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PanSci Talk:還「能」怎樣 公民的能源通識課

Kelly Lin
・2015/08/13 ・3736字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

今年 2015年 7月 1日,位於龍門的核四廠正式封存。這座三十幾年來於興建過程中曾停建再復建的核能發電廠,尚在測試階段,未曾正式啟用,就進入三年的封存計畫。近年來,核四爭議遲遲未能停消,反核、擁核的爭論也未曾平息。

能源議題無庸置疑與我們的過去、現在跟未來息息相關,關於能源的使用跟發展,我們還「能」怎麼做呢?

PanSci Talk: 還「能」怎樣 ─ 公民的能源通識課@台北
PanSci Talk: 還「能」怎樣 ─ 公民的能源通識課@台北

由工業技術研究院、PanSci 泛科學與經濟部能源局聯合主辦的還「能」怎樣—公民的能源通識課,一共有八場,全台跑透透,而首場就在8/6於台北正式開跑。這次講座的講者總共有兩位,分別是 PanSci泛科學的專欄作者 廖英凱以及成功大學資源工程系副教授 謝秉志

這次邀請的兩位講者,對於能源議題的知識領域各有所長。廖英凱介紹一般民眾較為關心的灣再生能源(風力、太陽能、海洋能、地熱能)及非再生能源(火力發電、核能)發展及現況;講者謝秉志則介紹較不為一般大眾所熟知的非傳統能源─(非傳統)油氣能源(頁岩氣、油砂、天然氣水合物)的潛力和發展。

由核能議題探討台灣能源供應狀況──廖英凱

能源議題分成三個面向 – 經濟、政治社會、安全 ,期中最能以科學角度解釋的便是安全問題,它主要又可分成兩部分 :

一、發電方式是不是安全的?
二、發電方式的相關產物是不是安全的。

其中,大家最關心的當然就是核電問題,我們可以用幾個簡單的問答來

Q:核電廠在極端的狀況下會發生核爆嗎?
A:不可能。

5-2

因為要產生核爆,要足夠多的中子撞擊,而核電廠所使用的鈾235濃度過低,用產生核爆所需的臨界質量是人類無法企及的無窮大(最左邊的紅線);既然不可能達到幾何級數般的連鎖反應,自然也無法產生核爆。就像啤酒不能燒,但酒精濃度較高的高梁酒、藥用酒精是可以燃燒的道理類似。

Q:既然低濃度的鈾 235無法核爆,核電廠的能量從哪來?核電廠的核分裂怎麼發生?
A:核電廠用低濃度的鈾 235,運用精準控制中子數量和速度(還要叫中子慢一點),讓中子撞擊產生的核分裂足以引發下一次撞擊。

Q:福島核災的爆炸是怎麼一回事?
A:那不是核爆,是比核爆等級小得多的氫爆,但是氫爆把反應爐廠房炸開導致輻射外洩。

Q:人類在地球上已經丟過多少顆核彈?
A: 2053 顆。

核廢料主要分為兩種 : 高放射性廢棄物與低放射性廢棄物。高放射性廢棄物也稱作「用過核子燃料」、「乏燃料」,全部源自於核能發電產物。這些發電產物的處理程序大概是 :

1.從反應爐取出。

2.濕式貯存(貯存在核電廠的水槽裡冷卻)五年以上。

3.轉乾式貯存四十年(臺灣目前處在這個階段)。

4.尋找適合之深地質永久貯存或是回收再利用再處理。

另一種比較常見的低放射性廢棄物,主要也是來自於台灣的核能發電(包括核電廠除役的建材),其他醫療、工業、農業及學術研究。

相較於高放射性廢棄物,低放射性廢棄物的處置方式比較簡單 : 先固化封裝(包含金屬或粉末,都會先水泥化再放進桶子裡)、再設計一些工程結構或埋在地質障蔽(例如小山丘),尋找近地表處置或坑道存放。目前政府也想另尋較低爭議的低放射性廢棄物貯存地,有在考慮台東縣達仁鄉及金門縣烏坵鄉,但目前進度仍止於徵詢地方意見。

