스이쥔

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新加坡拚2050年電力部門去碳轉型 進口電力、氫氣、太陽能、儲能系統是關鍵

新加坡與臺灣同樣面臨到地狹人稠、替代資源貧乏的環境限制,如何在資源匱乏的情況下,擘劃其2050能源轉型路徑圖,新加坡的經驗值得臺灣借鏡。近期,新加坡「能源2050委員會」於2022年3月22日發布《邁向能源轉型2050》(Charting the Energy Transition to 2050),提出了新加坡在實現2050年淨零排放目標,可能面對的三種未來情境及九大建議策略。
圖片來源:SmartCities World。

新加坡在2020年3月向《聯合國氣候變化綱要公約》(United Nations Framework Convention on Climate Change, UNFCCC)提交之「國家自定貢獻」和「長期溫室氣體低排放發展策略」中表示,除了維持2030年較2005年排放密集度降低36%的目標,更進一步提出2030年達到65MtCO2e排放峰值的絕對排放量,並致力於2050年將排放量從峰值減半至33MtCO2e,以期在本世紀下半葉盡快實現淨零排放(NCCS, 2022)。

新加坡欲達到淨零排放的目標,關鍵在於電力部門的「去碳化」。2019年全國溫室氣體排放量為51.6百萬公噸二氧化碳當量,其中電力部門占全國總排放量的39.2%(見圖1)。然而,新加坡作為地狹人稠、替代能源匱乏的國家,有95%的電力來自進口天然氣,且再生能源的選擇也很有限。因此,這對新加坡而言無疑是一大挑戰,其得平衡能源的「三難困境」[註1],提供永續、安全和可負擔的能源。

近期,新加坡能源市場管理局委任「能源2050委員會」(Energy 2050 Committee,以下簡稱「委員會」)負責研提與規劃新加坡未來的能源系統,該委員會於2022年3月22日發布《邁向能源轉型2050》(Charting the Energy Transition to 2050)。考量到未來潔淨能源技術、全球地緣政治與經濟趨勢的不確定性,該委員會提出了新加坡在實現2050年淨零排放目標,可能面對的三種未來情境及九大建議策略。

圖1 新加坡2019年各部門排放量概況;資料來源:(National Climate Change Secretariat, 2022)。

一、新加坡電力部門「去碳轉型」的三大情境

能源2050委員會從電力需求、供應技術和電網發展等面向,提出影響新加坡電力部門的長期趨勢。這些趨勢包括未來幾十年的電力需求因經濟成長、數位化及交通和其他部門的電氣化而逐漸增加、太陽能發電和儲能系統(Energy Storage System, ESS)將變得更加便宜且有效率,以及太陽能發電系統、電池儲能系統和電動汽車等分散式能源的激增,從而影響電網的管理方式。

鑒於前述的趨勢,能源2050委員會表示電力部門實現淨零排放,不太可能僅制定明確且單一的長期戰略,因此委員會提出了三種未來可能的情境(見圖2)。

圖2 新加坡2050年能源情境之示意圖;資料來源:(Energy 2050 Committee, 2022)。

(一)潔淨能源復興(Clean Energy Renaissance):進口電力40%、氫氣40%、地熱與太陽能:20%

在潔淨能源復興(Clean Energy Renaissance)的情境中,能源和數位技術發展迅速,與強而有力的全球合作相得益彰。新加坡在2050年能實現多元化的能源供應組合,進口電力和低碳氫氣是主要的貢獻者,各自滿足約40%的發電需求(見圖3)。多元化的能源組合和當地備用容量使進口電力成為安全和可負擔的供應選擇,而全球發展使低碳氫氣越來越具有成本競爭力。地熱和太陽能則作為兩個重要的國內再生發電資源,加入此能源組合,約占20%

新加坡開發了一個領先的智慧電網,能夠在分散式能源資源(Distributed Energy Resources, DERs)擴張的情況下保持系統的穩定性和可靠性。電網配備了人工智慧(Artificial Intelligence)和機器學習(Machine Learning)等智慧技術,利用DERs的靈活性,在當地層級上優化系統,從而降低整個電網的容量和成本。積極的管理整體電力需求的成長,且平穩波動的需求情況,使電網規劃和營運更有效率。更多的終端使用者自給自足,並利用先進的能源和數位技術,根據自身的優先事項和需求主動管理自己的消費。

圖3 潔淨能源復興情境下的2050年新加坡能源供應組合之示意圖;資料來源:(Energy 2050 Committee, 2022)。

(二)氣候行動陣營(Climate Action Bloc):進口電力60%、氫氣10%、天然氣10%、地熱10%、太陽能10%(見圖4)

在氣候行動陣營(Climate Action Bloc)中,假設各國從COVID-19疫情後復甦的時程持續拉長,延遲對潔淨能源技術的投資,導致各國在技術升級停滯不前,但各國仍團結一致,使新加坡得以進口其他地方生產的清潔能源以滿足其需求。新加坡在2050年的電力需求不得不嚴重依賴從國際夥伴進口的電力,藉由集體開發的電網和交易平台來滿足整個區域的需求,同時創造廣泛的經濟效益。在此情境下,考慮到氫氣的成本相對較高,故氫氣在新加坡的發電組合中所占的比例較低。新加坡也會繼續使用一定數量的天然氣,從而產生的碳排放量將利用國際碳信用額度來抵消

