書與節能減碳 ···9 第三節京都議定書通過後，各國節能減碳的策略 ···12 第四節太陽能電池發展趨勢 ···17 第五節台灣地區單位產能之碳排放係數 ···27 第六節有關溫室效應氣體排放之研究工具 ···33 第三章研究方法 ···45

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V 第一節研究架構 ···45 第二節研究流程 ···47 第三節生命週期評估分析 ···49 第四章結果與討論 ···53 第五章結論與建議 ··· 112 參考文獻 ··· 117 附錄一工廠節能規範指引 ··· 125 附錄二專家審查意見表 ··· 132 附錄三專家審查與訪談記錄 ··· 143 附錄四結晶矽太陽能電池生命週期盤查資料 ··· 152

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表目錄

表 1 各類電力能源之優劣 ···6 表 2 國際因應京都議定書生效之相關措施表 ···13 表 3 IEA 25 項能源效率政策與措施規劃表···15 表 4 各種太陽能電池市場佔有率表 ···21 表 5 能源產業家數彙整表 ···28 表 6 電力業之範疇與排放來源類型一覽表 ···29 表 7 我國 95 年~98 年度電力排放係數比較表 ···32 表 8 碳排放管理之主體與目的 ···34 表 9 各種溫室氣體之全球暖化潛勢 ···38 表 10 ISO14064-1 與 PAS2050 盤查作業比較 ···42 表 11 產品碳足跡盤查流程規劃一覽表 ···56 表 12 營運邊界範疇 ···59 表 13 各種燃料之排放係數 ···62 表 14 冷媒之排放係數 ···62 表 15 化糞池之排放係數 ···63 表 16 鋁材之排放係數 ···64 表 17 玻璃之排放係數 ···64 表 18 各種溫室氣體之全球暖化潛勢 ···65

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VII 表 19 定性盤查表 ···68 表 20 活動數據管理表 ···69 表 21 排放係數管理表 ···70 表 22 98 年度溫室氣體排放清冊 ···72 表 23 結晶矽太陽能電池上中下游產業製程設備一覽表 ···75 表 24 荷蘭數據庫太陽能光電系統全生命周期評估參數 ···78 表 25 結晶矽太陽能電池各階段碳排放量 ···84 表 26 結晶矽太陽能電池能源回收期 ···85 表 27 太陽能電池產品碳排放量與電力排放係數比較表 ···88 表 28 冶金級製程與其它多晶矽製程分析 ···89 表 29 矽晶片製造廠商多晶矽原料來源 ···90 表 30 各排放源佔非晶矽薄膜太陽能電池總碳排量之百分比例 ···91 表 31 結晶矽太陽能電池各種減碳方法可行性評估 ···99 表 32 各階段減碳潛力計算及資料來源說明 ··· 104 表 33 各國電力供給結構(2007) ··· 110

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圖目錄

圖 1 我國能源供應趨勢與預測 ···9 圖 2 各國 CO2排放成長與 GDP 成長關係圖 ···12 圖 3 2050 年全球擬降低 480 億噸 CO2 之關鍵技術 ···14 圖 4 我國永續能源政策目標 ···16 圖 5 太陽能電池種類 ···20 圖 6 太陽能電池外觀圖 ···22 圖 7 太陽能電池未來市佔率預測表 ···22 圖 8 太陽能發電為獨立系統示意圖 ···25 圖 9 太陽能發電為並聯系統示意圖 ···25 圖 10 台灣電力公司電力系統 ···27 圖 11 我國現行電力市場架構圖 ···31 圖 12 企業碳足跡盤查作業規劃 ···43 圖 13 本研究之架構 ···46 圖 14 本研究之流程 ···48 圖 15 市電併聯型(Grid- Connected)太陽光電系統示意圖 ···49 圖 16 矽晶太陽能電池製程 ···50 圖 17 薄膜太陽能電池製程 ···51 圖 18 本研究盤查範疇 ···52

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IX 圖 19 非晶矽薄膜電池組成結構 ···54 圖 20 非晶矽薄膜太陽能電池之製造流程 ···55 圖 21 個案 A 公司營運邊界範疇示意圖 ···60 圖 22 結晶矽太陽能電池上、中、下游 ···74 圖 23 結晶矽太陽能電池全生命週期數據庫之盤查範疇 ···77 圖 24 多晶矽太陽能模組之碳排放量分布···86 圖 25 多晶矽晶片之碳排放量分布 ···86 圖 26 西門子(Simen)製程法的製作流程示意圖 ···88 圖 27 太陽光電系統碳排放量削減策略 ···93 圖 28 生產事業單位溫室氣體減排要領 ···95 圖 29 結晶矽太陽能電池產品碳排放量削減路徑圖 ··· 114 圖 30 非晶矽薄膜太陽能電池產品碳排放量削減路徑圖 ··· 115

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第一章緒論

第一節研究背景與動機

人類的經濟活動大量使用化石燃料的結果，造成大氣中二氧化碳（CO2）等溫室氣體的濃度急速增加，產生愈來愈明顯的全球增溫、極地冰山及高山冰河加速融化、海平面上升及全球氣候變遷加劇等現象，對水資源、農作物、自然生態系統及人類健康等各層面造成日益明顯的負面衝擊(王塗發，2008)。為了抑制人為溫室氣體的排放，有效減緩氣候劇烈變遷，聯合國於 1992 年 6 月初在巴西里約舉行「地球高峰會議」，通過「聯合國氣候變化綱要公約(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)」，對人為的溫室氣體排放做出全球性管制的宣示。1997 年 12 月於日本京都舉行的聯合國氣候變化綱要公約第三次締約國大會（COP-3），通過具有約束效力的京都議定書（Kyoto Protocol），以規範工業國家未來之溫室氣體減量責任，包括針對 38 個已開發國家訂出減量標準，將二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）、六氟化硫（SF6）等六種溫室氣體排放量平均削減到比 1990 年的排放量低 5.2﹪的水準；減量期程為西元 2008 至 2012 年。自俄羅斯批准京都議定書後，批准國中附件一國家排放量跨過附件一國家總排放量 55％之門檻，而使該議定書於 2005 年 2 月 16 日正式生效。地球大氣層中，含有二十餘種「溫室氣體」，可讓短波輻射光源通過，吸收長波輻射、維持地球表面溫度，此種溫室氣體主要包括CO2、CH4、PFCs、 HFCs、N2O等，其中以CO2為「溫室效應氣體」的主要成份，其貢獻度高達 66%(許志義，2007)。由於CO2之排放主要來自於化石能源如石油、煤炭、天然氣等之使用，因此勵行「節能減碳」遂成為當前世界各國施政重點。面對「碳限制」時代的來臨，尋找低碳或無碳能源技術，亦成為全世界趨

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2 勢。其次，觀察國際油價趨勢發現，雖然價格波動係因供需變化所致，但在確認油價長期走勢將呈現上漲趨勢後，成本較高的再生能源，在政府補貼政策下，經濟可行性逐漸浮現。面對高能源價格及低碳經濟時代的來臨，各國傾向抑制化石能源消費，極力轉向低碳能源之使用，一大部份則選擇發展使用再生能源。基於能源安全、經濟發展、減碳壓力，國內早已開始發展再生能源技術。由於國內市場規模不大，再生能源之發展，未來將以產業之建立為主，本地之應用為輔(中技社，2008)。在目前技術己經成熟且具商業運轉潛能有太陽能、風能、生質能等三種，其中太陽能、風能在產能過程更是接近於無碳能源。2008年6月經濟部於「永續能源政策綱領」中規劃，積極發展無碳再生能源，有效運用再生能源開發潛力，於 2025 年占發電系統的8% 以上； 2009年7月通過「再生能源發展條例」，將增加1000萬瓩再生能源發電。太陽能可分為太陽熱電能及太陽光電能，太陽熱電能在台灣地區較少使用，主要以太陽光電能為主。太陽光電能為一將太陽能轉換成電能之半導體元件，基本上陽光照射在半導體P-N接合元件上，產生電子-電洞對，此電子與電洞在P-N接面所產生的電場推動下，被驅動至元件上下表面，而形成電壓，當與外負載接合時，即產生電流。根據陳忠瑞(2009)的研究 2009年以太陽能光電系統發電，每度發電的成本已降至0.4美元以下，而現階段各國每度電的發電成本，分別為:法國0.16美元，英國0.19美元，德國0.23美元，日本0.25美元，台灣0.1美元，傳統發電及太陽光電之發電成本價差已經拉近不少，預計到2015年兩者的發電成本將會相等。對於太陽光電系統而言，過去常有人認為它是無碳的發電技術，或許在太陽光電系統使用階段可確定為無溫室氣體排放，但若考量整個發電系

