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天氣與發電究竟有多纏綿?郭志禹帶你一窺科學的「風中奇緣」

研之有物│中央研究院_96
・2017/06/13 ・3237字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

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為什麼要研究「風力發電」與「氣候」的關係?

台灣擁有得天獨厚的風力資源,但要把風力運用於生產能源,「可預測性」是極其重要的條件。中研院應科中心郭志禹副研究員,將氣象預報所使用的 WRF 模型,比對在風場實際測得的天候數據,再把得到的結果應用於風力發電的效能預測上。對於能源政策的擬定、資源配置、機械設備維運時程安排等,都提供非常重要的參考。

風是什麼顏色?迪士尼電影《風中奇緣》裡的寶嘉康蒂公主,問了這個難解的問題。但對郭志禹來說,這問題一點也不難。

風,是綠色的。

風力發電汙染低,是絕佳的綠色能源。中研院應科中心的郭志禹副研究員,目前進行的研究,就是以這個領域為核心。攝影/張語辰

唯有抓得住風,綠電發展才有著落

人類利用風力的歷史非常悠久,從文藝復興時代就開始了。到了 1970 年代,北歐掀起了一股研發再生能源的熱潮,開始使用幾十層樓高的大風車,從看不見的風中,攫取能源。

台灣海峽的兩側,就是目前全球最佳的風場之一,此處的冬季季風,堪稱世界上名列前茅的優質風力資源,讓風力成為台灣擁有的穩定再生能源,僅次於水力、更勝太陽能。有如此出色的風能條件,需要有好的學術研究來輔助。

以往,台灣綠能產業界關注的是如何製造效率更好的發電設備,然後外銷獲利。但既然台灣訂下了廢核的長期目標,又要同時減少碳排放,再生能源這個領域,就需要轉個彎,從「使用者」的角度來思考問題。

對風力發電的「使用者」來說,最重要的,就是風力的「可預測性」。

這就是郭志禹研究最初的問題意識。透過風力,今天可以發多少電?明天、後天、下週又是多少?這攸關如何調配各種發電方式的基載配置,是使用者必須知道的答案。為了解答這些問題,郭志禹沒有氣象學的背景,卻一頭埋進了天氣的預測模型裡面。

看天吃飯也要靠傢伙,WRF 為你掌握局部地區天氣

風力發電可以算是一門「看天吃飯」的生意,要懂得「看天」,氣象預報就是一門必修學分。 WRF 模式(The Weather Research and Forecasting Model),是由美國數個科研機構在 2000 年開發成功、氣象學界用來預測「局部地區」天候狀況的模型。郭志禹的研究團隊,也是採用這套模型做為研究基礎,並且選定風力條件極佳的彰化沿海「福海電場」作為研究場域。

彰濱一帶,整個冬天都吹著強勁的東北季風,平均風速可以達到每秒 12 公尺以上(相當於六級風),這是福海雀屏中選成為研究場域的原因之一;另一個原因,則是郭志禹研究團隊和經營此地風場的永傳能源公司,有十分愉快的合作研究經驗。永傳在此架設的測風塔,提供了很珍貴的研究數據。

「雖然測風塔是很傳統的工具,但那些頂尖科技,不管是衛星影像、雷達回波等等,還是需要它的數據來進行校準,是非常重要的設備。」郭志禹形容著科技「反璞歸真」那一面。

於是,在把 WRF 的模擬資料和場域的真實數據比對之後,郭志禹的團隊發現,兩者相當吻合,足見 WRF 模型對於福海風場一帶的氣候狀況,有不錯的預測能力。

在福海的風速與風向上, WRF 模型的預測(紅線)和實際測得數值(藍線),走勢相當一致。來源/郭志禹

到底是誰扯後腿?原來是斷不開的「尾流」

在掌握 WRF 模式的預測能力之後,郭志禹團隊的挑戰才正要開始。台灣的風力資源固然全球數一數二,但面積上卻不如北歐的北海風場那樣遼闊。因此,「地狹機稠」成了在地風場的特殊現象。可能每隔 10 公里就有一處風場,讓台灣海峽像是風場的集合住宅,空間一擁擠,鄰居之間難免容易有糾紛。

