2016年世界能源展望(WEO)--風力發電現況與未來發展

出處 核研所 作者 楊珍鈐 年份 2017/05
報告類型 能源簡析 分類 新/再生能源 |風力發電 資料時間 2017年11月

一、 前言

    全球能源的發展隨著氣候變遷的議題,尤其是2015年12月的COP21會議後各主要國家陸續完成簽署承諾達成國家自願減碳承諾(NDC)的文件,從2015年至2016年是一個重要的跨越轉變時期,特別是呈現在各國的新能源政策和投資上。國際能源總署(International Energy Agency, IEA)在2016年底發佈的世界能源展望報告(WEO 2016)針對上述的轉變,彙整現況以及針對三種發展情境(目前政策情境、新政策情境及450情境)做出全球性以及主要幾個國家的能源展望分析,WEO 2016還特別增加水和空氣這兩個也和能源與環境息息相關的分析章節。依據 WEO 2016報告的統計,2014年再生能源在全球電力和熱能的供給上佔約20%,分別為水力14%、生質能2.7%、風力2.6%、地熱0.3%、太陽光電0.3%、其他聚光型太陽能和海洋能等都小於0.1%。再生能源在全球建築、工業、和交通三個部門的電力和熱能的供給上各占其12%、11.5%、和3%。
本文將針對WEO 2016報告關於風力發電發展之現況,並分別進行風力發電發展現況及在三個情境項下的市場分析,以及風力發電在各項能源中展現的競爭力。

二、 風力發電的發展現況以及三種發展情境項下的市場分析

    在能源發展分析情境上,目前政策情境(Current Policies,CPS)代表的是截至2016年中全球各國執行中的能源政策情境;新政策情境(New Policies,NPS)則是CPS加上全球主要COP21簽署國家達成其NDC承諾的可能政策情境;450情境(450 Scenario,450S)則是更嚴格的要求達成聯合國氣候變化綱要公約(United Nations Framework Convention on Climate Change,UNFCCC)所設定的本世紀末全球增溫不超過攝氏2°C的情境。WEO 2016估計2015~2040年止,450S增加的減碳能力可以比NPS多減碳達201 Gt,減碳貢獻包括再生能源、節能、能源效率、碳捕存、核能、以及其他技術等,其中450S相當的倚賴再生能源的減碳貢獻,估計其佔450S的增加減碳能力達34%。因此,在再生能源的電力需求預估上(表1),NPS在2025年和2040年分別為8,960 TWh(89,600億度電)和14,271 TWh;450S在2025年和2040年則分別增加至9,890 TWh和19,883 TWh。其中除了水力發電外,風力發電均為最主要的再生能源電力貢獻者。

    2015年全球的再生能源投資額達到2,880億美金;在新增電力容量上(圖1),相較於化石燃料和核能,2015年再生能源是一個重要里程碑,佔比已超過50%,增加超過150 GW,近十年來,風力發電和太陽光電更是快速擴充,風力發電更是領先,在2015年的再生能源電力新增容量上,比前一年多出35%,新增65 GW(相較於太陽能的新增49 GW)。超過半數的風力發電新增容量來自大陸,大陸、歐盟(主要為德國)和美國合佔這些新增容量的80%。

    再生能源在2015年的電力裝置容量約1,985 GW,超過煤的1,950 GW。相視於化石燃料和核能,再生能源累計容量佔31%(圖2)。風力發電約占6%(384 GW),太陽光電約占4%(256 GW)。依據NPS情境2040年的預估,再生能源在電力容量上預估會達約5,138 GW,累計佔比會提高至46%;風力發電和太陽光電累計容量均分別達到約13%(各約1,452 GW)。

 

    若依據450S的評估,再生能源在電力容量的累計佔比上在2040年會超過60%,水力發電、風力發電、和太陽光電這三種發電設施的累計裝置容量都會超過2000 GW。風力發電在2016年的年新增裝置容量預估會比2015年稍減(圖4),但之後會恢復成長;2030年以後則會以每年超過100 GW的裝置量在成長,其中包括很重要的風力機汰換,此汰換將不只是新舊風力機的汰換,還包括過往發電容量較小的機種升級為容量較高的機種。值得注意的是,風力發電安裝的全球領先市場,預估雖依次為中國、美國、印度、歐盟、和其他OECD國家,但全球其他國家累計的年增加容量也會越來越可觀(圖3顯示)。

