廢熱回收及先進燃燒器科技節省能源

沿海濕地中的藻類、海草、紅樹林、鹽沼、和其他植物在生長過程中會吸收和捕獲二氧化碳。沿海和海洋生態系統捕獲和儲存二氧化碳的方式，稱之為「藍碳」。

被封存在海底的碳有一半以上來自這些沿岸的森林，它們捕獲二氧化碳的速度比傳統森林快了 4 倍，因為大部分的碳都進入幾米深的潮濕土壤中。以這種方式捕獲碳可以將之從大氣層中移除，降低空氣中二氧化碳的總含量。

1 公頃的紅樹林每年可以捕獲多達 8 噸的二氧化碳，遠比 1 公頃熱帶森林所能捕獲的量還要多。

在過去半個世紀以來，世界上約 30% 到 50% 的紅樹林遭到破壞

土壤的碳儲存方式

土壤是有生命的。當泥土被無數的有機微生物寄居時，就變成了土壤，成為植物生長的重要基質。

土壤還將世界上大量的碳儲存在一種物質當中，也就是所謂的土壤有機質（soil organic matter，SOM）。有機一詞在此並不是指沒有化肥或殺蟲劑，而是指存在大量的碳。通常土壤有機質含有 50% 到 60% 的碳。大多數用於農業的土壤含有 3% 到 6% 的有機質。

當植物原料（如葉子或莖）凋零掉落到土地上時，會被土壤中的微生物分解，這個過程將植物轉化為碳，並產生有機質。碳被封存在土壤中，不再以二氧化碳的形式釋放到大氣中。

犁田耕作會破壞土壤有機質和碳的儲存。耕地時，會使有機質暴露地表，更容易被微生物利用，迅速消耗土壤有機質，將二氧化碳釋放到大氣層中。每年由於耕作、侵蝕、或與氣候相關的土壤變化（如永久凍土融化），造成儲存在土壤中大約 10 到 20 億噸的碳，以二氧化碳的形式釋放回大氣層中。

土壤有機質可以保留或重建，使得大氣中的二氧化碳返回土壤長期封存。農民在施肥、將植物廢棄物（如玉米秸稈）留在田間進行分解、或種植覆蓋作物時，會增加土壤有機質。覆蓋作物是在生長季節過後、田間空無作物時種植，通常是草或三葉草，根部很深，能穿透土壤。如果在種植新的經濟作物之前讓覆蓋作物在田間分解，能夠顯著增加土壤中的有機質和碳。

最小化耕作（稱為保護性耕作）是另外一種防止土壤有機質流失（或使土壤慢慢再生）的方法。其中所謂的免耕種植，是指利用專門的播種機將種子放入一小塊翻鬆的土壤中，因此無須翻耕整片田地。

讓土壤恢復健康

泥土並不完全相同，土壤的養分含量會隨著時間根據其處理方式、和所處的環境而發生變化。

世界上三分之一的土壤已經退化到幾乎無法再支持動植物生存的地步。主要的一些原因是：

• 土壤耕作。
• 牛群過度放牧。
• 砍伐和焚燒樹木和植物（砍燒耕作法）。
• 未在冬季種植覆蓋作物。
• 覆蓋物不足。

亞洲、歐洲、北美和南美的大型工業化農場，由於大量重植大豆、小麥、大米和玉米等商品，因而加劇了土壤侵蝕。市場和債務的經濟壓力使可持續性農業做法在短期內難以實施。

從生產的食物品質到大氣中的碳含量，土壤健康都具有深遠的影響。土壤很健康時，可以平衡水循環、並發揮避震作用以防止洪水和侵蝕。1930 年代美國西部的沙塵暴侵襲（Dust Bowl）、和 2017 年波多黎各的洪水災害，都是氣候變化的災難性衝擊、和土壤侵蝕造成的自然災害實例。這些變化會對農業產生重大影響。

