815全台大停電，你搞清楚發生什麼事了嗎？

我們的能源從哪裡來、往哪裡去？

全球每年對能源的需求量相當巨大，若用「瓩時」──即一度電這樣的度量單位──來表示會出現天文數字，因此改用「太瓦時」（TWh）來表示，太瓦時等於 10 億瓩時。

在一八〇〇年，全球約有 10 億人口，當時對能源的需求約為 6000 太瓦時；而且幾乎全部來自傳統的生質能源。到了二〇一七年，全球人口達到 76 億，發電量增加了 25 倍（156000 太瓦時）。

下圖顯示在二〇一七年全球主要能源消耗總量的百分比，其中近 8 成為化石燃料。其他再生能源包括風能、太陽能和地熱能，其中成長最快的是風場和太陽光電場。生質能源則主要來自傳統生質能源。

大約有 1/3 的全球能源消耗在將化石燃料轉化為電力和精煉燃料上。

剩下的稱為最終能源需求（final energy demand），是指用戶消耗掉的能源：每年約 10 萬太瓦時。

大約有 10％ 是來自開發中國家傳統生質能的熱，22％ 來自電力，38％ 用於供熱（主要來自化石燃料） 30％ 在交通運輸。熱能和電能主要都是用於工業和建築。汽油和柴油幾乎提供了所有用於運輸的燃料。

怎麼做比較不浪費？能量轉換效率大比拚！

我們看到供熱與供電一樣重要。兩者都可以用瓩時為單位，也就是一度電來測量，雖然電可以完全轉化為熱量，例如電烤箱，但只有一小部分以熱能形式存在的能量可以轉化為電能，其他的必然會散失到周圍環境裡。

在火力發電廠中，存在於化石燃料中的化學能會在燃燒後轉化為熱能。這會將水加熱，產生蒸汽，蒸汽膨脹推動渦輪的葉片，轉動發電機。只有一部分熱量被轉化成電力；其餘的熱量在蒸汽冷凝，完成循環時，就轉移到環境中，成了殘熱。

這份熱電轉化的比例可透過提升高壓蒸汽的溫度來增加，但受限於高溫下鍋爐管線的耐受度。

在一座現代化的火力發電廠中，一般熱能轉化為電能的效率約為 40％。若是在較高溫的複循環燃氣發電機組（combined cycle gas turbine，CCGT）裝置中，這個比例可提高到 60％。

同樣地，在內燃機中也只有一小部分的熱量可以轉化為車子的運動能量（動能）；汽油車的一般平均效率為 25％，柴油車則是 30％，而柴油卡車和公車的效率約為 40％。

另一方面，電動馬達的效率約為 90％，因此電氣化運輸將顯著減少能源消耗。這是提高效率和再生能源之間協同作用的一個範例，這將有助於提供世界所需的能源。

再生能源的過去跟未來

在十九世紀末，水力發電的再生資源幫助啟動了電網的發展，在二〇一八年時約占全世界發電量的 16％。而在再生能源──風能、太陽能、地熱能和生質能源──的投資上，相對要晚得多，是在二十世紀的最後幾十年才開始。

起初的成長緩慢，因為這些再生能源沒有成本競爭力還需要補貼。但隨著產量增加，成本下降，它們的貢獻開始增加。這些其他再生能源發電的占比已從二〇一〇年的 3.5％ 上升到二〇一八年的 9.7％，包括水力發電在內，再生能源的總貢獻量為 26％。

不過，就全球能源的占比，而不是僅只是考慮用戶消耗的電力來看，再生能源僅占約 18％，而傳統生質能則提供約 10％ 的能量。隨著太陽能和風能的成本在許多國家變得比化石燃料更便宜，它們在總發電量中的占比有望在未來幾十年顯著增加。

