EP17 | 人類與碳的千年之戀
這集EP17主要探討了人類能源使用的歷史演變。從古代依賴木材和木炭，到工業革命時期轉向煤炭，主持人解釋了這一轉變的原因和影響。同時，節目也討論了當前台灣的能源結構，指出儘管可再生能源裝置容量不低，但實際發電量仍以化石燃料為主。主持人還提到了關於AI未來用電量的預測，並對此表示質疑。整體而言，這集節目將古代、現代和未來的能源使用巧妙地連接在一起，為聽眾提供了一個全面的能源發展視角。
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EP17這集的內容重點包括：
台灣最新的電力供需報告
經濟部預估AI用電需求將在5年內增長8倍,從24萬千瓦增至224萬千瓦。
這個預估可能過高,其他機構的預測大約是3倍增長。
總裝置容量中,燃氣燃煤燃油佔64.9%,可再生能源佔28%,核能佔3%。
實際發電量中,化石燃料佔83%,可再生能源僅佔9.5%。
燃煤發電佔比最高,達42.2%。
人類能源使用的歷史演變
介紹了Vaclav Smil的書《這個世界運作的真相：以數據解析人類經濟和生存的困局與機會》。
從原始的木材燃料到現代的化石燃料。
討論了木材和木炭作為能源的局限性。
解釋了為什麼人類從燒木頭轉向燒煤炭。
工業革命前後的能源使用對比:
古代城市需要50-150倍於自身面積的森林來提供燃料。
煤炭的使用大大提高了能源效率,推動了工業革命。
能源效率與技術進步:
討論了蒸汽機的發明和改進如何影響能源使用。
焦炭的發明如何改變了冶金工業。
現代社會對化石燃料的依賴:
過去220年,化石燃料使用增加了1500倍。
2020年全球一半以上的電力來自煤炭和天然氣。
對比古代和現代的能源使用:
強調無論古代還是現代,人類文明都依賴於太陽能。
現代社會主要利用儲存在地下的古代太陽能(化石燃料)。
下一集將繼續討論工業革命後的能源使用,特別是煤炭、石油和天然氣的使用情況。
逐字稿：
Hello 我是Alan
這集錄音時間是2024/7/22的晚上
今夏第一個颱風即將來襲 白天非常酷熱 冷氣開27度還要加個電風扇
估計今天用電量也是非常驚人
剛好上週經濟部發布了一個「112年度全國電力資源供需報吿」
臺灣氣候行動網絡研究中心總監趙家緯先生有在他臉書上分享很多重點
大家可以自己去看看
我覺得特別有趣的一點是經濟部對AI用電量的預估相當驚人
新聞稿中提了一句
AI科技的用電需求預估從112年的24萬瓩增加至117年的224萬瓩，增加200萬瓩，成長約8倍
我雖然認為AI相關用電量會提高 但不確定性很大
說去年2023年到2028年會成長到8倍之多
趙家緯總監也在他的臉書分享了IEA公布年中電力展望報告
其中各機構預測最激進的差不多3倍左右
似乎台灣官方對AI用電量的預測是比較誇張了
另外，我在「112年度全國電力資源供需報吿」中也看到一個有趣的事：
不同發電來源的裝置容量占比和實際發電度數佔比不同
112 年全國發電總裝置容量約為 6,404.5 萬瓩，也就是 64045 MW (兆瓦)
在總發電裝置容量占比中，燃氣、燃煤、燃油佔 64.9%，可再生能源(包括慣常水力、風電、光電等)佔 28.0%，核能佔 3.0%，其餘 4.1% 為抽蓄水力。
