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【紀錄】M.I.C.╳科技大觀園:能源──從核能的那些骯髒事開始說起

Peggy Lo
・2014/07/10 ・12657字 ・閱讀時間約 26 分鐘 ・SR值 607 ・十年級

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文 / 羅佩琪

唰──地脫下外套,露出胸前閃爍著耀眼藍光的弧形反應爐[1],講者廖英凱還沒開口,就清楚揭示了今晚的演講主題:核能。

曾在《廢核大遊行》擔任公民審核四的講者,也曾主持網路社群《核能流言終結者》的對談,長期協助國內反核、擁核團體釐清核能議題中的科學論述,PanSci專欄作者廖英凱再次登陸PanSci M.I.C.[2],嘗試放下社會火熱的反核、擁核對立,以「科學」為立場,分享(其實是澄清?)核能議題中的那些骯髒事。

適逢林義雄先生的反核四禁食行動,這次的M.I.C.在講者一貫的風趣生動中,似乎也夾帶了一抹沉重。而我們也不得不去思考:面對敏感複雜、佈滿對立荊棘的社會議題,除了科學真理,還有什麼是科學人可以 / 應該做的呢?

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(雖然老梗但也真切,或許「尊重」就是那把開啟對話的鑰匙吧!)

劃定守備範圍:今晚,我們談的是「核能議題中的科學」

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「該不該要核四、核五六七八?」「假設我們不要核能,又該選擇什麼樣的能源?」面對能源議題的大哉問,廖英凱一開場,就明白指出須考量的面向是相當多元的:

● 經濟面:例如,哪一種發電比較便宜?
● 科學面:例如,哪一種發電比較安全?
● 社會政治面:例如,哪一種發電對蘭嶼人、對台灣人或對地球人比較好?

其中,「發電方式、發電產物的安全性」應該是自然科學最有能力處理的,也因此,今晚我們將從攸關核能安全、常被視為核能潛在風險的骯髒事們開始探討。

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核能的骯髒事#01:核電廠核爆?
──科學家:「讓我們從鈾235濃度、連鎖反應、臨界質量談起。」

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五月天的《入陣曲》網友Kuso的《連核爆》……在各種流行文化中,美麗(?)的蕈狀雲與核爆,似乎與核電廠畫上了等號。但,在現實世界,「核電廠核爆」真的會發生嗎?甚至,我們給定最極端的情況,例如:核電廠施工者是像X統沙拉油般的不肖商人,施工品質極差,在這樣嚴苛的條件下,核電廠是否可能核爆?[3]

要科學地回答這個問題,我們必須從「連鎖反應」的概念談起。

核電廠與核彈的能量來源,都來自鈾原子的核分裂:一顆中子打到一顆鈾原子,分裂成氪和鋇這兩個蠻重的原子及三顆中子;如果這三顆中子繼續打到三顆鈾原子,就會繼續產生九顆中子……這,就是傳說中的「連鎖反應」,利用三倍數的指數成長,讓能量短時間內快速膨脹。

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你可以想見,製造核彈者會希望這個連鎖反應產生的能量大、效率高,因此會把核彈的質量加大,並提高核彈彈頭的濃度,以讓所有被分裂出來的中子,都能有效地碰到下一顆鈾原子,讓連鎖反應持續發生;更先進的做法是,在核彈外圍包覆金屬,讓中子反彈,產生更有效率的連鎖反應──由此可知,「質量」與「濃度」,正是能否達成連鎖反應的關鍵。

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▲提升核分裂能量、效率的方法:加大質量(中),提高密度、加上金屬外殼(右)。

也因此,我們稱達到連鎖反應所需的質量為臨界質量;而不同濃度下,臨界質量亦會不同。以鈾235為例,當濃度是100%,只需要47.5公斤就可以達到連鎖反應;但,當濃度下降到10%,臨界質量將超過一公噸;至於核電廠使用的,濃度介於3~5%鈾235,臨界質量是:無窮大。

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至此,我們可以肯定地回答「核電廠會核爆嗎」這個問題了:不可能。核電廠所使用的鈾235濃度過低,所需臨界質量是人類無法企及的無窮大;既然不可能達到連鎖反應,自然也無法產生核爆。(既然低濃度的鈾235無法產生連鎖反應,核電廠的能量從哪來?核電廠的核分裂怎麼發生?請看這份延伸閱讀。)

註:那福島核災的爆炸是怎麼回事?那不是核爆,是比核爆等級小得多的氫爆[3]。

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核能的骯髒事#02:台灣的輻射值超標?
──科學家:「讓我們從輻射的組成談起。」

即使核電廠不會核爆,我們依然要面對已經存在的核廢料、核能輻射以及福島事故的意外的問題,這正是核能與其他發電方式最大的差異:核能發電的產物是有輻射的。奠基於對輻射的警覺與擔憂,許多環保團體、倡議組織近期也自發性發起「測量生活周遭的輻射值」行動:

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上圖即是一例,2014年某場研討會中,與會者在立法院測量到每小時0.12μSv(微西弗);相對於此數值,知名反核人士劉黎兒女士曾撰文宣導「超過0.07μSv就是超標」,指稱全台測量到的輻射值普遍超標三至五倍以上。難道,這就是台灣核能輻射危機的醜陋真相?

試圖解答這樣問題,我們可以從「輻射組成」來一步步驗證上述的說法。日常生活中我們會接觸到的輻射來源其實相當多樣:(數值單位:mSv/yr 毫西弗/年)[5]

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  • 宇宙射線(0.26)、氡氣(0.435)、地表體外曝露(0.64)、地表體內曝露(0.28):都屬於背景輻射。
  • 醫療輻射(0.81):包括X光、斷層掃描等,是我們一生接受輻射的最大宗來源。
  • 其他人造輻射(0.01):過去人類在地球上投放的兩千餘顆核彈所產生的放射性落塵、職業曝露如放射治療師/核電廠員工會接觸到的輻射、核能及雜項設施如核廢料處置場的輻射。

由於醫療輻射僅見於醫療處所,背景輻射如宇宙射線則無所不在,WHO、ICRP及我國的原能會在設定輻射相關建議、規定時,多以「其他人造輻射」為規範項目,並以每人每年1mSv為上限。

帶著輻射組成的背景知識,我們重新檢視輻射量測的意義:假設我們跟蔡康永一樣,在遊行時拿著一支輻射偵測器,我們會量到什麼呢?

