【牛津通識課2】再生能源：尋找未來新動能

【試閱1】第一章 什麼是再生能源？（部分節錄）

◆再生能源的復興

水力發電在20世紀穩定成長，提供世界電力需求近1/6，相較之下再生能源在這一時期的大部分時間都遭到忽視，因為以此發電在經濟上並沒有競爭力。不過在1970年代，油價危機導致西方政府開始資助各種再生能源技術的研究計畫，以期減少對石油的依賴。風力發電成為第一個在商業上可行的技術，主要受益於低資金成本和稅收減免，而且是利用飛機產業中已知的葉片設計知識。然而，在1970和1980年代，風力發電的發展隨著油價而起起落落。儘管如此，一些擁有強風而且擔憂能源安全（能否取得負擔得起的能源）的國家仍然支持風力發電的發展。另外，世人也逐漸意識到全球暖化帶來的危害。目前在許多地區，風力發電已經比化石燃料發電更具有成本競爭力。

海浪能在1980年代也引起了很大的興趣，但很快就發現其資金成本很高，而且大多數設備無法承受海上猛烈的風暴。儘管如此，一些設計仍在開發中，特別是那些完全沉浸並且固定於海底的設計。潮汐發電則是只有在潮差較大或平均潮汐流夠快的地區才符合經濟效益，這一點造成了限制，不過在好幾個地區仍然是合適的選項，特別是在北美沿海和英國周圍。

光伏電池需要更長的時間才在能源市場上立足。光伏效應（photovoltaic effect）是指某些材料在受光照射後會產生電壓，這一現象最初是由貝克勒爾（Edmond Becquerel）於1839年所觀察到的。不過一直要到1950年代，貝爾實驗室才首先嘗試開發出以矽為材料的光伏電池，但是其效率僅有6%左右。然而，由於成本過高，其應用也受到限制，僅限於衛星和太空計畫。等到1970年代爆發石油危機，世人才又激發對光伏電池的興趣，在過去這幾十年間，大規模的量產大幅降低了太陽能電池的成本。我們現在正進入一個新時代，在世界許多地方太陽光電場開始具有商業競爭力。

不過，在生質燃料這條陣線上，整個產業在20世紀後半葉的成長在過去這10年放緩下來，主要是因為開始擔心整頓土地造成的二氧化碳排放問題，而且也有與糧食生產爭地的疑慮。然而，在開發中國家，生質能源（Bioenergy）非常重要。而且，由於在種植和收穫過程中的碳排放低到可忽略不計，它基本上可以算是碳中性的，因為燃燒這些材料所產生的二氧化碳又會被新一批的作物重新吸收。

◆全球的能源使用

全球每年對能源的需求量相當巨大，若用瓩時（kWh）——即1度電這樣的度量單位——來表示會出現天文數字，因此改用太瓦時（TWh）來表示，太瓦時等於10億瓩時。在1800年，全球約有10億人口，當時對能源的需求約為6000太瓦時；而且幾乎全部來自傳統的生質能源。到了2017年，全球人口達到76億，發電量增加了25倍（15萬5千太瓦時）。圖4顯示在2017年全球主要能源消耗總量的百分比，其中近八成為化石燃料。其他再生能源包括風能、太陽能和地熱能，其中成長最快的是風場和太陽光電場。生質能源則主要來自傳統生質能源。

大約有1/3的全球能源消耗在將化石燃料轉化為電力和精煉燃料上。剩下的稱為最終能源需求（final energy demand），是指用戶消耗掉的能源：每年約10萬太瓦時。大約有10%是來自開發中國家傳統生質能的熱，22%來自電力，38%用於供熱（主要來自化石燃料），30%在交通運輸。熱能和電能主要都是用於工業和建築。汽油和柴油幾乎提供了所有用於運輸的燃料。

我們看到供熱與供電一樣重要。兩者都可以用瓩時為單位，也就是1度電來測量，雖然電可以完全轉化為熱量，例如電烤箱，但只有一小部分以熱能形式存在的能量可以轉化為電能，其他的必然會散失到周圍環境裡。在火力發電廠中，存在於化石燃料中的化學能會在燃燒後轉化為熱能。這會將水加熱，產生蒸汽，蒸汽膨脹推動渦輪的葉片，轉動發電機。只有一部分熱量被轉化成電力；其餘的熱量在蒸汽冷凝，完成循環時，就轉移到環境中，成了殘熱。這份熱電轉化的比例可透過提升高壓蒸汽的溫度來增加，但受限於高溫下鍋爐管線的耐受度。在一座現代化的火力發電廠中，一般熱能轉化為電能的效率約為40％。若是在較高溫的複循環燃氣發電機組（combined cycle gas turbine，CCGT）裝置中，這個比例可提高到60%。

