再生能源只是統稱，大家都不陌生，但這些所謂「再生能源」如何在轉換為電能後，仍須傳輸、儲存到終端消費者的網絡中，而在此一價值傳遞的過程中，現有能源產業的架構、設備、網絡是否可行，將會關係到再生能源是否能普遍推廣的重要因素，所以我們還是得回到能源產業來討論，而不能僅就「再生能源」的定義探討，將會無法看見全貌。 能源產業是個相當複雜的產業。我們試著簡化以能源由產出到終端消費者的過程，將之區分為「發電業」(Power Generation)、「電力傳輸與配送」(Power Transmission and distribution)、「儲能」(Storage)、與「終端應用」這四大類作為研究的界定，實務上當然不只這些，還有涉及製造商、電力效率解決方案供應商、資源投資者(如追求固定收益的資金管理業者、物產業者)、終端應用的生產與服務商等，我們也會盡可能地涵蓋。 界定產業與市場後，我們將會說明未來能源產業將有哪些趨勢。     石油需求增長的時代剩不到10年 據IEA在2020年10月發表的<World Energy Outlook 2020>預估全球石油需求增長的時代將在10年內結束。 預計在經濟受疫情影響的情境中須等到2026年後才能回到2019年的水準，但整體石油需求仍將緩步成長。我們認為這是保守的看法，石油在石化領域作為原料確實仍可能因為經濟復甦增長，但在各國綠色能源政策加速下作為運輸燃料的需求將會更早面臨下滑。 長久以來，追求固定收益的資金投注在石油與天然氣的生產上，這個產業本身因為美國頁岩開發技術的創新，足以滿足長期以來石油天然氣需求增長中的60%，中東與非洲的石油/天然氣生產商已經面臨一次嚴峻的考驗，而在可預見再生能源興起的過程裡，可以預期資金將會持續從石油、天然氣中撤離，在2020年，石油、天然氣的投資已經下降了30%，轉而取代的，將會是更加多元的發電資產，根據Wood Mackenzie，投資在太陽能、風電與儲能的金額不斷攀升。 如果我們研究一下資本市場的反應，從標普油氣開採的ETF XOP(SPDR S&P Oil & Gas Exploration & Production)與太陽能ETF(Invesco Solar)做個對比，很明顯可以發現即使在次級市場，投資人也已經做了選擇。   多元化的發電源   建立在美國與歐盟相繼立下的2050年碳排放達到中和的目標(中國是2060年)，將轉而依賴自然資源為主的發電來源。根據IRENA的估計(如圖3)，2050年時，裝機容量8,500GW的太陽能、6,000GW的風能將成為主流，其他如氫氣、生質能源也都有不小的成長幅度。     太陽能走出谷底，風電加速成長但仍有技術難題   中國市場一直在成長，Mordor Intelligence預估2020~2025中國的太陽能市場CAGR超過12.33%，而在美國部分，美國太陽能公司在2020年的第三季安裝了3.8 GW，較2Q成長了9%，而美國國會在今年年底最後一個會期又延長太陽能設備的投資稅額抵免年限。 這件事的影響不只是大型的太陽能發電站，也因太陽能系統的成本下降，加州下降了45%，德國下降了66%，住宅太陽能系統的市場也在今年開始成長，以美國住宅太陽能板供應商SunPower提供的數據來說，一套美國一般家用的太陽能系統花費大約已經降到2萬美元以內，如果加上美國政府對投資太陽能設備的稅務抵免，已經在經濟上開始產生誘因。根據預估，2020~2025年家用太陽能系統的複合成長率將超過12%，印度推出住宅太陽能設備30%的補貼，韓國也在2022預估在1/3的家庭中安裝太陽能電板，在韓國的計畫中，所有新建築都必須安裝太陽能板。 在太陽能發電的領域，我們看到幾個機會。   逆變器(PV Inventer)中的功率元件 英飛凌、On Semiconductor、CREE 等都有推出太陽能的Sic Mosfet，使用SiC Mosfet即使成本較高，但也將可提高太陽能的功率，SiC Mosfet不僅僅用於EV車(如Tesla Model 3)，也可用於充電站，甚至是未來家用的微逆變器都可能普遍採用，台廠中有許多公司亦佈局多年，包含中美晶下的環球晶致力於SiC Wafer、以及漢磊、太極，另外二極體廠強茂、朋程以及兩者持股的茂矽都在此領域佈局好幾年。   