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福島核災該是廢核的理由嗎?—《寫給未來總統的能源課》

azothbooks_96
・2014/04/14 ・3059字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 565 ・九年級

2011年3月11日,巨大的地震侵襲了日本,震度規模達9.0,威力是1906年舊金山大地震的30倍。更糟的是,這次地震攪動海洋並催生了一個怪物─高達30英呎(相當於三層樓高)的海嘯,海嘯襲擊了海岸線,灌進內陸,死亡人數超過1萬5000人,並摧毀超過10 萬棟建築。

這次海嘯最知名的受害者之一是福島第一原子力發電所,一座設置於海岸,以便從海中就近取得冷卻水的核電廠(圖1)。兩名發電廠員工在地震中喪生,還有一名員工死於海嘯,據信當時的海嘯高度達50英呎。但是在接下來的幾小時、幾週以及幾個月裡,人們越來越擔心這座受損的核電廠最終會造成數千、數萬甚至更多的受害者。

福島核電廠空照圖

這座核電廠在設計時已經把大規模地震納入考量,並且也安然度過地震,但是沒人想到會發生50英呎高的海嘯。核子反應器遭到嚴重的破壞,當中存放的鈾會像原子彈一樣爆炸嗎?

答案是否定的。無論是海嘯、小行星的撞擊,甚至是核電廠整個落入恐怖分子的手中,福島的核子反應器都不會像核彈一樣爆炸。最根本的理由與工程無關,而是基於設計核子反應器所使用的物理。光有鈾是無法讓核子反應器像核彈一樣爆炸;如果並非如此,許多國家以及恐怖組織早就擁有核子武器了。

核彈和核子反應器使用的都是核連鎖反應,在這個反應中, 一個輕鈾(鈾235)原子分裂所釋放出的巨大能量相當於一個TNT(Trinitrotoluene,三硝基甲苯,即黃色炸藥)分子所釋放能量的2000萬倍。核分裂反應中也會釋放出一些中子,中子是存在於原子核中的微小粒子,當這些中子與其他的鈾235原子產生碰撞時,就會造成原子分裂,而產生更多的中子。中子的數量會在每一級反應中倍增,經過大約80級反應後(大約只需要數百萬分之一秒),就可以讓1磅的鈾分裂,並且釋放出相當於2000萬磅(或是1萬噸)TNT 爆炸所產生的能量。分裂後的原子核以熱的方式釋放出能量,使得這些原子殘骸的溫度超過1000個太陽。物質被蒸發、離子化,轉變成大量的高壓電漿然後爆發,將一切破壞殆盡。

要產生如核彈般的核反應,必須使用純度非常高的鈾235。但是一般核子反應器使用的燃料棒中,只含有4%的鈾235,其他部分則是較重的鈾238,鈾238也會吸收中子,但是其核分裂反應並無法形成持續的連鎖反應。由於鈾238的存在,必須要藉由某種方法才能維持連鎖反應的進行。這個方法是費米(Enrico Fermi)在二戰期間發明的,他把鈾和碳或水混合在一起,當碳或水的量足夠時,中子在撞擊到鈾238之前會先與這些分子產生碰撞而失去部分能量,減緩速度成為慢中子。鈾238的一個特別且重要的特性就是,不會吸收這些慢中子,只會把它們彈開。這些慢中子最後會與鈾235產生碰撞,讓連鎖反應持續下去。核子反應器會設計成平均只有一個中子 能觸發核分裂反應,讓能量釋放的速率維持穩定。

緩慢的中子可以避免發生大爆炸。當連鎖反應因為某些地方出錯而出現失控的情形時,便稱為反應性事故。這時能量會開始累積,然而由於中子的速度非常緩慢,因此發生爆炸所需的時間也很長。當能量密度達到TNT的等級時,反應器會被炸開而中斷進一步的連鎖反應。此時所釋放的能量與TNT相當,只有原子彈所釋放能量的2000萬分之一。

