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快工作啊「藍能」!利用海水就能產出綠色能源的滲透壓發電

Yubari
・2020/01/01 ・1797字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

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說到臺灣的海洋能源,你第一個想到會是什麼?是起起落落的潮汐發電,還是穩定有力的黑潮洋流發電,又或是雖然用的是風力,但卻蓋在臺灣海峽上的離岸風電呢?

除了以上這些物理的發電方法,海洋能源還有一種靠化學來發電的方法──滲透壓發電 (Osmotic energy),又稱為藍能 (blue energy),今天就讓我們來介紹它的原理以及近期的新改變吧。

正負分兩邊,電力就出現

圖上W1表淡水,W2表示含有鹽分的海水,O為兩者間的滲透壓。圖/ Raster: Nein Arimasen; Vector: ZooFari [CC BY-SA 3.0]
介紹滲透壓發電之前,我們要說明「滲透」是什麼。化學上的「滲透」,指得是將濃度不一的兩個水溶液用只讓水分子通過的半透膜來分隔時,水分子就會由低濃度的溶液往高濃度去移動,使得兩者濃度變得接近現象。而當滲透作用達到平衡時,兩邊的水面高低不一,這之間的壓力差,就稱為「滲透壓」。

而新型的滲透壓發電,是利用特殊的透膜將正離子輸送至另一邊的水中,使得兩邊的水團各自帶著正負電,這時候只要有導電裝置存在就可藉此獲得電力。

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滲透壓發電示意圖 紅點:正離子 綠點:負離子 黃色臉:電子
每當有一個正離子通過中間的透膜時,就會有一個電子從左方透過線路移動至右方。
截圖修改自科普影片:Water generates electricity (with a pinch of salt!)

來自瑞士的研究團隊在 2016 年時,發表了一種由二硫化鉬(MoS2)組成的薄膜1,讓發電效率大大地提升,達到每平方公尺有一百萬瓦特的功率。為了推廣藍能,他們也製作了下面這一部影片來介紹基本原理和他們的成果。

0:35-0:50 介紹滲透壓
1:15-1:40 介紹滲透壓發電

效率這麼低,藍能發電划算嗎?

事實上,目前全球也有好幾座滲透壓發電廠已被興建,但主要的問題都出在造價昂貴以及發電效率不高,而導致難以廣設。對此,科學家們仍然研究著如何改善現有的方法。

雖然藍能聽起來很不錯,但實際應用上嘛……圖/kiler129@flickr

2013 年,來自法國的研究團隊利用氮化硼奈米管 (boron nitride nanotubes,以下簡稱 BNNTs) 穿刺由氮矽化合物組成的薄膜,得到了一種高強度的新型透膜2。又因為 BNNTs 帶有負電,所以能夠只讓正離子通過,達到分離正負離子的效果。

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研究員估算,若新的透膜每平方公分能具有一百萬個 BNNTs,每一平方公尺一年便可以產生 30,000 度的電能,若以臺灣平均一戶家庭每年 3600 度來算,該電量可以供應超過八個家庭的用電量。而 2018 年臺灣的用電量為 2332 億度,因此理論上(只)需要約7.7平方公里,也就是比中正區(7.6平方公里)再大一些些的新型透膜,就可以滿足全臺灣的用電。

然而,即便要製造出郵票大小的新型透膜,在當時也是一件不可能的任務,因為要使這麼多的 BNNTs 整齊地垂直於薄膜實在太過困難了。因此瑞士團隊才會在 2016 年選擇使用其他種材料,縱使最後他們採用的二硫化鉬薄膜的效率並沒有比較高。

法國團隊將BNNT刺入薄膜的步驟說明,但是一次只能裝上一根BNNT。
左列為示意圖,右列為電子顯微鏡影像。

時隔六年的解決之道:磁力

直到今年,博士生 Semih Cetindag 發表了該團隊如何辦到這項不可能的任務3,首先他們將 BNNTs 覆蓋上一層帶正電且分子夠大不會跑進管道內的塗料,接著再加上帶負電的鐵氧化合物顆粒,讓其附著在帶正電塗料上面。

之後再將 BNNTs 放入尚未凝固的聚合物薄膜中,這時候再通以磁場,因為鐵氧化合物帶有磁性,所以這時所有的 BNNTs 就會乖乖向著同一個方向排列,六年來的難題終於被破解啦(灑花)。

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最後只要讓聚合物薄膜凝固,清除物質兩面的表層保證 BNNTs 的暢通,就可以得到每平方公分有一千萬條 BNNTs 的新型透膜!

