20201204 基隆銘傳國中——科學生講座紀實

2022 年 3 月臺灣政府正式公布了「台灣 2050 年淨零排放路徑藍圖」，我們在先前的影片也有聊到，2050 淨零排放就是要讓台灣的總碳排放量，再扣掉人為捕捉移除的量之後歸零。

直觀來說，極低碳排放的再生能源電業，在淨零排放上勢必扮演重要角色。這次我們要來聊聊除了太陽光電和離岸風電之外，大家也非常期待的綠色能源——地熱發電，談談地熱發電究竟是什麼？有發展的可能嗎？

什麼是地熱發電？

大家學過地科都知道，地球內部處於極高溫狀態，而這股地熱能，會隨著地函對流和熔岩，被帶至地表附近。

人類很早就懂得利用地熱資源，例如你我曾經泡過的溫泉，就源自於被地熱加熱的地下水。換言之，地熱能是地球自然產生、乾淨的再生能源。若拿來發電，就是所謂的地熱發電。

地熱發電擁有不少優點，包括使用腹地小、碳排放低、低污染、抗天災等，更沒有目前太陽能發電和風力發電最為人詬病的不穩定問題，可以 24 小時全天候提供電力。若能妥善開發和利用，不失為未來全球再生能源供給的重要選項。

臺灣地熱潛力為何？

說得再理想，還是要先回答一個關鍵：臺灣的地熱潛能到底有多少？這邊要介紹一個名詞：地溫梯度（geothermal gradient），它指的是地球內部隨深度增加而使得溫度升高的變化率。

一般來說，在地表附近，每往下一公里，溫度就上升約攝氏 25 到 30 度；但是，在靠近地球構造板塊邊界處，溫度梯度較高；也就是說，往下同樣的深度，會得到比較高的溫度。在這些地區，要進行地熱發電明顯比較有利。

而臺灣正好位於菲律賓海板塊和歐亞大陸板塊的交界，因為兩個板塊的互相擠壓，使得地殼隆起而形成。

因此，臺灣不但多地震，就先天條件來說，似乎也是地熱潛力值得期待的區域。

可惜的是，根據上個世紀的地熱評估文獻，臺灣的地熱發電潛能最多不會超過 1000MW，這個數字是多少？我們作個對照，核四兩部機組的總裝置容量是 2700MW。

若再考慮這些地熱的位置和環境，不見得都適合開發，所以可實際運用的地熱就又更少了。對此，工研院甚至曾推估，其中真正能拿來發電的地熱，只有 150MW。

這麼說來，我們大概不用指望地熱發電，只能洗洗溫泉睡了，或頂多只能有小型的發電規模。

不過，代誌（tāi-tsì）不是那麼簡單。當談到地熱資源多寡的時候，就跟為人處世一樣，我們至少必需要留意兩個要素：溫度和深度。很顯然地，當溫度不夠高，地熱發電就沒效率；另一方面，既然地底越深處溫度越高，我們只要一直挖、一直挖、挖得夠深，總是可以得到足以發電的高溫。

前面說到臺灣地熱發電潛能最多不到 1000MW，事實上考慮的是溫泉地區中，離地表比較近、最容易開發的地熱。若往更深的地方探勘，又是另一番風景。

在習慣上，國際常分別用淺層地熱（shallow geothermal）和深層地熱（deep geothermal）的稱呼來區別深度不同的地熱能。但要值得留意的是，要多淺才叫淺層、多深才叫深層，並沒有全球一致的定義，反而依各國情況而定。

近年來，在國科會的能源國家型科技計畫支持下，臺灣大學的研究團隊分析了大屯火山群、宜蘭地區、廬山地區和花東地區共四個區域的資料，發現海拔高度 1000 公尺以下、地底深度 4000 公尺以內，且地溫高於攝氏 175 度的地熱蘊藏發電容量，可達 33640MW。換句話說，約等於 12 座核四。

