能源¶

能源，每日所需，儘管如此，我們暸解能源的起源嗎？我們常提的再生能源（renewable energy）指的是哪些能源呢？

本篇的完整說明，可以詳閱 Sustainable Energy - without the host air。

人類製造電力的方式基本上就是加熱水來轉動渦輪並進而透過電磁反應產電，這之中的例外就是太陽能的光電反應。

種類¶

大爆炸之後的十分鐘，宇宙開始冷卻，大量自由的質子、中子、電子開始冷靜下來，並組合成一些簡單的原子。這些原子中 90% 是氫而剩下的是氦。在這些原子達成一定的數量後，就會形成雲狀的原子群，在這原子群中，主要有兩種能量影響著他們。第一個是核融合，當兩個輕的原子整合成一個較重的原子的時候，我們稱其過程為核融合，這個過程會伴隨著大量的能量的釋出，而這個能量會轉化成新的原子的動能，加速其運動。第二個是重力，當兩個原子處於幾近真空的環境之下，環境的摩擦力趨近於零時，就會讓這兩個原子透過重力互相靠近和碰撞，而這碰撞就是造成原子群平均溫度逐漸上升的主因。

Gravity is the spark that enabled everything.

值得注意的是，在原子群之初，核融合發生的機率微乎其微。這是因為當兩個原子在不夠高的溫度下相撞，只會造成物理性上的碰撞，而要有可觀的機率能達成核融合反應的條件環境擁有約 10,000,000 度。換句話說，重力在宇宙之初，主宰著能量的產生。隨著超大量的原子彼此碰撞，就會形成適合核融合反應的環境，這時就會讓核融合造成的動力和重力的引力相互平衡，形成星星，或者說太陽。當核融合的原料被用完了之後，重力卻仍然存在於星星中就會導致物體的崩塌最後造成超新星（supernova，可能持續幾個月），並釋出大量的能量。由於這能量實在過於巨大（甚至可能和星星一生釋放的能量相當），將會進一步的組成宇宙中更重更大的原子，這些較重的原子飄散在宇宙中可能又會和氫、氦組成星雲（nebula）。

• 星星是怎麼來的？
• 能量怎麼來的？
• 核融合強度要足以支撐重力才能形成星星
• 更重更大的原子的形成原理有哪些？可以搜尋氦聚變的過程

有些星球不夠大，導致重力無法生成足夠的熱量讓原子進行核融合，但是又因為足夠靠近星星（或者說太陽），從而讓氫、氦這些小原子獲得足夠的熱量（動能）並逸出星球。經過一段時間後，較大的原子（例如碳、鐵）就會在這個星球中佔有很大的比例，同時又有足夠的氫以不同型態（例如水）保留在星球中，從而生成形形色色的環境，例如地球。

基礎能源由上述可知包含：

• 核分裂（nuclear fission）
• 核融合（nuclear fusion）
• 地熱（geothermal，重力展現出的一種能量）
• 太陽能（solar）
• 潮汐（tidal，重力展現出的一種能量）

其他能源便都是從這些基礎能源延伸而成，例如

• 風力，當太陽能產生熱力差就會形成壓力差進而形成風力
• 水力，透過水的蒸發至高處後由上而下的動力差形成水力
• 石油，植物利用太陽執行光合作用以便生存，最後衰退形成石油

這些延伸能源，因為熵的提高，進而降低整體的能量轉換效能，所以單就這點來說，基礎能源更能提供優質的能量。

人類能源的消費力¶

人類一年會使用多少能量？\(18 TW\)，包含發電（約 \(6 TW\)）、運輸、加熱、物理性發熱耗損。然而這是 2018（成書年份）的資料，所以時至今日，可能會有所差異。為什麼？這是因為人類的耗能會隨著時間遞增，儘管越來越節能的產品和運輸方式正不斷出現，開發中國家仍需要大量能量來完成國基的開發，而開發中國家和已開發國家的比例約為 10 比 1。