1986年的車諾比核子反應器,就是因為失控的連鎖反應所造成的反應性事故發生如炸藥般的爆炸。爆炸後的情形如圖2的照片所示。爆炸的威力的確足以摧毀大部分的反應器建築,但是也僅止於此。這次事故所造成的災難並不是爆炸本身,而是爆炸時所釋放出的大量放射性塵埃。據估計,這些外洩的輻射造成了2萬4000人罹患癌症。幸運的是,其中許多人罹患的是可以治癒的甲狀腺癌。

車諾比核災02
圖2. 爆炸後的車諾比核電廠。1986年的車諾比核電廠爆炸,雖然爆發失控的連鎖反應,但是威力只能摧毀反應器所在的建築。

與車諾比不同的是,福島核電廠的反應器並未爆炸。雖然上半部的建築因為累積的氫氣而炸毀,但是反應器本身並未遭到海嘯破壞,最後成功停止運轉並且安然地度過了幾個小時。即使連鎖反應已經停止,但反應器的核心仍有放射性物質足以產生危險的高熱,起初冷卻泵成功阻擋事態失控。最現代化的反應器並不需要這些冷卻泵,而是使用自然對流來維持冷卻水的循環。但是福島的反應器並不是最新型的反應器,必須借由輔助的動力系統來維持冷卻泵的運轉。這套系統在地震與海嘯的考驗下仍然正常地運作,並順利冷卻了反應器。

當然,這套輔助冷卻系統無法永遠運轉下去,根據設計大約可持續運作8小時,在正常的情況下,這段期間內動力應該已經恢復。然而當初的設計並未預料到海嘯會對基礎設施造成如此巨大的破壞。最後緊急動力耗盡,造成大部分的燃料棒因為過熱而熔毀。 就技術上而言,應該把福島核災稱為一次跳電事故,因為這座電廠是因為失去電力而毀壞。熔毀的燃料棒造成大量可怕的輻射外洩,程度超過1979年美國的三哩島核子反應器事故。事實上,福島核災外洩的大量輻射僅次於1986年的車諾比核災,是史上第二嚴重的核子事故。

底線:我們應該怎麼做

海嘯很可怕,超過1萬5000人在滔天巨浪下喪生。海嘯還讓一座核子反應爐嚴重熔毀,為周邊地區帶來癌症和其他的後果,包括撤離未經海嘯侵襲的區域。反應器損毀帶來的經濟後果很嚴重。就死亡和撤離而言,對居民造成的影響也很巨大。從輻射外洩而罹癌致死人數很可能少於100人來看,同樣都是悲劇,但與海嘯所造成的死亡相比,這個數字是如此之小,實在不該當成決定政策時的中心考量。

福島的反應器當初並非設計來承受規模9.0的地震和50英呎的海嘯。周圍的土地遭到汙染,必須要花上許多年才能回復。但要注意的是,核能造成的損害比起地震與海嘯還算輕微。位於日本(以及美國)的核子反應器應該要強化備用系統,以確保這樣的事故不會 再發生。我們當然應該從悲劇中汲取教訓,但應該把福島核災作為停用核能的理由嗎?

沒有什麼是絕對安全的。設計核子反應器時,我們得要考量所有可想像得到的天災人禍嗎?比如說小行星或彗星的撞擊?或是大規模的核子戰爭?當然不可能。因為小行星或戰爭所造成的傷害, 遠超過核電廠受損時的輻射外洩。

福島的輻射外洩會得到世界上那麼多關注相當不尋常,尤其是考慮到海嘯造成的直接死亡人數和破壞是輻射外洩100倍以上。或許人們把焦點放在反應器的熔毀上,因為這個問題是人力可解決的;相對而言,似乎沒有一種方法可以讓日本免於50英呎海嘯的侵襲。 難道要規定離海岸20英里之內都不可居住嗎?或是沿著包含東京灣在內的整個日本東海岸,建一道高達50英呎的堤防?