街頭不是醫院,不會有醫療輻射,氡氣要計算吸入人體內的影響值,跟體內曝露一樣無法量測,我們能偵測的數值其實僅剩宇宙射線、體外曝露及其他人造輻射三部分。根據上述調查,三者合計為0.91mSv/yr,約莫是0.104μSv/hr,這個數值與全球平均0.097μSv/hr[6]相距不遠。(更具體的形容:這大概是「吃一根香蕉獲取的輻射量」)

不論台灣或全球,以輻射偵測器隨處量到的數值,顯然都大於0.07μSv;那,為什麼還會有劉黎兒女士「超過0.07μSv就是超標」的論述呢?我們試著重現劉女士的推導過程:

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  • ICRP說每年超過1mSv超標:1mSv/yr = 0.11μSv/hr
    ➝正確。
  • 劉女士依8比2的體內、體外曝露拆分:體外曝露約佔0.02μSv/hr。
    ➝喔歐,出錯了!ICRP的1mSv是規範其他人造輻射,體內/外曝露都屬於背景輻射,兩者是沒有交集的。
  • 0.02μSv/hr再加上台灣沖積平原地帶的自然值0.05μSv/hr = 0.07μSv/hr,故超過0.07μSv/hr即為超標。
    ➝喔歐,出錯了!錯誤的上一步,推導出錯誤的結論。

對原始文獻的解讀偏誤,造成與大自然現狀相悖的結論。至於,台灣輻射值的現狀究竟如何?較允當的評斷及量測方式又為何?想了解更多,建議閱讀講者廖英凱在泛科學發表的專文做更深入的了解。

核能的骯髒事#03:核電廠逃命圈?
──科學家:「讓我們從LNT、線性無閾值模型談起。」

除了輻射偵測,核能議題中另一項引起眾多關注與非議的,正是逃命圈的距離標準。

原能會目前核定的緊急應變計畫區範圍為八公里,雖然亦有是否增設為十六公里的討論[7],但無論如何,皆遠低於日本福島核災時的二十公里撤離圈……是台灣人命比較不值錢嗎?明明事關人命,撤離圈難道不是越大越好、越大越安全?

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要審慎地回答這個問題,我們必須一步步追溯逃命圈法規制定時,應考量的科學基礎。流行病學統計發現[8]:當照射到100mSv以上的輻射,每再增加100mSv的輻射,罹癌的機率會增加0.55%。緊接著我們會問,那,照射到100mSv以下呢?由於目前尚無100mSv以下具統計意義的實驗數據,有三種常用的模型,作為輻射量與罹癌機率關係的可能詮釋:

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【模型一】線性無閾值模型 Linear No Threshold(黃線)

這個模型認為:100mSv以下的規律會與100mSv以上相同,呈「每增加1mSv輻射、罹癌率增加0.55%」的線性關係。從字面拆解,「閾」是門檻的意思,「線性無閾值」是線性、沒有門檻;更白話的說,人類只要照射到輻射,不論劑量多低,都一定會增加致癌的機率。(重申:即使100mSv以下我們是沒有實驗數據可以佐證的)

【模型二】線性閾值模型Linear Threshold(藍線)

相反地,線性閾值(a.k.a.有門檻)模型認為,既然100mSv以下沒有實驗數據佐證,那顯然地,當人類被0~100mSv的輻射照射時,是不會增加任何致癌率的;一直要累積到100mSv,才會有0.55%的線性關係。

【模型三】毒物反應模型Hormesis Theory Effects(綠線)

這個有點反骨的模型則認為,在0~100mSv、這樣低劑量的輻射照射下,反而是會「降低」致癌率的。類似於現實世界中,台灣某些住在輻射鋼筋屋中的人、伊朗高原這個高背景輻射的居民,他們罹癌率反而比較低。[9][10][11]

補充:當然,這樣的推論有其限制,是否罹癌的原因很多,或許純粹只是因為這群人的社經地位較高、生活品質較好,致使其罹癌率較低。而原能會針對輻射屋居民的流行病學調查也發現,輻射屋居民在甲狀腺、乳房與婦科病等疾病明顯高於一般大眾,且對健康狀況的不確定性所產生耽憂的負面影響,更是難以估量。[12]

輻射值0~100mSv間,[致癌率以0.55%增加] vs [致癌率=0] vs [致癌率反而下降] ── 仔細比較三種模型,我們會發現,模型一(LNT模型)是最保守的,任何輻射劑量都會增加致癌率。

好,帶著這樣的認知,現在讓我們再次審視福島核災的二十公里逃命圈。

根據Ten Hoeve等人的研究[13],依最保守的LNT模型推算,日本政府二十公里逃命圈、共十六萬人的撤離決定,總計讓245人免於罹患癌症;這無疑地是好事。然而,我們同時必須理解,在這十六萬人的撤離過程中,卻有570人因心理不適、延誤治療、孤獨自殺等原因而死亡。

「假如你是核災時的日本政府,你會希望災民們留在原地、三十年後死於癌症……還是冒高一倍的立即死亡風險,依然撤離二十公里範圍內的居民?」這個兩難抉擇或許過於煽情,但也凸顯出:單以距離長短來判定逃命圈的適當性是不夠的,逃命圈並不能以「越大,就越安全」的思維論之

非核家園的想像:台灣的自然資源、再生能源

核爆、輻射量測、逃命圈,雖然民間對核能骯髒事的解讀有些許誤解,我們依然必須承認:核能輻射確實是棘手難解的問題,核廢料的處理也必須以「遠離人類、遠離生物圈」為原則。

那,如果我們往核能的反方向望去……在「非核家園」的世界中,台灣究竟握有多少自然資源的籌碼,能讓我們發展再生能源?

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其實,依據2008年開始的《國科會能源國家型科技計畫》,台灣再生能源整體的潛力上限,是應付尖峰時期用電量25GW(GW=百萬瓩)仍綽綽有餘的31.19GW(編按:25GW是今年四月的數據,今年七月尖峰時期則已高達35GW了);亦即,如果未來我們能把台灣所有有潛力的自然資源都完全開發,別說核四,核一二三、所有火力發電廠都可以被取代。

怎麼做到的?正是憑藉著台灣的壯麗山川、豐隆物產。

陸、海、空齊備,再生能源遍地開花

從能源的「陸」軍看起:台灣本島多山,使水力發電得以發展,利用高低差產生位能,轉化成動能推動發電機產生電力。而在新竹至彰化沿海、墾丁一帶擁有較高的風能,這些地區也正是風力發電機陸續建置的區域。又,在小油坑、大屯山、宜蘭清水等溫泉區,我們得天獨厚地可以發展地熱發電,將冷水打到地底,並用地底的熱加溫,過程產生的能量即能轉化為電能;1980年代落成的宜蘭清水地熱發電廠雖在1993年因高故障率、低發電效率而停止運轉,但預計今年也將重新啟動,為台灣貢獻12MW(MW=百萬瓦)、約莫兩萬六千四百戶的電力。[14]

「海」軍則有兩大勢力,台灣西南海域蘊藏有可燃冰,可燃冰是一種甲烷水合物,亦即海中可開採的天然氣;東部海域則有黑潮,可以帶動海底架設的螺旋槳進行發電。

至於常被視為能源明日之星的「空」軍:太陽能,則分布在太陽能能量較高的嘉南平原及恆春,前者正好坐落於嘉義布袋至高雄佳冬,台灣古代曬鹽場的所在位置(可見咱們的祖先就已經知道太陽能發展的最佳場域了啊……);而四季如春的恆春,也正是因為太陽夠辣、太陽能量夠穩定,才成為比基尼辣妹雲集的春吶場地。

依照台灣所擁有的陸、海、空自然資源,我們可以標幟出台灣的再生能源地圖:

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呼應前段所述,當這些再生能源完全開發,總發電量將是可以完全支撐起台灣用電量的31.19GW,我們可以成為一個只依賴再生能源、就能生存的國家。

但,再生能源完全開發的美好世界……真的會降臨嗎?