風場與風場之間,會不會相互干擾影響呢?這是郭志禹企圖解答的下一個問題。「尾流」,就是這個問題中的關鍵因素。

風機擾動大氣後,產生可能綿延 30 公里長的「尾流」,會對於風場中的大氣狀態產生相當重要的影響。圖為尾流結合凝結水氣的壯觀畫面。資料來源/Vattenfall

三十層樓高的風機,轉動著巨大的葉片,就好像是矗立在海中的一支支巨大打蛋器,雖然不至於把大氣攪成一鍋蛋花湯,但的確會改變風場中大氣的混合機制,連帶對於水氣凝結、降水的分布,以及熱傳導的物理系統,都會造成影響。

「尾流」對於風力發電影響最鉅的,就是減弱風速。

風機的扇葉從空氣中汲取了動能,那風的速度自然會隨之下降,下降的程度,會隨著距離慢慢遞減。郭志禹的研究團隊,分析大量的數據之後發現,風通過風機之後,風速下降超過 1 公尺(每秒)的區域,面積竟然廣達 100 平方公里左右。

速度下降 1 公尺(每秒),有那麼嚴重嗎?別小看這 1 公尺,請看這張圖表:

風速與發電功率關係圖。彰濱一帶平均風速為 12(m/s) ,但若下風處的風機受到上風處的風機尾流影響減弱風速,發電功率就會下降。來源/郭志禹

從圖中曲線可以發現,風速大約在 12(m/s)以上時,可以進入最佳的發電效率。彰濱一帶的季風平均風速,正好就落在這個區間。然而,若風速受上游風場影響稍稍下降,來到 9~10(m/s)左右,發電效率衰退會非常明顯。在這個範圍裡,差 1 公尺,即可能造成二到三成發電效率損失

再加上前面提及的,台灣風場如此密集,上風處的第一台風機,可以當頭好壯壯的領頭羊,下風處的第二台就沒那麼好運,第三台、第四台……尾流效應依序疊加,最後會產生巨大的影響。除了發電效率之外,尾流導致忽快忽慢的風速,也會減損下游風機的使用壽命,連維運成本和時程都要重新估計。

郭志禹團隊的這個發現,對風力發電產業來說彌足珍貴。未來將可以據此,把天候及尾流因素納入考慮,提出更佳的規劃,甚至建立精準的預測模型。

「就像漁民看電視會看漁業氣象,我們要做的就是風力發電產業可以看的『風電氣象』!」郭志禹笑著說。

台灣風電失落的一角:跨領域的合作發展

話鋒一轉,郭志禹提到了自己在學術之外的興趣,是潛水。國內外許多海底勝景,都是他探訪的目標。在幾次潛水的過程中,他看到了海底的沉船、或是人工魚礁,裡面豐富的海洋生態,讓他印象深刻。

從那時起他就深信,「人為改變」並不一定會對於環境產生傷害,重要的是人類要在與環境的共存方式之中,取得「環境保護」和「經濟開發」的平衡。環評,只是起點,後續對於環境的監測更重要。講到這,郭志禹對於當前的風力發電政策規劃,提出了重要的意見:

台灣要發展風力發電產業,真正關鍵的該是土木營建與海洋工程技術。

此言一出,讓採訪的我們有些意外,畢竟土木並不是他的學術領域,跟這份研究的問題意識與成果也並不相關。

但郭志禹表示,在外海架設風機,風場地質會影響風機基礎。彰濱海底的沉積地質太過鬆軟,對於常常會因風向而「側向受力」的風機來說十分不利,風力從迎風面不斷推拔風機。要克服這個因素以及在離岸環境下施工,土木營建與海洋工程技術才是關鍵。

風力發電並非只是買一台風機「種」在海裡就好,怎麼「種」關乎地質與風向,累積這些工程經驗能變成台灣發展風電的資產。圖/iStock

郭志禹認為,外國的風機相關機電與系統整合科技領先台灣許多,與其競逐利潤日低的風機製造外銷的產業模式,不如正視利用在地的優勢,強化風機基礎與支撐結構設計與工法,累積具參考價值的珍貴數據資料,再拿來和外國進行技術交流。

這一段,雖然不屬於他的直接研究範疇,但述說時,郭志禹表情中蘊含的積極熱切仍未絲毫減少。或許是因為對他來說,做研究從來就不只是做研究。怎麼幫助這塊土地、這個世界更好,才是他心中不曾動搖的想望。

