火力发电优缺点解析,买天然气发电真的划算吗?

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  格拉斯哥第26届全球年度气候峰会COP 26上,印度在最后一刻反对使用「逐步淘汰」(phase out)煤炭,坚持使用「逐步减少」(phase down)煤炭,一字之差让瑞士等多个国家不满,但最终仍妥协,主席说,这是脆弱的胜利。

  火力发电真的有那么好?印度是脑子坏了吗,煤那么脏,大家都说不要再用,你还要用?

  弃煤不是很简单吗?再生能源取之不尽用之不竭,零碳排又没有PM2.5,大费周章烧煤干嘛?

  会说简单的,是因为没有搞懂当代电力系统运作的底层逻辑。

火力发电方式及优缺点分析

  电力系统是一个超大的人体系统,做的事情简单来说就是发电、输配电和售电,简称发输配售。发电的电力有几个来源,煤、石油、天然气、核能、抽蓄水力、再生能源,选项并不多。当代电力系统运作的底层逻辑,就是靠这几个「球员」团队合作,出事时要扛得住,一个都不能少。我们先来看看煤、石油、天然气这几种火力发电的方式:


(图一)大潭火力发电厂气轮机螺旋
图片来源:台湾电厂百年文史地图
 

· 汽轮机组发电

  将化石燃料的化学能透过燃烧反应产生热能,于锅炉炉内加热炉水,使其生成为高温、高压之蒸汽,继而推动汽机,使成为转动的机械能,再透过发电机将机械能转换成为电能。

· 气涡轮机发电

  将天然气或柴油喷入燃烧筒,与经过空压机的高压空气混合燃烧,产生高温高压的燃气推动气涡轮机,带动发电产生电能。

· 复循环机组发电

  组合气涡轮机与汽轮机组而成的发电方式。将气涡轮机的高温排气,直接排入热回收锅炉,将炉水加热产生蒸汽来推动汽机,再透过发电机将机械能转换成为电能。

· 柴油机发电

  将重油或柴油直接送入柴油机的气缸中压缩燃烧,燃烧后生成高温高压的燃气就会推动活塞作功,带动连接转轴的发电机转动产生电能。

发电机具 优点 缺点
汽轮机组 燃料成本低、发电容量大 装置成本高、启动较慢
气涡轮机 启动能力快速 燃料成本高、效率较低
复循环机组 可获得较高热效率、低空气污染物排放量,并可快速启动 通常使用天然气发电,也有燃烧轻油或重油的机组,但为了避免天然气供应中断导致不能发电,会将部份机组采双燃料方式,也就是可燃气或燃轻油,当然效率就要损失些许
柴油机 启动能力快速 燃料成本高、效率低、发电容量小

(表一)火力发电方式优缺点分析
资料来源:台电

燃煤、燃油、燃气三大火力发电球员是老屁股了,连同其他球员他们有四种值班的方式

  煤、石油、天然气取得容易,地下挖了就有,没有很高的技术门槛,每个国家都可以做。正因为如此,这三个球员是当代电力系统的老屁股了,他们担任主力球员的时间已经超过百年。

  因为技术及条件的许可,其它球员也陆陆续续加入,核能发电、水力发电,连同火力发电,大家团队合作,扛起了电力系统。每一种发电机组都有它的长处,也有它运转的限制,根据这些球员的脾气,在正常情况下,我们会将它们如此安排:

· 基载机组

  24小时可持续不断发电的机组,一上场就可以打全场。其实每一种球员都可以打全场24小时持续不断发电,但重点是有些球员你要他打全场,合约开出天价你请不起(燃气)。如果你是一个球队老板,在预算考量下,你就会买便宜又好用的球员请他打全场,这种球员就是燃煤、核能。

· 中载机组

  一天中可以启停的机组,有需要就叫他上场。每种发电都有需要的唤醒时间,不是随开随用,也不是说关就可以马上关。不过还是有很快可以唤醒的、不必太多热身就可以上场的球员,这么好用收费高一点没关系,这种球员就是燃气的复循环机组。

· 尖载机组

  一天中可以数次启停,且反应速度快的机组,有需要可快速上场。这种球员就是燃油、燃气、抽蓄水力机组。

· 备转机组

  需要待机准备应急的机组,平时当板凳球员,有需要就叫他上场。这种球员也是燃油、燃气、抽蓄水力机组。

  火力发电这三大主力球员工作如此吃重,要换掉他们谈何容易,所以虽然会让COP 26的主席不开心,但考虑到不只电力的需求,还有穷困的人民冬天燃煤取暖的需求,你也会跟印度一样,做出相同的选择。

为了扛起再生能源,先请天然气这个老屁股球员救援,却发现事情不太对劲…

发电球员 发电占比 说明
火力发电 82% 其中燃煤最高,其次是燃气,最后是燃油
核能 11%  
再生能源 5% 太阳能约占40%,其次则是废弃物发电23%、水力发电约20%、风力发电15%,以及生质能1%
抽蓄水力 1%  

(表二)2020年台湾发电结构
资料来源:台电
 

  老屁股球员们本来已经培养出团队默契,现在又新来一个再生能源,太阳能是一种间歇性能源(Intermittent energy),白天才有电,其他时间在睡觉,这使得白天时段传统机组使不上力,有些机组只好解联待机,但太阳能睡觉的时候用电需求还是在啊,这就是《能源高手的智慧电网商机攻略》中谈到的鼎鼎大名的鸭子曲线

  为了处理鸭子曲线,于是就让很快可以唤醒的、不必太多热身就可以上场的球员,刚刚说的燃气的复循环机组早上9:00解联,下午3:00再并联,然后让抽蓄水力机组调整至白天时段抽水,其他时段发电,适应太阳能的作息时间。

  当再生能源发电量大到影响电力系统一般调度的时候,为了让绿电先行,补上用电需求,只好买更多燃气的复循环机组,配合再生能源频繁降载解联、并联升载或长时间持续低载运转,让它出手救援补太阳能睡觉之后的用电。但如此一来就导致发电效率下降、产生更多的PM2.5和空气污染,以及更多的碳排放。

  这就成了环保里最吊诡的一种悖论,我们以为使用绿能好干净,但用系统思考的角度来看,我们恐怕只是挖东墙补西墙。

火力发电在可预见的未来,仍将常伴我们左右

  看到这里,你可能会觉得那不要用天然气发电总可以了吧,当然不是如此!不用煤、又不用天然气,你以为你有很多球员可以用吗?

  为了解决PM2.5和空气污染,以及碳排放的问题,球队老板正在调整阵容名单,例如跟一些不会打球但可以投球的「救援投手」储能或需量签约、问核能这个基载机组能不能多扛一点。只是做这些决定都不容易,需要出动你这位球队老板出来公投。

  归根究底,可用的球员不多,且出事了你需要他们来扛。此事古难全,只能说世事难料,对人要更好。

  看完这篇文章相信可以帮助你脱离一知半解,不再靠著吸收碎片化的知识或资讯,片面解读火力发电。如果你还想了解更多,也欢迎参加产业小聚,或加入绿学院LINE官方帐号,跟我们聊聊喔!建议用手机点选连结,或者扫描下方与我们同步QR Code。

  


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