Author: Maxwell Chen 陳世芳
Version：2.2
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雖然再生能源與核能發電、燃煤發電兩者相比，的確比較不穩定，但是核能發電就真的那麼穩定嗎?我的答案是核能發電也不穩定，穩定的基載電力在真實世界當中並不存在。下圖是德國2013年前51週核能發電狀況的統計，我們可以看到發電量最低約在1.4TWh，最高約在2.0 TWh，最高與最低之間相差了30%。這30%就是核能專家所謂的"穩定"，各位讀者，穩不穩定就在於您心中的那把尺如何去定義了。
核能發電不穩定的因素很多，包括正常的停機歲修、維護保養、因颱風而降載(降低發電量)，也包括不正常的人為疏失、設備故障等等。如果是大電網，擁有數十個或上百個核能機組，同時有2-3個機組零輸出，對電網的影響並不大。但是以台灣為例，目前上線的總共是6個機組，曾經發生同時兩個機組無法發電，對台灣的電網影響就很大。而核四是大機組，每個機組的發電功率達1.35GWe，如果不幸兩個機組同時停止輸出(可能因為颱風因素而降載發電或停止發電)，台灣頓時失去7%的電力，這就是很大的風險。核能發電與燃煤發電這種集中式發電(Centralized Power Generation)的風險太高，目前逐漸被分散式發電所取代，歐洲正是分散式發電最好的示範地區。
分散式發電(Distributed Power Generation)並不是微電網(Micro Grid)，兩者有很大的不同。我舉三個很典型的例子來做說明。核四是集中式發電，總裝置容量(發電能力)是2.7GW，每年估計可以發電20.412TWh。英國的離岸風電廠 London Array，目前已經裝置630MW，最後會達1GW，我們用1GW估計，每年約可以發電3.48TWh，僅有核四的17%，也就是說核四的發電量是London Array的5.87倍。集中式發電與分散式發電的差距就是這麼大。美國目前最大的Microgrid位於德州大學奧斯汀分校(The University of Texas at Austin)，總裝置容量為140MW。如果我們假設全為太陽能發電的話，一年的發電量約0.2142TWh。換句話說，核四發電量是德州大學micro grid 的95倍，London Array則為德州大學的16倍。95倍、16倍、1倍，恰為集中式發電、分散式發電與微電網三者的差距。微電網的立意良善，但是因為太小了，無法改變電力結構，杯水車薪。其次，微電網所使用的發電方式，通常是成本而貴且發電效率低的太陽能與小風機，所以應用市場非常有限，目前主要應用在機構學校（研究用）、軍事基地、社區型/小島型電力、特殊的工業區與商業區。畢竟能夠負擔如此高昂成本的用戶，實在不多見。(註：各種發電方式的效率，請參閱拙作"2050年台灣發展再生能源的機會與挑戰")
微電網是一個很小的市場，在2013年約僅有700MW，預估到了2020年也才4,000MW而已。微電網的產業進入門檻不高，預估將是殺戮戰場，想要投入的廠商宜三思。
小風機(1MW以下)的發電效率很低，也缺少經濟規模，所以發電成本昂貴。風電的功率(裝置容量) = (空氣密度;Air Density) X (風機葉片掃過的面積;Swept Area;A) X (風速的立方; Velocity of Wind;V3) X 常數。 風機的效率通常也與機艙高度有關，離地面越高處，平均風速也越強，自然風電的效率也越好。
小風機的高度僅有11公尺，目前3MW的陸上風機高度在80公尺，6MW(Siemens SWT-6.0-154)的離岸風機高度在110-150公尺。小風機的掃掠面積10平方公尺(直徑約3.5公尺)，3MW掃掠面積8,659平方公尺(直徑105公尺, Vestas V105, 3.3MW)，6MW離岸風機的掃掠面積為18,600平方公尺。Vestas V164的8MW離岸風機，掃掠面積達21,124平方公尺。在如此巨大的差距之下，小風機並不具備成本優勢。西門子認為其6MW風機一年發電約0.31TWh (@10m/s)，而Vestas認為其8MW風機一年發電約0.3-0.44 TWh (@8-10m/s)。這裡面的變數還有風場管理軟體(3-5%發電差異)、最小啟動風速(cut-in speed)、最大停機風速(cut-out speed)，並不是說風機越大，發電量就越高，還有其他變數也會影響結果。
