「地熱發電廠」能夠取代核四嗎？（下集）公投遇上能源議題該如何投？再生能源發展之難 ft.阿樹【科科聊聊 EP70】

• 張博宇／目前專研於高能高密度電漿、電漿推進、核融合等領域。

Take Home Message

• 美國國家點火設施（NIF）在去年使用慣性控制核融合，首次在可控的核融合反應中，令能量的輸出大於輸入，朝核融合產能邁進了一大步。
• NIF 將 2.05 百萬焦耳（MJ）的雷射能量注入靶材，經過核融合反應產生了 3.15 MJ 的能量，靶材增益為 1.5。但若將產生雷射能量的耗能考慮進去，則並沒有真正的能量輸出。
• 臺灣各學校的物理系、核工系、電漿所其實都有學者針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究，期望這次NIF的成果能推動相關領域進展。

去（2022）年 12 月，美國能源部（Department of Energy, DOE）、DOE 所屬的國家核安全管理局（National Nuclear Security Administration, NNSA）、勞倫斯利佛摩國家實驗室（Lawrence Livermore National Laboratory, LLNL），以及 LLNL 所屬的國家點火設施（National Ignition Facility, NIF）召開了一場記者會。

在記者會中，他們共同宣布在實驗中實現增益值（gain）大於一的結果，意即實現了第一次在可控的核融合（controlled nuclear fusion）反應中，輸出的能量大於輸入的能量，朝核融合產能邁進了一大步。然而，這項結果是否代表著核融合發電即將被實現？

產生能量的核融合反應

在核融合反應中，若兩個較輕的原子核可以融合成一個較重的原子核，且反應之後的總質量減少，那麼根據愛因斯坦（Albert Einstein）質能互換的關係（E ＝ mc²），減少的質量將會轉換成能量。

最容易產生的核融合反應是將氫（¹H）的兩個同位素氘（²H，或稱為 D）及氚（³H，或稱為 T）的原子核融合，產生一個 α 粒子（即氦原子核，⁴He）加一個中子（neutron, n），同時產生 17.6 百萬電子伏特（MeV）的能量：

D⁺ ＋ T⁺ → α²⁺＋ n ——公式一

在公式一的核融合反應中，兩個帶有正電的原子核必須互相靠近才能融合在一起。然而，兩個帶正電的粒子互相具有排斥力，而且愈靠近排斥力就愈大。因此，除非這兩個粒子互相靠近的速度快到排斥力無法阻止它們相撞，核融合才能發生。除此之外，還必須要考量到庫倫散射（Coulomb’s scattering）的現象——若兩個帶正電的原子核沒有正面對撞，則兩者會因為排斥力的原因轉向——更增加了兩者靠近的難度。

因此，只能把氘與氚氣體加熱到高溫，長時間侷限這些高溫的燃料，讓極少數高速的原子核有機會互相靠近並發生核融合反應、產生能量。但即便是最容易發生的氘加氚核融合反應，也需要將燃料加熱到 50 千電子伏特（keV，約為 5.8 億 ℃）才能有最高的反應速率。

有什麼方法可以將燃料加熱到所需要的溫度呢？看回公式一，氘與氚的核融合產物中具有能量為 14.1 MeV 的中子，及 3.5 MeV 的 α 粒子。我們可以讓高能的中子將能量攜出後再轉換為電能，但讓帶有較少能量的 α 粒子保留在系統中加熱燃料。因此普遍實現核融合產能的系統，目標都是將燃料加熱到溫度約 10 keV（約為 1 億 ℃），讓核融合產生的 α 粒子能繼續加熱燃料。

帶來重大進展的核融合研究

目前國際間研究的核融合反應主要可分為磁場控制核融合（magnetic confinement fusion）與慣性控制核融合（inertial confinement fusion），NIF 去年的實驗便是使用間接驅動（indirect-drive）的慣性控制核融合。

在這次的實驗中，當 2.05 百萬焦耳（megajoule, MJ）的雷射能量注入環空器（hohlraum）¹並加熱中間的球殼靶材後，經過核融合反應產生 3.15 MJ 的能量，意即靶材增益（target gain）約為 3.15 / 2.05 ＝ 1.5，是人類首次在可控的核融合反應中，輸出的能量大於輸入的能量。

然而，若將產生 2.05 MJ 的雷射能量考慮進去，需要耗掉的能量約為 300 MJ；換言之，這次實驗的真正能量增益（energy gain）約為 3.15 / 300 ≈ 0.01，並沒有真正的能量輸出。

不過，NIF 使用的是 90 年代的雷射技術，它的建造目的是為了國防研究所需，因此並不是最適合核融合的研究場域，在雷射技術上還有很大的進步空間。再者，回顧 NIF 從 2011 年開始進行的核融合實驗，歷經了超過十年終於第一次實現靶材產生的能量超過了雷射的能量，對 NIF 而言可說是向前邁進了一大步。