「接下來,我要殘酷地戳破大家對再生能源的美好想像。」

才剛為在場觀眾建構美好的、非核家園的未來樣貌,廖英凱話鋒一轉,將大家從想像拉回現實。真實世界中,2014年4月份再生能源實際的發電量約為2.193GW,僅為完全開發的31.19GW的十五分之一:

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當然,現在2.193GW,不代表未來沒有機會走到31.19GW;但是,這中間的差異,除了政府是否投注足夠資源、是否用心發展再生能源外,或許,還有一些(與核能輻射一樣)從根本地、棘手難解的問題。

【水力】環境危害(案例:萬里水力電廠開發案)

水力電廠的開發,代表需要阻斷一條河流來建置水壩與水庫,輕則改變河流的流量、流速,重則改變河流中的生態系(直白的想:魚顯然不可能跳過水庫的高牆……必須變更棲息處所、進行遷徙)。想進一步了解水力電廠開發對環境的危害,花蓮萬里水力電廠目前正在進行第二階段環評,《地球公民基金會》的花東辦公室投注了許多心力與研究在這個議題上,值得大家一同關注。

【風力】季節效率差異、低頻噪音(案例:苑裡風機開發案)

根據經濟部能源局、工研院的千架海陸風力機計畫,2030年有望建置1050架風機、供應約4.2GW,比核四的2.7GW還大的發電量,顯見風機的潛力。然而,受限於台灣的地理位置與地形,夏天風小冬日風大,容量因數[15]相差3-6倍,但偏偏,夏天卻是吹冷氣、用電量最高的尖峰時期。

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風力發電的另一個問題是「噪音」。關注社會運動的朋友可能聽過的《苑裡反瘋車》行動,正是因為英華威風力發電集團在苗栗苑裡進行風機架設,而巨大風機所產生的低頻噪音波長長,繞射效果好,隔絕的困難度很高,也因此造成相當大的噪音公害。

註:風機有多巨大?具體地說,它是進擊的巨人中超大型巨人的一倍大!(嚇)

【地熱/黑潮】自然區開發、管路結垢與海水侵蝕

地熱發電多存於偏遠的森林山區,亦即,地熱電廠建置時我們勢必開發到我們最需要保護的自然區;而進行地熱發電、我們把水打到地底下再抽起時,管路中將溶有許多地底礦物,造成水管結垢──這個看似簡單的問題,卻是過去幾十年的地熱發電進展中,就連發展最快的美國、菲律賓也難以解決的。

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與地熱發電碰到的問題雷同,分布於東部海域的黑潮發電在設置海底裝置時也會遇到防水、侵蝕問題,再加上東部海底地形崎嶇,施工難度甚高,電力從海上傳輸到岸上時又會碰到颱風侵擾。綜觀全世界,洋流發電尚未有成功商轉的案例。

【可燃冰】國際情勢問題

西南海域蘊含了豐富的可燃冰資源,但,也埋藏了最多的國際海域紛爭。一年前的廣大興案仍歷歷在目,西南海域涉及中國、菲律賓等國的複雜海域主權問題,讓可燃冰短期內可能淪為看的到、吃不到的自然資源。

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【太陽能】晝夜/季節效率差異、製程汙染(案例:日月光K7廠)

太陽能在先進的高科技產業頗受重用,例如國際太空站就是使用太陽能。然而太陽能在地球的應用則存在了根本的限制:太陽會下山,而下山後我們還是得用電。晝夜發電效率的差異如下圖所示。

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發電效率的巨大差異不只存在於晝夜間,也在季節間。與風力發電相反,夏天太陽大、冬天太陽小,太陽能似乎正好適合應付夏天的尖峰用電量:

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然而(筆者OS:聽到這兩個字,就知道廖英凱又要來摧毀我們的想像了……),如果仔細研究上圖的縱軸,一樣是容量因數,風力發電的數值是0~100%,但在太陽能上限卻僅25%。簡易的解讀這相差四倍的級別:一天中有一半是黑夜,發電效率先打對折,再者,清晨、黃昏的發電效率也是低落的,折算下來,太陽能的發電效率最高目前僅達23.26%。

太陽能的另一個問題,again,又是環境汙染。太陽光電、太陽能電池的本質是半導體,雖然在此無法敘述半導體的整體製程,但至少我們可以利用近期的新聞做聯想:去年底爆發的日月光K7廠事件,正是因為製造半導體過程中排放大量汙水,造成嚴重的環境汙染;而在製造太陽能的主要製造國中國,許多太陽能電池的產地也爆發了大規模的汙染事件

「其實我們的科技,已經足夠先進來克服半導體製程的汙染……」帶著些許無奈,廖英凱說:「但科技無法解決的,是不良商人無止盡的貪婪。」

我們必須無奈地承認,這才是真實世界的樣貌

帶著對再生能源開發限制的了解,讓我們再次面對這個問題:台灣的再生能源,真的有機會從目前2.193GW發電量,走到「完全開發」的31.19GW嗎?除了風力季節差異、地熱結垢、太陽晚上會下山……等難解的根本性開發限制,所謂的完全開發,又將附帶多少我們不樂見的環境汙染、生態破壞與居民抗爭呢?

水力發電的案例或許可作為上述現象的註解。2008年《國科會能源國家型科技計畫》其實也預估了2025年的再生能源發電量,針對潛力上限5.04GW的水力發電,2025年的發電量預估卻與2014年是相同的1GW。雖然無奈,但我們似乎必須承認:再生能源的「完全開發」在各種自然、人為的現實限制下,的確存在了無法跨越的難解鴻溝。

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當然,以上討論都奠基在「預估」上。基於對國科會、政府預估數據的質疑,台灣再生能源推動的關鍵組織《綠色公民行動聯盟》也曾在核四真實成本與能源方案報告中提出2025年發電量、電量需求的兩個版本預估:版本一,與能源國家型科技計畫的預估數據相近,以2010年的電量需求成長48%為預測基準;而相較下較樂觀的版本二,則以節能省電推行順利為前提,預估電量需求將呈零成長,維持2010年的水平:

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綜觀能源國家型科技計畫、綠盟的預估版本,截至2025年為止,再生能源的比重將落在20%,以及一個極為理想的69%間──也就是說,不管悲觀或樂觀,在2025年以前的這十年間,我們是不可能單獨依賴再生能源生存的。

所以,剩下的差額(不管是80%或31%),該怎麼辦?

