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德瑞克說碳金融》第三十一講:氫能源的隱形冠軍 ─ 智利(下)

不同於石化燃料所發出來的電,太陽能與風力這些可再生能源,在發電過程中不會產生二氧化碳,稱之為無碳電力。在大減碳時代下,智利擁有了這麼豐富的可再生能源,是很多國家夢寐以求的。那麼拿了這麼一副好牌的智利,要用甚麼策略,在這場全球的低碳競賽中,搶下一席之地?

大家好,我是德瑞克,我對氣候變遷議題下的碳金融有高度興趣,同時也抱著高度質疑。

擁有頂級可再生資源的智利,甚麼是它的下一步?圖片來源:https://pixabay.com/

上一講,我們從地理與歷史的角度上,認識了智利擁有絕佳的可再生能源。「北有驕陽,南有強風」,北部阿塔卡馬沙漠的太陽能,與南部巴塔哥尼亞的風能,都稱得上世界頂極豐富的天然資源。

下圖南美洲的可再生資源分佈圖,顏色越接近咖啡色代表能量越強,可使用的再生能源越多。左邊是太陽能,右邊是風能,很清楚地把智利「北有驕陽,南有強風」的優點表露無遺。

(圖片來源:3TIER)

不同於石化燃料所發出來的電,太陽能與風力這些可再生能源,在發電過程中不會產生二氧化碳,稱之為無碳電力。在大減碳時代下,智利擁有了這麼豐富的可再生能源,是很多國家夢寐以求的。

那麼拿了這麼一副好牌的智利,要用甚麼策略,在這場全球的低碳競賽中,搶下一席之地?

首先,用可再生資源把電發出來,只是第一步。更關鍵是下一步,這些電力要怎麼運用呢?

打個比喻,用太陽能與風力發電,就像是農業,都是看天吃飯的。所以它們有一些雷同的特性:

第1, 電力發出來就得立即使用掉,就像蔬菜水果收成之後的保鮮期很短。蔬果採收之後,要嘛趕緊上貨車去趕市集,要嘛就是得找到方式儲存起來,例如製作成果乾、果醬或是罐頭。

電力也是一樣,發電之後要嘛即刻供給電網上用戶的需求,若是電網需求沒那麼多,剩餘的電力就得轉換能量形式儲存起來,而「氫能源」也是電力轉換的其中一種儲存形式。

第2, 就像蔬菜水果一樣,中間運輸的成本需要被考慮進去。所以水果蔬菜到消費者手中的價格,往往跟產地價格差一截。因為買賣運輸過程中包裝,保護、運送以及到期後賣不出去的風險,都會轉嫁成本到終端消費者身上。

電力也是如此,用可再生能源發電的邊際成本也許低,但是建立高壓線路長途跋涉,將電力送到都市來,成本可不低。這些輸配電成本將影響到第三點。

第3, 「穀賤傷農,穀貴傷民」。當天氣適宜,產地作物產量暴增的時候,因為保鮮期時間壓力,當運輸與消費市場來不及吸納多餘產出,往往會導致農產品價格暴跌,甚至因為採收成本比收入還差,乾脆棄置在產地。

一樣的狀況也可能發生在可再生能源的發電地點,當變動的太陽能或風能所產出的電力,一下子超過電網所需要的數量時,往往會有「棄光」與「棄風」的狀況。

下表是台灣環境資訊中心的資料,顯示在2016年時,中國可再生能源豐富的西北省分,因為變動的電力產出比需求多,而導致的「棄風」「棄光」率高達兩成到四成。

(資料來源:https://e-info.org.tw/)

若是以整個國家來看,從2018年的數據顯示,相較於中國整體(3%)與德國(0.3%),顯然智利的「棄光」率偏高(6%)。主要原因當然是因為發電位置(阿塔卡馬沙漠)與用電負荷中心距離太遠,地理位置上的不匹配,以及電網沒有做最佳配置,導致珍貴的陽光資源沒法使用。

作者整理製表。(資料來源:Sol Energy. 2020 Sep 15; 208: 1068–1077.)

所以,關於最大化使用可再生電力,智利有甚麼策略?

