能源，環境與永續發展: 從「知」到「行」的挑戰 楊日昌 March 5, 2008

能源、環境與永續發展 從知到行的挑戰 如果我們把能源、環境與永續的議題分為兩個層面 … 「知」的層面:問題的觀察與分析，以及未來可能產生的災害與其嚴重性的模擬與推估 「行」的層面:如何在災害還沒有真正為人類帶來巨大衝擊之前，把它減緩以至徹底解決 2007年底美國前副總統高爾與聯合國IPCC獲得諾貝爾和平獎的意義 … 全球氣候變遷的危機已經為世人普遍接受 … 我們未來努力的方向必須從「知」向「行」轉進 這將是一個複雜度與困難度都不可同日而語的大挑戰。 RJ Yang Lecture Use Only

Things Go Exponentially 人類的發展一直是以幾何級數(exponential)的速度往前推進的 (dy/dt ~ y) 從亙古到大約200年前，time used to almost stand still … but it is flying now … Change ` Time  * Linear Scale RJ Yang Lecture Use Only

Kurzweil Law Kurzweil Law: “The speed of paradigm shift doubles every decade.” 它所代表的意義是: 過去三、四十年裡半導體科技的驚人進步，在今天的速度之下只需要十年就夠了。 那麼，下面五十年會帶來什麼樣的變化呢? S / S0 = 2 t - to 10 S = Speed of Paradigm Shift t = Time (Year) RJ Yang Lecture Use Only

我對能源問題的一些觀察 能源問題其實是化石能源(fossil energy)的問題；化石能源的現實(reality)是: 在可見的未來，我們人類都還必須倚賴它們。 固然，全球氣候變遷將會在未來帶來嚴重的災害；但這「未來」是我們在「現在」幾乎感覺不到的 。 每個人都用能源，因此很多人都認為他們很懂能源問題。但是真正瞭解這問題，知道它有多嚴重，多難解決的人卻是很少。 大部分人都同意應該要節約能源，也常埋怨為什麼大家都不節約能源，但卻很少要求自己要節約能源。 現在很多人都對能對源與地球暖化的問題琅琅上口，也有很多人沒事就對人「道德勸說」，但是卻很少人願意花那功夫去深入瞭解問題的複雜挑戰和思考具體可行的「對策」。 RJ Yang Lecture Use Only

我對能源問題的一些觀察(續) 光是設定十年、二十年後才需要兌現的「目標」，而不把重點放在「執行面」上是沒有什麼大用的。 現在科技發展得這麼快，超低能耗的新興科技產業又成長得這麼蓬勃，為什麼我們每年都要比往年耗用更多能源，排放更多二氧化碳呢? 從解決問題所需要的能源科技來看，我們同時擁有太多(擺在那裡沒人用)和太少(一旦開始用很快就不夠)的能源科技資源。 能源問題是一個環境問題，更是一個發展的問題，但它的根源乃是最最基本的「人性」，這也就是它為什麼這麼難解決的原因。 不論多困難，我們需要的答案，都只有在發展面、市場面裡才找得到。 RJ Yang Lecture Use Only

能源、環境與永續發展 授課內容綱要 Part I: 從「知」說起 Part II: 「行」的挑戰 能源危機 全球氣候變遷 探討問題的根源與dynamics Part II: 「行」的挑戰 減量對策與各項減量途徑 政策與策略工具 能源與全球氣候變遷:我國的獨特處境 能源、環境與永續發展:結語 RJ Yang Lecture Use Only

能源問題 RJ Yang Lecture Use Only

快速攀升的油價 資料來源: NMIMT RJ Yang Lecture Use Only

油價未來持續升高的原動力 需求面：新興工業國家需求的快速成長 供應面：供應風險的持續升高 2004年全球新增石油用量的百分之40來自中國。 在未來20年，中國能源需求的與二氧化碳排放的成長是全世界的百分之33與40。 中國一年需增加的發電裝置容量等於一整個英國的總發電量。 全球能源年用量成長率從過去20年平均每年百分之1.7升高到未來15年的百分之2.2 (McKinsey & Company)。 供應面：供應風險的持續升高 石油產業持續向國營石油公司集中的趨勢 產油國家的意願與生產能力的瓶頸 全球政治的不穩定性 RJ Yang Lecture Use Only

