《如何避免氣候災難》觀點與心得:一本系統性的能源科普與零碳策略

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《如何避免氣候災難》是比爾蓋茲在2021年針對能源議題所撰寫的科普書籍,不僅系統性的介紹相關能源議題,最重要的是提出了許多未來可能的解決方案,其目的在於實現零碳策略,絕對是相當值得一讀的書籍。近年氣候暖化問題再次浮現台面,先不論是否有政治角力介入,解決氣候暖化確實成為全世界的共識,而台灣經福島第一核電廠事故被有心人士過度渲染後,目前棄核轉向綠電與火力,然而台灣天然環境並無法產生穩定且充足綠電,而未臻縝密規劃的能源配比也讓火力發電成為大宗,使得台灣火力空污與人均碳排均列世界前列,許多民眾開始回頭去理解能源科學,從而發起了反空污、反燃煤發電、廢止電業法與核四商轉公投。早在福島核災發生幾年內,許多科學家皆已對相關的的能源與謠言進行說明,像是理查繆勒《給未來總統的能源課》,後也有台灣相關書籍如陳立誠等《反核謬論全破解》,以及王明鉅等《以核養綠》等書籍,這些書籍其實在二手書店裡可以便宜尋到寶,有機會也會一一拜讀與分享,這次先來分享比爾蓋茲的大作。

書訊

項目 資訊
書名 如何避免氣候災難(How to Avoid a Climate Disaster)
作者 比爾.蓋茲(Bill Gates)
譯者 張靖之、林步昇
出版社 天下雜誌
出版日 2021/03/02
參考網站 Breakthrough Energy

閱讀筆記

零碳排核心:使清潔能源變得便宜且穩定

在《如何避免氣候災難》書中最初提及了幾個核心問題與概念:

  1. 510億噸:全世界每年排放的溫室氣體約為510億噸
  2. 二氧化碳當量(carbon dioxide equivalent, CO2e):把不同的溫室氣體對於暖化的影響程度用同一種單位來表示,這也是重要的碳稅計算根據
  3. 零碳排不意味使中低開發國家成為犧牲品

氣候變遷可能會引發許多問題,包括氣候炎熱、水旱兩極化、森林野火、海平面上升、影響動植物生長與糧食產出,以及永凍土融化等。而減緩碳排只是延後傷害,真正解決方法應該是零碳排,因此,要避免氣候災難,必須要做到使清潔能源變得便宜且穩定。另一方面,人類也應該為氣候災難做出適應的預防演練與創新技術的開發。

零碳排很難,但我們有機會可以做到

作者在書中提出零碳排的困境,包括過於便宜的石油、嚴重的天然氣外洩、電廠興建初期成本過高,以及全球性合作的難度過高,並不諱言美國退出重要的全球氣候協定《巴黎協定》確為一大污點。而最讓撰風相當讚許這本書的原因是,作者將提出了在氣候對話中必問的五個問題,並根據能源計畫詳敘了各種溫室氣體來源的可能解決方案:

  1. 比率:這佔了510億噸的多少比率?
  2. 計畫:你的減排計畫是什麼?
    • 溫室氣體來源:製造32%、用電27%、耕種養殖19%、交通16%、空調7%
  3. 電力:如何度量電力需求?
  4. 空間:這些電力來源需要多少土地與空間?
    • 較小的空間產出較多的能源:化石燃料500~2000W/m2、核能100~1000W/m2
    • 較大的空間產出較少的能源:太陽能5~20W/m2、水力發電5~20W/m2、風力1~2W/m2、生質能<1W/m2
  5. 溢價:這計畫需要花費多少錢?如何計算綠色溢價(green premium)?

從上可知,適當的能源配比是極其重要的,台灣夏日每日用電量約4000萬瓩,約可列為中型城市的規模。作為接軌世界貿易市場的前提下,我們必須了解能源的綠色溢價(green premium),現今我們使用化石燃料其價格相當便宜是因為沒有考量到對環境的破壞,而綠色溢價則是透過其他技術使得到的能源碳排歸零所需要多付出的成本,因此綠色溢價是浮動的,他能讓我們看到欲達到零碳排距離有多遠,但不能直接找到問題的原因,且並非所有領域都具有綠色替代方案,這也是零碳排最困難的地方。

探討一:製造,溫室氣體來源的大宗(來源佔比31%)

我一直以為用電是溫室氣體的來源大宗,沒想到是製造業。製造業主要有三項材料--鋼材、混凝土,以及塑膠。這三項材料都會伴隨著大量的溫室氣體產生,因此製造業室溫氣體來源最大宗,以2020年統計來說佔了總體的約1/3。

