时事分析 | 环境生态及能源 | 2020-04-24 | 《经济日报》

储存可再生能源 缓解全球暖化危机



2019冠状病毒蔓延全球,多个国家严阵以待。但与此同时,人类不能忽略其他挑战。以全球暖化问题为例,热浪、冰川急速融化等现象,其实仍然对人类发出的警号。纵使疫情令全球经济活动萎缩,短期内或会减少温室气体排放,但长远而言,暖化问题仍是人类福祉的一大威胁。

燃烧化石燃料供电,是排放大量二氧化碳的元凶之一[1],故改以可再生能源发电,被视为缓解全球暖化危机的方向。[2]近年多个国家积极利用太阳能、风力等可再生能源发电。然而,这类能源的供应欠缺稳定,需要持续有效的储电系统,把电力储起后适时释出,方可进一步减少人类对化石燃料的依赖。近年如微软创办人Bill Gates等富豪,均斥巨额投资研发能源储备科技,这些努力,能否为人类的未来带来希望?

全球能源需求持续上升 二氧化碳排放量创新高

目前世界上的能源消耗大部分来自化石燃料,包括煤、石油、天然气等,而燃烧化石燃料会排放大量二氧化碳等温室气体;相比之下,可再生能源包括太阳能、风力、水力等则属于洁净能源,因它们是天然形成,可在环境中重复产生,而且对环境造成的负面影响,较燃烧化石燃料小得多。[3]

根据国际能源署(International Energy Agency,IEA)去年发表的《全球能源和二氧化碳现况报告2019》,由于全球经济强势发展,加上供暖及制冷需求不断上升,导致全球能源消耗量于2018年,按年增加2.3%,增长速度亦较2010年以来的平均升幅高出近一倍。[4]

能源需求上升,全球二氧化碳排放量亦有所增加。IEA报告指出,2018年全球因能源消耗而排放的二氧化碳量高达331亿吨,按年增加1.7%,并且创下历史新高。[5]报告也提及,虽然2018年利用可再生能源发电,可满足全球能源需求增长的45%,并且按年有超过7%的增长[6],但速度仍不足以应付全球电力需求的增幅。[7]

另一方面,世界气象组织(World Meteorological Organisation,WMO)于去年底表示,全球气温已较工业时代前的平均值高摄氏1.1度,并指2010年至去年极有机会是史上最炎热的十年。[8]

天然发电稳定性受质疑 能源储备成关键

综合上述数据,可见处理全球暖化危机迫在眉睫。为了应对有关问题,有国际组织倡议积极以可再生能源作发电及运输等用途,以减少二氧化碳排放。[9]在可再生能源中,以太阳能和风力的发电量增长最快,但由于它们容易受天气影响,供电并不稳定,因此业界正不断发掘和改良技术,储存由太阳能和风力产生的电力,留待有需要时使用,否则长远难以大幅度提升太阳能和风力的发电量。[10]

现时常见的电力储备技术,是兴建一座大型抽水蓄能电站,以太阳能及风力产生的过剩电力,推动大型机组把海水由地理位置较低的储水库,抽取到较高位置的储水库备用,而当需要使用这些储备电能时,便可拉开水闸,使海水透过地心吸力由上方涌至下方,驱动涡轮发动机,重新制造电力。[11]

不过,部分抽水蓄能电站的巨型组件需要设置在山上,又需要海水配合产生电力,因此欠缺山脉、雨水及空间的地区,难以利用这项技术储存由太阳能及风力产生的过剩电力。[12]再者,兴建上述设施有机会污染附近储水库及河流的水质,也可能会改变水温和水流,影响自然生态。[13]

另一种技术,是将电力储存在电池中。在各类储备电池中,最常见的是适用于短暂储电的锂电池(Lithium ion batteries),现时占总容量逾80%;如需较长时间储电,则需使用硫酸钠电池(sodium-sulfur batteries)[14],但由于其使用有安全风险,暂时仍难以普及。[15]

《经济学人》去年底发表的分析文章进一步指出,把储电电池发展成大规模的储电系统,需要处理电池的过热问题,否则燃烧产生的气体有机会引致爆炸,并举例指南韩及美国亚利桑那州,均曾有相关设施出现火警及爆炸事件。文章续指,锂电池于2018年的价格,较2010年时大幅下降85%,但仍未能有效解决锂电池不能长时间储电的问题。[16]

与此同时,IEA能源分析员Claudia Pavarini去年初发表的文章,指当时全球有153兆瓦电力储存在大型抽水蓄能电站,仅占全球能源约2%;至于储电电池更只储存约四兆瓦电力。[17]换言之,目前最常用的两种储电技术,只占全球能源储存量的极小部分。这样固然并不理想,却也反映能源储备产业的发展潜力。

