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綠色進行式

綠色進行式

文/黃麗嬡(總經理室專職顧問)

「聯合國氣候變遷框架公約」第24次締約國會議(COP24)在波蘭卡托維茨舉行,經過十餘天協商,終於在2018年12月15日就落實巴黎氣候協定(Paris Agreement)全球減碳和遏止暖化的細則達成協議;就在與會近200個國家的代表歡喜拍手的同時,美國政府負責海洋及氣候變化的組織NOAA(The National Oceanic and Atmospheric Administration)發表了年度北極氣候報告(Arctic Report),指出北極的冰層正以超出人類預期的速度融化,北極海從過去一片白色冰雪覆蓋,已露出大片藍海,不止於此,有毒海藻正快速蔓生,北極生物也逐漸死亡凋零,NOAA研究人員甚至以”恐怖(scary)”來形容此令人震驚的景象;聯合國報告也指出2018年全球碳排放量,創七年來最大增幅,比去(2017)年增加2.7%;而「科學」期刊最近也發表研究報告警告目前海洋升溫的速度比聯合國委員會五年前估計的至少快上了百分之四十,近來,澳洲(Australia)東岸的各大觀光海灘被大量毒水母占據,以色列哈代拉(Hadera, Israel)海域邊的火力發電廠,飽受數以萬計的水母侵襲,海洋溫度及生態的變化,更證實了科學家的警告;看來如何解決地球面臨的氣候災難,是既棘手又刻不容緩的全面課題,全球科學家也都積極投入”創新綠色”方案,而這個解題主要大都圍繞在「綠能及儲能」、「節能及再生」及「環境保護」三大面向。

最近有機會參加了由經濟部國貿局及經濟部推動綠色貿易專案辦公室舉辦的「未來有解-綠色進行式」全球綠色產業趨勢論壇,此論壇主要邀請了日本在綠色能源發展的佼佼者東芝(TOSHIBA)株式會社、碍子(NGK INSULATORS, LTD.)株式會社及松下(PANASONIC)株式會社分別就其世界級氫能計畫、儲能再生能源革命及區域共生能源管理做簡報,茲在此就當日簡報及個人心得與大家分享。

東芝(TOSHIBA)株式會社世界級氫能計畫

氫能可說是最清潔的能源,氫在大自然界普遍以化合物形態存在,如水、天然氣等,最環保的來源為水,故大部分以水電解來製氫;人類對氫能應用科技的發展早在200多年前就開始了,氫能具有以下優勢:

(1)方便取得性:氫氣普遍存在於自然界中,約構成宇宙質量的75%。

(2)零排放:氫氣發電,僅排放水和熱氣,幾無其他污染排放。

(3)燃燒性能佳:氫除可快速燃燒外,其燃燒熱值僅次於核能,高於所有化石燃料,約為汽油發熱值的3倍。

(4)具時間調解性(Time Shift):一般的綠能,如風能、太陽能、水力等,其電能大量儲存困難,常受大自然環境限制,造成供電不穩定的困擾,而氫能在近年來氫燃料電池商業化開發後,發電彈性可不受時間限制。

(5)具空間移動性:大容量氫燃料電池近年來已商業化,氫燃料電池構造簡單、模組化容易,因此可方便運輸至任何偏遠地區或災難緊急需求區,不像太陽、水、風力發電等移動受限,正當人類對氣候變遷問題顯得束手無策之時,氫能被視為二十一世紀最具發展潛力的清潔能源。

過去氫能的開發,主要著眼於氫和氧氣燃燒來產生電,如此以氫的物理及化學的循環反應來利用氫能;隨著近年技術的突破,更新的氫能發電是氫燃料電池,利用氫和氧的電化學反應,將燃料的化學能直接轉換為電能,不需要燃燒、構造簡單、具可移動性;唯水電解反應消耗大量能量,如何以低成本、低耗能方式製造氫氣,又如何有效率的能量轉換,一直是氫能技術不斷改善突破的課題。

日本政府的能源政策,再生能源佔發電總量將由2013年的11%提昇至2030年的24%,面對其他再生能源供應不穩定的問題,東芝提出了邁向氫能社會的全方位解決方案,東芝的H2OneTM System利用能源整合管理系統(H2EMS)將風能、太陽能及氫能互相併聯整合應用,平常風能及太陽能產生之電力供應過剩時,除供終端電力需求外,多餘電力則供電解水製氫,俟風能及太陽能產生之電力供應不足時,氫再透過氫燃料電池系統產生電力,補充供電之不足,形成自足式(self-support)供電系統,如此不但解決再生能源無法穩定當做基礎電力的問題,更能擴大以H2OneTM System模組運輸至災區,供應急難電力,增強整體社會的韌性。

東芝H2OneTM System模組的核心就是其超大容量、高效能的氫燃料電池系統(Hydrogen Fuel Cell System),東芝從1980年開始氫燃料電池的開發,至今已能商業化量產百萬瓦級的氫燃料電池發電站,而其能源效率,55%產生電能,45%產生熱能,幾無耗損;東芝以兩個面向來解決氫能成本偏高的問題,一為將氫能和其他再生能源整合互補,以多餘之再生電力製氫,另一為開發大容量、高效能氫燃料電池,以降低成本。因氫燃料電池對原料氫的品質要求不高,東芝也因地制宜,少數地區的氫燃料電池,是利用工廠排放的廢氫氣。