不得不的選擇:火力發電

延續非核家園的中心思想,排除掉核能,當再生能源仍不敷使用,我們的選項僅剩火力發電一途。而不論是台灣、或是廢核路上的典範德國,火力的確也都是難以割捨的發電來源。

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上排的兩張圖,分別是台灣早上六點、晚上六點各發電廠的發電量,除去核能,保持一天恆定電力供應的仍是火力發電;下排則是德國2013年7月第一週的電力供應圖,每日規律波動的黃色區塊正是白天活躍、晚上歸零的太陽能(註:我們常聽到的「德國太陽能佔電力供應的一半」就是指白天的這個部分),最下方的紅色、藍色分別是核能與水力,而穩定佔據發電主力的,依然是咖啡色的火力發電。

回到我們先前提的差額電量來源問題:不管是悲觀的80%或樂觀的31%,這些再生能源無法負荷的部分,如果不使用核能,完全使用火力替代,又會是什麼樣的光景呢?按照台中火力發電廠的發電量換算,這31%~80%的電力約莫需要二~五座的火力發電廠。這聽起來似乎值得一試?如果未來十年我們有一個明確的政策目標,兩年蓋一座火力發電廠,十年我們就會有五座,來實現非核家園的夢想。

然而(Oh No…又是這個粉碎夢想的起手式……),透過火力發電來實現非核家園,是否也會帶來其他問題?這會是一個值得的投資嗎?

火力發電的美麗與哀愁

顯然,要解答這個問題,我們需要更了解火力發電。就從台灣的驕傲,也是全世界最大的火力發電廠:台中火力發電廠看起吧!

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左圖是我們熟悉的台中火力發電廠正面外觀,轉180度、繞到圍牆後的世界,右圖是電廠內部的實際樣貌:黑色堆積如山的正是火力發電廠的燃燒原料:煤炭。這可以解答為什麼火力發電廠大多設置在海邊,因為只有船能運算這麼大量的煤炭;而擁有廣大內陸的國家如美國,就必須把火力發電廠蓋在鐵路旁,方便煤炭運送。

回到我們關心的核心問題:使用火力究竟會有什麼問題?除了空氣汙染造成火力發電廠附近居民較高的支氣管病變比例[16][17][18],火力發電最嚴重的產物依然是溫室效應,及其所連帶造成的氣候暖化。

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▲二氧化碳濃度(藍線)與地球溫度(紅線)的變化趨勢圖。

除了北極熊可能會沒有地方住,氣候暖化與我們人類何干?舉一個與人類比較切身相關的例子。印度與孟加拉邊界的無人島嶼South Talpatti(或稱New Moore)長久存在兩國領土糾紛,然而就在2010年,這個島嶼被發現沉沒了,兩國因此激烈地指責是對方動用武力將此島炸沉(OS:我得不到的,你也別想要……?)。最後,經印度加爾各答學者Sugata Hazra分析衛星圖片,向BBC發布新聞稿,才指稱此島是因全球暖化,海平面上升淹沒的。除此之外,描述極端氣候的《明天過後》、前美國副總統高爾的紀錄片《不願面對的真相》,也都不斷提醒我們,溫室氣體、全球暖化可能潛藏的恐怖危機。

火力發電也有這麼多問題,看似走投無路的我們,到底該怎麼辦?這個全世界都在憂慮的問題,奸巧又厲害的商人比爾蓋茲提出了自己的見解。

蓋茲方程式:Innovating to zero

「這是我近年來學到最重要的一條公式。」廖英凱慎重的強調。

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這條公式是由比爾蓋茲在2010年的TED演講提出,他估算人類未來會製造出來的二氧化碳量,將等於[人數]、[每人會使用的服務量]、[每單位服務需要的能源]、[生產每單位能源所製造的二氧化碳]的乘積。相同的分子、分母消去後,兩邊相等,這條公式的確成立。

仔細探究這四項變數:

  • P(↑):在可預期的未來,全球人數必然會繼續上升。
  • S(↑):每人可使用的服務也會上升,例如娛樂服務,從智障型手機到智慧型手機、從貪食蛇到itune store,以及醫療服務的日新月異。
  • E(↓):單位服務使用的能源是下降的,例如,從燈泡,到白熾燈泡、省電燈泡,再到LED,技術的進步正讓服務需消耗的能量下降,用電效率提高。
  • C(?):這將是左右這條公式的關鍵。

若以降低二氧化碳為目標,我們需要將C,每單位能源所產生的二氧化碳降到最低;而目前,其實存在一些發電方式是可以將這個變數降到零的,例如:剛才所提的再生能源、核分裂,以及科學家們心中的美好夢想:核融合。

根據這條公式,一個很棒的理念誕生:如果我們可以在能源產生的二氧化碳量努力,降低到零,理論上,我們可以將不會再產生任何二氧化碳。又,人類世界中必然還是有一些產業必須製造出二氧化碳,例如肥料製造、耗燃油的高空運輸,此時,我們就可以將二氧化碳的額度較無後顧之憂地留給他們。

尊重不同價值觀,看清「能源是有限的選擇題」

回顧上述介紹的台灣自然資源與再生能源,以及填補發電量差額所必須選擇的火力發電或核能發電,我們會哀傷的發現:面對未來,我們擁有的選擇並不多。能源的議題,至少在台灣,並不是一個開放式的問答題,而是一個非常、非常有限的選擇題。

既然選擇這麼有限、但每種能源又都有人反,該怎麼辦?戲謔的網友說:那不如請皮卡丘、雷神索爾用閃電來拚經濟好了:

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「不論反對的理由你是否認同,或你認為有更好的選擇,我都必須鄭重呼籲:請尊重這群與你意見不同的人。」

一反淘氣詼諧的演講風格,廖英凱鄭重嚴肅地提醒在場MIC的夥伴:玩笑歸玩笑,但未來當我們遇到苗栗苑裡反風機、花蓮萬里反水庫、或是明天要開始為核能無限期絕食的林義雄先生時(編按:本場MIC恰好是2014/4/20,林先生絕食前一天),請千萬、千萬不要用戲謔的方式面對他們,請給予他們絕對的尊重──因為,他們是真正在用自己的生命在反對,在捍衛自己的價值觀的。

面對核能議題,除了互相尊重,廖英凱也推薦了另一個開啟對話空間的方法:自己來做預估吧!或許你不認同上述國科會、綠盟的能源預估,你對台灣能源的未來有自己的獨特想像,目前坊間其實有一些工具,是可以讓你進行個人化能源預測的,例如資料視覺化設計師李慕約製作的《發電成本計算機》。在這個計算機上,你可以自行設定你期望的未來GDP、人口成長率、用電量,並指定你希望有幾座火力、核能、風力電廠,搭配出屬於你的模擬國家中,專屬的能源配置。

總結

從核電廠核爆、輻射量測、逃命圈等核能骯髒事(?)的科學面釐清,到台灣的自然資源、再生能源的選項與限制,以及這樣的限制下使用火力將遇到的阻擾、比爾蓋茲對二氧化碳Down to Zero的想像……這場MIC的超時程度堪稱史上之冠,但,卻也只是核能議題中非常、非常少的一小部分。

帶著科學人的爛漫,廖英凱再次引用比爾蓋茲的話,作為結尾:

The barrier to change is not too little caring; it is too much complexity.
改變世界的阻礙,不是人類的冷漠,而是因為這個世界實在太複雜。

