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傳統鋼鐵業是碳排大戶!綠色鋼鐵是什麼?打造零石化的永續鋼鐵有可能嗎?又有哪些挑戰需要克服?

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/09/04 ・2778字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 VOLVO 委託,泛科學企劃執行。

你知道嗎?光是鋼鐵產業就佔全球碳排放量的百分之九。據國際能源署(IEA)的報告,2019 年,鋼鐵業的直接碳排放量已超過水泥和化工產業,成為碳排放的大戶。更糟糕的是,在未來的 30 年中,全球對鋼鐵的需求量預計將增加 1.5 倍。

鋼鐵產業是高耗能產業,因此會產生大量的碳排放。此外,鋼鐵生產的「原料」中也包含大量的「碳」,這使得鋼鐵產業很難完全擺脫碳排放。

然而,難題也會成為契機。如果我們能找到新的製程,開發出低碳甚至零碳的煉鋼新技術,那麼我們不就能夠一口氣減少全球大量的碳排放了嗎?

鋼鐵是各種工業的基礎,也是基礎建設的骨幹,對於鋼鐵的需求估計只會持續增加。圖/envatoelements

傳統鋼鐵如何製成?為何會產生大量的「碳」?

在探討傳統鋼鐵如何改變製程、達到減碳的目標前,我們先簡單了解一下鋼鐵的煉製過程。從地殼中開採出來的鐵礦通常含有各種鐵的氧化物,而在氧化物被還原成鐵的過程中,需要加入焦炭來把氧化物的氧拿走。在高溫下,焦炭會先變成一氧化碳,接著與熔融鐵礦中的氧化鐵進行反應,形成二氧化碳和生鐵。生鐵中含有部分的碳成分和其他雜質,需要進入轉爐中進行高溫處理,才能煉成各種鋼材。

要達到煉鋼所需的高溫,還需要燃燒大量的化石燃料,排放大量二氧化碳。在氧化鐵的還原過程中,使用焦炭也會產生額外的二氧化碳。因此,平均每產出一公噸鋼就需要排放快兩公噸的二氧化碳,相當於鋼材自身重量的兩倍。

目前,鋼鐵工業的能源依賴性仍有 75% 是煤炭,這種依賴化石燃料的現狀絕非減碳目標的好消息。國際能源署估計,為達成目前設定的減碳目標,鋼鐵產業至少需要在 2050 年之前將碳排放量砍半。

但鋼鐵是許多基礎建設的基石,對鋼鐵的需求估計只有增加、不會減少。目前全球鋼材回收率已達 90%,仍無法滿足鋼鐵不斷增長的需求;傳統製程的能源效率經過不斷地改良,也已達到技術上的極限。這該如何解決呢?

近十年來,一些鋼鐵企業開始引進碳捕捉技術,利用特殊材料吸附二氧化碳並儲存,供化工產業作為原料,或冷卻後封存到地底。如此一來,就能避免排放到大氣中。

然而,因為煉鋼廢棄的組成非常複雜,目前的碳捕捉效率也無法做到百分之百。要實現 2050 年的碳中和目標,勢必就要去思考解決煉鋼技術的創新議題。阻止全球暖化腳步刻不容緩,歐洲有幾家企業想到了新方法,運用潔淨的氫氣來煉鋼

煉鋼需要極高的溫度,因此也需要大量燃燒化石燃料。圖/envatoelements

零碳排煉鋼?氫氣的成本是挑戰

提到煉造零石化鋼鐵,就必須拋開傳統使用焦炭還原氧化鐵的方法。這種方法以氫取代焦炭作為還原劑,反應完成後,氫氣就會氧化成水蒸氣,完全不會產生二氧化碳,真正實現減低碳排的目的。

然而,氫氣要從哪裡來?目前工業上最廣泛使用的製氫方法就是從天然氣中提取,過程中不可避免的也會排出二氧化碳。因此,真正想要朝減低碳排邁進,就必須使用綠能來電解水,產出「綠氫」。