根據美國農業部的說法，農民可以透過 4 種方式創造更好的土壤：

盡量減少干擾

• 限制耕作。
• 使化學品發揮最大效益。
• 牲畜輪替。

強化土壤覆蓋

• 種植覆蓋作物。
• 使用有機覆蓋物。
• 保留植物殘留物。

強化生物多樣性

• 種植多種不同的覆蓋作物。
• 利用多樣化的作物輪作。
• 整合牲畜。

強化活根的存在

• 減少休耕。
• 種植覆蓋作物。
• 利用多樣化的作物輪作。

在地方層面，一般公民可以透過投票支持可持續性農業發展的立法和政策，以及購買可持續性農業經營的產品。

房屋所有者也可以透過全年種植多樣化的植物種類，讓自然生態發展，改善其房產周圍的土壤健康，這樣能強化活躍的根系、並創造生物多樣性。

大規模改變環境的「地球工程」

如果你生起營火、或是隨意處置一台冷氣機，那就是在用個人的行動改變環境。但是，當公司和國家有意大規模改變環境時，這被稱為「地球工程」（geoengineering）。

地球工程策略聽起來像是科幻電影情節似的：在太空中部署太陽遮屏，以使部分太陽能量反射回太空，或是從大氣中吸取二氧化碳，將之送入地下層變成石頭。科學家們正在探索更多這一類大規模修補地球系統的方法，使地球降溫，但迄今為止，許多方法都成本高昂、存在爭議、也充滿著風險。

以太陽遮屏為例，雖然聽起來像部署固體金屬片，但其實是模擬大規模火山噴發時的情況，在空中噴灑出濃密的灰燼和化學物質，進而阻擋太陽能量。可能在噴氣燃料中加入化學物質，以便高空飛行的噴氣機將之擴散到高層大氣中。

超級計算機預測，以這種方式噴射到平流層的反射硫粒子，可能會產生冷卻效果，當然，也會影響降雨、降雪和季節性溫度。目前還不清楚會到什麼程度，如果天氣變化太過劇烈，就不容易挽回損失，造成人人受苦。即使可以逆轉噴灑，停止這樣的計畫也可能造成危險，因為太陽射線突然少了阻擋而導致全球氣溫和溫室氣體驟升。

至於直接從空氣中吸取二氧化碳，將之儲存在地下岩層中，歐洲和北美已有 19 家工廠做到這一點，每年吸收約1 萬噸的二氧化碳。沒有人知道這種方式可以安全地封存二氧化碳多久。

一旦出現洩漏，土壤、水和空氣可能會受到汙染，而從地下層收集氣體也可能引發微震和地震。不管怎麼說，這個過程若想要成功，也必須得降低成本、提高效率才行（目前每噸的成本高達 600 美元），我們將會需要相當多家的碳捕獲工廠，才可能有辦法消除每年所排放的數千兆噸二氧化碳，以實現 2050 年淨零排放。

不同於將二氧化碳儲存於地下岩層，鐵質施肥（iron fertilization）是以海洋為重點的選擇。這個過程是將硫酸鐵注入海水中，促進藻類大量繁殖以吸收二氧化碳，然後沉入海底。成功率參差不齊，有 5% 到 50% 的藻類增殖，沉入到足以造成封存影響的深海。然而，完全有效可能需要付出代價：過量的藻類或許也會引發有毒浮游植物的生長高峰，而將二氧化碳儲存在海洋可能會加速海水酸化。

地球工程是一個冒險的賭注，一些科學家表示，這對於全球氣溫的衝擊微乎其微，尤其是考慮到不採取行動造成不良後果的可能性很高。但也有科學家指出，仰賴快速的工業解決方案，可能會使人們和企業忽略對於實際減少碳排放、或停止使用化石燃料應付出的努力。

有無數的公司和國家正在單方面從事地球工程研究。預計這些實驗將在世界各地不同軌道上展開。

利用二氧化硫進行地球工程

有些工程師提出一種低成本又快速的方法來減緩氣候變化⸺整頓碳房，同時「擺脫困境」。

就像鏡子反射光線、黑色車道在夏日變得炎熱一樣，外層大氣從太陽反射的光熱，也會對全球溫度產生影響。

30 年前，菲律賓的皮納圖博（Mt. Pinatubo）發生了 100 年來最嚴重的一次火山爆發，所噴發的灰燼造成了驚人的影響：一整年地球的平均溫度下降了約 0.5° C。透過使地球大氣層反射陽光，而不是吸收，地球變得比較涼爽。

地球工程學家正專注研究此一概念，在地球外圍創造一個人為的太陽遮屏。利用特殊裝備的大型噴氣式飛機，將不同的化學物質噴灑到高層大氣中，希望能一次改變地球多年的反射率，以人為方式降低地表的平均溫度。

