再生能源需要大量土地面積,臺灣是否適合發展再生能源?

出處 核研所 作者 黃孔良 年份 2018/04
報告類型 能源簡析 分類 新/再生能源 新/再生能源 新/再生能源 |風力發電 太陽能發電 地熱 資料時間 2018年4月

    隨著2015年聯合國氣候峰會通過巴黎協議後,各國多訂定明確的承諾,將增加再生能源和能源效率的投資,力求實現將全球增溫控制在2℃以下的目標。不過台灣地狹人稠,尤其是近年來國際再生能源發展的主力太陽能與風能,已列為台灣能源轉型的重要發展項目,但太陽能發電量受日照條件影響,陸域風能也受限風速條件的影響,且都有與民爭地的疑慮,使得前述再生能源發展受到許多輿論質疑。離岸風能亦是我國未來重要的能源選項之一,惟使用的土地不涉陸地,故以下將排除討論。另由於台灣位於環太平洋板塊交界,擁有豐富的地熱蘊藏資源,使地熱能也成為台灣發展再生能源發展的潛力項目,地熱能是否適合在國內發展也受到了注目。

    以下將藉由探討上述新興的再生能源占用空間及相關土地盤點,來瞭解於國內發展再生能源的可行性。

再生能源佔用空間

    探討再生能源發展時,最常被討論的議題就是使用土地面積問題,目前主力發展的再生能源如風能和太陽能在單位發電面積的表現仍不及傳統能源,由表1(經濟部,2013;林錦仁,2000;能源局,2016)可得知再生能源的使用土地面積仍較傳統能源高,其主要原因就是風能及太陽能都具有間歇性的特徵,無法全時發電,使得每單位面積發電量較可全時發電的傳統能源小,從表1也可以端倪,由於風能及太陽能都具有間歇性的特徵,其陸域風電及太陽光電容量因子分別為28%及14%(離岸風電為38%),地熱發電相較之下屬於能穩定供電的再生能源,根據國際能源總署(International Energy Agency,IEA)的資料,地熱發電平均容量因子為75%,但我國1980年代興建之宜蘭清水地熱發電廠資料,其屬於淺層地熱,營運時未注意尾水回注及遭遇到管垢堆積等問題(林錦仁,2000),在營運初始與營運末期的發電量衰減幅度相當大。而目前深層地熱的發展技術為「加強型地熱系統」,然其必須回注水體或以水力破壞方式進入地熱的儲集層,並有引發地震的可能(陳宏宇、劉佳玫,2013),目前國際上已有法國於1987年商轉加強型地熱系統的1.5MWe科學先導型地熱廠,美國、英國、土耳其等國皆在試驗開發階段(林子耕,2018),國內也尚未採用。

    從表1可以發現太陽光電在單位裝置面積固定下,系統發電效率和日射量對於單位發電量面積之影響可達1倍。以日射量來說,國內日射量的分布為由北向南遞增,以嘉義、台東最高,基隆最低,基隆日射量僅台東的41%左右(徐翠華,2002)。而影響系統發電效率的因素則包含系統模組因素(如電池效率與線路損耗等)以及外在的環境因素(如氣溫、濕度、落塵等)(綠能趨勢網,2015),若環境因素與線路損耗因素不變,僅考量電池效率下,目前太陽能板商用模組的電池效率,在矽晶模組可達22.4%,聚光型模組約達31.2%(Martin A. Green 等,2017),相同條件下選用不同模組的年發電量差異近39%,意即在發電量相同下,使用高效率電池模組的用地面積為一般矽晶模組的72%。

    雖然風電與太陽光電所需面積較大,但傳統能源使用的土地具有獨佔性,難以用作其他用途。而再生能源使用的土地則可有多功能的用途,以太陽光電為例,如結合建築物屋頂的屋頂型太陽能,已在國內外廣泛推廣;在農業方面,日本研究生物學的光飽和點,超過飽和點後,太陽光反而不利植物生長,因此提出太陽光電與農業結合之農電共享,建議可採行太陽能板覆蓋農地面積遮蔽率為32%( Mae-Wan Ho,2016),而日本靜岡縣已有農場安裝太陽能板實現農電共享之案例(Japan for Sustainability,2014),桃園農改場也試驗在40%遮蔽率下,蝴蝶蘭、文心蘭、香莢蘭(香草)、魚腥草等14種作物,可維持70%的產量(陳文姿,2017);另外在中國大陸漁光一體之研究,魚塭結合太陽光電之設置面積可達75% (索比光伏網,2015),近期也在青島完成漁光一體的太陽光電併網發電(時代論壇網,2018),國內如台南梅佳牧場安裝太陽能板後,不但牛舍溫度降低,且夏季泌乳量也不減少(聯合新聞網,2017)。顯示太陽光電可與不同產業共存,不必如傳統能源一般,需要額外專用土地生產能源。