微逆變器與儲能系統轉換器 我們可以看到在家用太陽能系統中，逆變器(PV Inventer)將會迎來成長的動能，如ENPHASE的產品，可以避免傳統太陽能板並聯後，單一區塊發電效率較差，如使用中央逆變器，則會因某區塊發電效率差而導致整個系統的發電效率低落，微逆變器將透過幾個太陽能板串接，可以降低故障排除或是最低發電量影響整個發電系統的狀況，另外，也因為安裝簡單，更利於在住宅市場推廣，基本上20kW以下的逆變器市場已經是微逆變器的天下。 而儲能系統轉換器也將隨著太陽能住宅市場的興起，在5kW ESS的部分將會有不錯的成長機會。 雙面太陽能板與太陽能追蹤器 為了提升太陽能發電效率，1990年起便開始有太陽能追蹤器的廠商如ARRAY，推出相關的產品，可以依發電站的日照時間追蹤最有效率的太陽能板角度，並搭載雙面太陽能板也將落於地面的反射光用於發電，這有效提高如雪地等地區的太陽能效率。 風電的部分，根據Mordor Intelligence，預估2019~2024風力發電的新安裝數CAGR=4%，共 355GW，平均每年71GW，離岸為15GW/年。 儘管如此，我們認為風電的挑戰仍很大，主要來自：   尺寸不斷變大的風機渦輪 主流的風機渦輪已經由2010年3.5MW增加至2019年的6MW，直徑來到150公尺，預估2025年時主流機種將是10MW，屆時的直徑將超過200公尺，GE的Haliade-X原型機已經發表，直徑220公尺，Siemens Gamesa也發表其10MW的機型，直徑193公尺，這些都預計在2024~2025時導入商用。為了追求更高的發電效率，風機渦輪不斷增大尺寸，但只要增大尺寸，就會面臨整體風機結構的問題，成本也難以下降。   浮動式風電站 浮動式風電站有助於離岸風機建置成本的下降，在某些地區如地中海、黑海等目前已是可行的方案，但在某些較惡劣的海上環境，則仍待克服，英國與歐洲風機開發商成立浮動海上風能卓越中心(FOWCoE)希望提出浮動式風機的可行方案，NASA也試著將火箭的減振技術用以提高離岸風站在浮動時的發電效能。 永磁體的極限 風機目前是透過稀土製成的永磁體驅動，但在未來不斷追求效率提升下，永磁體將會達到極限，而風機的尺寸也不可能無止盡地變大，所以未來必須透過超導體線圈取代永磁體，降低發電過程的能量損失，以提高風機的效能，目前American Superconductor Corp(AMSC)已經有2MW風機的方案，並獲印度等風場的採用，但在大於2MW風機的部分仍須突破。 風機的回收問題 風機採複合材料的比重高達90%，不易分解，根據歐洲風能協會預估2023年將有14,000個風機葉片退役，也因此，歐洲的材料研發團隊正致力於研究可以循環利用的風機材料，如Vestas希望2025年時提出解決方案，並將葉片可回收率提高至50%。   非同步發電的解決方案   太陽能、風能、水力發電等這些都是間歇性再生能源發電來源(Variable renewable ebergy, VRE)，將因日長、季節等而有不同的發電效率，這對電力產業來說充滿新的挑戰，原因是過往我們透過石化能源發電，需求與供給很容易調節，所需承受的不確定性只有石油、天然氣的供給與價格的波段。 我們既有的制度依此建立了大型的發電站，而電力傳輸、配電制度的邏輯都依照大型發電站制度來規劃，當終端電力需求發生變化時，可以透過大型發電站來控制電力供給，以保持彈性，當用電需求高時，即在電網負荷下新增發電站產出，管理方可以透過管理發電廠的生產與預期需求之間的餘裕來控制。 但當我們電力來源中間歇性發電來源佔比越來越的時候呢？我們無法控制天氣、無法控制風力，在原有的電力體制中，透過控制供給來達成供需均衡的邏輯已經不適用，所以以往同步發電的模式必須調整為「非同步」發電的模式，可以預料供電的彈性將為既有電網中帶來許多挑戰，未來的電力系統如何因應「非同步」發電來源呢？ 圖4：未來再生能源系統因應彈性的調整(Source:IRENA：Solutions to integrate high shares of variable renewable energy, June 2019) 根據國際再生能源機構IRENA於2019年6月的G20能源轉型工作小組中提出整合間歇性能源的報告中，認為目前因應間歇性能源挑戰的技術已經存在，但大規模應用以降低經濟成本才是最主要的挑戰，必須要仰賴階段性資本密集的投資，將目前仰賴發電廠為主的電力模式，轉換為一個新的能源系統。   