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風、太陽、水,人類其實早就在用綠色能源,回顧再生能源歷史 - Greenpeace 綠色和平 | 臺灣

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專題報導 氣候
5 mins 2021 年 8 月 23 日

作者: Greenpeace 綠色和平

再生能源是新的科技嗎?我們發電只能仰賴煤碳、石油、天然氣等化石燃料嗎?其實古代人早就使用風力、太陽能、水力的動能技術,甚至早在近 200 年前就用大自然的能源發電!在亟需能源轉型的此刻,邀您一起來認識再生能源的發展歷史

再生能源的議題,如今不僅吸引專業人士,一般的社會大眾也有興趣了解。在新聞報導中,更有許多環保專家要求當局盡快能源轉型,發展綠色科技,以阻止氣候危機。全球許多國家,包括歐盟,以開始實施綠色計畫,其中再生能源將扮演關鍵角色。

然而,再生能源的議題在不同的族群出現各種意見,例如:「如果這種能源不會破壞地球,為什麼我們還在使用煤炭、石油和天然氣?」或「我聽說再生能源很貴,這只是綠能企業想騙我們的手法。」

即使在許多西方國家,早已過了這個質疑的階段,但對臺灣來說,再生能源仍然是屬於比較「新」的概念。甚至有些人會認為,這種「新科技」還無法證明其有效程度。真的是這樣嗎?

新科技?還是被遺忘的舊資源?

事實上,再生能源是最老且最安全的產生能源方式。數個世紀以來,自然能源對地球的居民來說,是除了人力和動物勞力之外,唯一的動能來源。但化石燃料在工業革命期間取代了原有能源,因為這是在文明發展過程中,某種程度來說最能賺取利潤的的方式。

然而,當時鮮少人料想到煤炭、石油和天人氣會在百年內對地球氣候造成破壞。因此,化石燃料成了定時炸彈,而再生能源在經過數個世紀後,被埋沒且遺忘

為了瞭解錯綜複雜的再生能源議題,我們可先從它的歷史開始著手認識,並由最廣泛知名的太陽能、風能和水力切入探討,原來人類文明在綠色科技上已有如此進展

德國黑森林的風電場,光是這三支風機就能產生近 10MW 電力。

德國黑森林的風電場,光是這三支風機就能產生近 10MW 電力。© Paul Langrock / Greenpeace

古老能源:風能

再生能源是在我們這個時代之前,就已有的重大發現。幾千年來,人類不斷嘗試找尋新的動能來源,而人類使用「風力」可追溯到古代時期。回顧 5,500 年前,古埃及、希臘和其他文明,人類早已使用帆船,隨後,風車磨坊和自然通風(換氣)系統也開始出現

風車在東方如中國、波斯等國,已被使用了數個世紀,直至第十到十二世紀,才流傳到歐洲,尤其在現代荷蘭及其他北歐國家中,仍是一個具有象徵性的標誌。在寒冷國家,使用風力來產生動能,比用水力還有用的多,因為水在冬天會結冰,無法發揮作用。數百年來,風車的使用都沒有出現重大改變。

直至 1854 年,哈拉迪(Daniel Halladay)發明了可自動調節的風泵,以及在風車旁可自動隨風轉向的系統。同時,原本木製的扇葉也改用金屬取代。

1887 年也是歷史上的轉捩點,這一年全球第一座風力發電機現世。蘇格蘭科學家布萊斯(James Blyth)用它為自己的住家照明,甚至將多餘的電力提供給同一條街的鄰居,但被拒絕了。從此,他成為世上第一個自主使用風力發電的人。

隔年,美國發明家布拉什(Charles Brush)設計一座更為複雜且大型的風力渦輪機,也一樣可以為住家發電。他位於俄亥俄州的公司「布拉什電力公司」(Brush Electric Company)在 1889 年售出,並在 1892 年與愛迪生的通用電氣公司(Edison General Electric Company)合併,成立了傳奇的美國工業巨擘「奇異公司」(General Electric)。

在 1891 至 1895 年間,丹麥科學家拉庫爾(Poul La Cour)投入發展和改良風力發電技術,至今成為社會中可穩定供應電力的風力發電機,更創造可以為整個鎮帶來光亮的發電廠原型。

荷蘭風車是當地具有象徵性的指標,更提醒人類祖先們早就使用風力動能的歷史。

荷蘭風車是當地具有象徵性的指標,更提醒人類祖先們早就使用風力動能的歷史。© Tayla Kohler / unsplash.com

大約 1920 年代,法國科學家George Darier發明了第一座垂直風力機,並在 1931 年於美國取得專利。這種風機的葉片與現代的不太一樣,也被稱作「正交式風力發電機」(orthogonal wind turbines)。

