本期主題:空氣污染

發行人 :高志明

總編輯 :習良孝

編輯主任委員 :習良孝

編輯副主任委員:丁力行

本期主編   :張能復

編輯工作小組:王志遠、曠永銓、

郭子豪、盧彥廷、張翰青、陳昶均、

林益正、葉珈綺、陳婉寧

105年11月

帶動PM2.5減量的能源轉型芻議

陳律言 / 國立聯合大學能源工程學系副教授

摘要

  在大氣細懸浮微粒眾多來源中,人為排放源中大部分與人類能源使用行為有關。解析我國能源及相關之能源使用部門的活動現況,有助環保主管機關掌握與其相應的細懸浮微粒及其前驅物排放量。就細懸浮微粒及其前驅物排放減量而言,能源及相關之能源使用部門實為重要之標的。我國已有部分多年前既設之各類能源相關基礎設施,其運作狀態早非啟用初期原用途功能良好且具良好績效的階段,當前我國即有部分運作中之基礎設施因不斷延長其使用期程,排擠採用新的高效設施,也同時延宕整體能源基礎設施組合的優化。我國在解析細懸浮微粒污染課題時,若僅聚焦於排放行為管制,而無視於前述低效能設施之能源使用所致排放,將難以因應民間降低成本而「鎖定」低效能方案,造成管制規劃難以落實。藉由能源基礎設施的轉型,使能源應用價值鍊自上游至下游滾動式地分階段鎖定於新的高能源效率行為,實為細懸浮微粒減量值得參考之規劃思維。本文初步提出以下幾項初步看法:將初級能源載體轉型為再生能源跟天然氣、實質總量管制車輛排放量、能源基礎設施轉型過程之操作樣態漸進式改善、朝向利於再生能源之電網轉型、擴大我國大規模儲能量能、促成我國能源結構中之負載端轉型、推動建置優化能源供需所需的硬體及運籌法則、以及滾動式檢討調整能源供需結構促成能源轉型。

關鍵字: PM2.5、基礎設施、量能利用率、鎖定、效能標準

keywords: PM2.5, infrastructure, capacity utilization , locked-in, performance standards.

一、前言

  細懸浮微粒(PM2.5)相關空氣品質課題為我國社會各界關注焦點,惟大氣環境中細懸浮微粒來源眾多,且其中人為貢獻來源多與能源轉換程序有關,為落實細懸浮微粒環境空氣品質標準,在設計及推動相關法規制度時,實須檢視我國能源及相關部門的活動現況,評析其可能的轉型內涵及程度。

  我國於民國101年5月發布的「空氣品質標準」中,明訂細懸浮微粒之廿四小時值及年平均值標準,自此我國細懸浮微粒管制目標即有明確之量化基準。大氣中細懸浮微粒可能來自各類型排放源的直接排放(原生性PM2.5),以及由各種前驅物經物理及化學程序轉化而得(衍生性PM2.5)。不論是原生性PM2.5或是衍生性PM2.5之前驅物均有其來源:自然界PM2.5來源包括土壤及岩石碎屑、火山噴發物、海水飛沫、生質燃燒生成物及自然界氣體反應生成物;人為PM2.5來源則可分為固定源(主要來自化石燃料燃燒、工業程序、非工業逸散源等)以及移動源(來自各類運輸工具之排放)。[1] 各種人為細懸浮微粒排放源對應於製造業、運輸業、及服務業等各種運作程序,這些運作程序都必須投入能源加以驅動。投入能源驅動各行業部門運作程序,必須配合其所使用的基礎設施(infrastructure)。由軟體及硬體共同構成的基礎設施從性質和量值上決定其相應能量輸入,也影響所產生的各類型污染物之物質流,包括本文所討論的細懸浮微粒。

二、細懸浮微粒排放源

  依我國「細懸浮微粒(PM2.5)管制計畫」(以下簡稱「管制計畫」)[2]所述:「全國細懸浮微粒主要污染源包括工業、車 輛、營建/道路揚塵、商業活動及露天燃燒;硫氧化物污染源則主要為工業及非道路運輸;氮氧化物污染源主要為工業、車輛及非公路運輸。」誠然該計畫所本之空氣污染物排放清冊受限於更新頻率及調查解析度,並無法反映我國所有空氣污染物排放行為的細節,但以此初步設想影響細懸浮微粒濃度的原生性污染物及前驅物排放概況,仍具相當程度的參考價值。我國原生性細懸浮微粒及其前驅物之排放源,顯然在不同行政區具有不同的排放源組合,也對應到具區位差異的能源使用樣態及基礎設施。