鋼材

煉鋼需要加入少量的碳,將氧氣從鐵礦中分離出來,每生產1噸的鋼,會產生1.8噸的二氧化碳。全世界每年鋼材產量約28億噸,即伴隨產生了約50億噸的二氧化碳

混凝土

混凝土需要砂、水和水泥,而水泥需要使用到鈣,鈣則是要透過石灰加熱得到,然而石灰本身含有鈣、碳、氧,因此石灰加熱時會得到氧化鈣和二氧化碳。每生產1噸的水泥,會產生1噸的二氧化碳。隨著中小型國家的開發,水泥的需求量會提升,之後預估落在每年40億噸左右

塑膠

塑膠本身成分就含有碳,並且是源自提煉石油、煤或天然氣得到,因此其成本低廉。然而製造塑膠時會有一半的碳被保留在塑膠內,且碳與氫結合相當穩定,因此要達百年後才會分解,或可成為將碳長期保存的方法之一,也有待研發碳匯(carbon sink)技術。

如何降低製造業綠色溢價?

這些製造材料的碳來源包括製程所需的電力、製程所需的高溫,以及材料本身的含碳,因此若無法停止製造,則溫室氣體無法停止,而使用碳捕集技術後會使得成本提升,其中又以水泥的綠色溢價最高。在製造業的綠色溢價降低方案,需要透過更多的創新製程,例如將二氧化碳捕集後注入水泥、氧化物熔體電解(molten oxide electrolysis)、碳匯(carbon sink)等,這些目前效果都有限且大多在實驗室階段,因此現階段商業可行的方法會著重在利用低碳化電網取得電力以及提升材料使用效率,同步對碳捕集技術與製程電氣化的持續研發。

探討二:用電,零碳發電與電力儲存的困境(來源佔比27%)

2020年統計,用電佔了人類約1/4的溫室氣體排放量。而全球發電比例為:煤(36%)、天然氣(23%)、水力(16%)、核能(10%)、再生能源(11%)、石油(3%),和其他(1%),綜上比對,火力發電佔了全部發電量的2/3,因此只要降低火力發電佔比,在降低溫室氣體排放上絕對有很大的進步空間。可以大致分為改善輸電方式、零碳電力,以及改善儲存電力的方式。

輸電方式

長距離的輸電方式佔了電力成本的1/3以上,因此是不切實際的,必須要建立全國電力網模型,並以此找到每個地方最適合的清潔能源組合。

零碳電力

零碳電力包括風力、太陽能、核能,以及備有碳捕集設備的火力發電廠,美國電力系統若要轉換成零碳電力,電費大約提高15%,但這需要視地區特性而定,每個地方的能源綠色溢價是不同的,例如太平洋西北有豐沛的水力、中南部有穩定強風、西南加州有足夠的陽光,但有些地方並沒有這些豐富且穩定的再生能源。

核分裂:核能發電多被汙名化,核能發電是穩定且大規模的來源,其建材消耗與產能相比是效益極大的。能源的產生其副作用帶來的死亡人數,核能發電是遠低於其他發電的。而泰拉能源的反應爐可以使用不同燃料,甚至核廢料。不同產生能源的方式,每1KWh造成的死亡人數:燃煤24.6人、石油18.4人、生質能4.6人、天然氣2.8人、核能0.07人。最常被作為反核主張的車諾比屬於軍事測試造成的人為疏失,而福島核能事故其死亡多為海嘯造成,這部分撰風可以留到《給未來總統的能源課》讀後感來分享。

核融合:核融合原理是把氣體(不同型態的氫)加熱到高於5000W度的極高溫使氣體成為帶電狀態(電漿),此時原子會快速撞擊而融合在一起,並釋放出大量的能量。其原料可自大海取得,且半衰期只有幾百年(核分裂的核廢料半衰期達十萬年)與醫療用的放射性廢棄物相近。但核融合最大的障礙是難以加熱到極高溫度,其合適的反應爐也難以製造。有興趣可以參考國際熱核實驗反應爐ITER的建置實驗。

風力發電:風力發電通常會架設在海上(離岸風力),因為海上風力較為穩定,然而其發電量相當少,而建置和材料卻相當佔空間(建置的材料也是有碳排的),並且對原生生態有極大的影響。目前大部分的風力發電是以歐洲為主(因為歐洲有穩定的西風帶),英國是目前全世界最大的離岸風電用戶,而出乎意料的是,預估中國至2030年後將成為離岸風電主要消費國。

