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生質能發電能不能取代核能?

生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
・2014/05/21 ・1657字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 541 ・八年級

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自己的電力自己發-巴西推行發電減刑

核四續建與否是台灣近日爭議不斷的重要議題之一(公民好忙…)。在過程中,最常被討論的其中一個問題便是如果不蓋核四,是否有其他發電方式可以取代核四(或是核能)。聽到這個問題,生質能源趨勢自然是義不容辭,立刻便來試算台灣的生質能源能夠提供多少電量。

首先,我們必須了解所謂的生質能發電,並不是像玉米酒精或是痲瘋樹生質柴油一樣,栽種特定的能源作物再拿去發電。畢竟植物光合作用的效率比不過太陽能發電,能源作物的特點在於能夠生產能量密度較高的液態能源(酒精、柴油等等)。而生質能發電的原料通常是使用生活中的有機廢棄物例如廚餘、都市廢水污泥、農業廢棄物、養殖廢水等等,經由燃燒或是發酵的方式產生電力。因此生質能發電除了產生電力之外,還附帶了處理廢棄物的好處。瑞典的城市克里斯提安思塔便是充分利用了生質能,使得整座城市使用的化石燃料減半,住家和公司冬天開暖氣再也不須要使用天然氣或是煤炭,多餘的沼氣還可以作為汽車燃料使用。

台灣目前生質能發電主要來源為遍佈全台的24座焚化發電廠。政府於2008年開始評估規劃 ”垃圾焚化爐轉型生質能源中心” 政策,計畫將現有的垃圾焚化爐升級,結合新科技成為能處理更多種生物質的地區性生質能源中心。另外,生質能源趨勢之前介紹過的沼氣發電也在生質能發電量裡佔了一些比例。

現在讓我們來看看目前生質能源在台灣的發電比例:percentage

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上圖為2012年能源局的台灣發電量統計資料,如圖中所示,目前火力與核能合計共佔了94.5%的發電量,而生質能發電在2012年僅提供了0.12 %發電量。這樣看來,台灣目前生質能的發電量還不能夠頂替停用核能的電力缺口。那麼下一個問題便是若我們全力發展生質能發電,能夠產生多少電力?

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上表修改自行政院環保署垃圾焚化爐轉型生質能源中心可行性評估工作計劃。表中顯示台灣2008年生質能源的潛勢為118.94億度。考量到目前台灣焚化爐的發電效率大約為20%,我們可以估計全台生物質發電一年約可產生24億度電,這在全台發電量中僅能提供約1%的發電量。因此綜合上述圖表,我們可以得到的結論為目前依靠生質能發電沒有辦法取代核能發電。若真的要達到非核家園這個目標,需要同時發展各種再生能源,促進節能科技並且規劃產業轉型,而這些行動除了政府必須帶頭規劃之外,也需要全體民眾的配合。

儘管1%的發電量聽起來不多,依台灣平均每戶每年用電4000度來計算,生質能發電已可提供六十萬戶一整年的用電量,對電網較不穩定或是偏遠的地區來說,這類分散式的發電系統是相當值得投資的科技。而且1%的發電量僅是依照舊式焚化爐的效率來估算。若採用新型焚化爐,發電效率提升至30-50%的結果並不罕見。當然,生質能發電並不是沒有受到批評,例如雲林虎尾再生能發電廠使用週遭稻稈作為燃料卻遭到居民抗議,便是發電廠附近民眾對廢氣及二氧化碳的排放量有所疑慮。除了加強廢氣的處理之外,生質能源趨勢以前介紹過的郎澤科技能將二氧化碳透過微生物轉化為燃料也是一項增加能源減少汙染的生質能源技術。

總而言之,追求安全、穩定、便宜的能源是人類終極的目標。然而魚與熊掌不可兼得,我們必須捫心自問,評估能接受的風險與願意付出的價格。再透過交流對談的方式,討論出絕大多數人能接受的方案,這才是民主社會該有的處事態度。

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生質能源趨勢 BioEnergy Today_96
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三個大學同學在畢業後各自步上不同的旅程,卻對於生質能源有著相同的興趣與期待,因此希望藉由寫作整理所知所學,並與全世界分享與討論。

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最安全的核電廠?小型核電廠 SMR 用發電量換安全性,遇到停電也不怕?
PanSci_96
・2023/06/03 ・2582字 ・閱讀時間約 5 分鐘

隨著核電廠陸續退役,台灣也逐漸邁向零核家園,郭台銘突然提出的「一縣市一核電」把核能議題的熱度重新炒到高峰。

雖然看似激進,但有人認為如果是郭董提到的「小型核電廠 SMR」的話,或許就有可能。這個 SMR 到底是什麼?它安全嗎?再者,它真的是核電的未來嗎?