不過,綠氫煉鋼要面對的第一個現實問題就是資金投入的大量成本。由於電解水產氫的能源消耗差不多是固定的,因此綠氫的價格可以說和綠能的價格直接相關。根據歐洲議會的報告指出,現有綠氫的價格大約落在每公斤 3.6 到 5.3 歐元。相較之下,由天然氣提取氫氣的成本約每公斤 1.5 歐元。

雖然綠氫的價格高了兩三倍,但是在同一份報告中,歐洲議會也提到由於綠能的價格持續下修,綠氫價格已經在過去十年內已經下降了 60%,並且很有機會在未來持續下降。保守估計,綠氫價格有機會在 2030 年降至每公斤 1.8 歐元。到時候,綠氫煉鋼的成本只會比煤炭煉鋼高出不到 10%。

因此,相較於碳捕捉或其他新型態煉鋼技術,綠氫煉鋼的技術和成本皆較為樂觀,是各界目前較看好的零碳鋼鐵解決方案!而且也早就有企業著手開始設置生產計劃。

在 2016 年,位於瑞典的鋼鐵廠 SSAB、便和能源公司 Vattenfall 與鐵礦集團 LKAB 聯手開啟了 Hybrit 計畫,預計透過綠氫和綠能,完全排除化石燃料的使用,走向綠色鋼鐵的新挑戰,目標將瑞典全國的碳排放減少 10%。

在製程中,除了改用綠氫進行還原反應之外,煉鋼過程中也不再透過燃煤加熱,而是採用電弧爐,用綠能產生的電弧放電,來產生煉鋼所需的高溫。

2020 年,Hybrit 計畫設立了首間完全零化石燃料的試驗煉鋼廠,並在僅僅一年後產出了第一批零石化鋼鐵,預計在 2026 年開始進行商業規模的大量生產,可以說是領先全球的零石化程表。而且,Hybrit 計畫在 2021 年生產的首批零石化鋼鐵可不只是做出來展示用的,這批別具意義的鋼材已經交付給瑞典車廠 VOLVO,拿來打造未來的環保低碳汽車。

用氫來煉造零石化鋼鐵的第一步:氫氣要從哪裡來? 圖/envatoelements

踏出世界的第一步:VOLVO 零石化鋼材車

在汽車生產過程中,鋼鐵是碳排放的主要來源之一。依據 2021 年的資料,製造一輛 VOLVO 汽車所需鋼材產生的碳排放量佔整體製程中的約 33%。

但目前 VOLVO 旗下車款都已開始著手使用零石化鋼材,成為全球首家運用零石化煉鋼製程的汽車製造商。雖然零石化鋼材的使用率尚未達到百分之百,但 VOLVO 已簽署 SteelZero 倡議計畫,支持無石化煉鋼的製程。並承諾在 2030 年達成這項協議中,對鋼鐵採購的嚴格要求,以在 2050 年前完成採購的鋼材皆要「乾淨、零碳」為目標。

此外,VOLVO 也計畫在 2030 年達到所有車款都百分之百不使用動物皮革,降低對畜牧業的需求,減少溫室氣體的排放。

除了在工藝選材上的用心,VOLVO 也透過供應商管理、生產製程、轉型電動化等各種方式貫徹友善環境與永續經營。像自 2008 年起,VOLVO 在歐洲的所有工廠都開始使用水力發電所提供的電力。到目前為止,全球工廠已使用超過 80% 的碳中和電力。

最關鍵的是,VOLVO 產品本身的全面電氣化目標,所有車款都有電動版本可供選擇,並目標在 2030 年成為純電動汽車品牌,以達到《歐洲綠色新政》設下的 2050 淨零排放目標。

總結而言,綠色鋼鐵是實現零石化的永續鋼鐵生產的關鍵。雖然面臨著一系列挑戰,但只要政府、企業和大眾共同努力,我們有信心打造一個更加環保、永續發展的未來。VOLVO 作為汽車行業的領頭羊,將繼續挑戰永續創新,成為更環保的典範。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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改良天然氣發電技術不會產生二氧化碳?灰氫、藍氫、綠氫分別是什麼?
PanSci_96
・2024/02/11 ・5659字 ・閱讀時間約 11 分鐘

用天然氣發電可以完全沒有二氧化碳排放?這怎麼可能?

