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【還能怎樣】蘇忠楨:畜牧沼氣可以成為綠色能源嗎?

陳妤寧
・2014/11/28 ・1421字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 562 ・九年級

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講座記錄 / 陳妤寧

相較於屋頂上的太陽能光電板、沿岸風力發電機,沼氣是大家比較不熟悉的再生能源。台大動物科學技術學系的蘇忠楨老師和大家分享畜牧沼氣是否可以成為綠色能源?台灣沼氣利用的模式發展方向是什麼?

動物糞便是污染物?還是資源?

在探討動物糞便的利用與再生之前,我們必須先了解畜牧業在溫室氣體排放量中所背負的陰影:畜牧部門所產生的溫室氣體排放量約占全球人類活動的溫室氣體排放量18%,排放量更高於運輸部門。沼氣所含之甲烷及二氧化碳,皆為可造成產生溫室效應的氣體。其中甲烷的暖化潛勢更為二氧化碳的25倍,同時甲烷其熱值(5000 kcal/m3)與天然氣相當,具有非常高的能源利用價值。如果能夠有效運用畜牧業的沼氣,應當能一石二鳥的同時減少溫室氣體排放同時加強再生能源的使用。一個能夠維持生態平衡的畜牧業能源循環的系統,動物糞便、農業廢棄物和有機肥料等等,可以透過厭氧消化設施處理後產生沼氣,作為電力與熱源的供應。而這些電力與熱源還可再回頭來供養植物。

畜牧廢水處理三階段

第一階段為固液分離,固形物分離出液體廢水以製作堆肥,液體廢水進入初沉池前的有機物質含量越低越好,放流水也才能符合環保署的規定。第二階段為厭氧消化槽,動物糞便將進入一個類似密閉化糞池的密閉空間,經過水解後產生的沼氣可作為汽電共生,沼渣、沼液則可作為肥料。第三階段則是活性污泥槽,在曝氣系統中將廢水和活性污泥(微生物)互相接觸,將水中的有機物轉化成二氧化碳、水及更多的微生物。

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回到畜牧廢水的處理階段之前,豬欄裡的「豬廁所」其實也需要精心的設計,利用豬隻動物行為設計最適合豬隻生長的豬欄。豬隻喜好在不適合躺臥休息,且潮溼陰涼的處所排泄糞尿。不過豬糞的碳氮比比較低,發電效果比較差。和沼氣相比,生物天然氣的甲烷比例高了20~40%,效率更佳。如果將畜牧廢水處理的第二階段厭氧消化和第一階段固液分離交換順序,甲烷的成分可以更高,但後續處理會較麻煩。未經純化的沼氣必須先經過脫硫處理,否則其中的硫化氫燃燒後會腐蝕發電機等金屬設備,也會造成酸雨污染環境。

直接燃燒製冷或製熱,效率更優於沼氣發電

回到台灣沼氣的實際發展環境,由於目前還沒有效率夠好的沼氣設備,沼氣發電的效率實際上只有25%,其他75%都成為廢熱。但畜牧沼氣若直接燃燒用於製冷或製熱的話,效率幾乎是100%。製冷包括吸收式冰箱、冷水機、空調等應用,製熱則包括水管加熱、替厭氧消化槽維持恆溫、以及鍋爐、保溫燈、熱水器、瓦斯爐等設備。蘇忠楨老師認為台灣利用沼氣的方向應以直接燃燒製冷/製熱為主要模式,以沼氣發電為次要模式,最好是場內已經具備經濟可行之沼氣發電機,或是用於區域型微電網,將區域性集中堆肥場轉型為畜牧沼氣工廠,每發一度電,節省一度電的購電成本。只要具備有機廢棄物的產業,例如可以水解微生物和發酵的食品工業大型發酵槽,皆可發展類似的應用,創造環保與產業發展的雙贏。

蘇忠楨
蘇忠楨在松菸閱樂書店解說畜牧沼氣做為再生能源的科學

【關於能源多元化系列講座】

能源多元化系列講座是Pansci舉辦的科學聚會,活動的主要形式是找兩位來自能源相關領域的講者,各自在 30 分鐘內與大家分享能源相關知識或相關的想法,並讓所有人對能源議題有興趣或關心台灣能源產業現況的人都能參與討論。本系列活動由PanSci 泛科學、工業技術研究院與經濟部能源局聯合主辦。

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文章難易度
陳妤寧
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熱愛將知識拆解為簡單易懂的文字,喜歡把一件事的正反觀點都挖出來思考,希望用社會科學的視角創造更宏觀的視野。

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綠能當道,敢不談發展電動車嗎?
賴昭正_96
・2024/02/09 ・7388字 ・閱讀時間約 15 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