PanSci專欄作者 - 廖英凱
PanSci專欄作者 – 廖英凱

台灣再生能源發展狀況

若不想用核能發電,我們還有什麼其他自然資源可以運用在發電上呢?河川、風力、地熱、海洋能(洋流發電、溫差發電、波浪發電、潮汐發電)、太陽能等再生能源雖然發展前景看好,但是在發展這些自然資源的同時,也別忘了它們的發展阻力。

水力發電:會影響河川生態。

風力發電:受季節性影響,台灣夏天風小冬天風大,發電高峰和用電高峰錯置。除此之外,也可能帶來環境公害:噪音、陰影,甚至影響沿海生態。

地熱發電:開發地都位處森林、山區及偏遠地區,有水土保護疑慮,目前的計劃案都停留在環評未過的階段,也還有管路結構和高溫鑽探等技術層面的問題仍待克服。

洋流發電:設備必須符合防水、抗侵蝕,加上海底地形造成施工難度高,加上易受颱風來襲時可能造程設備損壞,建設完成後也可能造成漁業生態浩劫及航安問題。(地熱及洋流發電在台灣要進展到可以實際投入發電的階段,可能尚需5到10年的時間)

太陽能發電:夜晚和日照不足其他的替代能源。另外,太陽能板的構造為半導體,製程有產生污染之疑慮,雖然在台灣尚未發生,但大陸已經有相關汙染事件

據工研院能源局及綠色公民行動聯盟的報告指出,再生能源發展未來潛力有限,在2025年,再生能源也。若是想要非核家園,以德國2013年的一周(7/1~7/7)用電量為例,白天太陽能發電約占總發電量1/3,然而大部分的發電量還是倚賴火力發電。回到台灣,若是在再生能源全力開發後,再加蓋2~5座台中火力發電廠的發電量,想必就能解決用電問題。但提到火力發電,就絕不能不提煤碳燃燒產生的空氣汙染、氣候變遷、全球暖化及全球暖化後續帶來的問題和影響。

以比爾蓋茲提出的公式:CO₂ = P × S × E × C(人類產生的排碳量 = 人數 × 每一個人使用的服務 × 這些服務所消耗的能源 × 以及生產這些能源所產生的二氧化碳)這個公式來思考,隨著全球人口數目、科技的發展,全球暖化和氣候變遷的問題恐怕難以避麵,雖然許多人都說要發展再生能源跟綠能,但以臺灣的環境而言,未來能源並不是個容許無限想像的問答題──恐怕是一個選擇非常有限的選擇題。

油氣能源的現在與未來──謝秉志

呼應比爾蓋茲提出的 CO₂ = P × S × E × C 公式,因為世界人口只會增加,經濟、科技的發展也需要許多能源,對於能源的需求只會越來越高,儘管大家都希望再生能源的發展可以讓化石能源比例壓低,根據一些比較有權威性的報導,在 2035年時,除非再生能源有突破性的進展,化石能源預計還是會佔七成。

其中,油氣資源主要可以分作兩大項:傳統油氣資源和非傳統油氣資源,非傳統油氣資源比較有名的例子,包含美國的頁岩氣、台灣有可能發展的天然氣水合物和加拿大的油砂。

成功大學資源工程系副教授 - 謝秉志
成功大學資源工程系副教授 謝秉志

非傳統油氣資源──頁岩氣、油砂

首先是這兩年最火紅的頁岩氣。顧名思義就是從頁岩岩層裡所開採的天然氣,在過去,因為技術層面的問題,導致頁岩氣資源難以被運用,但是在水力壓裂法(Hydraulic fracturing)技術日益成熟後,各國也重新開始省視頁岩氣的可能性。

例如:美國因為成功地商業化開採頁岩氣,已經是全世界最大的天然氣生產國,預計到 2040年,美國有將百分之五十的天然氣會來自頁岩氣,到了 2080年甚至有可能達到能源自主,成為第五個能源自主的國家。

接下來是最早出現的非傳統油氣─油砂。油砂是一種含有高粘度石油的砂子,必須要使用特殊方法讓它流動才能生產出來,,加拿大是唯一將油砂商業化開採的國家,也因此成為世界石油蘊藏量第三大的國家。

