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工業技術研究院

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工業技術與資訊月刊

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祈求能源奇蹟

文/大衛‧羅特曼 (David Rotman) 譯/羅耀宗

這一陣子,靠清淨技術起家的每一家新創公司,都宣稱它們擁有某種突破性技術,總有一天會使可再生能源和清淨能源便宜到足以和化石燃料競爭。但是清淨能源經濟時代真的即將來臨嗎?


這一家公司掌握的突破性技術,外人絕對無法親眼目睹。這項技術的發展,是在寬廣的一樓建築,閒人止步的地方悄悄進行,隱藏在機械工場、各種測試和加工儀器,放眼望去有很多小隔間的開放式大辦公室之外。訪客看得到的,只是一塊薄薄的矽晶圓,而這是太陽能發電業界人士再熟悉不過的東西。重點來了,這家公司的成就,正是降低傳統太陽能電池的生產成本。

會議室掛著一張很大的走勢圖,畫出三十年來太陽能板生產的電力成本節節下降的情形。略為呈現鋸齒狀的下降曲線 ,正接近一個寬廣的水平帶,上面標示著「市電平價」(grid parity)──也就是太陽能發電的成本,和化石燃料產生的電力一樣便宜,這是可再生能源發電企盼達到的境界。1366科技公司(1366 Technologies)相信,它在生產技術方面的改良,有助於太陽能發電達到這個終點。

這是野心很大的目標:就算矽基光電池(silicon-based photovoltaic cells)將陽光直接轉換成電力,多年來價格節節下降,卻還是過於昂貴,無法和化石燃料一競高下。因此,太陽能發電占美國發電量的百分率遠低於1%。1366的創辦人薩克斯(Emanuel Sachs)擔任公司的技術長,也在麻省理工學院(MIT)當機械工程教授。他說,即使現在太陽能也許「逼近」天然氣,目前的太陽能技術還是無法和煤競爭。「要取代煤,需要將成本再降一層,」薩克斯說。1366的突破,就是在這方面。這家公司正在發展薄矽板生產方法,不必花大錢,辛辛苦苦去切割矽塊。「太陽能發電要和煤競爭,唯一的方法就是使用像我們這樣的技術,」他說。

一旦太陽能發電可以在價格上和煤競爭,「世界會改變很多,」這家公司的執行長范米爾洛(Frank van Mierlo)說。「太陽會是能源供給中舉足輕重的一部分,我們不久就能從陽光產生很大的一部分能源。」

1366這個數字,是指太陽能一年照射一平方公尺土地的平均太陽能瓦數。1366科技公司取這樣的名稱,很能看出一整個世代的能源新創公司所懷抱的野心。這些公司經常表示,「開創新局」的技術就要改寫非化石燃料能源的經濟效益。十年來,在一波「清淨技術」的創業投資資金募集熱潮中,許多公司紛紛冒出頭來──不只在太陽能這塊領域,風力、生質燃料和電池等方面也有許多新公司誕生。美國總統歐巴馬上任之後,聯邦政府的能源研究補助金額增加,許多公司因此受惠。雖然這些公司研發的技術各不相同,卻都採取相同的商業策略:不必靠政府的補貼,就能生產夠便宜的清淨能源,和化石燃料互別苗頭。做到這件事,接著資本主義就會高速運作,投資人也會搶著興建新的能源基礎設施和替代化石燃料──他們的說法大致都是如此。

但問題是,要大規模部署運用更便宜、更清淨的能源,可能不是只靠幾項突破就能一步登天。雖然幾乎沒人質疑發展新能源技術有其價值,但要擴增它們的規模,卻相當困難且昂貴,許多政策專家因此表示,單靠這些進步,而政府沒有持續提供補貼和其他的誘因,對我們的能源組合將產生不了什麼影響。儘管技術有所進步,這些專家依然懷疑可再生能源就要接近市電平價,或者電瓶就要讓電動車在價格和行駛里程方面,和使用液化石油氣做為動力來源的汽車相互競爭。

就可再生能源來說,這要看你如何定義市電平價,以及是否將太陽能和風力等間歇性電力來源所需要的儲存和備援電力系統的成本算進來。加州大學聖地牙哥分校的國際法律與管理實驗室主任維克多(David Victor)說,如果你將市電平價定義為「可以在任何時間滿足你所需求的電量」,那麼今天的新可再生能源甚至還沒有接近這樣的地步。他補充說,新的能源技術規模能夠擴增到足以減低二氧化碳的排放量,「這樣的定義才有意義」。