以下是智利大學發表論文《智利出口可再生能源的潛力》(The Chilean Potential for Exporting Renewable Energy)所提出的四種方式,根據圖表中的(a)、(b)、(c) 、(d)分別說明如下。

(圖片來源:https://www.researchgate.net/)

(a) 使用跨國互聯電網,直接從產出出口電力。

(b) 將電力轉換成「氫能源」(或者氫能源的副產品:合成燃料、化肥、其他化學產品),然後透過管道或者船運出口。

(c) 在地使用可再生能源的電力製造產品,然後將產品外銷出口。

(d) 將產業知識與研發能力,變成智慧財產出口。

因為c跟d選項比較屬於間接延伸的範圍,本文中我們討論a跟b選項。

用前面的蔬果生產來類比,a選項(用跨國電網出口電力)就像是將新鮮蔬果拉上貨車趕市集。好處是電力不用做轉換,因此效率高。但是缺點是容易受電力交易市場的波動,價格不穩定,可能導致棄風棄光率上升。

而b選項(轉換成「氫能源」出口),就像是將新鮮蔬果做成蔬果乾,雖然需要額外花成本(製作果乾要用烤箱乾燥水果,而生產氫能源則要建置基礎建設),但是好處是對市場價格的掌握度較高。

因為智利擁有的「風」「光」資源,就像是倚天劍與屠龍刀,太吸引人,上述不管a跟b選項都讓人有很大的想像空間。

我們先來談談跨國電網互聯。透過高壓線路或是電纜,電網互聯可以讓不同城市、國家之間,進行電力傳輸與控制,讓不同地區能互相截長補短。

我們先來看看其他人對智利的想像。從全球能源互聯網發展合作組織研究出版的《中南美洲能源互聯網研究與展望》中提到,南美ABC三強(阿根廷Argentina,Brazil巴西,Chile智利),剛好各有各的資源:阿根廷有巴塔哥尼亞的風能,巴西有亞馬遜的水力,智利有阿塔卡馬沙漠的陽光,互補起來,豈不是太完美了嗎?

(資料來源:《中南美洲能源互聯網研究與展望》)

更讓人想像無限的是,這三樣天然資源不只豐沛,而且在季節上竟然還能互補。南美洲在南半球,夏天跟我們相反,所以智利太陽照射的旺季是十月到隔年的三月,也就是下圖中的紅線。

而巴西的為期半年的雨季,在每年的十月到隔年四月,降雨會逐漸增加水量,等到水量充足了,就有水勢帶來發電量。因此巴西的水力發電在每年的一月到六月是高峰期,呈現為下圖中的藍線。

阿根廷的風力則呈現上下起伏,四到十月是比較高峰的時期,也就是下圖中的綠線。

(資料來源:《中南美洲能源互聯網研究與展望》)

這讓提出《中南美洲能源互聯網研究與展望》的全球能源互聯網發展合作組織(簡稱GEIDCO)相當興奮,提出了中南美洲大電網的架構:「北水南送、南風北送、西光東送,跨洲互濟」。(如下圖箭頭為架構的電力傳輸方向)

(資料來源:《中南美洲能源互聯網研究與展望》)

等等,不知道各位是不是跟我有一樣的感覺,上面這一張圖,似乎把南美洲的電力都往同一個地方送(標示藍色星星處)?

而那個地方剛好就是巴西的沿海主要城市,包括里約熱內盧與聖保羅,這些都是人口密集的都市,也是需求用電量大的地方。下圖為巴西人口分佈,粉紅色與紅色代表人口密集的都會區。

(巴西人口與城市分布,資料來源:graph.baidu.com)

為什麼中南美大電網的重心在巴西?這得讓我們來看看出報告的全球能源互聯網發展合作組織(簡稱GEIDCO)是甚麼組織。

根據百度資料,GEIDCO是由中國電力傳輸的龍頭(國家電網)在中國民政局登記的國際組織,由國家電網董事長劉振亞擔任該組織首屆主席,副主席則有三位:前美國能源部部長朱棣文、國家電網總經理舒印彪以及日本軟銀集團總裁孫正義。從成立歷史與主席名單可看出,這是個中國色彩濃厚的國際組織。

另外,巴西電力公司是GEIDCO組織的首批理事。而且中國全速發展特高壓直流輸電技術的後,巴西是最支持這項遠距輸電技術的國家之一。

智利的豐沛資源,大家都想分一杯羹。需要電力的巴西與需要拓展影響力的中國,都想要借助智利的天然資源。

雖然跨區互聯電網的好處很明顯,可彌補再生能源的不確定性,減少整體資源的投資,這是大同世界的理想。可是在南美洲,大部分國家都還在追求經濟增長,希望吸引更多外資投資之後,出口電力增加國民所得,因此都希望出口大於進口,也因此很難真正得截長補短。

