關於TIMES能源工程模型，你想知道的大小事……

關於TIMES能源工程模型，你想知道的大小事……
--臺灣TIMES能源工程模型介紹

Q1：TIMES模型是什麼？

TIMES模型是國際能源總署(International Energy Agency, IEA)的能源技術系統分析計畫(Energy Technology Systems Analysis Programme, ETSAP)所開發的能源工程模型，其前身是MARKAL模型。目前全世界目前有超過60個國家、約234個機構在使用TIMES模型，適合應用在國家中長期的能源供需規劃中，例如國家自主減碳貢獻；英國也將UK TIMES模型應用在碳預算的制定上。

工研院綠能所於1993年引進MARKAL模型，建置臺灣本土版本。2010年轉版為臺灣TIMES模型，透過更細緻化與彈性的模型操作功能，協助我國多項重大能源政策決策評估，近期的重要評估包括溫管法階段管制目標的燃料燃燒CO₂排放路徑、我國減煤路徑等。

 圖：應用MARKAL與TIMES模型之國際機構

資料來源：原始圖檔來自ETSAP網站，工研院TIMES模型團隊重製。

Q2：TIMES模型怎麼反映實際能源供需的狀況？

在真實世界中，能源開採並冶煉處理後的能源產品，會提供能源設備使用，產生能源服務，滿足人類生活所需，例如原油經過提煉產生汽油，汽油可供車輛使用，以滿足人類運輸的需求。而人類生活所需的能源服務需求依型態的不同，可以分成運輸、住宅、服務業與工業等需求部門。下圖示意從初級能源經過處理產生能源產品，而後進入各需求部門產生能源服務需求的流程圖。

圖：真實世界的能源流示意圖

資料來源：工研院TIMES模型團隊

而模型的運算原則構築在能源供需平衡上，去評估要滿足這麼多的各類能源服務需求，需要多少的各類能源，而服務需求到能源投入之間的轉換，則是由大量堆疊的能源技術串接而成。因此模型求解的模擬程序，可以反過來從能源服務需求出發，到估算出滿足能源服務需求所需的能源供應來解釋。

由上述可知，TIMES模型求解的驅動力即是各類能源服務需求的量。各類的能源服務需求是外生給定的(即輸入模型的前提條件，也可以說是自變數)，通常會依據未來經濟(如各行業經濟成長率、產業結構等)、社會(如人口數量與結構變化、家庭戶數變化等)、環境(如氣溫)等發展或變化趨勢，推估各類型的能源服務需求未來趨勢。

而模型中建置的能源技術資料庫，可以計算滿足各類服務需求所需的能源數量，這些能源技術包括如工業的鋼鐵業高爐、運輸的小客車、住宅與服務業的空調設備等，此外也包括原油煉製技術和發電技術等更源頭的技術。透過各類型新舊技術效率、成本、使用年限等參數資料，可以估算要滿足給定的能源服務需求，在最小成本的前提下，所需要的技術組合以及各類能源投入量，以及相應的碳排放等資訊。

總和來說，TIMES模型是以龐大且複雜的能源技術由下而上堆疊而成的線性規劃模型，以能源服務需求(外生變數)為驅動力，考慮能源系統發展情境，在能源系統成本最小化目標下，符合能源供需平衡、環境與資源限制下規劃求解。

圖：真實世界能源流與模型模擬程序關聯說明

資料來源：工研院TIMES模型團隊

Q3：能源技術資料庫聽起來好複雜，它到底是什麼？

能源技術資料庫可以從能源技術間的「架構」和各技術的「參數」來解釋。

能源技術之間的關聯可以分為平行鏈結和垂直競爭兩種(如圖)。平行鏈結如燃料能源的進口、處理技術、發電技術、到各種需求部門的技術，將初級能源一路轉換為最終的能源服務需求；垂直競爭則指有相同產出的技術間具有競爭及替代性，例如同樣可以產出電力的燃煤與燃氣發電技術，或是同樣可以產生照明服務的白熾燈與LED燈等。利用這樣的定義，考量我國能源系統的實際情形，可以一步一步構築出我國本土化的能源技術資料庫架構。

有了架構後，要逐一填入各項技術參數，以描述各種技術與產品之間的量化關係。在TIMES模型中，依評估功能的不同，可設定的參數達上百個，而重要的技術參數包括技術效率、成本、市場滲透率、可利用率、可使用年限等等。透過各種統計、調查、研究資料，我們可以建構本土化技術參數，做為模型運算求解的依據。而各項技術參數還可透過上下限等數據的設定，使模型的評估更能反映真實世界的情形，例如設定我國逐年天然氣供應能力的上限、新能源技術導入市場的滲透率上限、或是發電機組利用率的上下限等。

由上可知，能源技術資料庫是TIMES模型運算求解的基礎，所以能源技術資料架構與參數的設定、維護與更新，對模型評估結果的合理性及正確性非常重要。

圖：TIMES模型技術間關聯說明範例

資料來源：工研院TIMES模型團隊

Q4：如何確保TIMES模型評估結果的合理性與正確性？

臺灣TIMES能源工程模型開發至今，已經發展出一套完整且嚴謹的資料庫維護更新標準作業程序，包含實績年校準、能源服務需求推估、最新政策情境設定、以及六大部門技術資料庫更新與維護，各項維護更新工作的執行頻率、相關參數與主要參考資料來源詳列於下圖中。

絕大部分的參數更新工作，都是每年滾動式進行；而六大技術資料庫更新與維護工作，因資料架構與參數龐雜，以每年1~2個部門的方式輪替進行。透過定期的標準化作業程序，確保模型資料內涵的合理性與正確性。

