能源轉型下，住宅和工業供熱的改變
深度低碳路徑的最後一哩路，以及製氫工業如何作為解方
文／Tony Yen (媽盟特約撰述)
上一篇《能源轉型中，交通部門電動化的角色》裡，我們討論了如何透過電動化、改變載具使用習慣、以及智慧充能等策略，讓交通部門在能源轉型中有助於電力系統彈性能力的提升。
這篇文章我們聚焦在另一個能源轉型中也比較少著墨的項目：建築和工業供熱需求，介紹它們在轉型進程裡的一些重要觀念。底下的內文，主要根據的會是最近剛發表的期刊論文《德國通往2050低碳能源轉型的路徑》。
本文所討論的期刊論文《Pathways for Germany’s Low-Carbon Energy Transformation Towards 2050》
研究簡介：三種「敘事情境」下德國的最佳化路徑
這份研究首先定義三種欲研究的「敘事情境」：「歐洲孤島情境」假設歐盟內部團結處理氣候議題、但世界其他地方沒有；「綠色民主情境」假設諸如氣候罷課等全球性氣候倡議持續發燒，積極影響世界各地的氣候政策；「適者生存情境」假設國族主義、保守民粹反撲，氣候議題在世界各地變成次要的憂慮。
這三種敘事情境對於2015到2050之間德國的轉型路徑，會給出不同的限制條件，比如在「適者生存情境」中，德國不會給出針對褐煤和硬煤的具體除役時程，而在「綠色民主情境」中德國2030年就會自電力部門全面除煤（此亦Fridays for Future組織目前的主要訴求之一）。很容易想像，利用三條敘事情境跑完模型後，「適者生存情境」有最高的累積碳排和最終年碳排放量，「綠色民主情境」則反之。
三種情境中氣候政治優先順位造成德國有不同的碳價、減碳速率、以及除煤時程
帶入三種敘事情境後最佳化的結果，
「綠色民主情境」跟「歐洲孤島情境」滿足巴黎協議增溫不超過2度的碳預算限制，
「適者生存情境」則會超過。
用電需求受部門耦合和節能成效程度影響
有趣的是，在轉型的中期，「適者生存情境」的用電需求因為節能不利，會比「歐洲孤島情境」或「綠色民主情境」高出不少，但到了轉型的後期，由於「綠色民主情境」部門耦合的程度更多，導致用電需求比「適者生存情境」高。當然，如果看最終能耗需求的話，節能有成、又大規模電動化的「綠色民主情境」，自然有最低的總能耗需求。
三種敘事情境在轉型期間的用電需求變化。
三種敘事情境在轉型期間的最終能耗需求變化。
下圖則可以清楚看到三種敘事情境在轉型後期都發生顯著的部門耦合：其中最重要的便是工業和住宅供熱的電動化。
這是否代表未來所有的供熱需求皆能透過電力化來滿足？可惜答案並不那麼單純。
供熱需求的化石燃料使用極難淘汰
供熱需求可以依據溫度高低，區分成低溫、中溫、高溫等等不同類型。住宅供熱需求屬於低溫供熱，絕大部分可以由電熱泵供應，剩下一部分由太陽熱能、生質能、以及合成燃氣供應後，很遺憾地即使在「綠色民主情境」中，最後仍有20%需要由傳統燃氣供應。
「綠色民主情境」下德國住宅供熱需求來源的轉型路徑。
在轉型後期，住宅供熱能大部分能由電熱泵、太陽熱能、生質能、
合成燃氣等再生能源供應，但仍有約20%的需求仰賴傳統燃氣。
另一方面，工業部門的供熱需求多屬於中溫和高溫供熱。中溫供熱方面，生質能和電熱直供能有效取代大部分的化石燃料，而太陽熱能和合成燃氣則會供應少部分的低溫供熱需求。比較麻煩的是高溫供熱需求，在能源轉型後期以前不會有大規模的替代選項，這造成硬煤在工業供熱的使用一直持續到2040年代；在那之後，高溫電解熔鹽才取代掉硬煤的使用。雖然到了2050年，工業供熱能幾近100%由再生能源供應，轉型路徑中硬煤過晚地淘汰使得這個部門的減碳成效在轉型中期停滯不少。
「綠色民主情境」下德國工業供熱需求來源的轉型路徑。
高溫供熱需求使用的硬煤，只有在轉型後期才能被高溫電解熔鹽所取代。
沒有甚麼能源問題是100%綠能供電不能解決的；如果有，那就200%...？！
現在，我們已經能看到能源轉型後期，一些最難低碳化的部分：在交通部門，這包括各種非軌道長程運輸，尤其是飛行的耗能；在供熱方面，則是住宅部門供熱的燃氣使用（注）。
（注：台灣冬天雖然沒有很大的住宅供熱需求，但仍有廚用瓦斯的需求需要考量）
好消息是，這些能源需求理論上都可以透過合成製氫／製甲烷來供應，阻礙主要會是經濟上的理由。但近日德澳合作組成的Energy Transition Hub的一篇報告中便指出，如果我們不把能源轉型的目標僅僅侷限在綠能滿足國內100%能耗，而是朝向綠能輸出國邁進的話，製氫成本和系統總成本都能夠大幅下降。
德澳合作的Energy Transition Hub近日發表的報告：
《Australia’s power advantage: Energy transition and hydrogen export scenarios》
該報告指出，在一個200%綠能、甚至更多綠能的情境裡，製氫產業會高度發展，使澳洲的電力系統不需要過多的平衡和彈性需求，讓系統總成本趨近於太陽能和風能的發電成本；製氫成本也會因為充沛的綠能和適度的短期儲能技術，而有效下降。
在一個200%綠能、甚至更多綠能的情境裡，澳洲電力系統的成本會大幅下降。
導入大量製氫產業的200%綠能情境中，
澳洲會在再生能源充足的時段（比如白天正午）大量電解水以製氫。
順著Energy Transition Hub報告的思路，我們可以推測像德國或台灣等等耗能較高、土地相對澳洲較小的區域，如何走完能源系統100%由綠能供應、全面低碳化的最後一哩路：那就是向未來的氫氣輸出國購買廉價氫氣，替代深度低碳路徑中、國內選項不具成本有效性的耗能需求。當一個國家的能源自給率和再生能源供給率已經達到90%到95%時，這樣子的能源進口應該是無從非議的。