kk0371309下面是我對如何擬定核電廠安全標準的建議:核電廠必須足夠堅固,才能在被破壞或損毀時,讓輻射外洩所造成的額外傷害遠小於使核電廠受損的災害本身。如果你有額外的預算,請花在防範根本的災害上,而不是二次災害上。 除此之外,在考慮輻射傷害時,應該以丹佛輻射量為標準。在計畫或是進行災害應變時,忽略任何低於丹佛居民每年接受的額外輻射量:0.3侖目=3毫西弗。國際放射防護協會規定的撤離量至少應該提高到這個標準,而且要承認即使是12倍丹佛輻射量所造成的傷害,都遠低於撤離或其他過度反應所造成的傷害。

以這個標準來看,福島核電廠在設計上並沒有問題。當然,我們還可以把新的反應器建得更安全,但至少福島通過了這個標準的檢驗。福島反應爐的熔毀所造成的最大悲劇是,在我寫這本書的時候(2012年初),日本正在逐一關閉核電廠。這個政策遭遇的困難和對經濟帶來的損傷極為巨大,遠超過核電廠本身可能造成的危險。 或許針對核電的抗議行動有助於將人們的注意力從日本真正的危機移開,這個危機就是他們無力避免另一個巨大的地震和海嘯的威脅。

 

摘自PanSci 2014四月選書《寫給未來總統的能源課》,由漫遊者文化出版。

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不只地震,更肩負了火山、海嘯測報的使命!推開地震中心大門後的甘苦與祕密
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/08/15 ・5154字 ・閱讀時間約 10 分鐘

國小高年級科普文,素養閱讀就從今天就開始!!

本文由 交通部氣象局 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

經過中學地科課程的薰陶,大部分的人都知道臺灣位於環太平洋地震帶上,是菲律賓海板塊與歐亞板塊的碰撞交界處,因此地震非常、非常地頻繁。

然而,這個頻繁到底是多頻繁呢?

據統計,臺灣每年偵測到的地震平均達 3 萬多次,每天平均約發生 100 多次地震,約 2 天多出現 1 次規模 4.0 ~ 5.0 的地震,規模 5.0 至 6.0 的週期大約是 2 個星期左右,每年平均出現 3 次規模 6.0 以上的地震。

每一秒 180 天,帶你看見臺灣的地震活動頻率有多麼驚人!圖/中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統

影片說明:

每一天都有這麼多地震在這塊島嶼底下悄然發動,什麼時候又會有如 921 般的大地震突然重創臺灣?

為了更了解這塊土地和潛在的危機,中央氣象局地震測報中心(以下簡稱地震中心)一肩擔起監測臺灣地震的重任,不斷提升地震測報的效能,努力降低未來可能的地震災害。

1989 年 7 月 1 日,中央氣象局將原有之地球物理科,升格為地震測報中心。圖/中央氣象局

33 年內,進化了 5 次的「強地動觀測」計畫

自日本政府在臺北測候所設置了臺灣史上第一座地震儀至今,已經有 125 年的歷史了。這麼多年來,臺灣的地震儀和地震觀測網,有了哪些翻天覆地的變化呢?

1897 年 12 月 19 日,臺北測候所設置了全臺第一座地震儀:​格雷.米爾恩式(Gray Milne)地震儀,開啟了臺灣地震觀測科學化的偉大時代。圖/中央氣象局臺灣地區地震儀沿革網

國民政府接手臺灣後,改由中央氣象局負責臺灣的地球科學相關測報業務,並在 1989 年成立了「地震測報中心」,擴大編制,走上地震觀測現代化之路。

自成立至今,地震中心投入了巨大的資源和心力在「加強地震測報建立地震觀測網計畫」和「強地動觀測」的長程計畫中,其中強地動觀測每 6 年一期,致力於建置地震觀測資料的蒐集與應用,目前已完成共 5 期的計畫。

經過地震中心 33 年來的努力,從都會區到山區、從陸地到海上、從地表到井下、從 16 位元到 24 位元,地震測站的儀器越來越好,也漸漸拓展至臺灣各個地方。

截至 2022 年 7 月為止,包含中央氣象局地震觀測網(CWBSN)和臺灣強地動觀測網(TSMIP)在內,全臺已經建置了超過 700 個地震測站,是全世界測站密度最高的地震觀測網,平均不到 10 公里就有 1 個地震站!

