環境科學

缺水、缺電、缺糧食,有解嗎?

2015-04-01 韋伯(Michael E. Webber)
水資源、能源和糧食問題,牽一髮而動全身。為了拯救70億人的未來,我們必須有整合性的解決方案!

重點提要

  1. 能源、水資源和糧食供應,是地球面臨的三大難題,無法個別解決,必須有整合方案,以利解決後續的環境、貧窮、人口成長和疾病等問題。
  2. 減少食物的浪費可以節約能源和水資源;建造室內農場可利用城市廢水種植農作物並提供農場電力;利用發電廠排放的廢水和二氧化碳來養藻類做為飼料或生質燃料;在沙漠中建造風力渦輪發電機來淡化鹽水;智慧供水系統則能夠節約水資源和能源。
  3. 政策制定者在規劃能源、水資源和糧食生產計畫時,必須避免主事單位各自為政,應該制定整合性的政策和基礎設施解決方案。

2012年7月,印度有三個地區型的電力網發生故障,引發全球有史以來規模最大的停電事故,6億2000多萬人(佔世界人口的9%)無電可用,原因是嚴重乾旱造成缺水問題,糧食生產吃緊,於是農民不斷加裝電動抽水機,抽取更深層的地下水做為灌溉之用,這些抽水機在烈日下不停運轉,加重了電廠的負荷;同時,低水位也使水力發電廠的發電量比平常低。

更糟糕的是,在當年稍早的洪汛期間,這些農場排出的逕流,使水壩後方堆積了大量淤泥,降低水庫的儲水量。這個人口比全歐洲還多、相當於美國人口兩倍的國家,頓時陷入了黑暗。

美國加州也面臨這種能源、水資源和糧食問題糾結在一起的窘境。積雪減少、降雨量創新低,加上持續開發科羅拉多河盆地,使加州中部河流水量減少了1/3。加州的水果、堅果和蔬菜產量佔全美的一半,牛奶產量佔了近1/4,於是農民瘋狂抽取地下水,去年夏天,某些地區的灌溉用水抽水量是前一年的兩倍。不斷抽取地下水,使長達640公里的加州中央谷地層下陷。偏偏就在電力需求增加之際,「南加州愛迪生電力公司」因為冷卻水不足而關閉兩座大型核反應器。聖地牙哥市計劃在沿海地區設置海水淡化廠,遭激進份子反對,理由是會消耗太多能源。

能源、水資源和糧食是世界上最重要的三種資源,這雖然已是政治界公認的事實,人們卻嚴重忽視這些資源交互依存的關係。任何一項資源吃緊,都可能拖累其他資源,因此人類社會比我們想像的脆弱,而面對即將到來的可能災害,我們還沒做好準備。

然而,我們的決定攸關發電廠、水利基礎設施和農業用地的百年大計,卻可能使我們的環境系統更脆弱。根據2014年國際能源總署(IEA)的報告,光是要滿足全球的能源需求,從現在起到2035年為止,就必須投資48兆美元,IEA執行主任說,由於缺乏適當的影響評估,「這些投資很有可能受到誤導」,因此必須冒很大的風險。

為了解決這些棘手問題,我們急需整合性的做法,而不是頭痛醫頭、腳痛醫腳。全球有相當多的人口遭逢乾旱之苦,能源系統面臨環境限制以及成本上升問題,而糧食系統則必須努力跟上迅速成長的需求。糧食、水資源和能源之間環環相扣的關係,是世界問題叢生的根源。利比亞和敘利亞的暴動與革命是乾旱與糧價高漲引起,導致政權岌岌可危。我們必須解決這些互相糾結的難題,創造一個更能互相協調、更有復原能力的社會。但該從哪裡下手呢?


骨牌效應,危機一觸即發


  已故諾貝爾獎得主、美國萊斯大學的史莫利(Richard E. Smalley)在2003年的一場演講「人類未來50年面臨的十大問題」,為我們指點了迷津。他提出的問題依重要性高低依序為:能源、水資源、糧食、環境、貧窮、恐怖主義與戰爭、疾病、教育、民主政治、人口。能源、水資源和糧食名列前三大,因為一旦解決這些問題,接下來的問題都能迎刃而解。例如,開發各種乾淨、可靠、負擔得起的能源,就能獲得豐沛的乾淨水資源;一旦有充足的乾淨水源和能源(做為施肥及驅動曳引機),就能生產糧食等。

  儘管史莫利的排名如此睿智,卻還是遺漏兩個重點。首先,能源、水資源和糧食是環環相扣的;其次,儘管某項資源充裕能使另一項資源跟著充裕,但相對地,某項資源的短缺也可能造成其他資源的短缺。

  如果有無窮的能源,我們的水資源就不虞匱乏,因為可以淡化海水、挖掘很深的水井甚至跨洲運水。有了源源不絕的水資源,我們的能源就得以滿足需求,因為可以大量興建水力發電廠或用來灌溉無數的能源作物。只要有無盡的能源和水資源,我們就能使沙漠開花,並建造高產能的室內農場,終年生產糧食。

