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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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黑暗中的十億人

Kevin Bullis

在馬來西亞婆羅洲一個外海島嶼,Tanjung Batu Laut村彷彿就生長在紅樹林沼澤當中。房子架在插入水中的杆子上,用舊夾板、波紋鐵板以及生銹的細鐵絲網圍欄搭建而成。但是走進內陸,到達一片開闊空間,地面被排列在新金屬架上的幾百片太陽能板所覆蓋。厚重的電纜從太陽能板傳輸電力到一棟有新門窗的堅固房子。走進屋內,清涼乾燥的空氣取代了屋外濃重的濕氣。日光燈照亮一排裝著閃爍燈號和電腦螢幕的鐵櫃。

這一棟完工兩年的建築物,是一座提供近200名村民使用的小型發電設備控制中心。電腦控制從太陽能板和柴油發電機傳送的電力,儲存部份電力到大型鉛酸電池,輸送其餘電力來滿足當地日益成長的用電需求。在這座小電廠竣工以前,雖然有幾戶人家有小型的柴油發電機,但是村子並沒有可靠的電力。現在所有居民一天24小時都有幾近無限的電力可用。

村內許多鐵皮屋頂裝有很礙眼的電視衛星天線。有些住家屋頂鬆垮,並以牆上的破洞當窗戶,但卻有平面電視、吊扇、電熨斗和電鍋等耗電的電器,還有電冰箱這類整天都會用電的家電。今年夏天的某個週六下午,島上的孩子們帶著從小店老闆娘巴瓦爾(Tenggiri Bawal)那裡買來的冰涼西瓜切片到處跑,高架木板步道連通數間房子,巴瓦爾的小店遠在木板步道最不牢靠的一端。三天前,她收到一台訂購的冰箱,現在她把西瓜、汽水和其它東西放在裡面。當孩子們聚集在她店外面的時候,她笑了,並且用她有限的英語說:「生意不錯。」

全世界有15億人口缺電,他們大多數在鄉村定居。以印度為例,2億6,800萬鄉村居民缺電,但城市居民只有2,100萬人缺電。國際能源總署表示,裝設在Batu Laut村的電廠類型稱為混合型微電網,對許多缺電居民而言,它是不可或缺的供電來源。因為遙遠社區要連接到大型中央發電廠提供的傳統電力網很昂貴,也至少需要10年來進行建設。對某些個案,地理和經濟因素根本不容許連接電力網。混合型微電網可以很聰明地結合多種當地電源,提供可靠電力,比延伸電力網到缺電民眾住處,建置成本較低、速度更快。

在Batu Laut村設計微電網的澳洲最佳電力方案公司(Optimal Power Solutions),今年將在東南亞和印度增加兩倍裝機量。其它幾家公司,包含工業巨人奇異(GE)、艾波比(ABB)都在開發和銷售類似的技術。微電網開始吸引一些公司在開發中國家銷售電話,當地許多窮人從來沒有實體的電話線,所以直接使用行動電話。例如在Batu Laut村,兩具被棄置的投幣式電話驗證了這個現象。有些分析家說,混合式微電網可以讓鄉村以同樣方式跳過傳統電力網。

實際的狀況要複雜得多。某些早期建置的微電網,已經發生爭議,它們所提供的電力比城市的中央電網來得貴──有的時候要貴上十倍。如果要提供可靠的電力給數億的民眾,操作和維護微電網的系統需要大幅改善。

加州柏克萊大學能源教授,同時也是聯合國「人人享有永續能源」(Sustainable Energy for All)計劃顧問卡門(Daniel Kammen)說:「國際能源總署和其它團體預測,未來20年,仍然有15億人口沒電可用。微電網提供一個機會,讓我們考慮一個新模式,為電網以外的社區引進能源服務。問題是,它會僅只是一個有趣的發展呢?或是會成為主流經濟的一部份?」