而在 1930 年代,美國科學家Joe Jacobs和Marcellus Jacobs在明尼蘇達州的明尼阿波利斯市,開啟了第一間小型風力發電機的製造與銷售工廠「雅各布風力」(Jacobs Wind),如今成為美國製造再生能源器材歷史最悠久的公司。當時在美國鄉村地區,許多農夫主要將它用於照明。

1941 年,世界第一座 1MW 風力發電機於美國佛蒙特州啟用,它的結構連到在地電網。直至 1957 年,「雅各布風力」已在全球賣出 30,000 座風機。1973 年,也是發展風能的關鍵年,一間石油供應商宣布禁止運輸石油,使油價飆漲,這使眾人對於替代能源升起強大的興趣,並在 1980 年,全球第一座風力發電廠在美國問世,該廠建有 20 座風機

接著,風能迅速發展,在 1980 年代,美國在「國家科學基金會」及能源局的支持下,針對風力發電進行嚴謹的研究。在這個時期,建造風機的技術出現了新科技,所產生的電力容量單位達到了 MW(兆瓦)等級。這是透過風機的空氣動力學研究,而達到的成果,也證明了在風力的幫助之下,可以產生大規模的能源。1991 年,全球第一座離岸風電場於丹麥啟用,而英國則座落了陸上風電場。

英國的離岸風電場,在風力發電技術越來越成熟,也越來越普及支下,電價也越來越便宜。

英國的離岸風電場,在風力發電技術越來越成熟,也越來越普及支下,電價也越來越便宜。© Will Rose / Greenpeace

2019 年,挪威Equinor能源公司獲得建造全球最大離岸風場的許可,地點在北海靠近Tampena。這座大型的發電設備,有望為至少 450 萬家庭提供電力。

大自然的禮物:太陽能

如果風能可以被研發和改良,那麼太陽能則是不一樣的情況。在過去數十年,科學家的發現大幅度地改變了我們使用陽光的方式。

古時候的人使用太陽光加熱食物,保暖住處與生火。在第一世紀的約 100 至 400 年間,越來越多人使用太陽煮水。羅馬建築師維特魯威(Vitruvius)在一趟造訪希臘的旅程後,發現他們早就將房屋蓋在南邊,透過太陽光照射牆面,使整棟建築變得暖和,讓他決定將這個想法引進羅馬。由此,羅馬的浴池得到改良,也是透過陽光加溫。

太陽光的能量不僅使萬物生長,為我們帶來熱能,更成為發電的來源。

太陽光的能量不僅使萬物生長,為我們帶來熱能,更成為發電的來源。© Micah Hallahan / unsplashed.com

其實我們很難估計人類是從何時開始使用太陽光來產生電力。如果我們從最源頭思索,法國物理學家貝克勒(Alexander Becquerel)也許值得探討,他在 1839 年研究了光線對電解質的影響,過程中也使用了鏡子和鏡片,藉由特殊的溶液(以氯化銀和酸性溶液為基礎),他製造出一顆能夠加溫,也可以產生電力的電池。

但真正的突破是發生在 1860 年,來自法國的Augustin Mushaud預測,未來煤炭將會消耗殆盡,因而發明了全球第一座太陽能系統

不過,第一位發現太陽能板的人是弗里茲(Charles Fritz),他在 1883 年創造桌上型的發電設備,使用的是一塊小的鍍金硒板。一年後,他在紐約為屋頂安裝太陽能板

位於俄羅斯區域型醫院在屋頂上安裝太陽能板,每年可省下約150萬盧布(約新臺幣56萬元)的電費。

位於俄羅斯區域型醫院在屋頂上安裝太陽能板,每年可省下約150萬盧布(約新臺幣56萬元)的電費。© Liza Udilova / Greenpeace

隨後,在現代理論物理的協助之下,人們對於光伏有了更深的認識,使太陽光得以產生電力。早在 1888 年,德國物理學家霍爾伐克士(Wilhelm Hallwachs)將光伏電池的物理原理稱作「霍爾瓦克效應」(Hallwach effect)。而僅在 7 年後,愛因斯坦發表《關於光的產生和轉化的一個啟發性觀點》(On a heuristic point of view on the production and transformation of light)論文,他解釋光如何透過從某些金屬的原子中,以撞擊電子產生電流。隨後,他也為光伏提出理論基礎,而這個基礎也有助於未來發展太陽能

1916 年,波蘭化學家柴可拉斯基(Jan Czochralski)發明了製造金屬單晶(metal single crystals)的方法。這成為了製造半導體晶片的基礎,而且至今仍然被使用於電子製造上,包括太陽能電池。

然而,就如您我所知,直至 20 世紀中期,才開始使用太陽能板。美國公司Bell Labs將太陽能帶入商業市場,1941 年,該公司的工程師歐爾(Russell Ohl)為第一個單晶矽半導體太陽能電池(monocrystalline silicon solar cell)申請專利。

