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

本文與 高柏科技 合作，泛科學企劃執行。

當我們談論能擊敗輝達（NVIDIA）、Google、微軟，甚至是 Meta 的存在，究竟是什麼？答案或許並非更強大的 AI，也不是更高速的晶片，而是你看不見、卻能瞬間讓伺服器崩潰的「熱」。

 2024 年底至 2025 年初，搭載 Blackwell 晶片的輝達伺服器接連遭遇過熱危機，傳聞 Meta、Google、微軟的訂單也因此受到影響。儘管輝達已經透過調整機櫃設計來解決問題，但這場「科技 vs. 熱」的對決，才剛剛開始。 

不僅僅是輝達，微軟甚至嘗試將伺服器完全埋入海水中，希望藉由洋流降溫；而更激進的做法，則是直接將伺服器浸泡在冷卻液中，來一場「浸沒式冷卻」的實驗。

但這些方法真的有效嗎？安全嗎？從大型數據中心到你手上的手機，散熱已經成為科技業最棘手的難題。本文將帶各位跟著全球散熱專家 高柏科技，一同看看如何用科學破解這場高溫危機！

運算=發熱？為何電腦必然會發熱？

這並非新問題，1961年物理學家蘭道爾在任職於IBM時，就提出了「蘭道爾原理」（Landauer Principle），他根據熱力學提出，當進行計算或訊息處理時，即便是理論上最有效率的電腦，還是會產生某些形式的能量損耗。因為在計算時只要有訊息流失，系統的熵就會上升，而隨著熵的增加，也會產生熱能。

換句話說，當計算是不可逆的時候，就像產品無法回收再利用，而是進到垃圾場燒掉一樣，會產生許多廢熱。

要解決問題，得用科學方法。在一個系統中，我們通常以「熱設計功耗」（TDP，Thermal Design Power）來衡量電子元件在正常運行條件下產生的熱量。一般來說，TDP 指的是一個處理器或晶片運作時可能會產生的最大熱量，通常以瓦特（W）為單位。也就是說，TDP 應該作為這個系統散熱的最低標準。每個廠商都會公布自家產品的 TDP，例如AMD的CPU 9950X，TDP是170W，GeForce RTX 5090則高達575W，伺服器用的晶片，則可能動輒千瓦以上。

散熱不僅是AI伺服器的問題，電動車、儲能設備、甚至低軌衛星，都需要高效散熱技術，這正是高柏科技的專長。

「導熱介面材料（TIM）」：提升散熱效率的關鍵角色

在電腦世界裡，散熱的關鍵就是把熱量「交給」導熱效率高的材料，而這個角色通常是金屬散熱片。但散熱並不是簡單地把金屬片貼在晶片上就能搞定。

現實中，晶片表面和散熱片之間並不會完美貼合，表面多少會有細微間隙，而這些縫隙如果藏了空氣，就會變成「隔熱層」，阻礙熱傳導。

為了解決這個問題，需要一種關鍵材料，導熱介面材料（TIM，Thermal Interface Material）。它的任務就是填補這些縫隙，讓熱可以更加順暢傳遞出去。可以把TIM想像成散熱高速公路的「匝道」，即使主線有再多車道，如果匝道堵住了，車流還是無法順利進入高速公路。同樣地，如果 TIM 的導熱效果不好，熱量就會卡在晶片與散熱片之間，導致散熱效率下降。

那麼，要怎麼提升 TIM 的效能呢？很直覺的做法是增加導熱金屬粉的比例。目前最常見且穩定的選擇是氧化鋅或氧化鋁，若要更高效的散熱材料，則有氮化鋁、六方氮化硼、立方氮化硼等更高級的選項。

典型的 TIM 是由兩個成分組成：高導熱粉末（如金屬或陶瓷粉末）與聚合物基質。大部分散熱膏的特點是流動性好，盡可能地貼合表面、填補縫隙。但也因為太「軟」了，受熱受力後容易向外「溢流」。或是造成基質和熱源過分接觸，高分子在高溫下發生熱裂解。這也是為什麼有些導熱膏使用一段時間後，會出現乾裂或表面變硬。