人類使用的能量中，各種發電方式又分別佔了多少？

核融合¶

目前人類比較可行的方式有兩種，而這兩種都是利用氫的同位素的碰撞並改變其質子和中子的組合，產生能量（因為「強力」被拆解而產能）：

• 透過氘和氚的碰撞（D-T fusion），較易發生融合
• 透過氘和氘的碰撞（D-D fusion），較難發生融合，但是不再需要氚

氘是相對常見的同位素，佔宇宙中氫的含量的六千四百分之一，換句話說，你在任一杯水中都看得到氘。相對而言氚的含量較少（這是因為他的半週期只有約 12 年），所以通常都是人工產生的。產生的方式是透過鋰和一個自由中子的碰撞。

核融合的真正魅力在於它的高比能，也就是每單位質量所具有的能量。舉例來說，燃燒石油是透過改變電子的分佈和速度（化學能）來產能，相對而言，核融合是透過改變中子和質子的分佈來產能，核融合和燃燒石油使用相同質量的原料，能產生的能量卻相差百萬倍。換句話說，一公斤的碳可能可以幫你煮一頓晚餐但是一公斤的核融合原料卻可以給予一百個人一生所需的能量。再舉個例子，現在你手邊的手機電池擁有的鋰（用來產氚）和你身體中的氘（約幾茶匙）就夠讓你使用超過十年的能量。

但是我們有這麼多的核融合原料嗎？以需要產氚的鋰來說，根據2022 年美國地質調查局所估計的，地球上的鋰約還有 2800 萬頓，這夠維持人類的耗能（\(18 TW\)）約一萬年，除此之外每公升的海水就會有 \(180\mu g\) 的鋰離子，換算起來約有 2000 億噸的鋰在海洋中。如果是氘的話，因為他是穩定的同位素，所以在大自然中的含量算高也就不必擔心原料不足的狀況，另外由於氘在化學上的功能和氫差不多，所以我們很可能可以把他從自然界中完全萃取出來，而不必擔心其可能會對環境造成的影響。

核分裂¶

目前核分裂在全人類產能（不含運輸和燃燒）的比例中約佔 10%。核分裂的產能方式是透過把一個大的原子（通常是鈾—235）打成兩個小的原子後，其產生的能量就可以用來加熱水，並依此帶動渦輪轉動產生電能。但真正讓核分裂和核融合在商業應用上有這麼大的差異在於核分裂很容易就可以發生卻很難停止，而核融合很難發生卻可以輕易中斷。

Fusion energy generation is difficult to start, but easy to stop.

Fission energy generation is easy to start, but difficult to stop.

當鈾—235被中子擊中並進行核分裂後會產生兩個小的原子加上三個帶著動能的自由中子，為了讓核分裂穩定的產能，會讓（機率上平均來說）其中一個中子再去打其他的鈾—235，這就是所謂的連鎖反應。這個機率上的一個中子其實是至關重要的，如果你平均讓 1.01 個中子去接著執行核分裂，就會讓整個連鎖反應快到來不及阻止，並造成溫度快速提升，艙內壓力過高而爆炸，這時就需要一些機制來降低中子去擊中鈾—235的機率，例如把中子的能量提高，讓他快到很難撞到鈾—235。

核分裂還有什麼問題需要解決？當鈾—235被分裂時，可能會產生不同的小原子，例如鎝，雖然產生的小原子的動能可以快速被轉成熱能（摩擦力），但是這些小原子本身可能是不穩定的，並且會隨著時間慢慢釋放這些能量，例如電子被釋放，造成高能電磁波的外洩。所以當一個核分裂反應爐被中斷後的一小時，他仍會持續釋放約 1% 的熱能，看起來好像很小，但這 1% 的熱量就是造成三哩島和福島電廠中反應爐被熔毀的原因。就算過了幾天，鈾—235被分裂後的產物，根據不同的原子可能會持續釋放這種能量至數百萬年後，舉例來說鎝平均每三十萬年（半週期）會釋放出兩個高能電子，而人體若吸收了這些能量，就會影響造成身體上的危害，所以我們需要個方法來存放這些物質至百萬年。

