廉價風能將煤趕盡殺絕?煤礦轉生成為抽蓄儲能場

作者 | 發布日期 2017 年 04 月 04 日 12:00 | 分類 能源科技 , 風力 follow us in feedly

為了減少二氧化碳排放,許多先進國家力推政策補貼,發展綠能取代燃煤,不過,隨著風能成本快速下降,如今即使沒有政策補貼,風能也能與燃煤堂堂競爭,因而可能將燃煤發電趕盡殺絕。但是煤礦也不是只能就這樣成為廢棄礦坑,在綠能發展增加儲能需求下,德國與美國都正在發展利用廢棄煤礦的技術,將煤礦「轉生」成為抽蓄水力發電的儲能設施。



2017 年 3 月,穆迪(Moody’s Investors Service)發表新綠能報告「報酬基礎風能發電為可再生能源添加新動能」(Rate-Basing Wind Generation Adds Momentum to Renewables),認為即使歐巴馬的潔淨能源計畫(Clean Power Plan)即將遭到川普終結,仍然不影響風能橫掃全美,可能消滅高達 56 吉瓦(Gigawatt)發電容量的燃煤發電廠。

該報告的共同作者指出,如今推動綠能的動力,已經不是環境理由,而是純然的經濟因素,雖然對消費者來說,有更廉價的潔淨能源來源是件好事,但電力公司並不是因為出於善心才前進風能,而是因為發展綠能更有成本效益。

報告檢視當前美國中西部與大平原區,扣除德州與伊利諾斯州的 15 個州,總共 87 吉瓦發電容量的燃煤電廠,發現其中有 56 吉瓦發電容量的電廠,將面臨風能的嚴峻挑戰,據穆迪報告指出,大平原區的風能平均電力採購價格,為每度電 0.2 美分,相當於每度電 0.6 元新台幣,相對的,燃煤發電的平均營運成本,含燃料成本、營運與維護成本,以及資本成本,總計每度電約為 0.3 美分,相當於 0.9 元新台幣。

扣除美國對風能的 PTC 補貼後,大平原區風能平均電力價格將從每度電 0.2 美分回到 0.4 美分,然而,風能成本持續下降,燃煤成本卻正在上升,在這兩股趨勢下,穆迪認為,即使沒有政策補貼,雙方成本很快就會黃金交叉。

在經濟因素推動下,許多電力公司不僅積極淘汰燃煤發電廠,更加速把風能納入其報酬基礎中,例如在科羅拉多州,Xcel Energy 宣布將於 2018 年斥資 10 億美元投資興建 600 百萬瓦(megawatt)發電容量的風場。當風能越來越普及,由於營運成本上的考量,電力公司在自有風能與燃煤發電廠之間,會優先選擇變動成本較低的自有風能資源,使得燃煤發電廠的利用率下降,容量因數也因此下降,容量因數下降將導致單位發電成本相對上升,使得燃煤發電在競爭態勢上更為不利。

過去認為受限於風能的所謂不穩定性,電網中風能比例有上限,但隨著風力預測能力逐漸提升,以及其他風能產業技術的進步,如今這越來越不是問題,中陸獨立電網(Midcontinent Independent System Operator,MISO)與明尼蘇達州商業部合作研究指出,只需升級明尼蘇達州現有的輸電系統,就能支援高達 40% 的可再生能源比率,不過再高就需要搭配儲能設施等技術。

當風能在經濟上殲滅燃煤的那一天到來,現有的煤礦又將何去何從?「轉生」化身為能源儲存裝置,可能是出路之一。

能將環境破壞減至最低

德國北萊茵西伐利亞州 Prosper-Haniel 煤礦自 1856 年開始開採,經歷 160 年歲月,預定要於 2018 年關閉,不過州長不打算讓這座煤礦「鞠躬盡瘁」,關閉後還要繼續利用它,將把整座礦坑注水,打造成一座 200 百萬瓦的抽蓄水力發電裝置,做為電網能源儲存裝置,可供電給 40 萬用戶,支援該州 2025 年可再生能源佔用電 30% 的目標。