  「管制計畫」表列PM2.5及硫氧化物及氮氧化物此二主要前驅物的各類污染源,主要分為:工業、車輛、非公路運輸、商業、營建/道路揚塵、露天燃燒、及其他。若就原生性PM2.5排放量而言,營建/道路揚塵、工業、車輛三者總和即貢獻超過80%之排放量;若觀察主要前驅物硫氧化物及氮氧化物之排放量,則工業、車輛二者總和即大於90%。前述全國性排放量貢獻,則是由因區域而異的區域性排放量貢獻加總所得。綜合前述的我國本土原生性PM2.5及其前驅物排放之區域性差異,以及排放源類別的物種及區域差異,使得我國細懸浮微粒相關污染物排放樣態涉及多重面向,也使得解析與此相關的環境品質課題略顯複雜。但若細究「管制計畫」所列之污染源類別,其中工業、車輛、非公路運輸、商業等四類所致之PM2.5及其前驅物排放均與其所本之能源轉換程序相關;營建/道路揚塵則有部分相關;露天燃燒則多為未使用適宜燃燒基礎設施所致之排放行為。綜前所述,影響我國PM2.5及其前驅物排放的排放源,追本溯源仍是能源轉換及後續之能源利用行為。

三、空氣污染、能源使用與經濟發展

  能源為人類賴以驅動經濟活動的關鍵要素,然而能源使用過程同時產生各類污染物(如細懸浮微粒)及低品質能源(如熱能),並因而衝擊環境品質、影響人類健康(各影響要素間關係如圖一所示)。從自然環境提供人類服務的面向觀察:能源可能以造成較小衝擊的方式取自環境(如再生能源),而自然環境之涵容能力亦有利其中之污染物轉化為危害較低之物質。再從能源使用及空氣污染回饋影響經濟活動的機制論述:防杜能源及污染負面效應因可提供人類福祉,因而可能形成經濟誘因,使其不僅是被動地由經濟活動所決定。空氣污染行為向被視為來自人為污染物排放,但是這些排放行為的發生,卻是本於人類社會運作所依賴的經濟活動。


圖一 人類經濟活動藉能源使用與空氣污染影響環境

  人類社會運作過程中產出的污染物,可參考Bill Gates在其 Innovation to Zero演講中所提出的公式[3],將標的物改為PM2.5後加以改寫後所得如下之方程式加以檢討。

  PM2.5 = P × S × E × EF                       (1)
式中P為人口;S為人均可使用服務量;E為單位服務能耗;EF為單位能耗之PM2.5生成量(考慮合併原生性及衍生性)。

  依我國人口推估資料[4]:「民國150年我國總人口數將降為1,707 至 1,949 萬人,約為105年之 72.5%~82.8%。且當生育水準越低時,負成長幅度將越大,人口減少速度則越快。」,故我國人口數(P)預期為減少。若我國仍可有效控制貧富差異,預期我國人均可使用服務量(S)將隨科技進步及使用者可及性足夠而持續上升,且單位服務量能耗亦將隨科技進步及及使用者可及性足夠而下降。至於單位能耗之PM2.5污染量(EF)的下降,則有待我國各界在社會與科技轉型過程中,選擇有助PM2.5減量的解決方案。在前述式(1)之中,P × S × E項表示我國之總能源使用量,而EF則近似於能源供給組合的排放係數,此二者之總量值及其下分類別的內涵,在不同時間點各有不同的能源基礎設施及相應使用行為。若追求中長期PM2.5總污染量減量,設計及逐步落實可減少總能源使用量及單位能源污染量的能源轉型工作,至為關鍵。

四、PM2.5減量規劃思維

  在盡可能不更動社會運作程序及基礎設施的前提下,以往常見的提昇環境品質政策規劃,其多半本於管末處理思維,即額外投入能、資源建置及運作污染防制設施,藉以減少污染物排放。然而若考量社會運作程序有其興衰更迭,此類決策思維適用於基礎設施初建且其原用途功能良好的階段,因為此階段考量大幅汰換既有基礎設施,再建置新的高效設施所需要付出的額外成本,即使是扣除其可獲得的環境利益之後,仍可能大於配合既有基礎設施建置及優化運作污染防制設施的成本。當然,在這個過程中,保留既有基礎設施且持續運作至其原定使用年限(甚至延役),勢將在時程上排擠新的高效設施之採用,也延宕整體能源基礎設施組合的優化。[5]

