100%再生能源？多國能源學者：真的可行！
關於100%再生能源是否可行，學界的意見本就兩極，去年夏天因為Mark Z. Jacobson的一篇論文被懷疑論者大做文章，而復在歐美能源圈引起辯論。
Jacobson這篇2015年的經典論文用了高時間解析度下求出的美國各地風光電力輸出情況，結合一些儲能和可調度再生能源的選項，模擬了一個能穩定運作6年、完全由再生能源做初級供應源的能源系統。這樣劃時代的研究方法和結果，使這篇論文拿到該年PNAS的Cozzarelli獎提名（每年16000份刊上期刊的論文只有6份能得到此殊榮）。
樹大招風，2017年夏季的時候，幾位能源學者刊登質疑Jacobson研究方法的論文在同樣的期刊。
那麼，他們最大的質疑是甚麼呢？其實就是Jacobson在2015年的文章裡，假設美國未來會在增加水庫渦輪功率，提升水力發電的瞬時輸出電力。
這些人認為這樣的工程不可行（當然網路上也有不少人曲解成Jacobson的情境裡是要美國多蓋水庫）。那如果沒有這些增加的功率對100%再生能源的情境有甚麼影響？他們沒有深入討論，反正重點是，因為水庫的情境設定不合理，得證100%再生能源不可行。
為了反駁這樣子的質疑，今年年初Jacobson發表了多重情境下世界139個地區達到100%再生能源的可行方式。在多重情境中，Jacobson增加了「假設水力發電瞬時最大功率不變」這個情境，很明顯就是對去年質疑聲浪的正面回應。
值得一提的是，Jacobson這次的研究裡也包含了一些孤島電網，比如古巴和台灣都有被納入。雖然這只是一個初步的模擬，我認為有興趣推廣100%再生能源的公民團體應該可以和Solution專案合作，從這樣模型和結果出發，精進一些參數設定後提出能影響政策的100%再生能源藍圖。
在Jacobson給出世界大部分地區100%再生能源情境的藍圖以後，近日一篇由德國、南非、丹麥、芬蘭、荷蘭等研究者跨國撰寫的文獻回顧，則是整理了包括Jacobson在內60篇世界各地對100%再生能源的研究、並盤點當前既有且大規模採用的技術，集各家大成說明以當前技術和政治社會條件，世界各地已有能力開始往100%再生能源的系統邁進。
（這篇文獻回顧本身亦是針對另外一篇去年對100%系統的批判而寫成的，可見歐美能源學術圈當前百家爭鳴的盛況，相比於台灣能源產學界的遲滯不前，令人不勝唏噓。）
本文希望能整理出這篇文獻回顧的精華，並放入當前全球呼籲各級政府、企業、機構朝向100%再生能源的趨勢中討論其歷史意義。
轉型過程的重要技術面議題皆有解
在一開始，該文獻回顧便要讀者在討論100%再生能源的情境前，先釐清批判者對「可行性」（feasibility）和合理性（viability）的理解。
「可行性」指的是物理世界上該技術已存在或者接近研發完成，而「合理性」則是指該技術在特定社會、經濟限制下還能以合理成本發展。
文獻回顧的作者群指出，批判者雖然定義了可行性和合理性，但因為100%再生能源系統需要的技術其實都已經符合可行性的要件，導致批判者在進行分析時將兩者搞混，爭點其實只存在於合理性與否。
One reason that few studies focus on such a narrow technical definition of feasibility is that, … there are solutions using today’s technology for all the feasibility issues… In other words, viability is where the real debate should take place.(摘自原文)
文獻回顧接著討論五個被批判者指出對100%系統可行性有不利影響的因子，並且逐一證明他們事實上都早已有技術上的可行解，或根本無關宏旨。這五個不利因子分別為：
- 能源需求預測失準
- 模擬的時間解析度不夠
- 忽略極端天候
- 輸配電網的限制
- 輔助服務無法滿足
能源需求：再生能源潛能充足無虞
文獻回顧的作者群指出，大部分對100%系統的研究中，其實都有合理估計全球各地能源需求的成長量。作者群提醒讀者，批判者將攻擊點很大部分放在初級能耗的預測裡，但部分研究會預測初級能源消耗下滑的原因，其實純粹是因為再生能源和化石燃料或核能在計算初級能耗時使用的統計方法不同；同樣能源需求下一個100%系統的初級能源消耗量肯定小於傳統系統。我個人非常同意底下這段話：
The definitions of both primary and final energy are suited for a world based on fossil fuels. What really matters is meeting people’s energy needs while also reducing greenhouse gas emissions.(摘自原文)
更重要的是，即使不考慮有效節能政策的實行，全世界再生能源的潛能依舊超過了目前對2050年全球能源需求任何一個預測一個數量級以上。因此，除非全球能源需求被低估了10倍左右的數量級，否則這樣的預測誤差並不會真正影響到100%系統在2050年的可行性。
模擬的時間解析度：小時尺度即足夠
100%系統的批判者認為，對於電力系統的供需模擬必須足夠精確。當然Jacobson那種30秒解析度的模擬大概沒甚麼能質疑的，但批判者認為有些研究者的時間解析度只有到一小時而已，無法反映出風能和太陽能在細微時間尺度的極端變化。
