《【牛津通識課02】再生能源》:所有對環境衝擊的擔憂,都逐漸轉移到「第二代生質燃料」上

《【牛津通識課02】再生能源》:所有對環境衝擊的擔憂,都逐漸轉移到「第二代生質燃料」上
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我們想讓你知道的是

本書作者為牛津大學物理榮譽教授、諾貝爾獎獲獎實驗團隊成員,深入淺出介紹了世界能源使用的現況,以及各種再生能源的運作原理、特性、潛力及未來展望,輔以許多統計數據和產業現狀的佐證,顯示科學家們及各國政府已經準備好了,2050零碳排的目標並非天方夜譚,這些再生新能源確實能帶領我們走向更好的未來。

文:尼克・傑利(Nick Jelley)

生質能

從人類開始過定居生活以來,就會種植作物和獵殺動物來吃食,並且燒木取暖。這些生命物質中存有能量,有的在燃燒時會釋放熱量,有的則是以食物的形式供我們和動物食用。而這類能量的最初來源都是太陽,是植物透過光合作用捕捉陽光,將空氣中的二氧化碳和地上的水轉化為碳水化合物。隨著全球人口不斷增加,土地資源正急劇枯竭中。種植生質能所需的作物必須使用到大量的土地,這為生質能的發展打上問號,因為發展這類能源可能會與種植糧食和保護生態系互相衝突。

目前,生質能占我們消耗的總能源的十%左右,主要透是燃燒木材、木炭、糞便或農作物殘留物來產生熱能,將其用於烹飪和取暖,另外就是以食物的形式產出,這所提供的能量與前者大致相同。在開發中國家,這種傳統生質能仍是許多人的主要能量來源。

一九七○年代爆發石油短缺的危機,這激發世人種植燃料作物的興趣,想要以此來替代汽油和柴油這兩種石油衍生燃料。生質燃料主要有兩種,一是乙醇(即酒精),這可以透過玉米等含糖植物的發酵過程產生;另一是生物柴油,是用棕櫚油這類植物油提煉而成。另外,也有人對開發木材和農業廢棄物來作為生質能感興趣,這些可以用來替代煤炭或天然氣,用於發電或需要大量熱能的工業製程。由於在種植和收穫過程中所釋放的二氧化碳量很少,可忽略不計,因此這些生質能源作物可算是一種低碳的永續能源。

在光合作用中,太陽能轉化為生質能的效率很低,約為一%。這意味著需要大片土地來種植生質能源作物。以日本為例,就算用盡所有的耕地,所產生的生質燃料也只能替代三十%的每年汽油消耗量。換言之,為生質能尋找合適的土地可能是一大問題。

傳統生質能

傳統的生質能源目前為開發中國家將近二十五億的人口提供能源。另有三億人是依賴煤炭和煤油。然而,在簡單的爐灶和明火中燃燒木材、木炭、煤或煤油會產生嚴重破壞健康的煙霧,每年約有三百八十萬人因此早逝,這主要影響的是婦女和兒童。他們通常得花上幾個小時收集木材,若是把這些時間省下來,孩童就可以去上學,而婦女則可用來從事其他活動。

在生活於非洲撒哈拉沙漠以南地區的十億人口中,約有八十五%依賴傳統的生質能源。當中大部分是使用木炭,特別是在城市地區,因為材質緻密,容易使用;傳統上,木炭是在缺氧的土坑或土窯中加熱木材製成的。由於人口成長,再加上有更多人往城市集中,預計這樣的需求將會持續上升。這股趨勢引起對森林砍伐和土地退化的擔憂。未加規範的木材採伐可能會對環境造成破壞,這樣的對比剛好可以從海地的伐林與多明尼加共和國保存完好的森林看出來。

