再生能源燒錢如流水? - PanSci 泛科學

使用再生能源的好處是相比傳統燃煤的發電方式可以避免二氧化碳的排放。

這張表總結了用成本效益分析後各種能源的成本和收益，它讓太陽能和風力發電的成本比用平準化成本 ... 0 0 0 文字 分享 友善列印 繁| 简 0 0 0 專欄 環境生態 科技能源 能源動力 再生能源燒錢如流水? PanSci ・2014/11/29 ・2068字 ・閱讀時間約4分鐘 ・SR值525 ・七年級 ＋追蹤 相關標籤： SDGs目標7｜永續能源(32) 再生能源(44) 平準化成本(1) 能源(62) 能源多元化(20) 熱門標籤： 大麻(17) 量子力學(46) CT值(8) 女科學家(16) 後遺症(3) 快篩(7) 時間(37) 編譯/雷雅淇 根據經濟學人的報導，風和太陽能發電等等這些再生能源，其實成本比我們普遍認為的還要來得高。

中國新疆的風力發電廠。

圖片來源:Wikipedia 再生能源的補助一直是公共政策當中很有爭議的領域之一。

有許多的資金被用在研發太陽能以及風力發電產業的相關研究上，無非是希望有一天他們能削弱化石燃料，以便能大幅減低排放至大氣中的二氧化碳。

這個想法soundsgood聽起來蠻也可行der。

自2008年以來太陽能光伏板的價格已經減少了一半，這也同時大幅降低太陽能發電場的成本。

在一些烈日炎炎陽光充足的地方，太陽能還能提供給電網跟燃煤或是燃煤氣電廠一樣便宜的電力。

但問題來了，雖然太陽能板的成本容易計算，卻很難計算電力的價格。

因為這不能只取決於使用的發電方式，也與資本成本，電廠的運作時間，以及是否能再用電高峰期產生足夠需求的電力有關。

若要把這些通通都考慮進去，經濟學家用了「平準化成本」(levelisedcosts)來估算發電成本。

平準化成本是以在生命週期中系統所產生的成本（資金和營運）除以生命週期裡預期生產的能量單位(單位為megawatt-hours)。

「麻煩的是平準化成本並沒有辦法將間歇性的成本列入計算裡。

」麻省理工學院的保羅·喬斯科(PaulJoskow)說。

位在美國內華達內利斯空軍基地發電廠。

圖片來源:wikimedia 不管是風力發電還是太陽能，都不像便利商店一樣24小時天天開張全年無休。

風力發電在平靜的日子裡，太陽能在夜深人靜時，都沒有辦法發電，很靠天吃飯；但我們用電可沒有再管天氣跟四季，這些再生能源的供電也不一定能配合的到我們一天中的用電需求變化。

這時候傳統的發電廠仍需要在旁邊待機，但這筆帳沒有辦法記在再生能源的單上，因為它沒辦法列在平準化成本當中。

所以既使再生能源的平準化成本跟傳統發電相同，但他們的實際產值有可能是比較低的。

總之，這樣的成本計算方法或許不太適合拿來比較不同形式的發電方式。

布魯金斯學會的查爾斯·法蘭克（CharlesFrank）為了解決這個問題，使用了成本效益分析（cost-benefitanalysis）來替不同的能源來源排名。

其中成本包括電廠的建造和營運，還有與這些發電技術相關的其他成本，例如當風力發電和太陽能發電不給力的時候為了要平衡電力系統所付出的成本，或是處理和燃料棒所需要的成本等等。