在新的能源系統中，從發電(Generation)、電力運輸(Transmission)、配電(Distribution)、儲能(Storage)與需求管理(Demand Sise management)都須有能力因應電力的彈性調整，才能支應不同部門包含電動車等等的終端需求。 儲能系統(Storage) 如前所述在未來間歇性能源將扮演主要的發電來源之一，間歇性發電的難題在於大量供給時將對既有電網造成過大的負荷，造成須降載(curtailment)的問題，如中國在過去10年大量佈局再生能源，導致在能源供給旺季時需大量降載縮減。 而儲能系統作為增加供電的彈性顯得更加重要。 儲能系統可以吸收電能、儲存並在電力供給與需求間扮演調節的功能，簡言之，當太陽能、風電或潮汐在尖峰時段生產了多餘的電力時，可以透過儲能系統將之保存，等到供不應求時釋放或是將之運輸到電力生產不足的區域，儲能系統也可能在此過渡期與傳統電廠搭配，以更彈性地因應需求。 氫能與燃料電池 電力儲存的方式有許多種，鋰電是目前在消費電子、車用最常見的形式，但當應用在大型電力的儲存上時，由於對礦物(鎳、鈷、錳等)的依賴，與其有限的循環週期，就顯得不那麼適用，而相對地在歐盟發布對氫能的補貼政策，大概可以想像氫能作為未來能源扮演的角色之重。 事實上，氫氣可同時扮演能量儲存、作為動力、作為熱源、甚至是能量運送的傳輸方式之一，只是以目前氫氣的運作的機制來說，當氫作為能量儲存介質時效率低於鋰電池，作為動力發動渦輪時效率也低於電動發動機，作為熱源使用時，價格遠遠高於天然氣，而作為能量傳輸的方式時，成本又是電纜的數倍。 儘管如此，我們還是認為這種形式將會是未來能源發展最重要的關鍵之一，原因在於氫能的多種用途，且廣泛存在於物質界，至於成本，我們認為當越來越多國家將碳排放定價，將會導致石化為主的能源價格上漲，屆時可以重新衡量所謂氫能的成本效益，至於傳輸，目前根據我們研究，美國能源部氫氣與燃料電池辦公室(HFTO)在今年7月取得一筆預算，主要是研究在美國既有的天然氣管線中加入混合氫氣的天然氣，並讓終端用戶可以使用，所以，目前氫氣的問題在未來還會不會是問題，我們可以拭目以待。 另外，氫也是未來石化能源產業最有希望的替代方案之一。 目前氫氣在石化能源中已經有應用，精煉廠會生產氫氣並用於轉化重質原油，降低硫的含量，全世界最大的氫氣廠商是AIR PRODUCTS & CHEMICALS(APD)，採石化能源產收的電力來製氫，也就是我們說的藍色氫氣(Blue Hydrogen)，而綠氫(Green Hydrogen)指的是以再生能源為發電源的氫氣。   混合式發電來源(Hybrid Generation)將成主流 未來的發電來源將會朝著混合式的方式發展，混合式包含： 既有發電設備＋儲能設備 舉例來說，南加州的Edison's Center Peaker以天然氣發電，但因配置了10MW/4.3MWh的電池，使電廠即使沒有燃燒天然氣也可能供電，另外，儲能系統＋間歇性發電源也更適用於許多工業區、校園與住宅，以利自行發電。另外，在許多工業用的園區中，燃料電池＋儲能的系統應用越來越廣泛，例如FuelCell Energy就有推出基於碳酸鹽燃料電池的系統，工廠可以透過天然氣或是沼氣發電，過程將產生高熱，用於工業所需，當工廠不需要高熱或有多餘的熱能時再轉換為氫能儲存。   再生能源發電資源＋儲能設備 為了解決再生能源間歇性發電的問題，加上因發電時段不同，電流高低會影響電網的電壓與頻率，再生能源與儲能設備幾乎從一開始便是一起發展的。   在太陽能發電的部分，目前的太陽能發電系統如果依照連接電網的類型，可以分為獨立型、市電併聯(Grid Connected)與混合型三種，簡言之，獨立型的太陽能發電系統，是在太陽能板發電後透過充電與放電的控制器，將電力儲於蓄電池中，如常見的太陽能路燈就是這樣的形式。 