更重要的是，在去年的實驗中，靶材都進入了 α 粒子能夠繼續加熱燃料的燃燒電漿（burning plasma）範圍，是過去核融合研究從未達到的條件，只要稍微最佳化實驗條件便能讓輸出能量有顯著的提升。因此，這次的重大突破顯示了核融合的可行性並非天方夜譚。

臺灣的核融合相關研究發展

核融合研究本身是一個複雜的系統，在科學上及工程上都有許多的挑戰，許多名字上並沒有「核融合」的研究，其實也都間接與核融合相關。以這次的慣性控制核融合為例，相關的研究就包含了雷射技術、靶材製作技術、粒子量測技術、高速攝影技術等。

若以磁場控制核融合來說，也包含了高溫超導、微波技術、高壓脈衝技術、粒子加速器等科技。當然，最重要的就是電漿科學、電漿加熱、電漿量測技術等研究，因為任何材料在高溫的條件下，都會變成電漿態。 

在臺灣各個學校的物理系、核工系、電漿所分別都有 1～2 位老師在研究電漿相關的領域，尤其成功大學的太空與電漿科學研究所，更有針對核融合投入理論、模擬、實驗的研究。然而，相較於國外蓬勃發展核融合的環境相比，臺灣投入核融合研究的人數仍然明顯不足。

期盼這次NIF的實驗成果，能夠吸引更多臺灣的學生及研究人員投入核融合的相關研究，更刺激政府、民間團體投入更多的資源在核融合研究上。

兩種不同的核融合方式

當物質被加熱到 1 億 ℃ 時，原子內部帶負電的電子便會脫離帶正電的原子核，形成帶負電的電子及帶正電的原子核混合在一起的狀態，稱為電漿（plasma）。我們可以利用帶電粒子的特性侷限高溫的電漿，目前廣泛被研究的核融合反應可分為磁場控制核融合與慣性控制核融合，它們的原理有哪些不同？

磁場控制核融合

其中一種方式便是藉由稱為「托卡馬克」（tokamak）的環形容器產生核融合。透過環磁場線圈及延著環形方向的電漿電流（plasma electric current），在環磁場線圈的內部形成一個扭曲但繞著環磁場線圈的螺旋磁力線（helical magnetic field），讓電漿不斷延著螺旋磁力線移動，被侷限在環磁場線圈形狀的真空腔中但不與真空腔的腔壁接觸。

最後，再將電漿加熱到 10 keV的溫度。此核融合的方式能透過磁場將低密度（接近真空）的電漿侷限在真空腔中上百秒或更久的時間，讓高溫的氘、氚原子核有機會互相靠近並發生核融合反應。

慣性控制核融合

慣性控制核融合是利用電漿本身的「慣性」來侷限電漿。由於粒子本身的質量不等於零，所以離開系統需要時間，只要燃料在離開系統前反應完畢，那是否被持續侷限就不重要了。

因此，慣性控制核融合必須將氘與氚的燃料加熱到近 10 keV，並壓縮到高壓力（約千兆大氣壓，gigabar）及高密度，讓粒子間碰撞的頻率在極高的密度下大幅度提升，增加核融合發生的頻率。因此僅需要將系統維持／侷限在奈秒（ns）內，同樣能將燃料燒完。

慣性控制核融合可分為直接（direct drive）或間接驅動，不過兩種驅動方式都是為了快速加熱球殼外層。當球殼中心的氘及氚溫度達到 10 keV 時，核融合反應便會從中心開始發生，產生的能量可以由內而外藉由核融合反應燃燒球殼。

球殼內部在前述的過程中因為壓縮產生高壓，外部的雷射也會停止使得外部的壓力減少，因此球殼又會被向外推。然而，因為球殼本身的慣性，被向外推較為耗時，因此只要向外燃燒球殼的速度大於球殼被向外推的速度，便能將整個球殼再被外推前燃燒殆盡，產生能量。

註解

• 〔註 1〕環空器是一種腔壁與腔內達到輻射熱平衡的空腔，在慣性控制核融合實驗中燃料球會被放入環空器，再於環空器兩端孔洞射入雷射提供能量。

• 〈本文選自《科學月刊》2023 年 4 月號〉
• 科學月刊／在一個資訊不值錢的時代中，試圖緊握那知識餘溫外，也不忘科學事實和自由價值至上的科普雜誌。

本文轉載自中央研究院「研之有物」，為「中研院廣告」

• 採訪撰文／林承勳
• 責任編輯／簡克志
• 美術設計／蔡宛潔

有效利用太陽的光能和熱能

能源減碳已是國際趨勢，近年政府積極開發再生能源，逐年增加發電比例，而太陽能深具開發潛力。新興的鈣鈦礦太陽能電池是目前的研究熱點，不僅製造成本較低，單片發電效率已可達到 25%，逐漸趕上主流單晶矽太陽能電池的 26%。中央研究院「研之有物」採訪院內應用科學研究中心研究員朱治偉，他與研究團隊試圖開發一個小型的全光譜太陽能系統，讓光電轉換效率最好的波段被鈣鈦礦太陽能電池吸收，其他波段的光會穿過半透明的材料面板，抵達下層的集熱管，讓多餘太陽熱能可以回收再利用。