這世界花了很長的時間才意識到這一事實，從現在開始，再生能源勢必將成為主要的能源來源。

——本文摘自《【牛津通識課02】再生能源：尋找未來新動能》，2022 年 6 月，日出出版，未經同意請勿轉載。

• 本文摘自柿子文化出版， 尼古拉‧特斯拉，《被消失的科學神人：特斯拉親筆自傳》。

編按：尼古拉・特斯拉（Nikola Tesla）是上個世紀的偉大科學家，諸多發明和發現，廣泛應用於後世——旋轉磁場、第一台交流電發電機、特斯拉線圈、第一台無線電發射機、Ｘ-ray攝影技術⋯⋯然而在科學作為「謀利工具」的爾虞我詐的市場，特斯拉不敵當時代的競爭對手（如騙術百出的愛迪生電力公司），而顯得沒沒無聞。

近年特斯拉的生平及貢獻重新受到重視，以下為特斯拉自傳中的童年的回憶，讓我們一起看看這位鬼才科學家童趣視野。

搬家對我來說就像是一場災難，要跟舊家的小動物們分離，讓我傷心不已，其中有鴿子、小雞、綿羊，以及隊伍壯觀的鵝群，牠們總是在清晨時分昂首向天朝著飼養場前進，在日落時分排成戰鬥隊形從飼養場回來，那整齊劃一的隊伍，足以讓當今最精良的空軍連隊自慚形穢。

然而，到了新居，看著窗簾外的陌生人，我感覺自己就像是蹲苦牢的囚犯。我是個非常靦腆的小孩，寧願面對一頭獅子，也不願跟那些穿著入時、遊手好閒的城市紈褲子弟打交道。但是我最嚴峻的考驗發生在星期日，這一天我的服裝儀容必須保持整潔，還要參加教會禮拜的服事。

教堂禮拜闖禍，不受歡迎的兒童

有一次我不小心闖了大禍，即使事情過去了那麼多年，只要一想到當天的情景，依舊會血液像陳年優酪乳般凝固那樣地感到心驚膽跳。那是我的第二次教會驚魂記，在那之前不久，我才在一間教堂裡被困了一晚，教堂座落於人煙罕至的深山，一年只去造訪一次。那確實是一次恐怖的經歷，但是第二次的遭遇更糟。

城裡有個女富豪，她是個好人，但喜歡擺架子。她總是盛裝打扮上教堂做禮拜，臉上畫著精緻的濃妝，裙襬拖得老長，有一群僕人隨身服侍打理。某個主日，我一敲完教堂鐘樓的鐘，便急匆匆下樓梯，恰巧碰上這位貴婦大搖大擺走出來，我一個箭步正好踩到她的拖裙。

接著，響起一陣撕裂聲，聽起來就像是技術生疏的新兵射擊發出的槍響，她的裙襬當場被硬生生地撕裂。我看到父親氣得臉色鐵青，他打了我一巴掌，雖然不是很用力，但這是他第一次體罰我，我到現在都還能感覺到那一巴掌在心裡的力度。我覺得很丟臉也很困惑，筆墨難以形容當時的心情。

經過這次事件後，我等於是社區裡的不受歡迎人物，直到後來發生了一件事，我的名譽才得以平反，使得大家對我另眼相看，重拾尊嚴。

敏銳直覺讓他重拾尊嚴！

一名年輕創業家組織了本地一支消防隊。他採購了全新的消防車和制服，還計畫做一次消防演練和遊行展示。所謂的消防車其實就是一具消防泵浦機組，由十六個壯漢共同操作，並漆上美麗的紅色與黑色。一天下午，官方測試正在準備中，消防機組被運送至河邊，全城的人都蜂擁到河邊想要一睹壯觀的演練場面。所有致詞和儀式都告一段落後，長官下達命令啟動泵浦，但是噴嘴卻噴不出一滴水，現場的教授和專家也束手無策，找不出問題所在，眼看演練就要失敗了。

我當時還沒有任何機械方面的知識，對於氣壓沒有一點概念，但是直覺告訴我是河中的抽水軟管出了問題。我走近看到它塌陷在河中，於是下水將它打開，大量的水突然湧出，將我身上所穿的主日服噴濕了一大片。

阿基米德沐浴時發現浮力理論，當他赤身裸體奔跑過義大利敘拉古（Syracuse）街道，聲嘶力竭高喊「我找到了！」（Eureka）時所引起的騷動，還遠遠不如我當日受到的矚目，那一天我成了英雄，被人們扛在肩膀上，接受群眾熱烈的歡呼。