使用再生能源的好處是相比傳統燃煤的發電方式可以避免二氧化碳的排放。

這張表總結了用成本效益分析後各種能源的成本和收益，它讓太陽能和風力發電的成本比用平準化成本分析來得昂貴許多。

各種能源的花費和效益比較。

圖片來源:economist 法蘭克用了四種零碳能源，分別是太陽能、風力發電、水力發電和核能；還有一種特別有效率的燃氣電廠當作低碳能源，與其他的發電方式做比較。

當然，當零碳和低碳能源日子不好無法運作的時候是無法避免排碳的，這也會增加一些額外的成本。

經過這樣的比較，可以發現核能是相對效率較高的能源，但核電廠也非常非常的貴，而且也有核廢料處理的問題。

不過為了要決定總成本和效益，在太陽能和風力發電無法運作閒置在等待冷卻時間時，提供支援的石化燃料電廠也必須計入成本當中。

法蘭克稱這樣的成本為「可避免的產能成本」(avoidedcapacitycosts)，可避免成本(avoidedcosts)是指成本會隨著不同的決策而產生相應的變動，所以可避免的產能成本的意思則是指如果這些零碳的綠色電廠沒有被蓋起來的話也不會產生這些相對應的成本。

換算下來大概需要7座太陽能電廠或是4座風力發電廠才能提供跟一座大小相似的燃煤電廠差不多的電力。

如果是根據法蘭克的計算方式，那太陽能就會是這幾種減碳發電的來源中最貴的，風力發電則緊追在後。

水力發電則有小小的收益，但最具成本效益的還是核能。

以上的假設是在碳價為每噸50美元的情況下，如果是用實際的碳價的可能這些再生能源會被打得更難看，哭哭。

碳價大概要漲到每噸185美元太陽能才會有淨收益。

當然選擇發展哪種能源有各種的理由，像是除了溫室氣體以外的污染物的排放，以及對核災的恐懼等等。

法蘭克並沒有檢視這些因素，但他的研究仍對能源政策有著一定的影響。

現在有許多已開發國家以及中國都以補助太陽能和風力發電的方式來減緩氣候變遷。

但這在法蘭克的研究當中是減少溫室氣體排放最貴的方式。

而德國和日本逐漸封存的核電廠，卻是減碳目標下最便宜的產能方式。

當然這是單純以減碳為目標的前提下去檢視。

每個國家，甚至是每個鄉鎮都有獨特的地理、人文等等的特性，也都有屬於他們適合的能源開發政策。

不管是反核擁核，支持或反對再生能源，眾多的相關研究無不希望能提供更多的資訊，讓我們在面對選擇時能少一點未知多一點了解。

能源政策是跟我們每個人都切身相關的事，不管立場是什麼我想都沒有人能置身事外。

參考資料: Sun,windanddrain.TheEconomist[26, Jul2014]   發表意見 文章難易度 剛好 太難 所有討論 0 登入與大家一起討論 PanSci 997篇文章 ・ 881位粉絲 ＋追蹤 PanSci的編輯部帳號，會發自產內容跟各種消息喔。

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現在，世界上大多數國家的電力都是透過電網來提供。

電網，就是用來傳輸電力的網路，像是電廠、變電廠、配電系統等等，都是電網的一環。

圖／Pixabay 這套系統是為了滿足供電需求──最低需求稱為基本負載（baseload）──所設計的，由最便宜的發電機來滿足。

直到最近，發電方式通常是以燃煤為主（也有國家是以核電或水力發電為主），而且大部分的時間都在運作。

會搭配其他發電廠（通常是循環燃氣渦輪發電機）來支援，以滿足每天的負載量變化，也會有可快速運作的小型燃氣渦輪或柴油發電機來應對激增的需求或是發電廠停擺等故障問題。

發電廠和變電站間的輸配電系統很重要，這可確保即使有單一線路或發電廠出現問題，仍舊能夠維持電力供應。

電網有辦法將電力輸送到偏遠社區，也能獲得偏遠地區的發電。

再生能源進場後，該如何和傳統電廠互相配合？ 現在，太陽光電場和風場在許多電網上提供的電力占比日益升高，這正在改變對發電廠的要求。

在一般情況下，一天之中混合使用再生能源和傳統發電廠的發電方式最為經濟，而不是完全使用大型的傳統發電機。

風場和太陽光電場容易受到天氣的影響，現階段該如何讓再生能源電場與一般傳統電廠配合，也是能源議題中的一大考驗。

圖／Pixabay 除了提供潔淨的電力外，風場和太陽光電場的營運成本最低──這稱為邊際成本（marginalcosts）──因為它們沒有燃料成本，並且會首先調用。

