2010/02/05
經濟部能源局
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▓撰文：陳芃
在2009年聯合國氣候變化會議（COP15）落幕後，並沒有按照原定計畫，確立一個具約束力的減排目標。然而，沒有結果的COP15，仍對於再生能源的發展產生相當的鼓舞作用，會後25國的共同宣言，確認將全球升溫控制在2℃之內；其中最大排放國美國的加入，以及中國、印度兩個未來排放潛能最高的發展中國家的參與，凝聚了人類對於未來環境變化的共識。再者，先進國家承諾在2020年之前，每年集資1,000億美元，協助開發中國家因應氣候變遷；在2010至2012年之間，每年將先有300億美元投入此工作。所謂協助因應氣候變遷，核心即在於發展先進、低碳的能源科技，為再生能源產業注入活水，特別是經濟負擔低、價格低廉、容易普及的系統，將會是開發中國家的首選。
改變中的產業驅動因子
長期以來，成本一直是再生能源推動的瓶頸，人類無可避免的必須以經濟的角度審視再生能源的效益，而其始終難以達到商品化門檻，更遑論經濟規模。由1973年第1次能源危機開始，諸多再生能源技術即已萌芽，太陽能、風力、洋流、海洋溫差，甚至藻類研究、生質燃料等許多耳熟能詳的技術，均因成本╱效率問題而被束之高閣。
20世紀的3次能源危機，均肇因於區域衝突，基本上，產油國的供給能力並沒有大幅的變化，驅動再生能源發展的因子，在情勢弭平後即消失；在這樣的循環之下，新科技沒有經濟力的支持，難以持續發展腳步。然而在今日，原油的供給能力同樣沒有太大的問題，但驅動再生能源發展的因素已變成環境問題，如全球對此議題能達成共識，即已確立未來的方向。
再者，以商業立場觀察，實際的金援措施創造出廣闊獲利的空間。自京都議定書以來，各國扶植再生能源發展，均以政策補助為敲門磚，因地域、時間、補助項目的不同調，促使市場萌發的力道分散，投資風險性亦高。而現在起，每年至少300億美元的大餅，目標明確，再生能源產業的經濟性障礙已部分消弭；更重要的是，明確的實際需求出現，促使市場轉變為「先進先贏」的卡位戰。在此前提之下，研發所獲得的重視與挹注，絕非昔日可比擬。
適當科技理念生根
前面論述再生能源的發展前景，下文將以適當科技（Appropriate Technology）的角度，觀察再生能源未來可能的方向。「適當科技」一詞起源於英國經濟學家E. F. Schumacher在1973年提出的論點，鼓吹發展簡單、小量、低成本、非暴力的科技。此理念投射在能源體系的設計上，即應以小型、自給自足、分散而多元的能源，替代集中化、大型化、強調經濟規模的能源供給方式，而再生能源正是最佳選擇。
適當科技的關鍵在於如何將理念，透過設計落實成為技術，然而這卻也是困境所在。首先，要有共同的目標並以堅定的信念執行，而這通常必須透過政策、法令來約束，所幸目前全球已初步達成共識，有減排降溫的一致目標；再者，技術是否能夠實踐理念，此部分則與科技進展有相當的關係。
舉例來說，矽基太陽能光電的發展是由太空用途的需求開始，然而在很長的一段時間中，其對於減排其實沒有正面的助益，因為由矽礦開採、純化、磊晶，再經數百道繁複的製程產出的太陽光電系統，其生產端的能源耗用量，比在20年使用年限中所發出的電更多。同時，在生產時耗費化石能源並排放大量的碳，卻強調產品用於減碳，整體效益難以令人期待。
由此可知，太陽能光電的轉換效率、製程中的減排是其能否防制地球溫暖化的關鍵。其他的例子，如第一代生質燃料與民爭糧所引發的問題等，都必須以更進步的技術來克服。這些例子提醒大家，「適當科技」的落實有其困難性，而相關科技基礎的紮根，也必須符合適當科技的理念。
2009年的先進再生能源技術