儘管需要平衡和處理各種各樣的分散式能源資源(DERs),新加坡的電網仍然是世界上最可靠和最有彈性的電網之一。數位分生(Digital Twin)和其他模型化和模擬工具的部署,使電網規劃和電網資產的優化變得更健全。優化所帶來的節省成本,有助於抑制開發備用容量的成本,以緩衝需求和供應的不可預測性。大型終端使用者通常使用微電網來強化系統的彈性,同時產生成本節約或收入。優化是在微電網內進行的,使系統級的需求狀況得以形成。在某些情況下,完全自給自足的微電網不需要公用電網的備份,從而為整個系統節省大量成本。

圖 4 氣候行動陣營情境下的2050年新加坡能源供應組合之示意圖;資料來源:(Energy 2050 Committee, 2022)。

(三)新興技術開拓者(Emergent Technology Trailblazer):氫氣53%、進口電力25%、太陽能10%、核能10%、地熱2%(見圖5)

在新興技術開拓者(Emergent Technology Trailblazer)中,假設未來出現更具傳播性和致命性的變種新冠病毒時,各國政府面臨迫切優先解決疫情、失業等社會問題的政治壓力,不得不將氣候行動放在次要議題,這也導致國際氣候合作面臨重重障礙,各國之間的不信任感增加,可能會出現各國保護國內資源和儲備重要物資的情況發生,最終各國可能等到2030年才能擺脫疫情帶來的影響,並開始在潔淨能源轉型上有所行動。

面對前述如此嚴峻的全球情勢,低碳氫氣在2050年取代天然氣,主導了新加坡的能源供應結構,原因在於隨著全球大規模部署氫能發展,加上規模經濟效應,進一步降低氫能成本。進口電力雖然有助於供應組合,但由於區域電網發展緩慢,其占比有限。但新加坡在早期投資的基礎上,可以開始部署其他低碳替代能源,如核能(Small Modular Reactors, SMRs),以使其供應組合多元化,並有能力在低碳替代能源技術變得更具有商業競爭力時,進一步擴大規模[註2]

此外,透過導入人工智慧技術,以更有效率的方式管理能源來提高智慧電網韌性及供電效率。有了人工智慧,電網也能夠利用DERs的擴張,將其作為虛擬發電廠(Virtual Power Plant, VPP)進行聚集和管理,以滿足系統的需求。透過各級不同終端使用者的有效能源效率和節約措施,對需求進行積極管理和優化。大型工業和商業用戶將能源效率視為商業利益和合規措施,他們投資於數位解決方案以優化其業務流程。較小的終端使用者獲得了多個能源解決方案和差異化的能源價格,激勵他們在永續發展努力中發揮更多積極的作用。

圖5 新興技術開拓者情境下的2050年新加坡能源供應組合之示意圖;資料來源:(Energy 2050 Committee, 2022)。

二、新加坡電力部門「去碳轉型」的九大建議策略

從前述的三大情境來看,進口電力、氫氣、太陽能和ESS對新加坡電力部門的「去碳轉型」至關重要,而新的低碳供應替代方案和碳市場也可能發揮關鍵作用。同時,必須努力管理能源需求的成長,塑造終端使用者消費,提供了一條更長的跑道來部署供應方措施,同時也降低了系統的成本。分散式能源的激增需要具有數位技術的多層電網,以實現安全和優化的系統。有了這些實現淨零排放的不同情境,能源2050委員會也提出了九項策略,讓新加坡政府能做足最好的準備。

策略一:繼續採用進口電力,在新加坡境外獲取到更潔淨且具成本效益的能源

在短期內,進口電力將是新加坡電力部門去碳化的關鍵。為了長期的永續發展,新加坡將需要優先進口使用再生能源發電的電力。為確保供應安全,新加坡需要在區域電網和交易平台的支援下,發展多元化的進口合作夥伴組合,以及具有成本效益的備用供應方案。

策略二:發展低碳氫能的使用,實現電力部門去碳化

從中長期來看,氫氣有可能在新加坡供應組合中發揮重要作用,特別是低碳氫氣。新加坡應制定「國家氫氣戰略」,並與當地和國際的利害關係者合作,發展強大的氫氣供應鏈,需要時投資基礎建設。

策略三:最大限度地部署太陽能,並使用ESS來管理太陽能的間歇性問題

儘管太陽能不太可能在新加坡的能源供應結構中占很大的比例,但創新的部署方案和使用最新的太陽光電技術可充分發揮新加坡的太陽能潛力。為了解決太陽能間歇性的問題,新加坡應擴大ESS的部署。除了管理間歇性,新加坡應該發展不同ESS技術的能力,以滿足其他系統的需求。