既然臺灣蘊藏了這麼高的發電容量，那我們還不趕快開發開個爆嗎？

地熱發電原理與技術

這就會牽涉到現實中，地熱發電技術的發展。

理想狀況下，地熱資源的構造，大致可以用這張圖來表示。最下方是熱源，熱源之上稱為儲集層（reservoir），再上方則是由緻密岩石組成的蓋層（caprock）。

地下水會經由地層裂縫進入儲集層而受到加熱。因為蓋層的阻擋，大部分熱水或水蒸氣會在儲集層進行熱對流，而少部分的水或蒸氣則可能會透過蓋層的裂縫，從地表竄出，成為溫泉或是噴氣孔。

就傳統的地熱發電來說，地底需要三個條件，豐富的熱源、充足的地下水，和良好的滲透率，讓水可以在其中流動，這三者缺一不可。在具備這些條件的地方，汲取地熱能量相對容易。

如果從地底出來的水是蒸汽型態，我們可以直接利用，讓蒸汽通過渦輪機，產生電力，稱為乾蒸汽（Dry Steam）發電，這也是最古老的地熱發電方式。只不過，這麼好的條件可遇不可求。

若存在地底的是攝氏 180 度以上的高溫熱水，當這些熱水從高壓環境抵達地表的低壓貯存槽，因為壓力降低，會迅速轉變成氣體，推動渦輪發電機，這稱為閃發蒸汽（Flash Steam）發電，同時也是目前最普遍的地熱發電方式。

要是地熱資源的條件沒那麼好，比如說，世界上大部分地方，地溫梯度並不高，就算挖得很深，地下水溫就是不熱，怎麼辦呢？就像教授在課堂上講笑話，大學生托著腮毫無反應一樣，那就找批笑點很低、又很有精神的小學生來吧！

近來，許多的新建地熱發電廠採用所謂雙循環（Binary-Cycle）發電方式，當溫度沒那麼高的地下水到達地表後，會在熱交換器（heat exchanger）與另一種流體交換熱能，像是正戊烷（Pentane）或丁烷（Butane）；它們因為沸點很低，所以在接收到地下水的熱能後，會轉變成氣態並推動渦輪，產生電力。雙循環系統的好處是適用更廣大的區域，而且對溫度的要求不高，甚至有攝氏 57 度就成功發電的紀錄，但缺點就是發電效率較低。

目前世界上的地熱發電廠，主要都是用以上三種方式進行發電，深度約在 1.5 公里到 2.5 公里左右。然而，正是地熱發電技術的瓶頸，成為臺灣大規模開發地熱資源的難處之一。但這些難處，其實也有技術可以破解！

臺灣地熱的先天條件、侷限、破解之道

上述的地熱發電方式，至少都需要有充足的地下水或地下流體，和良好的滲透率；就算溫度不夠高，也還可以用雙循環系統來彌補。

但在臺灣，深度較淺、容易探勘與利用的地熱資源，發電潛能最多也不過前面提及的 1000MW，而且還得再扣除不適合開發的地區。如果想大規模進行地熱發電，就勢必要往更深處的地熱資源著手。

然而，我們卻沒辦法保證潛在的地熱資源，都具備充足的地下水跟良好的滲透率。有很大可能是，地底深處儘管溫度夠高，卻沒有水也沒有適當的裂隙。這也是全球地熱發電發展腳步緩慢的原因之一。

為了克服此一問題，這些年來陸續有不同的提案出現。而國際上最常被提及的解方，就是所謂的增強型地熱系統（Enhanced Geothermal System），簡稱 EGS。

EGS 在嚴謹控制的環境下，以高壓朝地下深處注入冷水，迫使岩石原本既有的裂隙擴大，人為創造良好的滲透率。

這些冷水在吸收地底的高溫之後，又會回到地表作為發電之用。一旦發電完畢，這些冷卻下來的水又會被注入地底，如此往復循環。有如開了二檔的魯夫。

這樣聽起來，增強型地熱系統似乎很不錯，降低了地熱發電的環境限制門檻。但是，它也存在一些問題。

首先，往地下注入的水，其流動取決於人為擴大的裂縫，但我們並沒有辦法保證裂縫方向符合需求，所以會有很多水是沒辦法回收的；二來，它也有引發地震活動的可能性。這些都是使用 EGS 進行地熱發電時，要實際考慮的問題。