    風電傳統上已運用在農業泵送灌溉用水上,而現今的風力電場則幫助農業在本業發展外,可獲得更多的營利來源(Mason Inman, 2011),例如在美國,農民或牧場主將地租給風電業者或自己成立風力發電站,德州牧場利用風力發電機為牛群抽水,愛荷華州農民在土地上種植玉米,並且同時進行風力發電(Union of Concerned Scientists,2003)。在丹麥,透過風車協會(vindmølleaug)整合開發,農民也可在種植作物的收益外,獲得額外的收入 (WIND-WORKS.ORG,2004) 。一般規劃風力發電所需場域,以葉片直徑為D,設置間隔為迎風面間距2~4D,縱向間距為4~6D,方可避免影響風機效能(陳一成,2016)。以石門風力發電站丹麥Vestas47機組為例,其葉片長度23.5公尺(直徑為47公尺),風機高度45公尺,基柱直徑為3公尺(www.sparesinmotion.com),實際占用地面的基座面積約為7平方公尺,佔實際風場面積比例僅0.04%(7/(2*47*4*47)。

    由上,顯示再生能源雖然單位面積發電量較傳統能源低許多,但卻可兼具發電與農、漁業或商業生產等多重性的功能。

土地盤點

    探討再生能源佔用空間的議題後,國內有哪些土地適合發展再生能源及相關再生能源潛力的大小,也是值得關心的議題。

    在太陽光電用地方面,經濟部能源局於2016年9月之「太陽光電2年推動計畫」公告國內太陽能發展可使用之地目,屋頂型太陽光電包含中央公有屋頂、工廠屋頂、其他屋頂、農業設施;地面型聚焦四大主軸:鹽業用地、掩埋場及已受汙染土地、嚴重地層下陷區、水域空間(水庫、埤塘、滯洪池、魚塭等) (經濟部,2016)。而在2017年11月8日行政院排除產業投資障礙穩定供電策略記者會簡報中,增加桃園埤塘、彰濱工業區崙尾東及崙尾西土地、台西工業區土地、農委會文蛤養殖專區、國防部閒置營區、財政部國產署國有土地等項目,彙整如表2 (經濟部,2017) 。而國內研究,尚提出如國道或鐵路旁用地、休廢農耕地、與閒置機場或港口等地目(呂錫民,2010;熊正揚,2012;郭成聰,2014)。

    國內研究太陽能裝置容量之潛能,根據黃孔良(核能研究所,2017)彙整之國內屋頂型太陽能裝置容量如表3,若不考量建築物使用年限,其裝置容量潛能可達54.7GW,以20年內建築物與農業設施合計之屋頂型太陽能約有10.8GW裝置容量之潛能,而地面型太陽能可用面積約1095.59平方公里,裝置容量潛能約71.9GW,但其中58GW為農耕用地,若以目前政府政策規劃方向排除農耕用地後,裝置容量潛能僅剩13.6GW,裝置容量如表4。

    其中因鹽業用地、農業用地涉及生態保育與糧食供給的問題,目前政策在開發上傾向縮限使用面積的開發方式,如國有財產署列管之鹽業用地面積約40平方公里,而能源局公告開發範圍約8.03平方公里;農業用地則規劃以嚴重地層下陷不利耕作區、受汙染農地為開發對象,排除農耕地以減少對糧食供應之衝擊。水域空間部分,為避免影響水庫水質,目前水利署規劃水庫設置太陽能板的面積也以5%為上限。而屋頂型太陽能在政策上雖未做限制,但考量建築物使用年限與躉售機制之年限,宜以20年內建築物做為開發對象(馬維揚等,2014)。

 

 