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3 統的生命週期，即從原料取得、製造、配銷、使用到最後廢棄，如在矽晶片及光電薄膜的製造過程仍會有能資源的消耗及溫室氣體排放，也就是再生能源產品在製造過程仍需源自於傳統電力系統之能源供給，因此太陽能電池國際大廠打算以太陽光電能源來替代傳統化石電力能源，卻在先前的產品元件生產過程中耗掉不少化石電力能源，也排出不少的溫室效應氣體。因此太陽光電系統是否較傳統供電系統更能達到「節能減碳」的目標，就是值得深入分析探討的議題。以消費者的角度來看，若欲替代傳統能源，首先面臨的是價格競爭的問題，以目前在台灣發展快速的太陽光電能為例，目前每度的發電成本約在NT7~8元之譜，比傳統電力約NT2~3元之成本明顯高出了許多，雖然在價格優勢較不具競爭力，但由於傳統化石能源逐漸枯竭，再加上全球暖化議題所帶動節能減碳風潮，使得太陽光電技術，成為當前評估是否為未來永續能源重要的發展主軸之一。太陽光電系統是否較為「節能減碳」，就必須和傳統供電系統的 CO2 產量作比較，碳排放量盤查的需求及技術乃孕育而生。綜合以上所述，本研究期待藉由太陽光電系統碳排放量之盤查與分析，瞭解太陽光電系統各生命週期階段溫室氣體之實際排放情形及影響太陽光電系統碳排放量主要因素，並可比較不同生命週期階段的碳排放量，找出單位電力產出之最少碳排放量的太陽光電生產製程，及如何有效減少碳的排放量，以達成有效減碳之目標。

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第二節研究目的

一、為了解各種太陽光電系統的節能減碳效益為何。二、為能了解各種太陽光電系統在各生產階段有較佳的節能減碳技術及節能減碳效益又為何。三、為能了解各種太陽光電系統產品可能銷售市場。

第三節研究範圍與限制

一、太陽能電池種類繁多，考量本身能力、時間之限制及研究對象之代表性，本研究以未來十年市佔率及具成長性的太陽光電技術或產品為主要考量，選擇結晶矽太陽能電池及非晶矽薄膜太陽能電池為本研究之主要對象。二、本研究以排放係數法推估發電系統生命週期之碳排放量，相較於檢測法數據準確性較差。三、薄膜製程技術尚未成熟，未來發展變數仍大，目前製程所使用之原物料與製程參數有些被列為商業機密，使得相關資料取得不易，進而影響研究之準確性。四、太陽光電系統設置地點影響發電量甚鉅，本研究發電量數據係以台灣地區平均等效日照時數推估而得，無法適用於其他國家。

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第四節名詞釋義

一、太陽光電系統(Photovoltaic System，簡稱 PV System)

本研究是指可用於發電之太陽能光電系統，這系統主要是由太陽電池組列、電力調節器（Power Conditioner）、直/交流轉換器（Inverter）、系統控制器、併聯保護裝置、配線箱及蓄電池等所構成。主要應用包括: 太陽電池與電力系統結合（併網型）、提供無電力供應地區的解決方案（離網型）。本研究主要討論的是單晶、多晶及非晶矽薄膜太陽電池。二、碳排放量「碳排放量」之定義為每單位生產量（或能源消耗量或服務量）所排出之溫室氣體總量，以二氧化碳當量(CO2e)表示之。用以量化製程、製程系統或產品系統溫室氣體排放的參數，以表現它們對全球暖化的貢獻。三、傳統電力系統電力排放係數本研究主要指火力發電、水力發電、核能發電等綜合發電而成，每度電的二氧化碳當量排放量。我國電力排放係數計算將線損之GHG 排放量予以扣除，考量本係數為提供電力業以外之消費端使用，而線損為供應端之輸配電系統所產生，爰宜由供應端承擔，對消費端較公平合理。以2009 年為例為0.623KgCO2/KWh。四、生命週期評估根據ISO14040對LCA的敘述如下：產品系統自始至終的生命週期中，投入和產出及潛在環境衝擊之彙整與評估。投入指的是進入單元過程的產品、物料或能源。產出指的是離開單元過程的產品、物料或能源。本研究指太陽能光電系統從原料取得、製造、使用到最後廢棄各階段之溫室氣體排放量之總評估。

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第二章文獻回顧

第一節能源供需及環境問題

能源是推動國家發展及經濟活動的基本動力，其對人民生活及國家安全之重要性不言可喻，然而台灣因為天然資源蘊藏貧乏，能源有 99%以上需仰賴進口，極易遭受國際能源情勢變遷之影響。近年來由於能源價格飆升、化石能源逐漸耗竭，再加上化石能源使用時所衍生之酸雨、落塵及全球暖化等環境問題之影響，尋求替代能源的需求日益迫切。表1 各類電力能源之優劣能源別優點缺點水力 1.自產再生能源，無污染及 CO2排放。 2.機組起停快速，運轉靈活可適時因應負載變化。 1.可供興建大型水庫的地點有限，較具規模及經濟性較優的地點多已優先開發。 2.無法提供巨額穩定的能量。 3.因開發條件不同，每度發電成本差異大（2.1~3.7 元）。風力 1.自產再生能源，無污染及 CO2排放。 2.發電成本可與傳統燃油燃氣發電成本相抗衡，甚至更低於天然氣發電成本。 1.可開發容量約258萬瓩，容量因數約30～40％（68 ～90億度）左右，僅能作輔助性電源。 2.發電出力受天候影響不穩定，為確保電力穩定供應，必需重覆投資其他火力電廠。 3.97 年每度發電成本約 1.95 元；未來新陸域風力每度發電成本約 3.07 元，離岸風力發電成本則將高出 60%以上。太陽能 1.自產再生能源，無污染及 CO2排放。 1.單位容量占地面積大；台灣本島地狹人稠，估計可開發容量僅約100萬瓩。 2.容量因數不及15％，僅約11億度電，且發電出力不穩定，僅能作輔助性電源。 3.成本偏高（裝置成本約為新台幣 25～30 萬元／瓩），民國 100 年均化成本約 23.73 元/度。煤炭 1.蘊藏量豐富，估計尚可開採133年，且產地分佈廣， 1.高碳能源，即使採先進高效率之發電技術，如煤炭氣化複循環(IGCC）及超臨界發電，每度電CO2

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7 煤源取得容易，有利於電力長期穩定供應。 2.發電價格相對較低且平穩，可提供價格低廉及穩定的電力(97 年每度發電成本約 1.85 元) 排放量約0.8公斤(視效率而定)。天然氣 1.乾淨能源，除NOX外，發電過程不會排放SOX及懸浮微粒等空氣污染物。 2.屬低碳能源，每度電CO2排放量約為燃煤的50％。 1.蘊藏量約可使用60年。 2.發電成本較高(97年燃氣複循環每度發電成本 3.71元)，約為燃煤的2倍； 3.由於供氣合約限制及燃料安全存量低，降低系統調度之靈活性。 4.近年各國因環保因素而大量使用天然氣發電，天然氣市場已形成賣方優勢，採購前置期拉長。核能 1.蘊藏量約可使用56年，若使用再滋生反應器，則使用年限可增加約40倍。 2.準自產能源。 3.無CO2排放。 4.發電成本低(97 年每度發電成本僅 0.66 元) 1.用過的核燃料及低放射廢料之後端處理問題。資料來源:邱泰川(2009)

根據國際能源總署(International Energy Agency,IEA)的主要世界能源統計資料（Key World Energy Statistics），2007 年全世界總初級能源供給主要為油、煤和天然氣；其中石油佔 34％、煤佔 26.5％，而天然氣則佔 20.9％。在 1973 至 2007 年間石油從 46.2％降為 34％，煤則從 24.4％略增為 26.5％，而天然氣則由 16％提高到 20.9％。至於其他型態發電（包括地熱、太陽能、風能、生質能等再生能源），則因尚屬萌芽階段，故佔比仍相當小，在 1973 年僅占 0.6％，1996 年倍增為 1.4％，2007 年再增加到 2.2％。