鏡場

談到科技改變世界的力量,很少人像葛洛斯(Bill Gross)那麼有信心,而且極少創業家像他那樣熟悉將聰明的創意化為商業技術的困難。他和他創辦的公司創意實驗室(Idealab),在達康公司的時代,設立了炙手可熱的幾家公司,可惜遇上泡沫破裂,都落入掙扎求生的下場。創意實驗室是個創意育成所,業務是創設和經營新事業。

葛洛斯曾經搶搭清淨技術的熱潮,2007年創立eSolar公司,研發太陽熱能技術。這一陣子,網路、社會運算和能源計畫,交纏在創意實驗室塞得像沙丁魚罐頭般的辦公室。創意實驗室設在加州的帕薩迪納(Pasadena),仍然維持著達康公司時代的傳統,占用像頂樓那樣的大空間,裡面有各式各樣的公司,或者希望有朝一日能成為公司,其中有些只由幾張辦公桌拼成,上面擺滿大型電腦螢幕。葛洛斯工作的小隔間用玻璃隔開,就擠在一堆磨損的金屬設備、裸露在外的通風系統、活動式照明、設計師桌椅之間。

葛洛斯和可再生能源新創公司的其他幾乎每一位創辦人一樣,直接切入數字講話。他拉過來一台螢幕,比較各種來源的能源成本,說明eSolar開發的技術可以如何降低太陽熱能的發電成本,幫助它和化石燃料競爭。太陽熱能發電廠發電的方式,是在一塊很大的土地上安裝鏡片,將陽光聚焦於一座中央高塔,將水加熱,產生蒸汽以發電。利用這種技術的大型發電廠,生產的電力比使用矽太陽能板的發電廠便宜,但是太陽熱能發電仍然比火力發電,或甚至風力發電要貴。像這樣的發電廠,世界各地已有數座正在運轉,將來可望興建更多。2006年,加州巨型公用事業公司PG&E出價收購一座300百萬瓦的太陽熱能發電廠(正由BrightSource公司興建中),葛洛斯因此大感振奮,開始和員工一起努力改善它的經濟效益。

葛洛斯的解決方案是以軟體為基礎,這一點不叫人驚訝。大型太陽熱能發電廠的興建成本超過十億美元。成本這麼高的一個原因,是必須將數以萬計的特製鏡片排列得十分精準,將陽光正確聚焦。但如果使用普通的鏡片,放在簡單的金屬架上,然後用軟體去校準它們,調整每一面鏡片相對於太陽和中央塔的最佳位置,那會如何?這將需要動用數量龐大的運算力量,才能操控公用事業公司等級的發電廠使用的所有鏡片,但是運算能力十分便宜──遠比花錢請工程師和技術人員辛辛苦苦靠雙手調整鏡片的位置要便宜。葛洛斯表示,這種方法可望省下的支出十分可觀;他說,eSolar建置的鏡場成本是其他太陽熱能設施的一半。因此他預期每千瓦-小時(kilowatt-hour)的電力生產成本約為11美分,非常接近化石燃料發電廠的電力價格。

不過這還不夠好──至少在美國,天然氣發電廠每千瓦-小時的發電成本只要6美分左右。eSolar在莫哈維沙漠(Mojave Desert)邊的加州蘭卡斯特(Lancaster)建了一座發電設施,裝置二萬四千面鏡片,能夠生產5百萬瓦的電力。但是eSolar到目前為止,沒有接到任何訂單,請它根據該公司的技術,在美國興建公用事業公司等級的新電廠。它目前是在世界上電力價格比較高,或者可再生能源補貼比較多的地方經營業務。例如它正在印度興建一座2.5百萬瓦的發電廠,也簽署一紙協議,準備在中國興建大型發電設施。eSolar在美國所面臨的問題,和所有的替代能源美夢所面臨的問題相同:成本。天然氣價格已經跌到歷史性新低,太陽熱能必須更便宜才能和它競爭。葛洛斯承認,eSolar如果想在美國有發揮的機會,每千瓦-小時的電力成本不能超過7.5美分。

要做到這一點,技術需要再進步。太陽能發電的一個缺點,是一天當中只有一部分能夠發電。太陽在正上方的五個半小時左右的時間內,太陽能電池板能以很高的效率產生電力。太陽熱能系統的運轉時間稍長一點,因為加過熱的水可以在下午稍後用來驅動渦輪機;eSolar的技術在沒有儲存的情況下,每天生產電力的時間約為七個小時。葛洛斯說,用熔盬代替水,將中央塔的熱傳送到蒸汽產生器,可以使太陽熱能發電設施儲存熱氣的時間大幅拉長,一天發電的時間因此增加到十六個小時。這會將它的電力成本壓低到每千瓦-小時7.5美分的目標水準。葛洛斯預測,eSolar明年將有一座採用熔鹽設計的商業化發電廠運轉。

