時事分析 | 環境生態及能源 | 2020-04-24 | 《經濟日報》

儲存可再生能源 緩解全球暖化危機



2019冠狀病毒蔓延全球,多個國家嚴陣以待。但與此同時,人類不能忽略其他挑戰。以全球暖化問題為例,熱浪、冰川急速融化等現象,其實仍然對人類發出的警號。縱使疫情令全球經濟活動萎縮,短期內或會減少溫室氣體排放,但長遠而言,暖化問題仍是人類福祉的一大威脅。

燃燒化石燃料供電,是排放大量二氧化碳的元兇之一[1],故改以可再生能源發電,被視為緩解全球暖化危機的方向。[2]近年多個國家積極利用太陽能、風力等可再生能源發電。然而,這類能源的供應欠缺穩定,需要持續有效的儲電系統,把電力儲起後適時釋出,方可進一步減少人類對化石燃料的依賴。近年如微軟創辦人Bill Gates等富豪,均斥巨額投資研發能源儲備科技,這些努力,能否為人類的未來帶來希望?

全球能源需求持續上升 二氧化碳排放量創新高

目前世界上的能源消耗大部分來自化石燃料,包括煤、石油、天然氣等,而燃燒化石燃料會排放大量二氧化碳等溫室氣體;相比之下,可再生能源包括太陽能、風力、水力等則屬於潔淨能源,因它們是天然形成,可在環境中重複產生,而且對環境造成的負面影響,較燃燒化石燃料小得多。[3]

根據國際能源署(International Energy Agency,IEA)去年發表的《全球能源和二氧化碳現況報告2019》,由於全球經濟強勢發展,加上供暖及製冷需求不斷上升,導致全球能源消耗量於2018年,按年增加2.3%,增長速度亦較2010年以來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報告指出,2018年全球因能源消耗而排放的二氧化碳量高達331億噸,按年增加1.7%,並且創下歷史新高。[5]報告也提及,雖然2018年利用可再生能源發電,可滿足全球能源需求增長的45%,並且按年有超過7%的增長[6],但速度仍不足以應付全球電力需求的增幅。[7]

另一方面,世界氣象組織(World Meteorological Organisation,WMO)於去年底表示,全球氣溫已較工業時代前的平均值高攝氏1.1度,並指2010年至去年極有機會是史上最炎熱的十年。[8]

天然發電穩定性受質疑 能源儲備成關鍵

綜合上述數據,可見處理全球暖化危機迫在眉睫。為了應對有關問題,有國際組織倡議積極以可再生能源作發電及運輸等用途,以減少二氧化碳排放。[9]在可再生能源中,以太陽能和風力的發電量增長最快,但由於它們容易受天氣影響,供電並不穩定,因此業界正不斷發掘和改良技術,儲存由太陽能和風力產生的電力,留待有需要時使用,否則長遠難以大幅度提升太陽能和風力的發電量。[10]

現時常見的電力儲備技術,是興建一座大型抽水蓄能電站,以太陽能及風力產生的過剩電力,推動大型機組把海水由地理位置較低的儲水庫,抽取到較高位置的儲水庫備用,而當需要使用這些儲備電能時,便可拉開水閘,使海水透過地心吸力由上方湧至下方,驅動渦輪發動機,重新製造電力。[11]

不過,部分抽水蓄能電站的巨型組件需要設置在山上,又需要海水配合產生電力,因此欠缺山脈、雨水及空間的地區,難以利用這項技術儲存由太陽能及風力產生的過剩電力。[12]再者,興建上述設施有機會污染附近儲水庫及河流的水質,也可能會改變水溫和水流,影響自然生態。[13]

另一種技術,是將電力儲存在電池中。在各類儲備電池中,最常見的是適用於短暫儲電的鋰電池(Lithium ion batteries),現時佔總容量逾80%;如需較長時間儲電,則需使用硫酸鈉電池(sodium-sulfur batteries)[14],但由於其使用有安全風險,暫時仍難以普及。[15]

《經濟學人》去年底發表的分析文章進一步指出,把儲電電池發展成大規模的儲電系統,需要處理電池的過熱問題,否則燃燒產生的氣體有機會引致爆炸,並舉例指南韓及美國亞利桑那州,均曾有相關設施出現火警及爆炸事件。文章續指,鋰電池於2018年的價格,較2010年時大幅下降85%,但仍未能有效解決鋰電池不能長時間儲電的問題。[16]

與此同時,IEA能源分析員Claudia Pavarini去年初發表的文章,指當時全球有153兆瓦電力儲存在大型抽水蓄能電站,僅佔全球能源約2%;至於儲電電池更只儲存約四兆瓦電力。[17]換言之,目前最常用的兩種儲電技術,只佔全球能源儲存量的極小部分。這樣固然並不理想,卻也反映能源儲備產業的發展潛力。

富豪投資研發「馬爾他」系統 冷熱鋼缸儲存可再生能源

眼見潛力所在,近年不少知名富豪紛紛投資在多個能源儲備項目中。當中最為人熟悉的,莫過於微軟創辦人Bill Gates牽頭,於2016年斥資10億美元成立的創業基金Breakthrough Energy Ventures(BEV)[18],資助企業研發與潔淨能源相關的技術。[19]