最後我們來看看核分裂的原料狀況。通常適合做核分裂的原子就是那些最重的原子，例如鈾。而鈾—235會被這麼廣泛地應用就是因為他只需要一個慢中子去撞擊就可以促發核分裂，另外一個同位素鈾—238就需要兩個中子階段式的撞擊才能完成核分裂：第一次是把鈾—238轉成鈾—239第二次才是促發核分裂，這稱為滋生反應（breeding reaction）。所以在分析原料時，就需要考慮這兩種元素。約有一千萬頓的 被發現且可被挖掘 鈾（實際含量可能含有約 1000 倍以上） ，但是鈾—235只佔其中的 1%，所以我們可以完全透過鈾—235的核分裂滿足人類所需約一百年，除此之外鈾也可以從海洋中萃取出來，若完全取用將可滿足一萬年的鈾—235的核分裂。如果使用的是鈾—238，就會是剛剛數量的一百倍，因為鈾—238佔比約是鈾—235的一百倍。由於鈾—235擁有很高的比能，其產能的成本約是全球產能平均的成本的 10% 而已。當透過海洋萃取鈾的成本（目前仍是開放研究）將會是從陸地萃取的三倍，即使如此，其成本也只會來到 20%。總的來說，核分裂還是能滿足我們人類對能量的需求，尤其是如果滋生反應的研究趨於成熟，對於鈾的要求就會降低。

地熱¶

地熱的形成是由於重力和大原子的放射與衰變，重力讓大量的物質相互碰撞摩擦形成熱，而大原子則來自於久遠以前宇宙中的超新星。若要使用地熱，我們通常會挖個幾公里深的井並透過其中的熱能（40 公里深的地表約有 600 度）來運轉蒸汽渦輪，然而地球的熱傳導實在太慢（約每平方公尺 0.03 瓦特），當我們把井邊的地熱都拿去發電後，逐漸冷卻的岩石要再次達到一定的熱度時就要經過很長的時間。

根據估計，地熱足夠支持我們人類的耗能，且將持續散發能量至一百億年後，但是不只是傳熱速度慢，地球有七成的面積都被海洋覆蓋，這也將成為地熱發電的一大困境。儘管有些地方（例如冰島）的地熱就在地表附近很適合發電，但是若要把這規模適用到全人類是非常困難的。

太陽能¶

太陽能透過太陽在表面執行的核融合發熱並釋放能量，這裡的核融合的主要原料不是使用氫的同位素，而是使用氫本身。雖然要讓兩個氫相撞形成核融合的機率只有 \(10^{30}\) 分之一，但如果太陽擁有超多且超密集的氫氣時，這種核融合就有可能發生，而核融合產生的動能最終就成為釋放至宇宙中的能量。

地球每年從太陽中獲得的能量約為人類所需的 5000 倍，也就相當於每平方公尺 200 瓦特，這其實滿合理的，因為一個一百瓦的燈泡能如同太陽般照亮約一平方公尺的地方。換句話說，我們只需從中使用不到百分之一的能量就可以滿足人類生活所需，更重要的是我們可以選擇該使用哪個地方的太陽能，這樣就不會讓那些本來就很少陽光的地方，變得更少陽光。但是太陽能也需要克服一些困難，太陽能的每單位能量所需的金錢仍是目前最貴的能源之一；太陽能是會中斷的，每天的晚上，每年的冬天都會降低太陽能的總量；太陽能的碳排放量雖是石油發電的十分之一倍但也是核分裂的三倍、風力發電的四倍，儘管其中的碳排放大部分都來自於生產過程，而非發電本身。

潮汐¶

潮汐代表的是地球自轉和月球重力間的牽引造成的能量釋放，要暸解這中間的能量轉換機制，必須要先暸解月球重力對地球造成的影響。月球會透過重力把靠近它的那一側海洋拉高，而另外一側又會因為遠離月球，所以重力造成的拉力會被減少而升高海平面。最終地球的海洋型態就會變成像是橢圓形的樣子。但是月球公轉的速度約是 30 天，而地球自轉卻是它的三十倍，所以這個橢圓形的海洋會因為地球自轉和其造成的摩擦力而稍微走得比月球快一些。進一步的說，地球自轉的速度會被月球拉慢，而月球公轉的速度則反過來被拉高了，這也造成月球公轉的距離越來越高（在相同的週期下，速度越快代表其運動的路徑越長，所以公轉的距離也越遠）。然而這種能量消耗依照目前的科技我們是沒辦法轉化的，相對的，我們能處理的就只有海洋在被拉往前時所消耗的摩擦力。