~Bill Gates  2007

螢幕截圖 2014-07-06 13.41.01

畢竟是爭議不斷的社會議題,本次M.I.C.的Q&A時段提問異常踴躍,有的直白尖銳、有的充滿憂懼,有的PanSci夥伴也試圖提出有建設性的問題:

Q:DIY的輻射量測,在什麼樣測量情況下會是有效的?
A:以演講中提到蔡康永用的輻射偵測器Air Counter_S來說,僅能量測Gamma射線,誤差值為±20%,實測上又容易受微波、溫度影響。以這樣的實際效果來說,可能只有在大量輻射外洩(例:核災真的發生時),測到足夠恐怖的數值、提醒我們逃難時,才能有具體實效了。

Q:是否有模型在計算核災發生後,輻射的擴散速度?
A:請參考中興大學環工系莊秉潔老師的FB

Q:可以簡介一下「頁岩油」嗎?是否可能取代石油?
A:(本題由也在現場的地科資深媒體人潘昌志代打回答簡單的說,過去我們採集石油的地點會有特定的封閉儲油條件,多在孔隙較大的地層;但因技術的進步,目前我們也可以在孔隙較小的地方採集榨油。但無論如何,頁岩油同樣會碰到排放二氧化碳的問題。

Q:恕我直白的問,以您的專業判斷,核四的風險是否可被接受?
A:(回答前,廖英凱先止血強調:「或許聽起來有點規避,但這是我真實的想法」)台灣目前並沒有一個合適的方式評斷各種發電方式的風險;能源的選擇是「兩害相權取其輕」,但怎麼判斷發電方式「有害」?依著不同的價值觀,每個人會有不同的判斷。

例如:蘭嶼居民會反對核廢料置放於蘭嶼,因為那是他的家園;但同時,也會有環保人士認為,需要在意北極熊的存續更優於人類的生存……北極熊、蘭嶼人、台灣人、地球人,誰比較重要?該用哪一種維度來思考能源議題是沒有正解的,端看你的價值選擇。


後記

本次M.I.C.在PanSci臉書上的即時討論熱絡程度並不亞於現場,甚至,多了一絲煙硝味。一張標註為「科學大腸花英凱大帝開講,談核能的骯髒事」的現場照片貼文,意外引發大批網友們的撻伐及討論,為「核能其實不骯髒」發聲護航。

作為在現場全程聆聽演講的聽眾,回家後看到PanSci臉書上的討論串其實是訝異的,除了因本次演講其實是釐清民眾對「骯髒的核能」做科學面釐清,另一方面,也對於以一張照片、一句註解來揣測演講內容的現象感到驚詫。但,轉念一想,或許這也正凸顯出當今社會對核能議題的重視、敏感及其難解的本質;在拾起反對 / 支持立場的盾牌前,先一步放下名為尊重與傾聽的城門吊橋──這,或許是我們都更該學習的吧!

29

註:

[1] 感謝道具復刻師馬可多 精心打造弧形反應爐。

[2] 廖英凱第一次擔任M.I.C.講者的紀錄文:M.I.C. IV之「未來」

[3] 講者強調:這部分的討論排除了「被真正的核彈打到」的情形。

[4] 福島核災氫爆的延伸閱讀:福島核災該是廢核的理由嗎?Fukushima Nuclear Disaster

[5] 資料出處:輻射防護簡訊34–財團法人輻射防護協會 (1998)。該調查的時間係1980至1995年,缺乏至今約二十年的資料。由於自然背景輻射不會有太大的變化,有較大進步幅度的醫學技術帶來的醫療輻射,其今日的數據可能與此份調查有較大差距;但講者廖英凱也強調,以上僅係他的個人推測。

[6] 數據引自台灣地區天然背景輻射介紹

[7] 「核能電廠緊急應變計畫區內民眾防護措施分析及規劃檢討修正」完成報告核子事故緊急應變計畫區範圍檢討報告

[8] ICRP, 2007. The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection. ICRP Publication 103. Ann. ICRP 37 (2-4)

[9] Chen, W. L., et al. “Effects of cobalt-60 exposure on health of Taiwan residents suggest new approach needed in radiation protection.” Dose-Response 5.1 (2007): 63-75.

[10] Ghiassi-Nejad, M., et al. “Very high background radiation areas of Ramsar, Iran: preliminary biological studies.” Health Physics 82.1 (2002): 87-93.

[11] Borzoueisileh, Sajad, et al. “The assessment of cytotoxic T cell and natural killer cells activity in residents of high and ordinary background radiation areas of Ramsar-Iran.” Journal of medical physics/Association of Medical Physicists of India 38.1 (2013): 30.

[12] 「輻射屋居民流行病學調查及研究」委託研究計畫期末報告

[13]  Ten Hoeve, John E., and Mark Z. Jacobson. “Worldwide health effects of the Fukushima Daiichi nuclear accident.” Energy & Environmental Science 5.9 (2012): 8743-8757.

[14] 在國外還有一些滿成功的地熱發電實例,在自己的家後面挖約莫100公尺深的井,即可應用地熱提供家裡的暖氣、熱水等,詳見:Heat From The Earth: How To Heat With Near-surface Geothermal Energy.

[15] 容量因數的定義

[16] Nel, Andre. “Air pollution-related illness: effects of particles.” Science 308.5723 (2005): 804-806.

[17] Coal Ash-The toxic threat to our health and environment

[18] 媽祖請您要保祐:彰工火力發電廠說明會與會雜感

 

【關於 M. I. C.】

M. I. C.(Micro Idea Collider,M. I. C.)微型點子對撞機是 PanSci 定期舉辦的小規模科學聚會,約一個月一場,為便於交流討論,人數設定於三十人上下,活動的主要形式是找兩位來自不同領域的講者,針對同一主題,各自在 14 分鐘內與大家分享相關科學知識或有趣的想法,並讓所有人都能參與討論,加速對撞激盪出好點子。請務必認知:參加者被(推入火坑)邀請成為之後場次講者的機率非常的高!

本場演講由科技部「科普資源整合運用推廣計畫」支持,PanSci泛科學與國家高速網路與計算中心共同舉辦。歡迎大家到科技大觀園閱讀更多科學內容。

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Peggy Lo
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非典型的人生迷茫組,對資訊整理有詭異的渴望與執著。

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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除了像風車一樣,風力發電機還能長成什麼樣?風機百百種,沒有扇葉還可以靠震動發電?!
PanSci_96
・2023/12/11 ・5182字 ・閱讀時間約 10 分鐘

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你有騎車被擊落的經驗嗎?比馬路更危險的是,水鳥可能在天上飛著飛著,就被巨大的風機送去投胎。

不是,風機蓋那麼大幹嘛?既然核電有小型核電廠,風電應該也要有小型版吧?

事實上除了大型水平軸式風機外,我們還有轉向不同的垂直軸式風機、天上飛的高空風力發電機,甚至靠抖抖抖就能發電的風力發電棒。等等,這真的能發電嗎?

為何需要新的風力發電技術?