  當然,我們居住的世界並沒有永不枯竭的資源,我們生活在一個有限的世界裡。由於人口成長、人類壽命延長以及消費增加造成的壓力,這些限制更可能造成骨牌效應。

  例如,美國最大的水庫「米德湖」(Lake Mead),位於科羅拉多河的下游、拉斯維加斯城外,水位目前處於歷史新低。拉斯維加斯市政府在湖裡放了兩根大型水管,抽取湖水供應市區飲用水。米德湖的水位如果持續下降,就會低於這兩根水管:下游的大型農業聚落可能乾涸,而建在湖上的胡佛水壩,其大型水力渦輪發電機的發電量也會降低,甚至可能完全停止運轉。市政府的解決方案是花費近10億美元在湖下方興建第三根水管,但這可能幫助不大,因為加州拉荷雅市的斯克里普斯海洋學研究所的科學家發現,如果氣候變遷的假設情境成真,仰賴科羅拉多河的都市與農業用水也維持不減,米德湖將在2021年乾涸。

  在烏拉圭,水庫的水資源該如何分配,也是令政府頭大的難題。2008年,烏拉圭河水位降至低點,河上的薩爾托大水壩與胡佛水壩的發電量相近,但14座渦輪只有3座仍在運轉,因為當地人希望把水留做農業用水與供應都市用水。這些居民與政治領袖不得不在電力、糧食與飲用水之間做抉擇,一項資源受限,其他資源也會跟著受限。對烏拉圭而言,儘管這種威脅可暫時緩解,但類似的困境卻不斷在世界其他角落上演。美國德州和新墨西哥州也飽受旱災之苦的,為了保留農業用水,某些地區已限制或禁止把水資源用在以「壓裂破裂法」開採石油和天然氣。

  生產糧食相當耗能,我們的水資源有80%用於農業,而處理水資源的過程耗費了能源生產量的13%,用於水源的取得、淨化、運送、加熱與冷卻。若加上以天然氣製造肥料、以石油製造殺蟲劑,以及用來驅動曳引機和收割機的柴油,耗費的能源就更可觀了。食品工廠的冷藏設備需要耗電,包裝產品的塑膠袋來自石化工業,而且我們還需要更多能源把這些食品從商店帶回家烹煮。這些關係錯綜複雜,任何一個環節出錯,整個系統就難以招架。


不浪費,最節省


  最不智的做法是繼續採用舊設計來建造發電廠以及供水與污水處理系統、用過時的方法來種植農作物、鑽取更多石油和天然氣,卻沒意識到這些做法會彼此衝突。所幸,我們可以運用永續的做法來整合這些活動。

  減少浪費的效益最為顯著。在美國,有25%以上的食物被丟進垃圾桶,由於我們投入大量的能源與水資源來生產糧食,因此,減少食物浪費馬上就可省下一些資源。做法很簡單,例如提供份量較小的餐點,以及少吃肉,因為肉類消耗的能源是穀類的四倍以上。我們也可以把廚餘和農業廢棄物(例如動物糞便)送入厭氧分解槽變成天然氣,這些金屬球形槽看起來像發亮的泡泡,槽中的微生物能分解有機物並在過程中產生甲烷。如果我們在家裡、餐飲店以及農場廣泛使用這項技術,將能創造新的能源和收益來源,同時減少使用處理垃圾所需的能源和水資源。廢水也可以變成資源,在加州,聖地牙哥市和聖克拉拉市使用處理過的廢水來灌溉農田,這些處理過的水甚至已經乾淨到能飲用,如果法令允許做為飲用水,將能供應都市用水。

  都市農場的支持者,像是哥倫比亞大學的戴斯波米耶(Dickson Despommier)就設計出可設置在玻璃帷幕大樓的「垂直農場」。例如,紐約市民每天製造38億公升的廢水,市政府必須花大錢把廢水淨化再排入哈德遜河。如果把這些淨化過的水拿來灌溉垂直農場作物,就能降低農場對水資源的需求。廢水處理後留下的殘餘固體通常送去焚化,但我們從焚燒過程產生電力,供應大型建築物的能源需求。「垂直農場」可在消費者的生活和工作地點附近種植新鮮蔬果,減少運送食物所需的交通運輸,也能節省能源並減少二氧化碳排放量。

  有些新創公司正嘗試在發電廠附近養藻類,吸收發電廠排放的廢水和二氧化碳,再利用這些藻類來製造飼料和生質燃料,如此就能去除廢水中的化學物質與大氣中的二氧化碳,解決了史莫利名單上的第四大問題:環境。

  我們也可利用這些二氧化碳來生產能源。我在德州大學奧斯丁分校的同事設計了一個系統,能把發電廠排放的二氧化碳注入地底的鹵水礦床,這些廢氣不會排入大氣,而是沉入地底,產生熱甲烷後上升到地表,可做為能源販售,產生的熱能也能運送給工業使用。