縱使已經超越前人的成果,他們仍認為還可以更好,因為目前只有 2% 的BNNTs有確實打開通道,因此還有很大的進步空間。相信在不久的將來,藍能將迎來期待已久的大突破,就讓我們一起期待這天的到來吧!

 參考資料

  1. Feng, J., Graf, M., Liu, K., Ovchinnikov, D., Dumcenco, D., Heiranian, M., … & Radenovic, A. (2016). Single-layer MoS 2 nanopores as nanopower generators. Nature, 536(7615), 197.
  2. Siria, A., Poncharal, P., Biance, A. L., Fulcrand, R., Blase, X., Purcell, S. T., & Bocquet, L. (2013). Giant osmotic energy conversion measured in a single transmembrane boron nitride nanotube. Nature, 494(7438), 455.
  3. Cetindag, S., Pendse, A., Praino, R. F., Kim, S., & Shan, J. W. (2019). Enhanced Electrokinetic Energy Conversion {\&} Ion-Selective Transport in Macroscopic Vertically Aligned BNNT Membranes. Bulletin of the American Physical Society.
  4. Rivers could generate thousands of nuclear power plants worth of energy, thanks to a new ‘blue’ membrane.
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Yubari
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一位小小小小地科研究生

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快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

把地震儀放到井下後,有什麼好處?

除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

延伸閱讀:

在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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綠能當道,敢不談發展電動車嗎?
賴昭正_96
・2024/02/09 ・7388字 ・閱讀時間約 15 分鐘

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  • 作者/賴昭正|前清大化學系教授、系主任、所長;合創科學月刊

在我看來,一位只讀報紙和當代作家書籍的人就像一個蔑視眼鏡的極度近視眼人:他完全依賴他那個時代的偏見和時尚,因為他永遠看不到或聽到任何其它東西。

——愛因斯坦(1879-1955)1921 年諾貝爾物理獎

2013 年 7 月,筆者在《科學月刊》之「大家談科學」專欄裡指出:電動車還是需要能量的,因此在考慮發展電動車時,必須同時考慮其能量來源的效率。如果發電廠的發電效率與直接燃燒汽油的汽車效率一樣(見「附錄-熱力學」),那麼發展電動車實質上的優勢只是將環境污染移到鄉下而已。該短文一出現後,立即有讀者分別在《科學月刊》及網際網路上反應,提出電動車的好處,應該發展;為此筆者又寫了兩篇有關發展電動車可能碰到的問題(詳情請參閱《我愛科學》)。

兩年半後(2016 年 2 月 21 日),筆者又在第 1666 期《世界週刊》提出;中國為燃煤發電的大國,要產生同樣的能量,燃煤所排放的二氧化硫、重金屬(水銀、鉛、鎘、及砷等)及懸浮顆粒(現代汽油車的廢氣中已幾乎不再出現)對人體的健康有巨大的負面影響,因此在未改變整個發電結構之前,在中國大量使用電動車不僅不能「減少空氣污染」,反而會對整個環境造成更大的災害。加上可設置私人充電樁的私宅少,電動車不可能普及化,因此「中國不適合發展電動汽車」。同樣地,此短文一出,立即有讀者反駁,謂中國不能落後,必須跟其它國家一樣,積極發展電動車。

中國現在已成為全球最大的電動車製造商及市場;截至今年(2023年)9 月,純電動車佔中國汽車銷量 25%。在全世界到處均在高喊發展電動汽車的此時,顯然筆者是錯了!真的嗎?在回答這問題之前,因為可以幫助我們了解電動車的銷售,讓我們在這裡先來複習一下電動車發展的簡史吧。因本文涉及不少時間點(如今年、現在),請讀者注意本文完稿於 2023 年 12 月 19 日。