從古巴比倫人和古埃及人的時代,「風」就被視為構成世界的元素之一,因此人類也很早就開始研究如何運用風的能量。古希臘時代,有一款叫做 Heron’s Windwheel 的風琴,就是利用風力驅動風車,並帶動幫浦為風琴不間斷送風。在這之後,中國和歐洲相繼出現各種風車來替人們進行農務工作,例如大家熟悉的荷蘭式風車。雖然現在常見的現代風力發電機組個頭大很多,但構造與荷蘭式風車沒有太大差異,都是扇面垂直於地面,並且扇葉轉軸和風向平行的水平軸式風車結構。但這種已經用了幾百年的風車設計,真的是最理想的發電方式嗎?有沒有更新穎的設計構造可以用來捕捉更多風能呢?

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Heron’s Windwheel。圖/wikimedia
荷蘭式風車。圖/wikimedia

先來說說大家熟悉的水平軸式風車,國際間最普遍的風力發電機組是三葉式的水平軸,台灣西海岸的諸多風力發電場採用的也是這類設計。你曾經好奇,為什麼扇葉是三葉的嗎?或是不知不覺就認為,三葉就是最正常的結構?既然推動風車的力量來自於扇葉,不是越多扇葉就能獲得更多能量嗎?而且看看風車,扇葉的面積明明就不大,旁邊都是空隙,這些能量不是浪費了嗎?實際上也確實不是越多扇葉越好,其中牽涉到許多複雜的因素。簡單來說,更多的葉片會帶來更多的風阻,也會降低葉片旋轉的速度,因此從三葉增加到四葉或五葉所帶來的效率成長非常少。也就是你如果有 12 支扇葉,4 座三葉發電機的發電量,會高於 3 座四葉發電機的發電量。因此,在單支風機的建設成本就是億元起跳的情況下,三葉成為最佳選擇。

對了,雖然更多葉的風機較少見,但反過來說,還真的有雙葉片,甚至單葉片的機組設計。畢竟較少的葉片代表較低的建造成本,以及較快的轉速。但是,單一葉片在旋轉時並不穩定,需要在對面方向額外加裝重物來平衡重量,顯得多此一舉。那雙葉呢?它的問題在於扇葉角度在隨風向調整時,容易產生震動而不穩定,對扇葉和機組的強度要求也更高。在綜合因素考量下,現在大多數的風電機組都是採用三個葉片的設計。

有水平軸式風車,就有垂直軸式風車,也就是轉軸與風向平行的風車。在台灣,你可能在某些工廠或是房屋屋頂上能看到它,我不是指工廠的排風球哦,而是看起來由幾根弧形線條構成的裝置。為什麼要設計成垂直的呢?因為比起水平軸發電機有一個特定的面風向。垂直軸的優勢在於不論風來自哪個方向,它都可以發電,不需要特別轉向;此外,它也不需要水平軸式風車長長的扇葉,相對不占空間,甚至能做成各種美感十足的設計。這幾個優點讓它特別適合設置在都會區中,用來捕捉方向不固定的小規模氣流,因此台灣有些地方就可以看到這種以垂直風力供電的路燈。

垂直軸風機葉片的型態多樣且美觀。圖/PanSci YouTube

不過城市內的風畢竟還是有限,為路燈或是小型家電發發電可以,但要能成為支撐整個城市的電力,還不及海上那些水平軸式巨無霸。在外海,不僅可以設置葉片長度超過 100 公尺的巨型風機,外海的風能,就是比內陸強烈且穩定。但這些巨無霸雖然會為我們帶來戰力,也會波及無辜。雖然風機遠離人類居住的地方,但外海還是有其他原始住民的,短暫地把人類的文明,建立在其他物種的痛苦之上 最後還是會害到整體。然而,巨大風機施工和運轉的噪音會干擾到海中生物,扇葉旋轉還會擊落蝙蝠和鳥類。雖然我們在上一集,有提到可以透過驅離或是扇葉塗黑的方式,讓其他生物注意到風機的存在,進而減少誤傷。但我們有沒有全新的設計,可以一勞永逸?

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風力發電還能長什麼樣?

面對目前風力發電的困境,有人重新思考風力發電的構造,提出全新的設計。其中一種便是漂浮式的離岸風電機組。

我們為了獲得更多風能,近年來積極發展離岸風電廠,作法非常簡單,就是把原本在陸地上的風電整根插到海床上。這光想起來就是非常浩大的工程曠日廢時,而且成本高,施工過程中產生的水底噪音也會影響到海洋生態。

可是海上的風就是比陸地上強上好幾倍,這麼香的風力來源怎麼能放著不用呢?來自挪威的公司 World Wide Wind 提出了一種浮標式風電機組,省去了海底工程的麻煩。這種風電機組採用垂直軸的設計,這樣機組就不會被海風吹著跑。整個裝置可以靠著海面下的配重平衡地直立在海面上,除了電纜之外不須要任何固定措施。這大大地擴展了離岸風電的發展空間。許多最佳的風場位在離岸較遠的深海區域,我們沒辦法在這些海床上豎立巨大的水平軸風車,這時候就可以透過漂浮式構造來擴張風電的勢力範圍。

反轉式直立渦輪(COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES)。圖/World Wide Wind

不只如此,最特別的是,它是以兩組旋轉方向相反的葉片組成,因此被取名為反轉式直立渦輪(COUNTER-ROTATING VERTICAL TURBINES)。這麼做不只可以讓旋轉時更加穩定,還可以增加發電效率。由於發電用的渦輪是透過兩組扇葉之間的相對旋轉來發電,所以反向旋轉就像是用雙手擰毛巾一樣,等於收集到幾乎兩倍的能量。而且因為上下兩組扇葉所接收的風來自水平方向,所以彼此干擾並不大,展現了垂直軸風電的獨特優勢。一般的水平軸風車可沒有辦法玩這套,因為風在流過第一組葉片之後就會變成速度較慢的亂流。

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垂直軸提供了新選擇,但只要有軸,發電機就是會旋轉,還是有機會擊落海面上飛行的生物。如果要不傷及鳥類,看來……只能讓風機不旋轉了嗎?等一下,風機不旋轉還能發電嗎?誒,還真有可能。一家西班牙的新創能源公司 Vortex Bladeless 在幾年前開發出了全新的「渦流」發電技術,就是這根抖動的棒子。

不要懷疑,這個像搖頭娃娃一樣左右震動的棒子是一種完全不需要扇葉的渦流震動發電機。奇怪了,為什麼風吹會造成這種震動呢?原來當有空氣流經過圓柱狀的物體時,會在後方形成不穩定的渦流,讓物體產生左右震動的現象。如果振動頻率剛好和物體的自然頻率接近,便會產生出乎意料的強大共振。1940 年代,有座位在美國的塔科馬海峽吊橋,就是因為氣流共振導致扭曲斷裂,所幸最後無人傷亡。這個威力強大的現象如今也被拿來進行發電。

塔科馬海峽吊橋與氣流共振。

而這根風力發電棒的尺寸和材質,都經過特別設計來和渦流產生共振。它的上半部可以自由的晃動,位於底部的磁鐵和線圈接著可以將震動轉換為電能。這種設計不只看起來很有趣,產生的噪音也小很多,還能減少對鳥類的威脅。甚至因為沒有快速轉動的葉片,也能設置在靠近人群的都市環境中。目前一根約三公尺高的裝置,在有風的情況下可以產生一百瓦的電力。想像一下,只要把高速公路分隔島上排滿這種震動發電機,就能產生很可觀的電能。對了 這就像一個人訂閱泛科學看似影響不大,但如果每個人都同時按下訂閱泛科學,就能給我們莫大的支持與力量,麻煩各位了,跟我們一起共振吧!