臺灣發展再生能源的關鍵：太陽能

太陽能是目前最為普遍的再生能源之一。近年來，臺灣的太陽能建設有逐步增加，且經濟部已訂下在西元 2025 年，國內再生能源發電量要佔總發電量 20% 的目標，其中太陽能發電量還要達到 20GW（1GW = 10 億瓦）的規模。

除了政府與業者的大型太陽能專案，太陽能發電對於公司行號或是一般社區大樓也有其誘因。樓頂架設太陽能裝置不但可以隔熱、防漏水，每年產生的電力也能由政府以較高的價格收購，創造額外利潤。然而太陽能發電在現階段還有許多缺點等待解決，像是發電裝置在購買設備時就必須先投入大量的建造成本，之後才逐年發電回收。

太陽能發電裝置體積龐大、極占空間，以目前市佔率最高的單晶矽太陽能電池來說，裝置架設完成後就沒有辦法再任意移動，如果遭逢颱風或地震等臺灣常見的天災，無法搬至安全處的太陽能板很有可能受到嚴重損傷。此外，機器也要定期保養維修，否則當灰塵逐漸堆積、器材日漸老舊，發電效率也會一點一點地下降。

好消息是，單晶矽太陽能電池笨重、易碎而無法隨意重組的缺點，在未來很有機會用新型「鈣鈦礦材料」來克服。鈣鈦礦材料可以做成薄膜，附著在可撓曲的軟性基材上。如此一來，鈣鈦礦太陽能電池可以收捲攜帶，便利性遠勝過單晶矽太陽能電池。

朱治偉舉高雄愛河上現有的電動船為例，船上架設的是單晶矽太陽能板，而光是一個面板就重達三十到四十公斤，二十片總共八百公斤。「船雖然能夠自主發電，但發電量還不夠驅動機台本身的重量。」朱治偉笑著說，如果用鈣鈦礦太陽能電池替代，不但能大幅減輕重量，在天氣不好時還能將發電裝置取下，騰出空間做其他用途。

發電效率大比拼：鈣鈦礦電池 vs. 單晶矽電池

除了裝置的便利性之外，太陽能光電轉換效率也是使用時需考量的一大要素。朱治偉指出，單晶矽太陽能電池單片面板在實驗室的發電效率可達 26%，但進到後段模組後，由於需要多片、大面積組裝，並經由導線串聯和並聯，過程中都會產生電阻導致電量損失。實際運作起來，效率只剩下 22%～23%。

鈣鈦礦材料的出現，讓單晶矽受到極大挑戰。以發電效率來說，鈣鈦礦太陽能電池在實驗室的效率可達 25.8%，幾乎跟單晶矽不相上下。雖然鈣鈦礦技術還在研發階段，尚未真正投入市場應用，但以小面積材料測試的實驗數據來說，學界與業界都對其發展潛力寄予厚望。

鈣鈦礦材料的另一項優勢在於，原料非常容易取得，且生產過程耗能與成本都相對低廉。「相較之下，目前發電效率稍微占優勢的單晶矽，是個高耗能、高污染的產業。」朱治偉指出，光是要提煉出矽元素，就得先用高溫把原料的砂熔化，接著在昂貴設備的高溫環境中緩慢結晶。

「而且單晶矽材料對於缺陷的容忍度很低。」朱治偉補充說道。所謂缺陷容忍度，就是材料在結晶時，有缺陷出現對於功能、效率的影響程度。

單晶矽在結晶過程中，原子排列越整齊、純度越高，缺陷就會越少，如此一來，電子在整齊的晶格裡可以很順暢地流動；一旦晶體排列不整齊、有缺陷產生，電子流動就會受到阻礙，讓材料發電效率變差。單晶矽對於缺陷的容忍度很低，缺陷會嚴重影響到單晶矽電池發電效率，因此結晶純度要求 99.9999% 以上。

當矽結晶完後接著要切成薄片，切片時會損耗材料並產生大量粉塵，切完還得進入複雜的半導體製程，不但需要高溫且耗水，還需使用到有毒溶劑。雖然科技廠會將高汙染的排放物先處理到合乎排放標準，但這些製程都需要投入大量的能源跟水。

鈣鈦礦材料：高缺陷容忍度、高發電效率、溶液式製程

鈣鈦礦材料的缺陷容忍度很高，即使結晶缺陷是單晶矽的幾百、幾萬倍，都還能有很高的發電效率。「而且鈣鈦礦電池在天氣不好、低照度或是室內時依然能夠持續發電。」朱治偉提到，單晶矽電池在陰天幾乎完全不發電，而鈣鈦礦電池受影響程度較低，仍可繼續發電。

另外，單晶矽電池基本上沒辦法在室內使用，因室內照明環境為低照度、光的波段很狹窄，整體能量會偏低。但是鈣鈦礦電池不但可以使用，其轉換效率可達 30% 以上，可以驅動電力需求低的元件，例如物聯網裝置等。