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8 在 1973 年全球第一次石油危機之後，石油在整體能源供應體系中的比重有下滑的趨勢，天然氣的比重則持續提升；而煤則維持於四分之一左右。至於地熱、太陽能、風能、生質能等再生能源，雖因尚屬萌芽階段，故佔總發電量的比例仍很小，但其成長速度相當快，成長率遠高於其他能源。能源消費增加帶來二氧化碳（CO2）排放的增加，主要是燃燒化石燃料所致。因燃燒化石燃料所排放的二氧化碳，在 1973 至 2007 年間，由 15,640 百萬公噸(Mt)增加到 28,962 百萬公噸，增加了 85％；這個增幅超過同期間總能源最終消費量的增幅（77％）。台灣由於天然資源及能源蘊藏貧乏，能源進口依存度高，致使能源安全度相對偏低。石油、煤炭與天然氣為目前國內能源需求的主要能源種類。依據能源局(2009)的資料顯示，台灣97年發電裝置容量中燃煤佔38.52%，燃油佔9.84%，燃氣佔28.61%，這三種化石燃料發電方式共佔總發電裝置容量76.97%，由於傳統化石能源供應都來自外國，其供應很容易會受到國際需求和產量變動、價格波動、和國際能源政治角力的影響。傳統化石能源也是溫室效應氣體如CO2等的主要來源，京都議定書的限制更增加了使用這類能源的不確定性。台灣由於電力能源結構中燃煤發電方式之比重過高，將不利於未來「節能減碳」政策之推行。 98全國能源會議指出，現階段燃氣機組具有淨潔、環保等優點，然受氣源有限、接收站與裝卸能力限制、供氣合約彈性低等限制，將增加沉重發電成本負擔；核能發電雖不排放二氧化碳，因核廢料處置的問題及核能安全備受關切，未來發展方向尚待凝聚共識；再生能源因屬可再生之自產能源，且其較傳統化石能源更符合環保條件；惟現階段除風力發電外，部分再生能源開發利用之成本相對於傳統化石能源而言，尚不具市場競爭力；太陽能由於發電成本仍比傳統電價貴許多，所以過去十年的成長數據，幾乎是靠各國政府補助所創造出來的。98年太陽能的生產成本開始出現很大的降幅，上游原料下降 65 ％、電池下降 45 ％、裝置費用下降 35 % ，

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9 依據專家的推估，大約在3~5年內，太陽能每瓦的發電成本就可降到先進國家傳統電價的標準(中技社，2009)。圖 1 我國能源供應趨勢與預測資料來源:吳再易(2008)

第二節全球暖化、京都議定書與節能減碳

由於人類的工商業進步，經濟活動大量使用化石燃料及排出溫室效應氣體的結果，不僅導致環境污染，也造成大氣中二氧化碳（CO2）等溫室氣體的濃度急速增加，產生愈來愈明顯的全球增溫、冰河加速融化、海平面上升及全球氣候變遷加劇的現象，對水資源、農作物、自然生態系統及人類健康等各層面造成日益明顯的負面衝擊。為了抑制人為溫室氣體的排放，防制氣候劇烈變遷，聯合國乃於 1988 年 11 月成立「氣候變化政府間專家小組」（Intergovernmental Panel on 13,682 43,289 114,368 32,480 69,449 103,704 2,246 10,310 24,992 8,164 9,929 6,675 2,034 1,965 8,201 0 50,000 100,000 150,000 200,000 250,000 300,000 1990 2005 2025 煤炭石油天然氣核能水力與再生能源單位：千公秉油當量 23.3% 55.4% 3.8% 13.9% 3.5% 32.1% 51.5% 7.6% 1.5% 7.4% 3.5% 2.6% 9.7% 40.2% 44.3%

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Climate Change, 簡稱 IPCC），對全球氣候變化問題作通盤的探討，評估其影響，並提出因應策略。之後，聯合國又於 1992 年 6 月初在巴西里約舉行「地球高峰會議」，通過「聯合國氣候變化綱要公約(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)」，對人為的溫室氣體排放做出全球性管制的宣示。會中共有 155 國簽署「氣候變化綱要公約」，原則性管制二氧化碳（CO2）等溫室氣體之排放，希望將西元 2000 年之排放量凍結在 1990 年的水準，並進一步於 2005 年再削減 20﹪。該公約於 1994 年 3 月 21 日（第 50 個簽約國遞交認可書後的第 90 天）正式生效。此後，每年召開一次締約國大會。為落實溫室氣體排放管制工作，1997 年 12 月於日本京都舉行的聯合國氣候變化綱要公約第三次締約國大會（COP-3），通過具有約束效力的京都議定書（Kyoto Protocol），以規範工業國家未來之溫室氣體減量責任，包括針對 38 個已開發國家訂出減量標準，將二氧化碳（CO2）、甲烷（CH4）、氧化亞氮（N2O）、氫氟碳化物（HFCs）、全氟碳化物（PFCs）、六氟化硫（SF6）等六種溫室氣體排放量平均削減到比 1990 年的排放量低 5.2﹪的水準；減量期程為西元 2008 至 2012 年。自俄羅斯批准京都議定書後，批准國中附件一國家排放量跨過附件一國家總排放量 55％之門檻，而使該議定書於 2005 年 2 月 16 日生效。地球大氣層中，氮氣佔最主要成分，約78%；其次為氧氣，佔21%；剩餘1%則為其他氣體，其中有二十餘種屬於所謂的「溫室氣體」，可讓短波輻射光源通過，吸收長波輻射、保存地球表面溫度，此種溫室氣體主要包括CO2、CH4、PFCs、HFCs、N2O等，其中以CO2為「溫室效應」的主要成因，其貢獻度高達64%。由於CO2之排放主要來自於化石能源如石油、煤炭、天然氣等之使用，因此勵行「節能減碳」遂成為當前世界各國施政重點。根據台電的資料，平均每度電產生的CO2排放量，燃煤為0.9146公斤、燃油

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11 0.6616公斤、燃氣 0.5215公斤，三者之比為1：0.72：0.57(王塗發，2008)。由於世界煤炭消費激增已導致全球二氧化碳排放量快速增加，氣候變遷加劇。再加上因能源需求暴增帶來世界能源價格飆漲，所有國家所面臨的挑戰是，如何在不削弱整體經濟和國家發展的前提下，採取行動，以過渡到一個較安全、低碳的能源體系社會。所有的政府必須立即採取强有力和共同的政策行動，不能光說不做，才能把整個世界帶到更為永續的能源大道上。國際能源總署(2008)認為，在近程上提高能源效率的措施是抑制能源需求和二氧化碳排放增加之成本最低且最快速的手段。 98全國能源會議指出，建立低碳經濟的社會體系，其基礎是建立在低碳能源系統、低碳技術體系和低碳產業結構，同時要求建立與低碳發展相對應的生產方式、消費模式和獎勵低碳發展的政策措施、法制體系與市場機制。「能源供應結構」及「能源需求」大致決定一個國家CO2排放總量；若以現行我國能源供應結構（自產能源貧乏，99%仰賴進口），溫室氣體排放約有8成來自能源燃燒所排放的CO2及每年用電量持續成長的趨勢來看，未來勢必由能源供給及需求兩個面向來作妥善管理，逐步調整能源及產業結構，方能有效降低溫室氣體排放。

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12 圖 2 各國 CO2排放成長與 GDP 成長關係圖資料來源:吳再易(2008)

第三節京都議定書通過後，各國節能減碳策略

隨著京都議定書在2005年2月16日正式生效，國際溫室氣體減量工作開啟新紀元，各國面臨如何因應京都議定書生效後的發展情勢，從制度面、政策面、執行面研擬有效的因應對策，並兼顧經濟面、能源面以及環境面的影響與可行性，進而各產業，尤其能源供給產業應有效的擬定及因應溫室氣體減量模式、目標及因應的對策，以因應其對經濟成長、產業發展與國際貿易競爭力的衝擊。台灣 CO2排放成長大於GDP成長 CO2排放成長小於GDP成長