2023 年 11 月,台電和中研院共同發表去碳燃氫技術,說是經過處理的天然氣,燃燒後可以不產生二氧化碳。

誒,減碳方式百百種,就是這個聽起來最怪。但仔細研究後,好像還真有這麼一回事。這種能發電,又不產二氧化碳的巫術到底是什麼?大量使用天然氣後,又有哪些隱憂是我們可能沒注意到的?

去碳燃氫是什麼?

去碳燃氫,指的是改良現有的天然氣發電方式,將甲烷天然氣的碳去除,只留下乾淨的氫氣作為燃燒燃料。在介紹去碳燃氫之前,我們想先針對我們的主角天然氣問一個問題。

最近不論台灣、美國或是許多國家,都提升了天然氣發電的比例,但天然氣發電真的有比較好嗎?

好像還真的有。

根據聯合國底下的政府間氣候變化專門委員會 IPCC 的計算報告,若使用火力發電主要使用的煙煤與亞煙煤作為燃料,並以燃燒率百分之百來計算,燃料每釋放一兆焦耳的能量,就會分別產生 94600 公斤和 96100 公斤的二氧化碳排放。

如果將燃料換成天然氣,則大約會產生 56100 公斤的二氧化碳,大約只有燃燒煤炭的六成。這是因為天然氣在化學反應中,不只有碳元素會提供能量,氫元素也會氧化成水並放出能量。

圖/pexels

除了碳排較低以外,煤炭這類固體燃料往往含有更多雜質,燃燒時又容易產生更多的懸浮顆粒例如 PM 2.5 ,或是溫室效應的另一主力氧化亞氮(N2O)。具體來說,產生同等能量下,燃燒煤炭產生的氧化亞氮是天然氣的 150 倍。

當然,也別高興這麼早,天然氣本身也是個比二氧化碳更可怕的溫室氣體,一但洩漏問題也不小。關於這點,我們放到本集最後面再來討論。

燃燒天然氣還是會產生二氧化碳?

雖然比較少,但也有燃煤的六成。像是綠能一樣的零碳排發電方式,不才是我們的終極目標嗎?別擔心,為了讓產生的二氧化碳量減到最小,我們可以來改造一下甲烷。

圖/unsplash

在攝氏 700 至 1100 度的高溫下,甲烷就會和水蒸氣反應,變成一氧化碳和氫氣,稱為蒸汽甲烷重組技術。目前全球的氫氣有 9 成以上,都是用此方式製造的,也就是所謂的「灰氫」。

而產物中的一氧化碳,還可以在銅或鐵的催化下,與水蒸氣進一步進行水煤氣反應,變成二氧化碳與氫氣。最後的產物很純,只有氫氣與二氧化碳,因此此時單獨將二氧化碳分離、封存的效率也會提升不少,也就是我們在介紹碳捕捉時介紹的「燃燒前捕捉」技術。

去碳燃氫又是什麼?

圖/pexels

即便我們能將甲烷蒸氣重組,但只要原料中含有碳,那最終還是會產生二氧化碳。那麼,我們把碳去掉不就好了?去碳燃氫,就是要在第一步把甲烷分解為碳和氫氣。這樣氫氣在發電時只會產生水蒸氣,而留下來的碳黑,也就是固態的碳,可以做為其他工業原料使用,提升附加價值。

在氫氣產業鏈中,我們習慣將氫氣的來源做顏色分類。例如前面提到蒸氣重組後得到的氫氣被稱為灰氫,而搭配碳捕捉技術的氫,則稱為藍氫。完全使用綠能得到的氫,例如搭配太陽能或風力發電,將水電解後得到最潔淨的氫,則稱為綠氫。而介於這兩者之間,利用去碳燃氫技術分解不是水而是甲烷所得到的氫,則稱為藍綠氫。

但先不管它叫什麼氫,重點是如果真的不會產生二氧化碳,那我們就確實多了一種潔淨能源可以選擇。這個將甲烷一分為二的技術,聽起來應該也不會太難吧?畢竟連五◯悟都可以一分為二了,甲烷應該也行吧。

甲烷如何去碳?