富豪投资研发「马尔他」系统 冷热钢缸储存可再生能源

眼见潜力所在,近年不少知名富豪纷纷投资在多个能源储备项目中。当中最为人熟悉的,莫过于微软创办人Bill Gates牵头,于2016年斥资10亿美元成立的创业基金Breakthrough Energy Ventures(BEV)[18],资助企业研发与洁净能源相关的技术。[19]

BEV早前向Google旗下的初创公司投资2,600万美元,研发热能储备方式——「马尔他技术(Malta’s technology)」。[20]「马尔他技术」是一项电网规模的能源储存系统,附设两个能源储存钢缸,其中一个载有熔盐(molten salt),另一个则载有冷却液体(chilled liquid)。太阳能或风力产生电力后,系统会把电能转换成「热能」及「冷能」两种储能形态,再引导至两个能源储存缸。当需要重新生产电力时,系统便会快速地把「热能」及「冷能」混合,藉此产生强大气流,推动系统的发电涡轮转动,从而发电。[21]

由于「马尔他技术」系统的能源储存钢缸、冷却液体等组件相对便宜,熔盐也可轻易地提取,因此在成本及环境角度均算可行。再者,能源储存钢缸不但可充电数以千次,而且运作期长达40年,较其他能源储备设施最少耐用三倍。「马尔他」系统能收集和存储大量能量,并按需求分配电力,而研发团队正构建一个兆瓦级(megawatt-scale)的试验系统,并与专家合作,把系统连接到电网。[22]

「马尔他技术」看似是能源储存的一大突破,但技术目前尚处于研发阶段,相信未来还需要时间和实验数据,证明系统属安全和可靠,才可大规模应用。

本港虽有减碳目标 惟可再生能源发电比率仅0.1%

回到香港,政府为了应对气候变化,早于2017年公布《香港气候行动蓝图2030+》,订下在2030年把香港每单位本地生产总值的碳排放量(碳强度),从2005年水平降低65%至70%的目标。由于本港的碳排放中,约有65%源于发电,故政府已与两间电力公司达成协议,逐步以较洁净的燃气发电取代燃煤发电,同时推广节能和发展可再生能源,包括引入「上网电价」[23],即市民和私营界别自行以太阳能和风力设备发电后,把电力售予电力公司,以经济诱因推动民间生产可再生能源。[24]

此外,港灯在南丫岛兴建的大型风力发电站——「南丫风采发电站」,可在风速达3至25米时产生电力,并直接驳入港灯电网,每年平均可生产100万度电。[25]

然而,根据官方数字,本港现时可再生能源所产生的电力,仅占总使用量约0.1%,当中包括用于为水加热的太阳能,以及由光伏板、风力及水力发电系统和转废为能设施所产生的电力。当局又估计,由去年至2030年间,本港以风力、太阳能及转废为能,成为可再生能源的潜力约为3%至4%的总耗电量,当中太阳能占约1%至1.5%。[26]

观乎上述资料,本港现时的可再生能源电力来源极少。关注本港可再生能源发展的绿色和平资深项目主任杨凯珊曾多次撰文,谈及当中的挑战及应付方法。她指出,全球发电模式逐渐流行「分散式系统」(decentralised system),即在不同地点装设小型发电设施,发电后就地使用,再把剩余的输送到电网。她又引述香港理工大学的估计,单是在全港建筑物天台加装太阳能板,便可供应本地6至10%电力需求。[27]

她提出,随着「分散式系统」成为趋势,土地问题并非阻碍本港发展可再生能源的主因,反之缺乏政策支持,才是个中关键,认为政府应先透过政策提供额外经济诱因,以及修改相关的配套条例,刺激市场发展,当规模效应形成后,推动设备和服务的成本便会下调,进一步吸引更多人使用再生能源,形成良性循环。[28]当然,若要达到政府预期的目标,相信还要各方投资推动技术研究,同时构建更多发电的基建设施,以进一步发挥可再生能源的潜力;长远更应研究不同的能源储存方案,选出适合本港环境的技术,从而构建一个稳定的可再生能源发电网络。

话说回来,不少国家正积极研发能源储备技术,以提升可再生能源在发电方面的稳定性,继而以之取代化石燃料,缓减气候暖化。本港政府不妨参考外国经验,搭上「减碳列车」,使香港成为更宜居、空气更清新的城市。