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13 表2 國際因應京都議定書生效之相關措施國家相關措施日本節約能源、自願減量計畫、能源效率標竿計畫、提昇天然氣使用、利用再生能源等。使用各國之清潔發展機制。提升天然氣使用、2010 年核能發電量占比 15％。韓國能源查核計畫、擴大自願減量協議、擴大天然氣使用、促進再生能源市場需求等。主辦 CDM 計畫與規劃實施國內排放交易。擴大天然氣使用，2015 年核能發電占比 46%。美國能源之星標章計畫、氣候領袖計畫、溫室氣體自願減量協定、潔淨能源方案、各項減量技術之研發。鼓勵產業參與京都機制，發展第四代核電設備。英國氣候變化稅、氣候變化協定、信託基金、交通 10 年計畫、2010 年再生能源發電占比提升至 10%。2002 年 4 月開始進行國內交易，2005 年與歐盟排放交易制度接軌。電力市場與天然氣市場自由化。德國新車節油標章、低能耗建築、自願性減量協定、補貼及低利融資補助技術研發。提高能源利用效率及促進節約能源。2010 年再生能源發電容量佔比 12.5%，2020 年則至少 20%等。新加坡能源查核、能源標章、大眾運輸系統、潔淨與能源效率技術研發。 2012 年天然氣發電在占總發電量 60%，推動天然氣車輛。推動民間碳交易、Asia Carbon Fund、Asia Carbon Exchange。2012 年天然氣發電在占總發電量 60%，推動天然氣車輛。中國節約能源法、提高能源利用效率、發展新及再生能源。推動西氣東輸計劃，2020 年高核能發電裝置容量由目前 1.6%提升至 4%。資料來源:葉欣誠(2006) 為減少二氧化碳的排放，各國積極推動設置再生能源及提高能源使用效率等綠色新政，其中以節約能源為目前各國最重視的因應策略，國際組織也齊聲呼籲節約能源的重要性，例如「八國高峰會」（G8, 2007）認為：提升能源效率是最快、最有效且最具成本效益的二氧化碳減量措施；國際能源總署（IEA,2008）的研究指出，提升能源效率是減緩全球溫室氣體排

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放的最主要措施，其貢獻度佔所有措施的5成以上。

圖3 2050年全球擬降低 480億噸 CO2 之關鍵技術

資料來源 : IEA Energy Technology Perspective (2008)

針對提升能源效率的作法，國際能源總署(IEA)在2008年提出25項具體建議提供各國參考，並認為倘能完全落實各項政策與措施，則在2030年約可減少20％溫室氣體的排放。而英國計畫推動多項部門節約能源措施，使2020年能源消費較2006年減少20％。德國於2007年8月23日訂定「能源暨氣候政策要點」，規劃2020年能源效率較1990年提高50％；另德國計畫透過提高設備及器具效率標準，預計自2008至2012年開始逐步調高設備耗能標準30％。日本則透過政府帶頭制訂「節約能源領先計畫」，計劃於2030 年以前，提高能源效率30％，並提出各類節約能源計畫的開發時間表。

WEO2007 450 ppm case ETP2008 BLUE Map scenario

BLUE Map Emissions 140億噸 Baseline Emissions 620億噸 0 10 20 30 40 50 60 70 2005 2010 2015 2020 2025 2030 2035 2040 2045 2050 能源使用端效率(47%) 碳捕獲與封存(19%) 核能發電(6%) 發電效率(7%) 再生能源(21%) CO2 emissions (Gt CO2/yr)

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15 表3 IEA 25項能源效率政策與措施規劃政策面向節能減碳措施一、增加能源效率提升投資：政府應促進私部門能源效率投資人計畫 1.推動能源查核，提高私部門能源效益，並激勵私部門參與。 2.鼓勵金融機構發展能源效率評估準則與工具，做為評比未來融資計畫參據。 3.檢視目前補貼與金融誘因計畫，強化提升能源效率獎勵機制。 4.結合私部門金融機構，推動公私部門夥伴計畫，共同推動能源效率提升計畫。二、提升建築物能源效率政策 1.推動新建築物強制能源效率標準。 2.低碳與零碳建築物。 3.推動既存建築物的能源效率提升計畫，蒐集舊建築物能源效率數據。 4.推動建築物能源效率權證制度，以利購買者與租賃者辨識。 5.制定窗戶與玻璃隔熱標準，政府優先推動高效率窗戶或玻璃的採購。三、器具與設備能源效率政策 1.推動強制性節能標章。 2.制定低耗電設備標準：在一定期間內，管制與淘汰無效率電器設備推動產業部門的高效率電力管理模式，以及電視開關最低電力管制。 3.提高照明能源效率：淘汰無效率照明與燈具（如白熾燈泡）；制定建築物（非住宅）照明效率標準；淘汰無效率街燈；管制一般服務業照明效率。四、運輸能源效率政策 1.燃料效率輪胎：採用國際輪胎效率標準檢驗程序，制定胎壓標準。 2.制定重、輕型車輛燃料效率標準。 3.推動節能減碳駕駛。五、工業能源效率政策 1.建立高品質能源效率資料庫。 2.依據國際最佳措施，制定電動馬達最小能耗標準。 3.協助產業建立能源管理能力，包括訓練、核發權證與品保；鼓勵能源密集產業加強能源管理措施，包括發展適當的能源管理政策、專任能源管理者及能耗申報系統。 4.建立能源查核系統；提供能源效率標竿值；使用最小生命週期成本之資本設備。六、能源事業單位能源效率政策提升終端能源消費者之能源效率：使電廠收入（或利潤）與售電量脫鉤，制定電廠能源效率標準。

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16 依據經濟部(2008)之「永續能源政策綱領」，我國之節能減碳目標為:1. 未來8年每年提高能源效率2％以上。2.全國二氧化碳排放減量，於2016年至2020年間回到2008年排放量，於2025年回到2000年排放量。3.發電系統中低碳能源占比由40%增加至2025年的55%以上。圖4 我國永續能源政策目標配合上述目標的設定，政府預計推動多項節能減碳措施，並強化下列行動方案，以有效驅動台灣邁向綠色生產與消費的生活型態，奠立長期建設低碳社會的基石。在整體節能減碳策略方面，政府將振興產業與經濟復甦相關費用於擴大部門節能投資計畫，創造綠色產業；建構潔淨商品貿易型態，降低貿易

永

續

能源

能

源

的

政策

政

策目

目

標

未來8年每年提高能源效率2％以上，使能源密集度於2015年較2005年下降20%以上；並藉由技術突破及配套措施， 2025年下降50%以上。建立滿足未來4年經濟成長6%及2015年每人年均所得達3萬美元經濟發展目標的能源安全供應系統。

提高能源效率

發展潔淨能源

確保能源供應穩

1. 全國二氧化碳排放減量，於2016年至2020年間回到2008年排放量，於2025年回到2000 年排放量。 2. 發電系統中低碳能源占比由40%增加至2025 年的55%以上。註･能源密集度近3年已有改善，平均改善1.8%。･為達二氧化碳減量目標，2015年後能源效率每年需提高3％~4%。

穩定

註･減量目標為非附件一國家宣示最積極目標･日韓2005年發電系統中低碳能源占比分別為59% 及55%。

效率

潔淨

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17 產品碳足跡；建立促進提升效率且可負擔的能源價格合理化機制；制定中、長期電力二氧化碳排放係數目標；建立全民二氧化碳排放帳與交易機制。工業部門推行的節能減碳策略包括：加速老舊設備汰舊換新；推動工業區內能資源整合；落實工廠設計規劃導入節約能源觀念，建立耗能評核方法，將節約能源觀念導入系統設計；推動設置智慧型電網及電表，建立能源使用效率評估機制；擴大推動需量反應措施。運輸部門主要節能減碳策略為建構綠色智慧型運輸環境、建立人本導向之都市交通環境、紓緩汽機車使用及管理、推廣綠色運具。住商部門的節能減碳策略可由建構低碳產品消費生活模式；逐年提高各類用電器具能源效率標；推動低碳建築物，建立設計獎勵制度；加速推動大型集合住宅自願性協議，落實住宅部門節能潛力等著手。

第四節太陽能的發展趨勢

近年來因化石燃料大量消費，導致溫室效應逐漸增強，因而造成全球暖化趨勢，再加上原油價格節節升高，根據美國能源部的研究資料顯示在目前的石油儲量下，依據現今全球的能源消耗速速度，約40年後全球將面臨無油可用的窘境，迫使各國無不重視替代能源與思考節能方案。德國於 2000年起實施「再生能源法案」，給予太陽能產業高度支持與優惠補助方案並啟動近年的太陽能產業的蓬勃發展。目前再生能源的發展主要集中於太陽能發電、風力發電、生質能源等幾種。而太陽能發電由於太陽能之來源不需要任何費用，除設置費稍高外，毋需操作費用，在加上應用面廣泛等優勢已經成為發展中之再生能源的主力。

