低碳能源知易行難

低碳能源知易行難
知識通訊評論第87期

必須找到碳能源的替代品

面對能源和氣候環境問題挑戰，人類轉向如風力太陽能生質能以及排碳控制的低碳能源，已成一個趨勢。但是新能源的成型上陣，需要許多客觀條件的配合，也有賴政策和市場機制輔助。

想要對抗氣候變遷，全球能源體系得在本世紀中葉前好好整頓一番。然而我們真能在這麼短的時間內找到替代能源？有些人認為在適當的鼓勵下，開發新能源會跟資訊科技一樣蓬勃發展。絕大多數爭論的焦點，在於過渡時期需投入的成本為何以及該由誰來買單。接下來要討論的是，其實這些成本因素的重要性，還不及現有低碳能源科技的實體佈署速度來得重要。畢竟能源體系龐大，需要時間來建立能讓新技術付諸實現的民生工業所需。

已經有一些明確的方案計畫，可以十年內就替全世界「充電」，這些計畫或多或少循著行動電話及iPod等創新產品征服市場的模式。但不同的是，現存或新型態能源科技的建立，很可能受限於一些經驗法則。二○五○年前完成轉型的希望勢必也受牽連。為了加速新能源佈署，立法者必須根據發展階段適時調整特定科技的相關政策。

在二十世紀，能源科技大約花了三十年的時間以指數形式增長並普及於世（見圖一）。當一項新能源產值達全球總能源百分之一，便可歸類為「重點能源」。之後轉為線性成長直到達其最終市佔率為止。對能源科技來說，這種兩段式發展相當普遍，可視為是一條「能源發展法則」。關心二氧化碳排放的立法者可能會希望加速第一階段，使新科技在十年內成為「重點」，而不是三十年。不過仍有兩項根本的理由使第一階段的加速發展難度增高。

首先，逐漸擴展規模意味著邊做邊學，能源產業需要時間。下一代的核能、生質燃料或是碳捕捉存儲技術，根據過去經驗，這些需要借助轉化過程的能源，大約要三年時間蓋示範工廠，一年左右開始運轉，二到五年克服後續問題才能順利運作。所以要達到完整規模商業量產的階段少說要十年。之後複製成功的廠房又得再花十年。

風力發電擴展規模耗費時日

至於風力發電等仰賴轉化設備的能源，擴展規模同樣耗費時日。一九九三到二○○七年，全球風力發電年產值增加超過百分之二十五，完全符合第一法則的預測。幾乎三分之二的增量來自更強而有力的渦輪機。在一九八○年中葉，五十千瓦的風力渦輪機共製造出一千兆焦耳的年產值。這樣的渦輪機不能產生二○○七年風力水平（全球共約六十萬兆焦耳）。採用目前最強力的渦輪機（一至五百萬瓦），在合理的成本下興建工業規模風力電場，估計得耗時數十載。

其次，業界的生產力比錢更重要。要使一項新能源達到「可行」產值的最低能源規模（每年一千兆焦耳），粗估每年需要一到二億美金。如果同樣的技術要達到「重點」能源等級，得花上數千億之譜。當技術還在起步階段，需要時間蘊釀人力及工業生產力。不可能指望一夕之間，就把一兆美金投入目前規模三百億的太陽能發電產業，。

一旦發展達「重點」階段，成長便日趨平緩，這就是所謂的第二法則。能源設備不像消費產品淘汰率高，一般生命期長達二十五到五十年，意味著每年只有約百分之二到四的現有科技（設備）需要更新。由於汰舊換新的成本相當高，只有當舊有技術成本超過了新科技總值（包含資本及運作費用），業界才會考慮讓舊技術提前退休。

目前太陽能發電只佔全球能源供應的百分之零點零一。假使二○五○年提升至百分之十，而太陽能電板壽命約二十年，相當於百分之五的年汰換率。這表示新建太陽能板只佔每年全球能源需求的百分之零點五。設備新舊交替的速度，就可以解釋成長趨勢由指數轉為線性的道理。

消耗殆盡

變化之速加上現有能源體系的慣性，或多或少可以解釋，為何有人認為回應能源挑戰需要像工業革命般的力道。這些主張完全忽視了第二法則的影響。再者，工業革命的動力通常在十年內消耗殆盡，並且債留子孫。