為了解決這個問題，高柏科技推出了凝膠狀的「導熱凝膠」，說是凝膠，但感覺起來更像黏土。保留了可塑性、但更有彈性、更像固體。因此不容易被擠壓成超薄，比較不會熱裂解、壽命也比較長。

OK，到這裡，「匝道」的問題解決了，接下來的問題是：這條散熱高速公路該怎麼設計？你會選擇氣冷、水冷，還是更先進的浸沒式散熱呢？

液冷與 3D VC 散熱技術：未來高效散熱方案解析

傳統的散熱方式是透過風扇帶動空氣經過散熱片來移除熱量，也就是所謂的「氣冷」。但單純的氣冷已經達到散熱效率的極限，因此現在的散熱技術有兩大發展方向。

其中一個方向是液冷，熱量在經過 TIM 後進入水冷頭，水冷頭內的不斷流動的液體能迅速帶走熱量。這種散熱方式效率好，且增加的體積不大。唯一需要注意的是，萬一元件損壞，可能會因為漏液而損害其他元件，且系統的成本較高。如果你對成本有顧慮，可以考慮另一種方案，「3D VC」。

3D VC 的原理很像是氣冷加液冷的結合。3D VC 顧名思義，就是把均溫板層層疊起來，變成3D結構。雖然均溫板長得也像是一塊金屬板，原理其實跟散熱片不太一樣。如果看英文原文的「Vapor Chamber」，直接翻譯是「蒸氣腔室」。

在均溫板中，會放入容易汽化的工作流體，當流體在熱源處吸收熱量後就會汽化，當熱量被帶走，汽化的流體會被冷卻成液體並回流。這種利用液體、氣體兩種不同狀態進行熱交換的方法，最大的特點是：導熱速度甚至比金屬的熱傳導還要更快、熱量的分配也更均勻，不會有熱都聚集在入口（熱源處）的情況，能更有效降溫。

整個 3DVC 的設計，是包含垂直的熱導管和水平均溫板的 3D 結構。熱導管和均溫板都是採用氣、液兩向轉換的方式傳遞熱量。導熱管是電梯，能快速把散熱工作帶到每一層。均溫板再接手將所有熱量消化掉。最後當空氣通過 3DVC，就能用最高的效率帶走熱量。3DVC 跟水冷最大的差異是，工作流體移動的過程經過設計，因此不用插電，成本僅有水冷的十分之一。但相對的，因為是被動式散熱，其散熱模組的體積相對水冷會更大。

從 TIM 到 3D VC，高柏科技一直致力於不斷創新，並多次獲得國際專利。為了進一步提升 3D VC 的散熱效率並縮小模組體積，高柏科技開發了6項專利技術，涵蓋系統設計、材料改良及結構技術等方面。經過設計強化後，均溫板不僅保有高導熱性，還增強了結構強度，顯著提升均溫速度及耐用性。

隨著散熱技術不斷進步，有人提出將整個晶片組或伺服器浸泡在冷卻液中的「浸沒式冷卻」技術，將主機板和零件完全泡在不導電的特殊液體中，許多冷卻液會選擇沸點較低的物質，因此就像均溫板一樣，可以透過汽化來吸收掉大量的熱，形成泡泡向上浮，達到快速散熱的效果。

然而，因為水會導電，因此替代方案之一是氟化物。雖然效率差了一些，但至少可以用。然而氟化物的生產或廢棄時，很容易產生全氟/多氟烷基物質 PFAS，這是一種永久污染物，會對環境產生長時間影響。目前各家廠商都還在試驗新的冷卻液，例如礦物油、其他油品，又或是在既有的液體中添加奈米碳管等特殊材質。

另外，把整個主機都泡在液體裡面的散熱邏輯也與原本的方式大相逕庭。如何重新設計液體對流的路線、如何讓氣泡可以順利上浮、甚至是研究氣泡的出現會不會影響元件壽命等等，都還需要時間來驗證。