甲烷要怎麼變成乾淨的氫氣呢?

很簡單,加溫就好了。

圖/giphy

只要加溫到高過攝氏 700 度,甲烷就會開始「熱裂解」,鍵結開始被打斷,變成碳與氫氣。

等等等等…為了發電還要耗費能源搞高溫熱裂解,划算嗎?

甲烷裂解確實是一個吸熱反應,也就是需要耗費能量來拆散原本的鍵結。根據反應式,一莫耳甲烷要吸收 74 千焦耳的熱量,才會裂解為一莫耳的碳和兩莫耳的氫氣。但是兩莫耳的氫氣燃燒後,會產生 482 千焦耳的熱量。淨能量產出是 408 焦耳。與此相對,直接燃燒甲烷產生的熱量是 891 千焦耳。

而根據現實環境與設備的情況,中研院與台電推估一公噸的天然氣直接燃燒發電,與先去碳再燃氫的方式相比,發電量分別為 7700 度和 4272 度。雖然因為不燃燒碳,發電量下降了,但也省下了燃燒後捕存的成本。

要怎麼幫甲烷去碳呢?

在近二十幾年內,科學家嘗試使用各種材料作為催化劑,來提升反應效率。最常見的方式,是將特定比例的合金,例如鎳鉍合金,加熱為熔融態。並讓甲烷通過液態的合金,與這些高溫的催化劑產生反應。實驗證實,鎳鉍合金可以在攝氏 1065 度的高溫下,轉化 95% 的甲烷。

中研院在 2021 年 3 月,啟動了「 Alpha 去碳計畫」,進行去碳燃氫的設備開發。但團隊發現,盡管在理論上行得通,但實際上裝置就像是個不受控的火山一樣,熔融金屬與蒸氣挾帶著碳粒形成黏稠流體,不斷從表面冒出,需要不斷暫停實驗來將岩漿撈出去。因此,即便理論上可行,但熔融合金的催化方式,還無法提供給發電機組使用。

去碳燃氫還能有突破嗎?

有趣的是,找了好一大圈,驀然回首,那人卻在燈火闌珊處。

最後大家把目光放到了就在你旁邊,你卻不知道它正在等你的那個催化劑,碳。其實過去就有研究表明碳是一種可行的催化劑。但直到 201 3年,才有韓國團隊,嘗試把碳真的拿來做為去碳燃氫的反應催化劑。

圖/pexels

他們在高溫管柱中,裝填了直徑 30 nm 的碳粒。結果發現,在 1,443 K 的高溫下,能達到幾乎 100 % 的甲烷轉化。而且碳本身就是反應的產物之一,因此整個裝置除了碳鋼容器以外,只有碳與氫參與反應,不僅成本低廉,要回收碳黑也變得容易許多。

目前這個裝置需要加緊改良的,就是當碳不斷的積蓄,碳粒顆粒變大,反應會跟著下降。如何有效清除或更換濾網與反應材料,會是能否將此設備放大至工業化規模的關鍵。

最後,我們回頭來談談,在去碳燃氫技術逐漸成熟之後,我們可能需要面對的根本問題。

天然氣是救世主,還是雙面刃?

去碳燃氫後的第一階段,還是會以天然氣為主,只混和 10 % 以下的氫氣作為發電燃料。

這是因為甲烷的燃燒速度是每秒 0.38 公尺,氫氣則為每秒 2.9 公尺,有著更劇烈的燃燒反應。因此,目前仍未有高比例氫氣的發電機組,氫氣的最高比例,通常就是 30 % 。

目前除了已成功串連,使用 10 % 氫氣的小型發電機組以外。台電預計明年完成在興達電廠,使用 5 % 氫氣的示範計畫,並逐步提升混和氫氣的比例。根據估計,光是 5 % 的氫氣,就能減少每年 7000 噸的二氧化碳排放。

但隨著天然氣的使用量逐步提高,我們也應該同時留意另一個問題。

天然氣洩漏導致的溫室效應,是不可忽視的!