透過地球工程，在大氣中添加懸浮微粒來複製火山噴發的自然效果。平流層氣溶膠注入的作用：

• 散射太陽光。
• 讓天空更明亮一些。
• 反射部分太陽熱量。
• 讓地球更涼爽一些。

透過在大氣中注入二氧化硫、鈦、或其他化學或礦物質，可以增加行星反照率（反射率）。

太陽能地球工程透過改變地球的輻射平衡，來治療氣候變化的徵狀，這方面的科學研究稱為「平流層氣溶膠監測」（stratospheric aerosol modification，SAM）。

據估計，這種方法一年成本不到 100 億美元，在大多數的氣候變化因應措施當中只是九牛一毛。一些專家認為，只要動用幾百架飛機即可完成，而且可以比預期更早開始。

研究人員馬克．勞倫斯（Mark Lawrence）2006年指出，「對地球工程可能性的嚴肅科學研究，如克魯岑和西塞隆（Crutzen & Cicerone）發表文章中所討論的，完全沒有得到氣候和大氣化學研究界的包容」，然而，到了 2016 年，他總結道，「在這些文獻發表後的 10 年間，雖然氣候工程仍然是極具爭議性的問題，但是在更廣泛的地球科學研究領域，那種禁忌感基本上已不存在」。

這種方法，還是有許多未經測試的現實問題：

• 這些化學物質將會使臭氧層出現什麼反應？
• 該由哪些國家規範這個過程、又該如何決定干預措施的地點和程度？
• 有什麼辦法能阻止組織和國家單方面進行？若有國家想要暖化加劇、或是有億萬富翁只是想要名利，該如何處理？
• 這將對人類、動物、植物、和海洋的健康造成什麼影響？
• 我們準備好長久持續進行了嗎？如果沒有，一旦陷入了相對低成本和快速的解決方案，又該如何下決心停止呢？

——本文摘自《圖解全球碳年鑑：一本揭露所有關於碳的真相，並即時改變之書》，2022 年 9 月，商業周刊，未經同意請勿轉載。

碳捕捉：把電廠排出來的二氧化碳再抓回去！

一九九〇年代，尚未開發出風能和太陽能，當時對氣候變遷的擔憂日益增加，因此有人建議捕捉和儲存那些從化石燃料發電廠排放出來的二氧化碳，如此就可將其轉變成一種低碳電力。

碳捕捉主要是透過化學反應將煙道氣（flue gas）中的二氧化碳分離出來，然後再將其壓縮液化，泵入地下洞穴，例如含水層或是廢棄的油氣田。

同時要針對傳統的發電機開收排放二氧化碳的費用。這將鼓勵電廠採用碳捕捉技術，不過前提是碳價要夠高，超過捕捉和封存二氧化碳的成本。

然而，即使在龐大的歐盟市場，碳的價格也從未高到足以讓碳捕捉在電力生產中具有競爭力，而且真正在運作的碳捕捉工廠很少。

即使如此，捕捉二氧化碳排放依舊可望成為一種脫碳方法，在未來某些產能製程中合乎成本效益。一個例子是將天然氣轉化為氫氣，這還能用於加熱和製造燃料電池，或用於生產水泥以及甲醇和氨等重要工業化學品。

碳捕捉的各種可行性：直接從空氣抓？多種一點樹？

也有人認真思考過直接從空氣中捕捉二氧化碳的可行性，因為目前我們所面對的現實非常危險，即二氧化碳排放量下降的速度恐怕來不及讓上升溫度控制在攝氏 1.5 度內。

種植更多的樹木可能是最簡單也最便宜的方法，但首先必須遏止每年大量的伐林問題。

每年約有一千萬公頃的森林遭到砍伐，用於種植大豆、棕櫚油和其他作物，以及放牧牲畜。這樣的伐林導致全球每年約 10％ 的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。

此外，封存大量二氧化碳所需的樹林面積也相當大──約要美國國土面積的四分之一，需要超過六年，甚至幾十年的時間才能讓樹木長到成熟，每年只能吸收平均全球燃燒化石燃料的 10％ 排放量。

而在成長期過後，還需要更換樹木，因為在建築中也會使用到木材。有人建議，可以燃燒林業的廢棄物來產生能量（熱或電），並捕捉和封存排放出來的二氧化碳。

這種生質能源的碳捕捉尚有爭議，必須要確保改變土地利用的這項變動最後的結果是產生淨負排放，而不是增加碳的排放量。此外，這種方法尚在開發中，可能會與其他對可耕地和淡水的需求產生競爭關係。