日本碍子株式會社(NGK)儲能再生能源革命

鈉硫電池是世界首創電力儲存能達MW級的高效儲能電池,主要以液態的硫和鈉分別為正、負電極材料,在高溫300~360oC下作用,其主要好處為其電極材料為一般易得材料,成本低、儲能密度大且發電效率(Round Trip Efficiency)高,可達75~80%,安全性高、生命週期長,其大量儲能商業化技術已成熟,故已逐漸被接受安裝做為發電站因應高尖峰電力需求之儲能設備。目前全球安裝大型鈉硫電池儲能系統已達560MW,其中日本最多,佔390MW,其次為阿布達比,佔108MW。

碍子株式會社是全球最大鈉硫電池廠商,以其專利發明之Beta Alumina Ceramic高度陶瓷技術,它能選擇性地讓Na+通過,實現了鈉硫電池(NAS)百萬瓦(MW)級蓄電的實用化,並於2002年正式推出市場碍子株式會社(NGK)的鈉硫電池,其生命週期長達4500次充放電,全負載放電時間可達6小時,發電效率(Round Trip Efficiency)高達75~80% ,並能以毫秒時間對應風能、太陽能之蓄放電。碍子株式會社同時將NAS儲能電池系統模組化,並以高效控制管理BMS系統(Battery Management System)整合風能、太陽能及一般電力系統,達到穩定供電及緊急供電目標,實踐了城市能源智慧管理方案。

案例一:

NGK在日本Rokkasho Wind Farm將56MW之NAS電池與100MW風力發電系統整合,當風力強,產電過剩時,過剩風電蓄存於NAS電池,當風力小時,NAS電池放電供終端需求。

案例二:

在日本Buzen Power Plant,NGK將50MW之NAS電池與太陽能發電系統整合,白天太陽能除供一般用電外,剩餘電力儲存於NAS電池,晚上無太陽時,NAS電池將白天儲能提供一般電力需求。

大型儲能系統比較(圖片來源:NGK台灣總代理網站資料)

松下(PANASONIC)株式會社區域共生能源管理

人類社會發展,由「社會1.0」的狩獵社會,到「社會2.0」的農業社會,進展為「社會3.0」的工業社會,再進一步發展「社會4.0」的資訊社會,如今資訊化並無法充分解決經濟發展所帶來的社會問題,如人口結構老齡化、勞動力不足、資源及糧食短缺、環境及氣候變遷、自然災害及安全保障等社會課題;日本政府在歷經了多次社會重創後,率先提出了「社會5.0」政策(Society 5.0 Policy),並將「社會5.0」定為日本主辦2025大阪世界博覽會的主題。「社會5.0」主要訴求以”生活”為中心,以物聯網、大數據、人工智慧、機器人等技術為基礎,利用跨領域科技創新,智慧整合各領域之數據、網路與實體空間,擴展應用到所有產業和社會生活中,不僅要提升產業競爭力,還要提升生活的便利性及社會的韌性,以智慧機器人取代大部分勞力、以AI解決大量資訊整合、分析及反饋,以IoT整合資源分配及效率,所以「社會5.0」又稱為超智慧社會。

松下株式會社為日本最大電機製造商,電池技術更領先全球,近年來響應日本政府「社會5.0」政策,應用其核心技術及活用企業閒置廠房土地,以造鎮模式積極建構低碳永續智慧城市(SST – Sustainable Smart Town),從智慧基礎建設的建置,到智慧空間設計,再發展整合式智慧生活;目前主要成功開發案例為日本神奈川縣藤澤市智慧城市開發案(Fujisawa SST),利用松下株式會社原電視工廠19公頃舊廠址,開發容納1000戶、3000人之智慧住宅及相關設施,設計概念分為智慧能源、智慧交通及安全安心三大構面:

(1)智慧能源:以「創能」、「蓄能」及「節能」設計,達能源自己自足目標。以屋頂太陽能板分散發電、集中智慧能源管理及節能家電、獎勵節能等執行措施,形成區域共生型智慧能源模式。

(2)智慧交通:以充電式交通工具及共享概念出發,並在空間設計上導入充電方便、有效路徑規劃及集中管理模式,達到低碳智慧交通城市。

(3)安全安心:除智慧商業設施及教育福利設施外,更導入ICT健康照護系統、環控系統及保全智慧系統,並設立網站平台,資訊揭露共享,達社區共創共享、安全安心智慧城市模式。

松下低碳永續智慧城市(SST)規劃了100年願景,希望以”生活”為中心,形成有機體發展城市,達成CO2排放量消減70%、生活用水量減少30%及再生能源利用率高於30%,並能與時俱進之發展目標。

綠色處方箋

在能源發展政策上,日本政府提出了「3E+S」處方箋,3E為Economy(經濟)、Environment(環境)及Energy(能源),S則為Safety(安全),如何在安全的大原則下,開發清潔有效能源,降低環境衝擊,以維持經濟永續發展,看來才是真正的綠色解方。



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