環境與生態

再生能源再等60年?

再生能源在全世界的能源供應成長率慢如牛步,難道下一波能源轉換只是個夢想?

撰文/史邁爾(Vaclav Smil)
翻譯/周坤毅

環境與生態

再生能源再等60年?

再生能源在全世界的能源供應成長率慢如牛步,難道下一波能源轉換只是個夢想?

撰文/史邁爾(Vaclav Smil)
翻譯/周坤毅

重點提要
■從木材、煤到石油,每次全球的主要能源轉換,都必須耗時50~60年的時間。目前由石油轉換成天然氣的過程也同樣曠日廢時。我們沒有理由相信轉換成再生能源的過程會特別快。
■在富裕國家,傳統再生能源已無成長空間,因此未來再生能源的成長必須仰賴新型再生能源,例如風力、太陽能與生質燃料,但2011年新型再生能源只佔全美能源供應量的3.35%。
■特定的政策將可以加速再生能源轉換,包括投資各項研發計畫、取消非必要的政府補貼、確保能源價格反映其對環境與健康的影響,並提高全球的能源使用效率。

再生能源的著名擁護者洛文斯(Amory Lovins)曾經在1976年預言:「再生能源將很快席捲全世界。」他聲稱到了2000年,美國的能源需求將有33%分別來自各地的小型再生能源。數十年後,環保人士高爾(Al Gore)於2008年7月斷言,在10年內把美國電力供應全面改為再生能源是可以達成而且負擔得起的偉大目標。美國史丹佛大學的賈克布森(Mark Jacobson)與加州大學的德魯奇(Mark Delucchi)也在《科學人》2009年12月號發表〈2030永續能源〉,擘劃在20年內讓全球的能源供應全面改用再生能源。

然而從1990到2012年,全球化石燃料的能源供給率幾乎沒變,只從88%降到87%。在2011年全美能源需求中,再生能源只供應不到10%,而且大部份來自傳統的再生能源,例如水力發電或是燃燒廢柴。風力、太陽能發電與近代的生質燃料(例如玉米酒精)這類新型再生能源,儘管政府以高額補貼發展了20年,依然只佔全美能源供應的3.35%。

如此緩慢的轉換過程並不令人意外,事實上,這樣的過程在預料之中。不管在美國或其他國家,把某一種主要能源大量轉換成另一種,都需要50~60年的時間,從歷史上看,第一次能源轉換是從燃燒木材轉換成煤,接著是從煤轉換成石油,目前美國正進行第三次能源變革:從煤與石油轉換成天然氣。從2001年到2012年,美國的煤消耗量降低了20%,石油則降低了7%;在此同時,天然氣消耗量卻只增加了14%。目前美國仍有1/3以上的電力需求由燃煤發電廠供應,儘管天然氣的藏量豐富、低污染而且便宜,但是它還需要10~20年才會超越煤。

不管從技術或經濟層面來看,再生能源普及的速度都不可能比其他能源更快。原因之一是全球能源需求節節高升,連天然氣都很難滿足,更別提再生能源了。

某些國家轉換成再生能源的速度可能較快,但以全球各國來看,仍將十分緩慢,因為都把力氣花在轉換成天然氣了。當然未來有可能出現「殺手級」科技或革命性政策而加速轉換過程,但能源變革仍需很長的時間。

人們誤解了能源史

期望全世界能快速改用再生能源,只是一廂情願的夢想,反映了人們對近代史的誤解。大多數人認為快速工業化的19世紀,主要能源來自煤,20世紀則是石油時代,到了21世紀便應該是再生能源的天下了。然而前兩項看法是錯的,最後一項則問題重重。

儘管19世紀已經發明了工業機器,但主要能源並非煤,而是木材、木炭與農作物殘渣(主要是穀物梗),佔全球能源供應的85%,約2.4佑焦耳(YJ,1×1024焦耳)。煤的燃料能源供給率從1840年開始超過5%,但到了1900年也才上升到總需求的一半,從5%到50%足足花了50~60年。根據可靠的統計報告指出,美國化石燃料(主要是煤、少量石油與極少量天然氣)的能源供給率,在1885年首度超過木材與木炭。同樣的能源轉換在法國發生於1875年,日本則是1901年。但蘇聯一直等到1930年、中國等到1965年、印度則遲至1970年代末期,才完成同樣的能源轉換。

同樣的,20世紀主要的能源供應並非石油,而是煤。在全球燃料消耗量的比率中,煙煤與褐煤在1910年代達到最高點,約佔55%。而早已開始使用的石油,直到1964年才超越煤。

即使在煤消耗量減少的同時,全球能源需求卻持續增加,但總括來看,煤(而非石油)才是20世紀最重要的能源:煤的總供應量約5.3YJ,相較之下石油只供應了4YJ。全球只有兩大經濟體完成了第三次化石燃料轉換:蘇聯的天然氣用量在1984年超越石油,而英國則在1999年完成同樣的能源轉換。

為了解釋能源轉換是一個逐漸發展的緩慢過程,我把各能源供給率的成長過程畫成圖表,從各能源達到全球供應量的5%時,開始計算它們成長為主要能源所需的時間。

這三次能源轉換之間有著驚人的相似性。取代木材的煤約在1840年佔全球能源市場的5%、1855年達到10%、1865年達到15%、1870年達到20%、1875年達到25%、1885年達到33%、1895年達到40%,並在1900年達到50%。達成各里程碑所需的時間間隔依序是15-25-30-35-45-55-60年。取代煤的石油從1915開始達到全球能源供應量的5%,接下來達成各里程碑所需的時間間隔與煤幾乎一致。