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18 一、太陽能發電系統太陽能是太陽所負載的能量，它的計量一般以陽光照射到地面的輻射總量，包括太陽的直接輻射和天空散射輻射的總和。利用太陽能來發電，可直接將太陽能中之光能或熱能轉換成電能，由於蒐集能源的方式不同，可分為太陽熱能發電系統及太陽光能發電系統。 (一) 太陽熱能發電系統太陽熱能發電系統，是利用集熱器將太陽輻射能轉換成熱能，再將熱能轉成水蒸氣，驅動汽渦輪機發電系統進行發電。世界現有的太陽能熱發電系統大致有三類: 塔式系統、拋物線槽式、聚焦系統和碟式系統。利用聚熱裝置，將太陽熱能聚集以獲取極高溫的熱源，直接加溫工作流體使成高壓蒸氣以推動渦輪機發電。其系統包括太陽光集熱器(反射鏡)、吸收器、儲熱器及能量轉換器(渦輪機、發電機)等裝置，利用太陽熱能發電由於太陽光的有無、長短及強弱變化很大，且無法連續地供應，加上聚熱板接收太陽光的面積必需很大，因此在台灣很少使用。 (二) 太陽光能發電系統而太陽光能發電系統，則是利用太陽能電池元件直接將太陽光能轉換成電力的方式。太陽能電池是利用自然界中的矽元素，製成P型及N型半導體作正負極，這兩種半導體吸收太陽能後即可產生電位差而呈電池功能。 1990 年代起，由於全球性的環境污染和生態破壞日趨嚴重，1992 年聯合國在巴西里約熱內盧召開的世界環境與發展大會，會中所通過的「環境與發展宣言」、「聯合國氣候變化綱要公約」等，對能源的持續發展與應用確立嶄新的模式，而善加運用太陽能的作為則廣受激勵，嗣後太陽能之利用已與國際性的環境保護緊密結合於一起。1996 年聯合國在辛巴威

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19 召開「世界太陽能高峰會議」，發表「發展太陽能宣言」，訂立「國際太陽能公約」、「1996~2005 太陽能十年行動計畫」等重要條約，宣示聯合國和世界各國對開發太陽能的堅定決心，並要求各國以共同作為將科技成果轉化為生產行動，以發展太陽能產業，廣泛利用幾可供應無缺的太陽能 (益通公開說明書，2009)。因此美、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。太陽光能發電系統至此被廣泛應用在地面上、裝置於建築物屋頂上，有別於以往的獨立型發電系統而朝向與市電併聯發電系統發展，即當太陽能電池所發的電供負載使用後若仍有剩餘時，即將多餘的電力回送到市電電力網，若發電不足使用時，則由市電供應，一般皆無需裝置蓄電池，因此成本較低，是以太陽能電池市場快速成長，許多工廠大幅擴充產量，成本亦迅速下降。太陽光能發電系統因此由昔日僅供少數偏遠地區應用發展為一般民生用電。二、太陽光電能發展趨勢太陽能電池的分類，以製程模式來區分，可以分為經由拉晶後經過切晶程序的矽晶圓(wafer-based)電池，及以沈積、塗佈等製程為主的薄膜型(thin-film)電池(如圖5)。回顧2008年全球太陽能電池市場(如表4)，從全球市佔率來看，單晶矽及多晶矽分別達38.3%及47.7%，兩者合計比重高達86%，顯示2008年太陽能電池主要仍以單晶矽及多晶矽為主，其他薄膜型電池則以碲化鎘(CdTe)及非晶矽(a-Si)電池市佔率較高，分別為6.4% 及5.1%。台灣目前薄膜太陽能電池廠商以製造非晶矽(a-Si)電池為主。

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圖5 太陽能電池種類

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21 表4 各種太陽能電池市場佔有率材料年份 Poly c-Si Mono c-Si a-Si Ribbonsheet c-Si CdTe CIS 合計 2000 48.2 37.4 9.6 4.3 0.3 0.2 100 2004 54.7 36.2 4.4 3.3 1.1 0.4 100 2008 47.7 38.3 5.1 1.5 6.4 1.0 100 資料來源:益通公開說明書(2009) 太陽能電池依其使用的材料種類可分為矽材料與非矽材料兩大類，而矽晶材料電池依據其晶格排列方式又可分為單晶矽、多晶矽、非晶矽三種。其中單晶與多晶屬於矽晶圓式太陽能電池，而非晶矽則應用於薄膜太陽能電池。非矽材料的部分則可分為化合物電池、有機、無機材料均可應用於薄膜太陽能電池。矽晶太陽能電池由於耐用程度佳，且轉換效率與平均售價較被市場接受，為目前的主流產品，市佔率約八成，分為單晶矽與多晶矽太陽能電池兩類。單晶太陽能晶片使用矽料純度較高，約9-11個N，由於矽材料純度高其轉換效率高於多晶矽太陽能電池，但生產過程耗損多，製程冗長且繁複，故生產成本較高。多晶太陽能電池要求矽料純度較低，約7-8 個N即可，其轉換效率約15-18%，略低於單晶矽太陽能電池，但產出快速，過程耗損少，原料及製造成本較低，故未來矽晶級電池市場主流仍以多晶矽為主。而薄膜太陽能電池由於具成本之潛力，且富可撓性及可透光性，可與建築物做特殊結合，如建築物外牆玻璃圍幕及車窗上，但由於轉換效率低於其他晶矽電池，故發展上仍有其限制，若未來轉換效率及產品良率有所提升，將有快速成長的機會。然而依市調機構Gartner的預測，矽晶太陽能電池仍將在未來五年內主導太陽能光電市場。(達能公開說明書，2011)

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22 單結晶矽太陽電池 singlecrystal 多結晶矽太陽電池 polycrystal 非結晶矽太陽電池 amorphous(可撓式) 圖 6 太陽能電池外觀圖圖7 太陽能電池未來市佔率預測資料來源：拓墣產業研究所(2008) 各類型太陽能電池產品之發展趨勢: (一)結晶矽太陽能電池發展方向

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23 以Ⅲ-Ⅴ 族元素為材料之太陽能電池由於成本高，大多使用於集光型系統(包含聚光鏡、散熱板及追日裝置等)上，故佔有率低；薄膜太陽能電池雖不需使用矽晶圓，但生產所需的設備成本仍偏高，加上能源轉換效率較結晶矽太陽能電池低，適合的利基市場尚待開發。因此太陽能電池市場未來十年將仍以結晶矽太陽能電池為主。結晶矽太陽能電池可再分為單晶矽及多晶矽太陽能電池二種型態，單晶矽太陽能電池的電池效率為17%～20%，多晶矽太陽能電池則為16%～ 18%，晶片厚度可繼續減少，其模組使用年限可達20年。依據 IMEC 預估，至2015 年單晶矽太陽能電池產品效率將提昇至19%～21%，多晶矽可達 18%～20%，晶片厚度可繼續減少，使成本降至目前的一半，模組使用年限則可望超過30年。目前業界主要的技術發展方向為矽晶圓品質提升、厚度變薄、電池效率提升與成本降低。各廠亦紛紛使用高載子壽命之薄晶片及提高轉換效率，以期減低成本，進而帶動整體太陽能電池產業的成長。 (二)薄膜型太陽能電池發展方向薄膜型太陽能電池不需結晶矽晶圓，可成長於不同形狀、不同材質的基板上，甚至能做成可撓曲的電池，且具有低成本及適用大面積之特性，因此有愈來愈多設備商投入，有機會大幅降低原來偏高的生產設備成本。不同於結晶矽的利基型市場產品，如建材一體太陽能板(BIPV)等，將成為薄膜型太陽電池產品的開發重點。 (三) 聚光型太陽能電池(HCPV system) 聚光型太陽能發電系統為新一代的太陽能發電系統，相較於傳統的矽晶太陽能發電系統，採用的是效率更高出一倍以上的三五族太陽能電池晶片，加上菲涅爾透鏡(Fresnel Lens)的光學聚光原理，太陽