同樣地，在內燃機中也只有一小部分的熱量可以轉化為車子的運動能量（動能）；汽油車的一般平均效率為25%，柴油車則是30%，而柴油卡車和公車的效率約為40%。另一方面，電動馬達的效率約為90%，因此電氣化運輸將顯著減少能源消耗。這是提高效率和再生能源之間協同作用的一個範例，這將有助於提供世界所需的能源。

在19世紀末，水力發電的再生資源幫助啟動了電網的發展，在2018年時約占全世界發電量的16%。而在再生能源——風能、太陽能、地熱能和生質能源——的投資上，相對要晚得多，是在20世紀的最後幾十年才開始。起初的成長緩慢，因為這些再生能源沒有成本競爭力還需要補貼。但隨著產量增加，成本下降，它們的貢獻開始增加。這些其他再生能源發電的占比已從2010年的3.5%上升到2018年的9.7%，包括水力發電在內，再生能源的總貢獻量為26%。

不過，就全球能源的占比，而不是僅只是考慮用戶消耗的電力來看，再生能源僅占約18%，而傳統生質能則提供約10%的能量。隨著太陽能和風能的成本在許多國家變得比化石燃料更便宜，它們在總發電量中的占比有望在未來幾十年顯著增加。這世界花了很長的時間才意識到這一事實，從現在開始，再生能源勢必將成為主要的能源來源。

【試閱2】第四章 風能（部分節錄）

◆風場

用於大型發電的風機通常安裝在風場中，擺放成一個陣列。會選在風力條件良好的地區，如裸露的山脊、高海拔平原、山口、沿海地區和海上。渦輪機間的距離要夠遠，才不會相互阻礙、干擾。就一台5兆瓦（MW）容量的渦輪機來說，在順風方向上要相隔約1公里，而在側風方向則是相隔2/3公里。渦輪機塔高度越高功率越高，因為風速隨著離地面（或海面）高度的增加而增加，在100公尺的高空比在10公尺處可以快上30%。一座達到1000兆瓦容量的風場，需要的土地面積約為125平方公里，不過在渦輪機組間的土地仍可用於放牧或耕種。

不管在任何地方，風速都會變化，因此風場的實際輸出電量不會達到其預定容量，這個比例稱為容量因數（capacity factor）。離岸的海上風場容量因數比較高，因為那裡的風力條件通常比陸地來得好，一般來說其容量因數通常是1/2，而陸域風場約為1/3。一片覆蓋約30平方公里海域的風場一年可提供1太瓦時的電力，足以供應約30萬戶的歐洲家庭使用。在陸地上，相應的面積約需要五十平方公里。

◆離岸風場

在人口密度高的國家，海上的離岸風場（如果有適宜的地點的話）會比陸域風場更容易為人所接受，因為渦輪機不會顯得那麼礙眼。此外，海上渦輪機可以做得更大，若是製造葉片的地方靠近港口，在從工廠運送到現場時，葉片尺寸就可以不受道路寬度的限制。目前規畫在2020年代要將海上風機的容量提高到15兆瓦。

沿海海域一直是離岸風場的首選，因為那裡的水較淺，渦輪機塔的建造成本較低，而且也更容易接入電網。近年來，海上渦輪機的地基建造有長足的進步，可以將鋼管，也就是所謂的單樁（Monopiles）打入海床約10公尺以上的深度，這項技術已在北海廣泛應用，以支撐渦輪機。在2000年代初期，這些單樁直徑通常為2至4公尺，打在水深15公尺處，到了2018年，直徑可以達到10公尺，能夠在水深40公尺處打樁。渦輪機在裝置時不能阻礙到原有的航道，或是干擾雷達裝置，不過即使有這些限制條件，在海岸附近仍有相當多的合適地點可供使用。英國每年的總電力需求是300太瓦時，這可以完全靠海上風場來提供，而且僅占海岸50公里內海域面積的5%。如果風場位於陸域，則需要1萬5千平方公里，也不過是英國面積的6%左右。