    在陸域風力方面,風力發電機要有效運作,其風力需介於蒲福風級表3~7級間(3.4-17.1公尺/秒)(經濟部風力發電4年推動計畫網站)。國內研究對陸域風能蘊藏量仍有相當差異,潛能由1.6GW~7.7GW (Chen et al., 2010;曾詠恩,2006)以平均風速大於4.5公尺/秒區域估算,約含有4.6GW潛能(陳一成,2016)。工研院(2016)台灣2050能源情境供需模擬器資料顯示,若得到大多數民眾認同,且開發法規大幅降低,並納入最新噪音規範的情形下,2030年可完成平均風速 5m/s 以上,總數 2,430MW 的風場開發。若統計台灣陸域風機可設置數量,以VESTAS V80為單位,設定機組間合理間隔定為東西向 500 公尺及南北向 1,000 公尺,以計算出每張航照圖上土地可利用面積及其中最多可配置之風力機數量。呈現台灣各區域可裝置風機數量如表5。由表5可估算出台灣陸域約可設置3,881部風機,佔面積約1,941平方公里(0.5平方公里*3,881部),若以每部風機裝置容量2MW,則台灣陸域風能約有7,7GW裝置容量潛能,較2025年政策目標1.2GW為高,然上述分析所呈現的是我國陸域風電可能裝置的最大潛力, 實務上, 我國在規劃陸域大型風力機組之推廣裝置容量時, 應已同時考量風力技術的經濟可行性及政府財政負擔, 因而僅設定 1,200 MW 為目前陸域風力機組推廣目標量(溫佩伶等人,2014)。

    在地熱發電潛能部分,國內曾有團隊以國際新發展的增強型地熱系統 (Enhanced Geothermal System, EGS)概念,重新評估全島深部地熱,認為台灣地區的地熱資源量可達 159.6 GWe,可開發潛力高達 33.64 GWe,包含東北部宜蘭地區、北部大屯山火山群、中部廬山地區與花東地區,涵蓋面積約1,719 km2,如表6。

    另有研究根據臺灣區域性熱流分布之地溫梯度數據,使用美國、紐西蘭、日本等國際地熱先進國家常用之蘊藏熱能法(Stored Heat Method)來估算,並以150℃為最低開發溫度,推估3~6公里深度之EGS發電潛能,其結果顯示,臺灣本島之九大增強型地熱系統潛能區之總分布面積約4,532km2,約佔全島面積之12.5%,平均溫度約208℃,總儲藏發電潛能理論值約31.8GW,此一數據並納入能源局2014年能源產業技術白皮書中,如表7。

    雖然地熱潛能區域分布面積廣闊,但地熱發電能否具有經濟效益的最大因素為選址的工作(陳宏宇、劉佳玫,2013),上述用地可能位於高山區、國家公園保護區,是否適合開發與開發面積大小,仍需視當地的地形結構,有無酸蝕、結垢因素(經濟部中央地質調查所,2012),與用地合法性等因素作評估。而郭佳韋(核能研究所,2015)也指出上述地熱潛能為模型直接套用台灣地底地溫梯度分佈所運算出來的理論值,但實際可開發量則會受到技術成熟度、都市規劃及地質環境限制影響,若採工研院所發展的臺灣2050能源供需情境模擬器評估,較為樂觀且有可能實行為Level II或Level III,優先開發傳統淺層地熱,待國外EGS技術發展成熟再引進發展,可兼顧再生能源發展與開發成本的支出。目前於臺灣2050能源供需情境模擬器顯示Level II或Level III 之2050地熱潛能分別為1.2GW、2.1GW。

    綜上各種再生能源,其發電潛能皆具有相當之規模,太陽能(僅考慮地面型,因屋頂型為使用既有建築物,並無實質新增用地需求)、陸域風能及地熱的全部潛能開發面積達7千五百餘平方公里,佔本島面積約21%,如此大量的土地佔有必然是不可能。但如果相視於目前能源局新近宣示的2025年再生能源建置目標,地面型太陽能17GW、陸域風能1.2GW、以及地熱0.2GW,與上述的潛力占有面積相比較,地面型太陽能約為250平方公里、陸域風力約為302平方公里、加上地熱約為9平方公里,2025年再生能源建置目標的佔地面積約為本島面積的1.6%。以我國當前發展再生能源的目標從佔地面積的觀點,應屬合理。當然,更多的潛在能源場址能否適當開發,仍需考量技術面、生態面、法規面、社會面、成本效益面等因素,即使連景觀面也都需考量,以免破壞環境,反而違背發展再生能源的美意。

 


    參考文獻

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