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能電池晶片不但使用面積減少，且可得到更高的發電效率。聚光型太陽能發電系統，整體可分為：發電模組(Module)、太陽追蹤器(Solar Tracker)、監控系統(Monitoring System)、電力系統(Power System) 等四部份。 (四)新材料的開發雖然太陽能是永續不絕的能源，但目前太陽能發電成本仍高於傳統能源發電，因此不管是結晶矽或是薄膜型太陽能電池，其產品的未來發展趨勢無非是在產品效率及成本上尋求突破，以降低系統成本，始能與其他能源競爭。由於矽原料占太陽能電池的總成本頗高，且2008 年上半年矽料價格更曾漲破每公斤四百美元，非結晶矽材料的開發亦成為技術發展的重點之一。如染料敏化（dye-sensitized）及奈米碳管等系統亦有相當的進展，但在耐候性、效率等仍待突破。此類產品主要應用在一般電子產品上，與矽晶太陽能電池在市場上暫不衝突。由於不同材料對太陽光譜的反應有不同的特性，除了非晶矽薄膜矽材料、化合物半導體材料之外，能對太陽光全光譜反應的超高轉換效率新材料，皆有開發的空間，故尋找更具經濟效益新材料亦為目前太陽能電池的重要發展方向之一。(達能公開說明書，2011) 三、太陽光能發電系統組成分析太陽光電發電系統的應用相當廣泛，隨著應用場合的不同，所架設系統也有所不同，例如在偏遠沒有電力的地區使用的系統為獨立系統如圖 8 所示；在有電力的地區則可以使用併聯系統，當太陽光電發電系統產生的電力大於負載用電時，可以將多餘的電力回送如圖 9 所示。

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25 圖 8 太陽能發電為獨立系統示意圖圖 9 太陽能發電為並聯系統示意圖四、太陽光能發電邁向永續能源應考量之面向(Evans, A. et al.，2008) 目前全世界總發電量中約有 40％來自煤炭，20％來自天然氣，16％來自核能，16％的水力發電，7 ％來自石油和只有 2 ％來自可再生能源，如地熱、太陽能、風能及可燃性再生廢棄物。目前的燃料結構化石燃料和

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26 核能貢獻近 70 ％的總發電。煤炭是已知具有每千瓦小時最高的二氧化碳排放量，以及其他污染物較高的排放量。儘管如此，由於其低成本和高可用性，它仍然占有市場主導地位。完整的環境足跡包含整個能源鏈的生命週期，關鍵指標必須確定量化其影響。這些指標將根據環境和社會影響、溫室氣體排放、資源枯竭、再生能源的效用及對經濟上的價值，在評估能源發電技術永續性時必需加以考慮。關鍵的永續性指標被選擇用於評估的主要理由： (一)發電的價格必須加以考慮，因為經濟上的不利是無法永續的。 (二)溫室氣體排放量正日益成為一個確定永續性發電的關鍵參數。 (三)每一種技術必須加以考慮其可用性和局限性，因為一些技術可能需因地制宜。 (四)為了做有意義的比較，能源轉換效率必需要知道。高效率的流程通常會降低程序的要求、資本和運營成本。效率較低的過程可能有科技進步和創新改善空間。 (五)再生能源土地利用是重要的，牽涉與農業可耕地競爭或改變生物多樣性。 (六)發電過程若需高耗水是不永續的，水資源短缺已是重要議題。以前 LCA 往往忽視水資源消耗要求很高的熱技術，如煤炭燃燒發電則必須加以考慮。 (七)社會影響是很重要的，正確識別和量化人類風險和後果，能夠讓往往受到公眾反對的一些技術，得到更好地接受和理解。

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第五節台灣地區單位產能之碳排放係數

電力排放係數在溫室氣體盤查中為一重要參數。由於「電力」之使用所排放溫室氣體為非能源之產業溫室氣體排放的主要來源，因此正確的電力排放係數直接影響我國溫室氣體盤查清冊的準確性。我國現行電力部門中，自用發電設備與汽電共生系統之餘電及民營電廠所生產之電能，均全數躉售予台電公司，並由台電公司統籌調度。圖 10 台灣電力公司電力系統資料來源：台灣電力公司(2009) 一、電力事業業者現況截至 97 年為止，電力業者統計家數如表 2 所示，計約有 107 家。電力事業依據發電結構與購售電合約區分綜合電業、民營電廠、汽電共生三類。

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28 表 5 能源產業家數彙整表能源產業細項家數電力事業綜合電業 1 民營電廠 12 汽電共生 94 總計 107 資料來源：能源局(2009) 二、電力業 CO2排放情形我國相關溫室氣體排放之統計，主要可分為由上而下(Top Down)及由

下而上(Bottom Up)之估算方式。目前「電力業採 IPCC 準則計算之 CO2排

放量」，即採由上而下(Top Down)的計算方式，依據「IPCC 指南」以基準

方法估算燃料燃燒的 CO2排放量；而「電力業盤查之 CO2排放量」即以由下

而上(Bottom Up)之計算方式，採 ISO14064 系列溫室氣體查證標準，強調

溫室氣體數據計算範疇、方法、流程及正確性等，由各廠進行各項設施直

接排放與間接排放量之計算。不論採 Top Down(IPCC)或 Bottom Up

(ISO14064)之方式進行統計，皆為國際上所採用之方法，主要差異係導因

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29 表 6 電力業之範疇與排放來源類型一覽表排放來源範疇別固定燃燒源移動燃燒源製程排放源逸散排放源範疇一 1.用於生產電力、熱及蒸汽之鍋爐 2.燃料泵浦 3.燃料電池 4.燃燒塔 1.卡車 2.運送燃料之船舶 3.火車－ 1.來自運送及貯存設施之甲烷逸散 2.來自於液化石油氣之 HFC 逸散 3.來自於電力書配設施的 SF6逸散範疇二 1.外購電力、熱及蒸汽的使用－－－範疇三 1.燃料挖採、煉製或加工所需的能源 1.燃料、廢棄物、員工商務旅行的運輸 2.員工通勤燃料的製造 1.SF6排放 2.來自於廢棄物掩埋場及輸送管線之甲烷及二氧化碳逸散 1.SF6排放資料來源：環科工程顧問股份有限公司 (2006) 二、我國電力排放係數計算公式 2006年經濟部能源局召開「我國電力排放係數計算程序」座談會中，彙整與會專家們達成之共識，將電力部門排放係數定義為肩負供電義務之綜合電業（即指台電公司）供電之平均排放係數，其溫室氣體來源為發電燃料之溫室氣體排放量，不包含燃料燃燒以外之發電相關活動行為產生之溫室氣體排放量（如運輸、冷媒、逸散等），以避免與國家排放清冊中其他如運輸部門等發生重複計算。其供電源包括台電自身發電、民營電廠躉售電力及自用發電（汽電共生、再生能源及其他自用）設備之餘電，此處溫室氣體包括CO2、CH4、N2O。計算公式如下: 電力排放係數計算公式＝【(綜合電業排放量扣廠用電量之GHG排放量)＋Σ民營電廠排放量扣除廠用電量之GHG排放量

(41)

30 ＋Σ汽電共生業排放量扣廠用及自用電量之GHG排放量－線損之GHG排放量】÷總銷售電量其中，銷售電量為「綜合電業淨發電量」加上「汽電共生廠售台電量」加上「民營電廠售台電量」扣除「線損」的電量。此外， 2006 年專家座談會議四點共識如下： 1.溫室氣體排放量以燃料燃燒產生之溫室氣體排放量計算；燃料燃燒以外之發電相關活動產生之 GHG 排放量（如運輸、冷媒、逸散等）不納入。 2.提供給消費端之使用係數，其線損宜由台電及民營電廠等（供應端）承擔，對消費端較公平合理。 3.電力排放係數宜每年定期更新發布為原則，以利產業計算溫室氣體排放量，增加盤查準確性，惟須考量電力係數變化時，產業減量改善之影響因素。 (l）進行溫室氣體盤查時，應採用每年更新之電力係數，計算溫室氣體排放量。目標年排放量＝目標年購電量 × 目標年電力排放係數＝目標年購電量 × 基準年電力排放係數＋目標年購電量 ×（目標年－基準年）電力排放係數 (2）電力係數的變化將影響減量，故探討實質減量時，應採用與基準年相同之電力係數計算溫室氣體排放量，與基準年比對之，取得確實減量成效。目標年實質減量＝（目標年購電量一基準年購電量） × 基準年電力排放係數 4.應持續蒐集國際間係數計算之背景與管理目的等完備資料，以作為能源局建置電力排放係數標準計算程序之參考。