「更方便的是，鈣鈦礦材料可以溶解在有機溶劑裡。如果使用溶液製程，就能快速、大面積的製作。」朱治偉提到，等到未來技術成熟，就像是在印刷報紙一般，將含有鈣鈦礦材料的溶劑當作墨水，用印刷方式就能快速生產太陽能電池。

設備建造簡易、材料取得方式環保，如果還能大面積快速印刷來降低製作成本，鈣鈦礦太陽能電池可以說是集各種優點於一身。

不過，鈣鈦礦電池還是有些缺點亟待改善，像是本身材料的穩定性，導致電性上會出現遲滯現象，造成發電量有不穩定、時高時低的問題。此外，由於鈣鈦礦材料是離子材料，一碰到水就會解離，解離後會縮短使用壽命。

朱治偉指出，想要避免水分接觸到鈣鈦礦材料，能用封裝技術來解決。而穩定性問題則要在一開始長晶時著手。像是藉由添加其他離子促進長晶品質，讓結晶更加緊密結合。只要長晶時越整齊、缺陷越少，電子就能輕易地被導出，電流高、效率穩定，遲滯現象就能減少。「鈣鈦礦太陽能電池還有一個問題，就是裡面含有微量的鉛元素。」朱治偉說，雖然使用量非常少，但鉛終究是有毒的物質，若外洩還是有可能對接觸者造成傷害。目前同樣可以用封裝技術來避免鉛元素外漏，但期待未來有機會能找到其他安全的元素來替代鉛的角色。

小孩子才做選擇，我全都要！

太陽光的波長​分佈從 300 到 2700 奈米都有。一般單晶矽太陽能電池只能吸收 300 到 1100 奈米的光，1200 奈米以上的波段皆無法利用，有些被反射到環境當中，有些則是轉換成熱能。

熱能累積在矽晶板裡面，會影響發電效率。「矽晶板溫度每上升 1°C，效率就下降 0.3%。」朱治偉指出，大太陽底下矽晶板的溫度會達到約 80°C，比室溫高約 50°C 左右，這將導致發電效率降低 15%。

相較於不透光的矽晶板，鈣鈦礦太陽能電池能做成半透明的薄膜，將透過的陽光做其他運用。因此，中研院全光譜太陽綠能永續計畫採用的組合是：半透明鈣鈦礦太陽能電池搭配集熱管，以便充分利用太陽能。

「我們用新開發的分光鏡，從 800 奈米波長的地方將太陽光一分為二，800 奈米以下的光直接給鈣鈦礦太陽能電池發電，800 奈米以上的光讓集熱管吸收，產製出熱水。熱水經過吸附式致冷系統（absorption chiller system），透過巧妙的蒸發原理設計，將外部冷水致冷，產製出冰水供大樓使用，剩下的溫熱水則供日常盥洗使用。」朱治偉說道。

用 800 奈米劃分，因為鈣鈦礦太陽能電池在 300 到 800 奈米這段波長時，約有 90% 的光電轉換效率。而 800 奈米以上的波段經集熱管轉成熱能，效率可達到 97%～99%；反之，800 奈米以下的光熱轉換效率則不佳。

將不同波長的光，導向適合的元件

上面提到的「分光鏡」，全名為平面光譜分光模組，這是中研院開發的實驗模組，使用具有光波長選擇的導光板，將不同波長的光導向適合的元件。

這種導光板的作用原理，是經由奈米結構設計來決定要將哪些波段的光引導到哪個方向。在全光譜太陽綠能永續計畫中，是以 800 奈米的波段來區分。

把導光板鋪在太陽能集熱管上，800 奈米以上的光就穿透導光板照到集熱管，800 奈米以下的光就回收，引導到側邊，照在鈣鈦礦光電轉換元件上。

「將鈣鈦礦太陽能電池做在可撓曲的面板上，搭配時就能增加很多使用彈性。」朱治偉提到，脆弱的單晶矽電池受到重壓或劇烈震動就會碎裂，但是鈣鈦礦電池的機械性質很好，結構不易被破壞。

即使大樓樓頂有障礙物，或是要根據導光板的設計在不同方位擺放太陽能電池，鈣鈦礦電池都可以彈性搭配，使用時攤開、不用時就收捲起來。而且鈣鈦礦電池還可以依物體的弧度來配合製造，很適合用在 3C 產品、汽車、電動車的充電上，未來發展具備各種可能性。

目前中研院已經於院內活動中心樓頂架設了集熱管跟致冷系統，而半透明的鈣鈦礦太陽能電池與導光板在實驗室環境中，也證明小面積發電確實可行。

不過，想要量產出大面積的鈣鈦礦太陽能電池，單靠學界的製造能量來說有些困難。國內雖然有廠商在研發鈣鈦礦電池，大多沒有真正投入量產。「歐洲跟美國的公司願意投入大量經費研發產製；臺灣普遍的氛圍是傾向等待有明確的研究成果出現，再加入量產行列。」朱治偉說。