捕鴉冠軍手，引來鴉群動怒！

我們一家人在新居安定下來後，我進入師範學校開始了一個四年制的課程（即基礎小學教育），為進入大學或是文實中學（Real Gymnasium，一種中等教育體制，一般為五年級至十年級，高等文實中學則約為高中，但都較偏實科）做準備。這段時期，我仍然繼續我的孩子氣發明，當然也繼續製造麻煩。

此外，我還博得了「捕鴉冠軍手」的響亮名號。老實說，我的捕捉方法很簡單──進到樹林後，便躲在灌木叢後面，模仿烏鴉叫聲。通常，我會先得到幾聲回應，不久之後就會有一隻烏鴉飛到我附近的灌木叢。接下來要做的，就是把一片紙板朝牠丟過去，藉此分散牠的注意力，趁牠飛走逃脫之前，趕緊跳出來捉住牠。然而，一次意外事件讓我不得不對牠們另眼相看。

有一天，我捉到了一對漂亮的烏鴉，正當我和朋友一起往回家的路上走，準備離開樹林時，數千隻烏鴉突然群集在我們頭頂上空，發出恐怖的聒噪聲。幾分鐘後，牠們做出攻擊態勢，將我們兩個團團包圍起來，一開始我還覺得有趣好玩，直到後腦勺遭到一陣攻擊，把我撲倒在地，才覺得不對勁。接著，牠們朝我猛烈攻擊，我只得把捉到的兩隻烏鴉釋放。儘管如此，我還是開開心心地跑去跟朋友會合──他早已經躲到洞穴中藏身了！

被責罵的嗜好，成就偉大的水力發電廠

教室裡有一些讓我感興趣的機械模型，把我的注意力轉到了水渦輪機。我動手製造了許多水渦輪機，從操作中感受到巨大的快樂。若要形容我的人生際遇是何等奇妙，也許可以從這一個小插曲窺見一斑。我的叔叔不喜歡我這類消遣嗜好，所以我不只一次受到他的責罵。

我曾在書中讀到關於尼加拉大瀑布的描述而為之深深著迷，並在腦海中勾勒想像利用它的澎湃水力運轉的巨大渦輪，我告訴叔叔我將來有一天會去美國實現這個計畫。三十年後，我看到我的發想在尼加拉大瀑布實現成真（一八九五年，特斯拉為美國尼加拉水力發電廠製造發電機組，至今仍是世界知名的水力發電廠之一），也讓我對心智奧祕的深不可測驚歎不已。

——本文摘自泛科學2020年12月選書《被消失的科學神人：特斯拉親筆自傳》，柿子文化，2019年01月。

• 文/廖英凱

本次的系列文章中，我們討論了燃煤發電的三個重要的階段，包含前處理、燃燒過程和燃燒後處理。在本文中，就讓我們來認識設置於北台灣，擁有最新超超臨界技術的林口電廠的過去、現在、以及未來吧。

回首來時路：蓋建築前先蓋電廠是常識吧？

1960 年代，伴隨台灣工業起飛的用電需求攀升，台灣電力公司在台北縣林口鄉（現為新北市林口區）下福里的海邊興建了林口發電廠，廠內設置了兩座裝置容量各為 300 MW 的燃煤與燃油機組，為當時單一機組裝置容量最大的發電機組。1970 年代，能源危機使原油價格飆漲且供應不穩，林口電廠將燃油機組改建為燃煤機組以降低發電成本並提升能源穩定。由於燃煤機組不適用於尖峰時期的電力負載調度，1998 年，林口電廠另增設了兩座裝置容量各 150 MW 的天然氣／輕油雙燃料氣渦輪發電機。至 2011 年間，林口電廠可提供 900 MW 的電力，約為當時台電總裝置容量的 2%。

由於機組使用年限已逾 40 年，2005 年起林口電廠「先建後拆」的方式，於廠區空地開始規劃興建兩座裝置容量各 800 MW 的超超臨界燃煤機組；並於 2011 年將林口電廠的既有四部機組開始除役； 2016 年與 2017 年，新的兩部機組開始商轉供電。同時，於原機組拆遷後的空地興建第三座 800 MW 超超臨界燃煤機組，預計於 2019年商轉供電。屆時林口電廠將可提供 2400 MW 的裝置容量（註：中火燃煤為 5780 MW；大潭燃氣為 4984.2 MW）。