三、 風力發電在各項能源上的競爭力
    各項再生能源在市場上的發展與競爭有三個主要思考方向:(1)具備基本競爭力(competitive),通常指那些對投資者而言,不需政府補助或激勵即能有收益的再生能源;(2)具備財務誘因(financially attractive),通常指那些對投資者而言,必須有政府補助誘因才能有收益的再生能源;(3)具備成本效益的(cost-effective);通常指對整體社會而言,最具經濟效益的再生能源。
再生能源在電力市場上的競爭成本,通常可由兩個參數來表達,(1)單位裝置容量成本以 $/kW來表示,代表能源設施期初的設置成本,包括、土地、設備、監控儀器等;(2)單位發電量的均化成本(Levelised Cost Of Electricity , LCOE),以 $/MWh來表示,包括期初建置成本、運轉和維護、資產投資的負債與報酬、燃料成本、碳稅、社會與環境責任成本、除役費用等。
    在單位裝置容量成本方面,可調度的再生能源(Dispatchable Renewable Energy , DRE)而言,包括水力發電、生質能發電、地熱發電、以及聚光太陽能發電(Concentrating Solar Power, CSP),從2015年剛完成的計畫來看,全球平均的大型水力和生質能發電的裝置容量成本約為US$ 2,000/kW,地熱發電約為US$ 2,600/kW,CPS約為US$ 5,000/kW。以變動性再生能源(Variable Renewable Energy , VRE)而言,主要為太陽光電和風力發電,2015年剛完成計畫的全球大型太陽光電廠平均期初成本約為US$ 1,700/kW;但在德國、中國、和印度,則可以低到US$ 1,200~1,450/kW;美國、南非;和日本則稍高,可以高到超出US$ 2,000/kW;屋頂太陽光電的全球平均值約為US$ 2,400/kW。陸域風力發電約為US$ 1,500/kW;離岸風力發電則超過 US$ 4,500/kW。陸域風力發電在各種再生能源發電期初建置成本上,算是最具競爭力。
    至於發電均化成本LCOE,圖4顯示出美國、歐盟、中國、和印度在2015年完成的各項能源計畫的發電均化成本評估。對於可調配的再生能源而言,全球的

    完成的各項能源計畫的發電均化成本評估。對於可調配的再生能源而言,全球的平均值則以地熱最低,約為US$ 40~90/MWh;水力發電次之,約為US$ 50~140/MWh;生質能發電約為US$ 100~180/MWh;CSP則約為US$ 230~260/MWh。至於變動性的再生能源,2015年完成的各項大型太陽光電計畫,全球平均的LCOE約為US$ 135/MWh,各地區個別的計畫多數落在US$ 100~300/MWh;但最近有一些透過標售方式的計畫案,大型太陽光電的LCOE會低到US$ 50/MWh。屋頂太陽光電的LCOE較高,全球平均值約為US$ 260/MWh,但有一些各別安裝案例的LCOE會在US$ 100~400/MWh之間。陸域風力發電的2015年全球平均LCOE約在US$ 80/MWh,但也有在巴西的案例低於US$ 50/MWh,而在美國有些風場條件較差或市場較不成熟的地區則會高到超出US$ 100/MWh。離岸風力發電的2015年全球平均LCOE約在US$ 170/MWh。陸域風力發電與各種再生能源比較,在LCOE上與地熱均屬相對地較低,但離岸風力發電則是陸域風力發電的兩倍。
    針對太陽光電和風力發電在NPS和450S未來情境上的容量擴增以及成本競爭力來看,如圖5所示。對於太陽光電的NPS情境,2016~2040累計新增裝置容量超過1,400 GW(其中約800 GW為大型太陽光電,約600 GW為屋頂太陽光電);450S情境的大型太陽光電和屋頂太陽光電,依據圖6所示,合計之累計新增裝置容量則超過2,000 GW。風力發電2016~2040累計新增裝置容量從圖6觀之,在NPS情境約為1,500 GW(陸域及離岸),在450S情境也將超過2,000 GW(陸域及離岸)。