小小的臺灣、全世界密度最高的地震站!圖/中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統-測站介紹

蒐集了震波資料,然後呢?

除了監測地震活動之外,這些測站蒐集到的強震資料,不僅可以成為學術研究的養分,讓地震學家更了解這塊土地下的構造和祕密,在民生防災上,更有著極為關鍵的貢獻!

「地震」,是臺灣人自出生以來就與之共存,甚至習以為常的自然災害。不過,地震到底有多可怕?

對於成年人們來說,傷痛與恐懼可能會被逐漸淡忘,而對於那些沒有經歷過 921 集集大地震、1999 年以後出生的孩子們,更是毫無具體的想像和實際感受。

臺灣史上傷亡最慘重的1935年新竹-臺中(關刀山附近)地震,帶走了約 3000 人的生命;2018 年 2 月的花蓮地震,震毀了 4 棟大樓;日本 311 大地震和海嘯,奪去了 1.5 萬條生魂;震撼半個亞洲的中國汶川大地震,有將近 7 萬人罹難,受災人口高達 4600 萬多人。

1935年新竹-臺中地震不僅震毀了魚藤坪橋(後改名為龍騰斷橋),也是臺灣目前史上傷亡最慘重的地震。圖/報地震 – 中央氣象局 FB 粉專

因此,對於地震中心來說,如何「應用」這些地震資料,發展出更先進的預警系統,協助制定建築物耐震設計規範,以及配合其他政府單位規劃救災計畫,更是中心業務的一大重點。

30 秒→10秒→5秒!越來越強大的強震即時警報

「建置強震速報系統」是強地動觀測第 2 期計畫的主要目標,致力於提升地震測報的計算能力、縮短向其他單位通報的時間。

在 921 地震期間,雖然當時的地震速報系統只是雛形,卻成功在地震後 102 秒對外發布地震報告,這樣的速度,備受國際重視與肯定。

到了第 3 期計畫,「強震即時警報系統」已經可以在 30 秒內自動推估出初步的地震規模與震央位置,搶在破壞性地震波(S波、表面波)抵達前,將地震的訊息傳達給防災、救災相關單位。

除了大家最熟悉的、會讓手機響起震耳欲聾警報聲的災防告警系統(PWS)外,地震中心也和各防救災單位、公共設施、各級學校以及電視臺合作,一旦強震即時警報偵測到符合條件的地震,就會馬上傳遞地震消息,讓各單位進行緊急應變。

時至 2020 年 4 月,隨著地震觀測網的擴大和更新,以及不斷進步的通訊技術,地震中心已經可以在地震後約 10 秒內發出地震預警訊息,為國人爭取更多避難的黃金時間。

下一步,地震中心將投入前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,除了持續擴建井下地震觀測網、發客製化地震預警系統作業模組之外,也預計在 4 年內,讓都會區可以在 7 秒內收到地震預警。

在更久遠的未來,地震中心期許可以順利的應用 AI 技術,建置新一代的地震預警作業系統,進一步將發布時間縮短到 5 秒以內!

地震前兆:有辦法抓住強震前的蛛絲馬跡,然後「預測」嗎?