電力短缺

電力對經濟和社會的發展是再重要不過了。電風扇讓教室更適合學習,學生因為有燈光可以在晚上讀書寫作業。冰箱可以讓食物和疫苗保鮮。從拓展一般的商業活動開始,穩定的供電將可以加速經濟的發展,巴瓦爾的店鋪就是一個好例子。當民眾從這些生意賺錢時,他們就有錢買更多的電,做更大的案子,累積更多的財富──以上是經濟學家在一個接一個國家記錄到的模式。長期而言,公司有了充足、可靠、負擔得起的電力,就有可能發展出健全的製造業,擁有像晶元製造和汽車工廠等的設備。爲了達成聯合國永續發展的目標,秘書長潘基文(Ban Ki-Moon)說過:「能源為最重要的工具,這是顯而易見的事。」

傳輸能源需要傳統電網以外的技術,國際能源總署估計,因為遠離電網或是地理上的阻隔,今天超過三分之二的缺電鄉村居民需要分散式的能源供給。這個供電系統可以是微電網,也可以是個別家庭的獨立電力系統。雖然混合式微電網是一個大有可為的解決方案,但是它還屬於一項技術,仍有許多不確定性。此外,建設這些系統需要大筆的投資。馬來西亞能夠負擔這樣的投資,所以並不意外地成為大型、最先進微電網的先鋒。過去數十年,馬來西亞的經濟有讓人驚艷的成長,部份是因為石油和天然氣所帶來的財富。該國有部份偏遠島嶼和大片山地森林,包含地球上最難以進入的地形,讓延伸傳統電網經常變得不可行。

從吉隆坡附近一大片政府辦公區一棟高樓的23樓,馬來西亞鄉村電氣化專案主管巴芭(Ramadan Baba)說:「某些馬來西亞內陸地區沒有辦法連上電網──這些地區沒有聯外道路,所以為微電網是唯一的解決方案。」 馬來西亞政府計算過,如果將一群離最近電力線130公里的村莊連上電網,需要花2億5,000萬馬幣,或是8,000萬美元。「對只是將一個800名居民的村莊電氣化,這是一筆巨額投資。」巴芭說:「一個微電網只需要花9,200萬馬幣(3,000萬美元),它能提供全天24小時的可靠電力。」

巴芭指出,馬來西亞政府在年底前,將可能達成為95%婆羅洲居民供電的目標(兩年前該專案開始的時候,那裡25%的居民無電可用)。到目前為止,微電網技術成功吸引政府增加籌碼,爲了推展電力到更難到達的地區,同時將馬來西亞婆羅洲電氣化程度提高到99%,政府計劃在2015年以前,增加微電網的設置。

現在,不像馬來西亞那麼富足的鄰國印尼,及東南亞其它的國家也開始使用這些系統。印度也建構了實驗性的微電網,同時政府也在考慮,這項技術如何更廣泛地在普及鄉村,並且幫忙強化市區不可靠的電網。最貧窮的國家,譬如孟加拉,人口中有60%無電可用,目前貧窮國家的政府以及外界投資人對小型電力來源更感興趣,譬如太陽能路燈和手機充電器,或者是在個別家庭裝設太陽能板。在非洲國家中,如人口84%無電可用的肯亞也有同樣的想法。但是太陽能路燈無法提供許多微電網擁有的好處。國際能源總署用下了一個用詞謹慎的結論:「微電網是鄉村地區很有競爭力的一個解決方案,能夠容許未來需求的成長。」

但是,如果在馬來西亞的經驗具有代表性,微電網系統的推出可能很慢,而且缺乏效率,部份原因是政府和電力公司對新技術會有疑慮。在Batu Laut村,儘管微電網所設計的尖峰負載只有200千瓦,但是政府卻要求最佳電力方案公司(OPS)裝設一套容量為600千瓦的備用柴油發動機,因為政府官員不確定微電網能按照公司所宣傳的方式運作。類似的故事也在印度發生。印度政府規劃委員會顧問谷蒲塔(Himanshu Gupta)說:「微電網依然是一個新觀念,而官僚對這項技術一點也不瞭解。」