其實這也是台灣能源轉型懷疑論者常常提出的論點，乍聽之下也有些道理。不過照著這個邏輯推論下去，文獻回顧的作者群揶揄到：
After all, why do the authors stop at 5 min intervals? For a single wind turbine, a gust of wind could change the feed-in within seconds (the inertia of the rotor stops faster changes). Similarly, a cloud could cover a small solar panel in under a second. Individuals can change their electricity consumption at the flick of a switch.(摘自原文)
作者群提醒讀者，時間解析度的設定，必須考量研究區域的空間大小、該區域的天候狀況、以及研究者關切的主題。細微時間尺度內的輸出電力變異有較小的空間相關性，因此在討論大範圍地域的殘載平衡時，這些細微變異便會相互抵銷，留下較長時間尺度的輸出電力變異。因此，只要系統彈性能力得以滿足這個較長時間尺度的輸出電力變異，就代表這個區域這段時間內的殘載平衡是沒有問題的。因此作者羣認為，對於一國的長期電力系統規劃，小時尺度的時間解析度已然足夠。
極端天候：對系統合理性影響甚微
100%系統的批判者認為，確保供應和電網在極端天候條件下的穩定性，將增加系統的複雜度和成本。
作者羣首先提醒讀者，這樣的質疑並非對100%系統「可行性」的討論，而是對「合理性」的否定。作者羣進一步延續這樣的思路，進行如下的計算：即使必須額外設置開放循環式燃氣機組以完全滿足德國目前80GW的年尖峰負載，這樣的額外裝置成本也只占2015年德國電力總支出的7.3%。
如果考慮其他可行的可調度機制，一個減碳量較1990年達95%的情境裡，全歐必須花費的額外裝置成本最多也只有原來系統總成本的3%（這還是不考慮電力進出口的情境）。
當然，一定有人會質疑，系統真的還是裝了燃氣機組並使用它的話，那所謂的「100%再生能源」不就破功了嗎？
針對這個質疑，作者群提醒讀者兩點：
首先，如果燃氣機組使用的是合成甲烷或其他氣態合成燃料，就沒有排碳問題，燃氣機組也可以視為儲放能裝置。
其次，就算到時候真的是燒傳統天然氣，造成嚴格意義上的「100%再生能源」破功，但破功的程度到底有多大？批判者所提出的「兩周以內無風無光」的天候條件大約十年才會發生一次，這樣子也不過是0.4%的機率，而如果討論到更極端的百年一次的重大天災，對系統碳排的影響又更小了。
From a feasibility point of view, even in the worst possible case that enough dispatchable capacity were maintained to cover the peak load, this does not invalidate these scenarios…Any emissions must be accounted for in simulations, but given that extreme climatic events are by definition rare (two weeks every decade is 0.4% of the time; the authors even speak of once-in-100-year events), their impact will be small.(摘自原文)
我個人看到這一段不禁懷疑，傳統電力系統就有辦法安然度過百年一次的天災嗎？去年秋天重創美國東南的幾個颶風，災情還歷歷在目；這種極端天候條件應該不是常態電力系統設計時要考慮的問題，而是一國災防應變的能力了……
總結來說，這一段落裡批判者提出的質疑和思路方式，對當前政策制定幾乎難有正面意義，這是本文末段會進一步論述的重要觀察。
輸配電網：對系統合理性影響可承受
批判者質疑部分100%系統的研究沒有考慮輸配電網的建置。作者羣指出，輸配電網的設置同樣並不構成可行性的限制，而是落在合理性討論的範疇。
輸配電網的建置成本，受到再生能源政策、社會接受度等等因素影響。文獻回顧的作者群整理一些再生能源高佔比或趨近100%的地區的輸配電網研究，發現這樣子的建置成本大約會佔系統總成本的10%。作者群認為，這樣的比例，尚稱合理可以承受。
輔助服務：新興技術已經優於傳統電廠
輔助服務指的是電壓穩定、慣性、頻率穩定、平衡用備轉以及系統重啟等課題。100%系統批判者常常以風能、太陽能變異性太大會影響輔助服務的正常運作，故風光有容量上限為理由認為這樣的系統不可行。
作者群指出，電壓穩定、慣性等等輔助服務過去主要是由傳統電廠的同步發電機供應，而這些傳統電廠除役以後仍可以持續以同步調相機（synchronous condenser）的方式運作，提供原來的輔助服務。而且就像我之前撰文提過的，某些風光系統搭配的逆變器（inverter）已經能提供更快速、更精準的輔助服務。