太陽能發電:太陽能發電撰風能說的可以比較多一些,畢竟當初為了環保能源還特地去修了一學期的太陽能光電課程。以商用的太陽能板來說使用的會是矽基太陽能電池,其發電效率理論值為32%,而目前做到最高發電效率的矽基太陽能電池為Panasonic開發的矽基異質結光伏電池(HJT/HIT),大約為26%。太陽能電池最大的問題在於轉換效率過低,且需要使用的佔地過大(砍樹會將樹根的固碳被大量釋放),並且若要能穩定以太陽能電池供電,需要有穩定且充沛的陽光。風電與太陽光電還有一大問題,就是他們都屬於間歇能源,這類能源需要搭配穩定基載能源(如火力、核能),並且可能產生的能源差距極大,需要因此預備極大的發電容量,而儲存在電池中又會變成極大的成本。例如德國夏季的太陽光電相當充沛,甚至必須輸送給鄰國,也因此造成鄰國電網極大的負擔,但在冬季其太陽光電又會不敷使用(這極大的季節差異源自於地球的轉軸是傾斜的)。

儲電方式

電池是將多餘電能事先儲存起來,以便電力不足之使用,包括電池、抽蓄水力、儲熱,以及電解氫氣等。作者以間歇能源儲存在電池中使用作為估算,其電力成本變為原本發電成本的3倍(例如:發電花了5美分,但儲電成本是10美分),這種方法是相當不敷經濟效益的。

探討三:耕種養殖,生產更多糧食同時減少碳排(來源佔比19%)

在探討耕種養殖減碳的同時,必須要設定多生產70%的糧食以供全世界的人口食用,而非犧牲開發中國家的權益。

肉類與乳製品

甲烷造成暖化的程度是二氧化碳的28倍,一氧化二氮則是265倍,每年CH4和N2O的CO2e相當於70億噸,在生產肉類與乳製品時其糞便與反芻造成的打嗝與放屁便伴隨許多CH4和N2O產生,而牛隻飼養的換肉率又低(6卡飼料產生1卡的牛肉),因此肉食確實會造成溫室氣體的一大因素。儘管純素可以有效減少碳排但並不切實際,並且肉食在人類文化中扮演重要的角色,因此作者除了投入人造肉的研發外(人造肉目前綠色溢價過高),同時也加入改良牛隻品種、飼料調整、延長食物保存期限等方法以減少其碳排,而一般民眾可以做到的是,或許偶爾少吃一些肉(尤其是美式飲食),而更重要的是一定要避免浪費糧食,浪費糧食造成的暖化程度相當於33億噸的CO2

肥料

哈伯法合成肥料(氮+氫→氨)大大提升了糧食產量,卻也無意間造成了大量的溫室氣體排放,其原因除了製造氨需要熱能外,未被農作物吸收的氨素會流入地下水和河水造成水汙染,或者以N2O的方式逸散。然而目前並沒有零碳的肥料替方品,也無法捕集因生產肥料所產生的溫室氣體,因此也無法估算其綠色溢價。

森林砍伐

以糧食作為生質能源來源或糧食的需求提升,會造成森林砍伐的問題,當樹木被連根拔起時會擾動土壤,使土壤內封存的碳以CO2的方式逸散至大氣中,1990年來亞馬遜雨林已萎縮10%為了開闢牧場、非洲毀林為了種糧與製造木炭,以及印尼毀林是為了種植棕櫚樹等。

在此有一個迷思:植木造林是否有助於捕集CO2?答案是有限的(或說成效不好),不同樹種間會有所差異,但一棵樹大約40年可以吸收4公噸的CO2,作者以此估算,在熱帶地區種植50英畝的森林才能抵銷一個美國人畢生的碳排。但這並不意味著森林不重要,因為森林除了固碳外,還扮演生態多樣性的重要角色

探討四:運輸,汽油是能源的評估標準(來源佔比16%)

汽油的產能與對應低廉的價格,是造成運輸能源評估時的一大難題,因此在運輸的估算上,汽油是一個黃金標準。交通產業的碳排成長都來自空中運輸、貨車,與海運。而大眾運輸上小汽車、休旅車與摩托車占了近5成;垃圾車、巴士與大型卡車佔了3成。作者建議,基於零碳電力的前提下,改以電動汽車是一個解方,而當油價高於每加侖3美分時,電動車將展現其競爭力,而其他生質燃料與電燃料也是研發方向。而在電動化巴士與計程車的推動上,中國是一楷模,其大量的電動化大眾運輸工具,其綠色溢價預估在10年內可歸零。一般民眾可以減少交通量(改以腳踏車、步行、共乘)以及使用電動車(前提是國家是零碳電力)為目標;而研發人員可專精於汽車製程的碳密集材料改良、提升燃料效能;而政府則應著手以法規鼓勵電動車的補助、建立健全的電網與充電站,並改良為零碳電力來源。

探討五:節溫,暖爐與熱水器佔全世界建築碳排1/3(來源佔比7%)