策略四:提前部署新加坡新的低碳供應替代方案

鑒於電力部門去碳化方面的選擇有限,新加坡應該積極監測新供應技術的發展,如碳捕捉、利用和儲存(Carbon Capture, Utilization and Storage, CCUS)、地熱、生物甲烷、小型模組化核能反應爐(SMRs)和核融合技術。提前建立能力將使新加坡能夠在這些技術變得可行時,迅速採用具有前景的技術。

策略五:利用碳市場來解決剩餘和難以減少的碳

雖然減少新加坡的排放量應該是實現電力部門去碳化的主要途徑,但如果沒有及時制定合適的方案,清除剩餘排放量的成本可能太高。新加坡應促進談判並發展在地能力和服務,以支持國際碳市場的發展。

策略六:建立一個多層次的電網,管理DERs的成長和改善電網的可靠性

DERs的激增將為電力系統帶來新的挑戰,要求電網資源和控制機制進化到輸電層級之外,也要部署到配電層級。新加坡將需要開發不同層的先進控制和通訊系統,並引入物理基礎設施的優化,以實現對DERs的監督和分散控制。

策略七:利用數位技術來強化電網的規劃和運作

新加坡應該利用數位技術,如先進的模型和模擬、人工智慧和機器學習(ML),來改善電網規劃和運作,以提高電網的可靠性和效率。

策略八:積極管理需求的成長,以更好地管理低碳選擇的推出,並保持能源成本的可負擔性

這需要與重點部門合作,以全面和審慎的方式積極規劃和編入電力使用的預算。新加坡應在地區層面上優化能源需求,並積極探索價格信號和綠色標準等其他手段,推動能源效率和節能。

策略九:塑造終端使用者消費,優化電力系統

創新的需求方技術,如智慧能源管理系統和需量反應潛力的釋放(目前由於缺乏認識而尚未開發),可以有助於優化供應和電網容量。

結語

最後,能源2050委員會認為,新加坡電力部門實現淨零排放,同時兼顧能源安全和可負擔性,這在技術上是可行的,且電力部門於2050年實現淨零排放是切實可行的目標。然而,如果新加坡想在限制碳排放的未來(carbon-constrained future)使能源系統更具有永續性和安全性,這將不可避免地導致電力成本增加,因此新加坡需要做權衡取捨。另一方面,儘管新加坡在去碳化的道路上面臨著巨大的不確定性,委員會認為新加坡可以利用其強大的研發生態系統和投資新興技術的能力,以及獨特的、密集的城市網路,讓新加坡可以成為創新的永續能源解決方案的生活實驗室

在此報告中,我們看到新加坡的2050淨零排放路徑並非單一的,而是考慮到未來三十年間面臨到潔淨能源技術發展、地緣政治和經濟趨勢的不確定性,分別制定出「樂觀情境」、「基本情境」、「保守情境」下的能源供應組合與因應策略,有助於新加坡能夠靈活應對未來技術發展和全球情勢的波動。 而臺灣與新加坡同樣面臨到地狹人稠、替代資源貧乏的環境限制,借鏡新加坡的淨零路徑,有助於臺灣在淨零轉型的過程中,思考如何平衡能源的「三難困境」,同時在面對全球淨零浪潮與地緣政治動盪不安的局勢下,開創臺灣國家發展的利基,期許臺灣未來能成為亞洲諸多高碳排國家的典範



註解

[1]「三難困境」(Energy trilemma)係由世界能源理事會(World Energy Council, WEC)所提出,即評估各國如何在能源安全、能源公平、環境永續性等三個維度之間達成平衡。能源安全(Energy Security)指對國內與國外的初級能源供應有效管理、能源基礎建設的可靠性,以及能源系統能夠應付供需的突然變化。能源公平(Energy Equity)為所有人的能源取得容易程度和價格的可負擔性。而環境永續性(Environmental Sustainability)則包含高效率的能源供需、能源供應來自低碳或再生能源的開發。GLASGOW Science Center (2021). “The Energy Trilemma.” Retrieval Date: 2022/04/25.

[2] 小型模組化核能反應爐(SMRs)技術不斷地進步並改善其安全性能,2020年末開始在國外運作的小型模組化核能反應爐示範廠被證明是安全的,且可以部署在小型且密集的城市。因此,從2030年代末開始,一些SMRs商業化的設計和機組將逐步開發並部署到全球各地。到2040年,新加坡已評估核能是可行的方案,並開始發展國內的發電量。詳細內容可參考(Energy 2050 Committee, 2022: 29)。


參考文獻

  1. Energy 2050 Committee (2022). Charting the Energy Transition to 2050. Retrieval Date: 2022/04/25.
  2. GLASGOW Science Center (2021). “The Energy Trilemma.” Retrieval Date: 2022/04/25.
  3. Singapore National Climate Change Secretariat (2022). “Singapore’s Emissions Profile.” Retrieval Date: 2022/04/25.

※ 本篇文章同步刊載於台大風險中心第43期電子報

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