實際上已經有人成功運行小型核電廠,並且已經併網發電了,他們是怎麼做到的?

小型核電廠是什麼?

台灣現在僅存,還在運作的核電廠就是核三廠,核三有兩部機組,每個機組的發電量大約為 950MW。

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小型核電廠正式的名稱是「小型模組化反應爐」SMR(Small Modular Reactor),發電量通常在 20~300 MW,比一般核電廠小上許多。還有甚至更小,發電量 1~20 MW 的 MMR(Micro Modular Reactor)的反應爐。

奇怪,發電量怎麼越發展越小了呢?這樣不就得要蓋更多核電廠?

小型核電廠的特點就是小發電量,因為這能創造三個優點:安全、造價便宜、易組裝。

核能那麼危險,為什麼還要用?

這三個優點實際上就是現在核電發展的最大瓶頸。核能發電也已經有 60 年歷史了,但至今全世界的發電量中,核電也只佔大約 10%。最大的問題不外乎就是安全性、造價昂貴和建造時間久。

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就算撇除安全性,漫長的建設時間與昂貴的發電成本,是讓許多電力公司卻步的原因之一。根據能源研究公司 BNEF(彭博新能源財經)的調查,從 2009 年到 2021 年,12 年間核能的建設成本增加了 36%;加上核電廠動輒 5~10 年的建設時間,就算核能是屬於低碳排的發電方式,大家也都更傾向選擇發展成熟的再生能源。

核能有一個最大的優點,那就是穩定持續發電。太陽能與風力這些再生能源容易隨天氣與時間影響發電量,反之核能屬於基載電力,本來就與風力、太陽能定位不同。

太陽能與風力等再生能源易隨天氣與時間影響發電。圖/Envato Elements

小型核電廠如何克服安全性?

要好要快也要便宜,除了穩定與低碳,還想要兼顧安全跟造價低的核電,小型核電廠真的是那個完美的選擇嗎?

小型核電廠 SMR 主打的特點就是一個字,小!只要夠小、功率降低,反應爐就不會一口氣釋放太多的熱,甚至能免除外部冷卻設備,靠自然循環降溫。

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福島核電廠發生意外的主因就是海嘯破壞了核電廠中做為緊急電源設備的發電機與電池,導致冷卻系統失效,最後反應爐內的溫度無法抑制、不斷竄高,將水分解成了易燃的氫氣,產生爆炸。

如果 SMR 的反應爐可以撇除對外部冷卻系統的依賴,靠自己就能降溫,就能最大程度避免發生爆炸以及爐心熔毀的事故。

我們以目前 SMR 發展最成熟的美國公司 NuScale 為例,在他們發展的 60MW 反應爐中,含有 37 個燃料束,整個反應爐高約 17.8 公尺,直徑約 3 公尺。這個大小甚至可以在工廠製造,透過貨車或火車運送至預定地再快速組裝起來,大幅減少建造的時間與成本。

NuScale 把水循環系統都包在了反應爐,一次冷卻劑藉由熱對流上下循環,完全不需要幫浦,減少停電時產生的風險,一次冷卻劑的熱則會傳給二次冷卻劑,讓二次冷卻劑變為蒸氣推動渦輪發電。

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如果真的遇上斷電事故,反應爐也有緊急冷卻系統,直接將整個反應爐泡在大水槽中;根據計算,水會在 30 天後完全蒸發,而此時的反應爐功率已經降低為原本的 4% 以下,只要靠空氣循環就能穩定溫度。

福島第一核電廠事故主因是由於海嘯破壞了做為緊急電源設備的發電機與電池。圖/維基百科

中國的小型核電廠是怎麼做到的?