這煤很純，不來一點嗎（？）

煤炭的使用歷史悠久，自人類進入工業化時代，煤炭與工業的發展、與近代文明的進展高度相關。由於礦藏分佈世界各地且儲存容易，而使煤炭價格低廉且供應穩定，特別適合大型工業與發電業使用，在全世界的能源消費中，大約佔了 28%^1,2，僅次於石油的消費。在台灣的情境中，台電所屬的燃煤電廠，每年也約消耗了 3000萬公噸的煤炭。

雖然煤炭的主要成分是碳，但仍含有氫硫氧氮等元素，這是由於煤炭是古代植物的化石，經由長時間的生物與地質作用碳化而成。不同地區的煤礦碳化程度不同，依碳化程度由低至高，常分類為為泥煤、褐煤、亞煙煤（次煙煤）、煙煤（生煤）與無煙煤。由於碳化程度越低，雜質也越高，而容易在燃燒後產生氣體污染。例如，煙煤的碳含量大約是在 69% 至 89% 之間³；而無煙煤的碳含量則提高為 86% 至 98% 之間，其餘的雜質則為水、空氣、氫、硫、氮等物質組成。這些雜質導致煙煤的燃燒，比起無煙煤會產生更多的煙、氣體污染，且熱效率也較低。不過值得一提的是，含碳量略低於煙煤的亞煙煤，雖熱值較低，但因硫份也較低而較少污染。

因此，近幾年有部分地方縣市政府，試圖制定禁燒生煤條例或停止核發「生煤許可」，就是希望能避免燃燒雜質較高的煙煤，而加劇空氣污染的程度。只是由於越高品質的煤炭成本也會隨之提高，產量也較少，實務上燃煤電廠仍多使用亞煙煤與煙煤作為燃料，而高品質的無煙煤則較常見於家用燃料或暖氣，應用在無法裝設過濾與環保設施，且與人類生活更為接近的使用方式。

一約既定，山海難阻

由於煤炭需全部仰賴進口，煤炭的供需除須兼顧供給穩定與經濟效益以外，進口煤炭也應考量煤炭的成份以降低污染或提升效率。台電目前進口煤炭的國際合約，主要為印尼與澳洲，占總進口量的八成以上，其餘少部分則進口自俄羅斯、美國與哥倫比亞等。採購的種類則為亞煙煤與煙煤，並針對煤炭的熱值、水份、灰份與硫份訂定品質標準。

以主要進口國印尼和澳洲為例，印尼煤的熱值較澳洲煤低，代表電廠燃燒印尼煤的的發電效率較低，但澳洲煤的灰份與硫份卻比印尼煤高，使燃燒廢氣的污染較為嚴重，因此實務上當煤炭送進煤倉存放後，還會根據不同產地、批次的成分差異，以適當的比例混用入鍋爐燃燒，以同時達到燃燒效率與污染控制。

仰賴海運進口的煤炭，也需要有港口疏運的配合。雖然自 2015 年起，林口電廠已設置了專屬的卸煤碼頭接收來自各產煤國的煤炭。但如果行經林口電廠附近，會發現仍有部分閒置的鐵軌與鐵路設備。這條已停用的「桃林鐵路」，是 1968 年，為搭配林口電廠新建而設立的專屬運煤鐵路，連接林口電廠與桃園火車站以銜接西部縱貫鐵路，而能載運來自台中港的煤炭，至 2012 年底鐵路停用為止，提供了每年 160 萬噸，3000 車次的 40 餘年運煤歷史。

2012 年底桃林鐵路停用後，林口電廠並未停止營運，而是改以台北港接收煤炭後，再以濱海公路的卡車運輸進廠。然而火車每車次運量約 500 噸，但卡車僅有 23 噸。使公路運輸期間，每天須從台北港轉運 200-250 車次的卡車，才能滿足一台新機組每日 4600-5750 噸的燃料需求。對於規劃中最終將有三部機組，預計每年最高可至 630 萬噸的用煤量來說，公路運輸除交通上完全無法負荷以外，也會增加煤塵溢散的空汙問題與運輸轉運的能源消耗。因此，專屬的卸煤碼頭與密閉式的輸送系統，正可以確保輸送的穩定、效率與避免污染。

