再生能源將取代石油、電動車將讓油價再次崩跌?從技術觀點分析其可能性

作者 | 發布日期 2016 年 03 月 25 日 15:39 | 分類 太陽能 , 環境科學 , 能源科技 follow us in feedly

彭博(Bloomberg)於 2015 年 10 月報導稱,替代能源與節能科技發威,全球將步入電力富足年代;2016 年 2 月更進一步報導稱,電動車將造成下個石油崩跌危機,甚至指出石化燃料會愈來愈不重要、再生能源價格會持續下降、人類的能源不再是問題?但這些可能成真嗎?



原文中有許多樂觀的預測,包括:石化燃料生產成本低,原油價格將為每桶 50 美元而非 90 美元、10 年內太陽能的價格就能和石化燃料競爭、電動車將讓石油走上末路。最後的結論是:科技不斷創新,未來有望步入「電力富足年代」,電動車會造成下一次油價崩跌。

不過真會如此順利嗎?就現實的技術面來考量,可能未必。因為再生能源發展最大的困難在於成本太高、穩定度太低,目前都必須依靠政策補貼,否則難在市場中競爭,依照目前的技術發展現況,恐怕未來 10 年仍然難以改變,以下分別從技術觀點把目前市場上最被看好的幾種再生能源做簡單的介紹分析,並簡述其取代傳統能源的困難點。

 

太陽電池與模組:價格已經接近成本價,難有大幅下降空間

太陽電池是目前最成熟的再生能源,上中下游已經形成完整的產業鏈,其中單晶矽晶圓能量轉換效率較高,但是長單晶的成本也高;多晶矽薄片能量轉換效率有待提升,成本仍然不夠低;非晶矽薄膜能量轉換效率太低,許多廠商開發多年仍然沒有進展,甚至有的已經倒閉。

因此說「10 年之內,太陽能的價格就能和石化燃料競爭」恐怕是不可能的事,目前的太陽電池與模組價格已經接近成本價,再降就得虧錢賣,即使廠商願意流血殺價競爭,一個虧錢賣的產業能支持多久呢?未來太陽能價格的確有機會和石化燃料競爭,但原因不是太陽能價格下跌,而是石化燃料價格上漲。

 

生質能:成本過高,更會影響糧食供應

「生質能(Biomass energy)」是指利用生物所產生的有機物質,來轉換成可以利用的電能或熱能,目前主要是以動物或植物所提煉出來的油脂,經由轉脂化反應產生的「生質柴油(Biodiesel)」,麻瘋樹果實提煉的生質柴油是目前被業界認為最可行的方法之一。

此外,以植物(醣類)經由微生物發酵反應產生的「生質酒精(Bioethanol)」,玉米與甘蔗提煉的生質酒精是目前被業界認為最可行的方法之一,但是這些生質能的價格仍然遠高於石化燃料,而且一旦大量使用一定會影響到糧食供應,所以有人說:生質能是搶窮人的糧食做為富人的燃料(對生質能的原理有興趣的人可以參考這裡)。

 

鋰電池:成熟商品,但充電是個大問題

可移動的能源除了生質能,使用鋰電池是目前被認為最可行的方法,由於鋰電池的能量密度夠高,因此才有美國 Tesla 公司設計與製造的電動汽車與台灣 Gogoro 公司設計與製造的電動機車。

鋰電池如何充電是個大問題,因為電動汽車的電池重達 200 公斤,很難由使用者如 Gogoro 機車那樣自行更換充電,只能以定點充電的方式進行,即使目前的規格要求在 1 小時內完成充電,使用者是否能在加「電」站等 1 小時卻是個問題。

如果必須把車開回家在停車場充電,最大的問題是目前的電力基礎建設不足,假設大樓停車場有 100 個停車位,每個都設置插座,當 100 輛電動車同時充電時,大樓的變壓器無法承受如此巨大的電流,整個電力基礎建設,包括變壓器、變電所、高壓電塔都必須重新設計才能達成,聽起來就不是短期內可以做到的事,就更別說這些電還是來自發電廠,結局還是要用火力、核能、水力發電來提供電力的。

 

氫能與燃料電池:終極環保的再生能源?氫氣來源是個大問題

傳統電池直接使用化學反應產生能量,優點是能量轉換效率很高(80% 以上),但充電需要比較長的時間;而使用燃料以內燃機(汽車引擊)進行燃燒反應產生能量,優點是可以直接補充燃料,但使用內燃機的能量轉換效率很低(30% 以下),科學家開始思考,有沒有一種方法同時具有「電池」與「燃料」的優點呢?於是燃料電池就此誕生了。

燃料電池和傳統電池的原理相同,都是將活性物質的化學能轉換成電能,但是傳統電池的電極本身是活性物質,會參與化學反應;而燃料電池的電極本身只是儲存容器而已,並不會參與化學反應(觸媒只用來引發化學反應),必須將活性物質(氫氣或含氫原子的化合物)加入電池內(就好像我們的汽車補充燃料一樣),才能產生化學反應形成電能,是一種要補充燃料的電池,故稱為「燃料電池(Fuel cell)」。

