簡介與應用能源統計中的分解分析法

Tony Yen
Tony Yen
Jun 9 · 7 min read

德國的能源轉型正在持續發生。2019年的前四個月和去年同期相比,該國的燃煤發電減少了1/5;而該國前五個月的綠能佔比也來到有史以來新紀錄47%。

德國綠能減煤的成果:12個月的移動平均與2000年相比,已經下降了1/3以上。圖片資料來源

然而即使是如此明確的成果,網路上仍不斷有謠言試圖建立德國廢核進程造成增煤增碳的錯誤形象。今天筆者便來介紹能源統計中常見的分解分析法(Decomposition Analysis),以定量說明德國電力部門過去20年來各因素對其減碳趨勢的貢獻。

分解分析法簡介

分解分析法將電力部門的碳排分成兩個主要因素:總耗電量改變造成的效應以及電力碳排係數改變造成的效應。在這兩個因素底下,我們又可以區分出其他子因素;比如總耗電量改變可以再分成國內用電需求的改變和電力進出口量改變兩項,而電力碳排係數改變則可以細分成各能源別佔比改變造成的影響。而在討論各能源別佔比改變對碳排係數造成的效應時,為了凸顯低碳能源佔比的影響,我們通常以平均電力碳排系數做計算基準值。

本文中使用的分解分析法之公式。C代表電力部門總碳排、E代表電力部門發電量、I代表電力部門的碳排密度、R代表不同能源別的發電佔比。下標0代表初始值、下標f代表一段時間後的變化值、下標i代表不同能源別。

德國電力部門減碳趨勢和分解分析結果

這篇文章分析德國2002年至2018年公用電力結構趨勢使用的資料。資料來源

我們參考之前Energy Chart上的歷年各能源別公用發電量,以及筆者整理過的各能源別生命週期碳足跡(因為是既有電廠的計算,故省略機會成本碳排),求出德國公用電力的總碳排和碳排密度如下圖:

可以很明顯地看出,如同我們過去一直反覆強調的一般,德國公用發電的總碳排和碳排密度都是不斷下降的,即使過去20年德國的核能的公用發電佔比已經從30%下降到13%也沒有改變這個趨勢,甚至最近幾年這個趨勢還有所加速(2019年前五個月德國公用發電的碳排密度約為每度380克二氧化碳當量)

接著,如果用前述分解分析法做資料處理,我們可以得到各因素歷年對電力部門減碳的貢獻比例:

我們可以看到幾個有趣的結果:
第一、2008年到2009年之間,因為金融海嘯,德國境內用電量和電力出口量都銳減,造成極大的減碳貢獻,隔年則發生相反的現象。許多批評德國廢核政策的論者討論碳排趨勢時都喜歡以2009年做為基準點,從分解分析中我們可以看出這樣會有嚴重的歸因謬誤。

第二、自2010年以後,德國境內用電需求下降,造成部分減碳貢獻。然而同期卻有電力出口量成長的情況發生,造成增碳的效應。一方面來說,這是德國褐煤機組應對殘載變動時,調度彈性不足的結果(所以在綠能大增的時段沒有做足夠的降載);另一方面,這凸顯了現行電力碳排計算時,沒有考慮進出口可能造成的誤差(更合理的計算應該是將發電碳排算在電力使用者上)。

德國公用發電量和境內公用電力需求的比較。可以看出自2010年以後德國境內電力需求已經穩健下降,但因為出口量持續增加,至2015年左右公用發電量才不再成長。

去年有研究指出,考慮進出口效應的話,德國2014年的電力部門碳排會減少1000萬頓二氧化碳當量,這大約是3.6%的減幅;Energy Chart的經營者則指出如果德國的電力系統沒有電力進出口只能透過境內資源反映殘載變動所需的調度彈性的話,褐煤發電量最多可以減少37%

如果德國沒有辦法和鄰國進行電力進出口,境內的褐煤使用量最多可以下降37%。資料來源

第三、福島核災之後,德國迅速關閉境內17座反應爐中的8座,因此在2010年到2011年的分解分析中確實看出此一突發狀況造成的短期碳排增量。然而長期來看,逐步廢核對減碳的負面影響其實十分有限。在2013年以後,減煤每年造成的減碳貢獻已經大於減核的增碳效應,而同期綠能的爆發式成長則造成更進一步的減碳效應。德國晚近電力部門的變化印證了綠能減煤、漸進廢核的轉型路徑確實可行

僅考慮各能源佔比變化對碳排係數影響造成的減碳貢獻。可以看出核能除役主要在2011年到2013年對德國的減碳趨勢有比較多的影響,在那之後影響便不再顯著。

「核綠共存」的反事實論證能否成立?

執筆至此,事情已經很明顯了:德國能源轉型過程中,綠能成長及其造成的減煤效果,對於電力部門減碳的貢獻最大;核能逐步除役雖然在2011年左右對碳排有短期的負面效應,但在近幾年已經不若綠能減煤的貢獻顯著;而褐煤電廠的調度不彈性造成的出口量增加,亦在晚近得到抑制,不再造成顯著的負面碳排效應。一言以蔽,過去20年德國的電力部門轉型增綠減煤、既廢核也減碳

然而或許有讀者會問,發展綠能一定需要廢核嗎?亦即,是否有一個「核綠共生」的情境,在綠能增加的情況下保有核能,達到更大的減碳目標?然而不論就政治、經濟、系統調度的角度,這樣的反事實論證實難建立。

以德國過去的能源政治來看,要求發展綠能的政策倡議一直都和擁護核能的聲音有所衝突。從90年代末傳統電力業者提出「再生能源不穩定、無法佔電力系統超過5%」的說法,到今日德國國內零星擁核的聲音,依然持續聚焦在再生能源「無法成為基載」等論述上;在這套「基載優先」、「穩定至上」的框架下,只要繼續保有核能、繼續讓系統存有過度非彈性的機組,綠能的滲透量就會持續受到抑制,從而形成一道自我實證的預言。如果沒有過去40年來方興未艾的反核運動、迫使德國核能佔比下降,德國的綠能會得到足夠的早期政策支持,而發展到如今的規模嗎?筆者非常懷疑。

即便撇開政治上的核綠矛盾,從經濟上和系統調度上來看,一個以核能為主的電力系統和以綠能為主的電力系統,需要的是完全不同的調度思維。過多低邊際成本的電力在批售電力市場上,只會大規模侵蝕核綠各自的經濟價值,甚至加劇非彈性調度造成的電力出口量;如果頻繁要求核電廠升降載或啟停機,則會增加核電廠維運成本、減損運轉壽命、提高事故風險。從各種觀點來看,「核綠共存」的情境極難成立;討論一個再兩年半就要全面廢核的國家當初應不應該走向非核家園,眼下已無太多意義。

能源轉型文摘

這系列文章收錄各種能源轉型最新的學術研究、新聞或文章。

Tony Yen

Written by

Tony Yen

A Taiwanese student who studies in the master program of Renewable Energy Engineering and Management in University of Freiburg.

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