利用地球的熱情發電吧：深層地熱發電

本文與 Panasonic 合作，泛科學撰文 

●以下科學研究內容作為知識分享，不直接與Panasonic A La Uno全自動洗淨馬桶產品功能連結

在做家務的痛苦排行榜上，「刷馬桶」絕對名列前茅。明明天天都在沖水，但過不了幾天，馬桶內壁邊角總會浮現黃黃的水垢、角落發黑的霉斑，甚至是那些刷掉又長出來的粉紅色污垢（黏質沙雷氏菌）。

許多市售衛浴設備常標榜「神奇抗污」或「永久不沾」，讓人誤以為安裝後便能永保潔淨。然而從材料科學的角度來看，世上並無能使污垢憑空消失的魔法。所謂「耐污」的實質機制，並非打造完全不沾染髒污的材質，而是調整表面的物理與化學屬性，使水垢和微生物難以強力附著。一旦降低了污垢與內壁之間的附著力，透過日常水流沖刷，便能輕易地將髒污帶走。

為什麼污垢「黏不住」？ 

要搞懂為什麼某些特殊表面能做到「耐污」，我們得先像偵探一樣，拆解馬桶裡的髒污究竟是怎麼「抓緊」材料表面的。馬桶內壁的污垢主要有兩大難纏的元兇：

1. 水垢與礦物沉積*1：我們日常使用的自來水中含有鈣、鎂等金屬離子。當水滴在表面經歷反覆的濕潤與蒸發乾燥循環時，這些離子會逐漸結晶析出，變成硬度極高、緊緊「卡」在微觀縫隙裡的礦物質水垢。
2. 生物膜與有機物*2：包含尿液中的無機鹽、油脂殘留，以及細菌入侵後分泌出像超強膠水一般的聚合物，所組成的黏滑防禦大本營。

這兩大類污垢想要在材料上「落腳」，前提是它們必須能在表面找到足夠的附著點與黏合力。那麼，材料科學家是如何讓這些髒污「站不穩」的呢？答案就藏在「表面能（Surface Energy）」與「濕潤性（Wettability）」這兩個核心概念中。

當我們把水滴在某個表面上時，水滴會聚成一顆圓滾滾的水珠，還是迅速攤平開來？這取決於表面的特性：

• 疏水路線（Hydrophobic）*1：具備低表面能的疏水表面，能顯著減少水分子或污染物與表面之間的極性作用力與氫鍵。水滴在這種表面上會因為表面張力而收縮成水珠，當水珠滾動滑落時，就能順便把表面的灰塵與礦物質顆粒帶走，這就是著名的「自清潔效應」。
• 親水路線（Hydrophilic / Superhydrophilic）*2：相反地，極度親水的超親水表面則會強烈地吸引水分子，在材料最外層形成一層薄薄的「水化層（Hydration Layer）」。這層水化層就像是實體的液體盾牌，讓油污、蛋白質或細菌無法直接接觸到材料基底，只能漂浮在水膜上方。

如果要用攀岩來比喻：傳統粗糙的表面就像是有許多凹槽的攀岩牆，髒污就像攀岩者，需要找到落腳點並用力撐住才能攀附；而我們做的是抽掉把手點，或是在把手上塗上潤滑油，讓髒污找不到施力點，自然難以停留。

不給細菌「握手」的機會

解決了水垢，下一個更棘手的對手是「細菌」。

馬桶內壁那些黑黑粉粉、摸起來滑滑的污垢，在微生物學中被稱為「生物膜（Biofilm）」。細菌並不是孤立生長的，當單顆細菌落在表面後，如果覺得環境舒適，它就會開始分泌胞外聚合物（EPS），這是一種天然的超強膠水。細菌們用這種膠水把自己與同伴緊緊黏在一起，並築起堅固的防禦堡壘，這時一般的沖水就很難把它們沖洗乾淨了。

根據《Nature Communications》與《Microsystems & Nanoengineering》的學術期刊研究指出，要阻止生物膜形成，除了化學上的抗菌，材料的「表面微幾何結構」扮演了至關重要的角色。

材料科學領域中有一個著名的「附著點理論（Attachment Point Theory）」：

1. 粗糙與微孔洞表面：如果材料表面存在許多微小的裂縫、氣孔或微米級凹洞，細菌（體積通常約 1 到 3 微米）就會興高采烈地鑽進這些小凹槽裡。這些凹槽不僅提供了極佳的機械咬合支點，還能幫細菌擋掉水流的沖刷。
2. 極致平滑與微結構表面：相反地，如果材料表面做到極致平滑，完全沒有微米級的缺陷；或者反過來設計出尺寸遠小於細菌的奈米結構，細菌的足跡構造（如鞭毛或纖毛）就無法在表面找到穩固的「接觸附著點（Contact Points）」。