由於小風機並不具備成本優勢，所以在美國2005年以後，就幾乎沒有安裝小風機了，市場轉向大風機。目前的主流是1-2MW風機，2-3MW也正在快速成長，3MW以上的風機市場還沒有起飛。有了美國的前車之鑑，建議台灣產業放棄小風機，往大風機發展。小風機與大風機的設計理念差異非常巨大，並不是說會做小風機就一定會做大風機。這個道理好比會做沙灘車不一定可以做汽車，雖然一樣都是四輪車，但仔細去看裡面，差異真的很大。台灣的電子製造業正面臨毛三到四(毛利率3-4%)的激烈競爭，如果能夠轉型往大型離岸風機發展，現在還有機會。比較快速的作法是投資約300-600億元新台幣，購買風機技術、設計圖、團隊，開發直驅式離岸風機，採用固定基座(台灣自用或外銷歐洲、美國)或浮體基座(外銷日本)，現在這個市場還有機會，離岸風機的毛利率還是蠻好的。
再一次提醒大家，風力發電的效率比太陽能好多了，且成本也低很多。在2013年10月16日這一天，德國累積安裝35.651GW的太陽能與32.513GW的風力發電，乍看之下，太陽能似乎勝出，但事實上卻剛好相反。我們看到，德國在2013年前九月太陽能發電28.9TWh，風力發電則是39.7TWh。如果使用TWh/GW來做比較，太陽能的效率是0.81TWh/GW，風力發電則是1.22TWh/GW，換句話說，風力發電的效率領先太陽能50%。風力發電才是德國再生能源的主角，太陽能只是配角，在低照度的地區太陽能永遠都是配角。
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(1)中國行業研究網(2013)：
"四川省某地一位曾經反對引進多晶矽投資項目的地方官員告訴記者，當時之所以反對，就是因為其高汙染高耗能與當地的經濟 建設規劃不符。但是，當他剛一拒絕，便有其他多個地方蜂擁而來，並很快敲定該投資項目。"
"實際上，根據國內的多晶矽成本計算，目前的價格至少並不會讓生產廠家過多的虧損，但更為嚴重的的問題是環境汙染。四川樂山市政府宣傳部的有關人士向記者解釋道，在利潤暴漲的時候，很多多晶矽企業能夠掏出一大筆錢來改善生產設備和附屬汙染物的處理設備以減少多晶矽生產對環境的汙染，但現在利潤已經達到低點，企業盈利都已困難，而對於環保 方面的投入消減必將首當其衝。"
(2)Ｇordon Ramsay翻譯E-time Magzine，發表於醫聲論壇的文章(2013)：
"現太陽能電池90%為晶體矽電池，其原材料為多晶矽，由金屬矽（工業矽）提純而來，目前國內均採用化學法（改良西門子法）：先將金屬矽轉變為三氯氫矽，再進行分餾和精餾提純，得到高純度的三氯氫矽（具有毒性、腐蝕性和易爆炸）後，最終由氫氣還原而成;這一過程中只有約25%的三氯氫矽傳化成多晶矽，其餘基本直接排放；而污染最嚴重的，則是在還原過程中產生的副產品——四氯化矽（一種腐蝕性極強、難以保存的有毒液體，具有急毒性。由於四氯化矽不能自然降解，如果將四氯化矽傾倒或掩埋，水體將會受到嚴重污染，土地會變成不毛之地）。這還不包括大量氯氣等其它易燃易爆有毒氣體。"
"每生產1KW太陽能電池板需耗費10Kg多晶矽，產生80Kg以上四氯化矽。而中國能通過氫化還原閉環工藝循環減小四氯化矽排放的僅有一家；而即使通過氫化還原閉環工藝循環，四氯化矽的排放仍到達50%；四氯化矽雖然也是化工原料，但下游的化工廠消化十分有限。國內絕大多數多晶矽生產廠家的四氯化矽少部分以低價賣給下游廠家，一部分存儲，一部分則偷偷掩埋。這還不包括矽片後期處理的其它輔料。如製絨過程中用到的各種強酸強鹼溶液、擴散使用的三氯氧磷、PECVD中使用的矽烷等，這些輔材的消耗不比主材料少。由於太陽電池具有時效性，只有陽光照射才會產生電能；所以必須用蓄電池在有陽光時蓄電，無陽光時維持供電。而蓄電池又以鉛酸蓄電池為主，其污染程度是相當大的。"
"矽石冶煉為金屬矽、金屬矽提純為多晶矽、多晶矽片處理需要耗費大量的電能，主要集中在矽石冶煉、多晶矽的鑄錠和擴散這幾個流程;每生產1KW太陽能電池板需要耗費5800-6000度電。"
"我們可以這樣計算：按平均光照時間4小時/天，太陽能電池是壽命為15至20年（按20年），1KW太陽能電池總的發電量為4x365x20=29200KWh；與耗掉的6000度電相比，其電能再生比只有4.87倍，這還沒有算上光照效率以及逆變電源的損耗和控制電路的損耗；遠遠低於水電和風電。如果再加上超白玻璃、鋁合金、鋼材、電纜等輔件，其電能再生比是相當低的。"
(3) 華聚產業共同標準推動基金會引述中國太陽能光伏網的文章(2013)：
"在提純多晶矽的過程中會涉及矽粉、氯氣、氫氣等多種主要原料和消耗大量的電能，生產過程中會有大量廢水、廢液排出，生產1噸多晶矽將產生8噸有毒副產品。目前大陸國內多晶矽生產廠商的耗電量是國外掌握最先進技術廠商的2~2.5倍。"
"多晶矽既是一個高投入的產業，又是一個高耗能高污染的產業，在目前市場供給嚴重不足的情況下，助推了多晶矽的高額利潤，然而多晶矽未來發展又將是一個競爭十分激烈的產業。"
