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再生能源再等60年?

史邁爾(Vaclav Smil)
再生能源在全世界的能源供應成長率慢如牛步,難道下一波能源轉換只是個夢想?

重點提要
■從木材、煤到石油,每次全球的主要能源轉換,都必須耗時50~60年的時間。目前由石油轉換成天然氣的過程也同樣曠日廢時。我們沒有理由相信轉換成再生能源的過程會特別快。
■在富裕國家,傳統再生能源已無成長空間,因此未來再生能源的成長必須仰賴新型再生能源,例如風力、太陽能與生質燃料,但2011年新型再生能源只佔全美能源供應量的3.35%。
■特定的政策將可以加速再生能源轉換,包括投資各項研發計畫、取消非必要的政府補貼、確保能源價格反映其對環境與健康的影響,並提高全球的能源使用效率。

再生能源的著名擁護者洛文斯(Amory Lovins)曾經在1976年預言:「再生能源將很快席捲全世界。」他聲稱到了2000年,美國的能源需求將有33%分別來自各地的小型再生能源。數十年後,環保人士高爾(Al Gore)於2008年7月斷言,在10年內把美國電力供應全面改為再生能源是可以達成而且負擔得起的偉大目標。美國史丹佛大學的賈克布森(Mark Jacobson)與加州大學的德魯奇(Mark Delucchi)也在《科學人》2009年12月號發表〈2030永續能源〉,擘劃在20年內讓全球的能源供應全面改用再生能源。

然而從1990到2012年,全球化石燃料的能源供給率幾乎沒變,只從88%降到87%。在2011年全美能源需求中,再生能源只供應不到10%,而且大部份來自傳統的再生能源,例如水力發電或是燃燒廢柴。風力、太陽能發電與近代的生質燃料(例如玉米酒精)這類新型再生能源,儘管政府以高額補貼發展了20年,依然只佔全美能源供應的3.35%。

如此緩慢的轉換過程並不令人意外,事實上,這樣的過程在預料之中。不管在美國或其他國家,把某一種主要能源大量轉換成另一種,都需要50~60年的時間,從歷史上看,第一次能源轉換是從燃燒木材轉換成煤,接著是從煤轉換成石油,目前美國正進行第三次能源變革:從煤與石油轉換成天然氣。從2001年到2012年,美國的煤消耗量降低了20%,石油則降低了7%;在此同時,天然氣消耗量卻只增加了14%。目前美國仍有1/3以上的電力需求由燃煤發電廠供應,儘管天然氣的藏量豐富、低污染而且便宜,但是它還需要10~20年才會超越煤。

不管從技術或經濟層面來看,再生能源普及的速度都不可能比其他能源更快。原因之一是全球能源需求節節高升,連天然氣都很難滿足,更別提再生能源了。

某些國家轉換成再生能源的速度可能較快,但以全球各國來看,仍將十分緩慢,因為都把力氣花在轉換成天然氣了。當然未來有可能出現「殺手級」科技或革命性政策而加速轉換過程,但能源變革仍需很長的時間。

人們誤解了能源史

期望全世界能快速改用再生能源,只是一廂情願的夢想,反映了人們對近代史的誤解。大多數人認為快速工業化的19世紀,主要能源來自煤,20世紀則是石油時代,到了21世紀便應該是再生能源的天下了。然而前兩項看法是錯的,最後一項則問題重重。

儘管19世紀已經發明了工業機器,但主要能源並非煤,而是木材、木炭與農作物殘渣(主要是穀物梗),佔全球能源供應的85%,約2.4佑焦耳(YJ,1×10^24焦耳)。煤的燃料能源供給率從1840年開始超過5%,但到了1900年也才上升到總需求的一半,從5%到50%足足花了50~60年。根據可靠的統計報告指出,美國化石燃料(主要是煤、少量石油與極少量天然氣)的能源供給率,在1885年首度超過木材與木炭。同樣的能源轉換在法國發生於1875年,日本則是1901年。但蘇聯一直等到1930年、中國等到1965年、印度則遲至1970年代末期,才完成同樣的能源轉換。

同樣的,20世紀主要的能源供應並非石油,而是煤。在全球燃料消耗量的比率中,煙煤與褐煤在1910年代達到最高點,約佔55%。而早已開始使用的石油,直到1964年才超越煤。

即使在煤消耗量減少的同時,全球能源需求卻持續增加,但總括來看,煤(而非石油)才是20世紀最重要的能源:煤的總供應量約5.3YJ,相較之下石油只供應了4YJ。全球只有兩大經濟體完成了第三次化石燃料轉換:蘇聯的天然氣用量在1984年超越石油,而英國則在1999年完成同樣的能源轉換。

為了解釋能源轉換是一個逐漸發展的緩慢過程,我把各能源供給率的成長過程畫成圖表,從各能源達到全球供應量的5%時,開始計算它們成長為主要能源所需的時間。

這三次能源轉換之間有著驚人的相似性。取代木材的煤約在1840年佔全球能源市場的5%、1855年達到10%、1865年達到15%、1870年達到20%、1875年達到25%、1885年達到33%、1895年達到40%,並在1900年達到50%。達成各里程碑所需的時間間隔依序是15-25-30-35-45-55-60年。取代煤的石油從1915開始達到全球能源供應量的5%,接下來達成各里程碑所需的時間間隔與煤幾乎一致。

天然氣約在1930年佔全球能源市場的5%,接下來達成10%、15%、20%、25%各里程碑的時間間隔依序為20-30-40-55年,目前正往33%的里程碑邁進。如果比較各里程碑的時間間隔,會發現天然氣達到25%供給率所需的時間顯然更長(約55年),相較之下煤只需35年,而石油只需40年。

光看這三次能源變革的時間間隔,很難判斷未來再生能源的成長速度。若能研發安全而便宜的核能,或針對風力與太陽能發展出便宜且高效率的大規模能源儲存技術,或許能加速再生能源轉換。雖然不同的能源需要不同的生產技術、運輸管道與轉換成可用動力的機器(例如火車的柴油引擎或家用暖爐),但過去200年來,三次全球能源變革的時間間隔卻有顯著的相似性。可見任何新能源在世界各國都需要龐大的投資與基礎建設,意味著需要經過兩到三個世代(50~75年)才能成為市場主流。

引用來源:科學人雜誌