• 延伸閱讀：煤炭有幾種？可以洗乾淨嗎？──煤的旅程（一）前處理篇

台灣還需要林口電廠嗎？

儘管污染防制與管理的技術與思維可以不斷精進與投入，但相較起眾多發電方式，燃煤電廠對於環境的影響仍相對較大。對於燃煤電廠新建或營運的顧慮，在可預期的未來也必然存在，然而所有的工程開發本為權衡輕重後的選擇。因此，有必要來簡略盤點對於當代台灣，我們還有哪些需要林口電廠的理由。

回到燃煤發電的本質，若未來沒有更為嚴苛的碳稅等政策工具的制定，則燃煤電廠仍因燃料取得容易，而擁有價格低廉與較天然氣相對穩定的誘因。從燃料的運送與儲存角度來看，煤相比起石油、天然氣、核燃料來得更容易儲存及運送，林口電廠目前規劃的煤倉，就能提供電廠 30 天以上的安全存量，相比起天然氣安全存量在 2019 年僅有 7 天，預計至 2027 年才提升至 14 天。此外煤炭也沒有天然氣供應鏈中的外洩問題⁴。因此，雖然燃煤欠缺負載調度的能力，但其低廉與穩定的特性，對於在選擇基載發電廠時，燃煤絕對具有相當大的誘因。

若回到台灣各區電力供需的狀況來看。長期以來北區均處於供不應求，而須仰賴中區的電力調度至北區。預估在 2025 年時，北區的電力需求為 14-15 GW（註：1 GW = 1000 MW），約為全台的 40%，而電力供給僅能提供 34% – 35%，而有約 5% 的電力缺口需從中南區調度。林口電廠 2.4 GW 的裝置容量，則可提供了 16% 的北區用電需求，在供需不平衡的狀況下，更顯其價值。

再以各區的電廠發電形式來考量 2025 年的情境，北區的燃煤電廠，屆時有花蓮和平電廠（1.3 GW）與林口電廠（2.4 GW）共計 3.7 GW 的裝置容量；中區的燃煤電廠則為台中電廠的燃煤機組（扣除4部機轉為備用機組之容量後，全廠縮減為 3.3 GW）與麥寮電廠（1.8 GW）共計 5.1 GW 的裝置容量；而南區的燃煤電廠則為興達電廠的燃煤機組（ 2.1 GW）與大林電廠的燃煤機組（1.6 GW）共計 3.7 GW 的裝置容量。北中南三區的燃煤發電裝置容量比為 3:4:3 尚稱分配均勻，也意味者三分區的電力結構中，都仍保有相對低廉穩定的燃煤作為基載電力。

從電力調度傳輸的風險和能量耗損來看，長途電力調度有主幹電網、變電所故障的風險，故需投資額外線路或設備以降低風險；長途電力傳輸也會有 4.5% – 4.6% 的線路耗損。因此，若有鄰近於重要工業區與人口密集區的大型電廠，則可以減少電力傳輸與電壓所造成的能量消耗。

最後考慮未來太陽光電與風力發電占比大幅提高的情境，在此情境中電力系統應有更高度的調度靈活性，而需大量仰賴燃氣機組與電池調度，但國際能源署在「World Energy Outlook 2018」的執行摘要中，亦指出傳統電廠仍是保持電力系統靈活性的主力，並應搭配新的電網互聯、儲電和需量反應技術做為支持，以確保電力系統的穩定⁵。

綜上所述，對於當代台灣的電力結構、區域發展與經濟考量，林口電廠等燃煤發電，確實有值得存在的理由，但也需要對污染防治持續性地投入與關注。

• 延伸閱讀：
  煤炭有幾種？可以洗乾淨嗎？──煤的旅程（一）前處理篇
  超超臨界是什麼？如何增加火力發電的效率？──煤的旅程（二）燃燒過程篇
  火力發電的廢氣如何處理？一套不夠裝兩套就好了嗎？ ——煤的旅程（三）燃燒後處理篇