再生能源P57
Photo Credit: 日出出版

世界各地都在嘗試採用改良的烹飪爐灶,中國在一九八○和一九九○年代初期引進了一億三千萬台。但大多數對健康的益處仍然有限,因為在燃燒燃料時仍會排放出帶有微粒的煙霧以及一些一氧化碳。要去除這些有害排放物,需要達到完全燃燒。這可以透過加熱燃料上方的空氣來達成,但這往往會增加燃燒爐的複雜性,而且造價較為昂貴,在農村地區沒有多少人負擔得起。不過還是有些簡單的信貸計畫,讓一些低收入戶可透過手機來申請優質的爐灶。

這些潔淨的生質能源爐灶的生產成本需要降低,而集中化的工業生產可透過規模經濟來協助達成。由於太陽能板和電池的成本急劇下降,電爐可能很快就能成為另一個解決方案。

不過有許多人不願意嘗試新的烹飪方法,也沒有意識到這些對健康的好處。在一些貧困社區,還得擔心有人會偷盜這些新設備,遭竊的恐懼可能也會推遲對這項新技術的投資。

生質燃料

自十九世紀末以來,世人開始對生質燃料產生興趣,當時狄塞爾(Rudolf Diesel)在巴黎的一個展覽會上展示了他研發出的第一台以花生油當燃料的引擎。後來在一九二○年代,福特(Henry Ford)也嘗試過用可發酵的農作物所產生的乙醇來發動拖拉機。然而,在二次世界大戰後,隨著中東廉價石油的供應,對生質燃料的興趣也日益減弱。等到一九七○年代,石油供應受到威脅時,世人又開始重燃這方面的熱情,許多國家制定出鼓勵生質燃料成長的政策;最初是為了保障能源安全,後來也是基於遏止全球暖化的考量。

其中最成功的一項生質燃料計畫是在巴西,那裡的甘蔗種植園非常廣大,在一九二○年代後期就是在這裡開始生產乙醇的。這種方式的能量產量很高,因為在種植和收穫作物期間,以及在製造乙醇時所使用的能量都相對較少。大面積的可耕地再加上良好的天氣條件,得以種植大片甘蔗田,現在,乙醇占巴西汽車燃料的三分之一左右。

然而,在其他國家的生質燃料計畫則不太成功。在美國,鼓勵農民用玉米製造乙醇,但能源產量很低,因為生產玉米需要大量能源。此外,美國生產的生物乙醇量僅占其汽油消費量的十%左右。若要再提高十%的產量,需要的土地大約是十五%的美國農田。

在歐洲,歐盟鼓勵生質柴油,而植物油的產量也有所增加,特別是在本世紀的前十年。這些油必須先進行化學處理,才能用於現代柴油引擎,因為它們比柴油燃料更濃稠。生質柴油對棕櫚油的需求導致印尼和馬來西亞的伐林增加,並且放乾了大面積的泥炭地。這導致泥炭分解,引發火災,釋放出大量二氧化碳,而這將需要種植很多年的生質燃料作物才有辦法抵消。

因為養牛、種植大豆和木材而進行的土地開墾也造成熱帶森林遭到砍伐,造成全球約十%的溫室氣體排放,還連帶導致生物多樣性的嚴重流失。由於擔心生質燃料造成的二氧化碳排放、對環境的衝擊以及與糧食生產的潛在衝突(棕櫚油和玉米都是重要的食物),現在所有生質燃料計畫的擴張腳步都放緩了。

環境衝擊和生質燃料的進展

所有這些對環境衝擊的擔憂都逐漸轉移到進階版(也稱為第二代)的生質燃料上。這是指可以在不適合進行糧食耕作區生長的植物性燃料,主要是柳枝稷(switchgrass)這類能夠在貧瘠土地上生長的富含纖維素植物。不過這個過程相當昂貴,需要先經過酸處理,將纖維素分解成可以發酵成乙醇的糖。所幸,在二次世界大戰時,有人發現一種真菌會分泌能夠分解棉衣和帳篷的酵素。在乙醇的生產中,若是使用酵素,僅需要投入很少的能量;然而,在實務上,要讓這種方法具有成本效益還是比預期困難許多。