有趣的是 112 年全國總發電量 2,822.9 億度中，「三燃」佔了 83% 的發電量，而可再生能源佔了 9.5%，核能佔了 6.3%，抽蓄水利只有1.1%。
能源利用效率：
燃氣、燃煤、燃油等傳統燃料發電的容量利用率較高，可以持續穩定地供電，滿足基載需求。
可再生能源（如風能、太陽能）的發電依賴自然條件，其容量利用率相對較低，且發電不穩定，存在間歇性問題。
我們實務上在化石燃料的依賴性仍然很高。尤其是燃煤發電量佔了42.2%，高於燃氣39.5%和燃油1.3%，是化石燃料的主力。
這也讓我不禁好奇，燃煤發電為什麼不好？燃氣有比較好嗎？
我剛好正在看
瓦茲拉夫‧史密爾所寫的書
書名叫做「這個世界運作的真相：以數據解析人類經濟和生存的困局與機會」
他深入探討了人類社會經濟系統的運作方式
其中一個面向就是能源：
到底人類有多依賴化石燃料？
從19世紀起，化石燃料的使用增加為60倍，20世紀增加為16倍，在過去的220年中，大約增加1500倍。2020年，全球有一半以上的電力來自燃燒煤炭和天然氣。
所有文明都離不開太陽能。
太陽能不斷地給地球供能,讓生物圈能夠運轉,也讓植物能夠進行光合作用生產我們的食物。所以,從根本上說,所有文明都是靠太陽能在運作的。
但現代世界跟過去有兩個重要不同:
我們現在主要用的是以前儲存在地底下的太陽能,也就是煤炭、石油和天然氣這些化石燃料。
我們越來越依賴電力。發電的方式有好幾種:燒化石燃料、收集太陽能(主要是通過水力和風力這些間接方式)、利用地球內部的熱能(地熱),還有核能。
在傳統社會裡,人們需要的食物、動物飼料、取暖和動力,
要麼是直接利用太陽能,比如用水流和風力;
要麼就是通過植物和動物來收集和轉換太陽能。
這個收集過程有快有慢:
種農作物當食物和燃料,需要幾個月;
養役用動物、人力勞動、種灌木和小樹,需要幾年;
種大樹當木材,則需要幾十年。
總的來說,現代社會更多地依賴儲存了很久的能源(化石燃料),而且大量使用電力;
傳統社會則主要依賴直接或間接的太陽能,收集和利用的週期從幾個月到幾十年不等。
現代與古代在太陽能轉換上的差異
現代人找到了小週期的太陽能 譬如化石燃料
同時發明了更有效率的機器來代替動物的勞動
古人並沒有比較永續 以前也很有多森林過度砍伐等問題
以前的人也是燒木頭 木炭 還有剩餘農作物當燃料的
當然現代人也沒有比較永續
我們燒煤炭 天然氣 石油當燃料
人類一直都在重複做一樣的事
唯一的差別是
工業革命後
能源轉換技術得到巨幅提升 也帶來可用能源同樣劇增的結果
而工業革命前後最大的差別就是：從燒木頭轉變到燒煤炭
古代是燒木頭
這類的植物質燃料的能量密度比較低
再來是木頭含水量多少決定了它能提供多少能量。
所以人們喜歡用乾樹枝當燃料,一來它們含水少能量高,二來撿起來也方便,不用砍伐。
乾木頭的能量密度大概是14-16兆焦耳每公斤,比稻草11兆焦耳每公斤和牛糞9～11兆焦耳每公斤高一些。
植物燃料能量密度雖然不高,但如果能高效率地大量收集,就還算不錯。
一般森林每平方公尺只能產20公斤植物量,就算全部收集起來,也只能產300兆焦耳的能量。
而且大部分植物量都在樹幹裡,要砍伐還得用好工具。
砍光的森林要50-100年才能恢復,所以我們算木材能提供多少持續能源時,還得把總熱量除以森林重新長成的時間。
這樣算下來,每平方公尺每秒只能持續提供0.2瓦的能源。
木炭雖然比原木好用,但製作過程很浪費能源。