發黴的太陽能板

Kalabakan村位於婆羅洲東北偏僻的一角,離一個深邃、懸崖環繞的盆地不遠。這個盆地直到1950年代才為外人發現。村子直到幾年前才有鋪設路面的道路,居民勉強靠晚上幾個小時的供電生活。馬來西亞政府三年前在那裡投資了一座微電網,電力需求一飛沖天;新客戶包括兩家為伐木業服務的鋸木廠。但是不像在Batu Laut村稍微新一點的微電網,Kalabakan村的微電網已經回歸叢林。

最佳電力方案公司資深經理陸其曼(Ritesh Lutchman)開車進入微電網發電廠的場地,他說,「這個地方正在崩潰中。」柏油路雖然鋪好只有幾年,但是路面隆起並且有深的凹洞,是馬來西亞軟質泥土和大雨的受害者。太陽能板上面覆蓋了一層薄黴,電力產出因而降低。熱帶森林長得和一組太陽能板陣列一般高;有一個地方的樹林已經高到遮蔽了陽光。一位當地電廠工人找不到控制室的鑰匙,必須用螺絲起子來撬開鎖。因為一個自動散熱風扇壞了,控制室內氣溫飆高。陸其曼懷疑高溫可能損壞昂貴的設備,縮短電力系統的使用年限。

更糟糕的是,有一半微電網無法得到電力。因為幾台柴油發電機的輸出不同步,同一時間只有一部發電機可以運轉,一部發電機無法產生足夠的電力供應兩組配電網路。陸其曼沒有預料到這場騷動,起因是幾天前,當地工人拔掉最佳電力方案公司唯一能聯繫微電網的數據集線器,用集線器上網狂飆,一直等到最佳電力方案公司收到一份高額賬單時,陸其曼才恍然大悟是怎麼回事。

Kalabakan村的騷動反映了一個更深層的問題:沒有一個實際可行的模式來經營和維護微電網。政府為系統買單;例如由最佳電力方案公司等外商設計建置系統,在兩年的保固期內,保持電網的正常運作;然後,在馬來西亞的狀況,外商將控制權交給當地電力公司,接著就發生Kalabakan村的狀況。雖然最佳電力方案公司繼續監視所裝設的微電網,但是兩年之後,就無人支付維修費用了。電力公司並沒有為微電網做好準備,陸其曼表示:「有時候,電力公司會找來懂發電機的人,但是他並不瞭解發電機如何連接到系統其它部份。」目前部份的停電,肇因是一具發動電機離線進行定期整修後,重新連線時的電壓輸出,沒有調到微電網自動控制系統的規範內。陸其曼說,簡單的一個調整就可以解決問題,但這就是電力公司工人所不瞭解的。電力公司甚至沒有要求接管微電網,陸其曼說,「但是時間一到,即使沒有做任何維護工作所需的訓練,微電網便交給電力公司。」

世界銀行最近發表一篇報告,對一些挑戰提出警告。世界銀行所屬的國際金融公司(International Finance Corportaion)資深作業長巴多樂(Pepukaye Bardouille)說,她的集團對微電網感到很興奮,但是他們也得把現實納入考慮,巴多樂進一步解釋:「事實上,一些單以技術或純粹成本考量的範例,被當作解決方案來兜售。然而,技術的交付和維護是解決方案重要的一部份,這一部份沒有處理好,就不能長長久久。」

巴芭說,馬來西亞政府正在籌畫一個投資和維護微電網的新模式。設計和建置這項技術的公司可以獲得執照進行營運,對生產的電力享有保證價格;只要能控制成本,在合約期限內維持電網供電,公司就能獲利。

今年夏天,最佳電力方案公司位在馬來西亞吉隆坡的總部,工程師們正忙著接電話、和政府官員會談,做最好的時間計算。重點議題是估算微電網每千瓦小時供電的成本,這對訂定支付最佳電力方案公司和其它公司的價格至關緊要。訂得太高,犧牲馬來西亞政府,最佳電力方案公司獲得暴利;訂得太低,公司會陷入賠錢營運的泥沼。