話說回來,這種振動發電的轉換效率終究是比渦輪旋轉發電低,能夠捕獲的風量也較少。它的競爭優勢則在於較低的建造和維護成本,或許適合和太陽能互補為住家和都市地區提供電能。此技術已經在多年前證明可行,但目前在設計與量產方面仍處於開發階段,還須要更多的時間和資金才有辦法進入大規模生產。

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講完了海上與陸地上的風機,最後,既然要靠風發電,那麼風能最豐沛的高空,能不能也來發電一下呢?

高空的發電量會更高嗎?

最早在 2014 年就有 Altaeros Energies 這家公司嘗試這個做法。他們將風電機組裝在氦氣的飛船中央,放到離地表三百到六百公尺的高空。在這高度的風速比地表快上兩倍左右,由於風能正比於風速的三次方,所以風能是地面的八倍。這些風能會在高空就轉為電能,之後透過纜線傳回地上。除了電纜以外,也會有幾條固定纜線可讓地面人員控制氣球的高度與方向。

圖/Altaeros Energies

除了用氦氣球搭載發電機外,也有一些設計是透過風箏來將小型風電機組放到空中,形成隨到隨用的風力發電裝置。不過可以想像的是,雖然高空發電可以節省地面空間,還能取得豐沛的風能。但不論是汽球還是風箏,在維護上肯定需要投入更多的成本。如果要大規模設置,對於鳥類或是飛安的影響又是另外一個問題。目前,這些浮空風電裝置最大的優勢是它們絕佳的機動性,可以為遠離電網的偏遠地區,或是臨時性的研究站提供電力。又或是如果在大型演唱會的上空放一顆風力發電氣球來為活動供電,那好像也是挺浪漫的。

圖/wikimedia

雖然今天講到那麼多有創意的設計,但大多數的新創能源公司,都會因為現實上的競爭力不足而永遠停留在模型階段,還無法進入商業化生產。短期內的風力能源,還是得靠興建更多岸上和離岸的大型風電機組來扛起。不過,未來再生能源的需求只會持續地增加,我們確實需要有更多新想法、新設計,尤其是能廣泛設置,同時對環境影響低的新型態發電方式。而隨著材料科學的進步,當這些新設計的成本下降,我們就有機會在生活周遭看到它。

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最後也想請大家預測一下,20 年後風力發電的主力會是哪一種裝置呢?

  1. 漂在海面上的反轉式直立渦輪,感覺技術成熟後,施工成本可以降到很低
  2. 渦流震動發電棒,對環境傷害小,又不挑地方到處都能設置,積少成多
  3. 大型水平軸風機技術還是最成熟 成本也不斷破底,估計還是發電主力

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參考資料

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PanSci_96
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離岸風機建設又貴又麻煩,蓋的好處是什麼?又會對環境造成什麼影響?
PanSci_96
・2023/11/04 ・5785字 ・閱讀時間約 12 分鐘

北風和太陽,你賭誰贏?

台灣為了發展綠能卯足全力,風力與太陽能是最受關注的兩大巨頭。這幾年太陽能就像開了加速器,建置量扶搖直上,產生的討論與爭議當然也不少。但在風光併行的策略中,風機的關注度似乎就沒有那麼高。

最主要的原因,大概就是太陽能板近年大量設置,甚至出現在我們的周圍,因此產生更多對於環境影響的討論。

然而風機不比太陽能,單一支風機隨便就超過 20 層樓高,十分巨大。不僅建設成本較高,也需要蓋在遠離人群的地方。

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但是,為何風機一定要如此巨大,甚至跑到外海去蓋呢?那麼巨大的風機,對環境生態會造成多少衝擊?

到海上去蓋風機有什麼好處呢?

蓋在海上,遠離陸地的風車我們稱為離岸風機。雖然風電的新聞版面不如光電,但其實一直有持續在進展。例如今年 6 月,台中外海的渢妙風場,就才剛遞交行政契約簽署文件,該地的最大裝置容量預計有 1800MW。

但即便如此,我們還是能感受到風力發電的開發比光電吃力許多。其中原因是,要將風力發電廠從陸上搬到海上,要付出的代價可不小。根據經濟部的資料,如果用年發電量一百萬瓦來算,設置離岸風電的裝置成本約 1 億 5 千~1 億 7 千萬元,幾乎是陸域風電廠的三倍。此外,離岸風電開發流程也比陸域長,經過前期的選址調查與評估後,還要另外花 1~2 年安裝水下基礎,才能建置風力發電裝置。既然如此,在討論離岸風電之前,我們應該先問問,跑去海上找風電有什麼優勢呢?

最常聽到的理由是噪音的影響。風力發電運轉過程持續發出低頻噪音,對周圍環境帶來噪音污染,引起居民反彈。環保署原本規定,風機與最近建築物距離 250 公尺以下就必須做環評,不過由於近年來仍爭議不斷,今年初更修法將門檻提高到 500 公尺。

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圖/giphy

而且台灣的陸域風機已經發展了二十幾年,優良風場飽和後,接下來如何權衡容量擴張和環境影響成為一大課題。因此往海上發展便成為重要的選項。

不過除了沒地可用這個原因之外,從發展的角度來看,更吸引人的因素其實是海上更加豐沛的風電資源。之前我們在介紹「宇宙太陽能」那集的時候,有提到科學家考慮將太陽能板送到遠離地表的太空中,好避開夜晚與雲層的影響,能不分天氣接收直接日照。

建置離岸風電也是一樣的道理,遠離陸地的平坦海面可以讓氣流暢行無阻。相較之下,陸地上的建築物,植物,地形等等都會顯著地拖慢地表附近的風速。更進一步,越往上空,風速被地表建物影響的幅度就越小。因此風機一支比一支高大,原因除了受風面積增加之外,在於高處的風能也更加豐沛。

最重要的是,風能和風速的三次方成正比,也就是說,風速只要快兩倍,風力發電的功率就會直接翻八倍。因此風速幾乎可以說是頭號考量因子,而高風速的外海也成為了最佳的選擇。

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平常站在海邊,海風就已經常讓人站不穩了,但其實從平均風速資料可以看到,台灣海峽附近離海岸線十公里以外的海上風速更是快上許多。尤其台灣海峽北半部相較其他鄰近海域,蘊含的風能可說是相當驚人。這是因為台灣海峽位在中央山脈和中國的武夷山脈中間,兩座山脈形成天然管道,而且方向剛好與盛行的東北季風與西南季風方向一致,每當季風流過山脈中間時,就會加速通過形成強勁的風場,就像兩座高樓大廈中間總是吹著強風一樣。

平均風速圖。圖/global wind atlas
平均風力功率圖。圖/global wind atlas

說到這裡,台灣要發展離岸風電,可說是需求與資源兼備。從 2012 年 7 月,經濟部公告「風力發電離岸系統示範獎勵辦法」開始,台灣的離岸風電已經發展超過十年。不過,離岸風電近期進度有待追趕。根據 109 年經濟部能源轉型白皮書台灣風力發電推動方案,2025 年離岸風力發電累計設置容量的目標是 5.7 GW。但統計到今年五月,離岸風力發電裝置容量只有 1.15 GW,雖然預估到年底達 2 GW,但還是不夠快,這也讓經濟部原本預計 2025 年達成的再生能源佔比 20% 目標,延至 2026 年 10 月才可能達標。。在政府與企業積極向海借地來蓋風力發電廠時,遇到了什麼問題呢?