北萊茵西伐利亞州是德國人口最多的一州,貢獻全國五分之一的經濟產出,發電量佔德國總發電量的三分之一,也是許多德國大電力公司的總部所在,包括意昂(E.ON)、萊茵西伐利亞電力(RWE)、英諾吉(Innogy)、Steag、Uniper 等。目前該州電力大多來自於燃煤發電廠,不過在德國全力發展綠能的基本國策,以及風能拉低批發電價使得德國燃煤電廠同樣受到威脅之下,北萊茵西伐利亞州與煤礦的關係有了奇妙的轉變。

在風能壓低批發電價的情況下,德國燃煤電廠也同樣步上一一關門大吉之路,目前計劃有 27 座燃煤與燃氣電廠即將關閉,關閉電廠的總發電容量達 6.6 吉瓦,相當於 1,300 萬戶家庭用電,當燃煤電廠吹起熄燈號,煤礦也只能跟著荒廢,然而,風能大量灌入電網,也提升了能源儲存的需求,使得舊煤礦有了轉生的機會。

Prosper-Haniel 煤礦深達 1,200 公尺,礦坑總長度達 26 公里長,改造過後,將可注入 100 萬立方公尺的水,在礦坑底部安裝渦輪,利用礦坑深度產生的上下位能差距,改造成為抽蓄水力發電能源儲存裝置。

無獨有偶的,美國人也想到一樣的辦法。維吉尼亞州也正規劃要利用廢棄煤礦坑,轉用為抽蓄水力發電能源儲存裝置。維吉尼亞州煤礦坑在過去十年來關閉了數十座,地方政府因而陷入財政收入斷炊,預算短缺,連學校資金都捉襟見肘,也影響其他政府業務,這樣的蕭條情況,是川普大力主張恢復煤礦業的原因。

然而即使川普將歐巴馬的減碳政策全盤廢除,當風能已經與燃煤成本黃金交叉,將大舉殲滅燃煤發電時,煤礦坑的復興之夢也只能幻滅,不過,煤礦坑可在新能源時代發揮新的作用。為了整合風能、太陽能,產生龐大能源儲存需求,讓煤礦坑有了新生。

目前抽蓄水力發電仍然是人類儲存能源成本最低的選項之一,抽蓄水力發電儲能的好處是,水抽到高處以位能儲能,能源不會像電池一樣逐漸衰退,而發電時能取回 85% 能源,回收率也算不錯,唯一的缺點是,能源密度太低,要儲存一顆 AA 電池的電量,就得將 100 公斤水提升 10 公尺高。這表示,若要以抽蓄水力發電為國家的主要能源儲存規劃,那必須要建設非常多水壩,以創造大量儲水空間,這與現在的保存自然的環保意識相衝突。

使用已經破壞環境的礦坑來當作抽蓄水力發電的上下池,不僅可節省建設水壩的預算,也能將環境破壞減至最低,在明尼蘇達州,曾研究將已廢棄鐵礦坑改建為抽蓄水力發電能源儲存裝置,不過,鐵礦坑的鐵銹可能會威脅到設備的疑慮,煤礦坑較無此一問題。維吉尼亞州以外,加州也正在做類似嘗試。

煤礦坑用於抽蓄水力發電還有一些有待驗證之處,包括必需位於穩定的地質,以免灌水後發生崩塌,礦坑中的鐵含量多少以下才適合,以及新技術總是需要經過一定學習曲線,才能知道最終成本為何。不過美國產煤州、郡對這項技術抱持樂觀態度,每座「轉生」的煤礦坑,預計可提供 10~15 個高收入工作,還能為地方創造額外稅收,解決地方失業與財政的燃眉之急。

美國中西部煤礦大州,經常也是風能大州,若煤礦坑都能轉生為抽蓄水力發電能源儲存裝置,來支援風能,走入死胡同的煤礦產業與產煤區域,可說有了意想不到的新生機會。

(首圖來源:pixabay)