這集，我們討論了地熱發電的原理，以及臺灣是否適合地熱發電，下一集將討論地熱發電的成本，與開發上需要考量的細節，並回顧台灣地熱發電的發展歷史。

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有沒有聽過開刀手術、懷孕生產過後要喝一碗鱸魚湯補身體呢？每當有親友開完手術時，通常會燉煮一鍋鮮美的鱸魚湯，期望讓術後的患者能快速癒合傷口，恢復元氣^[1]。

不過現在市面上已經有「鱸魚精」這樣方便又營養的產品，讓消費者免去熬煮魚湯的麻煩，即開即飲，這跟一般在家做的滴魚精有什麼不同呢？

在家做的滴魚精和工廠做的鱸魚精之差異

一般在家裡自製的滴魚精，不外乎就是將魚肉放進密閉容器中，以類似蒸箱的方式加熱，讓這些肉滴出具有營養價值的精華——蛋白質和少量支鏈胺基酸（branched-chain amino acid, BCAA）。

支鏈胺基酸包含纈胺酸（valine）、白胺酸（leucine）及異白胺酸（isoleucine），是骨骼肌主要胺基酸成分，也是重要的能量來源。補充支鏈胺基酸除了可延長肌肉耐力外，亦能促進肌蛋白合成並減少分解作用，有助於組織建構及修復^[2]。

魚肉雖然是優質的蛋白質來源，但大分子蛋白質還是必須經過胃腸道消化，分解成小分子胺基酸才能被身體吸收。

所以飲用魚精，能讓無法正常咀嚼、飲食，僅能飲用流質食物的人，或是對蛋白質、胺基酸有額外需求者（例如消化功能不良、大手術病患、懷孕等），得以迅速補充營養。

但其實滴魚精的支鏈胺基酸含量並不如一般市售的鱸魚精來得多。因一般市售的鱸魚精的加工方式更為嚴苛，能夠從肉中萃出更多的支鏈胺基酸及胜肽。

那麽鱸魚精是用什麼特殊加工技術製造的呢？

超高壓加工所萃出的支鏈胺基酸含量可提高十倍

鱸魚精產品以「品純萃」為例，其採用「超高壓加工^[註]輔助酵素水解法」，將處理好的鱸魚肉放入密閉的軟性包材中，加入蛋白分解酵素，同時對它施加 0.2～400 MPa 的壓力（近 4,000 大氣壓）。

如此極大的壓力，增加了酵素與蛋白質的作用及水解效果，使鱸魚精中游離支鏈胺基酸的含量提高至 279 mg / mL。

相較於傳統熱萃取的方式（也就是在家自製的方式）僅能萃出 21 mg / mL 的游離支鏈胺基酸，超高壓加工輔助酵素水解法約提高 10 倍的營養成分萃取，使原料的利用率與產率大幅提升^{[3, 4, 5]}。

而這項優秀的萃取技術已經完成了專利申請。

雞精也是似類似的道理，雖然沒有用到 HPP 技術，但它也是透過長達 10 小時「高溫高壓」的隔水蒸煮，將雞肉中長鏈的蛋白質，轉化為人體易吸收的支鏈胺基酸和小分子胜肽^[6]。

這些嚴苛的加工條件，不是在家自己 DIY 能夠輕易達成的。

白蘭氏有公開其製造加工雞精的流程影片，可點下方的影片直接觀看。

鱸魚精和雞精的營養差異

所以喝魚精或雞精，主要就是在補充支鏈胺基酸，有助於減少運動所產生之身體疲勞。除了可延長肌肉耐力外，亦可降低運動後會造成疲勞的血液生化指標，如肌酸激酶活性、乳酸去氫酶活性及乳酸等，以維持較佳的運動表現^[7]。

當然上述兩項產品皆通過健康食品「抗疲勞」認證，擁有小綠人標章，筆者依衛生福利部審核通過之健康食品資料查詢，將擁有健康食品認證的鱸魚精與雞精做個比較。

其中雞精除了抗疲勞，還多了一項免疫調節的保健功效，研究發現，支鏈胺基酸也有助於促進免疫細胞增生的功能，或促進吞噬細胞及自然殺手細胞的活性^[2]。

不過，根據 110 年「超高壓輔助鱸魚副產物之發酵水解物對調節血壓功能性與產品開發的評估」報告，超高壓加工輔助商業酵素水解發酵鱸魚副產物經動物試驗及體外試驗的結果顯示，具有調節高血壓的效果^[8]。