根據 IPCC 2021 年的報告,若以 20 年為評估,甲烷產生的溫室效應效果是二氧化碳的 82.5 倍,以 100 年為評估,效果為 29.8 倍,是僅次於二氧化碳,對於溫室效應的貢獻者第二名。這,不可不慎啊。

圖/unsplash

從石油、天然氣井的大量甲烷洩漏,加上運輸時的洩漏,如果沒有嚴格控管,我們所做的努力,很有可能就白費了。

非營利組織「環境保衛基金」曾在 2018 年發表一篇研究,發現從 2012 到 2018 年,全球的甲烷排放量增加了 60 % ,從煤炭轉天然氣帶來的好處,可能因為甲烷洩漏而下修。當然,我們必須相信,當這處漏洞被補上,它還是能作為一個可期待的發電方式。

圖/giphy

另一篇發表在《 Nature Climate Change 》的分析研究就說明,以長期來看,由煤炭轉為天然氣,確實能有效減緩溫室氣體排放。但研究也特別提醒,天然氣應作為綠能發展健全前的過渡能源,千萬別因此放慢對於其他潔淨能源的研究腳步。

去碳燃氫技術看起來如此複雜,為什麼不直接發展綠氫就好了?

確實,綠氫很香。但是,綠氫的來源是電解水,而反應裝置也不可能直接使用雜質混雜的海水,因此若要大規模發展氫能,通常需要搭配水庫或海水淡化等供水設施。另外,綠氫本來就是屬於一種儲能的形式,在台灣自己的綠能還沒有多到有剩之前,當然直接送入電網,還輪不到拿來產綠氫。

圖/unsplash

相比於綠氫,去碳燃氫針對的是降低傳統火力發電的碳排,並且只需要在現有的發電廠旁架設熱裂解設備,就可以完成改造。可以想像成是在綠能、新世代核能發展成熟前的應急策略。

當然,除了今天提到的灰氫、藍氫、綠氫。我們還有用核能產生的粉紅氫、從地底開採出來的白氫等等,都還沒介紹呢!

除了可以回去複習我們這一集的氫能大盤點之外,也可以觀看這個介紹白氫的影片,一個連比爾蓋茲都在今年宣布加碼投資的新能源。它,會是下一個能源救世主嗎?

最後,也想問問大家,你認為未來 10 年內,哪種氫能會是最有潛力的發展方向呢?

  1. 當然是綠:要押當然還是壓最乾淨的綠氫啦,自產之前先進口也行啊。
  2. 肯定投藍:搭配碳捕捉的藍氫應該會是最快成熟的氫能吧。
  3. 絕對選白:連比爾蓋茲也投資的白氫感覺很不一樣。快介紹啊!

什麼?你覺得這幾個選項的顏色好像很熟悉?別太敏感了,下好離手啊!

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世界末日之後,你必須成為會做工具的工具人!——《最後一個知識人》
PanSci_96
・2016/06/26 ・4588字 ・閱讀時間約 9 分鐘 ・SR值 528 ・七年級

攸關生存的金屬

金屬具有完全不見於其他材料的種種特性。有些十分堅硬、強韌,適合用來製造工具,武器或結構零件,好比釘子或完整大梁。不過金屬也具有可塑性,不像陶瓷那麼酥脆——金屬受壓時會變形,不會碎裂,還可以拉成細絲,能用來固定、製造圍籬或傳導電力。多種金屬還能抗拒非常高的溫度,是打造高性能機器的理想材料。

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能夠製造金屬器具,將大大地增加你在末日生存的能力。圖/wikipedia

你在「大墜落」過後,必須盡快重新養成的能力,不只是掌握用鐵,還得加上鐵碳合金:。鋼含有鐵、碳混合原子,而且遠遠超過各部分的加總。把碳原子納入,大幅改變了金屬的特性,而且你可以因應不同用途,改變碳原子比例,從而控制鋼的強度和硬度。

我們到後面才會檢視,該如何從無到有,開始製造鐵和鋼,因為緊接災後,你肯定很容易就能撿到鋼鐵材料。只要重新學會鐵匠的傳統技能,這些撿來的品項,也就可以活化再利用:在平爐(編按:有蓄熱室的煉鋼爐)或鍛造爐上的砧板一邊處理作品,一邊讓它保持灼熱,同時也用鎚子和鐵砧改造外形。綜觀整段文明史,人類之所以有辦法利用堅硬的鐵,理由便在於,鐵受熱會暫時改變物理特性,質地軟化並具展延性,得以搥打塑造成形,輾軋成薄片或者抽成管、線。這很重要,因為這表示,你可以使用鐵製工具來處理鐵材,製造出更多工具。

如何加工鐵器

用鐵製造工具,最重要的知識就是有關於如何讓鐵硬化的原理——淬火回火。要讓鐵硬化,可以把它加熱至火紅,好讓內部鐵碳晶體,轉化為硬組態的同素異形體(編按:同一元素因為分子式排列方式不同而有不同的物理形態,但化學生質相似)(它沒有磁性——這可以在加熱時檢測)。不過隨後若是讓它緩慢冷卻,這種晶體就會恢復原來形式,所以必須急速冷卻,才能得到你想要的。採淬火加工,再把高熱鐵件泡進水中或油中。然而堅硬的物質也會很脆——易碎裂的鋼鎚、劍或彈簧都毫無用處——所以製品淬火之後還必須回火。這種做法是再加熱,維持較低溫度一段時間,讓某個比例的分子結構鬆弛開來——刻意犧牲材料的部分強度,換回一些柔軟度。你可以經由回火來調節鐵的材料特性,而這就是因應功能來需求改造金屬的基本要點。

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掌握了焠火跟回火技術,就能因應需求作出不同硬度的鐵器。圖/owenon@flickr

還有一項重要技術到比較晚近才發展成形,那就是銲接,用已融金屬來膠合金屬。乙炔能產生的熱度,凌駕所有可燃氣體,在氧氣流中的燃燒溫度超過攝氏三千二百度。要產生銲接氣炬,可以經由一支點燃的噴嘴,分別控制加壓氧和乙炔氣流。純氧可以藉由電解水取得,或者往後將液化氣體分餾後來取得。乙炔可以取水與碳化鈣塊相互反應後釋出,而碳化鈣本身,則是取生石灰和木炭(或焦炭)一起擺進火爐加熱生成,這兩種物質我們已經介紹過了。除了膠合金屬,氧乙炔火燄還能做為鋼鐵的切割氣炬,產生氧氣噴流來燒熱金屬,再切出整齊的線條。

電弧銲機所產生的溫度還更高,約可達到攝氏六千度——如舞動閃電的威力。串接一批電池或使用一台發電機,就能產生充足電壓,持續觸發火花(或電弧),躍過目標金屬和碳電極的間隙,讓電極在金屬表面移動,就能銲熔或切割。這種臨時湊合的氧乙炔氣炬或電弧切割機,是拾荒小組奉派進入死寂城市時不可或缺的設備,可以用來拆解廢棄殘骸,拾回最有用的物資。使用電弧爐是熔解廢鋼料,回收再利用的有效做法。電熔爐基本上就是台巨型電弧銲機,電力從大型碳電極湧現,通過金屬並熔解,裡面還有石灰岩助銲劑,用來去除雜質,表面化為熔渣,熔鋼則如水壺倒水般傾倒出來。使用可再生電源來運作的電弧爐是一門必須掌握的重要技術,這樣才能紓解末日後世界對熱能燃料的需求。

不過取得金屬物資的能力,只做對一半,你還必須能夠熟練處理這類材料,依你所需樣式打造成形。假使你找不到還能操作的工具機,那麼你有多少機會,可以從頭製造出新機具?