科技帶來改變，前景令人期待

與世界各國相比，臺灣電價相對便宜，且用電量相當龐大。根據經濟部能源局的統計資料， 2021 年臺灣總用電量超過 2800 億度，而目前臺灣發電有將近八成是使用化石燃料的火力發電。低電價導致缺乏節電誘因，高用電需求又使火力發電持續高碳排。根據 Our World in Data 資料，2021 年臺灣平均每人排放的二氧化碳為 11.85 噸，為全世界人均排放量的 2.52 倍，名列第 22 名，人均排放量高於日本、德國、新加坡與法國。

以臺灣的國土面積與經濟規模來說，如此高碳排量代表臺灣的減碳之路還有很大的努力空間。朱治偉指出，目前國內能源有 97% 倚賴進口，若是不努力研發再生能源，對於經濟發展或是國防安全都不會是好現象。

以地熱來說，菲律賓地熱技術的起步比臺灣晚，發展卻非常成功。「臺灣跟菲律賓的地形很相似，發展地熱應該也非難事。」朱治偉表示，即使有學者認為臺灣難以發展再生能源，但在科技發展之下，很多事情都有可能發生。

朱治偉舉例，2014 年得到諾貝爾物理學獎的發光二極體（LED）技術，就是一個科技改變世界的範例，人類得以用新的方式產生高亮度白光。LED 的耗電量僅有白熾燈泡的十分之一，大大改變光照能源的運用。

朱治偉樂觀地指出，就算當前被評估不可行的地熱、風能或海洋能，只要科技持續進步都有機會逐漸實現，新興的鈣鈦礦太陽能電池也是科技進步的一個見證。

鈣鈦礦電池在 2009 年被日本科學家發現時，發電效率其實只有 3%；十年過後，鈣鈦礦電池卻即將追上單晶矽電池發展近百年才達到的效率規模。而且鈣鈦礦材料還可以添加其他離子元素，產生結構變化來影響電性或光性，這個特點讓鈣鈦礦電池未來的發展潛力無窮，也是單晶矽電池完全無法比擬的。

「雖然有些學者不看好，但我相信日新月異的科技在未來能夠改變現狀，讓環境問題慢慢得到改善。」朱治偉說。

聽說高溫會影響太陽能電池的效率？

太陽能電池效率會隨著溫度的上升而下降，下降程度與選用的材料有關。因此太陽能電池效率的標定均在攝氏 25°C。

一般來說，太陽能電池每升高 1°C，會降低整體效率的 0.4% 至 0.5%。溫度過高不僅會降低太陽能電池的效率，也會減低其使用壽命。為了降低溫度過高的影響，建議安裝太陽能板時盡量在底下預留足夠的通風空間，來提高散熱效率。

近期科學家開發出新穎的水凝膠材料，將其貼附於太陽能板背面，利用晚間從大氣吸收和儲存水分。當白天太陽能電池溫度升高時，儲存在水凝膠中的水分便會蒸發，從而降低太陽能板的溫度，如此就可以維持太陽能電池的發電量與延長其使用壽命。

目前的鈣鈦礦電池並不穩定，未來可以如何改善？

鈣鈦礦薄膜材料在形成的過程中，不可避免地會形成大量的淺層能階缺陷（如元素空缺、間隙缺陷和反位替代）與深層能階缺陷（如元素錯位、晶界和沉澱物）。鈣鈦礦薄膜材料雖然可以容忍比較多的缺陷，但是這些缺陷就是造成鈣鈦礦太陽能電池不穩定的最主要因素。

目前在改善鈣鈦礦材料穩定性的研究方向，大致分為兩類：第一類是改變薄膜製程方式來降低缺陷的形成，如兩步驟成膜方式（two-step method）和反溶劑（anti-solvent）製程。第二類是開發多功能分子，鈍化鈣鈦礦材料中不同類型的缺陷，例如以路易斯酸與路易斯鹼、烷基胺鹵鹽、兩性離子、無機鹽類和離子液體來鈍化缺陷。

延伸閱讀

• 政府研究資訊系統。〈全光譜太陽綠能永續系統〉。
• 簡克志（2022）。〈機器學習 x 鈣鈦礦材料：讓 AI 幫你最佳化太陽能電池材料的製程參數！〉，《研之有物》。
• 陳映璇（2022）。〈鈣鈦礦電池是什麼？全台最大鈣鈦礦電池量產，大搶淨零建築、農電共生商機〉，《數位時代》。
• 臺灣科技媒體中心（2022）。〈「高溫影響太陽能板效率？」專家意見〉。
• 臺灣科技媒體中心（2022）。〈「鈣鈦礦太陽能微結構影響降解」專家意見〉。
• Li, R., Shi, Y., Wu, M., Hong, S., & Wang, P. (2020). Photovoltaic panel cooling by atmospheric water sorption–evaporation cycle. Nature Sustainability, 3(8), 636–643. 
• Lin, Y. (2019). How Absorption Chillers Work. EnergyLink. 
• Hanmandlu, C., Chen, C.-Y., Boopathi, K. M., Lin, H.-W., Lai, C.-S., & Chu, C.-W. (2017). Bifacial Perovskite Solar Cells Featuring Semitransparent Electrodes. ACS Applied Materials & Interfaces, 9(38), 32635-32642. 
• Evans, P. (2017). Absorption Chiller, How it works. The Engineering Mindset. 
• Hosansky, D. (2014). Adsorption chiller. Encyclopedia Britannica.