不過，可以使用化學吸收器直接從空氣中捕捉二氧化碳，這種方法比生質能源更緻密、更可靠， 只是目前的價格較為昂貴。

奧利金能源公司（Origen Power）正在開發將碳捕捉與具有商業價值的石灰生產相結合，這樣的製程可望降低成本。

吸碳新創公司「Carbon Engineering」也在開發另一種方法，是使用與二氧化碳接觸會形成碳酸鈣的氫氧化鉀。整個過程以石灰來合成氫氧化鉀，形成碳酸鈣，然後將其加熱，釋放出二氧化碳，進行壓縮和封存──這時便會再度合成石灰。他們預估，以這種方式捕捉二氧化碳的成本可望降低至每噸 100 美元。

碳捕捉的展望與未來

為了增加產值，可以將捕捉來的二氧化碳與氫結合（比方說以再生電力來電解水，製造出氫氣），這可用來合成低碳燃料，取代汽油、柴油或航空燃料，這樣一來，其總排放量會遠低於某些生質燃料。

若是要捕捉和封存燃煤發電廠排放的二氧化碳，電力成本會增加約 60％，而使用再生能源來發電，成本則低得多。

然而，隨著空氣碳捕捉的研發和大量投資，再加上在某些工業製程中捕捉二氧化碳，以及重新造林，預估到二〇五〇年時，碳捕捉可能會吸收掉全球年排放量的 10％。

到二〇五〇年，再生能源和核能的總發電量可能接近當前全球需求量的 90％，透過碳捕捉，全世界可能會達到二氧化碳淨零排放。但要處理大量再生電力，電網在輸送和分配上需要適應風場和太陽光電場輸出量的種種變數，因此發展儲能設備非常重要。

——本文摘自《牛津通識課｜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。

2011 年先進整合能源節能解決方案研討會的參與者，都自正在發展中的最新廢熱回收及鍋爐效能改善新科技介紹中獲益不少。來自加拿大自然資源部的潔淨能源署（CanmetENERGY）的渥太華及 Varennes 研究中心代表，及康戴克斯廢熱回收系統公司（ConDex Systems）的維奇（Cameron Veitch），討論了使用先進科技可能節省的能源費用。

科學家戈戈萊克（Peter Gogolek） 解釋，目前正在潔淨能源署發展中的工業鍋爐廢熱回收新科技，可以保證節省大量能源費用並減少二氧化碳釋出量。案例研究發現， 整體回收燃燒器—最簡單的燃燒器科技—可以經由回收及捕捉漏失廢熱等方式，節省公司 40% 能源費用。經由自我回收燃燒器和改進輻射管線，還能達到節省大量燃料的目的。

戈戈萊克也討論了碳捕捉的科技，包括商業用低氮氧化物（commercial Low-NOx）及蓄熱式燃燒器（regenerative burners）。蓄熱式燃燒器有較高的熱量流通，最高的熱負載量及最小二氧化碳-氧氣與空氣間的差異。戈戈萊克簡介了他的發現，並指出「熱回收燃燒器能保存較多經過處理的熱，並能改變燃燒模式，導致能源及費用的大量節省。更進一步說，蓄熱式燃燒器提供最大的節能效能，平均 3 年即可回收成本」。

資深研究科學家暨小組召集人克里門斯（Bruce Clements）表示「增加大型氫和水份流失系統的壓力或部份壓力，會對熱轉移，燃燒和空氣污染控制等方面產生正面的效果」。系統加壓會增加冷凝液溫度，使流程整合冷凝式熱交換器更易運作。使得熱和質量轉換率獲得改進，也意味著較小且有效率的反應器及小體積設備亦可使用。

測試顯示，加壓後的鉛室反應可以減少污染物質如氮氧化物的濃度。使用結合冷凝器及洗滌系統可以進一步控制污染。克里門斯也比較了乾、濕鍋爐科技，並描述了鋼鐵工業界氧氣高爐的功能。氧氣高爐可以產生合成氣體及濃縮的二氧化碳流。

研究工程師吉迪斯（Phil Geddis）表示，「拜正在發展中的熱回收科技之賜，低度廢熱提供節能一個絕佳的機會」。例如，就水泥工業而言，漏失的氣體占總能源損失的 30%。在不同的廢熱中，由加熱後冷卻液產生的輕度且高量的廢熱，是熱回收的主要目標。