Tar_Sandstone_California
油砂是一種具有很高粘度石油的砂子 source: James St. John

天然氣水合物─台灣的機會

再來看一下台灣的機會—天然氣水合物。

所謂的天然氣水合物,又稱可燃冰或甲烷氣水合物,天然氣水合物通常存在於海面下,必須派出探勘船進行震波測勘,如果我們發現反射面和海床的形狀平行我們稱為擬海底反射(BSR)就是天然氣水合物最底層的訊號,因為在天然氣水合物的下方通常是天然氣層,其密度很低,聲波從高密度的地方進入低密度的地方訊號差異會很大,所以就會出現強烈的擬海底反射訊號。

天然氣的開採說來容易,只要挖一口井到達天然氣水合物的地層裡面,把壓力降低,就會造成物質流動,天然氣就自然流出來了 。問題是,在海域上鑽井要價不菲,成功率只有七分之一,總投入的成本更是可觀,所以儘管台灣的西南海域藏有全世界最龐大的天然氣資源,據推估大約有兩兆七千億立方公尺資源量,但礙於技術瓶頸尚未突破,眼前並無商業化的機會。

二氧化碳捕獲與封存

提到油氣資源,不免就得一併提到碳排放的問題。二氧化碳封存的概念其實很簡單,就是「從地下來,回到地下」,在自然界也有非常多的例子。在美國有許多濃度超過百分之九十純二氧化碳氣層,在地底存放了上百萬年,也沒有發生任何意外。

台灣目前已經有相當成熟的地下儲氣技術──台灣飛牛牧場旁的鐵砧山上有一個很有名的鐵砧山儲氣窖,這個儲氣窖原本是生產天然氣的地層,天然氣使用完畢之後,地層結構就變成儲氣窖,經過多次地震測試確定是相當安全,可見二氧化碳地質封在台灣技術上已經是可行的了。

但即使可行,我們如果要進行碳封存,首要之務是與當地居民妥善溝通,當地民眾也必須完全參與了解達成共識,民眾擔心的點有幾個:會不會發生地震、會不會外漏等等,科學家一定要好好與民眾說明與溝通。

 

PanSci Talk: 還「能」怎樣 ─ 公民的能源通識課@台北
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Kelly Lin
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實習編輯,目前就讀政大國際傳播所。對很多事物充滿好奇心,什麼都碰一些,懂一點。喜歡並持續在這個奇妙的世界裡探索。

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氣溫越高,太陽能板的發電效率就越低?——還得考慮日照量的變化!
台灣科技媒體中心_96
・2022/08/21 ・2500字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

你覺得,接受到的網路資訊很亂嗎,而且重要的科學都沒有被報導嗎?你也認為,生活中充斥著偽科學,錯誤訊息百出嗎?更無奈的是,在不少議題上,人人都可自稱專家,但發表的見解卻都沒有根據…

真相與科學被謠言屏蔽,這是不分世代面臨的資訊亂象,台灣科技媒體中心跟你一樣擔憂,所以積極號召更多台灣科學家站出來,致力挖掘科學議題的報導素材給媒體,而你的支持可以成為 SMC 堅強的後盾。定期定額挺 SMC,邀請大家與我們一起踏出改變科學新聞的第一步!

太陽能板的標準測試條件:25°C

7 月 25 日,台灣媒體引述歐洲新聞台(Euronews)報導,指出歐洲連日高溫與熱浪,可能會阻礙太陽能板發電。新聞指出太陽能板多數在理想溫度(25°C)的氣溫下測試效能,而這也是最佳發電條件。若高於這個溫度,太陽能板的發電效率會開始下降。對此,台灣科技媒體中心邀請專家解釋台灣的太陽能板發電效率。

臺灣的「矽基太陽能板」有同樣的問題嗎?

台灣科技大學電子工程學系特聘教授 魏榮宗

Q1:現在台灣設置最廣泛的矽基太陽能板,也是在攝氏 25 度的氣溫情境下,測試發電效率嗎?如果是的話,測試情境與實際發電效率的落差有多大?如果不是,台灣的測試情境為何?