當細菌發現自己在這個表面上連「手都握不緊」、隨時會被水流吹走時，它就無法順利定殖並分泌膠水築巢。此外，現代衛浴結構在設計時，也越來越強調「一體成形」與「無接縫工藝」。消除接縫與死角，等於直接拔除了細菌與水垢最喜歡的避風港。

當材料、結構與流體科技組隊聯防 

了解了材料化學與微觀幾何，我們就能勾勒出一座現代耐污馬桶的完整防禦體系：【材料層（低附著力）】+【結構層（無縫平滑）】+【動態流體層（泡沫與水流剪切力）】= 高效清潔！

以市面上備受矚目的 Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶為例，就是將材料科學、結構工程與流體力學發揮到極致的典型代表：

1. 材料層：有機玻璃系新素材

A La Uno 全自動洗淨馬桶採新開發的「有機玻璃系新素材」（以壓克力高分子為基礎研發的衛浴專用材料，這類高分子成形技術亦被廣泛運用於大型水族館高壓觀景窗與飛機機艙罩）。這種材料表面具備極佳的疏水性與耐水垢特性，水滴不易長時間攤平停留；材質堅固、不易破裂，耐刮、不易造成細小傷痕。通過實驗測試，這種素材配合泡沫洗淨，在沖洗後能有效沖刷掉高達 99.99% 的大腸桿菌，從源頭阻斷細菌定殖。

2. 結構層：無接縫工藝與三重防濺防護

在宏觀結構上，A La Uno 全自動洗淨馬桶採用無水箱沖水與便器、溫水洗淨便座一體成型設計，減少傳統水箱與座體之間的結構層次及接縫，並搭配可動迴轉式排水系統完成沖洗。更貼心的是其「三重防護」設計：

• 泡沫防護：在水面上製造一層充沛的泡沫緩衝層，有效抑制男性站立小便時的尿液與污水飛濺；
• 外圍防護：馬桶邊界特別設計了高約 3mm 的水檔，防止液體延著外壁滴落至地板；
• 測漏防護：便座與馬桶本體採用不外露的防護設計，避免液體從縫隙飛濺滲漏。

3. 動態流體層：雙效泡沫洗淨、漩渦水流與 nanoe™ X

當污垢降落在馬桶內壁時，A La Uno全自動洗淨馬桶 的動態流體科技便接手進行徹底打掃。其「雙效泡沫洗淨」會先釋放直徑約 5mm 的「毫米泡沫」包裹並帶走大塊髒污，再透過直徑約 60微米的「微米泡沫」深入微觀縫隙，徹底溶解殘餘的油脂與細微污垢。接著，配合高度清潔力的「漩渦型強力水流」，利用旋轉產生的流體剪切力，一口氣將附著力已被削弱的污垢剝離並沖走。此外，Panasonic A La Uno 全自動洗淨馬桶還搭襯了 nanoe™ X 健康科技，釋放氫氧離子有效抑制異味與髒污，維持空氣與內壁的良好衛生狀態。

科技讓生活變輕鬆，但物理法則依然誠實

從材料化學的低表面能設計，到微觀幾何的附著點控制，再到流體力學的水流沖刷，一座現代抗污馬桶的演進，縮影了人類如何運用基礎科學來解決日常生活痛點的智慧。

我們習慣將衛生清潔想像成一場與細菌髒污的硬碰硬死鬥。然而，A La Uno全自動洗淨馬桶 等現代衛浴技術的突破，展示了材料科學的另一種聰明思維：不靠強酸強鹼硬打，而是透過物理與化學邏輯，將「污垢固著」的機率降到最低。

當材料科學與現代衛浴技術結合，刷馬桶不再是一件令人頭痛的辛苦瑣事。透過這些前沿科技的加持，我們得以從繁重的家務勞動中解放，享受更加乾淨、舒適且有品質的日常生活。

*1 參考論文：A metallic anti-biofouling surface with a hierarchical topography containing nanostructures on curved micro-riblets

*2 參考論文：Brushing up functional materials

我們的能源從哪裡來、往哪裡去？

全球每年對能源的需求量相當巨大，若用「瓩時」──即一度電這樣的度量單位──來表示會出現天文數字，因此改用「太瓦時」（TWh）來表示，太瓦時等於 10 億瓩時。

在一八〇〇年，全球約有 10 億人口，當時對能源的需求約為 6000 太瓦時；而且幾乎全部來自傳統的生質能源。到了二〇一七年，全球人口達到 76 億，發電量增加了 25 倍（156000 太瓦時）。