為了有效解決中國的多晶矽汙染問題，中國大陸工信部在今年發布《太陽能製造產業規範條件》，明確規定對現有及新建企業及項目產品需滿足的生產條件以及太陽能製造項目耗能、水耗的指標，其廢氣、廢水排放應符合國家和地方大氣及水污染物排放標準和總量控制要求，不符合標準的企業及項目，其產品不得享受出口退稅和大陸應用扶持等政策支持。如果真的沒有汙染問題，中國政府根本就不需要規範，也不需要發布此法令，多此一舉。單多晶矽太陽能的高汙染，確實存在。
這次日月光汙染高雄後勁溪，給我們一個很深的啟示。就算是獲利良好的企業，也未必能夠做好環保工作。中國大陸太陽能級單/多晶矽製造商，因為產業嚴重生產過剩，目前普遍使用低於成本的價格出售商品，犧牲環保，就能低價，越是黑心，價格越低。各位讀者在許多研究報告中看到，單多晶矽太陽能的價格未來能夠多低多低，希望您也能夠想想，背後就是犧牲環保所創造出來的低價，這是假綠能。
薄膜太陽能技術普遍認為成本會比單多晶矽還要低，也比較環保。如果我們仔細去看，其中CIGS(硒化銅銦鎵, Copper Indium Gallium diSelenide)是真綠能，而CdTe是假綠能。在這裡引述OFweek百科有關CdTe太陽能電池的評論
：
"CdTe薄膜太阳电池较其他的薄膜电池容易制造，因而它向商品化进展最快。已由实验室研究阶段走向规模化工业生产。下一步的研发重点，是进一步降低成本、提高效率并改进与完善生产工艺。CdTe太阳能电池在具备许多有利于竞争的因素下，但在2002年其全球市占率仅0.42﹪，目前CdTe电池商业化产品效率已超过10﹪，究其无法耀升为市场主流的原因，大至有下列几点：一、模块与基材材料成本太高，整体CdTe太阳能电池材料占总成本的53﹪，其中半导体材料只占约5.5﹪。二、碲天然运藏量有限，其总量势必无法应付大量而全盘的倚赖此种光电池发电之需。三、镉的毒性，使人们无法放心的接受此种光电池。"
"CdTe太阳能电池作为大规模生产与应用的光伏器件，最值得关注的是环境污染问题。有毒元素Cd对环境的污染和对操作人员健康的危害是不容忽视的。我们不能在获取清洁能源的同时，又对人体和人类生存环境造成新的危害。有效地处理废弃和破损的CdTe组件，技术上很简单。而Cd是重金属，有剧毒，Cd的化合物与Cd一样有毒。其主要影响，一是含有Cd的尘埃通过呼吸道对人类和其他动物造成的危害；二是生产废水废物排放所造成的污染。因此，对破损的玻璃片上的Cd和Te应去除并回收，对损坏和废弃的组件应进行妥善处理，对生产中排放的废水、废物应进行符合环保标准的处理。目前各国均在大力研究解决CdTe薄膜太阳能电池发展的因素，相信上述问题不久将会逐个解决，从而使碲化镉薄膜电池成为未来社会新的能源成分之一。"
我個人認為CdTe不會成為主流技術，原因就是高污染。高汙染可以用環保設備來克服，但是就無法做到價格上有競爭力，其困境與單/多晶矽太陽能是一樣的。
CIGS薄膜太陽能電池是真綠能，近年來因為台積電、三星集團的大力發展，其模組效率接近16%，已經與單多晶矽太陽能的模組效率是一樣的，且高於CdTe。CIGS又特別適合製作成BIPV(Building Integrated PhotoVoltaic)，顧名思義，就是與建築物整合的太陽能發電模組。CIGS的結構，最下層結構通常是玻璃、金屬薄片(Metal foil)或塑膠。往上是一層稀有金屬鉬(Mo)。再往上是CIGS的結構--Cu(In,Ga)Se2。再往上是ZnS(或CdS)，為了環保因素，使用ZnS才是真綠能，其發電效率略低於CdS，兩者差距不大。最上面一層則是ITO層。
CIGS目前可以降低稀有金屬使用量的方法有：(1) 在Mo層增加Na的擴散量，降低Mo的使用; (2)減少Mo層的厚度; (3) 改變CIGS層的材料，降低CIGS層的厚度; (4) 使用較便宜的TCO材料，取代較貴的ITO材料。未來是否會出現更節省稀有金屬的技術，讓我們拭目以待。
引述媒體報載：
1. "While Merkel(德國總理) says reducing the cost of the subsidy for renewables is the first priority of her new government"
2. ""We need corridors so that the development of renewable energies is in line with network expansion. That would add predictability and calculability to the energy switchover so that the costs of promoting renewable energies under the EEG law don't keep rising," said Merkel."