這個消耗的能量有多少？在 70 年代的阿波羅計畫中，太空人已成功在月球上放置鏡子，透過這個鏡子，我們可以用雷射去打到這鏡子然後計算其來回的時間差（利用精準的原子鐘），依此就可以計算出月球正以每年四公分的距離遠離地球，然後地球也正以每一百年增加兩毫秒的日照時間在降低自轉速度，然後根據角動量守恆，我們可以知道這個能量差就是相對應的能量耗損，大約是人類一年所需能量的 10%。這種能量通常被轉化成海洋的水流和漩渦，所以取得這能量的方式基本上和水力發電很像，我們可以建水壩或者川流式發電機來捕捉這些能量。

雖然現在並沒有很多潮汐相關的發電機，但這方法卻有一些優勢。第一，因為開發的少所以有很多空置的空間等待開發；第二，因為水力發電相關的技術很成熟，所以並不會造成研發上的耗時和耗材；第三，因為放於水面下，所以不會干擾到現有人類的居住環境，儘管相關的環評仍需要進行；最後，不像太陽能和風力發電那樣是間歇性的，其可以穩定且長期的提供能量。

風力¶

風的來源在於溫差，而溫度產生於太陽能，所以風力可以說是太陽能的產物，這時如果我們要算地球上風力的總能源量，就需要算太陽轉成風力時所需的耗損。熱力學中，有個有趣的公式：\(\eta \leq 1 - \frac{T_{C}}{T_{H}}\)，其中 \(\eta\) 就代表熱能轉換成動能的效率，而 \(T_{C}\) 是相對低溫的絕對溫度， \(T_{H}\) 是相對高溫的絕對溫度。以現行專業的蒸汽發電廠來說相對高溫的溫度約為 \(400^\circ C\)（約 \(670^\circ K\)），其和室溫（約 \(300^\circ K\)）的溫差可以讓他維持在 40% 的產能效率。很顯然的，地球並不是為了有效率地把熱能轉換成動能而被設計的，南北極和赤道的溫差只有約 \(60^\circ C\)，也就是轉換效率最高只有 5%，考慮到科氏力會提供風東西向的動能，所以地球的風並不是一路從兩極移動到赤道，而是被切分成三段的環流，其實際的效率可能只有 1%（根據相關的氣候科學論文）。

如同我們在太陽能中提到的，即使只有太陽能的 1% 也足以支撐人類所需能量的 50 倍，問題是地球的風力不像太陽能這麼集中，風力是散落在從地面到對流層之間的十公里間，這讓風力能提供的能量又更少了。值得慶幸的是，風力很好被收集且人類在數千年前就已經開始收集了，儘管如此，風力發電機（高約 100 公尺，也就是 10 公里外仍能被清楚看見）實務上仍受限於先天的條件。舉例來說，一台風力發電機能產出約 \(1MW\)（雖然在此提到的效率是 \(2.75MW\)，但考慮舊的機型而平均其效能的話）的能量，以美國一年所需的 \(3.1TW\)，如果為了要產生這個能量而平均散落在美國各處的話，你在任何一個地方就能看到有約 30 個風力發電機在附近，如果集中在同一處的話就需要佔用美國約十分之一的面積。

風力和太陽能一樣是斷斷續續的，不過值得注意的是，風在冬天會比夏天更強，這是因為赤道在冬天仍能保持相似的溫度，但靠近兩極的地方卻會顯著的下降，這導致溫差可以進一步的提升。這和太陽能正好相反，就可以達到相互補足的效果，但是總而言之，我們無法完全依靠風力發電來滿足我們人類所需的所有能源。