為了統一評估太陽能板的發電效果,國際上規範太陽能板標準測試條件(Standard Test Conditions , STC)為 25℃、照度 1000W/m²,AM1.5 標準光譜[1]之情境。依照目前的太陽能板測試數據,溫度每上升 1℃,太陽能板電壓就會變小,導致輸出功率下降 0.35%[2];但溫度越低,輸出功率反而增加。台灣夏天溫度高,太陽能板的表面溫度約在 45~65℃ 之間,換算下來,約降低 7% 至 10.5% 發電功率。

台灣夏季炎熱,而溫度上升時太陽能板的功率會下降,這樣電真的夠嗎?圖/elements.envato

Q2:新聞提到,在上一波熱浪期間,德國的太陽能發電打破紀錄。對於「發電量破紀錄」跟「發電效率可能降低」之間,似乎有概念上的落差,我們該怎麼理解才正確?

雖然太陽能板受溫升影響而降低效率,但實際上,夏季日照時間最長,太陽光垂直照射太陽能板使輸出電流更高[3],所以即便扣除 7 至 10.5% 的發電功率以及下雨影響,台灣夏季平均每日發電量仍高於冬季 40-60%[4]。德國緯度比台灣高,夏冬日照時間差距比台灣更大,熱浪期間長期不下雨,增加發電量的比例遠高於溫升影響,所以發電量破紀錄是必然現象。

Q3:對於高溫可能降低太陽能轉換效率,我們有什麼措施或是技術,來因應氣候變遷的挑戰?

  1. 太陽能板架設時,要預留下方空間給空氣流通。
  2. 三角屋頂施作時,應避免貼平烤漆板,盡量以自然風散熱,降低太陽能板溫度。
  3. 研發太陽能板不易受溫升影響發電效率的電池片。十年前,影響大約每度溫升影響發電效率 0.5%,目前已經下降至 0.35%,期待未來可以進一步降低溫升影響。

不可忽視的關鍵——日照量

成功大學光電科學與工程學系教授 陳昭宇

太陽能電池的效率,必須在特定的標準測試條件(Standard Test Condition, STC)下量測,這樣不同的實驗室或研究團隊所得到的數據才能互相比較。這些條件包含了 1000W/m 的光照強度、攝氏 25 度與特定的太陽能光譜分佈(AM 1.5G)。然而,當太陽能電池真正應用時,情境大不相同。

矽晶太陽能電池的轉換效率,的確會隨著溫度的上升而下降。就算沒有熱浪來襲,屋頂型太陽能電池的工作溫度,在晴天也會處於 40 度到 50 度左右,基本上不會以 25 度的條件發電。一般太陽能模組溫度每增加一度,太陽光電板之效率將降低 0.4% 至 0.5%,因此相對於沒有熱浪的情況而言,熱浪所增加的高溫對於效率的降低可能只是很小的影響。

而發電量是「光照強度」×「轉換效率」,炎熱的天氣通常伴隨著較強的日照,很少遇到炎熱的陰天或雨天,這意味著光照強度整體上升。因此,大部分高溫情況下會得到較高的發電量,是因為日光強度提升,彌補了發電效率的下降。就好比一張滿分 100 分的考卷,你答對九成,分數是 90 分;滿分是 120 的考卷,你答對八成,分數則是 96 分。

圖一是 7 月 26 日,成大光電系系館頂樓太陽能系統的發電情形。紅色是溫度,綠色是日照量,藍色是發電功率——發電功率與日照量是高度相關的!

圖一:2022 年 7 月 26 日,成大光電系太陽能系統發電情形。圖/SMC

圖二是 5 月 2 日,溫度只有攝氏 20 度左右,接近太陽能最佳轉換效率之溫度。然而,因為日照大量減少(綠色),因此發電量也大減。

圖二:2022 年 5 月 2 日,成大光電系太陽能系統發電情形。圖/SMC

因此,該篇報導只注重轉換效率與發電量,未考慮到日照量的變化,是錯誤的連結。

另外,值得一提的是,歐洲地區的用電尖峰是在冬天為了避寒,然而這個季節的太陽能發電量是相對較少的。台灣的情境剛好相反, 我們的用電尖峰是在夏天,太陽能的供應相對高,因此我們在供給與需求的匹配上比較有利,地理條件對於使用太陽能支援尖峰供電也相對容易。

註解

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台灣科技媒體中心_96
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台灣科技媒體中心希望架構一個具跨領域溝通性質的科學新聞平台,提供正確的科學新聞素材與科學新聞專題探討。

