【科學史沙龍】都市與能源&生質能源
人類的各種活動離不開「能源」，而能源的生產與消費則和世界經濟息息相關。在全球氣候變遷的威脅下，創造低碳排的能源將是全球未來趨勢，2050淨零轉型亦成為國際共識。為了從不同角度理解能源與人類的關聯性，本期科學史沙龍講座分別邀請侯嘉星副教授與吳耿東副教授，從老虎灶歷史與生質能源發展面向，討論過去經驗帶給今日人類的啟示。
講師｜中興大學歷史學系 侯嘉星 副教授、中興大學森林學系 吳耿東 副教授
撰文、整理｜何郁庭
老虎灶是什麼？為什麼會出現？
熱水在今日是相當容易取得的資源，只要家中有一只熱水壺、 一台熱水器，我們即能輕易地在家製備溫水與熱水，然而，在一百年前的上海，若需要熱水洗漱，可不是一件容易的事情。
關於老虎灶的主題，國立中興大學歷史系侯嘉星副教授認為，其脈絡可追溯至工業革命。工業革命後，人們在鄉間自給自足的生活模式被迫改變，人類居處的模式轉變為以都市為主要的生活場域，然而，快速且大量的人口移入，導致生活空間受到限縮，惡劣的生活環境、沒有足夠的煮食空間、衛生難題皆是都市化過程導致的結果。
20世紀上半葉，上海尚未出現電爐前，礙於空間不足，都市內的普通百姓，連生火烹飪和燒水都成為奢侈，緣此，提供熱水便成了有利可圖的商機。「老虎灶」又稱水爐業、熟水店，泛指出售熱水的行業，1940年代末，上海大約有1,800家賣熱水的店，為這個400萬人口的大城市提供熱水，其密度堪比今日臺灣的便利超商。
19世紀末期，都市地方開始頻繁出現老虎灶，這些商家通常有著大型灶台和煙囪，並將燒好的熱水販賣給居住環境無法燒水的底層勞工。因老虎灶經營成本低、沒有技術門檻，所以經營老虎灶的業者，多半社會地位不高，且可能有幫派背景等。
從地理空間分布來看，閘北、南市等老市區有最多的老虎灶，這些持續燒煮熱水的老虎灶商家，憑藉大量採購燃料以壓低價格，其策略背後代表的是——集中使用能源的發展優勢。
老虎灶產業與城市變遷
低門檻、好經營的老虎灶愈加興盛，但業者若汲取不潔淨的井水或河水，將直接影響購買者的衛生與健康。為避免水質問題，上海市政府要求所有老虎灶業者都一定要裝設自來水，這項控管舉措，則在日後成為自來水現代基礎設施深入社會底層的重要媒介。
1928年上海市與水爐業同業公會商定水價、水質、經營衛生條件，不只反映能源在城市的使用，還展現現代都市面對衛生治理的手段。透過上海市政府公部門介入和同業公會的信用，強化了老虎灶的安全衛生控管，也讓多數市民階級能取得可靠、安全的飲用水。
同業公會的存在，除了扮演和公部門溝通的角色，也負責建立與檢核營業規範，協調各業者勢力範圍劃分，避免惡性競爭。1945年後國共內戰爆發後，公會更為活躍與積極，基於老虎灶影響力廣泛、深入社會底層等因素，會員眾多的同業公會，甚至具有聯合向政府要求燃料配給、價格調漲的能力。戰爭情勢下，熱水無法儲放的特性使其直接反映物價，且因經營燃料單純，燃料波動即等於售價。從1948年老虎灶價格飛漲後，顯示城市日常生活穩定已嚴重破壞。
從百年前的上海老虎灶，可以看見都市能源有能源集中使用、現代化設施深入底層、能源與物價控制，和同業公會管理等多面向的啟示。儘管時空背景、燃料種類、科技發展程度與今日有很大的不同，但回顧這個歷史個案，仍然可以回應當代部分的社會問題。
廢棄物也能成為能源
國立中興大學森林學系吳耿東副教授在生質能演講的起初，先以地球夜晚的圖像說明能源對人的影響，再引用1996年諾貝爾化學獎得主理察．斯莫利（Richard Errett Smalley）於20世紀末提出的觀點，說明下個世紀人們所面臨的挑戰中，最重要的一項即為能源。
