人類未來的能源問題
94/02/05
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黃秉鈞｜
臺灣大學機械工程學系
李健成｜
《科學發展》特約文字編輯
近年來地球的氣候產生很大變異，溫室效應可以說是最主要的元兇。自工業革命以來，人類文明快速進步，大量使用各種化石燃料的後果，讓大氣中的二氧化碳濃度日益增加。加上人類除了基本的食、衣、住、行需求之外，還有育樂活動，這些活動在科技與經濟發展的推動下，都讓我們對能源的需求遠遠超過其他的時代。根據某些科學家估計，以人類目前對各種能源的需索無度，地球上現存的化石能源很快地就會消耗殆盡，這是否就是人類的末日？我們又該如何因應？
活著就會消耗能源
生物需要各種能源來維持生命，就算是靜止不動，一樣也會消耗能源，包含我們的呼吸、消化、走動都需要能源才能進行。美國的研究報告指出，光站著不動也會消耗100瓦的熱量，甚至連睡覺時都會消耗65瓦的熱量。這些熱量還只是維持生命所消耗的，並未包含伴隨我們生活中所消耗的其他能源，如電力、瓦斯、汽油……在內。
人類生活雖然非常依賴能源，但是對於能源的消耗往往不是很在意，甚至可以說幾乎忘了它的存在。水龍頭一開就有水，電燈開關一按就大放光明，或許只有付帳單的人才會感受到，方便的能源都是昂貴的代價所帶來的享受。大部分的人只有在失去能源，如颱風、地震造成缺水斷電時，才會感受到痛苦，但隨著狀況的恢復，這些痛苦的經驗也就很快地跟著消失無蹤。
經濟奠基於能源
目前全世界對於能源的消耗量，每年以2～3％的比率持續增加，已普遍處於資源短缺的狀態。以美國為例，其人口占全世界總人口的4％，但是消耗能源的比率卻高達全世界的26％，而美國本土所蘊藏的能源卻只占全球總能源的2％，光它的原油進口量就占了全國總能源的57％。由此可見，美國這種文明國家對於能源的消耗與浪費，以及對能源的需求有多麼大。
一些開發中國家如中國大陸，目前全力發展經濟，原油的進口量也高達50％以上。在一九八五年，大陸所生產的原油仍有每天輸出七十五萬桶的能力，等到一九九六年時，已經從出口變成每天需要進口二十萬桶的原油才夠，到了二○○三年，更擴大到每天需要進口一百八十萬桶。預估到二○一○年時，每天的進口量將高達三百萬桶。而這些大量能源需求背後所隱藏的政治、經濟、軍事變化，更是在檯面下激烈地進行著。
除了原油之外，煤炭也是一項重要的能源，中國大陸的煤炭以28％的產量位居世界之冠，但是煤炭也占了其能源總消耗量的70～80％，平均每年消耗掉兩千萬噸，主要用於發電。但是，如此巨大的燃燒量，相對地也產生了巨大的空氣污染以及酸雨，對整體環境帶來另外一波更大的衝擊與影響。
但是，中國大陸是否對能源的需求就此停止呢？不然！從洗澡使用的熱水量，可以看出其經濟成長以及能源消耗都還會持續上揚。目前臺灣平均每人每天洗澡所消耗的熱水量約50公升，但大陸卻是每天低於15公升。再者，目前大陸個人擁有汽車的比率只相當於美國一九一二年的水準。另外，由於勞力、成本低廉，許多國家都把生產製造的部門移轉到大陸，因此，可以斷言在五年內，大陸對於各種能源的需求會大量增加，達到巔峰狀態。所以，五年後原油每桶80美元的價格是可以預期的。
臺灣的能源問題
反觀另外一些完全沒有能源生產能力的國家如臺灣、日本，能源進口的比重更是高達98％。臺灣目前的原油進口量大約是每天八十萬桶左右，從單位國土面積的能源消耗量來看，臺灣的原油消耗密度可以說是世界第一，平均每平方公里一天要燒掉7.2公噸的原油，比美國高出十倍，是日本的兩倍。
由於臺灣本身並不蘊藏足夠的能源可供開採，因此對於這種先天條件的缺陷，可以說是完全無解，只能聽天由命。另外，較嚴重的問題則是產業結構的不完善，耗能產業比率依然偏高，以及冬、夏季尖峰負載電力的極度不平均。其實，這兩項問題可以透過經濟或是政策的發展與調整，得到一個較為合適且有效的解決方案。