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若風力、太陽能變成主要能源,如何不被無風陰天弄得全國大停電?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/20 ・3299字 ・閱讀時間約 6 分鐘

電網:將電力輸送到各地的網路系統

在十九世紀,電力是在靠近電力需求的地方生產的,但到了二十世紀,規模經濟催生出集中式發電廠、長距離傳輸線和地方的變電站。現在,世界上大多數國家的電力都是透過電網來提供。

電網,就是用來傳輸電力的網路,像是電廠、變電廠、配電系統等等,都是電網的一環。圖/Pixabay

這套系統是為了滿足供電需求──最低需求稱為基本負載(baseload)──所設計的,由最便宜的發電機來滿足。

直到最近,發電方式通常是以燃煤為主(也有國家是以核電或水力發電為主),而且大部分的時間都在運作。會搭配其他發電廠(通常是循環燃氣渦輪發電機)來支援,以滿足每天的負載量變化,也會有可快速運作的小型燃氣渦輪或柴油發電機來應對激增的需求或是發電廠停擺等故障問題。

發電廠和變電站間的輸配電系統很重要,這可確保即使有單一線路或發電廠出現問題,仍舊能夠維持電力供應。電網有辦法將電力輸送到偏遠社區,也能獲得偏遠地區的發電。

再生能源進場後,該如何和傳統電廠互相配合?

現在,太陽光電場和風場在許多電網上提供的電力占比日益升高,這正在改變對發電廠的要求。在一般情況下,一天之中混合使用再生能源和傳統發電廠的發電方式最為經濟,而不是完全使用大型的傳統發電機。

風場和太陽光電場容易受到天氣的影響,現階段該如何讓再生能源電場與一般傳統電廠配合,也是能源議題中的一大考驗。圖/Pixabay

除了提供潔淨的電力外,風場和太陽光電場的營運成本最低──這稱為邊際成本(marginal costs)──因為它們沒有燃料成本,並且會首先調用。

為了讓風場和太陽光電場達到最大使用效能,最好是搭配能夠因應電力供需變化而快速反應的其他發電廠;而且理想上,這些電廠的運作也應該符合經濟效應,運作時消耗的用電量僅占其最大負載量的一小部分。

一般來說,燃煤電廠和核電廠的數量並不會有快速的增減,而燃氣和再生能源電廠則是更好的選項。根據地點的不同,水力發電、生質能、地熱和聚光太陽能(搭配蓄熱儲能)都可以擔任靈活發電的功能。

化石燃料發電廠可以儲存燃料並因應需求來提供電力。風場和太陽光電場與這些可以隨時供電──稱為可調度或固定供應──的發電廠不同,這兩者的運作都取決於天氣這項變數。

運用 AI 技術,擺脫「天氣」這個天生弱點!

儘管有時會出現風力弱和陰天的日子,然而,與一些人想像的剛好相反,擁有大量風力發電和太陽光電的電網其實能夠在需要時提供電力。

透過人工智慧(artificial intelligence,AI)來獲取良好的天氣預報,太陽光電場和風場的輸出變化通常是可以預期的,因此可得到最佳結果。

透過人工智慧的協助,可以更有效的運用電力。圖Envato Elements

當再生能源供應達到總電力需求的 30% 時,這些變化可以輕易透過裝配在電網上的快速反應發電廠來填補,以滿足供電需求的變化。

當一處 1000 兆瓦的大型發電廠意外跳電(可能是設備故障或過載),處理起來可能遠比風力發電或太陽光電的電力突然下降更具挑戰性。備用儲電站必須迅速上線,而風場和太陽光電場若是尚未達到滿載,還可以在有風和晴天的天氣迅速提高其發電量,提供額外的寶貴備用電。

再生能源成為主要來源後,怎麼讓電供保持穩定?