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｜廖英凱
• 責任編輯｜簡克志
• 美術設計｜蔡宛潔

高排碳發電方式的轉型

氣候變遷是全球議題，為了降低碳排放，發展低碳電力相當重要。臺灣目前主要使用天然氣發電，雖然排碳量較燃煤發電低，仍屬高碳排的發電方式，若未來要達到 2050 淨零排放，勢必要開發更多的低碳電力。

中央研究院「研之有物」專訪院內物理研究所陳洋元研究員，他與團隊應用天然氣催化裂解的理論，突破各種技術限制，打造出「去碳燃氫」（methane pyrolysis）裝置，使得燃氣發電可以更進一步減少碳排放，目前成果已接近歐盟需求，並預計陸續擴大運用至商用發電機組。

因人類工業活動排放的二氧化碳而導致的氣候變遷問題，已是當代人類亟欲解決的難題。近幾年，國際組織與科學機構也不斷地強調減少碳排放的必要，以及調整減碳標準。2014 年聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）的綜合評估報告指出，人類應在 2100 年以前削減 90% 的碳排。

但到了 2018 年的全球暖化特別報告時，IPCC 則將標準加嚴，人類需在 2050 年時達到「淨零排放」，亦即「人為溫室氣體的排放量，扣除透過碳匯、碳捕等移除量後為零」。2021 年下半年，世界各大工業國也陸續提出在 2050 年前後達到該國淨零排放的政策目標和政策路徑。

在世界潮流的推動下，2021 年 4 月總統蔡英文在世界地球日的活動，宣示臺灣將努力在 2050 年達到淨零排放。同年中研院在廖俊智院長的主導下，啟動了「Alpha 去碳計畫」，院內物理所的陳洋元研究員與研究團隊也開始為臺灣的「去碳燃氫」技術建立基礎。

把天然氣變成氫氣，真的可能嗎？先來看看過去科學家怎麼做吧！

降低天然氣碳排的方法

為能達到降低碳排的能源轉型，又需兼顧產業發展的用電需求，臺灣目前的能源規劃，預估在 2025 年時，再生能源發電量佔比約 15.2%，其餘則為 45% ～60% 的燃氣發電與 25% ～40% 的燃煤發電所組成，到 2050 年時，樂觀理想情境中再生能源發電量佔比可逾 60%，剩下則以燃氣發電為主。

儘管燃燒天然氣（甲烷）的理論排碳量，約只有燃燒煤炭的一半，但每燃燒 1 噸的甲烷，仍會產生 2.75 噸的二氧化碳排放，這與淨零排放的目標，仍有相當大的差異。因此，當代天然氣的運用，必須回應如何有效降低碳排放。

大抵來說，降低天然氣的碳排可以分成兩種不同方向的策略，其一是「碳捕捉、再利用與封存（carbon capture, utilisation and storage, CCUS）」，方式是將燃燒後的二氧化碳，捕捉下來再利用，如應用於綠藻養殖、水泥製造等，或是將二氧化碳壓縮後封存於耗竭油氣庫這種地質結構上的特殊封閉構造，或是封存於海底富含鹽水的地層構造。

然而碳捕存的技術與概念新穎且須有特定地質條件配合，要能達到具規模的運用仍有相當技術門檻需突破，且碳捕存在臺灣多年來也持續面臨政治及環保爭議，發展進度緩慢。

另一種策略方向，則是「燃料轉換」，將化石能源的天然氣，全部或部分替換為零碳的能源，例如利用微生物分解利用農業等方式生產的有機物質來產生「生質甲烷」（註1）作為燃料；利用大量的無碳電力，電解水後分解為氫氣和氧氣，再將氫氣做為燃料；或是再利用無碳電力將二氧化碳與氫氣合成為甲醇、甲烷、氨等「載氫劑（hydrogen carrier）」以利運送和利用。

還有一種備受矚目的燃料轉換方式，是直接將甲烷裂解為氣態的氫氣和固態的碳黑（carbon black）：

其核心原理為，若能提供甲烷分子每莫耳 74 千焦耳的能量，就能把碳原子與氫原子的鍵結打斷，而關鍵在於如何提供能量以及如何提升使用能量的效率。

1999 年，M. Steinberg 發現當溫度夠高時，甲烷鍵結被打斷的效率隨之提升，而提出「甲烷熱裂解」（thermal decomposition of methane, TDM）技術，該技術是將甲烷處於高於 700°C 的高溫環境，使甲烷裂解為氫氣與固體的碳。固體碳可以穩定的儲存，不會增加大氣中的二氧化碳，也可以做為工業生產的原物料使用。