人類初級能源(Primary Energy)組成的 歷史趨勢 RJ Yang Lecture Use Only

全球初級能源的組成及其變化 (1973 – 2005) RJ Yang Lecture Use Only 資料來源: IEA KWES2007 RJ Yang Lecture Use Only

全球發電用初級能源的組成與變化 (1973 – 2005) RJ Yang Lecture Use Only 資料來源: IEA KWES2007 RJ Yang Lecture Use Only

全球終端應用的初級能源的組成 (1973 – 2005) RJ Yang Lecture Use Only 資料來源: IEA KWES2007 RJ Yang Lecture Use Only

全球石油的終端使用組成 (1973 – 2005) 資料來源: IEA KWES2007 RJ Yang Lecture Use Only

全球各地區核能使用的趨勢 (1971 – 2005) 資料來源: IEA KWES2007 RJ Yang Lecture Use Only

未來全球能源需求的趨勢 (2003 - 2020年) RJ Yang Lecture Use Only

未來全球能源需求成長的趨勢 (2020年) RJ Yang Lecture Use Only

石油儲量與生產量一覽 RJ Yang Lecture Use Only

化石能源使用年限 (已證實儲量，Proven Reserves) 石油 45年 天然氣 72年 煤 252年 資料來源: Oil & Gas Journal RJ Yang Lecture Use Only

全球「終極」原油儲量的估計 資料來源: IPCC AR4 WG3 4.8 RJ Yang Lecture Use Only

能源的真正問題是什麼? 能源供應的問題 … 能源真正的危機 … 其實主要是石油供應的問題 … 即使是化石能源，煤至少可以用幾百年，天然氣的已證實儲量還在年年成長。 油價雖然有持續上揚的趨勢，但現在能源費用佔企業與住戶總費用的百分比要比70與80年代低很多 … 而且油價能上漲的空間也還是與使用者能付多少錢，願意付多少錢有關聯的。 能源真正的危機 … 是二氧化碳排放造成的全球暖化與氣候變遷問題。 未來至少五十年裡，人類對化石能源的倚賴都不會有很大的改變。 我們對這危機到現在都還沒有真正具體可行的解決方案。 RJ Yang Lecture Use Only

全球氣候變遷問題 RJ Yang Lecture Use Only

全球氣候變遷的問題 大氣中的二氧化碳含量已經從工業時代前(1750年)的280 ppm成長到2005年的379 ppm。這成長主要是人為造成的。 人為二氧化碳主要來自化石燃料(約百分之80)與土地利用(約百分之20)。 大氣中甲烷(methane, CH4 ,主要來自農業與廢棄物發酵)的含量已經從工業時代前的715 ppb成長到2005年的1774 ppb。 大氣中氧化亞氮(nitrous oxide, N2O,主要來自農業)已經從工業時代前的270 ppb成長到2005年的319 ppb。 在1970與2004年間，全球溫室氣體排放增加了百分之70(從28.7到49 GtCO2e)。 RJ Yang Lecture Use Only

大氣中二氧化碳含量的變化 (Mauna Loa, Hawaii) 資料來源: NOAA RJ Yang Lecture Use Only

大氣二氧化碳的歷史趨勢 資料來源: US DOE, etc. RJ Yang Lecture Use Only

各類溫室氣體排放組成 資料來源: IPCC AR4 WG3 TS1b RJ Yang Lecture Use Only

主要溫室氣體排放趨勢 資料來源: IPCC AR4 WG1 FAQ RJ Yang Lecture Use Only

各溫室氣體排放源的分佈 資料來源: IPCC AR4 WG3 TS2b RJ Yang Lecture Use Only

人為溫室氣體排放的趨勢 (Giga ton CO2 equivalent per year) 資料來源: IPCC AR4 WG3 SPM1 RJ Yang Lecture Use Only