BEV早前向Google旗下的初創公司投資2,600萬美元,研發熱能儲備方式——「馬爾他技術(Malta’s technology)」。[20]「馬爾他技術」是一項電網規模的能源儲存系統,附設兩個能源儲存鋼缸,其中一個載有熔鹽(molten salt),另一個則載有冷卻液體(chilled liquid)。太陽能或風力產生電力後,系統會把電能轉換成「熱能」及「冷能」兩種儲能形態,再引導至兩個能源儲存缸。當需要重新生產電力時,系統便會快速地把「熱能」及「冷能」混合,藉此產生強大氣流,推動系統的發電渦輪轉動,從而發電。[21]

由於「馬爾他技術」系統的能源儲存鋼缸、冷卻液體等組件相對便宜,熔鹽也可輕易地提取,因此在成本及環境角度均算可行。再者,能源儲存鋼缸不但可充電數以千次,而且運作期長達40年,較其他能源儲備設施最少耐用三倍。「馬爾他」系統能收集和存儲大量能量,並按需求分配電力,而研發團隊正構建一個兆瓦級(megawatt-scale)的試驗系統,並與專家合作,把系統連接到電網。[22]

「馬爾他技術」看似是能源儲存的一大突破,但技術目前尚處於研發階段,相信未來還需要時間和實驗數據,證明系統屬安全和可靠,才可大規模應用。

本港雖有減碳目標 惟可再生能源發電比率僅0.1%

回到香港,政府為了應對氣候變化,早於2017年公布《香港氣候行動藍圖2030+》,訂下在2030年把香港每單位本地生產總值的碳排放量(碳強度),從2005年水平降低65%至70%的目標。由於本港的碳排放中,約有65%源於發電,故政府已與兩間電力公司達成協議,逐步以較潔淨的燃氣發電取代燃煤發電,同時推廣節能和發展可再生能源,包括引入「上網電價」[23],即市民和私營界別自行以太陽能和風力設備發電後,把電力售予電力公司,以經濟誘因推動民間生產可再生能源。[24]

此外,港燈在南丫島興建的大型風力發電站——「南丫風采發電站」,可在風速達3至25米時產生電力,並直接駁入港燈電網,每年平均可生產100萬度電。[25]

然而,根據官方數字,本港現時可再生能源所產生的電力,僅佔總使用量約0.1%,當中包括用於為水加熱的太陽能,以及由光伏板、風力及水力發電系統和轉廢為能設施所產生的電力。當局又估計,由去年至2030年間,本港以風力、太陽能及轉廢為能,成為可再生能源的潛力約為3%至4%的總耗電量,當中太陽能佔約1%至1.5%。[26]

觀乎上述資料,本港現時的可再生能源電力來源極少。關注本港可再生能源發展的綠色和平資深項目主任楊凱珊曾多次撰文,談及當中的挑戰及應付方法。她指出,全球發電模式逐漸流行「分散式系統」(decentralised system),即在不同地點裝設小型發電設施,發電後就地使用,再把剩餘的輸送到電網。她又引述香港理工大學的估計,單是在全港建築物天台加裝太陽能板,便可供應本地6至10%電力需求。[27]

她提出,隨着「分散式系統」成為趨勢,土地問題並非阻礙本港發展可再生能源的主因,反之缺乏政策支持,才是箇中關鍵,認為政府應先透過政策提供額外經濟誘因,以及修改相關的配套條例,刺激市場發展,當規模效應形成後,推動設備和服務的成本便會下調,進一步吸引更多人使用再生能源,形成良性循環。[28]當然,若要達到政府預期的目標,相信還要各方投資推動技術研究,同時構建更多發電的基建設施,以進一步發揮可再生能源的潛力;長遠更應研究不同的能源儲存方案,選出適合本港環境的技術,從而構建一個穩定的可再生能源發電網絡。

話說回來,不少國家正積極研發能源儲備技術,以提升可再生能源在發電方面的穩定性,繼而以之取代化石燃料,緩減氣候暖化。本港政府不妨參考外國經驗,搭上「減碳列車」,使香港成為更宜居、空氣更清新的城市。

1 「污染物」。取自機電工程署網站:https://www.emsd.gov.hk/energyland/tc/energy/environment/pollutants.html,最後更新日期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」。取自機電工程署網站:https://www.emsd.gov.hk/energyland/tc/energy/renewable/index.html,查詢日期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『儲存』再生能源呢?Google用鹽巴證明」。取自鉅亨新聞網站:https://news.cnyes.com/news/id/3881667,最後更新日期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 「香港減碳達峰 應對氣候挑戰」。取自香港政府新聞網站:https://www.news.gov.hk/chi/2019/12/20191222/20191222_095849_641.html,最後更新日期2019年12月22日。
24 「經濟誘因推民間發電 『上網電價』成效難料」。取自星島教育網站:https://stedu.stheadline.com/sec/article/21891/,最後更新日期2019年10月23日。
25 「南丫風采發電站」。取自港燈網站:https://www.hkelectric.com/zh/our-operations/lamma-wind-power-station,查詢日期2020年1月3日。
26 「立法會二十一題:可再生能源」。取自政府新聞公報網站:https://www.info.gov.hk/gia/general/201910/23/P2019102300381.htm,最後更新日期2019年10月23日。
27 楊凱珊,「綠色和平:再生能源潮流為何還未到香港?」。取自CUP網站:https://www.cup.com.hk/2017/05/23/greenpeace-hk-renewable-energy/,最後更新日期2017年5月23日;楊凱珊,「香港也可跟上再生能源潮流!」。取自立場新聞網站:https://www.thestandnews.com/nature/香港也可跟上再生能源潮流/,最後更新日期2018年1月26日。
28 同27。