1 「污染物」。取自机电工程署网站:https://www.emsd.gov.hk/energyland/sc/energy/environment/pollutants.html,最后更新日期2018年3月1日。
2 “Renewable Energy Sources Cut Carbon Emissions, Efficiently Increase Electricity Output Worldwide, Delegates Say in Second Committee,” United Nations, https://www.un.org/press/en/2018/gaef3501.doc.htm, last modified October 16, 2018.
3 「能源」。取自机电工程署网站:https://www.emsd.gov.hk/energyland/sc/energy/renewable/index.html,查询日期2019年12月27日。
4 “Global Energy & CO2 Status Report 2019: Global trends,” International Energy Agency, March 2019, https://www.iea.org/reports/global-energy-and-co2-status-report-2019.
5 同4。
6 “Global Energy & CO2 Status Report 2019: Trends by technology,” International Energy Agency, March 2019, https://www.iea.org/reports/global-energy-and-co2-status-report-2019/electricity#abstract.
7 同4。
8 “2019 concludes a decade of exceptional global heat and high-impact weather,” World Meteorological Organisation, https://public.wmo.int/en/media/press-release/2019-concludes-decade-of-exceptional-global-heat-and-high-impact-weather, last modified December 3, 2019.
9 “Importance of Renewable Energy in the Fight against Climate Change,” World Widelife Fund for Nature, https://www.worldwildlife.org/magazine/issues/summer-2015/articles/importance-of-renewable-energy-in-the-fight-against-climate-change--3, accessed December 27, 2019; “Renewable Energy: A key climate solution,” International Renewable Energy Agency, https://www.irena.org/climatechange/Renewable-Energy-Key-climate-solution, accessed December 27, 2019.
10 “A bid for better batteries,” The Economist, November 30, 2019, p. 16.
11 “A bid for better batteries,” The Economist, November 30, 2019, p. 16; “Fact Sheet: Energy Storage (2019),” Environmental and Energy Study Institute, https://www.eesi.org/papers/view/energy-storage-2019, last modified February 22, 2019; “Pumped Hydropower,” Energy Storage Association, https://energystorage.org/why-energy-storage/technologies/pumped-hydropower/, accessed December 30, 2019.
12 同10。.
13 Allison Jensen, “Examining the Pros and Cons of Hydropower,” Manufacturing.net, https://www.manufacturing.net/chemical-processing/article/13245967/examining-the-pros-and-cons-of-hydropower, last modified September 18, 2018.
14 Claudia Pavarini, “Battery storage is (almost) ready to play the flexibility game,” International Energy Agency, https://www.iea.org/commentaries/battery-storage-is-almost-ready-to-play-the-flexibility-game, last modified February 7, 2019.
15 Xiaofu Xu et al., “A room-temperature sodium–sulfur battery with high capacity and stable cycling performance,” New Communications, 9 (2018), p. 1.
16 “A bid for better batteries,” The Economist, November 30, 2019, p. 16; “To have and to hold,” The Economist, November 30, 2019, p. 60.
17 同14。
18 Akshat Rathi, “Bill Gates-led $1 billion fund expands its portfolio of startups fighting climate change,” Quartz, https://qz.com/1693546/breakthrough-energy-ventures-expands-its-portfolio-to-19-startups/, last modified August 26, 2019.
19 “Ventures,” Breakthrough Energy Ventures, https://www.b-t.energy/ventures/, accessed December 31, 2019.
20 Susan Kraemer, “VC-Funded Thermal ‘Battery’ is Based on CSP Molten Salt Energy Storage,” SolarPACES, https://www.solarpaces.org/vc-funded-thermal-battery-based-molten-salt-energy-storage-csp/, last modified May 13, 2019.
21 “Storing renewable energy in molten salt,” X.company, https://x.company/projects/malta/, accessed December 31, 2019;「如何『储存』再生能源呢?Google用盐巴证明」。取自巨亨新闻网站:https://news.cnyes.com/news/id/3881667,最后更新日期2017年8月1日。
22 “Storing renewable energy in molten salt,” X.company, https://x.company/projects/malta/, accessed December 31, 2019.
23 「香港减碳达峰 应对气候挑战」。取自香港政府新闻网站:https://sc.news.gov.hk/TuniS/www.news.gov.hk/chi/2019/12/20191222/20191222_095849_641.html,最后更新日期2019年12月22日。
24 「经济诱因推民间发电 『上网电价』成效难料」。取自星岛教育网站:https://stedu.stheadline.com/sec/article/21891/,最后更新日期2019年10月23日。
25 「南丫风采发电站」。取自港灯网站:https://sc.hkelectric.com/TuniS/www.hkelectric.com/zh/our-operations/lamma-wind-power-station,查询日期2020年1月3日。
26 「立法会二十一题:可再生能源」。取自政府新闻公报网站:https://sc.isd.gov.hk/TuniS/www.info.gov.hk/gia/general/201910/23/P2019102300381.htm?fontSize=1,最后更新日期2019年10月23日。
27 杨凯珊,「绿色和平:再生能源潮流为何还未到香港?」。取自CUP网站:https://www.cup.com.hk/2017/05/23/greenpeace-hk-renewable-energy/,最后更新日期2017年5月23日;杨凯珊,「香港也可跟上再生能源潮流!」。取自立场新闻网站:https://www.thestandnews.com/nature/香港也可跟上再生能源潮流/,最后更新日期2018年1月26日。
28 同27。