下圖顯示在二〇一七年全球主要能源消耗總量的百分比，其中近 8 成為化石燃料。其他再生能源包括風能、太陽能和地熱能，其中成長最快的是風場和太陽光電場。生質能源則主要來自傳統生質能源。

大約有 1/3 的全球能源消耗在將化石燃料轉化為電力和精煉燃料上。

剩下的稱為最終能源需求（final energy demand），是指用戶消耗掉的能源：每年約 10 萬太瓦時。

大約有 10％ 是來自開發中國家傳統生質能的熱，22％ 來自電力，38％ 用於供熱（主要來自化石燃料） 30％ 在交通運輸。熱能和電能主要都是用於工業和建築。汽油和柴油幾乎提供了所有用於運輸的燃料。

怎麼做比較不浪費？能量轉換效率大比拚！

我們看到供熱與供電一樣重要。兩者都可以用瓩時為單位，也就是一度電來測量，雖然電可以完全轉化為熱量，例如電烤箱，但只有一小部分以熱能形式存在的能量可以轉化為電能，其他的必然會散失到周圍環境裡。

在火力發電廠中，存在於化石燃料中的化學能會在燃燒後轉化為熱能。這會將水加熱，產生蒸汽，蒸汽膨脹推動渦輪的葉片，轉動發電機。只有一部分熱量被轉化成電力；其餘的熱量在蒸汽冷凝，完成循環時，就轉移到環境中，成了殘熱。

這份熱電轉化的比例可透過提升高壓蒸汽的溫度來增加，但受限於高溫下鍋爐管線的耐受度。

在一座現代化的火力發電廠中，一般熱能轉化為電能的效率約為 40％。若是在較高溫的複循環燃氣發電機組（combined cycle gas turbine，CCGT）裝置中，這個比例可提高到 60％。

同樣地，在內燃機中也只有一小部分的熱量可以轉化為車子的運動能量（動能）；汽油車的一般平均效率為 25％，柴油車則是 30％，而柴油卡車和公車的效率約為 40％。

另一方面，電動馬達的效率約為 90％，因此電氣化運輸將顯著減少能源消耗。這是提高效率和再生能源之間協同作用的一個範例，這將有助於提供世界所需的能源。

再生能源的過去跟未來

在十九世紀末，水力發電的再生資源幫助啟動了電網的發展，在二〇一八年時約占全世界發電量的 16％。而在再生能源──風能、太陽能、地熱能和生質能源──的投資上，相對要晚得多，是在二十世紀的最後幾十年才開始。

起初的成長緩慢，因為這些再生能源沒有成本競爭力還需要補貼。但隨著產量增加，成本下降，它們的貢獻開始增加。這些其他再生能源發電的占比已從二〇一〇年的 3.5％ 上升到二〇一八年的 9.7％，包括水力發電在內，再生能源的總貢獻量為 26％。

不過，就全球能源的占比，而不是僅只是考慮用戶消耗的電力來看，再生能源僅占約 18％，而傳統生質能則提供約 10％ 的能量。隨著太陽能和風能的成本在許多國家變得比化石燃料更便宜，它們在總發電量中的占比有望在未來幾十年顯著增加。

這世界花了很長的時間才意識到這一事實，從現在開始，再生能源勢必將成為主要的能源來源。

——本文摘自《【牛津通識課02】再生能源：尋找未來新動能》，2022 年 6 月，日出出版，未經同意請勿轉載。

2013年11月初，日本福島核電廠發生核洩漏事件，汙染周遭海域，讓東亞相關各國再度感到憂心忡忡，加上石油與天然氣可觀的碳排放對全球環境造成的衝擊，發展更有效率的再生能源成為各國努力的目標。現在各國將目光投向到闃黑熾熱的地底，最近幾年技術的突破讓地熱開採更具效率，尤其是深層地熱發電的技術發展，讓地熱發電的穩定程度不亞於現今的傳統發電方式，在可見的未來地熱更有機會擊敗核電，成為「能源一哥」。

地底為何會發熱？

我們賴以生存的地球，表面寧靜祥和，但其實內心相當「熱情」。根據過去的鑽探紀錄，可看出地下溫度有隨深度之增加而升高的現象，這種地下溫度隨深度增加而升高的比率，被稱為「地溫梯度」(Geothermal gradient)。就地球最外層的地殼來說，全球平均而言往下挖一公里，溫度會上升攝氏30度，不過如果地底有其他熱源，例如火山活動與岩漿庫，則地溫梯度會上升較快。