在我看來,一位只讀報紙和當代作家書籍的人就像一個蔑視眼鏡的極度近視眼人:他完全依賴他那個時代的偏見和時尚,因為他永遠看不到或聽到任何其它東西。

——愛因斯坦(1879-1955)1921 年諾貝爾物理獎

2013 年 7 月,筆者在《科學月刊》之「大家談科學」專欄裡指出:電動車還是需要能量的,因此在考慮發展電動車時,必須同時考慮其能量來源的效率。如果發電廠的發電效率與直接燃燒汽油的汽車效率一樣(見「附錄-熱力學」),那麼發展電動車實質上的優勢只是將環境污染移到鄉下而已。該短文一出現後,立即有讀者分別在《科學月刊》及網際網路上反應,提出電動車的好處,應該發展;為此筆者又寫了兩篇有關發展電動車可能碰到的問題(詳情請參閱《我愛科學》)。

兩年半後(2016 年 2 月 21 日),筆者又在第 1666 期《世界週刊》提出;中國為燃煤發電的大國,要產生同樣的能量,燃煤所排放的二氧化硫、重金屬(水銀、鉛、鎘、及砷等)及懸浮顆粒(現代汽油車的廢氣中已幾乎不再出現)對人體的健康有巨大的負面影響,因此在未改變整個發電結構之前,在中國大量使用電動車不僅不能「減少空氣污染」,反而會對整個環境造成更大的災害。加上可設置私人充電樁的私宅少,電動車不可能普及化,因此「中國不適合發展電動汽車」。同樣地,此短文一出,立即有讀者反駁,謂中國不能落後,必須跟其它國家一樣,積極發展電動車。

中國現在已成為全球最大的電動車製造商及市場;截至今年(2023年)9 月,純電動車佔中國汽車銷量 25%。在全世界到處均在高喊發展電動汽車的此時,顯然筆者是錯了!真的嗎?在回答這問題之前,因為可以幫助我們了解電動車的銷售,讓我們在這裡先來複習一下電動車發展的簡史吧。因本文涉及不少時間點(如今年、現在),請讀者注意本文完稿於 2023 年 12 月 19 日。

電動車的發展

1895年的電動汽車。圖/wikimedia

電動車當然不是一個新概念;事實上早在 1830 年代,第一輛電動車就已經被開發出來。而在台灣,筆者 1975 年暑「放棄高薪」從義大利回到清華化學系時,當時的工學院院長毛高文就已經積極在推動電動車的研發:1974 年首度發表自製電動車「清華一號」,從新竹走省道一路開到台北,開啟了國內電動車研發的先河。然而,由於各種原因,包括豐富的汽油和缺乏可靠的電池,電動車一直沒有商業化。電動車的真正復興發生於 21 世紀初鋰離子電池的發現與成熟 1。下面可以說是全世界電動車普化的兩個轉捩點:

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第一個轉捩點是日本豐田普銳斯(Priuse)的推出。普銳斯於 1997 年在日本發布,成為世界上第一款量產的混合動力電動車(同時使用電池與汽油,完全不用插電,內燃機提供電源;詳情請參考《我愛科學》之「混動車值得發展嗎」);2000 年,普銳斯在全球發布,一推出就獲得了名人的青睞,從而提高了該車的知名度。從那時起,不斷上漲的汽油價格和對碳污染的日益關注,使普銳斯成為全球最暢銷的混合動力車。

另一個幫助重矗電動車的事件是 2006 年矽谷一家小型新創公司。特斯拉(Tesla)汽車公司從美國能源部貸款計畫辦公室獲得了 4.65 億美元的貸款,在加州建立製造工廠;於 2010 年宣布將開始生產一款一次充電可行駛超過 200 英里的豪華電動跑車。此後不久,特斯拉就因其汽車贏得了廣泛讚譽,成為加州最大的汽車行業雇主。特斯拉的成功、日益受到關注的全球氣候溫度上升、加上政府政策的推動與大量金錢補助(特斯拉幾十億及購車者),電動車開始變得更主流,迫使許多大型汽車製造商加速開發自己的電動車,甚至決定放棄傳統汽車的製造!

特斯拉汽車公司的創立

現在一談到電動車,似乎不能不談特斯拉。而一談到特斯拉,似乎便不能不談充滿爭議性、全世界最富有的馬斯克(Elon Musk):相信很多讀者都以為他是特斯拉的創辦人,但事實上他只是提供創辦資金,不是創辦人!