電動車的發展

1895年的電動汽車。圖/wikimedia

電動車當然不是一個新概念;事實上早在 1830 年代,第一輛電動車就已經被開發出來。而在台灣,筆者 1975 年暑「放棄高薪」從義大利回到清華化學系時,當時的工學院院長毛高文就已經積極在推動電動車的研發:1974 年首度發表自製電動車「清華一號」,從新竹走省道一路開到台北,開啟了國內電動車研發的先河。然而,由於各種原因,包括豐富的汽油和缺乏可靠的電池,電動車一直沒有商業化。電動車的真正復興發生於 21 世紀初鋰離子電池的發現與成熟 1。下面可以說是全世界電動車普化的兩個轉捩點:

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第一個轉捩點是日本豐田普銳斯(Priuse)的推出。普銳斯於 1997 年在日本發布,成為世界上第一款量產的混合動力電動車(同時使用電池與汽油,完全不用插電,內燃機提供電源;詳情請參考《我愛科學》之「混動車值得發展嗎」);2000 年,普銳斯在全球發布,一推出就獲得了名人的青睞,從而提高了該車的知名度。從那時起,不斷上漲的汽油價格和對碳污染的日益關注,使普銳斯成為全球最暢銷的混合動力車。

另一個幫助重矗電動車的事件是 2006 年矽谷一家小型新創公司。特斯拉(Tesla)汽車公司從美國能源部貸款計畫辦公室獲得了 4.65 億美元的貸款,在加州建立製造工廠;於 2010 年宣布將開始生產一款一次充電可行駛超過 200 英里的豪華電動跑車。此後不久,特斯拉就因其汽車贏得了廣泛讚譽,成為加州最大的汽車行業雇主。特斯拉的成功、日益受到關注的全球氣候溫度上升、加上政府政策的推動與大量金錢補助(特斯拉幾十億及購車者),電動車開始變得更主流,迫使許多大型汽車製造商加速開發自己的電動車,甚至決定放棄傳統汽車的製造!

特斯拉汽車公司的創立

現在一談到電動車,似乎不能不談特斯拉。而一談到特斯拉,似乎便不能不談充滿爭議性、全世界最富有的馬斯克(Elon Musk):相信很多讀者都以為他是特斯拉的創辦人,但事實上他只是提供創辦資金,不是創辦人!

馬斯克(Elon Musk)。圖/wikimedia

現在廣為人知的故事是 2003 年時,艾伯哈德(Martin Eberhard)和塔彭寧(Marc Tarpenning)為了要為他們剛剛成立的新公司收集消費者數據,開車在美國最富有之一郊區、史丹佛大學所在地的帕洛阿爾託(Palo Alto)街道上來回走動,觀察其居民擁有哪些類型的汽車。他們發現在價值 200 萬美元的房屋前,總是停著一輛豪華轎車和一輛當時環保寵兒的普銳斯。因此他們認為環保主義已經來到了富人家門口,可以開始向少數的富人出售電動車,希望最終會滲透到中產階級。他們以塞爾維亞裔美國發明家特斯拉(Nikola Tesla)命名,成立了特斯拉汽車公司。該公司的資金來源中最著名的就是貝寶(PayPal)控股公司聯合創始人馬斯克。馬斯克為這家新企業提供了超過 3000 萬美元的資金,從 2004 年開始擔任該公司董事長;2008 年艾伯哈德和塔彭寧兩人離職後,馬斯克接任執行長。

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特斯拉公司於 2010 年上市;2020 年開始賺錢 2 時,其股票市值首次超過了通用汽車公司和福特汽車的總市值。

炫耀性保護

艾伯哈德和塔彭寧相信因為環保主義的抬頭, 富人會買電動車來展示其綠色美德的現象,經濟學家稱為「炫耀性保護」(conspicuous conservation);他們也相信這最終還是會滲透到中產階級的。果然不錯,富有的愛好者競相排隊購買特斯拉,使得其市值在 2021 年曾經一度超過 1.2 兆美元 3,成為世界上最有價值的公司之一。歲月匆匆,艾伯哈德和塔彭寧所盼望之慢慢普及的時候似乎應該到了,但卻沒有發生!顯然中產階級消費者就是不合作:他們似乎像筆者一樣,對於如何處理收入有自己的想法,他們需要汽車來上班、購物、帶小孩上學、度假、⋯⋯,他們沒有必要、也負擔不起購買一輛昂貴且不實用的電動車來炫耀。