以下介紹數項在2009年發表的科技，可看出科學界對於能源的開發已愈來愈多元化，且在不同的應用面向中，不斷尋求更佳的解決方案，符合小而美、永續發展的觀點。
◎滲透壓發電
挪威國營的Statkraft公司，在2009年11月發表滲透壓發電原型。以薄膜隔離淡水（前方低水位者）與海水，利用兩者濃度的不同，淡水將透過薄膜流向海水，升高海水側壓力並推動發電機。目前原型機可發電4kW，僅能推動咖啡機等小家電，而據Statkraft研究，每平方公尺達到5W的效能，才具有經濟競爭力。如以5W╱m2的效能來看，此發電方式需要很大的空間，因此該設計利用立體堆疊等方式來節省體積。
滲透壓發電的關鍵在於其中的薄膜，其為耗材，必須兼顧水交換的性能、使用時間長短，以及製造與操作成本。Statkraft的願景為採滲透壓發電每年生產1,700,000MWh的電力，足以供應歐洲一半的需求；而在2015年前該公司將完成25MW的先導廠，可供1萬戶家庭使用，落實的腳步可謂迅速。對於海水取之不竭的台灣來說，這種不受限於氣候條件的再生能源技術相當值得期待。
◎多種高效能風力系統
風力系統常受限於環境，離岸式機組是發揮更高效能的作法。英國科學家將離岸式的機組，由水平軸運轉改成垂直軸設計，更試驗性的讓其漂浮在海面上，而非傳統的在海中大興土木，此方式可較陸上風力機組多獲得30～50％的風能，且興建成本更低。
美國Nordic Windpower公司發展的風電系統，採用2葉片設計，較傳統的3葉片機型降低20％以上的成本，並透過特殊的傳動系統，使其在狂風、突然的起風狀態也可以運轉發電，目前開發1MW的系統，適合社區使用，落實分散的概念。
南非Vaal大學則設計出新型垂直軸風力發電機，以三層垂直排列的葉片，風能利用率較傳統垂直軸風機提升200％，且因採垂直設計，所占空間極小，預計在2年內將推出100kW的機種，更適合單一的住家使用。
◎低成本、低能耗的太陽能發電
太陽能發電成本近日又有重大突破，美國Solexant公司開發之無機奈米半導體材料，尺寸僅直徑4nm，長度為20～30nm，如此細微的材料可製成油墨狀，以roll-to-roll方式印製出來，每瓦生產成本為0.5美元，比現行常用之真空蒸鍍技術降低近40％，同時也避免真空蒸鍍高能耗、高設備成本的問題。
每瓦1美元是太陽能發電在近2年的指標，在5年前則是天方夜譚，足見太陽能技術的進步速度。2009年3月，First Solar公司以真空蒸鍍法製作薄膜太陽能電池，首度達成此目標，然而Solexant在不到1年的時間中再破紀錄，同時也因此名列2009年的全球百大科技研發獎（R＆D 100 Awards）之中。
Solexant未來的關鍵是讓模組的發電效率能超過10％，唯有如此才能克服裝置面積與成本等問題，否則即使成本低於每瓦1美元，實用性與產品力卻難以與現行的矽太陽能電池競爭。
回歸簡單，發揮創意
美國、歐陸各科技專業刊物與網站，在年末時常會各自預測最有潛力或影響性之技術；無論在排名或是入榜數量上，能源科技無疑是2009年最大的贏家，部分再生能源技術受到青睞的程度，甚至高過最具「錢途」的ICT發展與資通訊技術。
從另一個角度來看，科技的起源常常是很簡單的。黑色吸熱、白色反射熱，是小學生都知道的道理，一位MIT的博士生將這個概念轉換成為遇熱變白、遇冷變黑的屋頂材料，馬上就為減碳與自己的荷包做出貢獻。再者，機械表可以透過動能自動上發條，那脈搏跳動是不是能做為驅動表的能量？一個15歲的印度女孩提出脈搏發電的想法，Stanford大學將其朝向於電子書、手機的電力來源等方向發展，每個人都可能是一個分散型電力系統，足夠提供自己的日用需求用電。
回歸簡單、發揮創意，再生能源的方向將會更廣闊，而千頭萬緒的節能減碳工作，或許因此而得以釐清，讓未來的清晰脈絡能夠浮現。（作者任職於工研院材化所）