馬斯克(Elon Musk)。圖/wikimedia

現在廣為人知的故事是 2003 年時,艾伯哈德(Martin Eberhard)和塔彭寧(Marc Tarpenning)為了要為他們剛剛成立的新公司收集消費者數據,開車在美國最富有之一郊區、史丹佛大學所在地的帕洛阿爾託(Palo Alto)街道上來回走動,觀察其居民擁有哪些類型的汽車。他們發現在價值 200 萬美元的房屋前,總是停著一輛豪華轎車和一輛當時環保寵兒的普銳斯。因此他們認為環保主義已經來到了富人家門口,可以開始向少數的富人出售電動車,希望最終會滲透到中產階級。他們以塞爾維亞裔美國發明家特斯拉(Nikola Tesla)命名,成立了特斯拉汽車公司。該公司的資金來源中最著名的就是貝寶(PayPal)控股公司聯合創始人馬斯克。馬斯克為這家新企業提供了超過 3000 萬美元的資金,從 2004 年開始擔任該公司董事長;2008 年艾伯哈德和塔彭寧兩人離職後,馬斯克接任執行長。

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特斯拉公司於 2010 年上市;2020 年開始賺錢 2 時,其股票市值首次超過了通用汽車公司和福特汽車的總市值。

炫耀性保護

艾伯哈德和塔彭寧相信因為環保主義的抬頭, 富人會買電動車來展示其綠色美德的現象,經濟學家稱為「炫耀性保護」(conspicuous conservation);他們也相信這最終還是會滲透到中產階級的。果然不錯,富有的愛好者競相排隊購買特斯拉,使得其市值在 2021 年曾經一度超過 1.2 兆美元 3,成為世界上最有價值的公司之一。歲月匆匆,艾伯哈德和塔彭寧所盼望之慢慢普及的時候似乎應該到了,但卻沒有發生!顯然中產階級消費者就是不合作:他們似乎像筆者一樣,對於如何處理收入有自己的想法,他們需要汽車來上班、購物、帶小孩上學、度假、⋯⋯,他們沒有必要、也負擔不起購買一輛昂貴且不實用的電動車來炫耀。

注意電動車發展的讀者應該都已注意到:最近(2023 年 11 月)報章雜誌都開始報導電動車銷量在一年前就已經開始放緩,促使許多電動車製造商大幅降價,並在第一季引發價格戰。電動車的需求雖然還在擴張,但成長速度已大幅放緩。根據《華爾街日報》報道,繼去年上半年全球成長 63% 後,今年同期僅成長了 49%;而與此同时,2023 年混合動力車銷量卻大幅成長(前三季年增 48%)。

圖/envato

汽車製造商終於開始有點頭痛了:第一波富有的環保主義者買家已經購買了他們的電動車後,現在該如何推動到中產階級的手中呢?通用汽車、福特、賓士、日產,甚至特斯拉,都因最近需求放緩發出了危險信號:通用汽車縮減了 2024 年的計劃,並表示將推遲新電動卡車工廠的開幕;福特正在考慮削減其去年非常暢銷的電動卡車工廠的班次;日產正在將更多資源轉移到混合動力汽車而不是電動車;馬賽地-賓士將現在的電動車市場描述為「殘酷」;⋯⋯⋯。曾經自稱將是「特斯拉殺手」的美國豪華跑車和旅行車製造商 Lucid 現在看起來也只是「普通而已」,宣布將生產速度放緩 30%,許多人甚至擔心該公司能否在當前電動汽車行業的低迷中生存下來。

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電動車車主的自述

2023 年 4 月 26 日《洛杉磯時報》社論版的副主編加爾薩(Mariel Garza)在「我已準備好更換我的(純)電動車」一文寫道:

我喜歡我的電動車,我真的喜歡。我喜歡我永遠不需要加汽油;我喜歡它在街上安靜滑行的樣子;我喜歡它有那麼多馬力——如果我願意的話,我真的可以超越汽油動力的跑車;我喜歡貼上可以讓我在高載客量車道上單獨駕駛的貼紙;我喜歡日常維護只不過是旋轉輪胎而已 4。但三年後,我正在認真考慮將其換成插電式混動汽車(見後)。⋯⋯為什麼? 因為儘管我很喜歡我的車,但我討厭我不能在這個引領電動車革命、確信我可以(隨時)在需要時充電的加州旅行。

筆者不相信加爾薩的後悔僅是少數人的意見,例如 2022 年 8 月 19 日《世界日報》就報導:

川渝地區因高溫限電造成大量充電樁暫停營運,使電動車車主感受到前所未有的「充電」壓力 5。有網約車師傅連跑八台充電樁才找到電,也有女性車主半夜 12 時還在外排隊 2 小時以上。充電焦慮讓車主們怕「掛在路上」,大嘆「不是在充電,就是在找充電樁的路上」。⋯⋯公共安全部數據顯示,今年上半年全國新能源汽車保有量已突破 1000 萬大關。高溫限電也引發了新能源汽車充電焦慮,多位網友網上抱怨「還是油車香」、「未來買新能源車要三思了」。

但是在政府及時髦的推動下,有多少人能獨立地三思、不人云亦云呢?