木炭幾乎是純碳,能量比乾木頭高60%-65%,達到29兆焦耳每公斤。
它適合用來冶煉金屬,也方便運輸儲存。而且木炭幾乎不冒煙,適合在通風不好的室內用來做飯取暖。
但傳統製炭方法很沒效率,木頭變成木炭後只剩20%的熱量。
所以一樣從森林裡持續採集木炭能提供的能源,
每平方公尺就會只有可憐的0.04瓦的能源。
所以呢 古人也沒有大家想像中的那麼永續環保
相反的 他們的能源效率非常低落
這就是我之前談到古代社會會有過度砍伐森林的問題
因為人口越多的城市需要越多的能源
要理解這些數字,我們得看看工業化前的大城市通常需要多少熱能。
不同地方的人烹飪方式不一樣,比如歐洲人愛烘焙,中國人就不太烘焙,而烘焙需要更多燃料。
氣候也有差異,像中國長江以南冬天不供暖,但俄羅斯冬天就得燒很多木頭取暖。
城市裡的手工業,像打鐵、做陶瓷、燒磚,也會影響燃料需求。
大致來說,工業化前的城市,每平方米建築面積需要10到30瓦的能源。
這意味著如果城市只靠木頭供能,它們需要的森林面積得是城市面積的50到150倍。
如果同時用木頭和木炭,那需要的面積更是得增加到85到250倍。
光是這一點,就讓任何工業化前的社會不可能出現超過一千萬人口、還靠植物燃料供能的超大城市。
隨著用木炭煉鐵從小作坊變成大規模生產,情況就更糟了。
雖然隨著時間推移,木炭的使用效率有所提高 -
比如18世紀中葉出現的新型鼓風爐,煉同樣重量的鐵只需要中世紀鼓風爐十分之一的木炭 -
但森林資源很快就成了限制煉鐵業發展的關鍵因素。
數據顯示,1810年,美國的鋼鐵工業每年需要2,500平方公里的森林,
當時美國森林資源豐富,還能應付得來。
但一百年後,鋼鐵工業需要的森林面積暴增到將近170,000平方公里,相當於兩個奧地利那麼大。
這時候木炭已經滿足不了這麼大的需求了,只能改用煤製成的焦炭。
英國比美國早一百年就已經做出了這樣的轉變。
從燒木頭到燒煤,這個大轉變是在木材資源快用完時才發生的。
英國最先開始用煤,原因有兩個:
一是製鐵需要越來越多木炭,
二是造房子和船也需要很多好木頭。
到了17世紀中,英國幾乎所有的煤礦都開始開採了。
到1700年,英國一年能挖出300萬噸煤。
100年後,英國每年挖煤量增加到1000萬噸。
這時候煤不只是用來取暖,還用來製造焦炭和驅動剛發明的蒸汽機。
煤燒起來溫度能到1650度,比木頭熱多了。
製造焦炭時,要把煤慢慢加熱到1100度,不讓它接觸空氣。
這樣做出來的焦炭是一種多孔但很硬的碳,後來取代了木炭成為煉鐵的主要燃料。
1709年,亞伯拉罕·達比開始研究怎麼做焦炭,但一開始做得很浪費。
到1750年後,技術才變好,人們才開始大量製造焦炭。
用焦炭煉鐵有很多好處:不用再依賴木炭了,能融化更多礦石,高爐可以造得更大,而且溫度更高,可以製造出更好的鐵。
但煤的使用量真正爆炸式增長,是在高效率的蒸汽機出現之後。
第一個商用蒸汽機是18世紀初英國工程師托馬斯·紐科門發明的,但效率很低,只能把煤的能量的0.5%變成機械能。
後來,詹姆斯·瓦特在1769年改進了蒸汽機,效率提高了很多。
他的設計包括單獨的冷凝器、保溫的蒸汽套,還有一個抽真空的泵。
瓦特還設計了可以上下動的活塞,和一個能保持穩定速度的裝置。
這些發明徹底改變了工業生產,讓我們開始大量使用煤炭,也開啟了工業革命的時代。
下一集我們再來談工業革命後的能源。