為了讓風場和太陽光電場達到最大使用效能，最好是搭配能夠因應電力供需變化而快速反應的其他發電廠；而且理想上，這些電廠的運作也應該符合經濟效應，運作時消耗的用電量僅占其最大負載量的一小部分。

一般來說，燃煤電廠和核電廠的數量並不會有快速的增減，而燃氣和再生能源電廠則是更好的選項。

根據地點的不同，水力發電、生質能、地熱和聚光太陽能（搭配蓄熱儲能）都可以擔任靈活發電的功能。

化石燃料發電廠可以儲存燃料並因應需求來提供電力。

風場和太陽光電場與這些可以隨時供電──稱為可調度或固定供應──的發電廠不同，這兩者的運作都取決於天氣這項變數。

運用AI技術，擺脫「天氣」這個天生弱點！ 儘管有時會出現風力弱和陰天的日子，然而，與一些人想像的剛好相反，擁有大量風力發電和太陽光電的電網其實能夠在需要時提供電力。

透過人工智慧（artificialintelligence，AI）來獲取良好的天氣預報，太陽光電場和風場的輸出變化通常是可以預期的，因此可得到最佳結果。

透過人工智慧的協助，可以更有效的運用電力。

圖／EnvatoElements 當再生能源供應達到總電力需求的30％時，這些變化可以輕易透過裝配在電網上的快速反應發電廠來填補，以滿足供電需求的變化。

當一處1000兆瓦的大型發電廠意外跳電（可能是設備故障或過載），處理起來可能遠比風力發電或太陽光電的電力突然下降更具挑戰性。

備用儲電站必須迅速上線，而風場和太陽光電場若是尚未達到滿載，還可以在有風和晴天的天氣迅速提高其發電量，提供額外的寶貴備用電。

再生能源成為主要來源後，怎麼讓電供保持穩定？ 為了提供潔淨、安全和價格低廉的電力，並且在本世紀中葉大幅減少碳排放，避免氣候變遷演變到危及生靈的程度，全球的供電必須以再生能源為主。

透過增加再生能源的輸出、地理分布以及與其他電網的連結，再生能源的供電占比將可望提高到電網的50％左右。

在一定程度上，增加這類綠電的發電能力可以彌補天氣條件惡劣的情況，而連接大範圍的太陽光電場和風場則可以提供更平穩可靠的電力。

在歐洲，丹麥已經與挪威、瑞典或德國等國進行電力交易，以此來平衡電力供需：在他們自己的風力發電量高時出口電力，而在發電量低時則進口電力。

然而，建立洲際再生電網並非易事。

過去曾經有一項DESERTEC（沙漠科技基金會）的提案，計畫要將北非的太陽能傳送到歐洲，但由於政治不穩定，再加上不同地區和國家對規畫中的電網各有所圖，產生相互衝突的反對意見，因此難以具體實現提案。

增加太陽能板的面積、建立跨國、洲際再生電網，都是維持電力供應穩定的做法。

圖／Pixabay 此外，由於太陽能板的成本急劇下降，因此日照多的優勢變得不那麼重要，因為可以靠增加太陽能板的大小來彌補日照少的缺憾，這比支付長距離傳輸費用更為經濟。

能夠在地方發電也等於是提供了一份供電的安全保障，不必依賴化石燃料進口。

然而，廣泛架設的電網確實對於供需平衡有極大的幫助。

若是能配合供電來調整電力需求，就可降低對儲能廠的需求──這稱為「需量反應（demandresponse）」──或許可成為一個更便宜的選項，因為那些用來支援電力尖峰的快速反應發電廠的運作成本最高。

智慧電網：更聰明、更彈性的調整電力供應！ 使用智慧電網可以讓電網營運商和用戶間進行雙向溝通，調整電力負載量，使其與供電端相等，這樣就能確定出需要從電網中取用的的需求量，或是添加量。

