2050擺脫石化燃料不是夢 (上)

■來自美國史丹佛大學、加州大學柏克萊分校、德國柏林工業大學以及丹麥奧胡斯大學的研究團隊日前在 Joule 期刊發表一篇論文，預測若是2050年全人類能100%使用替代能源，會是什麼樣的光景。

撰文｜方程毅

再生能源好像永遠只是一場夢，畫面很美，卻永遠達不到。每每到氣候高峰會，各國領袖齊聚一堂大拜拜，鄭重宣示要達成某某目標，再拍張團體照就功德圓滿了。雖然我們約略了解氣候峰會的意義，但大多數人對再生能源的概念卻模模糊糊，對其內容及發電潛力也一知半解，在這篇名為《100% Clean and Renewable Wind, Water, and Sunlight All-Sector Energy Roadmaps for 139 Countries of the World》的論文中，研究團隊根據世界上主要的135個國家的能源數據及科技水平進行計算，提出了一個技術發展路線圖。2012年全世界的能源需求總量約為12兆瓦(12TW, 1TW=10¹²W)，但再生能源只佔其中的5.6%，要如何在2050年補足這個缺口呢？本文將簡單介紹其研究成果，讓讀者們能對再生能源有更多認識。

首先，什麼是再生能源？

在論文中，其再生能源包括WWS，也就是風(Wind)、水(Water)及光(Sunlight)。使用再生能源最主要的目的是減低二樣化碳排放，因此作者並未視生質燃料(Biofuel)為再生能源；此外，核能雖然不排放二氧化碳，但其危險性高且核廢料的存放頗具爭議，因此也被排除在外。

至於WWS實際上又包含哪些技術，在哪些地區發展較為適合呢？

1. 風力發電

(1)陸上風力發電 (Onshore Wind)

陸上風力發電簡單來說就是在陸地上設置像風車一樣的風力發電機，這類型的發電適合在一片平坦的地形發展。包括北美大平原、撒哈拉沙漠、戈壁沙漠、澳大利亞、阿根廷南部及南非等地。

(2)離岸風力發電 (Offshore Wind)

另一種風力發電則是設置在水上的離岸發電，這些風力發電機並不建造在陸地上，而是靠近陸地的大陸棚上，一般來說離岸風力的風速會比路上風力高，但架設成本也高。適合發展離岸風力發電的地方包括：北美洲的東西兩岸、五大湖區、歐洲的北海、歐亞大陸東西兩側，另外還包括秘魯、阿根廷、澳大利亞、南非、印度、沙烏地阿拉伯及西非外海。

目前世界上風力發電以陸上風力發電為主，2015年全世界風力發電總量約為4200億瓦 (420 GW, 1GW=10⁹W)，其中離岸風力發電只有120億瓦(12GW)，占風力發電總量不到3%。而最致力發展於離岸風力發電的國家為英國，2015的總發電量為50億瓦(5GW)。

2. 太陽能發電

(1)屋頂太陽能板 (rooftop solar PV panels)

顧名思義，屋頂太陽能板即是在一般住宅或是商業建築大樓的屋頂鋪設太陽能板。雖然發電容量(capacity)不高(家用大約5千瓦，商業或公部門建築約為10萬瓦)，但在屋頂鋪設太陽能板不需要額外購買土地，適合地價昂貴寸土寸金的地區。

(2)太陽能發電廠 (utility-scale PV plants)

太陽能發電廠即是在一塊特定地區鋪上大量太陽能板進行發電，發電容量大於500萬瓦(5MW)。

(3)聚光太陽能熱發電(Concentrated solar power, CSP)

這是一種不需要使用太陽能板的發電方式，原理是利用大量的鏡子將太陽光聚焦在某一處，該處會因為聚焦產生熱，利用熱能來發電。(有興趣的讀者可以看看這則Youtube影片)。聚光太陽能熱發電雖然發電能力強，但建置成本高，而且其原理為聚焦，容易因為雲層造成光散射以致無法聚焦；相對來說，太陽能板則不會受到影響，就算天上有雲，只要有光達到其表面依舊可以發電。所以聚光太陽能熱發電的選址相當重要，在雲層較少且空曠的地方最適合。

目前世界上聚光太陽能熱發電量最多的國家為西班牙，2015年發電量為23億瓦(2.3GW)，占全球聚光太陽能熱發電量將近一半(2015年全球為49億瓦4.9GW)。

而利用太陽能板發電，2015年全球總發電量約為2254億瓦(225.4GW)。發電總前五名的依序為中國、德國、日本、美國及義大利。值得注意的是中美這兩個大國的太陽能發電大約有40%來自太陽能發電廠；但德國日本及義大利卻是以屋頂太陽能板為主力，以德國來說，397億瓦(39.7GW)的太陽能發電，有360億瓦是從屋頂上來(36GW)，足以見得德國推展太陽能電池的普及程度。

3. 其他

(1)地熱 (Geothermal)

地熱發電的來源主要為火山、溫泉或是地面吸收的太陽輻射熱，相較於風力及太陽能其發電量較少，2015年總發電量為820億瓦(82GW)。排名前兩名的不意外是美國(200億瓦，20GW)與中國(170億瓦，17GW)，而第三名的是瑞典(56億瓦5.6GW)。

(2)水力 (Hydropower)

水力發電是目前再生能源中發電量最大的一種，2015年全球水力總發電量達到4400億瓦(440GW)，占全球總發電量的4%。水力發電相對其他再生能源技術較為成熟，某些國家的電力幾乎100%來自水力，包括阿爾巴尼亞、巴拉圭、尚比亞、塔吉克及尼泊爾等等。但也因為水力發電技術成熟，且地點受限，因此成長的潛力遠比風力與太陽能小，如果人類真的要100%擺脫石化能源，水力並不是個好選擇。

(3)潮汐 (Tidal)及波浪能(Wave)

潮汐與波浪雖然也是乾淨能源，但是一樣受到地理的限制，在論文的預測中，對於未來能源的供應量不到0.1%。

 

原始論文：Jacobson, Mark Z., Mark A. Delucchi, Zack AF Bauer, Savannah C. Goodman, William E. Chapman, Mary A. Cameron, Cedric Bozonnat et al. "100% Clean and Renewable Wind, Water, and Sunlight All-Sector Energy Roadmaps for 139 Countries of the World." Joule (2017).

參考資料：

1. Jacobson, Mark Z., Mark A. Delucchi, Guillaume Bazouin, Zack AF Bauer, Christa C. Heavey, Emma Fisher, Sean B. Morris, Diniana JY Piekutowski, Taylor A. Vencill, and Tim W. Yeskoo. "100% clean and renewable wind, water, and sunlight (WWS) all-sector energy roadmaps for the 50 United States." Energy & Environmental Science8, no. 7 (2015): 2093-2117.
2. Jacobson, Mark Z., Mark A. Delucchi, Mary A. Cameron, and Bethany A. Frew. "Low-cost solution to the grid reliability problem with 100% penetration of intermittent wind, water, and solar for all purposes." Proceedings of the National Academy of Sciences112, no. 49 (2015): 15060-15065.
3. What Does ‘Utility-Scale Solar’ Really Mean?
4. Cell Press. "How 139 countries could be powered by 100 percent wind, water, and solar energy by 2050." ScienceDaily. (accessed August 29, 2017).
5. 聚光太陽能熱發電

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作者：方程毅 科教中心特約寫手，從事科普文章寫作。