綠色能源

贊成發展電動車的還有一個建立在沙灘上的願景,那就是將來的能源將是綠色的,而不是從發電廠燃燒煤(氣)出來的。為什麼這是建立在沙灘上的希望呢?因為根據台電公司的相關資料,我國在 2021 年的再生能源佔比只有 6% 左右,距離原本政府時程內設下的 20% 目標非常遠。又經濟部今年 6 月 21 日公布最新全國電力資源供需報告,揭露 2023 年至 2029 年用電及供電預估,顯示再生能源建置進度較預期延後:原先預估 2025 年綠電占比要達 20%,重新調整為 15.5%,並謂至少必須等到 2026 年 10 月再生能源才會達到 20% 的目標。讀者相信嗎?

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而上面所提之「川渝地區因高溫限電」正是發生在中國水電第一大城的四川:其水利發電量佔全省發電量的 81.6%!能將日常生活用的電動車能源建立在難以預測與控制的綠能上嗎?由於此一罕見的大旱,北京當局為確保電力供應,宣告擱置優先發展清潔能源計畫,全力擴大煤礦的開採以及增加外國煤炭進口——中國應該發展電動車嗎?美國有線電視(CNN)指出,中國目前對煤炭發電的依賴已超過去年(因為大量使用電動車?),今年 7 月中國煤炭發電環比增加 22%。同樣地,去年歐洲大旱也造成其水利發電量產減少 20%(義大利 40%,西班牙 44%);筆者好像還在報上看到過:為了達成綠色發電量比的目標,有些歐洲國家因之想將天然氣發電改歸屬於綠色發電!這不是「自欺欺人」嗎?

不再需基礎設施配合的混動汽車

現在智慧型手機找充電站已經非常容易,但是想一想:好不容易改道開到充電站,卻發現唯一的充電樁壞了 6,不知道讀者將有何反應,但筆者雖然早已過了兩次四十而不惑,一定還三字經罵個不停!再不然就是所有的充電樁全被佔用了、或有一佔著茅坑不拉屎(已經充電完畢)的車主不知道跑到哪裡去了、……只好五十而知天命了:等吧。

充電停車場。圖/wikimedia

相信有些人會辯稱那是因為充電站不夠多的關係,如果充電站像現在加油站一樣,這問題就不會出現。但簡單的計算告訴我們:這問題還是存在的,因為最快的充電大概也需要 30 分鐘 7,而一般加油的時間只要 5 分鐘左右!事實上這正是筆者在 2013 年 8 月之「混動汽車值得發展值嗎」所指出的:「即使充電站能像加油站一樣普及,除非你多的是時間,否則等充電大概會讓你急得像熱鍋中的螞蟻。因此筆者認為電動車不可能大量取代汽油車,它只能用於日常上、下班或購物用。」

反之,在「混動汽車值得發展嗎」裡,筆者也辯謂:完全不用插電之電池與汽油兩用的混動汽車不但無純電動的缺陷,它的(汽油)能量使用效率已高達汽油汽車的兩倍以上,也不需要大量建造充電站來配合,因此應是將來汽車發展方向的主流。

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在這段期間裡,市面上已經出現了一種可以完全使用汽油(不需要充電)、但是也可以充電的「插電式混動汽車(plug-in hybrid)」:以電池為主、汽油引擎為輔的混動汽車;前者可以在家中車房充電,用於日常上、下班或購物用,後者用於長途旅行(不需要找充電站)。事實上中國的插電式汽車市佔率已經突破 37%,高過純電動車的 25%,估計到今年底,將可能接近 40%。在美國,今年第二季混動汽車的 7.2% 輕型車輛市佔率也超過純電動車的 6.7%,插電式混動汽車則從 2021 年初的不到 1% 上升到 1.7%。

高處不勝寒

豐田汽車雖然在電動發展史上佔了一席非常重要的地位,但其第一款純電動的汽車卻遲滯到 2022 年 5 月才出現 8。在全世界一片發展電動車的時髦下,讀者應該不難想像到其執行長所受的壓力。今年元月,豐田汽車創始人的孫子豐田章男終因緩慢採用電動車,導致其領導能力受到質疑,而決定於 4 月 1 日辭去當了將近 14 年的執行長及總監職。 

在特斯拉 10 月中公佈了災難性的第三季收益,投資者意識到電動車並不是獲利的靈丹妙藥後,當時已改任豐田汽車公司董事長的豐田章男終於喘一口氣,表示銷售放緩事實上證明了他對電動車的抵制是正確的,並補充說:「人們終於看到了(電動車的)現實」。豐田北美業務銷售主管克里斯特(David Christ)11 月 26 日向《華爾街日報》表示:「這是一個異常火爆的市場」,豐田正在盡可能大量生產混合動力車。

豐田 bZ4X。圖/wikimedia

同樣地,平時很少得到讀者的直接反應,但筆者在 2013 年及 2016 發表不贊同發展純電動車的看法時(因為有更好的方案),立即受到一些批評;使得筆者在 2017 年出版之《我愛科學》的自序裡覺得「高處不勝寒」。10 年後的今天,看來或許已經不再那麼冷了?!