所以這些蛋白質水解物不只可抗疲勞，還具有免疫調節或調節高血壓的功效，說不定鱸魚精未來還會再多一項「輔助調節血壓功能」的健康認證。

哪些人不適合喝魚／雞精？

魚 / 雞精雖然是健康食品，可以補充營養和體力，但衛生福利部食品藥物管理署不建議以下 4 類族群天天飲用：

1. 慢性腎臟病患者：魚／雞精內含豐富鉀離子與蛋白質，可能加重腎臟負擔。
2. 高血壓患者：魚／雞精的鈉含量可能偏高，易造成血壓升高。
3. 痛風患者：魚／雞精屬普林類食品，可能易導致尿酸升高，不利於痛風控制。
4. 楓糖尿症患者：此種罕見疾病無法代謝支鏈胺基酸，魚／雞精內所含胺基酸可能導致疾病惡化^[9]。

我有需要喝魚／雞精嗎？

對於健康的人來說，吃魚／雞肉當然比喝魚／雞精更營養。

以蛋白質為例，鱸魚每 100 克有 20 克的蛋白質，魚精則約含有 2.5 克左右；而去皮的雞胸肉每 100 克有 22 克的蛋白質，雞精則約含有 8 克左右，肉的蛋白質含量會比「魚／雞精」高得多。

且吃魚／雞肉可攝取到更多元的胺基酸、維生素 B 群和鐵等更多成分，營養會更完整且更美味。

若覺得疲累，喝「魚／雞精」或許有助於改善疲勞，但如果是長期工作壓力累積的的疲勞，喝「魚／雞精」只能治標，不治本，還是得改變不良的生活習慣才能有效改善疲勞喔！

註解

超高壓加工（high pressure processing, HPP）：包括動態高壓加工（High Dynamic Pressure Processing, HDPP）與高靜水壓加工（high hydrostatic pressure processing, HSPP）技術。

前者是運用衝擊波使加工原料更為均勻細碎化；後者是以水作壓力介質對原料進行加壓作用。屬非熱加工技術，優點在於食品風味不會受到高溫破壞，與新鮮原料較為相近，也具殺菌的效果。

目前全球已開發應用的產品包括肉製品、果汁和飲料、蔬菜製品、水產品等種類，但因高壓加工的成本遠高於熱加工技術，故在商業化應用的進展較為緩慢^[10]。

參考資料

1. 行政院農業委員會，2009。追溯鱸魚補身的秘密。食農教育資訊整合平臺。
2. 黃桂英、洪可珎、田宛容，2019。雞精~真「滴」營養嗎？。國泰綜合醫院營養通訊 108，1-4。
3. 食力 foodNEXT，2021。【食聞】什麼是「HPP」技術？用來製作鱸魚精，竟能保存更多營養？。
4. 林雨欣、李季樺、林家驊、顏薏貞、莊曜陽、陳冠文，2017。水產食品中超高壓加工技術的應用與發展現況。海大漁推 47，17－32。
5. 金利食安科技股份有限公司，2017。專利編號 TW I600379 B。臺北市：經濟部智慧財產局。
6. 白蘭氏，雞精製作過程。
7. Coombes, J. S. and McNaughton, L. S. 2000. Effects of branched-chain amino acid supplementation on serum creatine kinase and lactate dehydrogenase after prolonged exercise. Journal of sport medicine and physical fitness 40: 3 240.
8. 陳冠文，2022。超高壓輔助鱸魚副產物之發酵水解物對調節血壓功能性與產品開發的評估。計畫編號 MOST 108-2221-E-019-040-MY3。臺北市：國家科學及技術委員會。
9. 衛生福利部食品藥物管理署，2018。送長輩滴雞精，真能讓他們「補身體」嗎？。食藥好文網。
10. 吳思節、劉育姍、徐源泰，2021。新型態高壓加工技術－蔬果產品加值應用之新契機。農業科技決策資訊平台。