高柏科技目前已將自家產品提供給各大廠商進行相容性驗證，相信很快就能推出更強大的散熱模組。

你知道台電有個電力研發基地嗎？台電綜合研究所因應電力研發試驗需求設立，至今已超過 20 年，平均每年進行近 400 項研究專案，是我國電力研究重鎮，今年更首次公開展出研究成果，舉辦「綠潮-2022 台電綜合研究所成果展」，今（14）日在板橋車站旁、全台首座綠能主題展館的「電幻 1 號所」盛大開展。台電表示，此次共展出 25 項電力研究成果，將電力專業知識轉化為與你我相關「看得懂的研究」，今日起免費展出至 10 月 14 日，歡迎民眾一同探索、揭開電力研發基地神秘面紗。

台電今日上午於電幻 1 號所舉辦「綠潮-2022 台電綜合研究所成果展」開幕活動，現場由中央研究院院長廖俊智、國家實驗研究院院長林法正及台電代理董事長曾文生等各界貴賓共同為展覽揭開序幕，並於希爾頓酒店舉辦「智能綠電新未來論壇」，邀請美國電力研究所（EPRI）、亞太能源研究中心（APERC）及彭博新能源財經（BNEF）分享國際電業趨勢，與產官學界進行深度對談。

台電說明，台電研發機構最早可追溯到1968年創立的「電力研究所」，隨研究需求及規模擴張，2001 年正式成立「綜合研究所」至今，扮演著支撐穩定供電、帶動能源轉型的電力核心技術關鍵研究單位，台電綜研所近年積極投入低碳能源與友善環境相關研究，並持續與美國電力研究所（EPRI）、彭博新能源財經（BNEF）等組織進行國際技術交流，以科學研究務實推動能源轉型。

台電指出，此次成果展以「綠潮」為主題，取自「綠」能與國際浪「潮」，突顯綜研所除致力綠能研究，更時刻與國際接軌。展覽共分為「Future、Power、Smart、Green」四大展區，展出 25 項電力研究成果，並第一次與YouTube影音平台訂閱超過 40 萬人、全台最大知識科普社群 PanSci 泛科學合作，將專業電力知識轉譯，搭配擬真模型、解說影片及 VR 裝置等生動有趣互動模式，主打「看得懂的研究」首次對外展出，期望打開民眾對電力的想像與視野。

台電也分享展覽 3 大「必看亮點」，首先推薦「Future」展區可看見未來智慧城市樣貌的「未來電桿」。台電說明，全國電桿數量超過 300 萬支，隨時都可能有各種如颱風天災等突發狀況，台電讓電桿搭載感測器，並結合 AI 影像辨識技術人工智慧及物聯網技術，使電桿具有自動檢測控制功能，目前先於桃園、新竹地區試驗，未來廣泛布建後，除可遠端即時掌握電桿狀態、提升搶修維護效率，更可讓電力線路基礎設施成為能源網路，甚至是城市資訊數據的傳輸平台。

而國際正夯的「碳捕捉」技術也可在展覽中的「Green」展區一探究竟，台電將位於台中電廠已實際投入發電機組排碳捕捉的碳捕集設備，打造成結合科技感互動與聲光展示的「超擬真」模型，直接搬到展場。此設備未來更將以年碳捕捉量 2000 噸為目標。

台電此次展覽亦第一次對外發表國內首創的「產業動態指數」，綜研所分析近3萬具高壓智慧電表所收集的電力大數據，並依據產業用電特性，結合生產力指數、節假日及氣象等多元資料，透過 AI 模型演算，建構出可每日即時更新的經濟領先指標「產業動態指數」，目前已透過 B2B 商業模式，提供企業作為產業發展分析重要依據。

台電表示，此次綜研所成果展自今日開幕，將於電幻1號所展出至 10 月 14 日（開館時間 10：00-18：00，週一休館），歡迎有興趣的民眾前來探索台灣電力研發基地的神秘面紗！

地球暖化會造成溫度升高？不稀奇！地球暖化會造成人類生活環境越來越嚴峻？也不稀奇！但你有聽過，因為地球暖化，讓我們的亮度竟然逐年遞減，地球變得越來越暗嗎？

地球亮度的改變並不是近期才出現的新興議題，關於地球亮度的變化，科學家早在 1990 年代前後便提出一種現象「全球黯化」（global dimming）去解釋為何地表獲得的太陽光能量越來越低。

當時透過資料指出，進到地球的太陽能量大幅降低，從 1950 到 1990 年入射至地表的太陽光能量，竟然平均減少 4%！ 也就是身處在地球上的人類會覺得地表的亮度似乎逐漸地降低。