延伸閱讀:

  • 郭志禹的個人網頁
  • 郭志禹 (2017 年 1 月 13 日) 。 An Application of the Weather Prediction Model in Wind Farm Development, 2016 【演講資料】。

本著作由研之有物製作,以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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研之有物│中央研究院_96
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金魚的記憶才不只 7 秒!記憶力怎麼回事?好想要超大記憶容量
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/12/01 ・2720字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 美光科技 委託,泛科學企劃執行。

你是不是也有過這樣的經驗?本來想上樓到房間拿個東西,進到房間之後卻忘了上樓的原因,還完全想不起來;到超巿想著要買三四樣東西回家,最後只記得其中兩樣,結果還把重要的一樣給漏了;手機 Line 群組裡發的訊息,看過一轉身回頭做事轉眼就忘了。

發生這種情況,是不是覺得很懊惱:明明才想好要幹嘛,才不過幾秒鐘的時間就全部忘記了?吼呦!我根本是金魚腦袋嘛!記憶力到底是怎麼回事啊?要是能擁有更好的記憶力就好了!

明明才想好要幹嘛,一轉眼卻又都忘記了。 圖/GIPHY

金魚的記憶才不只 7 秒!

忘東忘西,我是金魚腦?!無辜地的金魚躺著也中槍!被網路流傳的「魚只有 7 秒記憶」的說法牽累,老是被拖下水,被貼上「記憶力不好、健忘」的標籤,金魚恐怕要大大地舉「鰭」抗議了!魚的記憶只有 7 秒嗎?

根據研究顯示,魚類的記憶可以保持一到三個月,某些洄游的魚類都還記得小時候住過的地方的氣味,甚至記憶力可以維持到好幾年,相當於他們的一輩子。

還有科學家發現斑馬魚在經過訓練之後,可以很快學會如何走迷宮,根據聲音信號尋找食物。但是當牠們壓力過大時會記不住東西,注意力分散也會降低學習效率,而且記憶力也會隨著衰老而逐漸衰退。如此看來,斑馬魚的記憶特點是不是跟人類有相似之處。

記憶力到底是怎麼回事?

為什麼魚會有記憶?為什麼人會有記憶?記憶力跟腦袋好不好、聰不聰明有關係嗎?這個就要探究記憶歷程的形成源頭了。

依照訊息處理的過程,外界的訊息經由我們的感覺受器(個體感官)接收到此訊息刺激形成神經電位後,被大腦轉譯成可以被前額葉解讀的資訊,最終會在我們的前額葉進行處理,如果前額處理後認為是有意義的內容就有可能被記住。

在問記憶好不好之前,先了解記憶形成的過程。圖/GIPHY

根據英國神經心理學家巴德利 Alan Baddeley 提出的工作記憶模式,前額葉處理資訊的能力稱為「短期工作記憶」,而處理完有意義、能被記住的內容則是「長期記憶」。

你可能會好奇「那記憶能被延長嗎」?只要透過反覆背誦、重覆操作等練習,我們就有機會將短期記憶轉化為長期記憶了。

要是能有超大記憶容量就好了!

比如當我們在接聽客戶電話時,對方報出電話號碼、交辦待辦事項,從接收訊息、形成短暫記憶到資訊篩選方便後續處理,整個大腦記憶組織海馬迴區的運作,如果用電腦儲存區來類比,「短期記憶」就像隨機存取記憶體 RAM,能有效且短暫的儲存資訊,而「長期記憶」就是硬碟等儲存裝置。

從上一段記憶的形成過程,可以得出記憶與認知、注意力有關,甚至可以透過刻意練習、習慣養成和一些利用大腦特性的記憶法來輔助學習,並強化和延長記憶力。

雖然人的記憶可以被延長、認知可以被提高,但當日常生活和工作上,需要被運算處理以及被記憶理解的事物越來越多、越來越複雜,並且需要被快速、大量地提取使用時,那就不只是記憶力的問題,而是與資訊取用速度、條理梳理、記憶容量有關了!

日常生活中需要處理的事務越來越多,那就不只是記憶力的問題,而是有關記憶力容量的問題了……。圖/GIPHY

再加上短期記憶會隨著年齡增加明顯衰減,這時我們更需要借助一些外部「儲存裝置」來幫我們記住、保存更多更複雜的資訊!