由於地震是在板塊彼此的作用之下,岩層不斷累積應變能量後斷裂錯動而成,不斷累積能量的同時,地底的岩石有可能會產生許多微小的裂隙和變形,並間接影響其他環境參數,改變地下水位、地球磁場、大地電場的數據。

以 921 大地震為例,在車籠埔斷層附近,地球科學家就曾經觀察到地下水水位出現了「同震」的變化!

地球科學家推測,有可能是當地的岩層受到應力的影響後,產生了許多微小的裂隙,因此改變了岩層的孔隙率、滲透率,進而產生地下水位的變化。

如果每一次大地震之前,地球科學家都可以掌握到這些細微的現象,就有可能發展出成熟的地震前兆研究和技術,甚至走上「地震預測」之路。

因此,地震中心除了建置地震站的觀測網之外,也大力推動地震前兆的研究,自 921 大地震後開始設置「臺灣地球物理觀測網」(TGNS):

圖說:地球物理測站的外觀。圖/中央氣象局地震測報中心提供
  • 「全球導航衛星系統」(GNSS)可以進行大地測量,建立臺灣大地變形的資料庫,藉此監測斷層、火山活動,以及地層下陷或滑動等現象。
  • 「地下水」測站能夠連續記錄大氣壓力、雨量與地下水位的相關性。
  • 「地球磁場」測站用以監測地球磁場擾動的現象。
  • 「大地電場」測站可以蒐集大地電場的觀測資料,並推估與大地震之間的關係。
地球物理觀測網分布圖,包含了 163 個 GNSS、6個地下水位、12個地球磁場以及 20 個大地電場觀測站。圖/中央氣象局臺灣地震與地球物理資料管理系統

可惜的是,雖然地球物理的資料和分析已經逐漸制度化,但在地震前兆的研究上,成功案例仍然遠遠不足!

不僅是臺灣在地震前兆上遭受挫折,其他國家在這個領域的研究也長路漫漫。地球科學家還沒有辦法歸納出地震前的行為並取得共識,更別說是地震預測這個更遙遠的夢想了。

幸好,現有的難關無法阻擋地球科學家的好奇心,中央氣象局地震中心也持續投注心力在地震前兆研究中,期許未來有破解祕密的一天!

起死回生的火山、仍然未知的海嘯威脅,地震中心也緊盯不放!

根據噴發紀錄和火山地震波等證據,在中央研究院林正洪研究員的努力下,中研院於 2016 年提出大屯火山群岩漿庫存在的證據,同時也在龜山島附近發現同樣的現象。

隨著地球科學家不斷提出新的證據,經濟部中央地質調查所蒐集相關的研究成果後,在 2019 年 9 月 24 日召開了「火山活動專家諮詢會議」。在各方學者的討論下,讓大屯火山群「起死回生」,將原本公認是死火山的大屯火山群和龜山島,重新被認定為「活火山」。

面對這個反轉,全臺如臨大敵,畢竟人口眾多的天母、北投與士林就在大屯火山群的山腳下,不但核電廠鄰近,總統府和 101 大樓也都距離它不到 20 公里!

大屯火山監測網分布圖,以及核電廠、總統府和臺北 101 等重要地標之相對位置(黑色三角形為地表的地震站,紅色三角形為井下地震站,YM01 到 YM12 測站由大屯火山觀測站維護)。圖/中央氣象局地震測報中心三十周年專刊

我們對這些火山的了解和掌控,又到了哪一步呢?

藉由氣體、溫度、地表變形和地震波等資料,地球科學家可以判斷出大屯火山是否瀕臨爆發的狀態,而早在 2011 年,內政部與國家科學及技術委員會成立大屯火山觀測站 (TVO),並整合中央地質調查所、中央氣象局、中央研究院及國內各大學分析研究成果,建立多項火山監測系統及平台,同步監測大屯火山活動並進行研究。

除了來自大屯火山觀測站的 10 個地震站之外,也包含氣象局設置在北部的地震站,藉此協助研究人員獲得幾乎即時的火山地震資訊。

大屯火山地區的即時地動訊號,紅色矩形為地震訊號。圖/中央氣象局地震測報中心三十周年專刊

當前我國政府已在 2018 年5 月 25 日正式將火山災害列管於「災害防救法」,隔年中央氣象局也制定了火山活動等級與預警發布機制,後於 2020 年 9 月 14 日公布「火山噴發訊息發布作業要點」,一旦大屯火山有任何不對勁,就會立即啟動火山預警發布機制!