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結論

美國環保署今年發布了令人非常沮喪的《2022 年汽車趨勢報告》,謂 2021 年的最終數據顯示,美國在汽車減少二氧化碳排放方面仍然進展甚微,他們說是因為消費者(富人)雖買了電動車,但車房裡停的卻是更浪費汽油、更豪華的大車子。但更可能的解釋不正是筆者所說的「發展電動車未必能減少空氣污染」嗎?

即使在汽車大國的美國,私人汽車所造成的空氣污染佔不到 20%,因此筆者認為發展什麼樣的車子都只是表面的裝飾而已,因為全球加速暖化與空氣污染背後的主要原因是:人類永無止境的慾望。只要人的慾望不降、鼓勵消費的經濟理論不改,世界能量的使用將只會有增無減,否則將被識為「經濟衰退」或「落後國家」!而如「附錄-熱力學」所言,能量大部分都是透過效率最差的熱來產生的,在產生的同時,一定要製造出大量的廢熱,這些廢熱通常消散到大氣、河流、湖泊、甚至海洋等大型水體中,導致水的內部熱量增加。根據 2022 年年底美國太空總署的估計,自 1955 年有記錄以來,百分之九十的全球暖化都發生在海洋中。筆者不知道為什麼我們不談這一更嚴重的問題:掩耳盜鈴?眼不見為淨?不願意面對必須節慾的事實?⋯⋯或正是愛因斯坦所說的「時代的偏見和時尚」?

麥肯錫(McKinsey)2022 年 4 月報告謂;「如果到 2030 年,所有銷售車輛中有一半是零排放車輛(符合美國聯邦目標),我們估計美國到那一年將需要 120 萬個公共電動車充電樁和 2,800 萬個私人電動車充電樁。⋯⋯消耗資本超過 350 億美元。」這巨額開支(台灣 2023 年總生產額的 3% 左右)用來改進現有的基礎設施(如發電效率、增加其二氧化碳的排放回收等)不是更實際有用嗎?

附錄-熱力學

熱也是一種能量,但熱力學告訴我們它是品質最差的一種,我們一旦將其它能量變成熱,就再也不能 100% 地將它改回或改為其它能量形式,所以透過熱來發電是一種非常沒有效率的方法。例如高山上的水,對地面而言具有位能,我們原則上可以將它 100% 的改成電能,這正是水利發電的原理(其效率可以高達 90%);但如果我們讓它掉到地面變成熱,再用這些熱來發電或做功,那麼其效率就受到熱力學的限制,原則上再也不可能 100% 了(實用上均難以達到 50%):在改回其它能量形式的同時,一定要製造出一些廢熱(見圖)。不幸地,這正是內燃機(包括汽車引擎)和發電廠(包括核電廠)的操作方式,因此它們的效率都不高:燃煤電廠與核電廠的平均效率約為 33%,天然氣發電廠大約在 33% 至 43% 之間,內燃機的效率因類型和引擎的不同而變化很大(15%-45%),汽油引擎的效率只有 30% 到 35% 左右。

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圖/作者提供

註解

  1. 吉野彰(Akira Yoshino)、惠廷漢姆(Stanley Whittingham)、和古迪納夫(John Goodenough) 因發展鋰離子電池獲得 2019 年諾貝爾化學獎
  2. 特斯拉在 2020 年公佈了首個全年淨利潤,但這並不是因為向客戶銷售電動車的結果,而是美國有 11 個州要求汽車製造商在 2025 年之前銷售一定比例的零排放汽車,如果達不到,汽車製造商就必須從另一家滿足這些要求的汽車製造商購買「碳信用額(carbon credit)」——只銷售電動車的特斯拉成了這項政府規定的最大贏家。
  3. 現在約為 0.8 兆美元,市盈率高達 80 以上,通用汽車、福特則在 10 以下。
  4. 美國權威《消費者報告》的最新調查顯示,電動車的平均可靠性遠低於汽油動力車、卡車、和運動型多用途車。該調查發現 2021 年至 2023 年車型中的電動車遇到的問題比普通汽車多近 80%。
  5. 在政府大力支持下,中國已擁有地球上最廣泛的電動車充電基礎設施。
  6. 加油站因為有大量的易燃及爆炸的汽油,不能像充電站一樣沒有人守著,因此壞了不知道或不修理的機會應該不多。美國權威數據分析、軟體和消費者情報公司 J.D. Power 今年 5 月的一份報告謂:「截至 2023 年第一季末,使用公共充電樁的電動車駕駛員中有 20.8% 遇到過充電故障或設備故障,導致他們無法為車輛充電。」今年 12 月 3 日《華爾街日報》報導謂:「根據美國處理汽車維修保險索賠的 CCC 智慧解決方案公司的數據,去年發生事故後維修電動車的平均費用為 6,587 美元,而所有車輛的維修費用為 4,215 美元。」
  7. 但大多數需要 1 到 2 小時。充電速度快,將會縮短電池的壽命。
  8. 2023 年豐田 bZ4X 是該汽車製造商的首款量產電動車,也是目前該品牌提供的唯一的一款電動車。

延伸閱讀

我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版):收集筆者自 1970 年元月至 2017 年 8 月在《科學月刊》及少數其它雜誌所發表之文章。內含熱力學與能源利用、電動車值得發展嗎、混動汽車值得發展嗎、再談電動車值得發展嗎、如何有效地儲存電力、台灣應該發展電動車嗎、中國不適合發展電動車等等與本文有關的文章。

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賴昭正_96
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成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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太空種電?不受天氣影響的發電廠登場,人類將迎來能源自由?
PanSci_96
・2023/08/12 ・4585字 ・閱讀時間約 9 分鐘

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要核能、綠能、還是天然氣?大家不用吵了,因為讓我隆重介紹,宇宙太陽能準備登場,地球將進入能源自由,人類文明將邁入下一個時代!

雖然只是邁入第一步,但我沒有在開玩笑,美國、日本、歐盟、英國都陸續展開宇宙太陽能計畫,預計在太空中布下大量太陽能板,將取之不盡的能量,不分晝夜、不分天氣地將能量源源不絕的傳回地球。而且第一階段的測試,已經在宇宙中測試成功了!

宇宙太陽能真的可行嗎?我們離能源自由,還有多遠?

為什麼要去太空中進行太陽能發電?地面太陽能的困境

台灣要選擇哪種能源配比,各方論點各有道理。而同樣的問題,不只是台灣,對世界各國來說都是爭論不休的議題。面對這樣的困境,竟然有人提議往太空探索,去太空中進行大規模太陽能發電,並將能量傳回地球,成為宇宙太陽能電廠,一舉解決所有能源問題。可是就算不去太空,在地面上的太陽能近年來成長迅速,安裝量和產量都持續增加,為什麼非得跑到太空中去做一樣的事呢?

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雖然太陽能板的設置成本近年來降低很多,能不能穩定發電卻要看老天臉色,而且需要的佔地面積廣大。世界上只有少數幅員廣大,日照充足的國家可以打造 GW 等級的太陽能發電廠,像是印度,中國,以及中東地區。許多地方例如台灣,多以民間業者小規模發展為主,很難建設大規模的太陽能發電廠,如果要大規模使用農地、魚塭、屋頂種電,也有許多問題等待解決。

不過只要把太陽能搬到外太空,就可以大喊:「解開束縛、重生吧!太陽能,我還你原型!」

首先,太空中可以接收到更多的陽光。由於太空中沒有夜晚,所以軌道上的衛星幾乎可以 24 小時暴露在陽光之下。此外,太空中的陽光不會像地面上的冬天或傍晚,有傾斜入射的問題。太陽能板可以隨時指向太陽的方向,和太陽光的方向保持垂直,接受百分之百的陽光照射。根據計算,同一塊太陽能板放在太空中可以接受到的陽光量至少是地表的三倍以上。

地球上陽光傾斜入射的問題示意圖。圖/PanSci YouTube

另外,地球的大氣其實幫我們阻隔了許多陽光,保護地表上的我們不會被瞬間曬傷。就算是晴朗無雲的日子,大氣層還是會散射掉許多的陽光。太空中的太陽輻射比地表強上不少,大約多了 40% 左右。

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綜合前面所說的,只要把現有的光電材料放到衛星軌道上,就可以輕鬆獲得約四倍的發電量。此外還不需要任何占地,不會對環境生態帶來負面影響。

太空種出的電要怎麼運回地球?

你可能會好奇,在太空中收穫這麼多太陽能,要怎麼運回地球給大家使用呢?難道要存在電池裡再回收嗎?科幻大師艾西莫夫早在 1941 年就想過這個問題了。在他的短篇小說《理性》中,各個太空站會再收集太陽能之後,用微波光束將能量傳送至不同行星,也就是遠距無線傳輸能量。

雖然這種技術在當時屬於科幻情節,但現在的我們知道這樣的技術在原理上可能辦到的。在我們介紹無線獵能手環那集,我們有提到電磁波傳遞能量的問題,就是能量會以波源為中心向外發散,並且能量隨著距離快速衰減。想要高效率傳輸能量,如果不想接條線,就必須使用指向性的波源,將能源都集中到一點。

現在,我們使用多個天線組成陣列,並調整他們的相位,讓各個天線發出的微波產生干涉,形成筆直前進的單方向微波束,將能量精準發射到遠處的一個點。除此之外,因為選擇的電磁波頻段是微波,就像手機訊號可以穿過牆壁到你的手機一樣,特定頻率的微波也能穿透大氣層或雲層的阻擋。即使地球上的我們是下雨天,宇宙太陽能仍能透過微波將能量傳至地表,大幅降低天氣造成的影響。

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所以,只要把所有太陽能板發射到地球同步軌道上,讓它們在軌道中展開,組裝成大還要更大,邊長長達數公里的超大太陽能板。這樣空中太陽能發電廠就會一直維持在天空中的某一點,地面的我們,只要蓋個微波接收站就可以了。當然要將所有設備發射到地球同步軌道上所費不貲,較可行的做法是先用火箭將衛星射入高度較低的低地球軌道中,再利用衛星本身的離子噴射等方式把自己慢慢推到地球同步軌道。

太空太陽能發電廠概念圖。圖/Space.com

這個主意,在 1968 年工程師 Peter Glaser 就在 Science 期刊上提出,還向美國政府申請了專利。當時,美國能源局和 NASA 也覺得這個概念挺「有趣」的,針對宇宙太陽能做了一系列的調查並提出了正式的可行性報告。不過當時各方面的技術未成熟,無法進行測試。最重要的是,要把一整個太陽能發電廠射到太空,實在要花太多錢,產出的電根本就不敷成本。

好消息是,太空運輸成本近年來已經降低很多。SpaceX 的獵鷹九號火箭將每公斤物質運到低地球軌道的成本,只需要約三千美元,是過去使用太空梭運載的二十分之一。這讓宇宙太陽能的可能性,從僅只於科幻,搖身一變成為潛力無窮的未來能源。

宇宙太陽能離我們有多遠?

從美國、英國、歐盟到日本,都已經放話要加入這場全新的太空能源競賽。領跑者之一是日本的太空機構,宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組,是有生之年就能看到的成果!

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從宇宙航空研究開發機構 JAXA,預計在 2025 年前後展開從太空向地面送電的實驗,並在 2030 年左右開始試運轉宇宙太陽能機組。圖/PanSci YouTube

這個時程也不是信口開河,日本在 1980 年代左右便開啟了宇宙太陽能計畫。經過數十年的規劃與研發, JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。這個實驗相當重要,因為在發射成本的問題解決之後,宇宙太陽能要面對的下一個難題,就是如何有效地從外太空軌道遠距送電。雖然我們已經知道可以透過干涉的方法,讓微波束直線前進,但實際運作時,還是會有一個很小的發散角,不會完全平行。

JAXA 已在 2015 年進行地面測試,成功將電能傳輸到 55 公尺外的接收天線,驗證遠距傳輸能量的可行性。圖/PanSci YouTube

失之毫釐。差之千里。地球同步軌道離地表可是有三萬六千公里,小小的發散角到地面就會嚴重發散,地面的接收天線尺寸也不可能無限擴張。這任務的難度差不多等於要從操場的一端用雷射筆打到另一端的蚊子,非常困難。JAXA 的天線雖然目前還未達到需要的準度,但是發散角已經能控制在 0.15 度左右,足以從較低的低地球軌道傳輸能量回地球,做初步的測試。

從還處在規劃階段的日本,瞬間移動到地球的另一端,美國的研究團隊,在這個月已經宣布取得重大突破。加州理工學院的宇宙太陽能計畫在今年初,成功讓一個小型測試模組,乘著 SpaceX 的獵鷹 9 號前進低地球軌道,進行太空中的實際測試。這個小型模組包含三個小實驗。第一個實驗是測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。第二個實驗則是要在 32 種不同的光電材料中,找出哪種在太空中效果最好。第三則是要測試微波傳輸能量在太空中的可行性。

測試宇宙太陽能板的結構、封裝、以及展開並組裝的程序。圖/caltech.edu

就在今年的 6 月 1 號,團隊宣布他們設計的可彎曲天線陣列,在太空中成功傳送能量到三十公分外的接收天線,點亮了 LED 燈。雖然距離只有短短的 30 公分,但是整個實驗暴露在外太空的環境中進行,證明他們的設計可以承受最嚴苛的環境條件。做為測試,他們也嘗試讓天線發射能量到遠在地球表面,大學實驗室的屋頂上。並且,還真的被他們量測到了數值。儘管規模不大,但這是宇宙太陽能第一次的軌道測試,結果相當振奮人心。

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可彎曲天線陣列。圖/PanSci YouTube
右方為可彎曲天線陣列(發射端),左邊為接收端的 LED 燈泡。圖/caltech.edu

如此看來,技術的發展似乎相當樂觀。可是要用於民生發電,成本是很大的重點。宇宙太陽能真的符合經濟效益嗎?或是我們該把資源留給其他選項呢?

宇宙發電廠符合經濟效益嗎?