要解決產業結構的不完善，除了鼓勵耗能產業轉移到其他地區之外，也可以慢慢調整國內的產業結構，讓整體產業往低耗能的方向發展。而因能源使用不當所引起的電力供給失衡問題，也就是冬、夏季尖峰負載不平均問題，雖然臺電公司每年夏天都採用以價制量的方式來控制用電負載，但是效果似乎不是很理想。以二○○二年為例，雖然經濟不景氣，呈現負成長，但是尖峰負載依舊增加約3％。為了讓我國的電力供應不虞匱乏，政府只好努力地蓋發電廠，並年年呼籲大家節約能源，以度過夏季的能源危機。
能源危機與永續發展
二十世紀之後，許多產品都能用較低廉的成本大量生產，也因此讓產品售價快速降低。為了讓這些產品可以銷售以及維持利潤，廠商自然而然地極力促銷，這也正是現在經濟快速成長的重要原因之一。為了得到最大的經濟利益，許多產品因而生產過剩，但能源與資源是有限的，在如此快速消耗下，可用的能源與資源便快速地減少。
因經濟發展所引發的能源與資源短缺問題如果繼續下去，人類有可能會朝向下列三種方式來解決問題。
其一就是弱肉強食的原始方式，用武力來搶奪有限的能源、資源與生存環境。這是較悲觀的看法，認為科技及自然環境都有其極限，雖然目前發展了許多新科技，但都難以脫離熱力學第一與第二定律的規範，甚至還有不少研究多年的新技術如高溫超導、核融合等也遲遲無法突破。人類又絲毫不在意能源短缺的問題，繼續在地球上為所欲為，這些似乎都暗指我們的未來會是以悲劇收場。不過，就目前人類的文明及科技的進展來看，這樣的結果似乎還有機會挽回。
其二是以樂觀的態度來面對，認為可以善用人類道德與良知的力量來規勸大家回歸較為簡樸、單純的生活方式，少用如冷氣等會消耗大量能源的科技產品。這個方法似乎較不切實際，也違反人類文明發展的精神。
其三則是運用人類本身的智慧，透過科技的幫助來找出更好的解決之道，這就是永續發展的理念。
聯合國在一九九二年於巴西里約熱內盧所召開的地球高峰會中，也提出了永續發展的理念及其對人類的重要性，更希望各國能夠推動永續發展的方法和計畫，利用新方法和新科技，讓人類的經濟發展不會破壞現有的生態體系和社會系統。
人類的科技發展在許多方面相當令人讚佩，許多新科技的確改善了我們的物質文明。然而，我們雖擁有創造高科技的智慧，但在能源的利用效率上，卻一直呈現低智能狀態。以我們現行的電力系統為例，它的能源效率居然低到只有約35％，也就是說電廠每輸入100瓦的能源（包括煤、石化、核能等），大約只能發電40瓦，再經過其他耗損以及傳輸線路後，只剩下35瓦可以供給我們使用，其餘65瓦就這麼被浪費掉了，這是相當沒有效率的。
為了改善這種問題，並符合「永續發展」的概念，人類未來所採取的供電趨勢會是「分散式高效率供電系統」，包括熱能回收應用，如此就可以把能源的使用效率提升到80％以上。所謂的「分散式高效率供電系統」，包含了建築物或社區的獨立供電設備、住戶自備部分電力，加上多元化的能量來源，如太陽能、風力、地熱、酒精等的再生能源，如此才能讓能量的運用更有效率。
再生能源潛力無窮
除了上述提升現有電力系統效率，減少浪費的「節流」措施之外，更重要的當然是尋找新能源的「開源」方法。學者指出，二十一世紀最重大的革命非「新能源革命」莫屬，因為如果這一革命不能成功，人類將面對一場大災難。
由於傳統的化石能源將在數十年之內耗盡，因此積極開發新能源來解決這項危機是當務之急。目前科學家積極研究的項目，包括再生能源如太陽能、風能、地熱、水力，高效率的傳統能源如汽電共生、電動車、燃料電池，甚至於廢棄物能源如都市廢棄物、工業廢棄物、農業廢棄物、廢能回收等，而且都有所進展。