  「智慧節能」是另一種能同時節省各種資源的方法。我們從電燈開關和電源插座浪費掉的水,比從水龍頭和蓮蓬頭用掉的還多,因為發電廠需要大量冷卻水,但我們看不見也不在意。我們用在加熱、處理和汲取水源的能源,比用在照明的還多。隨手關燈和關掉電器能節省大量的水,而隨手關水也可節省大量能源。

  我們也可重新思考如何更加善用能源和水,在過去想不到的地方種植糧食。在美國西南部某些沙漠地區,在地表淺層就有豐沛的含鹽地下水,風力和日照也很充足。電力公司要利用這些能源是一大挑戰,因為晚上沒有日照,風力也是間歇性的,但要用來淡化鹽水不是問題,因為把淨化的水儲存起來供日後使用並不困難。海水淡化相當耗能,但含鹽地下水沒那麼鹹,利用間歇風力來淡化含鹽地下水,比風力發電更有經濟價值,處理後的水還可灌溉農作物。這種環環相扣的運作關係,正是我們想要的模式。

  同樣的思維也可用於液壓破裂法,這種開採石油與天然氣的技術,對環境的危害是油井會噴出甲烷廢氣,燃燒時火焰之大,在夜間從太空都能看見。油井也會產生大量污水,因為必須把數百萬公升的清水注入地底,最後流回地面的污水含有鹽和化學藥劑。如果開採商夠聰明,應該利用甲烷廢氣來驅動蒸餾槽以淨化污水,並重複使用,既可節省水源,也能避免排放有害氣體。

  住宅和企業的供水方式也可以更聰明,在智慧電網中嵌入感測器有助於提高配電效率,但我們的供水系統比電力系統落伍許多。老舊的水表往往無法精準記錄用水量,處理過的淨水源經過老舊水管,也有10~40%的滲漏。在供水系統中嵌入無線數據感測器可幫助自來水公司偵測漏水,減少損失,智慧供水網也能幫助消費者管理用水。

  我們也可以用智慧來減少食物的浪費,許多食物浪費的原因之一是超商、餐館與消費者只看保存期限,只要過了保存期限就不能再販賣或購買,但在良好的存放溫度和條件下,食物仍可能完好,保存期限只是粗略估計食物腐壞的日期。使用感測器直接判斷是比較聰明的辦法,例如我們可在食品包裝上使用特殊油墨,當食物暴露於不當溫度或有微生物滋生時油墨就會變色,或是在運送食物的供應鏈安裝感測器,偵測水果和蔬菜腐爛時釋出的微量氣體,同時讓冷藏管控更為嚴謹,把損失降至最低。



推翻舊思路,創造新生活型態

 
 儘管許多技術解決方案能改善能源、水資源、糧食的連鎖問題,我們卻往往沒能善加利用,因為在想法上、政治上,我們還沒完全掌握這些資源的交互關係。無論在哪個議題,政策制定者、企業主和工程師往往各自為政。

  可悲的是,這些問題與政策息息相關,我們讓各自獨立的機構來監督並資助各種決策。能源機構認為自己需要的水資源已經足夠;水資源機構也認為所需的能源已經足夠;糧食生產機構知道乾旱的風險,但只能增加抽水機抽取更多地下水。我們需要對資源有整體規劃的創新思考。

  這樣的思考能讓我們做出更明智的決策,例如,制定政策來資助節省水資源的能源技術研究、節省能源的水利技術研究,以及能同時防範損失和降低能源及水資源需求的糧食生產、儲存與監測技術。設置跨資源的效能標準,能收一石二鳥之效,建築法規也可以成為減少浪費與提高效能的有力工具。在核准新的能源開採地點之前,應該要求進行水足跡的評估,反之亦然。政策制定者可利用設置循環貸款基金、直接資本投資,或是提供租稅優惠,獎勵能整合這類技術解決方案的機構。

  可喜的是,來自33個國家的300名代表,2014年在美國北卡羅來納州教堂山舉辦的「聯結水資源、食物、氣候與能源大會」中簽署了一項宣言,當中提到:「地球是複雜的系統」以及「應該整體考量尋求對地球系統有利的解決方案和政策干預。」簽署人不只有政府代表,也有世界銀行和世界企業永續發展委員會(WBCSD)的代表。

  如同史莫利所言,能源是驅動力。我們必須思考如何藉由能源部門來同時解決多個難題,例如,那些一味追求降低大氣二氧化碳濃度的政策,可能反而把我們推向非常耗水的低碳電力方案,例如核電廠或集碳燃煤發電廠。

  地球上的每個人也都有責任,如果每個人都想在冬天也能享用種植在8000公里外的新鮮蔬果,就會創造出遙遠、耗能的糧食配送系統。這種物質需求通常只是把我們的資源推向險境。能源、水資源、糧食的連鎖關係,是全球面臨最棘手的問題,套句已故的液壓破裂法之父,同時也是永續發展的倡議者密契爾(George Mitchell)的話:「如果我們無法幫70億人口解決問題,將來怎麼為90億人解決問題?」。


# 關鍵字:環境科學能源糧食環境
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