  承前所述,在解析PM2.5等空氣污染課題時,若僅聚焦於污染排放行為的管制,而無視於這些污染行為所處價值鍊對應的能源使用與經濟活動,本質上即為前述之運作既有基礎設施甚至延役。這樣的政策規劃往往難以因應民間追求降低成本而「鎖定」低效能解決方案,容易導致管制規劃難以落實之困擾。因應這個可能在時程上顯著造成劣幣逐良幣的機制,筆者認為實應參考甫獲足夠國家核准而生效的巴黎協定(Paris Agreement)之Article 2所述落實氣候變化綱要公約的第三項作法:使資金流動符合低溫室氣體排放和具氣候韌性的發展路徑(Making finance flows consistent with a pathway towards low greenhouse gas emissions and climate-resilient development)。[6]藉由能源基礎設施的轉型,自能源應用的價值鍊,自上游至下游將相關能源使用者均鎖定於新的高能源效率行為,減少如前述式(1)中所述的總能源使用量;再配合於相近能源效率的解決方案中,選擇具有較低PM2.5污染量者,以進一步擴大PM2.5減量成效。

五、能源轉型之台灣觀點

  能源轉型的主要目的並非針對PM2.5防制,但其有效推動卻有助於在確保其他面向效益的同時,取得PM2.5減量成果。周桂田教授論述全球化架構下的氣候與能源轉型戰略思維:「無論是全球或各國,需要從單一面向的減碳架構下的能源燃料轉變,同時轉向產業轉型、空污治理轉型之三螺旋運動戰略思維;它們不但是跨界的,也鑲嵌在全球化變遷運動中。並且,在這三個共時發生的螺旋運動中,政府治理除了需要面對國際排碳綠色公約的壓力(垂直壓力),也需要承受內國社會公眾能源民主的呼聲,即要求參與能源決策與轉向新能源的壓力(社會水平壓力)。」[7]

  傳統能源政策規劃理念中仍有部分重要概念可與當代能源轉型過程相容,例如能源政策階層(Energy Policy Hierarchy)。如圖二所示。尤其對於自產能源極度匱乏(僅約2%)[8]的我國而言,節約能源不僅自源頭減少能源需求量,並減少我國對外能源進口依賴的絕對量值及相應之國際貿易壓力。節約能源理應為能源轉型策略中最優先的考量面向,其體現方式尤應著重汰除不具實質效益的冗餘活動(甚至是產業活動)、減除不必要的能源使用設施。筆者建議這部分工作的核心評估指標為設施的量能利用率,政策發展方向可考量針對不同產業設定不同的量能利用率標竿,因能源節約為溫室氣體減量及管理法(以下簡稱溫管法)第八條正面表列之中央有關機關應推動事項,故可考量結合溫管法,以行政院之推動方案、中央目的事業主管機關訂定之行動方案、直轄市、縣(市)主管機關之管制執行方案三者,促使冗餘活動逐年被取代或消失。以台灣每百人平均持有91.2輛機動車輛的現況觀察[9],參考美國總合平均燃料效能標準(Corporate Average Fuel Economy, CAFE)[10],尋求PM2.5及其前驅物移動污染源之總量管制,應為值得我國參考之節約能源政策方向。


圖二 能源政策階層

  能源效率可定義為獲取單位服務所需之能源投入量。[11]提高能源效率的實施標的可以是在能源供給端,或是在能源需求端。若考慮我國產業現況,能源供給端基本上由少數大型企業主導,故其提昇能源效率所涉及的決策過程,遠易於涉及數量龐大決策者的能源需求端能源效率提昇。然而我國推動節約能源已久,尤其家戶部分要進一步提昇能源需求端之能源效率,勢難避免更新能源使用設施的投資。這些投資的回償時距受解決方案技術水準與價格、能源價格、利率及資金可及性等因素影響。推廣再生能源為從能源基礎設施建置鎖定不使用化石燃料,從而減少燃燒產生PM2.5之政策選項。能源效率提昇、再生能源及能源科技發展亦為溫管法第八條規範之應推動事項,配合溫管法之碳管理功能,以及溫室氣體排放效能標準之法規工具,更有機會在公部門管制成效及私部門經營利益取得共贏,故在行政院、中央目的事業主管機關地方主管機關各層級的方案訂定上,都更有機會與民興利且藉新設高能效或再生能源設施長期鎖定PM2.5減量成效。除了考量轉型後狀態的靜態思考模式外,轉型過程中的操作模式確立及優化亦為重要思考方向。