製作小型工作室

一九八○年代,一位機械師提出了一項優雅的例證,他打造出一個支具齊備的五金工作坊——包括車床、金屬成型機、直立鑽床和銑床等一應俱全——材料不過就是黏土、沙、木炭和幾塊廢金屬。鋁是個不錯的選擇,因為鋁熔點低,方便鑄造,而且非常不容易腐蝕,因此就算在末日災變過後許久,依然可以找到。

這項出色計畫的核心是個小型鑄造設備,撿來的金屬桶,裡面鋪了一層黏土耐火內襯,使用木炭焙燒,並從桶側導入氣流來強化燃燒作用。用這台火爐熔化撿來的鋁,已經綽綽有餘,接著就可以把熔融金屬倒入模範裡,鑄造出五花八門的機具零件。外範的製造原料可以採用細沙混入黏土(做為黏著劑)並添點水,接著讓它緊緊包覆內模,外框則是個兩件式木盒。

以下影片,示範了如何用生活中可見的器具製作一個小型鑄造廠,並在融化鋁罐後,用沙範創造出五花八門的器具。

要打造的第一台機器是車床。簡單的車床含一件平坦長梁,稱為床座,頭座固定於一端,另一端則是尾座,能鬆開鎖具並沿著床軌左右滑動。工件裝置於頭座上的心軸——或栓在面板上,或以可動爪夾頭鉗住——接著整個工件由一套滑輪或齒輪系統帶動,繞著這個中心軸旋轉,至於原動力就看你已經駕馭了哪些類型(水車、蒸汽機或馬達)。尾座可以用來支撐工件的另一端,並能因應不同長度沿著床座滑動,也可以裝上鑽頭等工具,於是你就可以旋轉工件並沿著中心軸線鑽孔。車床還有個刀座,上面安裝切削工具,同樣能沿著床座滑動,由於採用橫滑台,能精準調校工件位置,邊轉動邊切削,雕琢出合宜的剖面。最令人稱奇的是,這台車床不只能夠複製出它本身的所有零組件,打造出更多車床,而且當你憑空徒手製造這第一台車床,還在初步階段之時,已經可以利用它來打造出其餘必要零件,完成這項設備。

車床
車床,含左側用來固定工件的頭座(主軸台)和旋轉心軸,以及右側的尾座,還有中間承托切削工具的活動式刀座。

為了能在工件上切出精確螺紋,你必須沿著床座方向安裝一根長條導螺桿,就能順暢移動刀座,而且最好是與頭座、心軸的齒輪耦合,讓雙方動作完美協調。你在末日後世界真正得期盼能撿到已經做好的長條導螺桿,因為要切削出螺距固定的螺紋,可說難如登天。依我們的歷史經驗,第一道精密的金屬螺紋是歷經反覆改良,走過漫長進程,才終於打造成形,接著才以此製造出其他眾多成品,你肯定希望不必再次走過這趟路程。

一旦車床到手,你就可以運用它來製造組件,完成其他遠遠更為複雜的工具機,好比銑床。車床的用途是利用車刀來處理在夾頭上旋轉的工件,銑床則是用轉動車刀,切削固定在夾頭上的工件,具有十分廣泛的功能——有了銑床之後,你大致就能打造出其他零件。所以這項示範,也就相當於技術史的縮影:簡單的工具製造出比較複雜的工具,包括自己的進化版,並反覆這個循環,一步步向上推展。

從礦石中分離金屬

不過萬一你找不到純化金屬供鍛造或鑄造,或者你能撿到的都已經用光了呢?你該怎樣從岩石煉出金屬?冶煉的原則是去除礦石中金屬化合物的氧、硫或其他元素。這必須消耗一種燃料來達到高溫,還要一種還原劑和一種助熔劑。木炭(或焦炭)是發揮頭兩樣功能的極佳用料,它能燒出猛烈火燄,在熔爐中燃燒時,還會釋出一氧化碳,這種強效還原劑能去除氧氣,留下純金屬。簡陋煉鐵爐的藍圖,看來就像燒製石灰的窯爐設計。爐內裝填了一層層木炭燃料和粉碎的鐵礦石。礦石混入一些石灰岩,做為助熔劑來降低耐火脈石(無利用價值的固體礦物)的熔點,讓它在爐內化為液體並吸收金屬雜質。助熔劑形成熔渣並流掉,於是你就可以從爐中提取純金屬珍寶。

