從“再生能源”透視核能發電的重要性
劉振乾
台機社季刊總編輯
能源供應三要件
能源不像水或空氣可以“無價取得”（其實，要“好水”、“好空氣”也必須要付出代價）。為了供應能源，必須合乎下述三要件：「容易取得」、「容易使用」、「容易被人接受」。如圖1所示。
「容易取得」（Accessibility）指的是資源如何取得，以現代大量消費能源的生活型態，必須確保大量的能源資源。因此，如何確保蘊藏量多的資源乃成“天大地大”的大事。然而不單是確保“量”而已。能源資源之遍布隨地而異，這件事情可是太凸顯了。以化石燃料的石油來說，確認埋藏量的三分之二集中於中東地區。天然氣則集中於蘇聯，中東以及東南亞各國。煤的分佈就比較廣泛。即使再生能源的太陽光、風力、地熱、水力也是非常具有偏在性的資源，並不是能隨時隨地取得的。以水力來說，如果沒有可貯水的地方（如大壩）也無法利用，風況差的地方更談不上用風力發電了。這樣說來，“得天獨厚”一詞也能適用在“能源”上了。如此這般，很重要的是能安定地供應能源，「容易取得」指的是如何經濟地取得能源。
再來是「容易使用」（Availability）。資源在其原有狀態下通常都派不上用場，我們必須把它改變為「容易使用」的形態。比如，過去使用煤，但以能源而論，並不是很好用的。然後大家改使用石油，再轉換為使用天然氣，還有最容易使用的能源─“電力”，如此這般，我們漸漸改變使用能源之形態。最近氫氣大行其道，氫氣在各方面都具有能源上的優質特性，社會就是這樣一直追求更優質的能源。
但要維持這類容易使用的能源，必須確保其供應力。也就是說，要供應燃料的基層建設（INFRASTRUCTURE），以發電來說，要發電廠，還要輸電線、變電所、配電所等等一連串的設施才能把電力送到“府上”。要建造這些可靠性高的設施，把“能源”穩定地送到用戶手上，並且電力的質，電壓、頻率數都要穩定且可靠性高。不但是硬體且軟體（營運）也要搭配適宜才能盡善盡美。
最後是「容易被人接受」（Acceptability）。指的是「安全性」與「環境性」。尤其是最近的社會不歡迎會帶給人不安的能源。因此要致力開發技術，是安全的，且對環境會帶來安心感的技術，或者要盡力溝通，讓民眾能“心安理得”的接受它。以上的三A即「能源供應三要件」。
沒有一樣能源能安全滿足這三要件
任何能源都不會完全滿足上述三要件。化石燃料的資源夠豐富且成本便宜，但如前述，石油在供應面上具有不安定性（一旦中東有亂，全球石油價格馬上狂颷）。核能則鈾資源豐富，如果再加上使用鈽，可供應四千年以上，可謂「半永久」。但在「容易被人接受」上被打了折扣。再生能源的資源也是夠豐富了，但有地區偏在性，且成本太高。
以「容易使用」來說，只要把供應系統（基層建設）做好，就有可能“安定地供應”。就事論事，化石燃料與核能在這一點上，是得以“安定供應”的能源。相對地太陽光、風力等間歇性能源，即使建好電廠（風場），但“萬事俱備只欠東風”或“大雨傾盆”等情況一發生，就「免談」，它的能源供應可謂極不安定。由於是間歇性（又稱“間欠性”）能源，在供需之間自會發生不能平衡（MISMATCH）的問題。因此必須有備份設備，即所謂的「BACK UP」設備，再生能源需要有“能源貯存”（如電池）或火力發電、核能發電做為其後盾（BACK UP）。
社會上趨向使用“容易使用”的能源。圖3可顯示其趨向。橫軸是社會發展過程，縱軸是社會對能源所要求的清潔（CLEAN）度，效率性能等等。在以前日本也有過沒有辦法取得優質能源的時代，大家都使用馬糞、牛糞（正如今日印度鄉下一樣）。然後使用廢棄物、木材、燈油、瓦斯，目前則是使用“電力”，社會愈發展愈會往容易使用的能源上變化過來。這也是社會的自然的發展過程。
太陽光發電經常發生變動，要求它“安定供應”是很難的。風力發電則更是“難上加難”。
「容易被人接受」如前述，化石燃料有「酸雨」、「溫室效應問題」，核能發電有「放射性物質之廢料之處理對策」，再生能源雖說為最安全且清潔者，但實際上用了風力發電，就知道有「噪音」、「落雷」、「飛鳥之災害」、「高調波帶來之電波障礙」等問題。
為了發展社會經濟，必須要有「高密度的能源」
接下談「能源密度之比較」。能源必須變換才能使用。因此使用越是高密度的能源，能源的變換越是有效率。
目前能源密度最高的是鈾（核能），為化石燃料的百萬倍（圖4）。依序為原油、植物油、天然氣、奶油、煤…。使用密度越高的能源，越可有效率的變換為如電力等的能源形態，大家應該會了解到為什麼化石燃料與核能在構築高效率的系統之社會上成為重要的能源來源。
圖4 能源密度之比較
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能源種類
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能源密度[MJ/kg]
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能源種類
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能源密度[MJ/kg]
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鈾
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6.6×107
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乾燥木材
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14~15
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原油