生質能¶

植物會儲存太陽能，只是會用醣類（\(CH_2O\)，例如葡萄糖是 \(C_6H_{12}O_6\)）的方式儲存。這之中的機制稱為光合作用，利用陽光的能量把從根部吸收的水分（\(H_2O\)，極少量的水可以透過葉子吸收）和空氣中的二氧化碳（\(CO_2\)）打散成為氧氣（\(O_2\)）和醣類。而所謂的生質能，就是利用由太樣能轉化而成的醣類（或其他物質，例如甲醇、石油）來發能。

要引發光合作用，需要太陽光中的 1% 的能量，問題是當這種能量再轉化成電能（例如蒸氣發電機）時需要再耗費至少一半的能量（也就是太陽光中的 0.5%），這時要提供給所有人類的能量時就需要 20% 非冰面的陸地。但這裡並沒有考慮到植物的種植、成長、收割、運送所耗費的能量，所以保守一點估計只會有約 0.1% 的太陽光被保留，這時我們就需要所有地面來種植植物並且燃燒這些植物以轉換成能量。

我們不太可能透過生質能來滿足人類所需的能量，除非未來可以在海上種植物（不考慮生態變異造成的影響），但是毫無疑問的，我們可以利用一些人類活動所產生的廢料（例如廚餘）來產生生物能量，並依此來避免能量的浪費。

化石燃料¶

化石燃料是透過前述的生質能（主要是海洋中的浮游生物而非陸地植物），以緩慢的方式轉化而成。一般來說，植物死亡後需要透過一些微生物來分解它，但這些過程是需要在有氧氣的環境下的，如果沒有氧氣（例如海洋底層和沼澤），就需要一些完全不一樣的方式來分解這些植物。舉例來說，煤（coal）就是一種化石燃料，它就是植物透過緩慢地厭氧反應轉化成泥炭（peat）後（這時的能量密度和一般的生質能差不多），在地底深處經過地質運動的高壓轉化成褐煤（lignite）然後才變成煤（石油的產生也類似），換句話說化石燃料是太陽能和地質運動這兩者的原始能量組成的。

化石燃料夠人類使用嗎？問題的核心就會變成，如果我們消耗它的速度慢於其生成的速度，就可以使用，一般公認我們還可以再使用化石燃料約數百年，但是這些化石燃料卻是透過約數百萬年形成的，也就是如果我們把目前消耗的速度再慢個一百倍就可以把化石燃料當成長期有效的資源。速度是個重要的因素，以氣候變遷為例，海洋現在的碳含量是開始使用化石燃料前的二十五倍，已經處於飽和的階段了，但問題並不是我們釋放炭的量，而是我們釋放炭的速度。海洋需要數千年來混合底層的水和表層的水，所以我們在這一百年所釋放的碳其實只融進海洋的一小段表層中。如果我們把燃燒化石燃料的速度慢下約一百倍時，就能讓地球有能力處理這些釋放的碳。

我們再來談談其釋放出的碳。現在煤（四成）和石化氣體（兩成）仍是世界發電的主要方式，為了降低其釋放的碳，我們可以透過 碳捕捉 來在這些碳釋放之前捕捉起來，其捕捉率約為 85%。問題是碳捕捉的經濟價值和捕捉到的碳的儲存方式，現在最常使用的碳儲存方式是把其埋進土裡，我們還不清楚這些碳（或者說二氧化碳）多久會釋放到大氣中，一般認為是一百五十年。當時候到了，這些碳仍然是我們需要處理的問題。再加上一些沒有碳捕捉的能量消耗（不是用來發電，例如汽車和工廠），就會直接釋放至大氣中，我們仍迫切需要一些新的產能方式。

水力¶

海洋或湖泊中的水在經過太陽能照射後，其中的水分子就有較高的機率（講人話就是溫度變高）掙脫表面張力並蒸散進大氣中，由於大氣（大部分是 \(N_2\) 和 \(O_2\)）比水分子（\(H_2O\)）還重，所以水分子會快速上升。隨著上升過程，溫度漸漸降低，水分子的運動速度降低後就很可能和其他水分子聚集在一起，當越來越多水分子聚集起來就形成水滴，並聚眾成為一朵雲。這個雲會因為上升氣流持續的保持在高空，當雲實在太重或者上升氣流降低，就會降雨。落下的雨就會因為重力，而富含能量。