為了提供潔淨、安全和價格低廉的電力,並且在本世紀中葉大幅減少碳排放,避免氣候變遷演變到危及生靈的程度,全球的供電必須以再生能源為主。透過增加再生能源的輸出、地理分布以及與其他電網的連結,再生能源的供電占比將可望提高到電網的 50% 左右。

在一定程度上,增加這類綠電的發電能力可以彌補天氣條件惡劣的情況,而連接大範圍的太陽光電場和風場則可以提供更平穩可靠的電力。

在歐洲,丹麥已經與挪威、瑞典或德國等國進行電力交易,以此來平衡電力供需:在他們自己的風力發電量高時出口電力,而在發電量低時則進口電力。

然而,建立洲際再生電網並非易事。過去曾經有一項 DESERTEC(沙漠科技基金會)的提案,計畫要將北非的太陽能傳送到歐洲,但由於政治不穩定,再加上不同地區和國家對規畫中的電網各有所圖,產生相互衝突的反對意見,因此難以具體實現提案。

增加太陽能板的面積、建立跨國、洲際再生電網,都是維持電力供應穩定的做法。圖/Pixabay

此外,由於太陽能板的成本急劇下降,因此日照多的優勢變得不那麼重要,因為可以靠增加太陽能板的大小來彌補日照少的缺憾,這比支付長距離傳輸費用更為經濟。能夠在地方發電也等於是提供了一份供電的安全保障,不必依賴化石燃料進口。然而,廣泛架設的電網確實對於供需平衡有極大的幫助。

若是能配合供電來調整電力需求,就可降低對儲能廠的需求──這稱為「需量反應(demand response)」──或許可成為一個更便宜的選項,因為那些用來支援電力尖峰的快速反應發電廠的運作成本最高。

智慧電網:更聰明、更彈性的調整電力供應!

使用智慧電網可以讓電網營運商和用戶間進行雙向溝通,調整電力負載量,使其與供電端相等,這樣就能確定出需要從電網中取用的的需求量,或是添加量。

出現短時間停電或減少電力供應時,許多運作仍有可能繼續維持,好比那些具有熱慣性的操作──像是保持鐵或瀝青、熔融物或超市冰箱冷藏食物的溫度;或是建築物的溫度調節──或是在將零件組裝成產品前,先製造出充足的零件備量。

智慧電網最重要的就是雙向的溝通來進行調整。圖/Envato Elements

同樣地,可以透過啟動電爐、大型電解槽或海水淡化廠(以幫助應對氣候變遷造成的乾旱)來增加需求量。在數位化科技的推動下,我們正處於智慧電網革命的開端,這將會對電力負載量造成重大變化,將會讓邁向再生能源的這段過渡期更為容易,並且為客戶帶來更低的成本。

另外,可以用價格差異來鼓勵客戶改變他們的電力需求。在義大利,有推行一個簡單的計畫,是以固定費用(取決於所使用的最大功率)和每度電的價格來回收發電廠的資本和配電成本以及發電成本。

以限制電力需求的方式(讓消費端的電價變得更便宜),白天必須間隔使用電熱水壺、洗衣機和烤箱等電器;如果一次全部使用,就會跳電。

這樣便可降低發電成本中最高的尖峰用電。而在離峰期(例如夜間)提供便宜電價也是一種方式。不過要達到有效調整,需要同時使用智慧電網和智慧電錶。這樣用戶端可以看到他們的消費細節,並選擇僅在低電價或優惠價格時段才使用某些電器設備。

儲能設備對於提高再生能源的發電占比非常有幫助。以太陽光電場和風場這樣的組合來供應夜間用電,往往會有白天過度生產,導致電價下跌的情況。若是沒有儲能設備,必須盡可能出口過剩電力,或是以減少供電來降低損失。短期儲能可以將部分電力從下午轉移到晚上,因此小容量即可以滿足日常需求。

隨著電池成本的急劇下降,這種儲能的可用性變得越來越高,而且也開始取代那些用來補強綠電不足時的快速反應化石燃料電廠。

——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。

日出出版
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每年有一千萬公頃的森林消失!把樹種回去,就可以解決問題了嗎?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/19 ・1997字 ・閱讀時間約 4 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

碳捕捉:把電廠排出來的二氧化碳再抓回去!