美光推出高規格新一代快閃記憶體,滿足以數據為中心的工作負載

4K 影片、高清晰品質照片、大量數據、程式代碼、工作報告……在這個數據量大爆炸的時代,誰能解決消費者最大的儲存困擾,並滿足最快的資料存取速度,就能佔有這塊前景看好的市場!

全球第四大半導體公司—美光科技又領先群雄一步!除了推出 232 層 3D NAND 外,業界先進的 1α DRAM 製程節點可是正港 MIT,在台灣一條龍進行研發、製造、封裝。日前更宣布推出業界最先進的 1β DRAM,並預計明年於台灣量產喔! 

美光不久前宣布量產具備業界多層數、高儲存密度、高性能且小尺寸的 232 層 3D NAND Flash,能提供從終端使用者到雲端間大部分數據密集型應用最佳支援。 

美光技術與產品執行副總裁 Scott DeBoer 表示,美光 232 層 3D NAND Flash 快閃記憶體為儲存裝置創新的分水嶺,涵蓋諸多層面創新,像是使用最新六平面技術,讓高達 232 層的 3D NAND 就像立體停車場,能多層垂直堆疊記憶體顆粒,解決 2D NAND 快閃記憶體帶來的限制;如同一個收納達人,能在最小的空間裡,收納最多的東西。

藉由提高密度,縮小封裝尺寸,美光 232 層 3D NAND 只要 1.1 x 1.3 的大小,就能把資料盡收其中。此外,美光 232 層 NAND 存取速度達業界最快的 2.4GB/s,搭配每個平面數條獨立字元線,好比六層樓高的高速公路又擁有多條獨立運行的車道,能緩解雍塞,減少讀寫壽命間的衝突,提高系統服務品質。

結語

等真正能在大腦植入像伊隆‧馬斯克提出的「Neuralink」腦機介面晶片,讓大腦與虛擬世界溝通,屆時世界對資訊讀取、儲存方式可能又會有所不同了。

但在這之前,我們可以更靈活地的運用現有的電腦設備,搭配高密度、高性能、小尺寸的美光 232 層 NAND 來協助、應付日常生活上多功需求和高效能作業。

快搜尋美光官方網站,了解業界最先進的技術,並追蹤美光Facebook粉絲專頁獲取最新消息吧!

參考資料

  1. https://pansci.asia/archives/101764
  2. 短期記憶與機制
  3. 感覺記憶、短期記憶、長期記憶  
  4. 注意力不集中?「利他能」真能提神變聰明嗎?

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蟲蟲危機!氣溫上升加速害蟲蠶食農作物——《圖解全球碳年鑑》
商業周刊
・2022/10/03 ・3771字 ・閱讀時間約 7 分鐘

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目前全世界的農田,因為病蟲害而損失 10% 至 15% 的農作物。

氣候和農業害蟲

昆蟲的生理機能對溫度的改變敏感,溫度上升 10°C 會使其新陳代謝率加倍,溫度突然上升會加速昆蟲的食物消耗、成長和移動。

昆蟲的生理機能對溫度的改變敏感,溫度上升 10°C 會使其新陳代謝率加倍,溫度突然上升會加速昆蟲的食物消耗、成長和移動。圖/Pixabay

最近一份《科學雜誌》(Science)的研究,證實溫度提高 2°C 可能使大量農作物遭到昆蟲啃食,在歐洲和北美洲,小麥和高粱的蛋白質成分顯著下降,西歐則是有近 75% 的小麥作物遭到蟲害。

溫度上升會改變害蟲的整體數量,結果造成:

  • 世代更替的頻率增加。
  • 地理區域擴大。
  • 昆蟲散播的植物病。
  • 更可能捱過冬天。
  • 昆蟲和其掠食者不再同步。
  • 植物的成長和昆蟲不同步。

氣候與農業疾病

真菌影響糧食作物, 而且通常在 20-30° C 時成長旺盛,氣候變遷使全球溫度上升,沿赤道區也將會發生真菌疾病的改變。

愛爾蘭馬鈴薯歉收是真菌疾病造成,被稱為「立枯病」,進而傳染當地的農作物。這些疾病在遠離赤道的地區極可能再度出現,影響地區的糧食安全。

20 億人的缺糧危機

地球上有超過 20 億人受到缺糧的威脅,或是缺乏安全營養的食物,大氣中二氧化碳濃度升高使溫度升高、洪水氾濫以及陸地和土壤劣化,於是農作物產出的營養價值和品質以及家畜的生產力下降。