當人類使用石油、煤炭等非再生能源發電時，會在環境中產生許多氣膠微粒，而這些氣膠微粒進入大氣，微粒可以吸收、反射入射到地球的太陽光，使太陽之能量無法進到地球表面，進而造成地球亮度降低。

而全球黯化同時也影響著人們過去對於全球暖化的理解，當全球黯化造成入射到地表的太陽光減少時，代表著地球所獲得的能量並不如過往我們所想像的這麼多。換句話說，全球黯化所造成的冷卻效應竟比不上人們所造成的暖化速度！

知曉地球改變亮度的方法——地照！

近期最新研究更是顯示，1998 年到 2017 年近十年內，地球的反照率逐年下降！除全球黯化造成地表獲得太陽能量減少外，當從外太空看著地球時，地球竟然也越來越暗了！

反照率是一種常用於亮度表示的方式之一，其指的是太陽電磁波段入射至地表的總量質，除以被地表反射的量值所得出的數字。不同的地表特性即有不一樣的反射量質。因此，透過反照率的升降，科學家也可以推估氣候變遷對環境所產生的變化與影響。

計算反照率的方式十分特別，在科學中我們將其稱為「地照」！

地照現象指的為當太陽光照射到地表，地表會反射部分太陽光，而當地表反射太陽光至月球未被太陽照到的地方時，月球又會將地表所反射至月面的光線反射回地球。

地照的變化與地表的改變息息相關。例如冰雪的反射率較高，當地表溫度較低，累積較多冰雪時，地照數據便可能會上升；而洋面的反照率較低，當地表溫度較高，造成冰雪融化成海洋，則地照數據便可能會下降。

除了利用地照觀測地球反照率外，為使觀測更加精確，科學家利用於 2000 年發射的 CERES 儀器（Clouds and the Earth’s Radiant Energy System）觀測大氣至地表的太陽光輻射與地表放出之輻射，並進一步分析對影響地球溫度的重要因子──雲，和太陽輻射的交互關係。

研究結果分析發現，從 2000 年到 2015 年，地球反照率曲線一直維持接近平坦的狀態，但近年，地球反照率的衰退卻日益明顯，如下圖表示：

橫軸座標為年度，縱軸座標為地照反照率之異常改變（單位為每瓦／平方公尺），黑色為地照異常之數據，藍色為 CERES 觀測到異常之數據，而灰色陰影區域則為誤差範圍。從圖中可以看出，地照反照率在這幾年下降約 0.5 W／m²，而 CERES 之數據則是下降約 1.5 W／m²。

十年一變──太平洋年季震盪

科學家推測，改變反照率的原因，是週期性發生在太平洋的氣候變化──太平洋年季震盪。

太平洋年季震盪指的為太平洋的海水溫度會以十年為週期尺度產生變化：當北太平洋和熱帶太平洋間的海水溫度較高時，稱作暖相位；而當北太平洋和熱帶太平洋間海水溫度較低時，稱作冷相位。

而地球亮度改變的原因，正是因為太平洋年季震盪到了暖相位，造成海面低雲減少，反照率降低！

低雲較為溫暖，其主要成分是由水滴組成，當太陽輻射照射水滴時，較多太陽反射至太空，地球的反照率較高，也造成地表溫度降低；而高雲主要成分由冰晶組成，透光性較佳，再加上高雲通常體積較低雲薄，故太陽輻射可以順利進入地表，地球反照率相對降低。

當北太平洋與熱帶太平洋間海水溫度升高時，洋面上空氣需達到飽和的水氣量相對增加，氣塊達到飽和條件較高，低層雲較難生成。（其實背後原因極其複雜，作者僅是以最簡單的方式嘗試解釋。）當低層雲減少時，反射率降低，造成較少太陽輻射至太空，地球亮度因此變得越來越暗。

交織纏繞的反饋機制

看完整篇文章也別急著下結論！其實地球上的現象不僅環環相扣，影響因素更是族繁不及備載，從海溫改變的原因、高低雲量多寡的變化、反照率升降的主因……，我們都很難用單純或是絕對的一段話去完整解釋自然界的現象。