天然氣約在1930年佔全球能源市場的5%,接下來達成10%、15%、20%、25%各里程碑的時間間隔依序為20-30-40-55年,目前正往33%的里程碑邁進。如果比較各里程碑的時間間隔,會發現天然氣達到25%供給率所需的時間顯然更長(約55年),相較之下煤只需35年,而石油只需40年。

光看這三次能源變革的時間間隔,很難判斷未來再生能源的成長速度。若能研發安全而便宜的核能,或針對風力與太陽能發展出便宜且高效率的大規模能源儲存技術,或許能加速再生能源轉換。雖然不同的能源需要不同的生產技術、運輸管道與轉換成可用動力的機器(例如火車的柴油引擎或家用暖爐),但過去200年來,三次全球能源變革的時間間隔卻有顯著的相似性。可見任何新能源在世界各國都需要龐大的投資與基礎建設,意味著需要經過兩到三個世代(50~75年)才能成為市場主流。

需求龐大,難以滿足

因此再生能源科技也將面臨緩慢的轉換過程。2011年再生能源產生9.135×1015英熱單位(BTU),佔9.39%的全美能源消耗量(總共9.7301×1016BTU,約等於1.03×1020焦耳)。其中傳統再生能源佔了6.01%,包括水力發電3.25%,木材(大部份是伐木產生的廢柴)2.04%,以及少量生質與地熱發電。新型再生能源的比率仍微不足道:液態生質燃料佔了2.0%,風力發電1.19%,太陽能0.16%。

新型再生能源的3.35%供給率十分關鍵,因為傳統再生能源(尤其是水力)的成長空間有限,未來美國再生能源的成長都得仰賴這些新型再生能源。

然而再生能源面臨著重重挑戰,首先是能源需求規模。2012年,全球化石燃料產出約4.5×1020焦耳,這個數字是1890年代煤的供給率首度超越木材時的20倍。想用任何新能源產生這麼多的能源,就已經困難重重。此外,目前美國化石燃料消耗量幾乎佔了全球供應量的1/5,因此再生能源成長的很大比例得來自美國。

另一個阻礙是風力與太陽能發電的間歇性。現代社會需要可靠而且不間斷的電力供應,而大城市的空調系統與電力基礎設施(例如地鐵或網路伺服器)在夜間的電力需求更高。燃煤與核能發電廠提供美國的電力「基載」(也就是穩定而不間斷的電力供應),水力與天然氣發電廠能快速開關機,主要用來應付特定尖峰時段額外的電力需求。

風力與太陽能只能分擔部份基載,但無法獨力供給全部需求。因為風並非永遠吹拂,而夜晚沒有太陽能,因此它們並非穩定可靠的能源。在已高度發展再生能源的國家(例如德國),風力與太陽能提供的電力在有些地區可能低到近乎零,而在某些晴天或風大的日子又會高到佔整體需求的一半,如此大幅度的電力波動需靠其他形式的電廠來彌補(通常是燃煤或天然氣發電),或增加電力進口比例,因此可能會造成鄰國的電力系統嚴重超載甚至斷電。

若能發展出便宜的大規模能源儲存方式,當電力需求較低時,先把多餘的風力與太陽能儲存起來,等到尖峰時段再輸入電網,或許能加快新型再生能源的推廣。可惜經過數十年的研究,依然只有一種可行的大規模能源儲存方式:先把水抽到高處的蓄水池,等需要時再讓水流下,通過渦輪機產生電力。然而擁有適當高低位差與空間的地點不多,而且抽蓄過程會導致能源損失。

替代辦法是建立大規模的風力與太陽能發電廠陣列,規模必須橫跨一個大國或半個洲,再用電力傳輸線連接起來,確保隨時有足夠的電廠能滿足電力需求。高效率的長距離電力傳輸線在技術上可行,但興建成本高昂,而且往往得面對居民的強烈反彈,不管在美國或德國,新電力傳輸線的許可程序都曠日廢時,並不令人意外。

若想大規模推廣再生能源,得先澈底改造現有能源基礎設施。以電力供應來說,不能再仰賴少數超大型火力或水力發電廠,改採大量分散各地的小型風力與太陽能系統。以液態燃料而言,必須放棄提煉高能源密度的石油,改為生產低能源密度的生質燃料。從許多方面來看,再生能源面臨的挑戰,將比過去從煤轉換成石油,或從石油轉換成天然氣的難度更高。

最後一個延長再生能源轉換過程的因素,是現有基礎設施的規模與投資。即使再生能源完全免費,期待任何國家、企業或政府放棄已投入鉅額資金的現有化石燃料系統,包含煤礦、油井、天然氣管線、煉油廠與數以百萬計的加油站,在經濟上是完全是不切實際的。全球這些基礎設施的總值至少高達20兆美元。根據我的計算,2001~2010年,光是中國便投資了5000億美元興建燃煤發電廠,以增加約3000億瓦特的發電量,甚至超過德國、法國、英國、義大利與西班牙所有化石燃料發電廠的發電量總和。這些燃煤發電廠至少會營運30年,任何國家都不會放棄這些投資。