地球上有超過 20 億人受到缺糧的威脅,或是缺乏安全營養的食物。圖/Pixabay

策略與國際研究中心(The Center for Strategic & International Studies, CSIS)表示,溫度中數每上升攝氏 1 度,和農作物產出下降 10% 之間有關連性,熱浪可能造成農作物的全面歉收,至於土地管理不良、森林砍伐以及牲畜過度放牧而破壞草地,則加重了氣候相關的影響,也增加糧食系統的整體威脅。

溫度中數每上升攝氏 1 度,和農作物產出下降 10% 之間有關。圖/商業週刊

食物匱乏將持續惡化,導致更多饑荒和營養不良,此外農作物和家畜大規模遠離養分耗盡或無法使用的土壤也將更為常見。

陸地和土壤劣化的問題

陸地和土壤失去支持生命的物理性、化學性或生物特質,稱為劣化。相較工業革命和大規模農耕之前的狀態,如今地球上超過 75% 的土地養分殆盡,科學家預期 2050 年以前, 可能到達 90%。

世界各地,每年有相當半個歐盟(418 萬平方公尺)的土地變得較不具生產力與耐受力,而以非洲和亞洲受創最重。

岩石和土壤崩解後,被風和雨沖刷侵蝕而使陸地劣化,這個過程是自然發生的,但極端天氣事件使它更加嚴重。

岩石和土壤崩解後,被風和雨沖刷侵蝕而使陸地劣化,這個過程是自然發生的,但極端天氣事件使它更加嚴重。圖/Pixabay

隨著海岸地區的海平面上升, 鄰近一帶的陸地被海水淹沒,剩下的陸地會因為鹽分和汙染物增加而變得不堪使用。

土壤劣化也透過以下發生:

  • 農業活動
  • 動物吃草
  • 森林砍伐
  • 都市化程度升高

如今,32 億人經歷某種程度陸地劣化的效應,導致糧食供應減少,且往往伴隨遷徙的增加。

土壤的重要性

在我們腳下的棕色塵土,裡頭至少包含所有全球生物多樣性的四分之一,而且對提供乾淨的水是不可或缺,1 茶匙裡的土壤有數十億微生物,據估計,土壤中所含的碳,比大氣多了 3 倍。

95% 的全球食物供應仰賴土壤,來養活大部分的生物。氣候暖化達 2°C 將使土壤中超過 2,300 億公噸的二氧化碳外洩,可能使地球突然陷入不可逆的氣候變遷中。

其他面臨的問題

每一分鐘有大約 30 座足球場的土壤,因為以下原因而侵蝕或退化:

  • 農業化學物質
  • 森林砍伐
  • 過度放牧

殺蟲劑的使用

二次世界大戰後,大型的化學公司鎖定食品業來擴充市場,在接下來的 50 年間,美國的殺蟲劑使用量增加 10 倍,但農作物的損失近乎翻倍,殺蟲劑毒死微生物,而這些微生物為世界各地數億公畝土地帶來健康土壤,例如土壤中的蚯蚓被噴灑殺蟲劑後,只生長到正常重量的一半,生殖力也遠不及未被殺蟲劑噴灑的蚯蚓。

二次世界大戰後,美國的殺蟲劑使用量增加 10 倍。圖/Pixabay

風力

陸上風力渦輪(onshore wind turbine)需要發電半年,來抵銷建設它所用掉的能源,但在此之後,在它使用年限 24 年間,生產出 100% 無碳的電力。

大規模太陽能

印度的巴德拉太陽能公園(Bhadla Solar Park)是全世界最大的太陽能農場(solar farm),創造出 2,245 百萬瓦(MW)的電,超過許多燒炭或核能電廠。它位在沙漠,太陽能板是由機器人清理,而這些機器人的運作不需要用到水。

主要農作物產量下降

根據聯合國農糧組織(United Nations Food and Agriculture Organization, FAO),2020 年有高達 8.11億人飽受飢餓之苦,約占全人類的 10%。