出現短時間停電或減少電力供應時，許多運作仍有可能繼續維持，好比那些具有熱慣性的操作──像是保持鐵或瀝青、熔融物或超市冰箱冷藏食物的溫度；或是建築物的溫度調節──或是在將零件組裝成產品前，先製造出充足的零件備量。

智慧電網最重要的就是雙向的溝通來進行調整。

圖／EnvatoElements 同樣地，可以透過啟動電爐、大型電解槽或海水淡化廠（以幫助應對氣候變遷造成的乾旱）來增加需求量。

在數位化科技的推動下，我們正處於智慧電網革命的開端，這將會對電力負載量造成重大變化，將會讓邁向再生能源的這段過渡期更為容易，並且為客戶帶來更低的成本。

另外，可以用價格差異來鼓勵客戶改變他們的電力需求。

在義大利，有推行一個簡單的計畫，是以固定費用（取決於所使用的最大功率）和每度電的價格來回收發電廠的資本和配電成本以及發電成本。

以限制電力需求的方式（讓消費端的電價變得更便宜），白天必須間隔使用電熱水壺、洗衣機和烤箱等電器；如果一次全部使用，就會跳電。

這樣便可降低發電成本中最高的尖峰用電。

而在離峰期（例如夜間）提供便宜電價也是一種方式。

不過要達到有效調整，需要同時使用智慧電網和智慧電錶。

這樣用戶端可以看到他們的消費細節，並選擇僅在低電價或優惠價格時段才使用某些電器設備。

儲能設備對於提高再生能源的發電占比非常有幫助。

以太陽光電場和風場這樣的組合來供應夜間用電，往往會有白天過度生產，導致電價下跌的情況。

若是沒有儲能設備，必須盡可能出口過剩電力，或是以減少供電來降低損失。

短期儲能可以將部分電力從下午轉移到晚上，因此小容量即可以滿足日常需求。

隨著電池成本的急劇下降，這種儲能的可用性變得越來越高，而且也開始取代那些用來補強綠電不足時的快速反應化石燃料電廠。

——本文摘自《【牛津通識課02】再生能源：尋找未來新動能》，2022年6月，日出出版，未經同意請勿轉載。

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碳捕捉主要是透過化學反應將煙道氣（fluegas）中的二氧化碳分離出來，然後再將其壓縮液化，泵入地下洞穴，例如含水層或是廢棄的油氣田。

同時要針對傳統的發電機開收排放二氧化碳的費用。

這將鼓勵電廠採用碳捕捉技術，不過前提是碳價要夠高，超過捕捉和封存二氧化碳的成本。

然而，即使在龐大的歐盟市場，碳的價格也從未高到足以讓碳捕捉在電力生產中具有競爭力，而且真正在運作的碳捕捉工廠很少。

碳捕捉將煙道氣（fluegas）中的二氧化碳分離出來，然後再加工處理。

圖／EnvatoBySandsun 即使如此，捕捉二氧化碳排放依舊可望成為一種脫碳方法，在未來某些產能製程中合乎成本效益。

一個例子是將天然氣轉化為氫氣，這還能用於加熱和製造燃料電池，或用於生產水泥以及甲醇和氨等重要工業化學品。

碳捕捉的各種可行性：直接從空氣抓？多種一點樹？ 也有人認真思考過直接從空氣中捕捉二氧化碳的可行性，因為目前我們所面對的現實非常危險，即二氧化碳排放量下降的速度恐怕來不及讓上升溫度控制在攝氏1.5度內。

種植更多的樹木可能是最簡單也最便宜的方法，但首先必須遏止每年大量的伐林問題。

每年約有一千萬公頃的森林遭到砍伐，用於種植大豆、棕櫚油和其他作物，以及放牧牲畜。

這樣的伐林導致全球每年約10％的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。

目前二氧化碳排放量下降的速度沒辦法使上升的溫度控制在1.5°C內，再加上樹木被大量的砍伐，導致全球每年約10％的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。