倘若熔爐的運作溫度,達不到足以熔鐵的高溫,那麼你就必須取出海綿團狀固體金屬,擺在鐵砧上搥打,讓鐵融合在一起並打出殘留熔渣。這種純熟鐵還不夠堅硬,不能用來製造工具,必須再次用木炭猛烈加熱,吸出一些碳並形成鋼材,接著又一次擺上鐵砧處理。這樣反覆摺疊、打扁,基本上就是在攪拌固態材料,產生出均勻的鋼材,最後便可以拿來鍛造成最後形式。這是會令鐵匠腰酸背痛的苦工,而且鋼材產量也嚴重受限。發展出現代文明的關鍵,是養成有效大量製鋼的產能。底下就告訴你該怎麼做。

解決之道是強力鼓風讓空氣向上流過層疊爐料,增強燃燒。中國人在公元前五世紀就發明了鼓風爐(比歐洲早了一千五百多年),隨後並改良設計,使用水車驅動活塞風箱。為達到更高效能,加熱到更高溫度,可以使用從熔爐煙道逸出的高熱燃燒廢氣來預熱空氣,鼓風入爐。鼓風爐中剛熔煉完成的鐵材吸收了許多碳原子,於是熔點便降到攝氏一千二百度。金屬液化從爐底流出,沿著地面的溝渠,再注入一列鑄範。最終成品就是生鐵(pig iron,直譯為「豬鐵」)——起這個名字是由於,中世紀鑄造工匠認為,那一個個鑄範,看來就像一窩新生小豬依附著母豬吸奶。

鼓風爐
煉鐵鼓風爐。礦石、燃料和助熔劑從爐頂往下流,接著從爐底注入強烈高熱氣流,施壓向上流過層疊爐料。

這種含碳量高的鐵,熔點降低了,必要時可以重新熔解,像熱蠟一般倒入範中。因此鑄鐵工序變得非常便利,能快速鑄造出種種品項,如鍋子、管路或機械組件等,維多利亞時代的人,還製造出許多鑄鐵大梁。不過鑄鐵有一項嚴重缺陷:由於含碳量高,質地很脆,舉例來說,鑄鐵橋梁有個缺點,一旦結構元件受力彎折或拉伸,整座橋梁往往就會崩塌。

後來是一項革新發明,才真正使工業革命後期不斷發展下去,採這種做法,就能把鼓風爐所煉出的生鐵,輕鬆變換成鋼材。就碳含量而言,鋼的比例介於純熟鐵和酥脆的生鐵或鑄鐵(3–4%)之間,從約含0.2%碳,用來打造機器齒輪或結構鋼材的堅韌鋼料,到約含1.2%碳,用來打造滾珠軸承和車床切削工具的堅硬鋼料。所以你該怎樣脫除含碳生鐵?

貝塞麥煉鋼轉爐(Bessemer converter)是個梨狀巨桶,內襯耐火磚,安裝在支軸上,因此桶子可以傾倒。先熔融生鐵,注入容器,隨後從桶底幾個開孔把空氣打進桶內,和冒出氣泡的水族箱幫浦增氧機相似。額外的碳原子和氧反應,化為二氧化碳逸出,其他雜質也經氧化,合成熔渣後清出。這裡有個很幸運的現象,碳原子燃燒時會釋出充分熱量,讓鐵裡外都保持熔融狀態。

這時會遇上難題,因為熔煉時必須把碳原子成分幾乎全部去除,卻仍得留下將近百分之一,實際操作時,很難準確判斷。掌握最後成分的訣竅,要靠事後反溯法,先進行轉化,直到你有十足把握,肯定所有碳原子都已經去除,接著就把你想放回純鐵裡面的最後碳原子依比例混入。這種貝塞麥煉鋼法是史上頭一種廉價的大量煉鋼法,你最好是盡快蛙跳返回這個時間點。


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