人類一年平均可以獲得約一公尺的水量，把水分子的密度、總水量、雲朵的高度、重力的強度整合在一起所算出的能量確實足夠支撐人類能量的消耗，但是超過一半的水會被地表吸收或者重新蒸散進空氣中，所以我們實際可以使用的能量樂觀地估計只有其中的三成能量。最常見儲存水的位能的方式是建立水壩。但是在減少環境的迫害下，我們較可能利用川流式發電，不儲存水，而是只取得水的動量。在這個前提且樂觀的評估下替所有的河流裝上川流式發電機可以得到約一成的能量。

海浪¶

海浪是風在海洋表面的摩擦力促成的，由此可知其能量經過多次轉換後已經不多。要計算海浪能帶來的能量，我們需要幾個參數：海岸線長度（\(10^5 km\)）、海浪速度(\(10 \frac{m}{s}\))、海浪高度（\(1m\)）、海的密度、重力，樂觀地算出總能量約是風力的五百倍分之一也就是人類所需的十分之一。

目前人類使用海浪並不成熟，例如 Pelamis 就是在海岸邊製作一條長長的浮標，當浮標漂起，就會帶動海下的圓柱體動力機並產能，這種產能方式可以幫助一些離島自主的產能，但是仍無法幫助大部分人類解決能源問題。

間歇性能源¶

上述提到的太陽能和風力雖然很有潛力成為好的能源替代，但都會因為日夜、季節而有所變化。如果我們可以在這之中找到一個有效率的方式解決這問題，無疑會給再生能源的進程提供一股推力。目前我們仍沒辦法有效的儲存大量能源，所以一般來說發電廠會分別扮演兩種角色，一個是提供穩定的能量（例如煤炭和核能），一個是能夠快速但較少量地提供能量（例如天然瓦斯和水壩），如果要讓再生能源蓬勃發展，我們勢必需要個方法來透過再生能源做到這兩個種類的需求。

我們可以透過 Agora Electricity Data 來找德國的相關的能源消耗比例，並依此來分析討論。而之所以選擇德國是因為他們已經開始花費大量時間和經費去研究再生能源，所以很適合當作研究前緣標的。

可以看到太陽能（黃色）是個低容量因素的能量源，每到了晚上就會讓發電量降至零，這是可預期但無可避免的。 我們可能可以透過電量儲存，來讓白天的電供給晚上，不過儲能相關細節討論留到下一段落； 除此之外某幾天太陽能的發電量相對來說較低，可能是因為下雨、陰天、霧霾，這種狀況就很較難預測但是卻有其他方式可以處理。 例如把太陽能發電總量提高到所需的兩倍，當發生陰天時效率減半，仍可以提供我們所需； 或者我們可以分散太陽發電站，因為很可能這裡是陰天但另外一邊是大太陽，這時就可以透過電網把多餘的電輸送給陰天的地區； 最後我們可以要求陰天的時候讓耗電量降低（例如關掉冷氣）。

相對於太陽能，風力發電（藍色）比較不會受日夜的影響。 風力發電雖然是個相對較高的容量因素能源，但是其卻很難預測其高低峰。 我們可能可以利用風力較不受日夜的影響而把它當成太陽能的夜晚備用方案，這種做法其實相較於儲存電能至夜晚更有效率，這個差異在待會我們把尺度放到一整年會更明顯。

在德國，太陽能的發電量到了冬天會是夏天的六分之一倍，其對應方式其實和陰天的處理方式很像，只是量尺需要放大一些。 例如我們需要安裝太陽能發電站到夏天所需的六倍，如果加上處理陰天，就是十二倍的量； 另外我們可能可以建立一個南北半球的輸電線，當北半球進入冬天之後，就利用南半球的太陽來把發電送往北半球； 最後就如前面提到的，風力和太陽能相反，冬天的風力比夏天的強約三倍 （如同我們在風力提到的，冬天赤道和赤道以外的溫差較高）， 這時我們可以讓兩者的發電形成互補。