六、小結—能源結構轉型芻議

  誠實面對人口結構老化、基礎設施陳舊及經濟成長活力不再的台灣現況,能源總量和結構的轉型正是尋求扭轉國家發展停滯危局的潛在機會之一。誠如前述,若我國在前述四個能源政策階層上能配置較高優先順位,而將燃料替代視為能源供給端老舊設施除役後之漸進轉型,即已具備可觀之細懸浮微粒減量貢獻。但在能源轉型的具體推動策略上,筆者仍認為可以從能源產業價值鍊發想,提出以下數點:

1. 我國未來主要能源供給來源應為再生能源跟天然氣,可藉此以相應能源基礎設施鎖定我國能源
 使用者之較低PM2.5及其前驅物排放行為。配合天然氣發電機組逐步汰舊換新,引進並建置當
 代最高發電效率水準之機組。

2. 參考美國總合平均燃料效能標準,發展對我國車輛具實質總量管制效力之政策及法規工具,配
 合車輛持續汰舊換新,使我國境內機動車輛組成朝向更低能耗及空污排放之方向演進。

3. 考量爾後將有大量再生能源設施成為能源供給系統的重要部分,即使舊有電力基礎設施仍將運
 作到其除役期限,其操作樣態相應調整亦應考量兼顧總體能源效率及空污管制。

4. 爾後朝向利於再生能源之電網轉型,可望與能源需求端基礎設施有互動式之調整過程,至少應
 考量最終總體能源效率極大化及空污極小化之目標函數。

5. 配合水利基礎設施補強與新設,擴大我國大規模儲能量能,以逐漸減少不必要之火力發電及相
 應之PM2.5及其前驅物排放。

6. 我國能源結構中之負載端轉型,宜結合前述3, 4, 5之考量,推動具發展潛力的本土產業,藉以
 完善化能源供需結構,兼收節能及空污減量之效。

7. 推動前述能源結構之過程,實為我國可見未來中最重要之公共建設。其整體產出將呈現於我國
 各種時空解析度的能源流樣態。其中短時距內優化能源供需以創造價值所需的基礎設施建置必
 須先行,但必須配合的關鍵要素還有相應的演算及調度方法。

8. 前述整體以產業和民生活動為基礎的能源供需結構轉型,將持續受社會更迭影響,故需滾動式
 檢討調整,以優化其運營效能。

參考文獻

1. US Environmental Protection Agency (USEPA), 2009. Integrated Science Assessment for
 Particulate Matter, National Center for Environmental Assessment-RTP Division Office of
 Research and Development U.S. Environmental Protection Agency Research Triangle
 Park, NC

2. http://air.epa.gov.tw/Download/UpFile/2014/細懸浮微粒(PM2.5)管制計畫.pdf,
  2016/10/04查找。

3. http://www.ted.com/talks/bill_gates, 2016/10/04查找。

4. http://www.ndc.gov.tw/Content_List.aspx?n=84223C65B6F94D72, 2016/10/11查找。

5. Erickson, P. and Tempest, K. (2015) Keeping cities green: Avoiding carbon lock-in due to
 urban development, Stockholm Environment Institute Working Paper No. 2015-11.
 (https://www.sei-international.org/publications?pid=2829, 2016/10/05查找)

6. http://unfccc.int/resource/docs/2015/cop21/eng/l09r01.pdf, 2016/10/04查找。

7.http://rsprc.ntu.edu.tw/zh-TW/energy-transformation/348-climate-_risk_and
 _energy_transform, 2016/10/11查找。

8. 經濟部能源局(2016),中華民國104年能源統計手冊。

9. http://stat.motc.gov.tw/mocdb/stmain.jsp?sys=100&funid=a3301, 2016/10/11查找。

10. https://www3.epa.gov/fueleconomy/regulations.htm, 2016/10/11查找。

11. http://eetd.lbl.gov/ee/ee-1. html, 2016/10/11查找。