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31 圖11 我國現行電力市場架構圖資料來源：經濟部能源局97年年報自用發電(汽電共生、再生能源及其他自用) 民營電廠(燃煤、燃氣) 台電公司電廠 (火力、水力、核能) 廠用電自用電躉售電力廠用電躉售電力廠用電供電台電公司輸、配線路 (線損電量、抽蓄用電) 自用電用戶一般用戶專供自用汽電共生排放係數再生能源排放係數民營電廠排放係數綜合電業排放係數供電量電力部門排放係數

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32 表 7 我國 95 年~98 年度電力排放係數比較表年度電力排放係數 (KgCO2e/度) 說明 95 年 0.638 1.適用範圍：於溫室氣體盤查或排放量化作業，計算所有因購買、使用電力(範疇二)所需間接承擔之溫室氣體排放量之各種用途均屬之。 2.本年度調整項目說明： (1)採用IPCC 2006 年版之排放係數，計修正碳轉化因子及一般事業廢棄物之排放係數數值。 (2)修正垃圾焚化廠溫室氣體排放量計算方式，依熱平衡原則調整為80%廢棄物燃燒產生之溫室氣體由電力分擔。 (3)依上述調整項目計算 94 年排放係數為 0.632 公斤 CO2e/度， 95 年排放係數較 94 年成長 0.9 %，主要係因燃煤發電比重增加、核能發電比重降低致使發電燃料結構的改變。 96 年 0.637 1.同上 2.本年度計算方式與排放係數未調整。 3.95年排放係數為0.638公斤/度CO2e，96 年排放係數較95 年下降0.15%，主要係因燃煤及燃油發電比重微幅降低致使發電燃料結構的改變。 4.我國電力排放係數計算將線損之 GHG 排放量予以扣除，考量本係數為提供能源部門以外之消費端使用，而線損為供應端之輸配電系統所產生，爰宜由供應端承擔，對消費端較公平合理。 97 年 0.636 1.同上 2.本年度計算方式與排放係數未調整。 3.96年排放係數為0.637公斤/度CO2e，97年排放係數較96 年下降 0.16%，主要係因燃氣發電比重提高致使發電燃料結構的改變。 4.同上 98 年 0.623 1.同上 2.本年度計算方式與排放係數未調整。 3.98年排放係數較97 年下降主要係因含碳能源（火力發電）占比減少，無碳能源（主要為核能）占比增加所致；其中火力發電占比減少係因機組調度及燃氣發電占比增加的影響；而核能發電占比增加主要是因為容量因素增加及小功率提升計畫所致。 4.同上資料來源:研究整理自能源局網站

(44)

33

第六節有關溫室效應氣體排放之研究工具

自聯合國氣候變化綱要公約(United Nations Framework Convention

on Climate Change, UNFCCC)於1992年通過後，政府與民間組織不斷地推

動溫室氣體減量與能源管理相關措施，並期能達成回到1990年溫室氣體排

放量為基準之減量目標。同時，為了讓利害關係者對於溫室氣體排放量盤

查與查證方法有一致的基礎，國際標準化組織(International

Organization for Standardization,稱ISO組織)並於2006年正式公告ISO

14064系列標準，以作為溫室氣體盤查與查證方法之依據。另在2008 年由

英國標準協會(British Standard Institution, BSI)公布之PAS

2050:2008產品與服務生命週期階段之溫室氣體評估標準，是由碳信託機

構(Carbon Trust)和英國環境、食品和鄉村事務部(Department of

Environment, Food and Rural Affairs, Defra)聯合發起，委由BSl為評

估產品生命週期內溫室氣體排放而編制的一套公眾可取得的標準。為了因應盤查產品生命週期碳足跡之需求，ISO 組織亦展開ISO 14067系列標準之制定，表定規劃預計於2012年公告，期能提供各界對產品碳足跡議題進行標準化的管理。一、溫室氣體盤查用語與定義 (一)溫室氣體(greenhouse gas, GHG) 自然與人為產生的大氣氣體成份，可吸收與釋放由地球表面、大氣及雲層所釋放的紅外線輻射光譜範圍內特定波長之輻射。溫室氣體包括二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O)、氫氟碳化物(HFCs)、全氟碳化物(PFCs)及六氟化硫(SF6)。

(45)

34

自組織所擁有或控制的溫室氣體源排放之溫室氣體。

( 三 ) 能源間接溫室氣體排放 (energy indirect greenhouse gas

emission)

組織所消耗的輸入電力、熱及蒸汽所產生之溫室氣體排放。

(四)全球暖化潛勢(global warming potential, GWP)

敍述在一段期間內一質量單位的溫室氣體之暖化衝擊，相對於相等

若干單位的二氧化碳之暖化，此即為暖化潛勢。

(五)二氧化碳當量(CO2e)(carbon dioxide equivalent)

比較溫室氣體相對於二氧化碳造成暖化之單位。二氧化碳當量係以已知的溫室氣體質量乘以其全球暖化潛勢計算之。表 8 碳排放管理之主體與目的主體國家企業產品目的遵循 UNFCCC 規定，建立或提交國家溫室氣體排放清冊依據國家或區域性方案，建立或提交公司溫室氣體盤查報告，以利後續基線設定與減量專案之進行。以生命週期之觀點，建立產品生命週期溫室氣體排放報告，檢視排放之重點生命週期階段，作為減量策略之依據。標準 1.UN/IPCC 國家清冊良好作業指引《 2006 版） 2.UN/IPCC 國家清冊審驗指南（ 2003 版） 1.WRI/WBCSD -GHG Protocol 2.ISO14064 系列標準 3.國家或區域性方案之報告指引

1.ISO14O4O/44 Life Cycle Assessment

2.PAS 2050 Specification for the measurement of the embodied GHG emissions in products

3.Carbon Trust — Carbon Footprint Measurement Methodology

(46)

35 二、ISO/CNS 14064 系列國際標準國際標準組織(ISO)已於2006年3月1日，正式公告溫室氣體管理和查驗相關之ISO 14064 系列標準，提供各國政府與產業界推動溫室氣體減量與排放交易等相關標準化規範與工具，內容包括ISO/CNS 14064-1 溫室氣體─第1部：組織層級溫室氣體排放與移除之量化及報告附指引之規範； ISO/CNS 14064-2 溫室氣體─第2部：計畫層級溫室氣體排放減量或移除增量之量化、監督及報告附指引之規範；及ISO/CNS 14064-3 溫室氣體－第3部：溫室氣體主張確證與查證附指引之規範。ISO/CNS 14064 系列標準，主要提供溫室氣體排放實體及減量計畫稽核之計算架構，由下而上針對特定設備之排放及/或移除溫室氣體，計算彙整之溫室氣體排放清冊，涵蓋相關性、完整性、一致性、準確性及透明度等五項溫室氣體排放盤查與查證之基本原則。 ISO 14064-1:2006標準為組織層級溫室氣體排放減量與移除之量化與報告附指引之規範。內容包括決定溫室氣體排放邊界、量化組織之溫室氣體排放與移除，並鑑別公司為改善溫室氣體管理的特定措施或活動的要求事項。ISO 14064-2:2006標準則特別為專案層級溫室氣體排放減量與移除增進之量化、監督及報告附指引之規範，本標準著重於特別設計來減少溫室氣體排放或增加溫室氣體移除的溫室氣體計畫或以計畫為基礎之活動。本標準涉及外加性的概念，要求導致溫室氣體排放減量或移除增量的溫室氣體計畫，附加如無該計畫時將發生何種情況。因此本標準為方案中立，可通用各種溫室氣體方案之架構，由於我國目前無法參加京都議定書的清潔發展機制之減量計畫，因此國內政府機關亦在最近幾年陸續協助產業應用此標準進行溫室氣體減量計畫之試行與確/查證，以協助國內產業了解減量計畫之實施。對於溫室氣體確證與查證之標準化，ISO14064-3:2006 則為溫室氣體主張確證與查證附指引之規範，主要作為建立保證等級、目

(47)