一萬多年前冰河時期結束後，許多地方的生態系明顯改變，例如歐亞大陸和美洲的猛獁象都滅絕了，僅有少少倖存者，殘存於北冰洋的小島一直到 4000 年前。

上述認知來自對化石遺骸的判斷，可是最近由環境沉積物中取樣古代 DNA 分析，卻指出猛獁象等幾種生物，在亞洲和美洲大陸其實又延續了好幾千年。這些證據可靠嗎，猛獁象到底什麼時候滅絕？

古時候的環境 DNA，創下 200 萬年紀錄

DNA 原本位於生物的細胞之內，生態系中有很多生物，時時刻刻留下各自的 DNA，從土壤、水域等來源取樣分析所謂的「環境 DNA」（environmental DNA，可簡稱為 eDNA），能得知環境中包含哪些生物。

如果環境樣本能保存成千上萬年，那麼定序其中的 DNA 片段，再加上化石、花粉等不同線索，便有希望窺見古時候的生態系。

威勒斯勒夫（Eske Willerslev）率領的一項研究，藉由此法重現來自格陵蘭沉積層，距今 200 萬年之久的 DNA 片段，2022 年底發表時成為年代最古早的 DNA 紀錄，也得知當年存在格陵蘭的眾多植物與動物。^{[參考資料 5]}

最出乎意料的莫過於乳齒象（mastodon），由於缺乏化石，古生物學家一直認為那時候的乳齒象，並未棲息於這麼北的地帶，此一發現充分展示出古代環境 DNA 的價值。然而 DNA 的探索範圍也明顯有侷限，例如該地區出土超過 200 個物種的昆蟲化石，DNA 卻只能偵測到 2 種。

• 延伸閱讀：格陵蘭200萬年DNA，古代生態系選擇性呈現？

猛獁象化石無存後幾千年，依然有留下 DNA

當時間尺度是百萬年時，實際是 200 萬 3300 年或是 199 萬 8700 年，也就是 200.33 或 199.87 萬，幾千年的誤差範圍無關緊要。但是當探討對象是最近一萬年，猛獁象的 DNA 究竟存在於 9000 或 6000 年前，意義就差別很大。

這兒的「猛獁象」都是指真猛獁象（woolly mammoth，學名 Mammuthus primigenius）。由另一位古代 DNA 名家波因納（Hendrik Poinar）和威勒斯勒夫各自率隊，同在 2021 年底發表的論文獲得類似結論：猛獁象化石消失的幾千年後，沉積物中仍然能見到 DNA，可見還有個體又存續幾千年。^{[參考資料 1, 2]}

波因納率領的研究探討白令東部，也就是如今加拿大的育空地區，距今 4000 到 3 萬年前的沉積層；結論是原本認為早已消失的美洲馬、猛獁象，一直延續到 5700 年前。威勒斯勒夫戰隊取材的地理範圍廣得多，包括西伯利亞西北部、中部、東北部、北美洲、北大西洋，判斷猛獁象生存到 3900 年前。

更詳細看，威勒斯勒夫主導的論文指出，猛獁象在西伯利亞東北部最後現蹤於 7300 年前，西伯利亞中北部的泰梅爾半島（Taimyr Peninsula）為 3900 年前，此一年代和北冰洋的外島：弗蘭格爾島（Wrangel）之化石紀錄相去不遠。而北美洲則是 8600 年前，比波因納戰隊的 5700 年更早。

如果兩隊人馬的判斷都正確，意思是猛獁象（與某些大型動物）在北美洲延續到 5700 年前，在亞洲大陸與外島到 3900 年；比起當地出土最晚化石的時間，皆更晚數千年。

• 延伸閱讀：猛獁草原消失幾千年後，猛獁象、美洲馬依然生還

只有 DNA 不見化石，會不會是死掉好幾千年仍一直外流 DNA？

根據化石紀錄，冰河時期結束後，仍有少少生還的猛獁象在弗蘭格爾島一直延續到 4000 年前。由此想來，當大多數同類已經滅團時，某些地點還有孤立的小團體延續，並不意外。只是我們不見得能見到化石。