注意電動車發展的讀者應該都已注意到:最近(2023 年 11 月)報章雜誌都開始報導電動車銷量在一年前就已經開始放緩,促使許多電動車製造商大幅降價,並在第一季引發價格戰。電動車的需求雖然還在擴張,但成長速度已大幅放緩。根據《華爾街日報》報道,繼去年上半年全球成長 63% 後,今年同期僅成長了 49%;而與此同时,2023 年混合動力車銷量卻大幅成長(前三季年增 48%)。

圖/envato

汽車製造商終於開始有點頭痛了:第一波富有的環保主義者買家已經購買了他們的電動車後,現在該如何推動到中產階級的手中呢?通用汽車、福特、賓士、日產,甚至特斯拉,都因最近需求放緩發出了危險信號:通用汽車縮減了 2024 年的計劃,並表示將推遲新電動卡車工廠的開幕;福特正在考慮削減其去年非常暢銷的電動卡車工廠的班次;日產正在將更多資源轉移到混合動力汽車而不是電動車;馬賽地-賓士將現在的電動車市場描述為「殘酷」;⋯⋯⋯。曾經自稱將是「特斯拉殺手」的美國豪華跑車和旅行車製造商 Lucid 現在看起來也只是「普通而已」,宣布將生產速度放緩 30%,許多人甚至擔心該公司能否在當前電動汽車行業的低迷中生存下來。

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電動車車主的自述

2023 年 4 月 26 日《洛杉磯時報》社論版的副主編加爾薩(Mariel Garza)在「我已準備好更換我的(純)電動車」一文寫道:

我喜歡我的電動車,我真的喜歡。我喜歡我永遠不需要加汽油;我喜歡它在街上安靜滑行的樣子;我喜歡它有那麼多馬力——如果我願意的話,我真的可以超越汽油動力的跑車;我喜歡貼上可以讓我在高載客量車道上單獨駕駛的貼紙;我喜歡日常維護只不過是旋轉輪胎而已 4。但三年後,我正在認真考慮將其換成插電式混動汽車(見後)。⋯⋯為什麼? 因為儘管我很喜歡我的車,但我討厭我不能在這個引領電動車革命、確信我可以(隨時)在需要時充電的加州旅行。

筆者不相信加爾薩的後悔僅是少數人的意見,例如 2022 年 8 月 19 日《世界日報》就報導:

川渝地區因高溫限電造成大量充電樁暫停營運,使電動車車主感受到前所未有的「充電」壓力 5。有網約車師傅連跑八台充電樁才找到電,也有女性車主半夜 12 時還在外排隊 2 小時以上。充電焦慮讓車主們怕「掛在路上」,大嘆「不是在充電,就是在找充電樁的路上」。⋯⋯公共安全部數據顯示,今年上半年全國新能源汽車保有量已突破 1000 萬大關。高溫限電也引發了新能源汽車充電焦慮,多位網友網上抱怨「還是油車香」、「未來買新能源車要三思了」。

但是在政府及時髦的推動下,有多少人能獨立地三思、不人云亦云呢?

綠色能源

贊成發展電動車的還有一個建立在沙灘上的願景,那就是將來的能源將是綠色的,而不是從發電廠燃燒煤(氣)出來的。為什麼這是建立在沙灘上的希望呢?因為根據台電公司的相關資料,我國在 2021 年的再生能源佔比只有 6% 左右,距離原本政府時程內設下的 20% 目標非常遠。又經濟部今年 6 月 21 日公布最新全國電力資源供需報告,揭露 2023 年至 2029 年用電及供電預估,顯示再生能源建置進度較預期延後:原先預估 2025 年綠電占比要達 20%,重新調整為 15.5%,並謂至少必須等到 2026 年 10 月再生能源才會達到 20% 的目標。讀者相信嗎?

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而上面所提之「川渝地區因高溫限電」正是發生在中國水電第一大城的四川:其水利發電量佔全省發電量的 81.6%!能將日常生活用的電動車能源建立在難以預測與控制的綠能上嗎?由於此一罕見的大旱,北京當局為確保電力供應,宣告擱置優先發展清潔能源計畫,全力擴大煤礦的開採以及增加外國煤炭進口——中國應該發展電動車嗎?美國有線電視(CNN)指出,中國目前對煤炭發電的依賴已超過去年(因為大量使用電動車?),今年 7 月中國煤炭發電環比增加 22%。同樣地,去年歐洲大旱也造成其水利發電量產減少 20%(義大利 40%,西班牙 44%);筆者好像還在報上看到過:為了達成綠色發電量比的目標,有些歐洲國家因之想將天然氣發電改歸屬於綠色發電!這不是「自欺欺人」嗎?

不再需基礎設施配合的混動汽車

現在智慧型手機找充電站已經非常容易,但是想一想:好不容易改道開到充電站,卻發現唯一的充電樁壞了 6,不知道讀者將有何反應,但筆者雖然早已過了兩次四十而不惑,一定還三字經罵個不停!再不然就是所有的充電樁全被佔用了、或有一佔著茅坑不拉屎(已經充電完畢)的車主不知道跑到哪裡去了、……只好五十而知天命了:等吧。

充電停車場。圖/wikimedia

相信有些人會辯稱那是因為充電站不夠多的關係,如果充電站像現在加油站一樣,這問題就不會出現。但簡單的計算告訴我們:這問題還是存在的,因為最快的充電大概也需要 30 分鐘 7,而一般加油的時間只要 5 分鐘左右!事實上這正是筆者在 2013 年 8 月之「混動汽車值得發展值嗎」所指出的:「即使充電站能像加油站一樣普及,除非你多的是時間,否則等充電大概會讓你急得像熱鍋中的螞蟻。因此筆者認為電動車不可能大量取代汽油車,它只能用於日常上、下班或購物用。」

反之,在「混動汽車值得發展嗎」裡,筆者也辯謂:完全不用插電之電池與汽油兩用的混動汽車不但無純電動的缺陷,它的(汽油)能量使用效率已高達汽油汽車的兩倍以上,也不需要大量建造充電站來配合,因此應是將來汽車發展方向的主流。

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在這段期間裡,市面上已經出現了一種可以完全使用汽油(不需要充電)、但是也可以充電的「插電式混動汽車(plug-in hybrid)」:以電池為主、汽油引擎為輔的混動汽車;前者可以在家中車房充電,用於日常上、下班或購物用,後者用於長途旅行(不需要找充電站)。事實上中國的插電式汽車市佔率已經突破 37%,高過純電動車的 25%,估計到今年底,將可能接近 40%。在美國,今年第二季混動汽車的 7.2% 輕型車輛市佔率也超過純電動車的 6.7%,插電式混動汽車則從 2021 年初的不到 1% 上升到 1.7%。

高處不勝寒

豐田汽車雖然在電動發展史上佔了一席非常重要的地位,但其第一款純電動的汽車卻遲滯到 2022 年 5 月才出現 8。在全世界一片發展電動車的時髦下,讀者應該不難想像到其執行長所受的壓力。今年元月,豐田汽車創始人的孫子豐田章男終因緩慢採用電動車,導致其領導能力受到質疑,而決定於 4 月 1 日辭去當了將近 14 年的執行長及總監職。 

在特斯拉 10 月中公佈了災難性的第三季收益,投資者意識到電動車並不是獲利的靈丹妙藥後,當時已改任豐田汽車公司董事長的豐田章男終於喘一口氣,表示銷售放緩事實上證明了他對電動車的抵制是正確的,並補充說:「人們終於看到了(電動車的)現實」。豐田北美業務銷售主管克里斯特(David Christ)11 月 26 日向《華爾街日報》表示:「這是一個異常火爆的市場」,豐田正在盡可能大量生產混合動力車。

豐田 bZ4X。圖/wikimedia

同樣地,平時很少得到讀者的直接反應,但筆者在 2013 年及 2016 發表不贊同發展純電動車的看法時(因為有更好的方案),立即受到一些批評;使得筆者在 2017 年出版之《我愛科學》的自序裡覺得「高處不勝寒」。10 年後的今天,看來或許已經不再那麼冷了?!

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結論

美國環保署今年發布了令人非常沮喪的《2022 年汽車趨勢報告》,謂 2021 年的最終數據顯示,美國在汽車減少二氧化碳排放方面仍然進展甚微,他們說是因為消費者(富人)雖買了電動車,但車房裡停的卻是更浪費汽油、更豪華的大車子。但更可能的解釋不正是筆者所說的「發展電動車未必能減少空氣污染」嗎?

即使在汽車大國的美國,私人汽車所造成的空氣污染佔不到 20%,因此筆者認為發展什麼樣的車子都只是表面的裝飾而已,因為全球加速暖化與空氣污染背後的主要原因是:人類永無止境的慾望。只要人的慾望不降、鼓勵消費的經濟理論不改,世界能量的使用將只會有增無減,否則將被識為「經濟衰退」或「落後國家」!而如「附錄-熱力學」所言,能量大部分都是透過效率最差的熱來產生的,在產生的同時,一定要製造出大量的廢熱,這些廢熱通常消散到大氣、河流、湖泊、甚至海洋等大型水體中,導致水的內部熱量增加。根據 2022 年年底美國太空總署的估計,自 1955 年有記錄以來,百分之九十的全球暖化都發生在海洋中。筆者不知道為什麼我們不談這一更嚴重的問題:掩耳盜鈴?眼不見為淨?不願意面對必須節慾的事實?⋯⋯或正是愛因斯坦所說的「時代的偏見和時尚」?

麥肯錫(McKinsey)2022 年 4 月報告謂;「如果到 2030 年,所有銷售車輛中有一半是零排放車輛(符合美國聯邦目標),我們估計美國到那一年將需要 120 萬個公共電動車充電樁和 2,800 萬個私人電動車充電樁。⋯⋯消耗資本超過 350 億美元。」這巨額開支(台灣 2023 年總生產額的 3% 左右)用來改進現有的基礎設施(如發電效率、增加其二氧化碳的排放回收等)不是更實際有用嗎?

附錄-熱力學

熱也是一種能量,但熱力學告訴我們它是品質最差的一種,我們一旦將其它能量變成熱,就再也不能 100% 地將它改回或改為其它能量形式,所以透過熱來發電是一種非常沒有效率的方法。例如高山上的水,對地面而言具有位能,我們原則上可以將它 100% 的改成電能,這正是水利發電的原理(其效率可以高達 90%);但如果我們讓它掉到地面變成熱,再用這些熱來發電或做功,那麼其效率就受到熱力學的限制,原則上再也不可能 100% 了(實用上均難以達到 50%):在改回其它能量形式的同時,一定要製造出一些廢熱(見圖)。不幸地,這正是內燃機(包括汽車引擎)和發電廠(包括核電廠)的操作方式,因此它們的效率都不高:燃煤電廠與核電廠的平均效率約為 33%,天然氣發電廠大約在 33% 至 43% 之間,內燃機的效率因類型和引擎的不同而變化很大(15%-45%),汽油引擎的效率只有 30% 到 35% 左右。

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圖/作者提供

註解

  1. 吉野彰(Akira Yoshino)、惠廷漢姆(Stanley Whittingham)、和古迪納夫(John Goodenough) 因發展鋰離子電池獲得 2019 年諾貝爾化學獎
  2. 特斯拉在 2020 年公佈了首個全年淨利潤,但這並不是因為向客戶銷售電動車的結果,而是美國有 11 個州要求汽車製造商在 2025 年之前銷售一定比例的零排放汽車,如果達不到,汽車製造商就必須從另一家滿足這些要求的汽車製造商購買「碳信用額(carbon credit)」——只銷售電動車的特斯拉成了這項政府規定的最大贏家。
  3. 現在約為 0.8 兆美元,市盈率高達 80 以上,通用汽車、福特則在 10 以下。
  4. 美國權威《消費者報告》的最新調查顯示,電動車的平均可靠性遠低於汽油動力車、卡車、和運動型多用途車。該調查發現 2021 年至 2023 年車型中的電動車遇到的問題比普通汽車多近 80%。
  5. 在政府大力支持下,中國已擁有地球上最廣泛的電動車充電基礎設施。
  6. 加油站因為有大量的易燃及爆炸的汽油,不能像充電站一樣沒有人守著,因此壞了不知道或不修理的機會應該不多。美國權威數據分析、軟體和消費者情報公司 J.D. Power 今年 5 月的一份報告謂:「截至 2023 年第一季末,使用公共充電樁的電動車駕駛員中有 20.8% 遇到過充電故障或設備故障,導致他們無法為車輛充電。」今年 12 月 3 日《華爾街日報》報導謂:「根據美國處理汽車維修保險索賠的 CCC 智慧解決方案公司的數據,去年發生事故後維修電動車的平均費用為 6,587 美元,而所有車輛的維修費用為 4,215 美元。」
  7. 但大多數需要 1 到 2 小時。充電速度快,將會縮短電池的壽命。
  8. 2023 年豐田 bZ4X 是該汽車製造商的首款量產電動車,也是目前該品牌提供的唯一的一款電動車。

