新動力電池一步完成發電與儲能

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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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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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2022 年 12 月，來自越南的 999 台 VinFast VF 8 City 型智慧電動車乘坐貨輪抵達抵舊金山貝尼西亞港，敲開特斯拉的電動車帝國大門。

除了吹響這次的電動車戰爭號角的 VinFast，眾多車廠像是通用汽車（General Motors）或是來自中國的比亞迪等，都拿起籌碼坐上桌，準備要搶攻這塊市場。而大家手上握的籌碼，就是自家生產的電池。

氫與鋰，都幾？

在電動車產業中，要掌握電動車，就得先掌握好電池。光是電池就佔了整台車 35～40% 的成本，選擇不同種類的電池，更會影響到續行里程、充電效率和安全性。而目前電動車所使用的均為「鋰離子電池」。

大家是否還記得，在十幾年前，與電動車角逐未來「環保車」位置的，還有氫能車。

氫與鋰的競爭勢必發生，它們排在元素週期表最前面，原子序最小的一、三名。鋰的密度甚至僅有每立方公分 0.534 克，比水還要輕，代表在相同的重量下，可以放入更多的原子，攜帶更多的電量，這正是我們最需要的。由於氫氣的分子量小，在燃料電池中的能量轉換效率也不錯，因此「理論上」氫燃料電池的能量密度是鋰離子電池的 150 倍。

只是，就現在技術成熟度來說，明顯是鋰離子電池獲勝，不論是手機、電動車還是大型儲電設備，到處都見得到鋰離子電池的身影。

鋰離子電池

1970 年代，英國化學家惠廷翰（M. Stanley Whittingham）發明了第一個可以充放電的鋰離子電池，其單位重量的儲電效率遠超過當時的鉛蓄電池與鎳鎘電池。在電池中，金屬鋰會在負極丟下電子，以鋰離子的狀態移動到正極，並被特殊設計的二硫化鈦夾層捕捉，電路中的電子則會從負極流往正極，完成電路循環。

不過當時負極所使用的是純金屬鋰，因此，在電池充電、鋰離子會回到負極再結晶成金屬鋰的過程中，會容易形成如同鐘乳石般的晶鬚（Lithium Dendrite），當晶鬚因為反覆充放電變的更長，甚至會戳破電池的保護層，導致短路爆炸。

好在後來美國的古迪納夫（John B. Goodenough）與日本的吉野彰（Akira Yoshino），分別將正極材料換成了鋰鈷氧化物，負極換成可以捕捉鋰離子的碳材料；整顆電池不再有純金屬鋰，只有鋰離子在電解液中移動，確保了安全性，讓鋰離子電池得以商業化。

而這孕育出鋰離子電池的這三位科學家惠廷翰、古迪納夫以及吉野彰，在 2019 年抱回諾貝爾化學獎，實至名歸。

電池的負極在吉野彰將負極換成石墨烯等碳材料後，至今沒有太大的變化，鋰離子電池最主要的改良還是圍繞在正極材料的改變上，我們習慣將不同的鋰離子電池依照它的正極材料來命名，例如：將鋰離子電池的正極改為鋰鈷氧化物，則稱為鈷酸鋰電池。電池發展到現在，陸續登上舞台的還有磷酸鐵鋰電池、磷酸鋰錳鐵電池、鋰鎳鈷鋁電池、鋰鎳錳鈷電池等。

哪個才是最強的電池

「三元電池」是目前市面上可量產的產品中、能量密度最高的電池，也是現在電動車的電池首選。「三元」指的是正極材料中除了鋰以外，加進了鎳、鈷、錳三種元素，具有高容量、低成本的巨大優勢。

除此之外，材料學家發現，如果提高鎳含量，可再進一步提升單位體積的電容量。許多車廠推出的高鎳電池，其鎳含量甚至高達 80 至 90%。這種高鎳三元電池的電容量可以高達每公斤 280～300瓦時（280～300 Wh/kg），相較之下，馬斯克最愛的「磷酸鐵鋰電池」每公斤只有 140~150 瓦時（140~150 Wh/kg），僅三元電池電容量的一半。