為進一步提升甲烷分解的效率與商業價值，近二十餘年來，許多針對 TDM 的研究，引入了各種催化劑，作為熱解甲烷的反應環境。目前常使用特定比例的惰性合金作為催化劑，將合金加熱成熔融態，當甲烷氣體通過液態合金時，即開始分為氫氣與固態碳。

加熱溫度越高、氣體通過的熔融合金管柱越長，則甲烷熱裂解的程度越高，例如以一公尺長的管柱環境，利用不參與反應的 1175°C 熔融錫金屬，則可轉化 78% 的甲烷；利用具催化性的熔融金屬如 27% Ni–73% Bi 合金，則可在 1065°C 達成 95% 之甲烷轉化。

為什麼需要催化劑？為了降低化學反應的難度。

實際運用上的限制與問題

以裂解方式生產氫氣的技術，有可能會成為未來氫能發展最主流的方向，歐盟針對氫能發展的預估中，即認為到 2050 年時，歐盟所使用的氫能會有 55% 來自於甲烷裂解，有 30% 來自目前化工產業較成熟使用的天然氣重組，以及 15% 來自於水電解產氫。

因此，2021 年 3 月起，在廖俊智院長的主導下，中研院啟動了「Alpha 去碳計畫」，目的在發展熱催化、電漿裂解等各種技術方法，以達成去碳產氫的發電目標。物理所陳洋元研究員的團隊，也開始在院內建構甲烷熱裂解的裝置，試圖為我國建立起去碳燃氫的技術基礎。

然而，儘管催化性熔融金屬的理論可行，在實務運作上此方法卻有其瓶頸，陳洋元研究員的團隊發現，當裂解後產生的氫氣和碳從熔融金屬表面冒出時，熔融金屬的蒸氣會把碳包住而在金屬表面變成如岩漿般的黏稠流體，必須不斷暫停實驗把岩漿給撈出去，使得學理上雖可高效率地裂解甲烷，但仍難以放大規模至發電機機組或提供給發電業使用。

體認到催化性熔融金屬的限制後，陳洋元研究員開始尋找其他也可具有類似催化效果的材質。其中一種可行的催化劑，就是碳黑本身。過去針對催化反應的研究中，即發現碳本身即是一種理想的催化劑。在甲烷裂解的過程中，研究者可以透過利用不同形式、結構與表面積的碳，來調控碳的催化活性。

2013 年，韓國研究者 Seung Chul Lee 等人提出用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置設計，其概念是將高溫管柱中，裝填直徑 30 nm 的碳粒作為催化劑，使甲烷通過高溫碳粒時，被催化裂解為氫氣和碳，再透過集塵器與過濾器捕捉碳黑。

雖然概念裝置已提出逾十年，但至今市面上仍未有成功商業化與量產的設備。由於催化劑和裂解後的碳都是相同的物質，因此隨反應時間增加，實驗裝置中的碳黑會不斷吸附。

因此，該實驗設計若要能用於實務上的燃氣電廠減碳，關鍵就在如何能維持或定時減少高溫管柱中積存的碳；如何能延長集塵設備與濾網的更換週期，以須確保裝置能不間斷的長時間運作；以及如何與既有燃氣機組的系統結合。

Alpha 去碳計畫：以局部比例的氫氣代替甲烷

面對過去研究的基礎與限制，中研院的團隊已在開發利用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置，且能搭配自動化的清除積碳、與更新集塵、過濾器，使熱裂解裝置能持續性地運作。

熱裂解的裝置設計上，也並非追求極致的甲烷轉換率，由於氫氣比甲烷擁有更劇烈的燃燒反應，如在空氣中的燃燒速度，甲烷為 0.38 公尺/秒，但氫氣則高達 2.9 公尺/秒，這使得氫氣爆燃的衝擊力遠大於甲烷。

因此，目前仍未有純氫氣或高比例氫氣的商品化發電機組，而多以在甲烷中混合 10% ～30% 的氫氣，達到局部比例的減碳，因此在裝置設計上，須同步調控所產製氫氣與甲烷的比例，使發電機能持續燃燒固定成分比例的甲烷氫氣混合物。

從減碳效益來比較傳統天然氣發電和部分比例的去碳燃氫發電，以目前大潭電廠最新燃氣機組的熱效率 60% 來計算，每噸天然氣燃燒，可提供 9300 度的發電量，並排出 2.75 公噸的二氧化碳。

但若能將其中 30% 的甲烷高溫裂解後，將氫氣與天然氣混燒，因氫氣的燃燒熱較低，且需額外提供裂解所需的能量，此時每噸天然氣則能發出 7400 度的電量，但碳排放降低為 1.92 公噸的二氧化碳，並生產 0.225 公噸的固體純碳。

也就是說，以大潭燃氣電廠為例，若將 30% 的甲烷裂解，產生氫氣與天然氣混燒，最終是以減少 20% 的發電量為代價，換得 30% 的減碳效益，以及具有精密工業、高產值化工業運用潛力的高純度碳黑原料。