而現在,在中國已經有第一座陸上 SMR 併到電網了!2021 年年底,中國山東省「石島灣高溫氣冷堆核電站示範工程」正式併網發電,發電功率 200MW,雖然發電廠的總體積不小,但以它的發電功率及主打安全的設計,是實實在在的一座 SMR。

所謂的「高溫氣冷堆」,指的是流經燃料棒,充當冷卻劑與熱交換的材料,所使用氣體如:氦氣。與壓水式反應爐用水作為冷卻劑的最大差別在於不僅熱轉換效率更好,也不用擔心水因高溫氣化而有爆炸風險,故可承受更高的反應溫度。

比起傳統反應爐,高溫氣冷堆可以用更少的鈾 -235 進行反應,也就是能在燃料棒中有更多的鈾 -238 可以在溫度飆高時吸收掉多餘中子,加上高溫氣冷堆本身就能承受高溫的特性,如果真的遇到失去電力的情況,整個反應堆的溫度,也會穩定在 1600℃ 上下。

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除此之外,石島灣核電廠的設計十分有趣,是球狀反應爐。在如同沙漏般的大反應爐中,燃料棒被做成了一顆顆直徑約 6.7 公分的燃料球,兩萬七千顆燃料球像沙漏中的沙子一般填充在反應爐內。

鈾燃料會被包裹在球狀構造的中心,外頭則是作為中子減速劑的石磨;作為冷卻劑的高溫氦氣會從球的中間通過帶走熱量,燃料球可從下方取出,並從上方填充。

不過,高溫氣冷堆能否成功,還需要許多時間觀察,例如石磨包裹的燃料球是否容易摩擦造成破裂,都是需要進一步注意的。

燃料棒被做成直徑約 6.7 公分的燃料球。圖/PanSci YouTube

小型核電廠的未來?

除了中國外,各國也都在發展不同形式的 SMR,甚至有人在發展功率 20MW 以下的微型核子反應爐 MMR。例如美國愛達荷國家實驗室正在建造的 MARVEL 反應爐,以及核能公司 Radiant,它們正在打造貨櫃大小、可以隨拉隨走的 MMR,希望能取代社區停電時使用的高污染柴油緊急發電機。

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不論是小型還是微型核電廠,除了技術還有待發展,成本是否能壓低,也是個重要指標。當然,還有另一個大魔王,就是核廢料問題,還等著被解決。

根據研究推算,NuClear 各種機型每單位能量產生的核廢料可能會是傳統核電廠的 5.5~30 倍不等,球狀反應堆的體積因為球狀包裹物的設計,核廢料的體積也是明顯可見的變大,而這些核廢料的處置問題也是全球都在面對的問題。

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要利用光能還是熱能?小孩子才做選擇,我全都要!——全光譜太陽綠能永續系統
研之有物│中央研究院_96
・2023/04/22 ・6471字 ・閱讀時間約 13 分鐘

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。

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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。

矽晶太陽能電池裝置昂貴、笨重且無法移動,需要定期清洗,否則當灰塵逐漸堆積,發電效率也會一點一點地下降。圖/iStock

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。

朱治偉手持鈣鈦礦太陽能電池,單片面板就包含許多個元件,其中一小塊就是一個發電單元,端看目標電流與電壓來決定諸多電池要串聯或並聯。圖/研之有物

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%。

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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。

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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。

單晶矽的製程需要耗費大量的能源和水,而且單晶矽對於缺陷的容忍度很低,為了不影響太陽能電池發電效率,結晶純度要求到 99.9999% 以上。圖/Wikimedia Commons

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。

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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。

鈣鈦礦材料是一種離子材料,結構通式為 ABX3,A 和 X 的位置會分別放入陽離子和陰離子,B 的位置通常會放鉛離子。離子材料在有水氣的環境中容易降解。圖/研之有物

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%。

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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。

全光譜太陽綠能永續系統示意圖。圖/研之有物(資料來源/朱治偉)

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。

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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。

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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。

圖中機器為吸附式致冷系統。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。圖/研之有物

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。

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(4.69 噸)的 2.52 倍,名列第 22 名,人均排放量高於日本(8.56 噸)、德國(8.08 噸)、新加坡(5.47 噸)與法國(4.74 噸)。圖/Our World in Data

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。

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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臺灣發展地熱發電到底可不可行?(下)
PanSci_96
・2023/02/04 ・4004字 ・閱讀時間約 8 分鐘

比爾蓋茲(Bill Gates)創立的「突破能源風險投資基金」(BEV)所投資的其中一家,是瑞典新能源開發公司「倍速羅得(Baseload Capital)」,這家公司在 2019 年選了台灣花蓮的紅葉村,作為亞洲地熱開發地點之一,顯示台灣在地熱發電的潛力。