吉迪斯復指出，煙道氣（flue gas）是乾氣及潛熱漏失的混合，在某些鍋爐中，量會很高。像硬結爐（induration furnaces），其熱效率為 35%。不同的燃料，由於水份及氫含量的不同，熱回收也會產生不同的結果。

吉迪斯提出一些有關煙道氣的顧慮，包括材料腐蝕，水蒸氣凝結點增高，煙道氣煙塵浮力要求，及安裝成本等。

康戴克斯廢熱回收系統公司的維奇也就自廢氣中廢熱回收的主題發表了意見。他表示，目前只回收高溫廢熱。他指出「廢熱回收可以提供最大可能的能量獲取」。

維奇解釋，冷凝省煤器不僅可以回收能源為製程水加溫，同時還可將水回收為鍋爐加熱或做為製程水。ConDex 的冷凝省煤器可以將鍋爐廢氣冷卻至進水溫度的幾度之內，並可將鍋爐效能從 93% 增至 99%。維奇指出，使用冷凝式省煤器，一個一年 365 天，每天 24 小時運作的鍋爐，可以減少二氧化碳排放量約 466 公噸。

安裝在安大略省多倫多 Emery Oleochemicals 公司的 ConDex 冷凝省煤器，每年回收的能源量為 3.15 MMBtu／小時。而安裝在 Oxy Vinyls Canada 的冷凝器，目前每年的能源回收量為 6.5 MMBtu／小時，節省的費用估計達 50 萬加元。

克里門斯表示，「聯邦政府 2011 年預算案推出稅務獎勵措施後，安裝廢熱回收系統一事變得簡單多了」。廢熱回收取決於許多不同因素，包括廢熱量，品質，及廢熱組成成份，回收最低溫度，熱流傳輸性，及經濟規模等。目前廢熱回收選擇及科技包括熱切換器–熱回收器，回熱器，廢熱鍋爐—為低溫廢熱設計的預熱及加溫系統。

廢熱回收的另一項選擇為使用以熱電，熱離子，壓電式，及熱光電為主的電流直接轉換設計發電系統，這些方式目前都還在示範階段。廢熱回收還可經由機械方式達成，如傳統蒸氣朗肯循環（Rankine cycle），有機朗肯循環（organic Rankine cycle），及卡利納循環（Kalina cycle）。這些科技目前都在工業設施中使用。

加拿大自然資源部的潔淨能源署 Varennes 研究中心的研究員畢達德（Serge Bedard）表示，「計算廢熱回收帶來的節省是一項複雜的工作，特別是對那些安裝複雜電力系統及汽電共生工廠而言。在某種情況及配有熱源儲槽的情形下，決定哪一種廢熱回收科技最合適，非常具有挑戰性。」畢達德指出，「流程整合（Process integration）可以應付這種挑戰，因為這種方法從全球的角度來審視流程並分析交互作用，並有潛力為公司每年節省 35% 能源費的可能」。畢達德亦提到了汽電共生系統，認為這種廠最能受益於流程整合研究。他指出，蒸氣或瓦斯，或兩者合併的渦輪機，及往復式發動機，都是為此目的常見的科技，其中尤以後壓蒸氣渦輪機（back-pressure steam turbines）最具效率。

很明顯的，廢熱回收為節省能源費用及減少溫室氣體排放量提供了一個絕佳的機會，特別是在新科技衍生的時刻。改善鍋爐效能，及整合流程，對工業設施提高能源效率來講，同樣重要。

作者：駐加拿大台北經濟文化代表處科技組
資料來源：加拿大自然資源部 [2012-01-30]

轉載自國科會國際合作簡訊網

本文轉載自中央研究院研之有物，泛科學為宣傳推廣執行單位。

• 採訪撰文｜郭雅欣
• 美術設計｜林洵安

回收廢熱的熱電材料

在全球面臨能源轉型之際，再生能源的發展大多著重在太陽能、風力、水力、生質燃料等。然而近年，隨著奈米科技的發展，可將廢熱轉為電力的熱電材料也逐漸嶄露頭角。中央研究院物理研究所陳洋元研究員踏足熱電材料的研究已有十幾年，在他眼中，熱電材料極具能源發展潛力。