電池問題

在技術面上,微電網面臨一個逐漸浮現的問題。太陽能板和柴油發動機可以使用好幾十年,但是搭配的電池發生故障的時間會快得多。世界銀行「照亮非洲」專案(Lighting Africa Program)負責人,麻省理工學院訓練的工程師史迪爾(Katherine Steel)說:「建置一個微電網,你通常需要一套能源儲存系統,以今天的技術,三年、五年或是七年就必須更換。這是一筆很大的資本支出。」如果電池更換成本沒有包含在預算之內,那微電網的有效壽命就僅限於幾年了。

依據最佳電力方案公司估算,鉛酸電池使得微電網成本相對提高,原因不只是電池需要經常更換,還因為鉛酸電池造價高昂,所以微電網的設計師多半倚重柴油發電機在夜晚供電。爲了全天候供電,使用柴油發電機要比用足夠的太陽能板和電池便宜。爲了克服這個問題,最佳電力方案公司正在測試由艾奇翁公司(Aquion)開發的電池。艾奇翁公司位於匹茲堡,是由卡內基梅隆大學(Carnegie Mellon University)分離出來的公司。該公司的電池可以消除微電網所需的柴油發電機,降低二氧化碳排放,也大幅降低作業成本。

發明艾奇翁電池技術的卡內基梅隆大學教授懷德克(Jay Whitacre)說:「微電網依然需要使用相當數量的柴油,下一步要發展到備有柴油發電機,但是幾乎不需要啟動,我們的電池就足以供電。」艾奇翁公司的電池運作的方式和電動車使用的長效鋰電池相似,鋰電池比鉛酸電池又昂貴得多,但是艾奇翁公司的電池使用便宜很多的材料,也更容易製造,和微電網廣泛使用持久性較差的電池相比,成本有競爭性。「我們電池的首購成本和高品質的鉛酸電池相當。」懷德克指出:「但是鉛酸電池需要保持冷卻,經過幾千個週期就需要換掉。我們的電池可以使用的時間更長──長二到三倍。」

減少柴油消耗可以省很多錢。Batu Laut 村微電網的設計使用大量的柴油發電,但是用較便宜電池的系統設計,只需要在緊急和長時間壞天氣的狀況下啟用發動機。減少電池成本和柴油消耗,可以將每千瓦小時1美元的成本降低到40美分。

即使如此,微電網的電價還是高過傳統電網。馬來西亞政府補貼微電網電力,所以村民支付相當於城市的電價。但是政府無法永遠這樣做,部份是因為村民每多使用1千瓦小時的電,補貼的成本就會增加一點。在較貧窮的國家中,如印度,微電網的高昂成本,可能是廣泛建置時比較大的障礙。

「微電網要像手機一樣成為跳蛙技術,它們就必須以更低廉的成本,提供相同或者更好的服務。」史迪爾說:「我認為現在還處於過度期,我不認為短期內能達成這樣的目標。」

一個更可行的方法,是微電網和傳統電網彼此互補。隨著傳統電網從城市拓展,道路改善使社區不再那麼遙遠,延伸電網到這些社區將符合經濟效益。有微電網設置的地方,最終將融入較大的電網。在尖峰時刻,電力公司能夠引用儲存在微電網電池的電力,或是使用發電機來增強電力。如果混合式電網被採納,會讓現存的電網更有彈性。隨著電池成本下降,對傳統電網供電不穩定的城市,微電網成為一個更有吸引力的選項;它們確保工廠和其他使用者能有一個可靠的電力來源。

這種大型基礎建設需要花數年時間和大筆投資。在此同時,微電網已經對一群人的生活產生影響。在Baku Laut村,微電網系統繼續小聲嗡嗡地運作,村民對電力如何運用持續有新的想法。一位婦人取得一部刺繡機,希望能出售訂做的制服。村子開發委員會的領導正在遊說政府提供補助金,來建一座使用微電網電力的食品加工廠。現在村子有了可靠的電力,當地學校的老師也陸續從馬來西亞本島的城市搬到島上定居。村莊步向繁榮的願景,漸漸有了清晰的輪廓。

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