解答「太阳能」争议:产电的过程会过度消耗土地与水资源吗

导读 文:洪端珮 近年来,太阳能科技的进步使技术成本不断降低,太阳能电厂兴建完毕后,产电过程靠的是免费的太阳能,使得太阳能发电

文:洪端珮

近年来,太阳能科技的进步使技术成本不断降低,太阳能电厂兴建完毕后,产电过程靠的是免费的太阳能,使得太阳能发电成为单位电价最便宜的电能,是不容小觑的新兴市场。然而,有人指出太阳能板在製造过程中会产生大量的汙染、还可能产生土地与水资源的消耗,这又是怎么一回事呢?

事实上问题的答案,取决于不同的製造技术。

太阳能的使用规模,可以分成「自给式屋顶太阳能」(rooftop solar power)和「公共太阳能电力」(utility scale solar power)。太阳能技术则分为以下两种:

太阳能板(solar panel) 聚光太阳能热发电(concentrated solar power, CSP)

我们熟知的太阳能板为屋顶太阳能,分布在住宅或大型建筑的屋顶,可以自产自用或卖给电力公司,回传到电网系统。

屋顶太阳能板的好处是自产自用,将传输过程损耗的电力降到最低,但有自行安装的费用。

公共太阳能电力则透过其中任一种技术,组成大规模的太阳能发电厂,以量制胜。因为电厂盖好之后,生产电力几乎不需要成本,因此能产生非常便宜的电力,传送到使用端使用。

其中,聚光太阳能热发电从最传统的技术──透过单个盘状镜面反射集中光源到光热转换器──进展到目前最新的技术,可由千百个镜面,将光源集中至一种耐热到摄氏1000度的盐类储热容液。

因此即便太阳下山,储热溶液仍可以将储存的热能透过涡轮发电,产生便宜且乾净的电力,成为不受昼夜影响的太阳能发电技术。

太阳能板最核心的结构是「硅晶圆」,也就是电子产品内所需的半导体。在纯化硅晶圆的过程中,会使用具有危险性的化学物质,如盐酸、硫酸、硝酸、氟化氢、丙酮、三氯乙烷等。依照纯化的程度不同,会产生不同等级的硅晶圆。

而太阳能板使用的硅晶圆所需的纯化程度,普遍低于电子半导体产品的标準。这些化学物质大部分会被重新利用,无论是製造太阳能板用的硅晶圆,或是的经济命脉电子半导体产业。当废物被合法的处理和重新利用时,便可有效地控制可能的环境与健康影响。

除了废弃物处理之外,太阳能电厂在土地与水资源方面的消耗成本,也值得讨论。屋顶太阳能板无需佔用额外的土地空间;然而公共电力规模的太阳能发电厂,依据光照强度、地形与技术不同,需要不同面积的土地,可能与其他土地利用竞争。

在地狭人稠的,土地的有效利用更为重要。以太阳能板电厂来说,每小时产生100万瓦的电力,需0.03~0.1公顷;聚光太阳能热发电厂产生每小时100万瓦电力,需要0.4~0.16公顷的土地。这样的土地利用与产电效率相比,约是燃煤电厂的两倍、核能电厂的100倍。

此外,若利用工业废弃土地、废弃水泥矿业用地的方式,建造太阳能发电厂,也可以减少与其他土地利用的竞争。

太阳能板发电过程中不需要消耗水资源。然而聚光太阳能热发电厂如同所有藉由热能为电力的电厂,需要水作为冷却使用。水量的提取和消耗与电厂设计、冷却技术有关。太阳能电厂依技术比较,聚光太阳能热发电使用的水量大于太阳能板,并且与其他核能发电、燃煤厂使用的水量不相上下。

聚光太阳能热发电若使用「乾式冷却系统」,与另一种「循环式湿式冷却技术」相比,可以减少大约90%的水量使用。然而乾式冷却系统效率较低,也较为昂贵。虽然降雨丰沛,但降雨季节分布不均、地势陡峭,需要更有效率的利用水资源。

​​ 「聚光太阳能热发电」的冷却技术 乾式冷却系统:用水较少、效率较低、较贵 循环式湿式冷却技术:用水较多、效率较高、较便宜 ​​

能源往往没有完美的答案,但随着研究的进步,我们逐渐可以比较各种不同能源的优缺点,根据我们想要追求的目标和环境条件制定能源发展政策。

回到最原始的问题,为什么要发展再生能源?燃煤所产生的空气污染与心肺血管疾病密不可分,燃煤厂造成的空气污染,导致着名的1952年的伦敦烟雾事件,造成1万多人死亡。白天看不到太阳,路上能见度只剩1公尺,交通系统几乎瘫痪。

此外,类似事件还有1948年的多诺拉事件、与1960年的四日市哮喘等等。空气中超标的硫氧化物,可能造成急性呼吸道疾病致死,而PM2.5则造成慢性的心血管系统疾病与癌症。

虽然现阶段已有可以有效过滤废气的技术,但无论是国家和电厂,在维持成本、收益的平衡之下,发电厂往往持续排出固定的有害气体。燃煤的火力发电厂除了会产生有害气体,碳排放也是第一高。化石燃料如石油、天然气虽较少硫化物等有害物质,但发电过程排出的二氧化碳仍是再生能源的百倍以上。

二氧化碳作为温室气体导致的气候变迁早已是全球议题,极端的气候造成经济与人命损失,迫使国际组织决议改变能源结构。困难的是,现存的电厂、投资商和对既有市场的依赖,使得肉眼看不见的空气污染及其造成的慢性伤害,更容易被忽视。

太阳能电厂随着日照强度产电,作为日照丰沛的亚热带国家,烈日当空时产生的大量电力不仅能供应夏日生存必备的冷气用电,更是国家能源独立、环境健康议题的解套。

延伸阅读 非核家园下一章:2030再生能源翻倍,2035燃煤归零 台电当「绿电大盘商」,对再生能源市场是福是祸? 为什么再生能源真正的停电风险不是炎热的夏日,而是春季与冬季?

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