科學家所能做到的，是透過原因推導、盡力的去解釋現象，所以關於地球反照率下降的趨勢原因，除了太平洋年季震盪、海溫升高、低雲變化等，或許也還有科學家尚未清楚的其他可能性。

但同時，令科學家擔心的事情是，因全球暖化造成地表的反照率降低，代表地表接收到的能量、進到地表之能量相對增加，而吸收的能量又加速全球暖化的速度，地球或許會因為這樣的回饋機制持續升溫，造成更加嚴重的溫室效應。如何去因應溫度上升造成的種種問題，也將會是我們需要不斷去思考問題。

1. AGU Advances，Earth’s Albedo 1998–2017 as Measured From Earthshine
2. science alert，《Two Decades of Data Show That Earth Is ‘Dimming’ as The Planet Warms Up》
3. Wikipedia，《Clouds and the Earth’s Radiant Energy System》
4. Wikipedia，《行星照》

• 文／陳柏宇

上一篇我們討論了使用煤炭的前置處理，歡迎來到第二道程序「燃燒過程」。燃燒的過程，怎麼變「乾淨」？

讓煤在燃燒過程中比較「乾淨」的方法，有三個主要的方向：

1. 讓煤或固體燃料燃燒得更完全。
2. 提高能源轉換效率、讓生產單位電力所使用的燃料減少。
3. 完全改變原本的燃燒方法。

粉煤機讓煤變小，比較好混

第一個讓燃燒過程更「乾淨」的方法，增加燃煤燃燒效率。

可以開始想像一下國中理化或是國小自然教的內容：當反應面積增大的時候，反應可以比較完全。因此在燃燒前，我們會將煤炭送進粉煤機變成粉煤（pulverized coal ），除了燃燒效率提升外，黑煙或是廢氣的產生也可以減少許多。如前文提到的，不同煤種會有不同燃燒特性，也是在這個階段進行「配煤」，搭配出最適合的比例。

新技術流體化床讓固體變流體，燃燒更完全

上頭講到的讓粉煤進入鍋爐內燃燒，燃燒可以比較完全沒錯。但大家應該知道粉塵這種東西易燃易爆炸，會導致鍋爐裡的溫度非常高，長期下來對於鍋爐影響甚鉅，爐壁甚至會有結渣問題，氮氧化物也會偏高，真的很麻煩。

因此，讓我們用完全不一樣的流體化床（fluidized bed）概念取代傳統像燒金紙那樣通通丟進一個桶子裡開始燒的運作方式，在  1970 年代左右，流體化床（fluidized bed）的應用逐漸成形。

流體化一詞是用來描述固體與流體接觸時的一種運動狀態。將固體放在有氣孔的容器中，當有氣體透過孔洞噴吹快速進入容器中、速度逐漸加快時，固體顆粒將會開始懸浮、分離，並且可以自由的運動或轉動（可以想像成吹麵粉裡的乒乓球），這時這些固體的性質開始接近濃稠的液體。繼續講原理可能還要一萬字，所以就先在這裡打住囉。

這樣一來有甚麼好處呢？

相比傳統鍋爐（固定式），流體化床的固體顆粒可以均勻分布於爐內、氣體與固體間的熱質傳較高、一次燃燒的總物量相對較大、操作溫度不高比較穩定等等。破碎後的煤中加入生質物料、甚至是破碎廢棄物混燒等，流體化床都相對會是個比較好的選擇。

除了燃燒效率之外，流體化床對於污染也有幫助。例如對於高含量硫份的物質，例如前兩年都吵很兇的生煤、石油焦，可以在燃燒時就先加入石灰石，讓他們一起激情翻騰燃燒，大幅減少硫氧化物的排放量。另外，流體化床爐溫較傳統的燃燒爐低，製造出的氮氧化物的濃度也就相對較低。

目前這樣的爐體在台灣並不多，除了永豐紙業、以及台汽電外，還有台塑真的拿來燒石油焦。國際間規模也因為爐體設計上的問題，使流化床鍋爐的功率（目前最大 460 MW）仍略小於傳統鍋爐（600 MW以上）。未來如果往循環經濟的方向前進，這是必須進步的技術。