目前中研院的 Alpha 去碳計畫已完成了將甲烷熱裂解裝置與 13 kW 天然氣發電機串聯，混燒 10% 氫氣燃料的概念驗證。

預計在 2025 年以前，將陸續擴大至針對建築物規模使用的 65 kW 燃氣渦輪發電機；和針對廠房、工商業用途使用的 1～2 MW 商用燃氣機組；以及與既有大型燃氣電廠使用的 170 MW 燃氣機組結合，以此建立我國去碳燃氫的產業鏈。

中研院將與業界合作，目標在 2025 年以前，推出裂解效率可達 40% 的去碳燃氫裝置，使臺灣天然氣發電的碳排達到歐盟訂定的永續標準。

開闢臺灣淨零排放的路徑

面對氣候變遷的威脅，世界各國無不積極且緊迫地尋找能達到零碳排放的方式，然而多數國家在有限的自然資源條件下，風力與太陽光電等再生能源的發電規模和穩定程度仍遠不及大型發電廠。

因此 2021 年起世界各國，相繼提出了符合淨零與永續精神的天然氣使用規準。2022 年 2 月，歐盟批准了有助實現歐盟環境目標的「永續活動分類法」與「氣候授權補充法案」，其中針對燃氣發電廠的規範，是要求 2035 年以前須完全由天然氣轉向低碳燃料或再生能源燃料；或是 2030 年前施工但每度電少於 270 克二氧化碳排放量，才能獲得永續金融投資的優惠。

以此作為標準來檢驗目前臺灣的燃氣發電，較先進且尚有機組興建中的大潭發電廠，碳排係數約低於每度電 388 克二氧化碳排放，若能順利搭配裂解效率 30% 的去碳燃氫技術，則碳排係數可降為每度電 271.6 克二氧化碳排放，幾乎符合歐盟的標準。

若再能輔以部分比例的生質甲烷混燒，排出二氧化碳又有部分比例利用碳捕存處理，至少就能使我國在未來最主要使用的天然氣，能符合目前歐盟看待永續能源的標準。

目前中研院陳洋元團隊打造的去碳燃氫技術，能利用臺灣既有天然氣和燃氣電廠的基礎建設，維持穩定的基載電力供給，又能達到減碳的效益，預計將是未來幾年內，能有效提供臺灣減碳成果的重要技術方向。

然而，去碳燃氫技術也因減碳目的而降低燃氣的發電量，這會使臺灣已經擴大天然氣使用的政策方向還要更加強化，如增加更多的天然氣進口量，興建更多的天然氣接收站、儲存槽與管線。近年烏俄戰爭帶來世界性天然氣的短缺，以及第三天然氣接收站的興建帶來海岸生態的危害，使用天然氣仍有難以忽視的環境與社會風險。

中研院的去碳燃氫技術，可能不是淨零未來的唯一選項，但傾力推動這項技術，才有機會在邁向淨零未來的過程中，爭取到足以讓永續與潔淨能源普及的時間。

註解：

• 註1：生質甲烷的概念是，透過微生物分解農業生產的有機物質，由此生產甲烷，這種有機物的碳，是來自植物光合作用的固碳反應。因此理論上不會使用到地底下的化石碳，比天然氣還要減碳。

延伸閱讀：

• 中央研究院（2022）。《臺灣淨零科技研發政策建議書》。
• 蔡菖圃（2022）。《以金屬合金催化劑高溫裂解甲烷製備氫氣》，國立臺北科技大學製造科技研究所。
• 林奐成（2022）。〈中研院「去碳燃氫」展成果 盼創造綠電助減碳〉，聯合新聞網。
• Upham, D. C., Agarwal, V., Khechfe, A., Snodgrass, Z. R., Gordon, M. J., Metiu, H., & McFarland, E. W. (2017). Catalytic molten metals for the direct conversion of methane to hydrogen and separable carbon. Science, 358(6365), 917-921.
• Flekiewicz, Marek & Kubica, Grzegorz. (2015). An Influence Of Methane/hydrogen Proportion In Fuel Blend On Efficiency Of Conversion Energy In Si Engine. Journal of KONES.
• Gosal, M.M., Das, L.M., & Gajendra Babu, M.K.(2013). Improved efficiency of CNG using Hydrogen in Spark Ignition Engine. Journal of Petroleum Technology and Alternative Fuels, 4(6), 99-112. 
• Lee, S.C., Seo, H.J. & Han, G.Y. (2013). Hydrogen production by catalytic decomposition of methane over carbon black catalyst at high temperatures. Korean J. Chem. Eng, 30, 1716–1721.
• Zhen, H.s & Cheung, C.s & Leung, C.W. & Choy, Yatsze. (2012). A comparison of the emission and impingement heat transfer of LPG–H2 and CH4–H2 premixed flames. International Journal of Hydrogen Energy, 37, 10947–10955. 
• Steinberg, M. (1999). Fossil fuel decarbonization technology for mitigating global warming. International Journal of Hydrogen Energy, 24(8), 771-777.