    整體而言,太陽光電和風力發電在未來的成本會持續下降,下降的幅度則多半是視個別的技術改進以及能源開發者營運經驗的累積而定。期初設置成本太陽光電會降至US$ 800/kW,陸域風力發電會降到US$ 1,400/kW,離岸風力發電則降至US$ 2,900/kW。從圖6可以看出,450S情境的成本降低會比NPS情境多,風力發電(包括陸域及離岸)的成本下降在2040年約達到10~60%,太陽光電(包括大型太陽光電和屋頂太陽光電)則約為20~70%。

    在LCOE的未來情境評估上,和圖5所示2015年的各主要國家的LCOE比較,在圖7顯示的 不管是NPS或 450S情境,再生能源的發電均化成本均比化石燃料下降速度快,因此更有競爭力。在2040年之前,風力發電和太陽光電在全球多數的市場都將低於 US$ 100/MWh,但同時期的化石燃料卻在上升,在多數市場都會遠高於US$ 100/MWh,這在450S情境更為明顯。離岸風力發電在2040年的450S情境中,除了美國稍高於US$ 100/MWh,其餘地區都降至US$ 100/MWh以下。
    風力發電也和太陽光電一樣,在未來會依靠設計技術、設備的改良精進、運維技術提升等,以降低競爭成本。因此,就基本競爭力而言,風力發電會逐年遞增已無庸置疑,但就全球多數地區而言,風力發電也和太陽光電一樣,仍需政府持續性的政策激勵15~25年的期間,以從具備財務誘因,而逐步過渡到完全不需政府補助或激勵即能有收益的再生能源地位。
    圖7顯示各種再生能源發電在NPS情境下,各自不需要政府補助的比例之全球逐年發展情形預測。到2040年,再生能源發電不需要補助的比例會佔超過60%,此時仍約有5, 000 TWh的再生能源發電還需要某些程度的政府補助。在可調配性的再生能源方面,水力和地熱發電本就具備基本競爭力,即使至2040年的新增裝置容量預估仍都不需政府補助;但生質能發電視其所運用的技術和各地料源供應等因素,其需補助的比例則相當不一致,估計至2040年,不須補助的比例約為40%。對於變動性的再生能源發電方面,由圖7所示,太陽光電不須補助的比例在2040年超過50%,陸域風力發電則超過70%。

    圖8顯示風力發電和太陽光電在NPS和450S情境上,所需各種程度的補助之比較。在NPS情境,至2040年,太陽光電產生超過2,100 TWh的電力中,約有1/3因已具備基本競爭力而不需要補助,13%因為補助到期而不再補助,約20%的補助低於 US$ 15/MWh;風力發電2040年產生約3,800 TWh的電力中,約1/3因已具備基本競爭力而不需要補助,約1/4的補助會低於 US$ 15/MWh。在450S情境,至2040年,約75%的變動性再生能源發電因已具備基本競爭力而不需要補助,其中包括高於1,000 TWh的太陽光電和約2,000 TWh的風力發電;太陽光電在其發電中不需補助的約佔50%,相較於風力發電,不需補助的則約佔1/3,主要是離岸風力發電仍需要稍多的補助(圖8比較)。

    在政府的補助上,WEO 2016 考量了全球對再生能源有補助政策的國家,對全球各種再生能源躉購電力的補助總額進行了估算,補助總額是以每個地區的發電均化成本和市場上電力價格的差異,乘上各地區各種能源的總發電量來估算。在2015年的全球所有再生能源的躉購電力補助約1,200億美元,比2014年約高出64億美元,風力發電和太陽光電的補助最多並持續成長,但生質能發電2015年的補助卻比2014年少約10億美元,主要為歐盟的某些生質能補助已到期。2015年各項能源的補助佔比為:太陽光電50%、風力發電30%、生質能發電17%、地熱和CSP各佔2%。2015年補助額前五名的國家依次為德國、美國、中國、義大利、和日本,佔全部補助的2/3。針對NPS情境,全球躉購電力補助在2030年達到高峰,超過2,100億美金,然後下降到2040年的1,700億美金(其中歐盟29%、中國14%、美國12%、日本6%、印度6%、其他國家總合約33%)。從2016~2040年,累計的總補助約3/4是給太陽光電和風力發電,20%給生質能發電、其餘的比例分給其他再生能源發電。但在2040年時,給太陽光電和風力發電的補助比例已從2015年的80%降至50%。若以再生能源每單位發電量的補助額而言,全球的整個補助趨勢從現在至2040年是往下的。針對450S情境,全球躉購電力補助會持續上升至2040年,達到約2,700億美金(如圖9)。