從此只有眼前路，煤有身後身

儘管燃燒廢氣中的重金屬、硫化物與微粒等污染，可仰賴環保技術的投入而能有效抑制。但在對空汙品質越發重視與擔憂的社會來說，燃煤的空汙狀況，仍是其先天的劣勢。更重要的，是使用煤炭等化石燃料過程中產生的二氧化碳，與其導致的氣候變遷、極端天氣，更是全體人類在未來數年亟需解決的難題。

從國際趨勢來看，國際能源署在「World Energy Outlook 2018」中，利用不同時期發電技術成本與電力系統價值的變化的估計，認為「幾乎在所有地方」太陽光電雖難以在沒有政策支持的情況下取代既存的燃煤電廠，但已比新建燃煤電廠更有競爭優勢。

政府間氣候變化專門委員會（IPCC）在 2018 年 10 月的「IPCC全球升溫 1.5ºC特別報告（SR15）」中指出，若要維持地球環境的適居性， 2030 年時的二氧化碳排放量需比 2010 年時減少 45%，並在 2050 年時實現零碳排。對於煤炭的使用，則應在 2050 年時降至所有一次能源的 1% – 7 %，且大部分燃煤，應搭配碳捕捉與封存（CCS）技術使用，以實現零碳排放⁶。為能有效減少二氧化碳排放，對於部分積極面對氣候變遷提出減碳作為的歐洲國家，如法國預計在 2021 年；英國與義大利預計在 2025 年；荷蘭、丹麥與葡萄牙則預計在 2030 年，即關閉所有燃煤電廠⁷。

回顧台灣的情境，2018 年中華民國全國性公民投票第八案「您是否同意：確立「停止新建、擴建任何燃煤發電廠或發電機組（包括深澳電廠擴建）」之能源政策？」，公投結果以 38.46% 的「有效同意票數對投票權人數百分比」通過。有投票的人數中，有  76.41% 的投票者支持此項公投。在科學研究結果、國際趨勢與國內民意展現相互吻合的情況下，燃煤電廠在台灣幾無新建或擴建的機會。不過，台灣大概也難以如歐盟諸國，有相對優勢的環境或豐沛的資源能積極放棄燃煤發電。但燃煤電廠若能憑藉其低廉成本，投入更多資源強化煤炭的採購過程與標準制定；更節能與減污的運輸與儲存設施；提升燃燒效率的燃料加工與鍋爐技術；以及燃燒過程對廢氣品質的持續監測；燃燒後的集塵等環保技術。既存的燃煤電廠，仍可以保有其競爭優勢，又能盡可能減少對環境的衝擊。

在可預期的未來，面對氣候變遷帶來的衝擊，台灣要再興建下一座燃煤電廠自有其高難度。若既有的燃煤機組沒有延役或或提早退役的的計畫，則尚有一機組興建中、且各項技術新穎的林口電廠，將以末代燃煤電廠之姿，佇立於國門，持續肩負降低發電成本與支持電力穩定的重責大任。

延伸閱讀

• 煤炭有幾種？可以洗乾淨嗎？──煤的旅程（一）前處理篇
• 超超臨界是什麼？如何增加火力發電的效率？──煤的旅程（二）燃燒過程篇
• 火力發電的廢氣如何處理？一套不夠裝兩套就好了嗎？ ——煤的旅程（三）燃燒後處理篇
• 供應鏈中的甲烷外洩，抵銷了天然氣的減碳效益

參考資料

1. 1. BP-Statistical Review of World Energy
   2. International Energy Agency-Data & Publications-Coal Information 2018
   3. Indiana Center for Coal Technology Research-COAL CHARACTERISTICS 2008
   4. 泛科學：供應鏈中的甲烷外洩，抵銷了天然氣的減碳效益
   5. International Energy Agency-World Energy Outlook-Executive Summary 2018
   6. Intergovernmental Panel on Climate Change-Global Warming of 1.5 °C
   7. CarbonBrief-The EU got less electricity from coal than renewables in 2017
   8. Sandbag-The European Power Sector in 2017

本文由台灣電力公司委託/廣告，泛科學企劃執行