根據美國能源情報署 EIA 的資料,1GW 發電容量的發電廠,傳統燃煤發電廠的初期建設成本,大約是一千億台幣,核電廠大約是兩千億台幣。那宇宙太陽能呢?每 1kW 的發電需要二十公斤的材料,1GW 就需要兩萬公噸。目前 SpaceX 獵鷹重型火箭運送每公斤材料進入軌道,需要三萬台幣。也就是說,光是將設備全部送上太空的運輸成本,就需要六千億的驚人花費。再加上太陽能板與相關設備的建置成本,以地面型太陽能發電廠為參考的話,大概還要多花500億台幣。而 JAXA 方面的預估,打造第一座 1GW 宇宙太陽能至少需要一兆兩千億日圓,雖然比我們用獵鷹重型火箭預估的還要低,但仍是一筆龐大費用。

各種發電方式的成本與性能表現。圖/美國能源情報署 EIA

那宇宙太陽能真的只是將鈔票往太空撒,空有理想的計畫嗎?當然不是,有兩個讓科學家不放棄的理由——首先是未來建造成本一定會下修。太空的發射成本相比 50 年前,已經少了兩個零,在 SpaceX 的發展下,還在持續地快速減少。另一方面,太陽能材料的輕量化工程也持續在進行,每 kW 發電重量只有十公斤或以下的太陽能材料已經不是虛構。新式的太陽能材料,我們未來也會陸續介紹。這兩個因素加乘在一起,一兆兩千億日圓的成本,很有機會在幾年內就減少為十分之一或更少。

發射火箭的成本逐年降低。圖/futuretimeline.net

更重要的是,宇宙太陽能一但建置完成,就會成為可做為基載能源的再生能源,減少對石化燃料的依賴。甚至因為主要設備都在太空,地面只需要建設接收站,可能將解決許多偏遠地區的能源問題,一舉改變全世界的能源型態。而且與許多八字還沒一撇的發電方式相比,宇宙太陽能已經算是距離現實很接近的選項,也難怪各個國家紛紛搶著要發展這塊領域。不過雖說是永續能源,還是有許多方面值得深入研究。例如要把幾萬公噸的材料射到軌道中,需要排放多少的火箭廢氣?一但規模化,這些巨大的宇宙太陽能板是否會成為小行星的標靶,或在一次的太陽風暴過後,讓軌道中堆滿太空垃圾?

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宇宙太陽能究竟能不能成為可靠的新興未來能源,從想都不敢想,到開始精算成本,相信我們很快就會知道答案。

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比爾蓋茲談零碳發電——《如何避免氣候災難》
天下雜誌出版_96
・2023/04/01 ・1227字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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有效運用當今的再生能源技術和改良輸電方式,無疑都是當務之急,也不要忘記,多數國家不像美國這麼幸運,有充足的太陽能和風力資源。美國可以寄望未來以再生能源獲取大部分電力,這不是一種普遍現象,而是例外。因此,在美國更有效運用太陽能和風力的同時,全球還是需要有清潔電力的新發明。

核能發電的優勢和疑慮

如果要簡短說明核能發電,那就是:這是唯一已證實可以不分晝夜、不分季節、不挑地點,穩定且大規模發電的零碳能源。

沒有任何其他清潔能源能做到目前核能發電給我們的這些好處,而且是還差得很遠。在利用水泥、鋼鐵和玻璃等材料的效益方面,核能發電廠也是第一名。下圖表呈現出不同發電方式下,每單位發電量需要消耗多少材料。

每單位發電量(每兆瓦小時)需要消耗多少材料。圖/《如何避免氣候災難

核電有很多問題已經不是什麼祕密,興建核電廠的成本目前已變得很高。人為疏失會導致意外事故,核電廠使用的燃料——鈾,有可能被用來製造核武,存放有危險性的核廢料也是棘手的問題。發生在美國三哩島、前蘇聯車諾比,以及日本福島的核電廠事故備受矚目,使這些風險成為焦點。造成這類核災的問題確實存在,但我們面對的方式應該是著手解決問題,而非直接停止發展這個領域。

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核能發電造成的人命傷亡遠遠少於汽車,事實上,也遠遠少於任何一種化石燃料(見下圖表)。

不同發電方式在每單位發電量下(每兆瓦小時)所造成的死亡人數。圖/《如何避免氣候災難

新的技術 打造更安全的核能設施

儘管如此,核能發電技術還是應該要改良。把造成事故的問題逐一分析清楚,再設法以創新來解決。我對泰拉能源(TerraPower)設計的方案十分樂觀,泰拉能源的反應爐可以使用多種不同的燃料,包括其他核電廠的核廢料。這種反應爐產生的廢料也比現有核電廠少得多,同時採取全面自動化,排除人為疏失的可能性,又可以建造在地底,避免遭到攻擊。最後一點,反應爐運用巧妙的設計來控制核反應,本身就很安全。運用物理定律,事故基本上不會再發生。

泰拉能源要落實到興建新的核電廠,恐怕還要等很多年,到目前為止,我們設計的反應爐都只存在於超級電腦中。另一方面,我們正與美國政府積極合作,共同打造一座新一代核電廠的原型。

——本文摘自《如何避免氣候災難:結合科技與商業的奇蹟,全面啟動淨零轉型新經濟》,2023 年 3 月,天下雜誌出版,未經同意請勿轉載。

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