在美國家庭中,空調是最耗電的設備,其中暖爐與熱水器是最耗能的設備,共佔全世界建築碳排的1/3,且多仰賴如天然氣、燃油、丙烷等化石燃料。對於研發人員,可以著手於電氣化的改良,並使用清潔燃料與熱泵來降低綠色溢價。而諸如綠建築與智能窗戶也是能達到一定節溫的效果。

面對全球暖化與零碳行動策略

基於氣候異常可能導致的生命財產損失,應著手於五個關鍵領域:建立早期預警系統、建力抗氣候災難的基礎設施、提高作物產量、管理水資源,以及保護紅樹林。作者估計,2020~2030年若能投入1.8億美元,可帶來超過7兆美元的收益,投資報酬率4倍

在政府方面,應朝向電氣化的推動、能源安全的建設,以及零碳能源轉型的經濟。尤其在企業零碳的初期投資會是一大門檻,政府應該給予投資,甚至研發示範如何確立零碳的獲利模式,此後企業就會紛紛接手;此外,政府應該要了解碳稅與吳碳替代品的交易制度;最後政府應該透過決策能力,將技術、政策與市場往同一方向推進,諸如中國的風力發電的成本幾乎與傳統能源的電力一樣便宜了,而丹麥也以研發資金、躉購費率、碳稅以促進風電發展減少石油進口。

心得與觀點

基於本書,我對作者給予極大的肯定與讚賞,作者逐一的分析碳來源後,針對每一項來源進行針對性的研發與投資,找出衡量的綠色溢價評估。這本書確實條理清晰,是一本很優秀的能源與環境變遷的科普書籍。我整理幾個重點:

一般民眾可以怎麼做?

  1. 督促政府擬定零碳的政策
  2. 減少肉食的量,但這不意味著要逼人吃素,更重要的是避免浪費食物
  3. 基於零碳電力前提下使用電動車
  4. 減少交通量
  5. 使用碳足跡低且環保的商品

企業與研發人員可以怎麼做?

  1. 改善製程中的碳密集材料與碳捕集裝置
  2. 改良各領域中的綠色替代方案(如電池效率、動物與作物的基因改良)
  3. 加入碳稅考量提升未來競爭力

政府可以怎麼做?

  1. 針對碳稅進行企業轉型研究
  2. 優先採用低碳標案的解決方案與實質補助
  3. 使清潔能源變得穩定且便宜,改善全國電網模式找到每個地區最適宜的能源比例,間歇能源要與穩定基載電力作為搭配
  4. 進行零碳的研發與企業營運獲利模式,投資幫助企業度過零碳轉型初期的不穩定性
  5. 基於零碳能源前提下,鼓勵商品與運輸電氣化
  6. 以綠色溢價評估各領域的溫氣氣體來源與其可能的解決方案
  7. 保護森林,儘管森林在碳捕集的程度不高,但森林本身已有大量的固碳,並且有助於生態系的維護與水資源的穩定,可有助於減少未來氣候變遷對人民的衝擊

其實在讀這本書時,我一直在反思台灣現今狀況與其差異幾近背道而馳從水資源管理、碳稅、電力配比都是如此。尤其電力來源受限於對核能的恐懼而不斷提高火力發電和不穩定的再生能源外,對碳稅與零碳的企業轉型毫無研究與作為,讓人失望。先不論是否對中國有所偏見,我們仍應見賢思齊,中國除了5G科技外,其零碳解決方案與再生能源的專利也佔了全世界大宗,書中也一再提及中國在風電、光電、核能等零碳電力上的努力是有極大的成果的。氣候變遷的衝擊與改善是一門科學,而不是口號,政府當局應該接納各界專業科學人員的意見,用數字去分析問題,而非流於無謂的恐懼和一意孤行,老實說,台灣目前的處境讓我感覺就是不尊重專業,政治凌駕專業。最終我還是希望台灣能變好,當政府無所作為時,民眾就應該提升自身水準來監督政府,也希望當局者應該要有所覺悟提前修正軌道。

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分類 書籍
自然科學 如何避免氣候災難(2021).給未來總統的能源課(2014)
商業理財 我們為何工作(2015).每天最重要的兩小時(2015).一不小心就賣光光(2015).我搬走了你的乳酪(2012).誰搬走了我的乳酪(2011)
文學小說 魯冰花(2004).亞細亞的孤兒(1993)
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如何避免氣候災難
簡介
《如何避免氣候災難》是比爾蓋茲在2021年針對能源議題所撰寫的科普書籍,不僅系統性的介紹相關能源議題,最重要的是提出了許多未來可能的解決方案,其目的在於實現零碳策略。
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