延伸閱讀

我愛科學》(華騰文化有限公司,2017 年 12 月出版):收集筆者自 1970 年元月至 2017 年 8 月在《科學月刊》及少數其它雜誌所發表之文章。內含熱力學與能源利用、電動車值得發展嗎、混動汽車值得發展嗎、再談電動車值得發展嗎、如何有效地儲存電力、台灣應該發展電動車嗎、中國不適合發展電動車等等與本文有關的文章。

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賴昭正_96
41 篇文章 ・ 48 位粉絲
成功大學化學工程系學士,芝加哥大學化學物理博士。在芝大時與一群留學生合創「科學月刊」。一直想回國貢獻所學,因此畢業後不久即回清大化學系任教。自認平易近人,但教學嚴謹,因此穫有「賴大刀」之惡名!於1982年時當選爲 清大化學系新一代的年青首任系主任兼所長;但壯志難酬,兩年後即辭職到美留浪。晚期曾回台蓋工廠及創業,均應「水土不服」而鎩羽而歸。正式退休後,除了開始又爲科學月刊寫文章外,全職帶小孫女(半歲起);現已成七歲之小孫女的BFF(2015)。首先接觸到泛科學是因爲科學月刊將我的一篇文章「愛因斯坦的最大的錯誤一宇宙論常數」推薦到泛科學重登。

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最安全的核電廠?小型核電廠 SMR 用發電量換安全性,遇到停電也不怕?
PanSci_96
・2023/06/03 ・2582字 ・閱讀時間約 5 分鐘

隨著核電廠陸續退役,台灣也逐漸邁向零核家園,郭台銘突然提出的「一縣市一核電」把核能議題的熱度重新炒到高峰。

雖然看似激進,但有人認為如果是郭董提到的「小型核電廠 SMR」的話,或許就有可能。這個 SMR 到底是什麼?它安全嗎?再者,它真的是核電的未來嗎?

實際上已經有人成功運行小型核電廠,並且已經併網發電了,他們是怎麼做到的?

小型核電廠是什麼?

台灣現在僅存,還在運作的核電廠就是核三廠,核三有兩部機組,每個機組的發電量大約為 950MW。

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小型核電廠正式的名稱是「小型模組化反應爐」SMR(Small Modular Reactor),發電量通常在 20~300 MW,比一般核電廠小上許多。還有甚至更小,發電量 1~20 MW 的 MMR(Micro Modular Reactor)的反應爐。

奇怪,發電量怎麼越發展越小了呢?這樣不就得要蓋更多核電廠?

小型核電廠的特點就是小發電量,因為這能創造三個優點:安全、造價便宜、易組裝。

核能那麼危險,為什麼還要用?

這三個優點實際上就是現在核電發展的最大瓶頸。核能發電也已經有 60 年歷史了,但至今全世界的發電量中,核電也只佔大約 10%。最大的問題不外乎就是安全性、造價昂貴和建造時間久。

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就算撇除安全性,漫長的建設時間與昂貴的發電成本,是讓許多電力公司卻步的原因之一。根據能源研究公司 BNEF(彭博新能源財經)的調查,從 2009 年到 2021 年,12 年間核能的建設成本增加了 36%;加上核電廠動輒 5~10 年的建設時間,就算核能是屬於低碳排的發電方式,大家也都更傾向選擇發展成熟的再生能源。

核能有一個最大的優點,那就是穩定持續發電。太陽能與風力這些再生能源容易隨天氣與時間影響發電量,反之核能屬於基載電力,本來就與風力、太陽能定位不同。

太陽能與風力等再生能源易隨天氣與時間影響發電。圖/Envato Elements

小型核電廠如何克服安全性?

要好要快也要便宜,除了穩定與低碳,還想要兼顧安全跟造價低的核電,小型核電廠真的是那個完美的選擇嗎?