氣象局將「火山活動等級」分為 3 級,適情況召開火山專家諮詢小組會議和發布通報。圖/交通部中央氣象局火山噴發訊息發布作業要點

除了來自大屯火山的威脅外,地震中心也負責海嘯的監測和警報發布,並在短短的幾分鐘內,就能解算出海嘯的抵達時間、預估浪高。

倘若太平洋海嘯警報中心(PTWC)預估海嘯可能在 3 小時內到達臺灣,或是臺灣近海發生規模 7 以上、震源深度小於 35 公里的地震時,地震中心即會發布海嘯警報,籲請沿岸居民因應海嘯侵襲。

臺灣的地震防災教育,地震中心也當仁不讓!

除了地震、火山和海嘯測報等核心業務之外,地震中心也致力於地震和防災教育,提供無數科普資源,讓社會大眾學習和運用。

在網路上,有中央氣象局建置的「中央氣象局數位科普網」、回答你關於地震大大小小疑惑的「地震百問」、地震中心官方 Facebook 粉絲專頁「報地震-中央氣象局」等等,各式各樣的線上科普內容。

在實體場域,中央氣象局也設置了幾個展示空間:中央氣象局本部、臺灣南區氣象中心、田中氣象站、竹子湖氣象站-火山監測教育展示室等地(目前因疫情暫停開放),讓有興趣的民眾或學校機關,都可以實際前往觀摩,親眼見證地球科學家和氣象局人員的工作場域和聆聽解說。

畢竟,若想達成真正意義上的「防災」,單單只是完善測報工作、防災工程與避難措施並不足夠。更重要的是,必須讓所有臺灣人都有正確的防災觀念,才能有效提升整體社會的抗災能力。

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每年有一千萬公頃的森林消失!把樹種回去,就可以解決問題了嗎?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/19 ・1997字 ・閱讀時間約 4 分鐘

碳捕捉:把電廠排出來的二氧化碳再抓回去!

一九九〇年代,尚未開發出風能和太陽能,當時對氣候變遷的擔憂日益增加,因此有人建議捕捉和儲存那些從化石燃料發電廠排放出來的二氧化碳,如此就可將其轉變成一種低碳電力。

碳捕捉主要是透過化學反應將煙道氣(flue gas)中的二氧化碳分離出來,然後再將其壓縮液化,泵入地下洞穴,例如含水層或是廢棄的油氣田。

同時要針對傳統的發電機開收排放二氧化碳的費用。這將鼓勵電廠採用碳捕捉技術,不過前提是碳價要夠高,超過捕捉和封存二氧化碳的成本。

然而,即使在龐大的歐盟市場,碳的價格也從未高到足以讓碳捕捉在電力生產中具有競爭力,而且真正在運作的碳捕捉工廠很少。

碳捕捉將煙道氣(flue gas)中的二氧化碳分離出來,然後再加工處理。圖/Envato

即使如此,捕捉二氧化碳排放依舊可望成為一種脫碳方法,在未來某些產能製程中合乎成本效益。一個例子是將天然氣轉化為氫氣,這還能用於加熱和製造燃料電池,或用於生產水泥以及甲醇和氨等重要工業化學品。

碳捕捉的各種可行性:直接從空氣抓?多種一點樹?