那為什麼電動車龍頭特斯拉反而選擇了磷酸鐵鋰電池呢？就是成本考量。

磷酸鐵鋰的成分除了鋰以外，只需要常見的鐵跟磷，完全移除了昂貴的稀有金屬鎳跟鈷，在俄烏戰爭爆發之初，由於俄羅斯是鎳的生產大國，導致鎳的價格在一個月內暴漲了 250%，大大增加了高鎳三元電池的成本負擔。

另外，相對三元電池，磷酸鐵鋰電池不僅成本低，安全性也較高。

除了特斯拉，在 2022 年電動車銷售數量超越特斯拉的中國車廠比亞迪也很愛！比亞迪自行研發的「刀片電池」用的就是磷酸鐵鋰電池，並且透過物理結構的改良，在不過多改變材料的情況下，增加相同體積中的電容量。

次世代電池，Taiwan can help？

科學家預估，鋰離子電池的物理極限大約就在每公斤 300 瓦時，三元電池也差不多摸到這條線了。而這個結果離「完美」絕對還有很大一段距離，因為汽油的能量密度可是每公斤一萬兩千瓦時，鋰離子電池的 40 倍！

先別失望！隨著科技進步，鋰離子電池也將進入次世代。2022 年 3 月，Gogoro 與台灣電池廠商輝能科技共同發表，將在 2024 年導入固態鋰電池，用固態電解質來取代傳統鋰電池中的液態電解液。藉此不僅重量僅有鋰電池的一半，去掉液態成分後更大幅減少漏液、燃燒的風險；更重要的是，固態電池的能量密度上看每公斤 500 瓦時，是三元鋰電池的兩倍，車主們就可以少換幾次電池。

想開電動車的車迷也可以期待，除了 Gogoro 以外，輝能科技也宣布結盟 VinFast，可望在電動車市場上掀起一波固態電池車風潮。

這邊有個更好的消息，超越固態電池，能量密度可以逼近汽油的「空氣鋰電池」已經在研發路上。空氣電池的負極使用鋰金屬，正極則替換為氧氣或二氧化碳，成為鋰氧氣電池（Li–O2 Battery），或是鋰二氧化碳電池（Li–CO2 Battery）；用氣體取代了原先沉重的金屬正極，大大提高了相同重量的電容量。

雖然空氣電池仍在研發，一樣需面對負極沉積時產生的晶鬚、安全等問題；但至少在過去 20 年，鋰電池遇到的困難已經多次被解決，電化學儲能的方式大有可為。

不論是市場上電動車的銷量年年攀升，還是各國政府、車廠的全力投入，電動車主導汽車市場的未來已經清楚可見。未來會不會出現顛覆市場的電池、電動車，甚至是全新型態的交通工具，都令人期待。而在工業製程與材料改革中，「電動車是否真的有比較環保」這個問題，也希望能有個解答。

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比爾蓋茲（Bill Gates）創立的「突破能源風險投資基金」（BEV）所投資的其中一家，是瑞典新能源開發公司「倍速羅得（Baseload Capital）」，這家公司在 2019 年選了台灣花蓮的紅葉村，作為亞洲地熱開發地點之一，顯示台灣在地熱發電的潛力。

不過你知道嗎？其實早在 1981 年台灣地熱發電就曾經領先國際，當時在宜蘭清水設置的地熱發電廠，是全世界第 14 個進行地熱發電的國家，但後來到 1993 年就關廠不用了，到 2021 年才重新再次運轉，為什麼呢？ 這次我們來聊聊臺灣在地熱發電上已經做了哪些開發？又有哪些實際的困難和需要突破的地方。

發展地熱發電的成本和考量

地熱開發就像談戀愛，不能在 App 上聊得愉快就直接把身家都交給陌生的他，還是得面對面深入交往才知道這人到底存不存在，值不值得真心託付，能不能長長久久。地熱能開發本身，也是件高度不確定的事，以探勘地熱來說好了，即使有科學研究資料輔助，最終還是要認真挖探勘井到一定深度，才有辦法判斷到底能否作為發電之用，無法保證一定有成果。

再說，就算確定有好的熱源，若要開發臺灣地底深處的熱能，就必須挖掘深的地熱井，也就意味著要付出高昂的成本。一般而言，鑽井成本少說占了整個地熱發電計畫的 30% 到 50%，甚至是更高。根據美國康乃爾大學（Cornell University）的研究團隊於 2013 年發表的估計，地熱井深度和鑽井成本的關係，大致可以用這張圖來表示。隨著深度增加，鑽井費用亦大幅上升。