IEA 2030各排放源成長預測(Mt CO2) 2002 2030 交通運輸 5,999 10,631 2.1 工業 9,013 平均年成長率(%) 交通運輸 5,999 10,631 2.1 工業 9,013 13,400 1.4 電能 4,088 6,667 1.8 熱能 煤 2,086 2,413 0.5 油 1,436 2,098 氣 1,403 2,222 1.7 建築住商 8,967 14,994 1.9 5,012 9,607 2.4 495 356 -1.2 1,841 2,693 1,618 2,338 1.3 總和 23,979 39,025 RJ Yang Lecture Use Only 資料來源: IEA World Energy Outlook 2006

交通運輸: (未來二氧化碳排放成長最快的區塊) 資料來源: IPCC AR4 WG3 TS15 RJ Yang Lecture Use Only

全球各地區二氧化碳排放的趨勢 資料來源: IPCC AR4 WG3 4.6 RJ Yang Lecture Use Only

全球氣候變遷: 益發凝聚的共識 “Warming of the climate system is unequivocal, as is now evident from observations of increases in global average air and ocean temperatures, widespread melting of snow and ice, and rising global sea level.” UN Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC) Fourth Assessment Report 2007 RJ Yang Lecture Use Only

全球暖化的現象 二十世紀的後一半北半球的平均溫度極可能(very likely)是過去500年來最熱的50年，也可能(likely)是過去1,300年以來最熱的。 1995到2006這12年裡的11年名列1850年(開始有儀器測量)以來最熱的12年中。 1906到2005的100年平均每年氣溫升高率是攝氏0.74度，比1901到2000的百年平均升高率攝氏0.6度高百分之23。 1961年以來的量測顯示海洋至少3,000公尺的深度都有溫度的升高，造成海水的擴張與海平面的上升(大氣系統的升溫百分之80為海洋吸收)。 RJ Yang Lecture Use Only

全球暖化(Global Warming)的現象 資料來源: IPCC AR4 WG1 TS6 RJ Yang Lecture Use Only

未來暖化的預測 IPCC的數值模式計算顯示如果大氣二氧化碳含量加倍(double)的話，可能(likely)會升溫攝氏2.5到4.5度，而且極不可能(very unlikely)低於1.5度。 IPCC的針對各SRES (Special Report on Emission Scenarios)情境的計算都顯示未來20年全球平均溫度將以每10年攝氏0.2度的速度升高。 IPCC的數值模型預測從1990到2005年全球平均溫度將升高攝氏0.15到0.3度，實際量測顯示升高了0.2度。 IPCC預測在不同二氧化碳抑制目標之下，全球平均溫度在2100年將比現在升高攝氏1.0到6.3度。 RJ Yang Lecture Use Only

不同大氣二氧化碳含量控制目標 對地表平均溫度的影響 大氣CO2含量 (ppm CO2) 比工業時代前(1750年)的溫度升高 (攝氏) 最佳推算 極可能高於 可能範圍 350 1.0 0.5 0.6 – 1.4 450 2.1 1.4 – 3.1 550 2.9 1.5 1.9 – 4.4 650 3.6 1.8 2.4 – 5.5 750 4.3 2.8 – 6.4 1000 5.5 2.8 3.7 – 8.3 1200 6.3 3.1 4.2 – 9.4 資料來源: IPCC AR4 WG1 TTS5 RJ Yang Lecture Use Only