最後我們統整出四種方式來解決間歇性能源的問題：

• 儲能系統
• 需求控管
• 跨區域電網
• 增加備援以提供超過所需的能量，這方法不經濟，我們就不討論之了。

當然如同許多事情一樣，最好的做法通常來自於整合眾多可行作法。

儲能系統¶

以德國為例，儘管風力和太陽能之間有彼此互補的關係，然而根據估計我們仍需要每天儲存 25~30% 的能量來供應夜晚的低峰期， 5~10% 的能量來供應冬天的低峰期，而這個估計結果也同樣適用於美國。

最常被使用的儲電機制是利用水位差，也就是當製造多餘的電能時，透過馬達把下游水庫的水送往上游水庫，這時電能就會被轉換成重力位能差，這方式的整體能量轉換率為相當高的 75%。 然而即使我們把地球上所有河流和湖泊的水都往上抬昇 30 公尺來儲存位能差¹，也不足以滿足人類一年所需的 5%，這也回應了我們前面說水力僅能供應約人類所需的 10%。 因此在大部分地理環境中水力沒辦法滿足我們儲能的需求。

我們也可以透過熱能來儲存能量，把多餘的電能用來加熱地底約五公尺的岩石層到約 \(50^\circ C\)。 由於岩石的低導熱性，我們發現一立方公尺的岩石可以儲存約 \(10^8J\) 的能量，換句話說，我們只需要 0.1% 的陸塊面積就能儲存 5% 人類一年的能量。 但是，透過熱能製造電力的能量轉換率會受到溫度差的影響，也就是這方法的能量轉換率並不高，幸運的是我們不需要把它轉為電能，我們可以直接使用這個熱能來幫我們度過寒冷的冬天（冬天保溫所需的能量約佔全人類耗能的 10%），同樣的方式也適用於儲存冷氣然後把它放到夏天來使用。

另外一種值得注意的解決方案是鋰離子電池²，這個近幾年取得許多重要突破的技術。鋰離子電池的優勢不只是高電能回收率（大約為 80~90%）還有他的低成本。 以 2022 年特斯拉 PowerWall 的零售價 7500$ 為例，可以儲存 \(13.5\; kWh\) 的能量並保證運作十年，假設每天都回充一次就可以儲存約 \(3650 \times 13.5=49,275\; kWh\) 的電量，也就是每 kWh 約 0.15$（約 4 塊台幣），這幾乎和發電的成本相同，在這樣划算的價格下很多商業和家庭式的儲能機制都選擇使用這種方式，雖然看起來是個簡單的運算，但這結果和相關細部運算得出的太陽能日夜儲能成本相差不多。 但是鋰離子電池有個大缺點，就是他只適合小範圍和短期的儲能，我們沒辦法讓每個家庭都放一個鋰離子電池也沒辦法利用它儲存夏天的能量以利冬天使用。

不能適用於全球的原因是鋰在土地的存量估計只有 2800 萬頓，如果以 1 克的鋰能儲存 4000 焦耳的能量來看，我們需要約 60 億噸的鋰，儘管海洋中有 2000 億噸的鋰，但是我們只能萃取海洋表層的量，之後就要等一千年來讓底層的海水混合上來。 除此之外透過海洋萃取鋰是個尚未成熟的領域，故而將毫無疑問地提高鋰離子電池的成本。 之所以不能適用於長時間的儲存則是因為其先天的只能存活約十年，當超過這個年份時，就會大大的降低其能儲存的電量，如果我們一年只用一次電池，上述所計算的成本將會需要乘以 365 倍，很顯然地將不符合成本。

其他可能的方式例如熔鹽（Molten Salt）可以把熱能保存在物質的液化狀態中，但只適合大型發電廠且成本比上述的成本高數倍； 壓縮空氣（CAES）至液體後再讓其轉成氣體時就可以利用風力發電，但是效能轉換率很低； 超電容（Super-capacitor）也是一種儲存電能的方式，但是也是效率過低； 飛輪（flywheels）透過維持動能來儲存能量，它可能很適合使用在汽車上，當煞車時，讓該動能透過飛輪保存起來，起步後釋放出來，但是若用於電能則是處於研究階段也就是會有很高的成本。