36 標、準則和範圍，決定查證及確證方法，評估溫室氣體的數據、資訊、資訊系統和控制，溫室氣體主張的評價及準備查證/確證宣告的要求。 ISO14064-3詳述查證溫室氣體盤查與確證或查證溫室氣體計畫之原則與要求事項。現今國內在進行組織溫室氣體盤查時，主要係依循 CNS 14064-l 溫室氣體第一部：組織層級溫室氣體排放與移除之量化及報告附指引之規範，並搭配溫室氣體盤查議定書（GHG Protocol）及相關盤查表單工具進行。 (一)界定組織邊界進行溫室氣體盤查時，應先進行盤查邊界的界定，盤查邊界，包括：組織邊界與營運邊界，組織邊界之界定可協助產業釐清組織內應盤查的範圍，一般在界定組織邊界時可採用下列兩種方法： 1.股權比例法( equity share ) ：公司依各事業體持股比例，認列其溫室氣體排放量。各事業體擁有的股權百分比，等同於其對於公司整體所代表的經濟風險及利益分攤比例。 2.控制法( control )：公司對所控制的事業體溫室氣體排放，採 100％認列方式處理。控制又區分為財務控制或營運控制兩類準則，由公司選擇最能反應實質控制力量的準則執行。 (二)界定營運邊界針對廠商組織邊界內之排放源，定義其直接與問接排放之範疇，可依溫室氣體會計與報告目的定義三種範疇： 1.直接排放(範疇一)：排放源由提報公司所擁有或控制，如從排放管道、製程、通風設施及公司所擁有／控制的交通工具中的排放。

(48)

37 2.能源間接排放(範疇二)：排放的產生源自於提報公司的作業結果，但排放來自他家公司所擁有或控制的排放源，如外購電力產生的排放。 3.其他間接排放(範疇三)：委外製造、員工通勤或商務旅行、原物料開採及產品使用期間所發生的排放。公司至少應分開計算與報告範疇一及範疇二的溫室氣體排放。 (三)計算溫室氣體排放量組織應選擇與使用可合理降低不確定性，且產生準確、一致及再現性結果的量化方法，量化方法包括： 1.排放係數法：利用原料、物料、燃料之使用量或產量等數值乘上特定之排放係數所得排放量之方法。目前國內在進行溫室氣體排放量化時，多採用此法，常用之排放係數法公式如下：排放量=適當的活動數據×排放係數燃料使用排放量=燃料使用量×熱值×排放因子燃料使用量=距離×燃料效率因子(參見車輛油耗資料) 註：已知移動燃燒源之行駛里程數者，應將行駛里程數換算成燃料使用量，再以前述移動燃燒源之溫室氣體排放量公式計算。外購電力排放量=電力使用量×電力排放因子氟氯化合物排放量=(氟氯化合物逸散量×排放因子)×(1–消除率×使用率) 冷媒逸散量=盤點減量+購買量–出售量–設備內含冷媒量增量或總冷媒逸散量

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38 =特定設備之數量×特定設備之原始充填量×特定設備之年平均逸散率(%) 廢水厭氣處理、廢污泥厭氣處理或化糞池厭氣處理=(系統處理之BOD 或COD 量×排放係數)×(1－甲烷捕集率 × 燃燒效率) 註：甲烷捕集率及燃燒效率，應檢附排放前後檢測結果證明文件。 2.質量平衡法：常用於製程排放之計算，係以質量平衡的方式，估算原料投入後，經化學反應所產生之溫室氣體排放量 3.連續及間歇量測：直接監測排氣濃度和流量，以估算溫室氣體排放量，此法準確度較高，但因溫室氣體目前並非我國法定空氣污染物，無量測之要求，較為少見。在計算溫室氣體排放時，組織應使用公噸作為量測單位，並應將每種溫室氣體之排放量，使用適切的全球暖化潛勢( GWP )轉換成二氧化碳當量公噸後，予以加總為組織之溫室氣體排放量。表 9 各種溫室氣體之全球暖化潛勢工業名稱或一般名稱化學式 GWP 100年二氧化碳（Carbon dioxide ） CO2 1 甲烷（Methane） CH4 25 一氧化二氮（Nitrous oxide） N2O 298 蒙特婁議定書所管制之物質 CFC-11 CCl3F 4,750 CFC-12 CCl2F2 10,900 CFC-13 CClF3 14,400 CFC-113 CCl2FCClF2 6,130 CFC-114 CClF2CClF2 10,000 CFC-115 CClF2CF3 7,370 Halon-1301 CBrF3 7,140 Halon-1211 CBrClF2 1,890 Halon-2402 CBrF2CBrF2 1,640 Carbon tetrachloride CCl4 1,400

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39 Methyl bromide CH3Br 5 Methyl chloroform CH3CCl3 146 HCFC-22 CHClF2 1,810 HCFC-123 CHCl2CF3 77 HCFC-124 CHClFCF3 609 HCFC-141b CH3CCl2F 725 HCFC-142b CH3CClF2 2,310 HCFC-225ca CHCl2CF2CF3 122 HCFC-225cb CHClFCF2CClF2 595 氫氟碳化物（Hydrofluorocarbons） HFC-23 CHF3 14,800 HFC-32 CH2F2 675 HFC-125 CHF2CF3 3,500 HFC-134a CH2FCF3 1,430 HFC-143a CH3CF3 4,470 HFC-152a CH3CHF2 124 HFC-227ea CF3CHFCF3 3,220 HFC-236fa CF3CH2CF3 9,810 HFC-245fa CHF2CH2CF3 1,030 HFC-43-10mee CF3CHFCHFCF2CF3 1,640 全氟化物（Perfluorinated compounds） Sulfur hexafluoride SF6 22,800 Nitrogen trifluoride NF3 17,200 PFC-14 CF4 7,390 PFC-116 C2F6 12,200 PFC-218 C3F8 8,830 PFC-318 c-C4F8 10,300 PFC-3-1-10 C4F10 8,860 PFC-4-1-12 C5F12 9,160 PFC-5-1-14 C6F14 9,300 PFC-9-1-18 C10F18 >7,500 Trifluoromethyl sulfur pentafluoride SF5CF3 17,700 氟化醚（Fluorinated ethers） HFE-125 CHF2OCF3 14,900 HFE-134 CHF2OCHF2 6,320 HFE-143a CH3OCF3 750 HCFE-235da2 CHF2OCHClCF3 350 HFE-245cb2 CH3OCF2CHF2 708 HFE-245fa2 CHF2OCH2CF3 659 HFE-254cb2 CH3OCF2CHF2 359 HFE-347mcc3 CH3OCF2CF2CF3 575 HFE-347pcf2 CHF2CF2OCH2CF3 580 HFE-356pcc3 CH3OCF2CF2CHF2 110 HFE-449sl (HFE-7100) C4F9OCH3 297 HFE-569sf2 (HFE-7200) C4F9OC2H5 59

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40

HFE-43-10-pccc124(H-Galden 1040x) CHF2OCF2OC2F4OCHF2 1,870 HFE-236ca12 (HG-10) CH2OCF2OCHF2 2,800 HFE-338pcc13 (HG-01) CHF2OCF2CF2OCHF2 1,500 全氟聚醚（Perfluoropolyethers）

PFPMIE CF3OCF(CF3)CF2OCF2OCF3 10,300 碳氫化合物及其他（Hydrocarbons and other compounds – direct effects）

Dimethylether CH3OCH3 1 Methylene chloride CH2Cl2 8.7 Methyl chloride CH3Cl 13 Dimethylether CH3OCH3 1 資料來源: 環保署產品與服務碳足跡計算指引(2010) 三、溫室氣體盤查議定書 ISO 組織鼓勵使用ISO/CNS 14064 標準者，以參考由世界永續發展協會（WBCSD）與世界資源研究院（WRI）所製作之「溫室氣體盤查議定書(GHG Protocol)：企業會計與報告標準」(溫室氣體盤查議定書)，作為盤查與減量工作細部規範之重點。「溫室氣體盤查議定倡議(Greenhouse Gas Protocol Initiative) 」為世界企業永續發展委員會（WBCSD）、世界資源研究院（WRI）與企業界、非政府組織(NGOs)、政府等多方利益關係人，共同於1998 年所發展之專案與工具；「溫室氣體盤查議定倡議」為國際第一個能有效指導產業進行溫室氣體盤查的工具，在ISO/CNS 14064標準未公布前，廣為國際上各企業的使用。四、PAS 2050商品和服務生命週期溫室氣體排放評估規範 PAS 2050 商品和服務生命週期溫室氣體排放評估規範(Speci-

fication for the assessment of the life cycle greenhouse gas

emissions of goods and services)是一項獨立的標準。由英國標準協會

(BSI British Standards)、碳信託(Carbon Trust)和英國環境、食品與

農村事務部(Department for Environment, Food and Rural Affairs,

Defra)於 2008 年 11 月聯合發佈。該標準是用於計算產品和服務在整個生

太陽光電系統減少碳排放量之可行性研究

國立臺中教育大學環境教育及管理研究所

碩士論文