熱電轉換再興起

身處能源轉型的關鍵時刻，我們不由得擔心，再生能源真的足以補上電力缺口嗎？還有沒有其他新興的發電方法呢？有的！用廢熱發電，聽起來很不錯吧？畢竟在日常生活中，我們也受夠廢熱了。汽車、冷氣等機械廢熱，加上太陽的輻射熱等，這些煩人的廢熱如果能拿來發電，實在是個好主意。

熱電材料就是熱生電的關鍵，它能將（沒用的）熱轉化成（好用的）電。近年來，熱電材料逐漸發展起來，中研院物理所研究員陳洋元從 2006 年起開始研究熱電材料，他說：「熱電材料的發電效率已經有很大的進展！」在不久的未來，熱電材料的應用將愈來愈廣泛，成為能源轉型時代的重要一角。

熱電材料的歷史要回溯到 200 年前，德國科學家西貝克（Thomas Seebeck）在 1821 年發現，材料兩端的溫度差會形成電位差，稱為「西貝克效應」。也就是說，同一種材料只要兩端溫度不同，兩端之間就會產生電壓；反之，在材料兩端賦予電壓時，兩端之間就會產生溫度差。科學家因此定義了西貝克係數 S = ^∆V⁄_∆T，表示同一種材料下，溫度差愈大，輸出電壓越大，「換句話說，一個有溫差的材料，等於可以視為一個乾電池。」陳洋元解釋。這便是熱電材料的基本物理機制。

找出最優質的熱電材料

由於每一度溫差產生的電壓就是「西貝克係數」，直觀來說，西貝克係數愈大的材料，在同樣的溫差下輸出的電壓愈大，是愈好的熱電材料。不過陳洋元補充說，熱電材料除了西貝克係數要高之外，「導電性也要好，除此之外，導熱率不能太好，否則溫差一下子就熱平衡掉了。」考量各種條件之後，科學家訂出了熱電材料的優質係數 ZT 值=（^δS2⁄_κ）T，其中 σ 是導電係數、S 是西貝克係數，κ 是導熱率，T 是絕對溫度。

導電性好、西貝克係數高，而且導熱率要低。這是優質熱電材料的三大條件。

於是，研究熱電材料的科學家從幾十年前開始，便朝著符合這些條件的方向努力。陳洋元說：「金屬的導熱都太好了，並不適合當作熱電材料。目前主要的做法是用各種半導體材料，搭配不同的摻雜元素及比例，來找出最佳化的 ZT 值。」

全世界各研究團隊多年下來，針對各種材料組合及摻雜比例，找出了不少值得關注的熱電材料候選者（如下表）。「你可以從中發現，多數的熱電材料都是溫度愈高，ZT 值愈高，在 600°C~700°C 的高溫會表現得很好。」陳洋元笑說：「只有一種材料適合在室溫運作，就是鉍-銻-碲（BiSbTe），目前為止無人能出其右。而且科學家大概 50 年前就發現它了，它保持世界紀錄至今 50 年。」

控制晶格和缺陷，不讓熱傳過去！

找到優秀的材料搭配和比例還不夠！要提升熱電效果，還有一個重要因子：減低熱電材料的導熱率。微觀來看，就是精細地調控材料晶格或內部缺陷。

晶格是材料的骨架，熱的本質是晶格振動，而熱傳導的本質便是晶格裡的原子以振動方式將能量傳遞給鄰近原子。因此，阻礙能量傳遞的方式，就是調控材料內原子的排列，以期達到導熱差、導電好的最終目的。

理想上可以利用「超晶格」，當不同種類的原子像三明治一般層層交替堆疊時，界面的原子與鄰近原子尺寸、重量都不同，這會造成晶格排列不順暢（晶格不匹配），彼此的振動能量也不易傳遞，大部分都會反彈回來，也就達到「導熱不佳」的效果了。

種類不同、尺寸與重量皆不同的原子間，由於晶格不匹配，振動比較不易傳遞，導熱率因此降低。

陳洋元進一步解釋，超晶格的每一層材料厚度、比例都必須嚴格控制，「因為我們只希望導熱率降低，但不希望影響到電子的移動。」也因此，這項製程「非常困難，需要的設備也很昂貴。超晶格結構如果要做到一張紙那麼厚，可能必須鍍膜上萬次，成本很高，東西也做不大。換言之，超晶格在學理上可行，但實際應用上有困難。」