也有人認真思考過直接從空氣中捕捉二氧化碳的可行性,因為目前我們所面對的現實非常危險,即二氧化碳排放量下降的速度恐怕來不及讓上升溫度控制在攝氏 1.5 度內。

種植更多的樹木可能是最簡單也最便宜的方法,但首先必須遏止每年大量的伐林問題。

每年約有一千萬公頃的森林遭到砍伐,用於種植大豆、棕櫚油和其他作物,以及放牧牲畜。這樣的伐林導致全球每年約 10% 的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。

目前二氧化碳排放量下降的速度沒辦法使上升的溫度控制在 1.5°C 內,再加上樹木被大量的砍伐,導致全球每年約 10% 的二氧化碳排放量和生物多樣性的重大損失。圖/Envato

此外,封存大量二氧化碳所需的樹林面積也相當大──約要美國國土面積的四分之一,需要超過六年,甚至幾十年的時間才能讓樹木長到成熟,每年只能吸收平均全球燃燒化石燃料的 10% 排放量。

而在成長期過後,還需要更換樹木,因為在建築中也會使用到木材。有人建議,可以燃燒林業的廢棄物來產生能量(熱或電),並捕捉和封存排放出來的二氧化碳。

這種生質能源的碳捕捉尚有爭議,必須要確保改變土地利用的這項變動最後的結果是產生淨負排放,而不是增加碳的排放量。此外,這種方法尚在開發中,可能會與其他對可耕地和淡水的需求產生競爭關係。

多種樹,真的可以救地球嗎?事情可沒有我們想的那麼簡單!圖/Pixabay

不過,可以使用化學吸收器直接從空氣中捕捉二氧化碳,這種方法比生質能源更緻密、更可靠, 只是目前的價格較為昂貴。

奧利金能源公司(Origen Power)正在開發將碳捕捉與具有商業價值的石灰生產相結合,這樣的製程可望降低成本。

吸碳新創公司「Carbon Engineering」也在開發另一種方法,是使用與二氧化碳接觸會形成碳酸鈣的氫氧化鉀。整個過程以石灰來合成氫氧化鉀,形成碳酸鈣,然後將其加熱,釋放出二氧化碳,進行壓縮和封存──這時便會再度合成石灰。他們預估,以這種方式捕捉二氧化碳的成本可望降低至每噸 100 美元。

碳捕捉的展望與未來

為了增加產值,可以將捕捉來的二氧化碳與氫結合(比方說以再生電力來電解水,製造出氫氣),這可用來合成低碳燃料,取代汽油、柴油或航空燃料,這樣一來,其總排放量會遠低於某些生質燃料。

若是要捕捉和封存燃煤發電廠排放的二氧化碳,電力成本會增加約 60%,而使用再生能源來發電,成本則低得多。

然而,隨著空氣碳捕捉的研發和大量投資,再加上在某些工業製程中捕捉二氧化碳,以及重新造林,預估到二〇五〇年時,碳捕捉可能會吸收掉全球年排放量的 10%。

到二〇五〇年,再生能源和核能的總發電量可能接近當前全球需求量的 90%,透過碳捕捉,全世界可能會達到二氧化碳淨零排放。但要處理大量再生電力,電網在輸送和分配上需要適應風場和太陽光電場輸出量的種種變數,因此發展儲能設備非常重要。

——本文摘自《牛津通識課|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。

日出出版
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發電量增加 25 倍卻還是不夠用!再生能源是人類未來的救星嗎?──《牛津通識課|再生能源:尋找未來新動能》
日出出版
・2022/07/18 ・1730字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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)。

在 2017 年的全球能源使用比例中,煤炭、石油和天然氣等化石燃料占了大約 80 %左右。圖/ Pixabay

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。

2017 年的能源消耗總量,顯示出不同能源的百分占比。圖/BP Statistical Review of World Energy, 2018; World Energy Council, Bioenergy, 2016

大約有 1/3 的全球能源消耗在將化石燃料轉化為電力精煉燃料上。

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。

火力發電沒辦法 100% 轉換熱能變成電能,約有 60% 的損失。圖/envato

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。

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