一九九〇年代,尚未開發出風能和太陽能,當時對氣候變遷的擔憂日益增加,因此有人建議捕捉和儲存那些從化石燃料發電廠排放出來的二氧化碳,如此就可將其轉變成一種低碳電力。

碳捕捉主要是透過化學反應將煙道氣(flue gas)中的二氧化碳分離出來,然後再將其壓縮液化,泵入地下洞穴,例如含水層或是廢棄的油氣田。

同時要針對傳統的發電機開收排放二氧化碳的費用。這將鼓勵電廠採用碳捕捉技術,不過前提是碳價要夠高,超過捕捉和封存二氧化碳的成本。

然而,即使在龐大的歐盟市場,碳的價格也從未高到足以讓碳捕捉在電力生產中具有競爭力,而且真正在運作的碳捕捉工廠很少。

碳捕捉將煙道氣(flue gas)中的二氧化碳分離出來,然後再加工處理。圖/Envato

即使如此,捕捉二氧化碳排放依舊可望成為一種脫碳方法,在未來某些產能製程中合乎成本效益。一個例子是將天然氣轉化為氫氣,這還能用於加熱和製造燃料電池,或用於生產水泥以及甲醇和氨等重要工業化學品。

碳捕捉的各種可行性:直接從空氣抓?多種一點樹?

也有人認真思考過直接從空氣中捕捉二氧化碳的可行性,因為目前我們所面對的現實非常危險,即二氧化碳排放量下降的速度恐怕來不及讓上升溫度控制在攝氏 1.5 度內。

種植更多的樹木可能是最簡單也最便宜的方法,但首先必須遏止每年大量的伐林問題。

每年約有一千萬公頃的森林遭到砍伐,用於種植大豆、棕櫚油和其他作物,以及放牧牲畜。這樣的伐林導致全球每年約 10% 的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。

目前二氧化碳排放量下降的速度沒辦法使上升的溫度控制在 1.5°C 內,再加上樹木被大量的砍伐,導致全球每年約 10% 的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。圖/Envato

此外,封存大量二氧化碳所需的樹林面積也相當大──約要美國國土面積的四分之一,需要超過六年,甚至幾十年的時間才能讓樹木長到成熟,每年只能吸收平均全球燃燒化石燃料的 10% 排放量。

而在成長期過後,還需要更換樹木,因為在建築中也會使用到木材。有人建議,可以燃燒林業的廢棄物來產生能量(熱或電),並捕捉和封存排放出來的二氧化碳。

這種生質能源的碳捕捉尚有爭議,必須要確保改變土地利用的這項變動最後的結果是產生淨負排放,而不是增加碳的排放量。此外,這種方法尚在開發中,可能會與其他對可耕地和淡水的需求產生競爭關係。

多種樹,真的可以救地球嗎?事情可沒有我們想的那麼簡單!圖/Pixabay

不過,可以使用化學吸收器直接從空氣中捕捉二氧化碳,這種方法比生質能源更緻密、更可靠, 只是目前的價格較為昂貴。

奧利金能源公司(Origen Power)正在開發將碳捕捉與具有商業價值的石灰生產相結合,這樣的製程可望降低成本。

吸碳新創公司「Carbon Engineering」也在開發另一種方法,是使用與二氧化碳接觸會形成碳酸鈣的氫氧化鉀。整個過程以石灰來合成氫氧化鉀,形成碳酸鈣,然後將其加熱,釋放出二氧化碳,進行壓縮和封存──這時便會再度合成石灰。他們預估,以這種方式捕捉二氧化碳的成本可望降低至每噸 100 美元。

碳捕捉的展望與未來

為了增加產值,可以將捕捉來的二氧化碳與氫結合(比方說以再生電力來電解水,製造出氫氣),這可用來合成低碳燃料,取代汽油、柴油或航空燃料,這樣一來,其總排放量會遠低於某些生質燃料。

若是要捕捉和封存燃煤發電廠排放的二氧化碳,電力成本會增加約 60%,而使用再生能源來發電,成本則低得多。

然而,隨著空氣碳捕捉的研發和大量投資,再加上在某些工業製程中捕捉二氧化碳,以及重新造林,預估到二〇五〇年時,碳捕捉可能會吸收掉全球年排放量的 10%。

到二〇五〇年,再生能源和核能的總發電量可能接近當前全球需求量的 90%,透過碳捕捉,全世界可能會達到二氧化碳淨零排放。但要處理大量再生電力,電網在輸送和分配上需要適應風場和太陽光電場輸出量的種種變數,因此發展儲能設備非常重要。

——本文摘自《牛津通識課|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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