市電並聯系統，結構上更簡單，只有太陽光電組列、直流/交流轉換器(PV Inventer) ，當有多餘的電力時，則連接回主電網，混合式的太陽能則在獨立型太陽能系統中又多了整流器等，既可蓄電，也可轉回電網。 而離岸風電在發電後除可透過電纜回傳陸地的電站，亦可透過風電發電產生的電能制氫儲存，抑或再轉氮氣後運輸，可以參考下圖5。圖5最上方1(a)的解決方式是將風能發電後用於電解水，產生氫氣後壓縮儲存，在透過運輸船運送回內陸，1(b)的形式則是將發電後的電力用電纜傳回內陸，在港口電解後以貨車運送氫氣，而solution 2則除了解決綠氫的問題外，也希望解決石化產業的能源問題，方案是在海上設置石油與天然氣平台，並以綠氫驅動石油與天然氣後直接透過天然氣管線回傳內陸。   多種再生能源混合發電資源＋儲能設備   在歐盟提出未來離岸風力發電的模式中(如下圖6)，可以看到歐盟正在離岸再生能源中試著研發除了風電外的發電來源，包含潮汐、離岸太陽能、離岸波浪發電、海藻升質能源發電，並在2050年前提出不同的發電目標。 其中在荷蘭的北海已經有實驗性質離岸的太陽能發電站上線，預計2020年年底將會達到50kW的發電量，我們可以預期離岸未來會存在不同發電源可能可以共用儲電、制氫與陸地運輸的設備，形成混合式的發電站。       電力需求端彈性：分佈式能源、微電網與數位化 根據國際再生能源機構IRENA所提出因應間歇性發電能源的彈性制度中(圖4)，在處理發電量與需求量的波動時，電力運輸與配電也都必須改變，變得更即時、更有彈性，在IRENA提出的彈性的解決方案中，包含需求端的彈性與系統儲存的彈性(如圖7)，未來除了在發電端與運送端透過儲能有更多彈性外，需求端也將透過分佈式能源(DER)為電網增加彈性。   分散式能源(或分散式發電)指的是電力系統的去中心化，透過小型的太陽能發電站、微型的風力發電系統以及其他私有的發電系統(儀表板後的電力，統稱為Behind-the-meter, BTM,指無須經由電表便可使用的電力)。 小型太陽能與微型風力發電系統容易理解，而BTM私有的發電系統指的是現場生成的電力系統或儲能設備，如家用太陽能板、燃料電池系統等，當民眾投資在這些設備後，無須經由電表便可使用，多餘的電力甚至可以賣回電網，另外，也可能出現某些集合住宅、工業區域、校園等除了私有的發電與儲能設備外，又包含電力的傳輸系統，形成微電網的概念(Microgrid)。 根據Modor Intelligence, 2020~2025的微電網CAGR為19.08%，在這趨勢中，已經有許多廠商提供了有趣的產品，例如德國的SONNEN已經連結了超過3萬戶家用電力的網絡來平衡區域的電力，又如美國的Clean Spark提供控制、集成多種發電來源到終端連結外部電網的管理模式。 而數位化在實現分散式能源的過程扮演重要角色，未來將會透過IoT物聯網的技術連結設備與電器、並透過智慧電表、傳感器等精細地掌握即時的需求，最終在分散式能源中及早調節電力，甚至透過加密貨幣完成智能合約(這也是Clean Spark收購加密貨幣數據中心的原因吧)。 另外，可以想見未來也需要一個更大的區域互聯電網，當區域之間的電力供給不足時，可以即時規劃並即時響應調節供需。目前各國的電網制度不一，有些國家的幅員廣大，電網是透過州政府與民營電力運營商之間運營，政府需要介入更多以形成電網互聯的模式，據以調節不同電網之間的供需。 目前在分散式電網中已有許多新的商業模式，尤其在電力服務的方面，非常值得關注   另外，在硬體的部分，我們認為高壓直流電HVDC、與新的DCR(Dispatching Control Room)將會興起。   電力傳輸過程中，隨電壓提高損耗的電能將會更少，此時採用高壓直流電(HVDC)便較交流輸電更有優勢，觀察歐盟對再生能源的研發項目，便包含採用高壓直流電的研發，並希望在2030年前安裝第一個多種供應商與多種終端之間的互聯HVDC系統，這將會有利於電網與電網之間、跨界電網、發電資源(尤其風電)到電網之間的互聯。   而由於預期電網將會變得更加複雜，只要電網出現不定期故障或損壞，就會造成管理上的問題，所以我們認為故障、損壞的管理(Dispatching Control Room)也將會有新的模式。   