風況在離岸較遠的地方通常比較好，而且安裝在浮動平台上的風機還可以錨定在海平面上方，遠離陸地。這些裝置還是可以靠近電力需求中心，因為全世界大約有四成的人口居住在海岸線100公里以內的區域。世界上第一座浮動式風場，是挪威國家石油公司（Statoil，已於2021年更名為Equinor）的海威德（Hywind）風場，位於蘇格蘭阿伯丁郡（Aberdeenshire）的彼得黑德（Peterhead）外海25公里處，在90到120公尺深的水域裡，由5台6兆瓦的風機所組成，可為2萬多戶家庭提供電力。它於2017年10月開始運作，容量因數已超過60%。這樣高的比例意味著它可望在電力需求尖峰期提供電力，也有助於將風場的電力輸出整合到電網中。這個風場還搭配有一個名為「電池風（Batwind）」的1.3兆瓦時（1300度）鋰電池，其最大輸出功率為1兆瓦，可用於協助處理風力發電的不穩定性，增加這類發電的價值。

海威德風場最初使用的是過去為探勘深海石油而開發出來的柱狀浮筒（spar buoy）形式，採垂直繫泊的漂浮方式——在長型空心直立式圓柱體下端裝重物，好讓另一端得以浮出水面。圓柱體的外部有接上螺旋葉片，以減少海流引起的振動，這跟在高空煙囪上的防振裝置類似，都是基於相同的安裝原因。圓柱的長度在設計上非常耐傾斜，因此柱狀浮筒成了支撐風機塔架平台的絕佳底座。柱狀浮筒的設計可用在高達800公尺的深度，這等於是在全球開闢出巨大的風力資源。以歐洲的海域來說，風力足以滿足歐洲的總電力需求，而在美國200海里（約370.4公里）的範圍內，甚至有潛力產生美國總需求電量的兩倍。

◆風電展望

2018年全球安裝的風機所產生的容量是591吉瓦（GW），占全球電力需求的4.6%。在一些國家，風能所占的百分比要高出許多，如丹麥（43%）和烏拉圭（33%）。而容量最大的四個國家分別是：中國（207吉瓦）、美國（97吉瓦）、德國（53吉瓦）和印度（35吉瓦）。對於減少燃煤污染的渴望有助於中國風場的發展，不過巨大的風電容量也會造成輸電網的負荷超載；在印度，輸電容量也限制其成長。在歐洲，離岸風場的設置一直在快速成長，到2018年時，陸域和離岸風場總計提供了歐盟14%的電力需求。在其他地方，風電也正在迅速擴張。

自2010年以來，全球風電容量以每年15%的速度成長。2016年，全球風能協會（Global Wind Energy Counci）預估，假設國際社會力圖實現氣候目標的承諾，那到2050年的平均成長率將會為7.5%。屆時將會安裝約5800吉瓦的風機，每年將產生約1萬5千太瓦時的電。這對於減少世人對化石燃料的依賴將有很大的幫助。

【試閱1】第一章 什麼是再生能源？（部分節錄）

◆再生能源的復興

水力發電在20世紀穩定成長，提供世界電力需求近1/6，相較之下再生能源在這一時期的大部分時間都遭到忽視，因為以此發電在經濟上並沒有競爭力。不過在1970年代，油價危機導致西方政府開始資助各種再生能源技術的研究計畫，以期減少對石油的依賴。風力發電成為第一個在商業上可行的技術，主要受益於低資金成本和稅收減免，而且是利用飛機產業中已知的葉片設計知識。然而，在1970和1980年代，風力發電的發展隨著油價而起起落落。儘管如此，一些擁有強風而且擔憂能源安全...

第一章 什麼是再生能源？
第二章 為什麼我們需要再生能源？
第三章 生質能、太陽熱能和水力發電
第四章 風能
第五章 太陽光電
第六章 其他低碳科技
第七章 再生電力與儲能
第八章 脫碳潮和運輸
第九章 過渡到再生能源

第一章 什麼是再生能源？
第二章 為什麼我們需要再生能源？
第三章 生質能、太陽熱能和水力發電
第四章 風能
第五章 太陽光電
第六章 其他低碳科技
第七章 再生電力與儲能
第八章 脫碳潮和運輸
第九章 過渡到再生能源