離岸風電對環境有影響嗎?

儘管我們剛剛提到,離岸風電對岸上居民影響較小,但是對於海上的居民就不是這麼一回事了。舉例來說,首當其衝的就是空中飛的鳥與蝙蝠。風力發電機組的葉片高速旋轉,時常讓空中的鳥類與蝙蝠閃避不及而撞擊死亡。一篇 2013 年的研究估計,北美洲的風電扇葉每年殺死的鳥隻數量約介於 14 萬到 32 萬之間,雖然這是針對北美陸域的調查,但由於台灣海峽也是許多鳥類跟蝙蝠的遷徙路線,豎立在台灣海峽的風力發電機必然會成為不少生物的絕命終結站。

面對這類的鳥擊事件,許多較新的風力發電機組開始引進新型態的防鳥設計。像是在機組周圍裝設音波偵測器、熱感應器,藉此來監控鳥類與蝙蝠活動,並依據監測結果停機降載。此外,還有一份 2020 年的研究將風電機組的其中一個扇葉塗黑,並發現該機組的鳥擊事件數量降低 70%。研究人員表示這是因為單一的黑色扇葉可以減少高速旋轉的動態模糊,讓鳥類看得更清楚。不過比起這些預防措施,最根本的做法是從謹慎的選址做起,讓風場遠離鳥類的聚居地,例如候鳥遷徙路徑上的濕地或是過境棲地,降低風機和鳥類接觸的機會。

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圖/giphy

當然,鳥擊的威脅是陸域和離岸風電都會有的難題。而離岸風電雖然遠離我們居住的陸地,不會對我們產生噪音危害。但建造和運轉期間所帶來的「水下噪音」,卻對當地,也就是海洋生態帶來不可忽略的影響,也因此成為離岸風場環評的一大關注重點。

在建造離岸風電機組時,需要先在海床上打樁作為固定的基礎,才能繼續往上建造風力發電機組。打樁的過程就等於將一根超大的釘子打入海床中,會產生極大的撞擊聲,雖然打樁的噪音是短期的,蓋好之後就不會再有了,但在運轉期間,離岸風場也會和陸上機組一樣發出低頻的嗡嗡聲。不論是打樁還是運轉的噪音,都會在海水中傳遞,影響到海中生物的生存。

由於聲音在水中傳遞速度快,損耗低,加上海水中光線不足,能見度較低。魚類跟海洋哺乳類等生物的聽覺自然演化得比視覺靈敏,讓他們有了非常廣闊的聽覺「領域」。因此從生態保育的觀點來看,海底噪音跟地上的噪音一樣,需要嚴密的監控和管制,否則會對海洋生物的感知與溝通能力帶來極大的影響。

環保署在 2022 年的二月將海事工程打樁噪音的規範訂為單一次打樁不能超過 190 分貝、打樁超過 160 分貝的次數不能超過總打樁次數的 5%。國內研究也建議打樁開始前 30 分鐘,必須確認沒有鯨豚在方圓 750 公尺內;並以緩啟動模式開始打樁,讓附近鯨豚可以及時迴避。畢竟,瀕臨絕種的中華白海豚就棲息在台灣西岸中段的沿海區域,和最有開發潛力的風場地區高度重疊,因此在設立風場時需要格外地謹慎。

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圖/海洋委員會海洋保育署

離岸風電可能帶來的環境負擔,需要在建造前以及運轉期間持續監控。但目前台灣發展離岸風電遇到的最大瓶頸,其實並不是環評與選址等環境問題,而是其他供應面的限制。

離岸風機的施工問題

前幾年在 COVID-19 疫情的籠罩下,各項工程與供應運輸時程難免延宕,國內離岸風電的建置進度大幅落後。此外,政府政策、國外廠商的商業決策、以及資金流動等等現實問題,都影響到台灣離岸風電的發展。

離岸風機的建設,不是選址選好了就萬事解決,這些巨型建築的架設也是一大挑戰。要知道,過去 3MW 的陸域風機,葉片的長度就可能超過 30 公尺。建設在外海,裝置容量超過 10MW 的離岸風機,葉片的長度會超過 100 公尺,整支風機的高度更可能來到 260 公尺,蓋一座風機就像是在蓋一座摩天大樓。

要在海面上搭建如此龐大的建物十分具有挑戰性,各個大型組件需要先在陸地上做好,運到港口,再由工程船隻載到海上進行組裝。

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而能攜帶並安裝這些部件的「安裝船」是台灣目前最欠缺的。而且不只台灣,近年來為了趕上對再生能源的需求,從歐盟到中國等國家的離岸工程開發案不斷成長,相關船隻的需求和價格也水漲船高。這使得台灣開發商想要租到合適的工程船變的越來越困難,已經做好的組件只能放在港口等待安裝。

面對這樣的困境,國內造船產業也有所回應。在今年六月,台灣國際造船宣布,亞洲最大的海事工作船「環海翡翠輪」已經完成交船。全長 216.5 公尺、寬 49 公尺,甲板面積有相當於 1.3 座足球場的超大面積,足以提供進行離岸風電水下基礎及大型風機的運輸與安裝作業。目前環海翡翠輪已經行程滿檔,工程已排程至 2025 年。

結語

雖然目前進度落後,但根據政策的規劃,台灣還是會持續興建離岸風場,往能源轉型的目標前進。

但除了劃更多區域、建造更大型的風機,風力發電還有別的玩法嗎?除了常見的水平軸三葉式風車之外,我們還有沒有其他的選擇?在拚發電量以外,有沒有對生態影響更低的風力發電方式?如果你也對其他型態的風力發電有所好奇,就請使出超級感謝,或加入會員來敲碗吧!如果你看不過癮,也可以看我們與 taiwan keywords 合作的這一集,看我如何挑戰爬上 23 層樓高的風機。

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最後也想問問大家,關於風力發電,你還有哪些問題呢?

  1. 風力發電的工作船有哪幾種?應用了哪些科技?
  2. 那麼大台的風力發電機水下基礎是怎麼蓋的?製程跟材料環保嗎?
  3. AI 能夠讓風力發電更穩定嗎?
  4. 更多想法,留言告訴我們吧

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參考資料

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