氣候變遷的影響: 海平面上升 暖化造成的海平面上升主要來自海水因暖化的擴張，以及冰河(glaciers)與山雪(snow cover)的融化。 全球海平面過去40年(1961 – 2003)以每年1.8 mm的速率上升; 從1993到2003這速率升高到了每年3.1 mm。二十世紀的100年裡，全球海平面共升高了0.17公尺。 上一個間冰河期( 約125,000年前)全球海平面約比二十世紀高4到6公尺。 IPCC預測在二十一世紀裡海平面將會升高0.2到0.6公尺(不同的假設情境)。 RJ Yang Lecture Use Only

海平面上升 RJ Yang Lecture Use Only

海平面上升 資料來源: IPCC AR4 WG1 FAQ5.1 RJ Yang Lecture Use Only

重大氣候災害 氣候變遷的影響: 對有調節氣候功能的大氣與海洋系統造成的擾動，是暖化最為嚴重的影響之一。 我們現在其實已經在經歷嚴重氣候災害，如El Nino，La Nina以及比往常頻繁得多的颶風，巨浪，海嘯，乾旱，森林火災等氣候相關的災難。 暖化的氣候將會使降雨與蒸發增加，對北美和俄國有益處，但對南亞、東南亞、熱帶拉丁美洲、以及非洲帶來壞處。 結果之一是更頻繁的乾旱 – 水資源的缺乏對全世界 80 個國家(全球人口的百分之40)現在就已經是很嚴重的問題了。 RJ Yang Lecture Use Only

全球災害頻率的成長 資料來源: Environment Times RJ Yang Lecture Use Only

棲息地的遷移 氣候變遷的影響: 大氣中碳含量如果加倍，全球三分之一的森林將被迫遷移；環境的壓力可能使許多種樹都遭受病蟲害的侵襲。 一些證據已開始明朗化:芬蘭的松樹已經在以每年40公尺的速度往冰原(tundra)生根；通常在溫水中棲息的蝸牛及其他軟體動物已經開始在北美的太平洋沿岸向北遷移。 RJ Yang Lecture Use Only

北極含冰量變化趨勢 資料來源: IPCC AR4 WG1 TS13 RJ Yang Lecture Use Only

探討問題的根源 RJ Yang Lecture Use Only

我們的能源永續危機 是從哪裡來的? 二十世紀的一百年裡，人類經濟活動擴大了40倍 (平均一年百分之3.7)… 如果這個速度不減緩(短期之內看不到任何結構性的原因它會)，人類經濟活動在下一百年裡會再成長40倍 … 兩百年裡，人類經濟活動擴大了1,600倍 … 300年64,000倍 … 這能持續下去嗎? 這就是為什麼我們面臨的問題叫「永續」問題的原因。 RJ Yang Lecture Use Only

JC Yang/ITRI 2000/5/1 能源永續問題的癥結： 一「圖」以蔽之 Average economic growth rates and energy efficiency improvement rates for six OECD economies between the year 1990 and 1997 RJ Yang Lecture Use Only

永續發展的 Governing Equation dematerialization rate = growth rate 物質減量率 = 經濟成長率 dematerialization rate (物質減量率): 每單位經濟產出所需耗用物質 (如能源，水資源，土地，各類礦產等) 的年遞減速率。 能源的 dematerialization rate: 能源密集度(每元GDP所需耗用能源量) 的年遞減速率。 RJ Yang Lecture Use Only

每年百分之一的能源效率提升: 是件好事嗎? 不只不是 … 而且就是因為它低於經濟成長率，所以我們今天才有全球暖化與氣候變遷這個大問題。 能源效率提升的速率必須跟經濟成長率一齊看才有意義。 對永續來說，重要的變數是「dematerialization deficit」(dematerialization rate與growth rate之間的差距)。 RJ Yang Lecture Use Only

能源密集度遞減率: 為什麼1%很難，但 5% 卻很容易? Growth and Energy Dematerialization Rates for China for the Years 1980-1995 RJ Yang Lecture Use Only