地球內部之所以能維持如此高溫，科學家推測主要是因為地球內部所含有的放射性元素在衰變過程中釋出的熱，讓地球內部得以保持熱度，最深處可達攝氏6000度，相當於太陽表面的溫度。不過如果要發電，我們不需要鑽個幾千公里直達地心，只要從地表向下鑽數千公尺至10公里，地底溫度便已高達攝氏300度，足夠讓我們發電了。

淺層地熱發電：便宜但受限

之前人類的技術僅能開採地溫梯度較大的地區的淺層地熱，也就是在深度3公里以內，利用地熱加熱的熱水與蒸氣進行發電。這種地熱鑽探成本較低，但是深受地質條件限制，需要有多孔隙的岩層讓水流動。能進行淺層地熱發電的地區並不多，而且因為透過抽出地下水進行發電，需要進行尾水回注以避免枯竭。

台灣在宜蘭曾經有清水地熱發電廠，便是屬於淺層地熱發電，於1981年至1993年運轉，但因為未做地下水源補充以及嚴重的結垢問題，最後以關廠作收。然而經過多年的技術研究與改善，例如避免結垢技術的研發與尾水回注，2012年年底宜蘭縣政府與民間廠商簽約，清水地熱準備東山再起。

熾熱的深層地熱發電

不過比起淺層地熱發電，深層地熱發電使用深度超過3公里的深層地熱，可以在一般的地溫梯度地區進行發電。國際能源總署(International Energy Agency)便指出由於施工方法的改進與鑽探技術發展，鑽井成本大幅降低，讓大規模利用地熱資源變成經濟上可行的方案。

目前有兩種深層地熱發電技術，分別是增強型地熱系統(Enhance Geothermal System, EGS)以及閉迴路熱量收集系統(Complex Energy Extraction from Geothermal resource, CEEG)。這兩種深層地熱發電技術的差別在哪呢？

EGS利用灌注井(injection well)將液體注入深層地層中，利用高壓產生裂隙以增加儲水空間，之後再以生產井(production well)將這些熱水汽化，使用蒸氣進行發電。但是由於這些注入地底的水在加熱過程中離開管路，流經地下岩層縫隙時會因侵蝕與壓力作用而導致縫隙擴大，長期以來有誘發人為地震的風險。此外，EGS亦有結垢與用水流失的缺點，導致運轉成本較高。

而CEEG除了延續EGS的優勢，並改善了EGS的許多缺陷，CEEG一樣將管線鑽掘至深層地層，不過是封閉管路。CEEG的管路設計為同軸內外雙管，就像在吸養樂多用的小吸管外再套一根喝珍珠奶茶的大吸管。冷水從外管往下流至地底，加熱至數百度高溫後，再由內管返回地表。由於CEEG水的循環都在封閉的管線中，不會有誘發地震、結垢與用水流失的問題，而且因為灌注井與生產井合為同一條管線，所需挖井個數至少減半，可大幅降低CEEG發電的成本。

台灣的地熱發電潛力

台灣地處板塊交界帶，擁有豐富的地熱資源。僅考慮淺層地熱，光是宜蘭地熱區、大屯火山群地熱區、花東地熱區的熱儲量，便可產生相當於9.7座核四廠的發電量。然而若深度更深，整個台灣地區在深度4公里以內的熱儲量更可產生65座核四廠的發電量，相當值得開發。目前除了宜蘭清水地熱電廠，台灣更有潛力的地熱資源區莫過於大屯火山周邊，但是大屯火山除了受限於國家公園的法令限制，還有酸蝕的問題，容易破壞機具。幸虧，拜科技所賜，深層地熱發電增加了發電潛力、也改善了選址受限的問題，期許未來能成為主流的綠色能源之一。而台大高成炎老師也極力推動在宜蘭利澤地區進行深層地熱發電。台灣能源自主的選擇，地熱發電是不可或缺的一項重要資源。

日本311強震後2年，福島第一核電廠仍不時傳出核洩漏與核污染問題。而當石油與天然氣逐漸枯竭，全球氣候變遷逐漸加劇，如何將能源來源轉移至再生能源，就長久的發展眼光而言，與各國的永續生存以及避免更嚴重的氣候災變息息相關。深層地熱發電能確保人類擁有乾淨且穩定的能源，台灣為島國，使用再生能源取代現今傳統能源，或許將是邁向永續最重要的一步。（本文由國科會補助｢新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣｣執行團隊撰稿／2013年11月）