以目前的技術發展來看，我認為最適合台灣的真綠能風光互補是離岸風電(Offshore Wind Power)與CIGS BIPV，未來如果Thin Film GaAs技術突破，也適合做成BIPV的產品，加入真綠能風光互補。再一次強調，所謂的高汙染、高耗能、高成本都是相對的，世界上沒有一個產業可以做到絕對零污染、零耗能與零成本，我們只能夠從一堆爛芭樂當中，選比較不爛的來用。德國經驗告訴我們，大約75%以上的時間，風光互補的效果可以達到預期的數字，隨著再生能源佔比提高，未來這個數字一定還有上升的空間，配合適當的配套措施，100%的再生能源發電已經不是夢想，今年許多科技文章或研究報告都以此為主題，展開討論。德國經驗顯示，風力發電才是再生能源的主角，太陽能因為效率較差，永遠都是配角。當CIGS模組效率朝25%理論值前進的時候，德國Alpha Ventus離岸風電場的發電效率已經達到50.8%，丹麥的Horns Rev2也有49.5%，離岸風電正朝60%的效率發展。
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(Maxwell拍攝於新光三越信義新天地A9, 2013)
延伸閱讀：
1. FRAUNHOFER INSTITUTE(2013), Electricity production from solar and wind in Germany in 2013, http://www.ise.fraunhofer.de/en/downloads-englisch/pdf-files-englisch/news/electricity-production-from-solar-and-wind-in-germany-in-2013.pdf
2. Rocky Mountain Institute(2013), The Micro(grid) Solution to the Macro Challenge of Climate Change, http://blog.rmi.org/blog_2013_10_02_microgrid_solution_to_macro_challenge_of_climate_change
3. Navigant Research(2013), Microgrid Deployment Tracker 2Q13, http://www.navigantresearch.com/wp-assets/uploads/2013/05/TR-MGDT-2Q13-Brochure.pdf
4. 中國行業研究網(2013), 調查：多晶矽警報產能過剩重汙染, http://big5.chinairn.com/news/20130729/152344381.html
5. Ｇordon Ramsay翻譯E-time Magzine，發表於醫聲論壇的文章(2013), https://forum.doctorvoice.org/viewtopic.php?f=23&t=83828
6.華聚產業共同標準推動基金會引述中國光伏網的文章(2013), 2013多晶矽產業發展面臨的挑戰, http://www.sinocon.org.tw/industrial/?K=47
7. 經濟部國貿局引述新華網新聞(2013), 中國大陸工信部發布規範條件提高『太陽能門檻』 產業整合潮將至", http://www.trade.gov.tw/World/Detail.aspx?nodeID=45&pid=447608
8. OFweek(2013), 碲化镉薄膜太阳能电池, http://baike.ofweek.com/1013.html
9. NREL(2013), CIGS PV Technology: Challenges, Opportunities, and Potential, http://microlab.berkeley.edu/text/seminars/slides/Noufi.pdf
10. Clean Technica(2013), Samsung Now Holds CIGS Solar Efficiency Record, http://cleantechnica.com/2013/12/23/samsung-now-holds-cigs-solar-efficiency-record/
11. 大紀元(2013), 台日月光Q4合併營收 可望成長, http://www.epochtimes.com/b5/13/10/30/n3998706.htm
12. LORC Knowledge, Offshore Wind Farm Capacity Factor, http://www.lorc.dk/offshore-wind-farms-map/statistics/production/capacity-factor
13. WindMade - Your choice can power change, http://www.youtube.com/watch?v=QZilH_8EWxI&list=PL_2S6ccZnz8M2JtKFr96C_UE8Vup-NqOR&index=6
14. 台灣中小型風力機發展協會(2014), 小風機與大風機的比較, http://www.small-wind.org.tw/content/wind/wind_info.aspx
15. Merkel Takes Germany From Nuclear Energy to Green (2013), http://www.businessweek.com/articles/2013-11-14/2014-outlook-germanys-green-energy-switch
16. Germany plans to curb energy transition (2013), http://www.dw.de/germany-plans-to-curb-energy-transition/a-17263482
17.German energy transition caught in subsidies' trap (2013), http://www.dw.de/german-energy-transition-caught-in-subsidies-trap/a-17066849
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