這裡提到的社會經驗法則並非自然定律，最好是從謹慎投資者的觀點切入。私人投資與政府補助同樣受用。打從使用煤炭和石油以來，諸如核能、風力、生質燃料乃至天然氣等新能源的利用，多半會得到政府不同形式的補助。未來數十年的挑戰在於如何在「減碳」前提下，制定新的能源政策，以配合甚至突破這些傳統「法則」的限制。

那麼如果政策以供應低碳能源為目標，會造成怎樣的影響呢？殼牌石油公司二○○八年的能源策略試圖回答這個問題。其中《能源遠景》（Blueprints）對新能源佈署看法樂觀。它預測大部分的新能源將於二○三○年前成為「重點」能源（太陽能發電為二○二○年）。後續的佈署速度也將超過傳統法則所預期（見圖一）。屆時碳捕捉存儲技術已然成熟，並有碳價和碳交易的出現。由於效率提高以及電動車的普及，到二○五○年整體能源需求會下降三分之一。再生能源供應所需的四分之一，但沒有任何特定能源佔有率超過一成。

《能源遠景》或許是理論上可預期的最理想結果。即使如此，到了二○五○年仍有三分之二的能源來自化石燃料。大氣中二氧化碳的濃度將穩定在五百五十PPM上下，地球仍很有可能遭受氣候變遷的威脅，特別如果也考慮其他溫室氣體會造成的影響。

太陽能發電供應比率低

為何《能源遠景》認為能源佈署可以進展得如此迅速？部分原因是假設政策隨佈署進度時時更新。當能源選擇性不多，透過市場誘因刺激佈署的成效有限，反倒政府對前沿科技的支持才是關鍵。碳交易或是燃油津貼，都不足以激勵針對二代生質燃料或碳捕捉存儲技術示範廠的商業投資。即便市場機制可以挑選特定技術，但更重要的還在由政府決定何者勝出。

補助發展

以碳捕捉存儲技術為例，政府冀望以二十四項示範計畫突破第一法則的限制。每一項規模都超過目前的三十百萬瓦水平。然而在二○二○年後，碳捕捉存儲技術仍需政府持續補助，認可其在碳交易中所扮演的重要角色，以期成為「重點」能源。

的確，當科技發展提升了佈署的規模，補助的辦法得從最初的示範計畫轉而借助市場干涉。例如以饋電機制（feed-in tariff）彌補生產成本與實際批發電價的差額。這些方法是可行的，但必須針對特定科技加以補助。目前太陽能饋電機制已經使其得以與風力發電競爭。希望當時機來臨，立法者能夠以與第一代不同的方式處理第二代生質燃油。

一旦跨過「重點」門檻，技術成本的重要性便更為彰顯。補助額度小，單位成本就必須降得足夠低。這個階段真正的挑戰在於基礎建設以及土地利用。

舉例來說，再生能源分散的本質，意味著需要更多的土地，這很可嚴重影響進度。另一項限制因素在於實踐技術之所需。例如間歇性的再生能源像風力和太陽能，就需要公共事業等級的儲能設備以穩定供電。當間歇性能源供電率超過百分之二十，缺乏儲能設備可能使得輸電網（electricity grid）不穩定。相同的，碳捕捉存儲技術設備佈署需要二氧化碳管線以及儲存槽，其規模終將與目前天然氣設施相當。政府單位必須未雨綢繆及早規劃，否則勢必影響其未來市佔率，以及二○五○年的世界低碳目標。

生質能源邊學邊做

即使將來上述政策都到位，《能源遠景》所預測的二氧化碳濃度仍不及理想。如果採用比大氣科學建議的四百五十PPM更為嚴苛二氧化碳濃度標準，在二○五○年時人類可能需要更多的非碳能源。若想超越佈署法則就得循著像《能源遠景》所指的多頭並進。不過要想超過這一些樂觀的預測，則是一個更大的挑戰。

佈署法則的推論之一認為，需求端需要付諸行動，以提升效率並節約能源。雖然需求端受到不同的法則約束，但要大家不奢望使用更多能源似乎不太可能。事實上沒有一項氣候法案是又快又好的。

(本文為二○○九年十二月三日《自然》雜誌專文，作者克拉瑪(Gert Jan Kramer)為荷蘭「殼牌石油全球解決方案」首席科學家，海埃（Martin Haigh)為荷蘭國際殼牌石油能源顧問）