提升發電效率：「超超臨界」到底是甚麼？

大家現在對於「超超臨界」這個名詞大概不陌生，但要知道超超臨界是甚麼，我們需要先來簡單了解一下火力發電的運行，整個過程可不只是燒煤而已喔。簡單來說就是蒸汽機的原理：用煤火燒水變成水蒸汽，透過水蒸汽的高壓推動渦輪機再帶動發電機，出力完畢的水蒸汽冷凝後再加熱進入新的循環。

細節版在這裡：
1. 工作流體（多數為水）先被壓縮，在壓力下成為高壓流體，溫度也跟著上升。

2. 高壓流體來到鍋爐進行加熱，高壓流體吸收了外部熱源成為過熱蒸汽。

3. 過熱蒸汽膨脹後，推動渦輪機發電；蒸汽的溫度和壓力降低，成為濕蒸汽。

4. 濕蒸汽然後進入冷凝器，被冷凝成為飽和液體，並重覆回到第一步驟。

恭喜你，已經看完了工學院都知道的「郎肯循環」（Rankine Cycle）。那超超臨界到底是甚麼啦？先來看一張圖，這是水的三相圖，就是水有三態，固態、液態和汽態的意思。

以上為一般的循環，而如果把水加壓加壓再加壓 （250 bar 以上）、加溫加溫再加溫（600℃ 以上），它就會突破我們稱之為臨界點的境界（上圖的粉紅色點點）。從此時起，變成具有液態、汽態特性的流體。然後把上面講的郎肯循環拿來解釋一下，如下圖。

左邊是原來亞臨界樣子，右邊是超臨界的樣子，因為上邊界明顯上移，中間圍起來的部分變多了，而中間的範圍其實就發電機轉換出電能的部分；所以超超臨界重點就在於在循環中提高輸出的效率。根據台電月刊提供的數據，主蒸汽壓力每提高 1 MPa，機組的熱效率可提升 0.13 ∼ 0.15 ％；主蒸汽溫度每提高攝氏 10 度，機組的熱效率可提升 0.25 ∼ 0.30 ％。效率更高、生產單位電力所使用的用煤量較少，也是減少污染重要方法。

這就是國際間目前講求的高效低排放（HELE）燃燒技術，概念上大概一百年前就存在了，只是礙於材料技術的發展，大約 70 年前才出現第一座超臨界機組（規模不大）；大約十年前，才有第一座超超臨界。超超臨界機組整體發電效率比起亞臨界多上 6~10 %，整體的發電成本也相對減少。國際上，近幾年火力電廠的機組翻新，之前熱議的深澳電廠，也都採用這種方法。

而以目前的林口發電廠為例，該廠舊機組於 2014 年除役，1、2 號機改以超超臨界機組運轉，與其過往亞臨界機組相較，發電效率由 38% 提升為 45%，亦即在發電量相同的情況下，每年可減少 20％ 排放，遠低於法規標準值(如下表)，這也是為甚麼會有排放水準接近燃氣的說法出現。

從上圖來看，已經更新的林口電廠相較於台中或是興達電廠的排放有相當的區別，與燃氣電廠的標準也相當接近。另外，不僅止於發電效率高以及低排放量，因為工作流體的單相特性，鍋爐在飼水部分可以快速的做調節。也因此，升降載比傳統鍋爐也可以更加快速，打破了我們對於煤電的「基載」想像，或是配合空氣污染做及時的降載調節。

至此，我們還算順利的結束了第二道關卡「燃燒」。除了上面介紹較為成熟應用的技術以外，仍有許多讓燃煤更有效率的技術正在發展中，在未來幾年能源市場仍由煤炭主導的情況下，希望能讓燃煤發電朝更環保並保有競爭力的方向進展。

但是還沒結束喔，如果燃燒完後就直接排出，造成的污染還是很可怕。所以目前有哪些技術在處理燃燒後的廢氣呢？讓我們準備一起邁向下一關：燃燒後處理（post-combustion）啦。

1. Power Technology：Lean and clean: why modern coal-fired power plants are better by design
2. 蔡孟原（2010年6月)。循環式流體化床鍋爐。科學發展月刊，450期，pp.26-32。

本文由台灣電力公司委託/廣告，泛科學企劃執行