四、 結論

    本篇報告係針對WEO 2016報告進行與風力發電相關現況做部分的分析,包括:(1)風力發電發展現況及在三個情境項下的市場分析,(2)風力發電在各項能源的競爭力。風力發電在2014年和2015年每年新增容量分別為約50 GW和 65 GW(圖4顯示),預期到2040年,在NPS情境下的風力發電累計容量會從2015年的384 GW成長到約1,452 GW;若依據450S情境,則風力發電累計裝置容量在2040年會超過2000 GW。不管是NPS或450S情境,從2014~2040年,風力發電的電力需求成長在各種再生能源中都屬最高的,NPS情境成長3,164 TWh,450S情境成長達5,410 TWh。
    風力發電的競爭力,會倚賴未來在設計最佳化、設備的改良精進、運維技術提升等,以降低競爭成本。其期初設置成本和發電均化成本都會因上述的改進逐步降低,在450S情境下,陸域風力發電的期初設置成本成會降到US$ 1,400/kW,離岸風力發電則降至US$ 2,900/kW;發電均化成本則陸域風力發電會遠低於US$ 100/MWh,離岸風力發電則接近US$ 100/MWh。目前許多國家也會利用風場競標的方法,開放國際廠商以競標方式來取得風場,以強化期初設置成本的競爭和發電均化成本的降低。風力發電和太陽光電一樣,在目前都受到全球大多數國家的政策性補助,以從具備財務誘因,而逐步過渡到完全不需政府補助或激勵即能有收益的再生能源地位。不管是NPS或450S情境,在2040年發出的風力發電中,約1/3因已具備基本競爭力而不需要補助,約1/4的補助會低於US$ 15/MWh。
    我國目前陸域風力設置已達682 MW,離岸風電則已在2016年底裝置了兩部示範機組,設定目標在2020年完成離岸風場 520 MW,與陸域合計共1,720 MW;2025年完成離岸風場 3,000 MW,,與陸域合計共 4,200 MW。在未來十年內,風力發電的設置容量大幅增加,尤其是離岸風力發電,會是再生能源發展除了太陽光電以外的另一項主力。因此,本篇報告從WEO 2016報告內容中,略為分析出風力發電的市場和競爭力等面向,期以讓我們去深切思索我們的風力發電發展情境,在未來離岸風力發電宜縝密規劃選擇,個別風場陣列以大容量單一樣式風機當作目標,相關制度亦須配合修改以避免重蹈陸域風場開發問題;另透過躉購費率 適時調整與租稅優惠,以提高國內外業者投入之誘因,讓國內風力發電產業快速嵌入全球分工布局,並引領台灣成為全球風力發電系統供應商之一,以創造台灣產業發展新風貌及綠色工作機會。

 


附註:

[1] 2015年31%*6393GW=1985GW,風力發電容量6%*6393=384GW;2040年46%*11170GW=5138GW,風力發電容量13%*11170=1452 GW

[2] 106年陸域風場裝置容量1kW以上不及20kW者,躉購費率為8.9716元/kWh,而20kW以上者為2.8776元/kWh(未加裝LVRT能力者為2.8395);離岸風廠,選擇適用固定20年躉購費率者,為6.0437元/kWh,選擇適用階梯式躉購費率者,前10年適用費率為7.4034 元/kWh,後10年起適用費率為3.5948元/kWh。

 


參考文獻

[1] World Energy Outlook 2016.
[2] 我國能源供需結構階段性發展策略規劃,科技部106年專題研究計畫
[3] REN21《2016全球可再生能源發展現狀報告》Website: //www.ren21.net/gsr
[4] Global Energy Network Institute, GWEC.2016 全球風能協會最新資料Website: http://www.gwec.net/ 
[5] 2016年能源產業技術白皮書

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