需求控管¶

需求控管讓機器或設備在電力產能較低的時候減少所需的電量，有些設備甚至不介意短時間（數小時）的停電，例如冷氣、水泥碾磨機、海水淡化系統。 我們通常可以藉由提高低產能時期的每單位能源的價錢來誘使企業或家庭來減少能量的使用。 前面所提的儲能系統其實就是需求控管的一種實踐，透過把高峰時的能量儲存起來，在低峰時不靠外界，而是使用內存的能量來運作。

目前在需求控管的機制上，大部分仍是僅允許短時間的停電，如何適應冬天或雨季這種長達數天甚至數月的低產能（例如太陽能）時期，仍是一大挑戰。

跨區域電網¶

跨區域電網其實滿直觀的，我可以把撒哈拉沙漠的太陽能輸送至歐洲或非洲各地（例如 DESERTEC），甚至當北半球進入冬天時，就把南半球的電能輸送至北半球（透過高壓直流來輸送）。

高壓直流的實踐

不僅是 DESERTEC 有在用，在中國，也已經開始大量部署，詳見中國國家電網。

儘管跨區域電網看似是解決間歇性能源問題中最能被實踐的部分做法（以太陽能來說，他仍沒辦法處理白天晚上的差異），但他也是最有政治障礙的做法。 生產能源的成本是所有已開發國家中最大的投資之一（以臺灣為例，政府 110 年歲出為 2 兆左右，但是臺電在該年度約花了 7000 億來生產電能），擴增電網代表需要投資大量金錢在國外並壓縮國內生產電能的預算，除此之外還會讓自己高度依賴於其他國家的政治穩定度。 換句話說，任何電線經過的國家都有能力讓你的國家電力中斷，並且還可以是長期的中斷。 其他方案如水下電纜，其成本仍高到沒有足夠的經濟效益。

結語¶

一般來說，上述提到的能源除了核能和石化燃料都屬於再生能源，或者說可以足量地補充（補充的速度大於消耗）的能源都屬於再生能源。但是我們也討論到了並不是每個再生能源都足夠我們使用，例如水力，就算我們接下來把全世界的水力發電廠都拿來持續發電五十億年，他所產生的能量都抵不過目前預估的所有石油能產生的能量。除此之外，並不是說再生能源就會對環境比較友善，例如太陽能，即使太陽能電板未來 20 年讓它穩定發電，它在工廠製造時所產生的二氧化碳仍是核能每單位能量所產生的二氧化碳的三倍。

當我們在選擇使用的能源時，我們需要考慮的不僅是他是否屬於「再生能源」，在上述討論中也提到很多能源的優劣勢，這些都是在選擇時可以放到檯面上讓大家去考慮的面向。

我們根據上圖各個能源的蘊含量，加上前面提到可能的可行擷取方式，我們可以得出下表的總結。

依照這些資訊，我們可以得出未來人類能源發展的主要三個面向：

• 核融合的研究：核融合研究屬於前瞻性研究，也就是儘管你付出的很多，很可能最終卻沒有什麼有價值的回報。但是當有成果時，這個收穫卻非常巨大，你將擁有一個安靜、可靠、高效且可以低成本地接管現有石化燃料發電廠的大部分器材的能源。
• 優化再生能源的擷取效率和成本：再生能源的間歇性，讓我們很難只依靠單一能源。太陽能擁有很高的能量密度，卻有週期性間歇的問題，我們可能可以利用風力來彌補，但仍需要靠一些手法來滿足需求，例如儲能、擴增電網、讓機器聰明的使用能源（例如用電大戶白天用電）。
• 大膽地繼續採用核分裂：-儘管核分裂能發電廠屬於最安全的發電設施之一（每單位能量造成的傷亡人數很低），但大眾對於他的恐懼從未平息。未來滋生反應的核分裂必然會有所進展和實踐，但是當意外無可避免地發生時，我們需要努力讓災害發生時的範圍限縮在我們提出的承諾中。最後核分裂的發展會加速核武器的擴增，這也是此技術帶來的重要且不幸的副作用之一。