小型核電廠 SMR 主打的特點就是一個字,小!只要夠小、功率降低,反應爐就不會一口氣釋放太多的熱,甚至能免除外部冷卻設備,靠自然循環降溫。

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福島核電廠發生意外的主因就是海嘯破壞了核電廠中做為緊急電源設備的發電機與電池,導致冷卻系統失效,最後反應爐內的溫度無法抑制、不斷竄高,將水分解成了易燃的氫氣,產生爆炸。

如果 SMR 的反應爐可以撇除對外部冷卻系統的依賴,靠自己就能降溫,就能最大程度避免發生爆炸以及爐心熔毀的事故。

我們以目前 SMR 發展最成熟的美國公司 NuScale 為例,在他們發展的 60MW 反應爐中,含有 37 個燃料束,整個反應爐高約 17.8 公尺,直徑約 3 公尺。這個大小甚至可以在工廠製造,透過貨車或火車運送至預定地再快速組裝起來,大幅減少建造的時間與成本。

NuScale 把水循環系統都包在了反應爐,一次冷卻劑藉由熱對流上下循環,完全不需要幫浦,減少停電時產生的風險,一次冷卻劑的熱則會傳給二次冷卻劑,讓二次冷卻劑變為蒸氣推動渦輪發電。

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如果真的遇上斷電事故,反應爐也有緊急冷卻系統,直接將整個反應爐泡在大水槽中;根據計算,水會在 30 天後完全蒸發,而此時的反應爐功率已經降低為原本的 4% 以下,只要靠空氣循環就能穩定溫度。

福島第一核電廠事故主因是由於海嘯破壞了做為緊急電源設備的發電機與電池。圖/維基百科

中國的小型核電廠是怎麼做到的?

而現在,在中國已經有第一座陸上 SMR 併到電網了!2021 年年底,中國山東省「石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程」正式併網發電,發電功率 200MW,雖然發電廠的總體積不小,但以它的發電功率及主打安全的設計,是實實在在的一座 SMR。

所謂的「高溫氣冷堆」,指的是流經燃料棒,充當冷卻劑與熱交換的材料,所使用氣體如:氦氣。與壓水式反應爐用水作為冷卻劑的最大差別在於不僅熱轉換效率更好,也不用擔心水因高溫氣化而有爆炸風險,故可承受更高的反應溫度。

比起傳統反應爐,高溫氣冷堆可以用更少的鈾 -235 進行反應,也就是能在燃料棒中有更多的鈾 -238 可以在溫度飆高時吸收掉多餘中子,加上高溫氣冷堆本身就能承受高溫的特性,如果真的遇到失去電力的情況,整個反應堆的溫度,也會穩定在 1600℃ 上下。

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除此之外,石島灣核電廠的設計十分有趣,是球狀反應爐。在如同沙漏般的大反應爐中,燃料棒被做成了一顆顆直徑約 6.7 公分的燃料球,兩萬七千顆燃料球像沙漏中的沙子一般填充在反應爐內。

鈾燃料會被包裹在球狀構造的中心,外頭則是作為中子減速劑的石磨;作為冷卻劑的高溫氦氣會從球的中間通過帶走熱量,燃料球可從下方取出,並從上方填充。

不過,高溫氣冷堆能否成功,還需要許多時間觀察,例如石磨包裹的燃料球是否容易摩擦造成破裂,都是需要進一步注意的。

燃料棒被做成直徑約 6.7 公分的燃料球。圖/PanSci YouTube

小型核電廠的未來?

除了中國外,各國也都在發展不同形式的 SMR,甚至有人在發展功率 20MW 以下的微型核子反應爐 MMR。例如美國愛達荷國家實驗室正在建造的 MARVEL 反應爐,以及核能公司 Radiant,它們正在打造貨櫃大小、可以隨拉隨走的 MMR,希望能取代社區停電時使用的高污染柴油緊急發電機。

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不論是小型還是微型核電廠,除了技術還有待發展,成本是否能壓低,也是個重要指標。當然,還有另一個大魔王,就是核廢料問題,還等著被解決。

根據研究推算,NuClear 各種機型每單位能量產生的核廢料可能會是傳統核電廠的 5.5~30 倍不等,球狀反應堆的體積因為球狀包裹物的設計,核廢料的體積也是明顯可見的變大,而這些核廢料的處置問題也是全球都在面對的問題。

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