而且，每個計畫會開發的地熱井，絕對不只一口，以宜蘭的利澤地熱電廠來說，就預計會有 11 口 6 公里深的井，所需費用的龐大可想而知。

同時，鑽井會遇到許多不同的困難。看過電影世界末日都知道，如果岩盤堅硬又粗糙，那麼不但鑽井的進度會變得緩慢，鑽頭也會磨損得特別快。另外像是卡鑽、穩定鑽頭的泥漿流失等等，都是必須面對的挑戰。

另一方面，在開發地熱時，依地區而異，可能會遇到腐蝕性流體，如含氯離子或硫酸根的地下水，因此必須選用耐腐蝕的機具和管材，或是用化學方法中和；而當熱液從地底冒出到地表時，也可能伴隨硫化氫等有害氣體，要是聞到臭雞蛋的味道還可以跑，要是濃度高到讓人嗅覺疲乏可能小命就要難保。

此外，地下水中的雜質和礦物質，可能會隨時間經過附著在管壁上，導致發電效率下降，定時清理也是個麻煩的差事。

隨著科技的進步，雖然這些麻煩在原則上都能夠處理，卻也是無法免除的成本，在規劃時就必須仔細考量因應措施。

說了這麼多，到底用地熱發出來的電貴不貴呢？發電成本會因地區、時間和技術的提升而異，不同單位做出來的評估也會不同。若我們比較近年來幾個不同組織評估的全球均化發電成本（Levelized cost of electricity），也就是電廠生命週期總成本除以生命週期總產生能源，大致可以看到這樣的結果，不同顏色代表著不同單位的評估。

以全球總體來說，目前地熱發電每發出百萬瓦小時電力的成本，跟太陽能和陸域風電相比稍微偏高，但跟其他能源相比倒也不至於比較貴。必須留意的是，這只代表近年的能源價格狀況，也跟電力公司發布的發電費用是完全不同概念，而且隨著未來地熱往深處探勘、或技術的成熟，成本還有可能提高或降低。

臺灣的地熱發電發展

事實上，臺灣在地熱發電曾經領先國際，1981 年就在宜蘭清水設置了地熱發電廠，是全球第 14 個進行地熱發電的國家。

只不過，臺灣的地熱發電量從一開始的 828 萬度一路下滑，到 1995 年完全歸零，從 2017 年之後才又往上提升。這中間到底發生了什麼事呢？

一來，清水地熱電廠早期進行發電時，利用完的熱水並沒有回注地底，而是直接排掉，造成地下水耗損；二來，像我們前面說過的，地下水中的礦物質於地熱井管壁結垢；這兩大因素使得清水電廠的出水量銳減，僅過一年發電能力就大幅下降，最終導致 1993 年的關廠。

從此，臺灣的地熱發電沉寂好一段時日，直到 2013 年清水地熱電廠重新建置示範機組，進行運轉測試，2018 年開始發電，並於 2021 年底正式重新啟用，才宣告復活，目前也有擴大發電規模的計畫進行中。當然，這一次，在地下水回注跟結垢問題的處理上，都比之前更好。

除了清水地熱這個示範點，從 2018 年開始，也有台東知本溫泉業者利用既有溫泉資源進行發電，且併入台電電網，成為臺灣小規模地熱發電首例。

那麼，臺灣的地熱發電就此熱熱鬧鬧熱到家了嗎？倒也不是。我們可以從兩個面向，行政流程和開發誘因分別討論。

臺灣的地熱發電關卡：繁複的行政流程

長久以來，臺灣在地熱資源的開發一直缺乏適當的法規和配套流程。若要進行開發，必須依照《溫泉法》和《水利法》申請，但卻沒有任何一項是跟發電直接相關，法規細節也不符合地熱發電的特性。

此外，土地使用根據涉及的區域，仍須依《都市計畫法》、《區域計畫法》、《森林法》、《國家公園法》、《地質法》、《災害防救法》、《水土保持法》等規定辦理，不但要面對中央和地方政府許多不同單位，行政程序亦曠日廢時，相當不容易。