圖／EnvatoByLightFieldStudios 此外，封存大量二氧化碳所需的樹林面積也相當大──約要美國國土面積的四分之一，需要超過六年，甚至幾十年的時間才能讓樹木長到成熟，每年只能吸收平均全球燃燒化石燃料的10％排放量。

而在成長期過後，還需要更換樹木，因為在建築中也會使用到木材。

有人建議，可以燃燒林業的廢棄物來產生能量（熱或電），並捕捉和封存排放出來的二氧化碳。

這種生質能源的碳捕捉尚有爭議，必須要確保改變土地利用的這項變動最後的結果是產生淨負排放，而不是增加碳的排放量。

此外，這種方法尚在開發中，可能會與其他對可耕地和淡水的需求產生競爭關係。

多種樹，真的可以救地球嗎？事情可沒有我們想的那麼簡單！圖／Pixabay 不過，可以使用化學吸收器直接從空氣中捕捉二氧化碳，這種方法比生質能源更緻密、更可靠，只是目前的價格較為昂貴。

奧利金能源公司（OrigenPower）正在開發將碳捕捉與具有商業價值的石灰生產相結合，這樣的製程可望降低成本。

吸碳新創公司「CarbonEngineering」也在開發另一種方法，是使用與二氧化碳接觸會形成碳酸鈣的氫氧化鉀。

整個過程以石灰來合成氫氧化鉀，形成碳酸鈣，然後將其加熱，釋放出二氧化碳，進行壓縮和封存──這時便會再度合成石灰。

他們預估，以這種方式捕捉二氧化碳的成本可望降低至每噸100美元。

碳捕捉的展望與未來 為了增加產值，可以將捕捉來的二氧化碳與氫結合（比方說以再生電力來電解水，製造出氫氣），這可用來合成低碳燃料，取代汽油、柴油或航空燃料，這樣一來，其總排放量會遠低於某些生質燃料。

若是要捕捉和封存燃煤發電廠排放的二氧化碳，電力成本會增加約60％，而使用再生能源來發電，成本則低得多。

然而，隨著空氣碳捕捉的研發和大量投資，再加上在某些工業製程中捕捉二氧化碳，以及重新造林，預估到二〇五〇年時，碳捕捉可能會吸收掉全球年排放量的10％。

到二〇五〇年，再生能源和核能的總發電量可能接近當前全球需求量的90％，透過碳捕捉，全世界可能會達到二氧化碳淨零排放。

但要處理大量再生電力，電網在輸送和分配上需要適應風場和太陽光電場輸出量的種種變數，因此發展儲能設備非常重要。

——本文摘自《牛津通識課｜再生能源：尋找未來新動能》，2022年6月，日出出版，未經同意請勿轉載。

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在一八〇〇年，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。

到了二〇一七年，全球人口達到76億，發電量增加了25倍（156000太瓦時）。

在2017年的全球能源使用比例中，煤炭、石油和天然氣等化石燃料占了大約80%左右。

圖/Pixabay 下圖顯示在二〇一七年全球主要能源消耗總量的百分比，其中近8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。

2017年的能源消耗總量，顯示出不同能源的百分占比。

（資料來源：BPStatisticalReviewofWorldEnergy,2018;WorldEnergyCouncil,Bioenergy,2016） 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（finalenergydemand），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。

怎麼做比較不浪費？能量轉換效率大比拚！ 我們看到供熱與供電一樣重要。

兩者都可以用瓩時為單位，也就是一度電來測量，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（combinedcyclegasturbine，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。

火力發電沒辦法100%轉換熱能變成電能，約有60%的損失。

圖/twenty20photos 再生能源的過去跟未來 在十九世紀末，水力發電的再生資源幫助啟動了電網的發展，在二〇一八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，是在二十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二〇一〇年的3.5％上升到二〇一八年的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。

——本文摘自《【牛津通識課02】再生能源：尋找未來新動能》，2022年6月，日出出版，未經同意請勿轉載。

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