責任編輯：鄭國威｜元智大學資訊社會研究所

本文原發表於行政院國家科學委員會–科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊，也有臉書喔！

延伸閱讀：

• 本文依據 恆水創電 110 年 12 月 9 日新聞稿 改寫

文／郭椀濘、李先泰

為了地球的永續發展，台灣已將 2050 年淨零碳排列為重要政策目標，行政院也擬於2022年初提出路徑草案，檢討整體能源政策；為了實現淨零碳排目標，能源新創企業「恆水創電」9日與比利時台北辦事處共同舉辦記者會，發表與比利時水輪機製造商 TURBULENT 共同研發的超低落差機組「Turbulent S」，該機組針對台灣水利環境設計，只要 1.28m 超低落差即可發電，有助於微水力發電在台扎根。

比利時台北辦事處處長文浩德 Frédéric VERHEYDEN 致詞指出，比利時綠能產業擁有許多領先技術，為潔淨能源的先驅，是台灣發展能源最理想的合作夥伴，與台灣離岸風電領域已有深入合作，十分樂見 TURBULENT 與恆水創電在嶄新領域攜手共進，「台比合作將發展美好且綠化的台灣，為全球的淨零願景貢獻心力。」

恆水創電股份有限公司創辦人兼執行長鄒飛逯表示，推動「水利建設內建發電」是恆水創電的企業使命。他強調，台灣具有得天獨厚的水力發電條件，不但水力豐沛，地勢更是山高水急。然而，在河川渠道中卻有許多緩解水流力道的消能設施（如消波塊），以小水力發電的觀點來看相當可惜。

鄒飛逯指出，若運用發電機組取代消能設施，用水流動能發電，就能使消能設施創造能量，既可兼顧設施安全，又能創造最乾淨的綠能，堪稱一舉數得，而這也是恆水創電的初衷。鄒飛逯強調：「思維轉個彎，水利基礎建設就是小電廠，每一滴水都能發好幾次電！」

針對 TURBULENT 機組的技術優勢，鄒飛逯指出，TURBULENT 垂直渦流水輪機的特色是韌性極強且應用場域廣泛。強韌的葉片讓機組不怕垃圾及泥沙堵塞（以Turbulent S為例，可容納直徑 25cm 的物體通過），一體成型的設計亦可抗震；若遇到強風豪雨導致河川水位暴漲，也有對應的斷電機制，讓發電機組自動跳離電網，在條件嚴苛的場域中仍可穩定運作。

鄒飛逯也說，TURBULENT 的機組體積小且易於施作，可與水利設施合為一體，多元發展性高。更關鍵的是，機組的設計也讓河道中的生物能無害通過葉片，可兼顧生態友善：「頂多讓通過的生物感到暈眩，但不會造成傷害。」

而為徹底運用台灣的水力潛能，恆水創電與TURBULENT整合雙方專業，經過兩年場域資料蒐集及田野調查，為台灣水力環境量身設計 Turbulent S超低落差小水力發電機組，為台灣打造最佳化機組。

Turbulent S可應用於台灣多數水力環境中，因其有效落差高度僅1.28m，所需流量為2cms (每秒2立方米)，無論在灌溉溝渠跌水工、自然河川、淨水與汙水處理廠、給排水、水保設施等場域，都有極大發揮空間，讓鄒飛逯喊出「一落差一機組，一渠道一電廠」的綠能願景。

為推動台灣小水力產業發展，恆水創電與TURBULENT已簽訂合作備忘錄，授權Turbulent S機組國產化，比照風電模式在台灣落地生產。

恆水創電總經理廖弘毅指出，Turbulent S國產化不僅有助提升產業技術，更可確保長期料件供應與技術服務。「作為生命週期20至30年的基礎建設，國產化將能確保小水力發電在台灣長久發展、穩定維運；」廖弘毅總結，「這將是小水力發電在台灣遍地開花的重要一步！」

今日恆水創電也正式與台灣小水力綠能產業聯盟簽約入會，強調日後將會有緊密合作。對此聯盟洪正中理事長表示：「小水力發電是最環保再生能源，為對環境最友善的發電方式，小水力為台灣再生能源第三棒，聯盟與恆水創電公司將會持續為再生能源努力。」

2021.12.12 PM 0:24 更新：原版本文中之「水頭」為英文 Hydraulic Head 之意，為單位重量液體通過泵所獲得的能量，單位為公尺(m)。為便於理解，改為「落差」。