終端需求電力化   過往我們透過石化燃料產生動能，推動汽車、飛機、船等運輸工具，而今天我們有Tesla引領的EV車，不只如此，Airbus在今年九月發表混合翼體且有更長機身的機型，目的就是為了將氫氣納入儲存，作為飛機的能源之一，而Vision Marine Tech也已經發表多款以鋰電池驅動的電動船，還有更多的氫能車用於公車、工作運輸如起重機等。 而在建築領域，現今大多數的區域多以天然氣、燃煤產生暖氣，而Tesla已經在Model Y中發表了新款的熱泵，將電池系統、驅動系統的廢熱調節進行熱交換，如果你以為Tesla的熱泵只是EV車的應用，那你更應該看看歐美近年對熱泵的需求，根據Global Market Insight的預估，2019年時熱泵的市場約480億美元，預估至2026年將以複合成長率5%的速度成長，主要是住宅節能系統中的家用空氣熱泵。 另外，重頭戲還是在工業用的領域。 目前工業用熱主要仍以石化能源產熱為主，但SSAB、Vattenfall與LKAB、以及另一個團隊--Bill Gates投資的Breakthrough，也正研發完全以再生能源、氫氣等來取代石化能源工業產熱的模式，還有其他的燃料電池廠商也致力於在傳統石化產業中採集氫能蓄電。 這其中最重要的關鍵將是氫氣的成本，預估當綠氫成本下降到每公斤0.25歐元時，所生產的鋼鐵將開始有競爭力，而綠氫的成本取決於1.再生能源的成本 2.電解技術與電解器的成本 3.工廠的運行能力，這也是歐盟在今年規劃將電解槽的產能在2024年增加到6GW(目前是60MW)，並希望在2030年達到40GW，並將這些電解槽用於改造50%的石化工廠，換句話說，歐盟希望透過將電解槽的成本下降，並搭配投注再生能源，將綠色氫能的成本壓低，使其石化產業更具有「綠色」競爭力。 當歐盟明年六月將端出「邊境碳稅」時將成為當地石化產業的機會，但同時也是其他國家石化產業的夢魘。   碳捕獲商用取決二氧化碳工業發展   根據統計，如果目前的能源基礎建設繼續依照現有的方式運作，則每年的氣溫仍將以1.65C的速度上升，所以單寄望於再生能源的發電模式是不夠的，將有更多的資源投資在碳捕獲(CCU)上，目前發電與工業應用仍然佔據2/3世界的碳排放，而這代表了一個巨大的碳捕獲市場。 碳捕獲顧名思義就是從天然氣等石化發電廠或工業設備中分離、濃縮二氧化碳廢氣轉成液態再進行運輸、封存，依照Research And Market的預估，在2020~2025年間碳捕獲的市場將從16億美元成長到35億美元，複合成長率約17%。 目前在碳捕獲的市場中有許多廠商都進行研發與試驗，許多歐洲公司在這項發展上值得關注，如Aker Solutions、Schlumberger、Carbon Clean、工業氣體公司如Linde等都大力發展這個項目，而在美國，例如FUELCELL ENERGY也與英國的Drax Power Station 測試其SureSource Capture 的碳捕獲技術。 碳捕獲的技術並不是問題，但目前的成本仍很昂貴，離大規模商用需有兩個方向的創新： 碳捕獲的成本 目前從發電廠、工業設施碳捕獲後的成本約是80美元/公噸，可以預期在大規模適用、更有效率的碳捕獲技術下，成本有機會下降一半。 二氧化碳的商用價值 除降低碳捕獲的成本，亦須增加所捕獲的二氧化碳商用的價值，所帶來的收入才能使碳捕獲的商業模式變的可行，目前有許多廠商都在探索二氧化碳的工業用途，例如Covestro在2014年起便開始發展二氧化碳技術，將碳捕獲的二氧化碳用於製造低成本的環保塑膠(備註1)用以製造床墊，台灣的長春化學、東聯、奇美也都有利用工業產生的二氧化碳在製為其他產品的模式，亦有將二氧化碳用於混擬土。   實務上將二氧化碳從氣體的形式轉換為工業用品需要大量的能量，除了政府的政策外，仍得說服工業界，相比石油這種同樣可合成為塑料，又可作為燃料的原料來說，二氧化碳在工業用途上真正的經濟效益。   接著我們有機會將以更多篇幅，詳細介紹在這些趨勢下掌握住機會的公司，其中大多數是國外的公司，但亦有一些台灣的公司在這些領域相當努力，取得一定的成果。   By B-Go情報團隊-如需引用轉載請來信

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