1954 年,Bell Labs初次開始販售高效矽太陽能電池。當然,它的效率無法與現代的太陽能板相比,效能僅約 6%,但它依然大受歡迎,使太陽能產業開始快速成長。幾年過後,第一架太陽能太空船誕生,飛越了在倫敦的第一臺車頂裝有太陽能板的車。8 年後,Bell Labs為第一座太陽能通訊衛星發電。

在 1960 年代早期,蘇聯的Zhores Alferov和Herbert Kroemer獨自提案,透過「半導體異質結構」(semiconductor heterostructures)能夠使太陽能板效率大幅地提升。2000 年,他們因此獲得諾貝爾獎。也許有些人不知道,蘇聯的太空船Soyuz-1成為第一艘載有人類的太陽能太空船。

當時,美國、中國等地正積極地發展太陽能,其中一個動力是因為氣候變遷。長久的氣候異常不僅影響人類生活,也衝擊全球經濟,促使將能源轉向至太陽這已使用了數個世紀,並擁有許多發展潛力的能源。

天然動能:水力發電

這是一種透過水流產生動能,進而轉化成電力有關的能源。使用水力能源的歷史,也可以追溯到遠古時代。

大約在公元第一世紀開始,古希臘人開始試用第一座水車來磨小麥。同一時間,中國也出現了類似的發明。

當然,當時還只是最簡單的水力模式,不過這為現代水力發電科技奠定了重要基礎。

各種形式的水車在全球使用了數十個世紀。在 13 世紀,這種技術已經用於製作火藥和鋼鐵,也促使中世紀的歐洲成為軍事界的龍頭。直至 17 世紀,水力能源在美國和歐洲的科技革命中,扮演了決定性的角色,它被用於數種產業,包括鋸木廠、紡織業等。

然而,到 19 世紀時,一切都改變了。在 1827 至 1831 年間,各種重大發現取代了原有的技術。法國工程師富爾內隆(Benoit Fourneiron)發明了第一臺新式水車原型。而在 1831 年,英國物理學家法拉第(Michael Faraday)發現了電磁傳導,並發展成全球第一臺變壓器和發電機,也成為現代發電和電力工程的基礎。

1878 年時,科學家嘗試改良渦輪模型,英國科學家兼實業家阿姆斯壯(William Armstrong)統整前輩的研究,建造出全球第一座小型水力發電機。十年後,1891 年,在俄羅斯發明家Mikhail Osipovich Dolivo-Dobrovolsky針對三相電流傳輸(transmission of three-phase current)研究後,一場電能傳輸和水力發電的科學革命誕生了。這項設計沿用至今仍沒有重大的改變。

位於美國霍利奧克(Holyoke)的水力發電廠。

位於美國霍利奧克(Holyoke)的水力發電廠。© American Public Power Association / unsplash.com

第一次的高壓三相電流電力傳輸,出現在法蘭克福的一次展覽中。現場安裝了一座水池,以液壓泵和Dolivo-Dobrovolsky的引擎為動能,這是當時全球最強力的三相感應馬達(three-phase induction motor),而電氣化的現代史也隨之逐漸展開

1913年,奧地利機械工程教授卡普蘭(Viktor Kaplan)發明了「卡普蘭水輪機」,這是一種螺旋槳型,可使用多種葉片的渦輪機。

後來,透過海洋潮汐轉為能源(tidal energy)的演變,也是個巨大突破。1966 年,全球第一座潮汐發電廠La Rance於法國開始營運。

重拾發展再生能源

再生能源形式多元,科技也在不斷進步,是取代化石燃料、降低碳排的好選擇。

再生能源形式多元,科技也在不斷進步,是取代化石燃料、降低碳排的好選擇。© Paul Langrock / Greenpeace

再生能源擁有悠長的發展歷史,但是一直到過去十年,才演變成對全球抗氣候危機的轉型方案。過去數十年年,化石燃料企業強勢地佔據您我的生活,更破壞了我們唯一的地球環境。綠色和平支持綠色能源轉型,呼籲加速淘汰高碳排的化石燃料能源,並普及再生能源,這不僅是為了減緩攸關您我及下一代的氣候變遷,也是為了維持製造產業的出口競爭力和經濟發展。

在全球越來越視氣候變遷為危機的現今,減少碳排、發展永續能源已是各政府及投資界高度關注的議題,許多跨國企業更提出 100% 使用再生能源、綠色產業鏈的目標。臺灣其實具有再生能源的發展潛力,需要您我一同推動在地政府與企業投注資源,作出更永續的選擇。邀請您關心氣候與能源轉案,將訊息文章分享給親友、支持能源轉型的政策,一起督促執政者作出更好的選擇,為未來世代打造宜居、平安的家園。

延伸閱讀:

參考原文:Wind, sun and water - the history of green energy(綠色和平俄羅斯辦公室)



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