The inverters of wind, solar and batteries already provide reactive power for voltage control and can provide the other ancillary services, including virtual or synthetic inertia, by programming the functionality into the inverter software.(摘自原文)
核能的可行性和合理性問題
作者群提出兩個100%批判者常常忽略的判斷標準，反過來檢視核能在深度低碳路徑的可行性。
在「燃料的可再生性」這個判准上，作者群指出傳統核電廠仰賴的鈾礦只能滿足當前全球電力需求約13年。再處理技術也許能延長數年的使用時間，但如果要完全滿足能源需求，鈾礦資源能完全滿足需求的時限又會減半。
作者群指出，就算一個以再生能源為主、搭配少許核能的系統也會面臨合理性的問題。核能因為高昂的建置成本、除役成本以及廉價的燃料成本，會傾向盡可能滿載發電，但這和高佔比再生能源系統所需要的調度原則恰互相牴觸。
我自己面對核能夠不夠彈性的論戰時，常看到歐美擁核者宣稱德國、法國、比利時的核能「很彈性」。
在這些國家，大部分的殘載彈性也都是由水力、燃氣、硬煤等機組來反應，除非負電價到一個很誇張的地步，不然核能機組整體來說通常都是以不變應萬變。
當然在必要的時候，我們是可以看到這些國家的核能機組輪流表現出短期、大幅度的升降載。但為何這樣運作無法普世適用？追根究柢，德國和比利時都是準備邁向非核家園的國家，法國核能企業AREVA則是為了核電廠的保養維護而虧損連連、直到被EDF併購，拿這些國家的例子來說服大家彈性運作核能機組是一件可持續且有經濟效益的行為，其實很困難。
當然也別忘了，德國已經有升降載太多造成核安問題的案例存在。
作者群給的另外一個可行性指標是「技術存在與否」。雖然某些新式核能技術（孳生器、核融合）有機會解決「燃料可再生性」的問題，但目前這些技術都還還在實驗階段，沒有被證明能大規模投入。
其他重要討論
文獻回顧還針對了儲能技術、碳捕捉、100%或趨近100%再生能源系統實例和南澳大停電等題目作簡單回顧。有些題目我覺得未來單獨撰寫一篇文章會比較適合，故這裡先略過。
100%辯論在政策討論和能源民主的意義
純粹以再生能源工程師的角度而言，這篇文獻回顧當然給了一個很完整的索引，在未來可以針對裡面的參考文獻，對每個子主題做更進一步的研究。
不過，我們畢竟得問：到底在2018年的今天討論100%再生能源系統的意義是甚麼？這是我們看待這些科學社群的討論時必須有的理解。
比如說，在針對極端天候條件的討論裡便提過，即使系統會因為這些極端天候無法達成嚴格意義上100%由再生能源供應，這也無損於我們現階段推動相關政策的正當性。一個99%的系統和100%的系統所需要的政策工具大致上是相同的，在還有30年的時間可以滾動式檢討政策的目前，最重要的事情是趕緊推動初始無悔措施。
另外辯論過程中常見的偏執還有對於成本有效性的過度執著。當然政策研究應該盡可能找到最經濟的路徑，但目前的討論往往把政策考量簡化成模型計算出來的成本比較，而沒考慮到30年之內高度不確定性，以及不同路徑對於社會大眾的觀感。
The role of a scientist/engineer is to give the most accurate results according to her premise and simulations. But the engineer culture also urges that decisions always made according to the derived optimum solution, which will always not be the case in real life.
… at the end of the day, whether or not the scenarios are realistic rely heavily on the social acceptance of such policies. The focus of R&D and deployment today determines what kind of technology is technically feasible or economically viable in the future. Where this focus currently should be is without doubt a struggle of different interests groups in the arena of politics.
(摘自作者正在撰寫中的學期報告)
這也是為什麼我認為100%系統的研究者對能源民主有重大的意義。不僅因為再生能源的社會接受度是所有能源選項中最高的一種，更是因為推動100%系統的過程中很難省略能源民主的討論。
Barometer 2017, Commissioned by Ørsted
不管是社區共營的再生能源計畫、市民搶回地方配電網和電力企業控制權、或者是要求自己的城市／國家推行100%再生能源政策，這些草根基礎的倡議都和100%系統的研究有共同的理想和目標。這樣獨特的優勢讓100%政策的研究者有機會進行跨域合作或者和草根團體一起進行倡議。完整論述我近期的學期報告完成後會再分享給大家。
終極來說，很有可能100%再生能源或者某些核綠共存的路徑在技術上都有機會成功。但這中間需要的政治、經濟、典範上的轉變，個別技術流派是否願意去和社會其他族群合作、倡議，很可能才是最後政策會往哪一個方向流動的關鍵。