就算新的能源技術達不到經常變動的目標,葛洛斯也似乎不以為意。他說,eSolar的技術最後不需要補貼,也能和天然氣競爭,而且天空有多高,它的希望就有多高。「太陽是地球上很大一塊地方的完美選擇,」他興高采烈地指著一張世界地圖,中間有一大塊用紅色和深橘色標示的地方說。這塊地方,日照水準高。葛洛斯信心滿滿地說,就算在美國,到2050年,太陽能發電會占全部發電量的一半──其中至少50%是太陽熱能發電廠生產的。

「沒有蟲」

就在葛洛斯錙銖必較,想把太陽能發電成本降低至為關鍵的幾分錢之際,同一條路幾哩外的加州理工學院(Caltech),研究人員正在埋首發展不同的解決方案。他們根據綠色植物將陽光轉換成糖的方式,試圖研創從根本上全新的方法,直接從陽光製造液態燃料。如果他們追尋「人工光合作用」的努力成功,將解決太陽能最根本的挑戰之一:如何儲存動力,直到需要的時候才取用。這種願景的潛力,似乎令這項計畫的主持人路易斯(Nate Lewis)充滿生氣,講起話來有時極為簡短,夾雜著興奮和何必多此一問的語氣。「沒有蟲,沒有線,」他說。「沒有蟲,沒有線。我是說真的:樹葉沒有電線。陽光、水和二氧化碳進來,燃料就出去。」

由加州理工學院和勞倫斯柏克萊國家實驗室(Lawrence Berkeley National Lab)共同進行的這項研究計畫,五年內將獲得美國能源部1億2,200萬美元的資助,現在就等國會撥款。「我們有了一些零碎的片段。以光電化學的方式,從陽光製造燃料是行得通的,」在加州理工學院當化學教授的路易斯說。但是實用的裝置必須便宜、效率高和穩健。「現在我可以同時給你這三樣東西裡面的任何兩樣,」他說。「我們的目標是三樣都有。」達成這個目標的障礙,在於基本的科學問題,例如研究人員需要找到成本效益高的催化劑,促進水分解成氧和氫的化學反應。

經過一百年的研究,「你可以倚賴一些複合物作為水氧化的良好催化劑,」路易斯說。但我們「沒有另外一百年的時間」,去尋找更好的複合物。他領導的中心運用高通量(high-throughput)實驗方法和研發藥品使用日多的自動化技術,每天篩選一百萬種複合物的催化活性。「我們一天之內將評估、發現和量化的催化劑活性數量,多於整個歷史上全部紀錄的總和,」他說。

在此同時,有一支系統設計師和硬體專家團隊將開始設計和製造原型裝置。「他們的工作,是從第一天起就製造出原型,」路易斯說。「我們可望在兩三年內擁有(原型)。」第一批原型「幾乎肯定百分之百失敗,」他說,但它們是做出實用系統的唯一方法:「我們不曉得它看起來應該是什麼樣子。水要從哪裡來?陽光從哪裡進去?如果不把東西做出來,就什麼事情也辦不了。」

常常有人把尋找更便宜和更清淨的能源這項挑戰,和將人類送上月球的競賽相提並論。但是兩者至少有一個十分重要的不同點:將人類送進太空,成敗不是以成本來論斷。不管路易斯的技術有多麼聰明,除非它能成為永續事業的基礎,否則解決不了問題。「我們不是負責奔月任務的美國國家航空太空總署(NASA),」路易斯說。「如果不能在成本上競爭,根本不值得去做。」而且,他補充說,由於油價不斷波動,你必須在成本上「擁有看起來真的具有破壞力的東西,單單只是成本很接近,對任何人都沒有什麼好處」。

嚴峻的世界

過去十年,美國許多能源專家和經濟學家表示,政府必須訂定二氧化碳的排放價格。他們說,不管是以課稅的形式,還是實施總量管制與交易系統(cap-and-trade system)的方式訂定碳價,都將是降低化石燃料用量,在經濟上具有效率,技術上也公平的方式。這將推高從這些燃料獲得能源的成本,允許更清淨的技術在市場上挑戰它們,卻不需要政府支持特定的選擇。歐洲聯盟(European Union)2005年實施總量管制與交易系統,美國卻沒有這麼做。直到最近,美國是世界上最大的能源使用國,而且仍將是能源創新的重鎮。