另一個可能的答案是微藻(microalgae),這也引起了很多關注,因為它們的含油量很高,還可以在旱地的鹹水或廢水中生長。但在多年研究後,仍然無法讓微藻生產的生質燃料具有商業競爭力。一般來說,高產油率的代價是犧牲生長速度,而微藻養殖和煉油的過程都非常昂貴。也有考量過養殖基改品種的可能性,不過由於微藻在海洋食物鏈中扮演非常重要的調節作用,若是釋放基改品種至野外,也可能會有破壞環境中物種微妙平衡的疑慮。

在專門建造的大桶中以無氧方式來分解植物、食物和動物廢棄物會產生沼氣(主要是甲烷),這些沼氣可以用於加熱和烹飪,亦會用在發電廠。這個過程也會自然發生在堆肥、乳牛和其他反芻動物的胃中;後者估計約促成五%的全球暖化。小型沼氣池在亞洲的村莊相當普遍;在中國,有超過三千萬戶家庭使用沼氣。但是在撒哈拉沙漠以南非洲地區的使用率一直偏低,主要因為這是勞動密集偏高的設備,並且太陽能逐漸能滿足當地的能源需求。

再生能源P62
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在許多產品的製程中,生質能已發揮重要作用,成為一種永續碳源,取代石油的使用。以仙人掌這類演化出能夠良好適應半乾旱環境的植物為例,白天時,它們的葉孔會保持關閉,減少水分流失,僅有在進入夜晚後,葉孔才會打開,捕捉二氧化碳。放眼全球,大約有兩千五百萬平方公里的半乾旱和閒置田地,廣泛分布於開發中國家和已開發國家,而其中約有十%的面積可用於種植適應性強的植物。這些可望成為化學工業的重要生質能來源,同時還可以避免與糧食生產爭地以及使用石油造成的碳排放。

生質能的潛力

現代生質能目前的主要作用,是將生質作物的能源提供給建築物和工業的加熱以及發電,這約占四%的全球需求。這正是能夠發揮強大潛力的地方,若將主要來源改用農林業廢棄物和城市垃圾,它們的環境風險將會低於生質能源作物。而目前,這些資源大多尚未開發。一般來說,為了要能夠與化石燃料競爭,生質能需要有辦法做到隨時供應,就像在瑞典,近四分之一的能源都來自生質能供應。在電力生產上,若是能將發電與建築物供暖相結合,將會大幅提高生質能的使用效率。由於可以隨時提供,生質能源也可用於補強風能和太陽能等來源不穩定的能源。

不過,就全球發展性來看,由於缺乏經濟競爭力,生質能的擴張還是受到限制。此外,也不是隨處都可找到合適且方便到達的大面積土地;要能夠達到一般火力發電廠的一千兆瓦輸出量,需要一塊三千平方公里的土地來種植生質能作物,相當於一個邊長為五十五公里的正方形,而這所產生的電力可提供約一百五十萬戶的歐洲家庭。

過去一直在推廣以生質燃料來取代石油衍生燃料,但目前這僅占總需求量三%左右的能源。在汽車的低碳替代品中,目前看來的首選是再生電池,而不是生質燃料。然而,如果生質燃料能夠以符合經濟效益和永續的方式生產,在航空領域仍可能大有作為,用以替代噴射燃料,也可在航運業中當作石油的替代品。生質能也有機會成為化學工業中的永續碳源。

目前,生質能的貢獻,主要是傳統型的能源,每年約為一萬五千太瓦時。由於有生產方式不符合永續的顧慮,這意味著,到二○五○年時,其供應量可能維持類似的比例,主要是以現代生質能的方式來提供,因為太陽能板提供的電力將會大幅減少對傳統生質能的需求。然而,這樣的狀態需要有強力的政策來支持和監管,確保在燃料作物種植和收穫過程中的二氧化碳排放量可以低到忽略不計的程度,並保護糧食生產、生物多樣性和土地權。

書籍介紹

本文摘錄自《【牛津通識課02】再生能源:尋找未來新動能》,日出出版

作者:尼克・傑利(Nick Jelley)
譯者:王惟芬

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【牛津通識課02】再生能源_立體書封
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責任編輯:翁世航
核稿編輯:潘柏翰