生質能（biomass energy）是吳耿東致力研究與發展的主題。植物行光合作用時，會吸收二氧化碳並生長；植物作為燃料產生能源時，再將二氧化碳釋放，回到大氣循環，在能源利用過程中，二氧化碳的淨排放被視為零，所以屬於再生能源的一種。
生質能的原料多樣，國內燃燒廢棄物的焚化爐，就屬於生質能的範疇，其餘的木材、蘆葦、稻殼等，也都可成為生質能的原料。砍下的植物經轉換，再扣除生物材料、生物化學與動物飼料後，剩下的即可轉換為能源。生質能源用途包含直接燒煮熱水或烹飪，加工成車、船等載具的燃料，以及轉化為電力供應至建物、工廠。
為了更有效利用生質能源，生質物氣化（biomass gasfication）成為受到重視的技術。現代家庭煮飯時，大多使用瓦斯而不用木頭，其背後原因在於乾淨且容易使用；將生質物氣化，就能變得像瓦斯般好用，且能源效率比固態燃料更高，又可避免戴奧辛產生。最早商業化的氣化技術可追溯至1807年倫敦用水煤氣點亮煤氣燈的街道，直至今日，煤氣燈仍是倫敦的重要象徵。
生質能源在臺灣
生質物氣化也能作為汽車燃料使用，吳耿東舉1943年二戰時的例子，德國被敵對鄰國包圍時，沒有辦法進口汽油，因此用氣化煤炭充當汽車燃料；二次世界大戰期間，臺灣的員林客運公司，同樣有使用生質物氣化的木炭車，雖然還留有照片，但實體的骨董文物只怕難以尋覓。
關於生質能源，我國「再生能源發展條例」描述生質物與發電設備的定義，然而歐盟及其他多國的生質能定義中，可利用的廢棄物須為生物可分解（biodegradable），與我國有所不同，所以國內生質能的相關資料送至國際能源總署彙整時，廢棄物的數值會打折扣。
在芬蘭，Vaskiluoto第二電廠已在粉煤鍋爐旁加設了全球最大140MW的氣化爐，讓原先燃燒粉煤的鍋爐加入氣化的木頭生質能燃料，以混燒的方式降低粉煤的用量，此外，芬蘭2013年啟用的Kymijärvi發電廠也應用氣化技術，成為世界第一座SRF全氣化發電示範廠。
在國內，中興大學發展出沒有焦油、沒有廢水，且可和微電網連結的OTWG生質物氣化發電系統，在國科會經費挹注下，和同校的電機系教授、中興電工合作，打造生質物氣化發電微電網系統示範場域。以分離氣化爐和電網的配置，搭配熱插拔儲能電池，實現偏鄉地區分散式能源與電力的應用。這項技術在未有完整電網配置的地區，將有極大應用潛力。
能源史的現代啟示
不論是百年前的老虎灶或現代的生質能源技術，理想的能源使用，都牽涉到料源穩定、能源品質，以及成本問題，而前述要點都牽涉法規面、經濟面、技術面的考量。在兩場演講後的問答環節，參與者以線上或實體的方式對講者提出各式問題，有人針對老虎灶購買熱水與中國保溫瓶製造的相關性提出疑問，也有人好奇電網為何使用電池，而不使用饋線延伸電網範圍等。
針對電網延伸問題，吳耿東表示台電本身電網配置廣泛，然饋線容量有限，為避免電力無法存進電網產生浪費，故發展出儲能設備；對尚無電網配置的偏鄉來說，儲能電池則是可以穩定供電的重要設備。而關於中國保溫瓶的提問，侯嘉星則說明保溫瓶不鏽鋼內膽與密封需要一定技術門檻，1930年代開始，日本與中國通商口岸保溫瓶才逐漸開始風行。保溫瓶儲能取決於容量，今日的保溫瓶技術門檻，反而不是最大的差異。
能源史是跨領域的主題，可從歷史、科技、永續與資源再利用的角度切入，如何在人類發展過程中，找到適合現在文明的最佳安排，將能達到兼具經濟、健康、環境保育與社會參與的能源利用模式。在能源轉型時代，能源史與能源利用，是人們不可迴避的功課。
延伸閱讀
- 吳耿東，認識生質能源，物理雙月刊，30(4)，pp. 377-388(2008)。
- 吳耿東，臺灣生質電力發展方向與展望，物理雙月刊，38(3)，pp. 12-17(2016)。
- 吳耿東，廢物利用：生質物氣化技術的前世今生，科學研習月刊，60(5)，pp. 17-29(2021)