就像兩人交往之前，得先經過她爸、她媽、二舅、大嬸婆、還有指導教授跟前男友同意才行。以才剛重新啟用的清水地熱電廠來說，雖然施工只要一年多，跑行政流程卻花了四年。這樣冗長繁複的申設程序，無疑拖累了臺灣的地熱發電發展。

有鑑於此，最近的「再生能源發展條例」修正草案，簡化了地熱發電申請的行政程序，也新增相關規範，並於 2022 年 12 月初在行政院通過，後續將送往立法院審議，值得我們關注後續的發展。

臺灣的地熱發電關卡：開發誘因不足

地熱發電要付諸實行，除了技術和法規必須到位之外，還必須有經濟效益，才可能成真。

我們可分別從計畫的探勘期、開發期、和營運期三個階段來說明。

首先，地熱發電計畫在探勘期風險極大，很有可能挖了探勘井，卻沒有好的熱源，回不了本。

舉例來說，從 2017 年底開始，台電在綠島進行了兩口地熱試驗井的鑽探工程，最終卻發現溫度並不理想，而暫時將計畫擱置。

而在開發期，臺灣目前沒有保障地熱探勘者優先開發的權利，就算找到熱源，卻可能被其他業者搭便車，捷足先登開發，得不償失。相關法規後續要怎麼訂定，是值得討論的議題。

最後，營運期的收入，若無法彌補成本並獲利，就也不可能吸引廠商投入。為此，躉購費率，也就是再生能源保證收購制度的訂定就非常重要。

縱上所述，因為地熱計畫存在諸多風險，初期又需要龐大的經費，如果沒有政府支持，民間廠商非常不容易投入。

目前來說，臺灣政府設有「地熱能發電系統示範獎勵辦法」，針對探勘給予補助；既有的地熱探勘初步資料在「地熱發電單一服務窗口」網站也都可查詢，並由經濟部中央地質調查所邀請國內 12 個與地科、地質相關校系，籌組「地熱探勘學研合作平台」，投入前期的地質調查，讓廠商有開發的參考依據。同時，地熱發電做為再生能源的一環，每年也會重新修訂躉購費率。

至於這些措施合不合宜、是否真能發揮效用，增加廠商投資意願，就有待我們觀察。

隨著再生能源越來越受到重視，全球的地熱發電於這十幾年內增加了許多。

雖然在總容量上，與其他主流能源還有不小差距，但因為技術的進步，地熱發電逐漸能夠擺脫地域的限制，更廣泛地被運用。

而台灣位處環太平洋火山帶，深具地熱發展潛力。可惜的是，即使是臺灣最容易開發、深度較淺的地熱能源，其潛能亦尚未完全發揮。經濟部原本設定 2025 年地熱發電目標要達 200MW，卻因為行政流程繁瑣和開發誘因不足等各種原因，導致開發進度緩慢，只能下修目標。

現在，台灣地熱累積的併網裝置容量約 5MW，雖然還有二十多個地熱計畫正在進行中，也有民間公司積極投入，宣布最快要在 2030 年累積建置達 200MW。但上述問題一日不解決，臺灣的地熱就難以真正施展拳腳。

如果我們希望臺灣的地熱發電能夠更蓬勃發展，那麼，相關法規的訂定和行政流程的簡化是一定要做的，接著要完善獎勵措施和補助機制，並設定合理的電價制度。在整個過程中，一些地熱發展良好的鄰近島嶼國家，如日本、菲律賓、印尼、紐西蘭的相關政策，也值得我們借鏡。另一方面，在土地的使用上，如何和在地民眾溝通與協商，也是重要的工作。

可以說，不需要燃料，極低碳排放，但是前期建置成本佔比高，營運費用相對低廉，是地熱發電的特色。儘管潛力巨大且有著諸多好處，但技術上的挑戰，和地理條件的限制也擺在那邊。

參考資料

• Beckers, Koenraad F., et al. “Introducing GEOPHIRES v1. 0: Software package for estimating levelized cost of electricity and/or heat from enhanced geothermal systems.” Proceedings, Thirty-Eighth Workshop on Geothermal Reservoir Engineering, Stanford University, Stanford, California. Vol. 11. 2013.