「我們可以選擇退而求其次的做法。」陳洋元說。例如在材料裡刻意摻雜一些雜質，或製造晶格的空缺，包括：點缺陷、空位、差排、疊差等。以這些缺陷的數量來控制材料特性，在盡量不影響導電的狀況下降低熱傳導率。「這是比較簡單可行的做法。」

熱電材料自有用武之地

熱電材料在實際應用上，發展得比其他再生能源慢，主要原因還是在發電效率不夠好。目前在室溫下最好的熱電材料，轉換效率約 3~4%，相較之下，太陽能發電目前的轉換效率約在 15~20%。這也是熱電材料在能源發展上較少被提及的主因。

「不過其實熱電材料在 600°C~700°C 的高溫下，轉換效率可以超過 10%。」陳洋元說。因此，幾年前美國一度打算將熱電材料用在汽車的廢熱回收，畢竟燃油引擎的油電轉換效率大約在 30% 左右。「剩下的 70% 都變成廢熱排出去了。如果能把其中 10% 的廢熱轉換成電能，等於是引擎效率的一大躍進。」不過後來，隨著電動車逐漸成為主流發展方向，這項應用也就失去關注了。

熱電材料就這樣無英雄用武之地了嗎？並不是。其實早在 30~40 年前，它就已經應用在太空科技上了。太空船或衛星發射到太空中之後，需要電能維持運作，除了太陽能以外，熱電也是重要的電力來源。陳洋元以航海家一號舉例，「它朝著太陽系外離去，過程中太陽光會愈來愈微弱，因此不能完全仰賴太陽能做為電力來源。」因此，航海家一號就有使用熱電技術，其中熱的來源是鈾、鈽等放射性材料，它們在衰變過程會放熱，與外太空趨近絕對零度的環境產生溫差，藉此發電。「這些放射性材料的半衰期是幾十億年，對我們來說像是萬年之毒，但對太空船來說，卻像是永恆的電力來源。」陳洋元說。

熱電轉換效率不佳，但對於缺乏電力來源、外界環境溫度極低，又不怕放射性汙染的太空科技來說，是很好的發電選擇。

此外，熱電材料不只能把熱轉換成電，也能反過來，利用材料兩端的電壓差回推來產生溫度差。也就是說熱電材料的應用不限於發電，它也能做為冷氣、冰箱等使用的溫度計；或是在熱電材料上外加電壓，產生電流，造成材料兩端的溫度差，做為冰箱、電腦 CPU 的致冷元件。

陳洋元也在近兩年，研究開發出薄型熱電晶片，裡面的結構是 128 對微小的 p 型、n 型半導體柱，就像 128 個小小的乾電池串聯一樣，能把熱電效應放大百倍。陳洋元解釋，雖然熱電效率不高，無法用在大型工廠等需要巨大電量的狀況，但這樣的晶片可以用來製作「熱電自充隨身電源」，應用在手機或電子手錶等隨身穿戴式電子裝置上，這類裝置需要的電量不高，但可能隨時有充電需求。「想像一下這樣的場景，你走在路上發現手機沒電了，於是拿出熱電自充隨身電源，利用自身體溫與室溫的溫差，幫手機緊急充電。」

隨著網際網路的發展，基地台熱點愈來愈多，這也讓陳洋元對於熱電材料的應用潛力更加樂觀。「在某些偏遠地帶，例如玉山的基地台，電力供給或許就不需要建置發電站，利用熱電材料（透過溫差發電的特性），只要送一桶瓦斯去就好，方便多了！」或者，熱電材料也能與太陽能互補，「因為太陽能發電使用的是太陽光，它的輻射熱並沒有被利用到，這一點可以用熱電材料來加強補足。」陳洋元說。

另外，陳洋元也正在與廠商合作，希望能製作中型、大型的發電機。陳洋元說：「一個熱電晶片大約能發 20 瓦的電，把 25 個晶片合起來，就能有 500 瓦。」儘管成本比一般發電機高，但熱電發電機具有輕巧、無噪音等優點，「我相信它在未來是一個機會。」

熱電材料的研究還在如火如荼的進展著，而陳洋元對它的未來也抱持著樂觀的態度。回頭看看熱電材料的優質係數 ZT 值，「只要我們想辦法降低導熱率，它理論上還能再拉高。」陳洋元說：「現在室溫下的 ZT 值最高是 1 點多，在不久的未來，我們很有可能就突破它了」