然而，威勒斯勒夫主導的論文受到挑戰。質疑者提出，猛獁象這類動物住在寒冷的環境，去世後遺體如果被冷凍保存，又持續緩慢解凍，在接下來的幾千年便有可能不斷釋出新鮮的 DNA，讓我們誤以為仍有活體。^{[參考資料 3]}

舉個極端狀況。假如 2 萬年前死亡的猛獁象，去世後一直冷凍在冰層中，現在被我們取出解凍，也許其中仍保有不少生猛 DNA，可是實際上牠已經去世很久了。

上述質疑，應該是這類研究手法共通的潛在問題。發生在一百萬年前無關緊要，一萬年內卻會導致不小的誤判。

喔~~喔喔~~喔喔~~喔喔~爪爪

化石消失的時刻，往往比生物滅團更早

威勒斯勒夫戰隊則回應表示：論文結論沒有問題，沈積層中取得的古代 DNA 確實來自那時在世的動物。我覺得不論觀點是否正確，回應的思路都值得瞧瞧。^{[參考資料 4]}

為什麼動物依然存在時，見不到當時的化石紀錄？主因是動物去世後，只有極低比例的個體會變成化石。一種動物在滅團以前，通常個體數目持續降低，少到一個程度後，還能留下化石的機率已逼近 0 。所以化石紀錄最後的時間點，早於動物實際消失的年代。

和化石相比，動物遺留 DNA 的機率遠高於化石。活生生的動物就會持續排放 DNA，死亡身體分解後又會釋出不少； DNA 未必會留在原本生活的地點，不過如今的偵測技術足夠敏銳，即使只有幾段也有機會抓到。

猛獁象，活的！

是否有可能，猛獁象去世幾千年仍持續釋出 DNA 片段？的確無法排除可能性。不過這項研究中有 4 個方向，支持沉積層之 DNA 源於族群規模大減，卻依然活跳跳的猛獁象。

第一，如果環境中的 DNA 來自死亡多時的動物，那麼各地區應該都會見到類似現象。實際上只在少部分取樣地點偵測到。

第二，假如猛獁象遺骸緩慢分解，DNA 持續進入沉積層，同一地點的不同取樣應該都能見到。可是同一處地點，只有少數樣本能抓到猛獁象 DNA。

第三，不同沉積層取得的環境樣本，包含當時生態系中很多生物的 DNA。存在猛獁象 DNA 的樣本，也能見到適合猛獁象生態系的其他植物；表示猛獁象的命運，很可能與適合牠們生活的環境同進退。

第四，倘若較晚沉積層的猛獁象 DNA，直接源自較早去世的個體，遺傳多樣性應該不會變化。然而較晚出現的粒線體型號明顯變少，後來只剩下一款。

實際狀況沒人可以肯定。我覺得前三點，都涉及樣本保存的潛在問題，干擾因素較多。第四點大概是最有力的證據，支持環境沉積物中留下的 DNA 並非源於死象遺骸，而是活體猛獁象。

研究日新月異，腦袋也要趕上

科學研究日新月異，不少人見到論文寫什麼就信以為真，卻不了解做研究其實有很多限制，即使是結論「正確」的論文，也會處處碰到解釋的侷限。

持續搜集證據，反覆思考才能進步。腦袋要靈活運用，但是也不要胡亂腦補！

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參考資料

1. Murchie, T. J., Monteath, A. J., Mahony, M. E., Long, G. S., Cocker, S., Sadoway, T., … & Poinar, H. N. (2021). Collapse of the mammoth-steppe in central Yukon as revealed by ancient environmental DNA. Nature Communications, 12(1), 1-18.
2. Wang, Y., Pedersen, M. W., Alsos, I. G., De Sanctis, B., Racimo, F., Prohaska, A., … & Willerslev, E. (2021). Late Quaternary dynamics of Arctic biota from ancient environmental genomics. Nature, 600(7887), 86-92.
3. When did mammoths go extinct?
4. Reply to: When did mammoths go extinct?
5. Kjær, K. H., Winther Pedersen, M., De Sanctis, B., De Cahsan, B., Korneliussen, T. S., Michelsen, C. S., … & Willerslev, E. (2022). A 2-million-year-old ecosystem in Greenland uncovered by environmental DNA. Nature, 612(7939), 283-291.

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁。