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該如何解開「能源」議題裡的愛恨糾葛?在路途中想像未來吧! ──《人類大未來》

y編按:快問快答,你覺得未來是什麼樣子?我們都在前往未來的路上,前面的道路會如何開展?景色又如何呢?泛科學2018年11月選書《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》邀請多位科學家以及研究學者,一起描述未來,探討那些關於能源、科技、太空、氣候變遷、生物醫學……的真實與想望,讓我們邊前進邊一起共譜未來吧!

能源與溫室氣體之間的糾葛該如何解?

根據國際能源署 (International Energy Agency) 的說法,能源的生產與運用占全世界溫室氣體排放量的三分之二。兩者的關係如此密切,因此,要解決氣候變遷的問題,不得不從能源著手。

該如何降低使用能源所產生的的碳排放?看起來最簡單的答案是停止燃燒石化燃料,但事實上要做到這一點非常困難。石化燃料已經與現代人的生活畫上等號,它確實在為我們的生活「加油」。在我們想到替代方案之前,要人們暫時別過原本習慣的日子,是不會被大家所接受的。對於那些能源取用相當受限,甚至要靠石化燃料才能發展的國家,要阻止它們的發展也不公平。所以我們需要一個計畫,可以按部就班降低我們對石化燃料的依賴。

停止燃燒石化燃料是降低使用能源產生的碳排放最簡單的方法。
圖/pixabay

首先,我們需要更有「效率」。

從一開始就不要燃燒石化燃料,才是減少溫室氣體最便宜的方法。在英國(在其他地區也一樣),人們無意間浪費了非常多的能源,例如在發電及輸電的過程中會耗損三分之二的電力,隔絕效果不佳的建築也會讓熱能白白散失。如果節約能源是件好事,為什麼我們沒有做得更好呢?部分原因在於人們就是對有效運用能源這件事不感興趣,而且獎金或補助對大多數人也沒有吸引力。

另一個問題是,效率會幫人們省錢,結果省下來的錢拿去用在其他會產生更多溫室氣體的事物上,造成「反彈效應」(rebound effect)。例如把節電省下的電費挪用在暖氣上,結果燃燒更多瓦斯,或者用這筆意外收入搭飛機去旅行,結果產生更多碳足跡。

第二個解決方法是用「更聰明」的方式經營能源系統。

多數能源系統的運作基礎是讓能源供給跟隨能源需求,讓供需維持穩定平衡,電力尤其如此。電力系統有其技術優先順序,包括總是保持開機的基本負載發電廠(如核能與燃煤)、變動型發電廠(如太陽能與風力)、彈性型發電廠(如天然氣),以及可以迅速啟動但相當昂貴的尖峰負載型發電廠(如柴油)。

舉例來說,如果你想把衣服洗乾淨,就得使用洗衣機。為了滿足這個需求,電廠的工作人員就會打開某個發電機或調高發電量。要是在繁忙時段,每個人都在洗衣服,那麼很可能就要追加使用石化燃料(天然氣或柴油)發電。而「聰明」的能源系統是要讓需求跟隨供給,在上述案例中,智慧型洗衣機或許會問你:「什麼時候需要乾淨的衣服?」然後在能量供給充足時啟動洗衣機(前提是符合你的時間需求),也就是說電廠不需要啟動額外的發電機。

第三點,尋找石化燃料的替代能源,有效減少溫室氣體或達到零排放的目標。

就發電來說,你可以選用低碳能源來取代石化燃料,像是可再生能源、風力、太陽能與生質能源(燃燒樹木或其他會生長的東西),當然還有核能。另一個選擇是運用碳捕集和封存 (carbon capture and storage, CCS) 技術,也就是設置一個大型的化學工廠緊臨發電廠,捕捉廢氣中絕大多數的二氧化碳。接著,這些二氧化碳透過管線運輸並注入停止使用的天然氣田或油田,讓二氧化碳(理論上)能永遠受困於此。如果在碳捕獲封存廠所燒的不是石化燃料而是生質能,而且你將二氧化碳捕獲,那麼你就能有負的二氧化碳排放!

碳捕捉(carbon capture and storage, CCS)示意圖。source:SaskPower

這是因為,樹木生長的時候會吸收大氣中的二氧化碳— 所以如果你將它燃燒並捕捉二氧化碳,你就會降低大氣中的二氧化碳含量(只要你有將樹木補足)。

但是並非所有生質能都是不排碳的,這取決於該生質能是如何種植、收成、補充、運輸,以及土地的利用方式。熱能的替代選項倒是不少。今日我們燃燒大量的天然氣(甲烷)來取暖,但其實有更好的替代氣體,例如用生質來製造生物氣體 (biogas),產生的溫室氣體淨排放量應該會比較低。另一個選擇是氫氣。燃燒氫氣的副產品是水,所以不怕造成汙染。問題是大多數氫氣都來自天然氣,利用甲烷蒸氣重組的程序取得,而這個過程會製造二氧化碳。我們也可以將水電解為氧和氫,但是這個方法需要鉑和鈀等昂貴金屬作為觸媒,電力也需要花不少錢。

運輸一向以石化燃料為主要動力來源(這是目前的情況,說不定有天就能使用氫氣),不過路上越來越常看到電動車和油電混合動力車,它們也越來越受消費者青睞,據統計,全世界目前已賣出超過一百萬輛電動及油電混合動力車。在我們的觀念中,一輛車靠一個油箱可以行駛幾百公里,而且加油只需幾分鐘,現在這個觀念將會受到挑戰。儘管電動車的電池技術以及充電站的數量都在迅速改善,但仍有一段路要走。

比起電力和熱能,人們行為的改變對於運輸的影響更為重要。近來調查顯示,英國人每天大約有百分之五的時間在開車。隨著自動車的開發、智慧公共運輸的發展、更好的城市自行車規劃,以及視訊會議技術的進步,在不久的未來就會改變人們往返兩地的模式。

隨著視訊會議技術的進步,在不久的未來就會改變人們往返兩地的模式。
圖/asian fortune news

破壞大爆發!

「破壞性科技」(disruptive technology) 指的是取代既有技術進而撼動市場的科技,或是某種足以開創新局、創造全新產業的產品。

看看能量領域,破壞正在發生。

能量領域的破壞正在發生。
圖/pixabay

首先,能源使用效率越來越高。

綜觀歐洲,節能標籤與產品標準化所省下的能源,相當於義大利一整年所消耗的能量。光是把一顆不起眼的白熾燈泡換成 LED 燈泡,就能節省百分之九十的電力。智慧科技也讓我們使用能量更有效率,例如智慧恆溫空調可以記錄人們的使用習慣,調節冷暖氣的使用度,進而省下一筆錢(不過當然也會發生前面提過的「反彈效應」)。

此外,能源技術也變得越來越平價。

太陽能光電板隨著全球性的布署而越來越便宜,其銷售量每增加一倍,價格就會下降大約百分之二十一。目前全球的太陽能光電大約三百兆瓦 (GW);不過十年之前,這個數字還僅接近十兆瓦。這麼解釋吧,如果我將家中所有電器打開,大約需要十千瓦 (KW) 的電力;一兆瓦等於一百萬千瓦,代表可以在尖峰時間處理十萬戶住家的用電。這將可以創造數以百萬的「生產性消費者」(prosumers),亦即在消費電力的同時生產電力。而下一件期待中的大事,就是能在住家中儲存電力的電池。

從全球性角度思考能源的未來

現在讓我們把眼光從個人與社群開始擴大,改以跨洲甚至全球性的角度來思考。當然,能源早已是全球性的重要議題,畢竟人們會在各國之間調動大量資源來生產能源。那電力也可以這樣移動調度嗎?

其實許多國家已經這麼做了, 例如多數歐洲國家的電力網路早已彼此連結,甚至英國也透過跨境輸電網(interconnectors,指水下電纜及輸送天然氣的管線)和法國、荷蘭和愛爾蘭互相連結。不過,這個規模有沒有辦法更進一步擴大呢?

英國透過跨境輸電網和法國、荷蘭和愛爾蘭互相連結。
圖/Power Engineering International

由同名基金會主持的「沙漠科技」(DESERTEC) 跨洲能源計畫,便是眾人相當期待的超級電網計畫。它的構想是在撒哈拉沙漠內部與外圍建設風力發電、太陽能板發電和聚光式太陽能發電 (concentrated solar power, CSP) 系統,並透過位於西班牙及義大利的全新高壓直流輸電 (high voltage direct current, HVDC)) 系統,將多出來的電力輸送到歐洲。

聚光式太陽能發電的原理有點像是用放大鏡來凝聚陽光,你可以想像滿地的鏡子都面向一座高塔,將光束折射至高塔上的集熱器,可產生攝氏一千度的高溫,足以像傳統火力發電廠那樣推動蒸汽引擎。聚光式太陽能發電所產生的額外熱能,都會儲存在巨大的熔鹽電池(將熱能導入鹽使其融化)內,之後還可以用於夜間發電。

科學家也想像在太空中放置太陽能板,然後將能源回傳地球。這聽起來像是 007 電影裡的陰謀,不過這個「太空太陽能」(space-based solar power, SBSP) 構想早在一九七〇年代就有人提出來了。當太陽光照射地球時,約有六成的能量會被大氣層吸收或散射。如果將太陽能板放置在大氣層外,就可以大幅提高太陽能的接收量。一旦想出辦法將太陽能板送上太空,下一個挑戰就是如何將能量傳回地球。透過微波或雷射光束可能是最好的方法。最後,你需要建立某種某種「整流天線」(rectenna),寬度或許要好幾公里,來接受這些光束並將它們轉化為電力。除了將能量光束射向地球之外,還有些關於政治和經濟的小問題,就是誰要來付這些費用,到時能源又歸誰所有⋯⋯

太空太陽能(space-based solar power, SBSP) 。
圖/ExplainingTheFuture.com

在路途中想像未來

以上是對未來能源的走馬看花,所有這些預測細節幾乎一定都是錯的,不過我希望各位能了解,我們與能源的關係隨時都有可能改變,也許更好,也許更糟。

最後,我想提出一些問題,也希望各位讀者一起來思考一下。

請大家暫時放下心中的懷疑與成見。如果能源可以完全免費呢?如果不再有電線和管線,事情又會變成怎樣?如果你能從空氣直接取得能源,就像用無線網路取得資訊一樣呢?

聽來有點誇張,不過並非不可能。

免費或非常便宜的能源可以來自超級便宜的太陽能(或許由太空發射回地球)或是其他可再生能源,又或許科學家終於解開了核融合的祕密(在地球的發電廠模仿太陽的運作方式)。此外,無線傳輸其實比你想像的更普遍。電動牙刷和行動電話已經可以使用感應方式來充電,或許可以使用那類技術來傳遞能源。至少我們可以使用微波或雷射光束,遠距離傳輸能源,好比太空太陽能的例子。然而這一連串問題的重點不在於經濟或技術層面的可行性,而是這些假設會如何改變未來我們與能源互動的方式。

如果能源是免費的,就像我們呼吸的空氣,人類與能源的關係會發生何種改變?

圖/pixabay


作者簡介:傑夫.哈迪 (Jeff Hardy)

倫敦皇家理工學院 (Imperial College London) 格蘭瑟姆氣候變化與環境研究所 (Grantham Institute) 資深研究員,專門研究低碳能源系統的未來發展,以及該系統與人們日常生活和企業營運的關係。曾任英國天然氣暨電力市場管制局 (Ofgem) 永續能源發展小組的主管和政府間氣候變遷委員會第三科學小組主任,並在英國能源研究中心 (UK Energy Research Centre)、英國皇家化學學會 (Royal Society of Chemistry)、約克大學 (University of York) 綠色化學小組、塞拉菲爾德核能實驗室 (Sellafield) 等機構進行研究。

 

 

本文摘自《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》,三采文化,2018  年 11 月出版。


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