隨著全球的平均溫度上升,乾旱和洪水發生的頻率可能降低糧食供應,而更嚴重的天然災害和活躍的病蟲害也將進一步減少農作物產出,目前有針對氣候變遷對糧食產出做出整體預測,全球最重要的農作物玉米,預估將減少高達 24% 產量,第二重要的小麥,在升溫 1.5° C 的情況下減少 14%,在升溫 2° C 的情況下減少 37%,大豆的收成量在升溫 2° C 下則可能掉落 10-12%。

目前世界可以藉由向不受影響的地區採購,來因應特定地域的乾旱或農作物歉收,美國、巴西、阿根廷和烏克蘭這 4 個最大的玉米出口國,占了出口的 87%,過去這些國家因為地理位置相距遙遠,不會同時出現農作物歉收的情形,如今這些地區的產出,會在升溫 2° C 下減少 8 至 18%,在升溫 4° C 下,下降 19 至 47%。在升溫 2° C 下,4 大農作區同時歉收的風險是 7%,溫度上升到 4° C 時,風險飆高到 86%。

我們的人是在追求「富足」而不是「永續」,

對我而言,「永續」意謂維持國家資源在得以維生的線上,

直到這些資源最終消失,或工業已經受夠而離開。

追求「富足」是確保你的孫子不需要像你那麼努力工作,

確保當我們把這園子留給他們時,他們將擁有所需的一切。

⸺喬.馬丁(Joe Martin),獨木舟雕刻大師

一個起司漢堡的碳足跡,等於 9 個鷹嘴豆餅(falafei)加上口袋餅,或是 6 份炸魚和薯條(fish and chips)。

糧價也因此飆高

糧價由供需的改變決定,雖然需求大致穩定,但供給可能變動。旱災和水災降低農作物的生產力和農田的產出,威脅食物的供應而導致價格上升,行銷和包裝成本的改變也會。

貿易也是主要因素,英國有大約 40% 的食物(香蕉、茶、咖啡、奶油、羊肉等)要靠進口,大部分國家的食物供應也仰賴貿易,美國的食物來自加拿大、墨西哥等國家,船運的汽油和貨櫃成本也占糧食成本的一部分。

糧價高漲會因為氣候變遷而惡化,2021 年的平均糧食價格是近 50 年來最高,巴西的乾旱、洪水和霜害,使咖啡價格上漲 30%,消費者只能眼巴巴看著咖啡的價格節節高升。

糧價高漲會因為氣候變遷而惡化,2021 年的平均糧食價格是近 50 年來最高,巴西的乾旱、洪水和霜害,使咖啡價格上漲 30%。圖/Pixabay

俄羅斯、美國和加拿大⸺杜蘭小麥最大供應國⸺的乾旱,導致杜蘭小麥減產,麵包和麵條漲價已經讓消費者有感,以番茄為主的蔬果價格,也因為佛羅里達和加州氣候變遷問題而節節高升。

世界曾經目睹幾次糧價飆高,1973 年,全球石油危機和乾旱造成糧價上漲,2008 年,石油價格上漲、澳洲乾旱以及美國決定種玉米來生產燃料而不是食用用途,因此推高動物飼料的價格而導致糧食價格膨脹,2021 年,糧價飆高的情形類似 1973 年,只是這次極端天氣扮演較顯著的角色。

糧價上漲影響各種收入的人,只是方式不同。糧價直接威脅低收入戶的糧食供應導致飢荒,至於較高收入家庭,則是較不健康的飲食和肥胖增加。

到2030 年以前,10 種主要農作物當中,9 種的生長速度將遲緩或開始放緩。至少部分來自氣候變遷,平均價格將看到顯著上升。圖/商業週刊

到 2030 年以前,10 種主要農作物當中,9 種的生長速度將遲緩或開始放緩。至少部分來自氣候變遷,平均價格將看到顯著上升。

——本文摘自《圖解全球碳年鑑:一本揭露所有關於碳的真相,並即時改變之書》,2022 年 9 月,商業周刊,未經同意請勿轉載。

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發電量增加 25 倍卻還是不夠用!再生能源是人類未來的救星嗎?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/18 ・1730字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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我們的能源從哪裡來、往哪裡去?