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42~47
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麥梗
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12~15
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植物油
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37~38
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赤身之肉
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5~10
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天然氣
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33~37
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魚
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2.9~9.3
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奶油
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29~30
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馬鈴薯
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3.2~4.8
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煤（瀝青煤）
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27~29
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水果
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1.5~4
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蛋白質
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23
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人糞
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1.8~3
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煤（褐煤）
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22~24
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蔬菜
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0.6~1.8
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五穀類
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15.2~15.4
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尿
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0.1~0.2
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來源：Vaclav Smil, “Energies”, MIP Press, 1999
其次，圖5顯示要將能源加以變換時，基本上要考慮的是什麼？人類尚未使用化石燃料或核能以前，大家都將風及水的力量變換為動力來使用。而變換乃是將運動能量轉變為迴轉能量，也就是利用TURBINE（汽渦輪機）變為迴轉運動。
圖5 風力、水力、蒸汽之出力的差異
（出力）＝（密度）×（作動面積）×（流速）3／2
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密度[kg/m3]
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流體速度[m/s]
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每單位面積出力
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風力
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1.29
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20
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1
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水力
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1,000
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44
(有效落差100m)
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8,400
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水蒸汽
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74
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400
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460,000
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我們必須計算由運動能量可得到多少的動力。這是單位時間的能量，變換為動力則與「二分之一×密度×作動面積」，還有「流體的速度的三次方」成正比。因此要獲得動力（POWER），最重要的是流體的速度。
風的流體的速度，在強風狀態每秒約20公尺。吹這麼大的風的時候，人是站不住的。水的流體的速度，把百公尺的落差換算為運動能量的話，大約是風速的兩倍。超超臨界的水蒸汽（新型火力發電使用者）吹入蒸氣渦輪機（TURBINE）的速度約為每秒400公尺，為風力具有之能源速度的約二十倍。只看這速度就知道水比風力多出八倍的動力（POWER），而水蒸汽為風之速度20倍的三次方，會發出八千倍的力量。
然後又加上密度，空氣的密度在1氣壓時為1.29，水的密度為1,000，水蒸汽為74。把它乘上去，比較每一單位面積的出力，把風力當做1的時候，水力為8,400倍，水蒸汽（即火力發電）高達46萬倍之多。
由於具有如此大的能力，動力機關（即引擎之類）就可做的很小。而這就是產業革命的起源了。把能源密度高的東西集在一起，隨時隨地造出大的力量（POWER）出來，這是產業革命的由來。
以此形式，社會發展過來。不像過去的水力與風力必須侷限在固定場所才能獲得力量（動力），而是在任意的地方，你喜歡的地方就可製造出大的動力，這種熱機關（包括ENGINE（引擎）），就是現在的動力革命，今天的社會藉此支撐，世界的能源約90%之所以由化石燃料所供應之理由亦在此。如果再加上核能，世界的能源約97%由化石燃料及核能的熱機關所供應的理由亦在於此。
重要的是看清「再生能源」所具有的經濟的潛在可能性（POTENTIAL）有多大！？
有些人建議將再生資源好好地以各種方式加以利用，但重要的是看清它究竟有多大的經濟的潛在可能性。再生能源，的確其量龐大無比。然而如同前述，要把它變換為能源時，由於是稀薄的能源（即密度低），其成本相對地高昂。從這觀點上，要看出可以經濟的供應的量有多少才是頂關鍵的事。用“水力開發”來解說這一事實吧。
在水力發電中有一種「經濟的包藏水力」之想法。在初期階段有許多具開發潛能的資源量，但隨著開發的進展，條件好的地方越來越少。開發地點越來越往山上，上流移動，就像台灣的水力發電發展史，日本的水力開發亦然。推而廣之，不管是太陽光也好，生質能也罷，或者是風力發電，關鍵在可經濟的供應多少量？
此話怎麼說？的確一旦量增加，那麼太陽光發電用的CELL，風車的風車機…這些都因量產化而成本下降。不過由於條件好的地點愈來愈少，其設置成本漸漸攀升。如圖6所示，橫軸為累積引進規模，則在將來必定會出現一個最少地點（MININUM）以後費用就節節上升，從圖中可看出此趨勢。
實際上，從北方的北海道直到最南端的九州為止，日本曾調查各地方可設置太陽光的地點，結論為具有可引進如同目前之核能發電之規模的可能性。也就是4,800萬Kw。不過請各位冷靜地思考，核能發電每年有80%的時間可以全功率（出力）運轉，但太陽能發電每年只有12%的時間運轉。即使有同樣的裝置容量，能獲得的電力量只有核能發電的約七分之一而已。目前核能發電供應日本約35%的電力，而太陽光發電的潛在的供應能力，以發電量來說，只有它的七分之一，也就是頂多是5%（35/7）而已。
考慮如此的經濟性，而引進改良技術，針對再生能源，必須好好考慮它的經濟的潛在可能性（POTENTIAL）有多大？！
在這種情形，日本政府對新能源到底寄以多大期待？1999年的實績是佔全部能源的1.15%，2010年的期待值為約3.1%，並不很大（圖7）。並且一大半是垃圾發電（≒30%），及紙漿廢棄物（≒26%），都是使用燃料的設施，真正由太陽或風力提供能源的%並不很大。
要推廣再生能源須要很大投資。富足如日本尚且只能達到這種地步，何況台灣？！缺乏化石燃料資源的亞洲地區，與歐美具有不同的能源問題。在不透明的中東情勢之下，如何確保安定的能源供應是亞洲各國的能源方面最大課題。
在安全第一的前提下繼續推動核能發電應為台灣無法避免的選擇。盼有志之士多下功夫研討攸關台灣生死的能源問題。
「京都議定書」於2005年2月16日生效。它對台灣帶來的衝擊顯而易見。調整目前的能源政策（非核家園）已箭在弦上。畢竟正如法國的作家桑德克柔貝利所留下的名言：「We are not inheriting earth from own parents, we are just borrowing it our children」（這地球並非我們從雙親處承接，而是從我們的孩子們借來的）。
當我們思考能源問題與環境問題時，應認真考慮為了下一代我們該怎麼辦？
參考資料
HIROBA（廣場月刊）#308，內山洋司（演講稿）：關於今後之能源情勢，2003年9月由東北原子力懇談會發行。
