解答「太陽能」爭議:產電的過程,會過度消耗土地與水資源嗎?

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文:洪端珮

近年來,太陽能科技的進步使技術成本不斷降低,太陽能電廠興建完畢後,產電過程靠的是免費的太陽能,使得太陽能發電成為單位電價最便宜的電能,是不容小覷的新興市場。然而,有人指出太陽能板在製造過程中會產生大量的汙染、還可能產生土地與水資源的消耗,這又是怎麼一回事呢?

事實上問題的答案,取決於不同的製造技術。

太陽能的使用規模,可以分成「自給式屋頂太陽能」(rooftop solar power)和「公共太陽能電力」(utility scale solar power)。太陽能技術則分為以下兩種:

太陽能板(solar panel)

聚光太陽能熱發電(concentrated solar power, CSP)

我們熟知的太陽能板為屋頂太陽能,分布在住宅或大型建築的屋頂,可以自產自用或賣給電力公司,回傳到電網系統。

屋頂太陽能板的好處是自產自用,將傳輸過程損耗的電力降到最低,但有自行安裝的費用。

公共太陽能電力則透過其中任一種技術,組成大規模的太陽能發電廠,以量制勝。因為電廠蓋好之後,生產電力幾乎不需要成本,因此能產生非常便宜的電力,傳送到使用端使用。

其中,聚光太陽能熱發電從最傳統的技術──透過單個盤狀鏡面反射集中光源到光熱轉換器──進展到目前最新的技術,可由千百個鏡面,將光源集中至一種耐熱到攝氏1000度的鹽類儲熱容液。

因此即便太陽下山,儲熱溶液仍可以將儲存的熱能透過渦輪發電,產生便宜且乾淨的電力,成為不受晝夜影響的太陽能發電技術。

太陽能板最核心的結構是「矽晶圓」,也就是電子產品內所需的半導體。在純化矽晶圓的過程中,會使用具有危險性的化學物質,如鹽酸、硫酸、硝酸、氟化氫、丙酮、三氯乙烷等。依照純化的程度不同,會產生不同等級的矽晶圓。

而太陽能板使用的矽晶圓所需的純化程度,普遍低於電子半導體產品的標準。這些化學物質大部分會被重新利用,無論是製造太陽能板用的矽晶圓,或是台灣的經濟命脈電子半導體產業。當廢物被合法的處理和重新利用時,便可有效地控制可能的環境與健康影響。

除了廢棄物處理之外,太陽能電廠在土地與水資源方面的消耗成本,也值得討論。屋頂太陽能板無需佔用額外的土地空間;然而公共電力規模的太陽能發電廠,依據光照強度、地形與技術不同,需要不同面積的土地,可能與其他土地利用競爭。

在地狹人稠的台灣,土地的有效利用更為重要。以太陽能板電廠來說,每小時產生100萬瓦的電力,需0.03~0.1公頃;聚光太陽能熱發電廠產生每小時100萬瓦電力,需要0.4~0.16公頃的土地。這樣的土地利用與產電效率相比,約是燃煤電廠的兩倍、核能電廠的100倍。

此外,若利用工業廢棄土地、廢棄水泥礦業用地的方式,建造太陽能發電廠,也可以減少與其他土地利用的競爭。

太陽能板發電過程中不需要消耗水資源。然而聚光太陽能熱發電廠如同所有藉由熱能為電力的電廠,需要水作為冷卻使用。水量的提取和消耗與電廠設計、冷卻技術有關。太陽能電廠依技術比較,聚光太陽能熱發電使用的水量大於太陽能板,並且與其他核能發電、燃煤廠使用的水量不相上下。

聚光太陽能熱發電若使用「乾式冷卻系統」,與另一種「循環式濕式冷卻技術」相比,可以減少大約90%的水量使用。然而乾式冷卻系統效率較低,也較為昂貴。台灣雖然降雨豐沛,但降雨季節分布不均、地勢陡峭,需要更有效率的利用水資源。

「聚光太陽能熱發電」的冷卻技術

乾式冷卻系統:用水較少、效率較低、較貴

循環式濕式冷卻技術:用水較多、效率較高、較便宜

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能源往往沒有完美的答案,但隨著研究的進步,我們逐漸可以比較各種不同能源的優缺點,根據我們想要追求的目標和環境條件制定能源發展政策。

回到最原始的問題,為什麼要發展再生能源?燃煤所產生的空氣污染與心肺血管疾病密不可分,燃煤廠造成的空氣污染,導致著名的1952年的倫敦煙霧事件,造成1萬多人死亡。白天看不到太陽,路上能見度只剩1公尺,交通系統幾乎癱瘓。

此外,類似事件還有1948年的美國多諾拉事件、與1960年的日本四日市哮喘等等。空氣中超標的硫氧化物,可能造成急性呼吸道疾病致死,而PM2.5則造成慢性的心血管系統疾病與癌症。

雖然現階段已有可以有效過濾廢氣的技術,但無論是國家和電廠,在維持成本、收益的平衡之下,發電廠往往持續排出固定的有害氣體。燃煤的火力發電廠除了會產生有害氣體,碳排放也是第一高。化石燃料如石油、天然氣雖較少硫化物等有害物質,但發電過程排出的二氧化碳仍是再生能源的百倍以上。

二氧化碳作為溫室氣體導致的氣候變遷早已是全球議題,極端的氣候造成經濟與人命損失,迫使國際組織決議改變能源結構。困難的是,現存的電廠、投資商和對既有市場的依賴,使得肉眼看不見的空氣污染及其造成的慢性傷害,更容易被忽視。

太陽能電廠隨著日照強度產電,台灣作為日照豐沛的亞熱帶國家,烈日當空時產生的大量電力不僅能供應夏日生存必備的冷氣用電,更是國家能源獨立、環境健康議題的解套。

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