由於再生能源的來源不虞匱乏、對環境破壞最小，甚至和國家安全息息相關，即在緊急狀況時僅剩下再生能源可供利用，因此世界各國都積極投入再生能源的開發與運用。奧地利再生能源的供給比率甚至已占全國總能源的30％左右，將來還會繼續增加。而臺灣目前對再生能源的運用，則由經濟部、國科會與環保署等相關機關配合，並擬訂了一連串的獎勵措施和政策，計畫在二○二○年讓再生能源占總能源需求的20％以上。
不過，再生能源的推動並非如想像中的容易，一方面是因為現有的傳統能源取得價格相對偏低，加上再生能源的使用效率與經濟效益，並未高到讓廠商願意投入大量的成本去開發，因此還需要政府的政策去協助和補助。目前，較有開發潛力的再生能源是太陽能與風能。
太陽能設備主要的產品是太陽能發電以及太陽能熱水器兩大類，但這些設備以前都需要安裝在屋頂上，由於臺灣地狹人稠，大家都集中住在都會區，使得屋頂面積有限，沒有足夠的空間安裝。經過科學家的努力，目前所開發出來的新型太陽能熱水器已經有所突破，它不只利用太陽能，也可以吸收空氣中的熱能來取得熱源，而且可以安裝在任何地方與環境下。這說明了科技是可以用來解決人類所面對的問題的。
另外，目前太陽能發電設備，每發一千瓦的電，需要新臺幣二十五萬元，由於價格偏高，願意採用的人並不多。因此，除了需要教導民眾能夠不考慮眼前的利益來參與這種對環境有益的工作之外，政府也應提出各種的補助措施來推動，以降低成本。日本新開發出來的太陽能電池板，已經可以讓發電效率提升到38％左右。未來如果能繼續開發出發電效率更高，並以量產的方式讓成本更低，就可以大量推廣，遍及各地。
除了太陽能之外，風能發電可以說是目前最經濟、最低廉的再生能源，每度的發電成本已經和火力發電相去不遠，而且沒有火力發電對環境產生的衝擊與傷害，是發展最蓬勃的一種再生能源。如歐洲地區預計到二○一○年時，風力發電可以占總發電量的22％。臺灣地區由於位於季風帶，一年四季都有穩定的風力來源，所以目前政府也在沿海和離島等地積極推動風力發電機組的建置，讓我們的能源取得更加多元化，也更合乎永續發展的原則。
至於其他的再生能源如生質能（廚餘、垃圾沼氣……）、地熱等方面，若在科技上有更突破性的發展，也有可能成為廉價的能源。
發揮人類的理性與良知
除了既有的發電方式之外，目前科學家也積極研究更新更有效率的能源取得或是運用方式，如省電的發光二極體（LED）照明、高效率的燃料電池、氫能，以及分散式供電供熱系統、空調設備，或是目前方興未艾的超導科技、奈米科技等，都是希望能夠讓我們的能源使用效率更高，環境的污染更小。其他還有諸如建築上新設計與新材料的運用，讓房子更具有隔熱、通風、環保效果等所謂的綠色建築也紛紛出籠，都是利用科技來改善能源短缺的好方法。
不過，就算有更多或是更有效率的能源出現，最重要的依然是我們本身的使用習慣。以個人而言，隨手關燈、關水龍頭，改用高效率、低耗能的燈具與設備，甚至多栽種植物改善環境，都是積極參與節約能源最簡單的方法。至於產業方面，也可以從更新生產機具、利用汽電共生、做好教育管理、改變產業結構等方面著手，都可達到改善能源運用的效果。
目前許多新能源設備都較昂貴，不符合所謂的「經濟效益」，所以許多較富裕的人寧願用這些錢去買高級汽車或做個人享受。如果每個人都這樣想，這個世界便沒有未來。如果經濟能力負擔得起的人，由於理性和良知的呼喚，把支持響應新能源的推廣與使用當成善事，則愈多人支持，產品就會愈便宜，最終便會普及，而使大眾受惠，能源危機便可解除。
我們不會特別感受到能源的存在，但是也無法離開能源而生存。能源危機絕對不只是政府或是企業，甚至也不只是科學家的責任。只有在地球上的所有人正視這個問題的重要，並善用我們的道德良知與智慧，才能讓人類的文明得以延續下去。