再加上各國政局不穩定,監管法規不一致,都對合作造成風險,這也是南美洲跨區電網難以全面開展的因素。

因此智利並沒有特別熱衷於南美洲內的跨區電網,目前僅有一組互聯線路連接阿根廷,另外一路連接秘魯的則還在施工中(下圖藍色框)。

(圖片來源:https://www.researchgate.net/)

設身處地想想,如果你能生產當區最好的蔬菜水果,你會想要賣給鄰居(而且鄰居可能同時也想賣菜給你)?還是想要包裝成禮盒做外銷?這個簡單的道理我們懂,智利也懂。

所以在2021年11月時,當時的智利總統皮涅拉(Sebastián Piñera)在亞太經濟合作會議上提出了一個狂想,要建立一個長達兩萬公里的海底電纜,把智利沙漠的充沛電力,跨過太平洋送到亞洲來。

這真是一個瘋狂到極點的想法!人類目前已經完工的最長電纜,是從挪威到英國,也才長720公里。竟然想建一條兩萬公里的海底電纜,而且穿越世界上地震最頻繁的太平洋火環(Ring of Fire)!先不論造價要多高了,光是往後地震來時要怎麼維修都是天大的難題。但是從總統口中提出這麼瘋狂的外銷想法,由此可知智利有多麼急切的為電力找出海口。

跨區電網的方式出口電力談完利弊,智利決定要大力的發展選項b,將能源轉換形式,把電力轉換為「氫能源」出口。

既然現採的蔬果吃不完,那就做成另外一種形式:蔬果乾吧!就像乾燥香菇一樣,先曬乾了好保存,等到要吃的時候再加熱水泡開。

氫能源也一樣。當陽光普照而發電充足的時候,就用多餘電力把水電解產生「氫氣」,然後可以把氫氣出口外銷,等到要用能源的時候,再把氫氣轉化成電力來使用。也就是「電力→氫氣→電力」的過程。

智利公佈了國家綠色氫戰略,這是目前世界上最野心勃勃的電解槽裝機計畫,預計到2030年要裝機容量到達25GW,比歐洲的國家們(法國、德國、英國、西班牙)都高出數倍。

(2030 年智利的電解槽裝機目標,資料來源:https://www.renewable-ei.org/)

根據智利的國家氫能源戰略,智利要做世界上最便宜的氫能源供給者,到2040年時,要成為世界前三大的氫氣出口國。

現在的綠色氫(下一講會介紹)的生產成本大概在每公斤五美元左右(USD$5/Kg)。智利規劃到2030年,阿塔卡馬沙漠太陽能約可達到USD$1.4/Kg氫氣生產成本,而巴塔哥尼亞風能約可達到USD$1.3/Kg的氫氣成本。這個數字比中東,澳洲,中國都還更低。

(資料來源:智利能源局-國家綠氫策略)

而製造氫之後要賣給誰?智利的目標客群是美國跟日韓。

估計生產到儲存到運送的費用,智利希望能控制在USD$2.5以下。如果這能成真,將會使得氫能源比石油更便宜,這將會非常有市場競爭力。

因為根據美國能源署(DoE)的計算,一公斤的氫氣的能量約等於一加侖汽油的能量,而現在美國的汽油售價大約是一加侖USD$4.72左右。

(資料來源:智利能源局-國家綠氫策略)

各國氫經濟競賽已經進行中,智利只是其中一個選手。有天然可再生能源對於生產氫氣很重要,從下圖可以看到國際能源署(IEA),根據各地區的再生資源估算的綠色氫氣生產成本;越是深紅色表示可再生能源豐富,生產綠氫的成本越低。可以看到智利,非洲的納米比亞,埃及,中東與印度,甚至西藏都因蘊藏豐富的太陽能與風力而潛力無窮。

(世界綠氫生產成本地圖,資料來源:IEA)

很多人相信「氫能源」是未來的燃料,歐美日中各國都為「氫能源」制定了戰略路線,希望在這場競爭中搶得先機。但是也有不少人不相信,當中就包含了特斯拉創辦人馬斯克(Elon Musk)。馬斯克說「氫能源」是他能想到最愚蠢的儲能方式。

為什麼支持與反對之間有這麼大的歧見?「氫能源」的優點與缺點,下一講我們來說說。

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