全球每年對能源的需求量相當巨大,若用「瓩時」──即一度電這樣的度量單位──來表示會出現天文數字,因此改用「太瓦時」(TWh)來表示,太瓦時等於 10 億瓩時。

在一八〇〇年,全球約有 10 億人口,當時對能源的需求約為 6000 太瓦時;而且幾乎全部來自傳統的生質能源。到了二〇一七年,全球人口達到 76 億,發電量增加了 25 倍(156000 太瓦時)。

在 2017 年的全球能源使用比例中,煤炭、石油和天然氣等化石燃料占了大約 80 %左右。圖/ Pixabay

下圖顯示在二〇一七年全球主要能源消耗總量的百分比,其中近 8 成為化石燃料。其他再生能源包括風能、太陽能和地熱能,其中成長最快的是風場和太陽光電場。生質能源則主要來自傳統生質能源。

2017 年的能源消耗總量,顯示出不同能源的百分占比。圖/BP Statistical Review of World Energy, 2018; World Energy Council, Bioenergy, 2016

大約有 1/3 的全球能源消耗在將化石燃料轉化為電力精煉燃料上。

剩下的稱為最終能源需求(final energy demand),是指用戶消耗掉的能源:每年約 10 萬太瓦時。

大約有 10% 是來自開發中國家傳統生質能的熱,22% 來自電力,38% 用於供熱(主要來自化石燃料) 30% 在交通運輸。熱能和電能主要都是用於工業和建築。汽油和柴油幾乎提供了所有用於運輸的燃料。

怎麼做比較不浪費?能量轉換效率大比拚!

我們看到供熱與供電一樣重要。兩者都可以用瓩時為單位,也就是一度電來測量,雖然電可以完全轉化為熱量,例如電烤箱,但只有一小部分以熱能形式存在的能量可以轉化為電能,其他的必然會散失到周圍環境裡

在火力發電廠中,存在於化石燃料中的化學能會在燃燒後轉化為熱能。這會將水加熱,產生蒸汽,蒸汽膨脹推動渦輪的葉片,轉動發電機。只有一部分熱量被轉化成電力;其餘的熱量在蒸汽冷凝,完成循環時,就轉移到環境中,成了殘熱。

這份熱電轉化的比例可透過提升高壓蒸汽的溫度來增加,但受限於高溫下鍋爐管線的耐受度。

在一座現代化的火力發電廠中,一般熱能轉化為電能的效率約為 40%。若是在較高溫的複循環燃氣發電機組(combined cycle gas turbine,CCGT)裝置中,這個比例可提高到 60%。

同樣地,在內燃機中也只有一小部分的熱量可以轉化為車子的運動能量(動能);汽油車的一般平均效率為 25%,柴油車則是 30%,而柴油卡車和公車的效率約為 40%。

另一方面,電動馬達的效率約為 90%,因此電氣化運輸將顯著減少能源消耗。這是提高效率和再生能源之間協同作用的一個範例,這將有助於提供世界所需的能源。

火力發電沒辦法 100% 轉換熱能變成電能,約有 60% 的損失。圖/envato

再生能源的過去跟未來

在十九世紀末,水力發電的再生資源幫助啟動了電網的發展,在二〇一八年時約占全世界發電量的 16%。而在再生能源──風能、太陽能、地熱能和生質能源──的投資上,相對要晚得多,是在二十世紀的最後幾十年才開始。

起初的成長緩慢,因為這些再生能源沒有成本競爭力還需要補貼。但隨著產量增加,成本下降,它們的貢獻開始增加。這些其他再生能源發電的占比已從二〇一〇年的 3.5% 上升到二〇一八年的 9.7%,包括水力發電在內,再生能源的總貢獻量為 26%。

不過,就全球能源的占比,而不是僅只是考慮用戶消耗的電力來看,再生能源僅占約 18%,而傳統生質能則提供約 10% 的能量。隨著太陽能和風能的成本在許多國家變得比化石燃料更便宜,它們在總發電量中的占比有望在未來幾十年顯著增加。

這世界花了很長的時間才意識到這一事實,從現在開始,再生能源勢必將成為主要的能源來源。

——本文摘自《【牛津通識課02】再生能源:尋找未來新動能》,2022 年 6 月,日出出版,未經同意請勿轉載。

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