未來能源密集度走勢(2020年) RJ Yang Lecture Use Only

科技的雙刃 Remember「Dematerialization = Growth」? 不論在哪一個產業，新科技通常都會減低能源或物質的密集度，對環境的直接衝擊也通常比舊科技低 … 尤其是新興的資訊與通訊產業，其能源與物質密集度通常都比其他產業低一個 order of magnitude。 但新科技，尤其是高科技的問題是它們都是生產力與經濟成長率的主要推手 問題是在Equation的右邊。 RJ Yang Lecture Use Only

經濟成長能被放慢或停止嗎? 答案是「No」。 人類只要繼續在追求新知，在創新，在發明解決問題的更好方法，生產力就會提高，經濟成長就會發生；這是一個人最基本天性造成的問題。 經濟發展與成長是貧窮國家要達成永續的首要工作。 RJ Yang Lecture Use Only

貧窮國家的永續問題 全世界人口的三分之一生存在赤貧的邊緣。 每年四百萬兒童死於空氣污染（相當於美國與歐盟全年所有的死亡人數）。 另外每年四百萬兒童死於水污染（中國一年排入水體的污染量大於全部西方國家）。 世界上最嚴重的deforestation與表土流失問題都發生在貧窮國家。 女人與小孩是主要的勞動者（已開發國家女人比男人長壽8歲，在第三世界則短壽10到15歲）。 出生率居高不下（6億美元：一個火力電廠的污防設備，20個superfund整治計畫，一億個第三世界女子的節育經費）。 永續發展的重要核心理念之一必須是:富有國家必須要比自掃門前雪做得更多來協助貧窮國家發展才是在盡它們人道上的本份。 RJ Yang Lecture Use Only

人口成長與經濟成長: 那一個對永續的衝擊大? world economy and population growth between 2000 and 2050 (Year 2000 as 100) RJ Yang Lecture Use Only

已開發國家的環境現況 西歐今天的森林面積比五十年前擴大了百分之30。 美國Vermont， Massachusetts 和 Connecticut州在十九世紀中有百分之 35 是森林覆蓋，今天是百分之59。 在1980到1990十年間，美國的棉花生產成長了百分之41，玉米百分之20，麥子百分之17，但總體農業用地降低了5,600萬公畝，是美國總土地面積的百分之2.4，等於所有水泥覆蓋的都市面積總和。 荷蘭拆近年來除了許多堤防，並因此釋出了百年來工程師與海爭地總面積的百分之6從農耕地重歸為濕地與沖積林地。 RJ Yang Lecture Use Only

已開發國家的環境現況(續) 在1980年代的十年裡，主要美國城市的空氣汙染警告日數從每年600天降到300天。 在這十年裡，空氣中的鉛減低了百分之89，一氧化碳百分之 31，二氧化硫百分之27，一氧化氮百分之12。 在1992年，美國的下水道已經百分之百經過處理，西歐百分之72，地中海國家百分之 30，加勒比亞海國家百分之 10，其他國家百分之 2。 在 1970年，只有百分之 25 的美國河川符合Clean Water Act 的標準(可安全的釣魚和游泳)，1994年百分之 56。 RJ Yang Lecture Use Only

環境風險的排序:US EPA 1991 High risks Medium risks Low risks habitat loss JC Yang/ITRI 2000/10/30 環境風險的排序:US EPA 1991 High risks habitat loss species extinction ozone depletion global warming Medium risks agricultural chemicals surface water pollution acid rain airborne toxics Low risks oil spills groundwater pollution airborne radioactive particles acidic runoff thermal pollution US EPA Science Advisory Board, 1991 RJ Yang Lecture Use Only

能源、環境與永續發展 Part II 行的挑戰 減量資源與它們的可行性探討 再生能源 能源效率 核能 政策與策略工具的探討 電力需求管理(DSM) 再生能源證(REC) 排放許可權交易(ETS) 能源價格、稅、費制度 能源與全球氣候變遷:我國的獨特處境 能源、環境與永續發展:結語 RJ Yang Lecture Use Only