燃料電池使用氫氣與氧氣反應產生水,反應後排放的氮化物或硫化物極少,幾乎沒有任何污染,因此被視為終極環保的再生能源,但是燃料電池必須使用氫氣做為燃料,卻成為最大的問題。

高壓儲氫技術如何把又大又重又危險的氫氣鋼瓶放在車上是個大問題;因此有國外公司開發出可以承受 700 大氣壓的航太複合材料儲氫瓶,能取代氫氣鋼瓶;Toyota 公司更在去年推出氫燃料電池車款 Mirai 創下單次加滿氫氣可行駛 500 公里的紀錄,已經是成功的商品了,那麼它的問題到底在那裡呢?

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▲ 複合材料儲氫瓶。(Source:autonews

下載自路透

▲ 氫燃料電池車款 Mirai。(Source:達志影像)

首先車上放了一個壓力這麼大的儲氫瓶是否安全是個問題,氫氣的來源則是更大的問題,大家都知道電解水可以產生氫氣與氧氣,問題是電解水產生氫氣的成本很高,而且這些電來自發電廠,結局還是要用火力、核能、水力發電來提供電力,為了降於成本目前工業上主要是將碳氫化合物(石油)以「蒸氣重組(Steam reforming)」的方式分解生產氫氣,搞了半天還是要以石油做為原料,這樣石油的價格怎麼可能「崩跌」?

此外,低壓儲氫技術的平衡壓力低於 10 大氣壓,安全性比高壓儲氫技術高,但必須使用貴重或稀有金屬(例如鑭鎳合金)做為儲氫合金,因此成本偏高。如果使用甲醇取代氫氣做為燃料的轉換效率很低,觸媒通常含有貴重或稀有金屬,所以價格偏高,依照目前燃料電池發展的情況,還是以高壓複合材料儲氫瓶的可行性最高(對燃料電池的原理有興趣的人可以參考這裡;對燃料電池的儲氫技術原理有興趣的人可以參考這裡)。

 

目前石化燃料低價在於市場競爭供過於求

每次原油價格大跌,市場往往會出現「石油不重要」的言論,2001 年知識經濟興起就有「實質資產價值將不再,能源對經濟的影響轉弱」的說法,沒想到接下來油價在人為炒作下一路走高到 2008 年每桶 148 美元,並且成為金融海嘯爆發的間接原因之一;如今油價跌到每桶 30 美元,立刻又有人提出了「石化燃料生產成本低,全球將步入電力富足年代」的說法。

目前油價偏低是人為操作所造成的,石油輸出國家組織(Organization of Petroleum Exporting Countries,OPEC)為了打擊美國業岩油產業,不惜殺價競爭,目的就是要以低油價迫使美國業岩油廠商破產倒閉以搶回石油產業的主導權。

若真的美國業岩油廠商倒光了,OPEC 還會讓石油維持在這麼低的價格嗎?因此低油價是短期的現象,或許就是這幾年的時間而已,未來太陽能的價格能和石化燃料競爭,不是因為太陽能價格下跌,而是因為石化燃料價格上漲。

 

人類會繼續依賴石油,但程度可能緩慢降低

目前工程上還沒有出現終極的技術足以取代石油,因此未來人類仍然繼續依賴石油或其他可以燃燒的東西(天然氣、煤碳),但是依賴程度可能會隨著環保意識與新能源技術的發展而緩慢減低,要完全取代石油為時尚遠。

 

結論

第一,石化燃料最近處於低價不是因為生產成本低,而是因為市場競爭供過於求,未來 OPEC 發動的價格戰結束,油價就會回到 50 美元以上,再長遠看未來可低價開採的石油儲存量枯竭,原油價格上漲是必然的趨勢,不要說 90 美元,超過 100 美元都是有可能的。

第二,2040 年再生能源市場蓬渤發展是很有可能的,但是要取代石化燃料主導電力供應的可能性不高,而且主要不是因為再生能源價格下跌,而是石化燃料價格上漲,當油價回到 100 美元以上,再生能原價格就會很有競爭力了。

第三,省電科技與各種節能技術減少了電力需求是確定的,但這樣就說未來有望步入「電力富足年代」是過於誇大了;電動車或燃料電池汽車的發展確實可以減少空氣污染與石化燃料的消耗,但是要完全取代石化燃料是不可能的。

目前最大的問題在於:電價太便宜造成使用者沒有節約用電的習慣,各種價格較高的家庭能源管理系統(Home Energy Management System,HEMS)乏人問津;而電價如果真的大漲又會造成物價波動,受限於選舉與政治因素,要讓電價上漲也是困難重重,「電力富足年代」之說恐怕倍受考驗。

(此文非經作者同意,不得轉載;首圖來源:達志影像) 

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