六大部門技術資料庫的架構與技術參數的維護更新，是每年的重要工作。模型團隊每年會針對輪替到的部門，全面檢視相關技術與政策的國內外最新發展，視情況做資料庫架構的調整。例如今年度因應電動車的發展趨勢，我們預計在運輸部門中將電動車儲能技術項目逐步建立起來。而後，會全面檢視該部門國內外相關技術資料，以國內可得資料為主(如技術報告、市場資料、調查與統計報告等)，國外資料為輔(如未來技術發展曲線)，進行技術參數的更新調整，確保模型資料可反映實際技術發展情形。

而因為六大部門技術資料庫的參數更新牽涉到未來技術發展趨勢，每年模型團隊會邀請該部門學研、產業界專家，就當年度全面更新維護的部門，針對其技術資料庫架構與參數來檢核與討論。透過不同領域專家對未來技術發展的看法，以及各專家所提供其專精技術的重要發展資訊，不只幫助模型團隊檢視參數的正確性，更可以透過模型團隊呈現的情境案例分析，確認模型評估結果的合理性。模型團隊也藉由每年在國際能源研討會發表最新模型發展與評估成果，接受各國專家的檢視，並持續與國際模型社群同步。

圖：臺灣TIMES模型技術資料庫定期維護更新標準化程序

資料來源：工研院TIMES模型團隊

Q5：TIMES模型可以回答哪些能源發展上的問題？

TIMES模型可以回答的問題主要可分為以下三種：

1.      分析能源政策的影響(what-if)：透過限制條件或參數的設定，探討政策施行與否情境間的差異，了解相關政策對能源供需的影響。例如我國天然氣供應能力擴充，或禁燒生煤政策等，對未來電力結構、CO₂排放量的影響。

2.      分析如何達成政策目標(how-to)：透過產出(如二氧化碳排放量、機組發電量等)的限制式設定，探討達成特定政策目標的最小成本路徑，例如如何達成我國二氧化碳減量目標、再生能源發展目標等。

3.      分析新興能源技術之應用潛力：了解未來發展情境下，各項新技術的需求與市場潛力。如再生能源、替代能源技術、碳捕獲與封存技術等。

Q6：臺灣TIMES模型的評估結果到底準不準？

TIMES模型是一個情境模擬的工具，不是未來預測的工具，也就是在給定的情境條件下，評估未來的能源供需情形，或達成特定能源目標的能源發展路徑。因此模型評估結果是否與未來趨勢相符合，絕大部分是取決於給定的情境條件與未來實際發展情形的差異大小。

TIMES模型運算求解的驅動力是外生給定的各類能源服務需求，這些能源服務需求未來走勢會是如何，需要靠我國各權責單位或研究機關的預測結果，例如國發會的人口數推估、研究單位的GDP與產業結構預測，或一些重要因子的歷史成長趨勢，如家庭戶數、樓板面積等，都是用來推估未來能源服務需求的重要考量因素。除了能源服務需求的推估之外，其他重要的技術項目與參數設定，例如未來能源進口量及價格變化、各類發電機組開發情形、重要政策推動時程等。上述這些考量因子，都會隨著經濟、社會、政策、技術等發展情勢變動，而影響我國能源系統的發展情形。

因此，TIMES模型無法預測未來的能源發展走向，但透過嚴謹的資料庫定期維護更新與檢核工作，TIMES模型可以應用於未來可能發展之情境模擬，提供各情境條件下的能源供需發展趨勢量化資訊，作為能源決策或能源開發討論的參考。

Q7：TIMES模型的評估能力只有在能源面，那該怎麼在評估程序中同時考慮或探討對經濟、環境等其他面向的影響？

能源、經濟與環境的發展密不可分，各面向彼此間的交互影響也是在能源政策制定過程中需要考量的因素。國際間常常利用模型整合的方式，將經濟、環境的影響與限制納入能源供需評估的考量中。模型整合的作法主要可以分成兩種：硬連結(hard link)和軟連結(soft link)。

硬連結的意思是各個模型或模組會整合在同一個求解程序中。以TIMES模型為例，IEA開發了TIMES-MACRO模組，將TIMES模型與MACRO經濟成長模型整合成一個非線性模型，讓模型自動遞迴收斂，探討總體經濟與能源供需規劃的交互影響。由於硬連結使模型規模擴大，求解的難度與時間會增加，所以通常只能整合較簡化或單純的模型。

軟連結則是更廣泛被使用的整合方式。軟連結指的是由模型A的產出結果，作為模型B投入的外生變數，模型B求解後再回饋給模型A，如此反覆收斂到模型間取得平衡。國際間常使用軟連結方式，結合由下而上的能源模型與由上而下的總體經濟模型，甚至整合空污擴散與氣候模型，探討能源、經濟、環境、氣候變遷政策與議題間之交互影響。軟連結方法可讓各複雜模型充分發揮評估功能，但模型整合數量越多時，其收斂程序也會更複雜。

為了更全面探討能源政策與經濟、環境各面向之交互影響，工研院TIMES模型團隊所持續開發之能源、經濟、環境整合TISMO模型(Taiwan Integrated Sustainability MOdel)。以臺灣TIMES模型為核心，建置TISMO-CGE總體經濟模型與TISMO-ENV環境衝擊評估模組，透過軟連結方式持續擴充TIMES模型整合評估功能，並提供多面向評估資訊以供決策參考。

圖：TISMO整合模型架構

資料來源：工研院TIMES模型團隊

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