能源政策專家因此正在辯論如何往前邁開步子──尤其是在2009年的聯邦經濟刺激法案提供的清淨能源補貼和其他的給付縮水之後。有人認為有機會盡全力開創新的方式,使清淨能源比化石燃料更便宜。他們表示,這種創新是大規模降低化石燃料用量的唯一方法。微軟創辦人比爾‧蓋茲(Bill Gates)這位投資人,衷心希望刺激這種「奇蹟」發生。

不過,批評這種觀點的人相信,透過政府的補貼和其他的誘因,集中全力盡快增加使用清淨能源技術,是更為重要的做法。華盛頓智庫美國進步中心(Center for American Progress)的資深研究員羅姆(Joseph Romm)說,相信「所有這些驚人的技術會現身並且解決問題」是很危險的想法。他表示,事實上,突破「不常發生。」

其實大部分的技術是在商業化和使用之後,才變得更好和更便宜,留在實驗室無法辦到這些事情。這表示我們需要一方面研究新的能源技術,另一方面制定政策,支持這些技術的部署、利用和改良,這些努力之間關係密切。「不開始部署,你不知道挑戰在哪裡,」羅姆說。「有那麼多出色的構想在實驗室中誕生,卻無法進軍市場取得成功;在部署運用和研究發展之間反覆運作,才能迅速創新。」

麻州水城(Watertown)生產電池的公司A123,是近來經營最成功的能源新創公司之一。A123生產的鋰離子電池,設計得比傳統的電池安全,也更持久,2009年股票公開上市。這家公司經營成功的祕密,在於利用奈米級的複合材料製造電極。叫人驚訝的是,這家公司從實驗室測試技術到商業化生產,前後不到三年的時間。各家汽車製造商急於推出電動車,鋰離子電池的需求十分殷切,加上政府補助2億5,000萬美元,協助A123興建製造設施,對它的業務增長大有助益。

 但是三年前,就在A123還在研究產品商業化的階段,共同創辦人暨麻省理工學院的材料科學家蔣業明(Yet-Ming Chiang),就開始尋求下一個突破。他起初是在A123,稍後則與麻省理工學院、羅傑斯大學(Rutgers University)的同事共同研究,著手研發一種可望遠比目前的鋰電池便宜和容易製造的技術。他希望製造出來的電池,能讓電動車充一次電跑得更遠,也提供實用的方法,在電力網儲存電力。他端出的解決方案是:全新的電池,同樣是用奈米材料做成。

A123去年將技術移轉出去,成立24M公司,以測試相關的技術,可能的話還要將技術商業化。這家公司希望達成能源部的目標,也就是研發出來的電動車電池,能以每千瓦-小時約250美元的價格供應能源,低於今天約500到600美元的標準。結果將使全電動車的電池成本減半。蔣業明說,這將「有助於電動車的普遍採用。」

即使蔣業明最新的電池證實並不可行,它的研發和24M的創立,說明了能源技術商業化的效益從哪裡來,以及創新的來回反覆特質。A123的電池有助於建立一個市場,讓更新的進步在那裡彼此競爭,同時釐清第一代技術的極限。少了聯邦政府的支持,這些都不會發生。政府的政策「至關緊要,」蔣業明說,不管是在新電瓶的研究上,還是擴增現有的成果,都是如此。

雖然有些替代能源技術最後也許能夠達到市電平價,但是少了補貼,極少技術能夠存活下來,繼續努力改善成本和效率。然而即使有了補貼,包括財稅獎勵和現金補助,大部分的技術仍在絞盡腦汁,縮短和化石燃料之間的成本差距。正如加州理工學院的路易斯所說,單單成本接近還不夠好。如果我們只求能源「奇蹟」,誇大突破性技術的潛力,那麼需要政府實施政策,以改變能源使用偏好這件事就會被人遺忘,而這是相當危險的。「所有受人喜愛的能源技術──基本上是指所有的可再生能源和所有靠電力網充電的電動車──都依賴龐大的補貼,」加州大學聖地牙哥分校的維克多說。「對這些技術來說,資金緊俏的世界會是什麼樣子,沒人知道。」

清淨能源的各種選項仍然有很長的路要走,尤其是談到儲存電力、降低可再生能源的成本,以及改善電瓶的性能和成本,1366和eSolar等公司正在處理這些挑戰。但是單單依賴突破性技術來解決,是不切實際的想法,這些進步需要各界協同努力,部署運用新的能源,在更大的情境中推展才行。所以各國政府必須採取一些策略,不只支持研究,也支持測試、興建和商業化。

實際發展能源替代選項會遠比開創新選項更為昂貴,有時甚至更加困難。以今天世界各國的政治氣候和缺乏相互呼應的能源政策來看,也許真的只能期待奇蹟降臨。(作者羅特曼是Technology Review的編輯)

Copyright © 2011, David Rotman. All Rights Reserved.



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