不過你知道嗎?其實早在 1981 年台灣地熱發電就曾經領先國際,當時在宜蘭清水設置的地熱發電廠,是全世界第 14 個進行地熱發電的國家,但後來到 1993 年就關廠不用了,到 2021 年才重新再次運轉,為什麼呢? 這次我們來聊聊臺灣在地熱發電上已經做了哪些開發?又有哪些實際的困難和需要突破的地方。

發展地熱發電的成本和考量

地熱開發就像談戀愛,不能在 App 上聊得愉快就直接把身家都交給陌生的他,還是得面對面深入交往才知道這人到底存不存在,值不值得真心託付,能不能長長久久。地熱能開發本身,也是件高度不確定的事,以探勘地熱來說好了,即使有科學研究資料輔助,最終還是要認真挖探勘井到一定深度,才有辦法判斷到底能否作為發電之用,無法保證一定有成果。

再說,就算確定有好的熱源,若要開發臺灣地底深處的熱能,就必須挖掘深的地熱井,也就意味著要付出高昂的成本。一般而言,鑽井成本少說占了整個地熱發電計畫的 30% 到 50%,甚至是更高。根據美國康乃爾大學(Cornell University)的研究團隊於 2013 年發表的估計,地熱井深度和鑽井成本的關係,大致可以用這張圖來表示。隨著深度增加,鑽井費用亦大幅上升。

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地熱井深度和鑽井成本的關係。 圖/參考資料 1

而且,每個計畫會開發的地熱井,絕對不只一口,以宜蘭的利澤地熱電廠來說,就預計會有 11 口 6 公里深的井,所需費用的龐大可想而知。

同時,鑽井會遇到許多不同的困難。看過電影世界末日都知道,如果岩盤堅硬又粗糙,那麼不但鑽井的進度會變得緩慢,鑽頭也會磨損得特別快。另外像是卡鑽、穩定鑽頭的泥漿流失等等,都是必須面對的挑戰。

另一方面,在開發地熱時,依地區而異,可能會遇到腐蝕性流體,如含氯離子或硫酸根的地下水,因此必須選用耐腐蝕的機具和管材,或是用化學方法中和;而當熱液從地底冒出到地表時,也可能伴隨硫化氫等有害氣體,要是聞到臭雞蛋的味道還可以跑,要是濃度高到讓人嗅覺疲乏可能小命就要難保。

此外,地下水中的雜質和礦物質,可能會隨時間經過附著在管壁上,導致發電效率下降,定時清理也是個麻煩的差事。

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隨著科技的進步,雖然這些麻煩在原則上都能夠處理,卻也是無法免除的成本,在規劃時就必須仔細考量因應措施。

說了這麼多,到底用地熱發出來的電貴不貴呢?發電成本會因地區、時間和技術的提升而異,不同單位做出來的評估也會不同。若我們比較近年來幾個不同組織評估的全球均化發電成本(Levelized cost of electricity),也就是電廠生命週期總成本除以生命週期總產生能源,大致可以看到這樣的結果,不同顏色代表著不同單位的評估。

全球均化發電成本(Levelized cost of electricity) 圖/wikipedia

以全球總體來說,目前地熱發電每發出百萬瓦小時電力的成本,跟太陽能和陸域風電相比稍微偏高,但跟其他能源相比倒也不至於比較貴。必須留意的是,這只代表近年的能源價格狀況,也跟電力公司發布的發電費用是完全不同概念,而且隨著未來地熱往深處探勘、或技術的成熟,成本還有可能提高或降低。

臺灣的地熱發電發展

事實上,臺灣在地熱發電曾經領先國際,1981 年就在宜蘭清水設置了地熱發電廠,是全球第 14 個進行地熱發電的國家。

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只不過,臺灣的地熱發電量從一開始的 828 萬度一路下滑,到 1995 年完全歸零,從 2017 年之後才又往上提升。這中間到底發生了什麼事呢?

一來,清水地熱電廠早期進行發電時,利用完的熱水並沒有回注地底,而是直接排掉,造成地下水耗損;二來,像我們前面說過的,地下水中的礦物質於地熱井管壁結垢;這兩大因素使得清水電廠的出水量銳減,僅過一年發電能力就大幅下降,最終導致 1993 年的關廠。

從此,臺灣的地熱發電沉寂好一段時日,直到 2013 年清水地熱電廠重新建置示範機組,進行運轉測試,2018 年開始發電,並於 2021 年底正式重新啟用,才宣告復活,目前也有擴大發電規模的計畫進行中。當然,這一次,在地下水回注跟結垢問題的處理上,都比之前更好。

除了清水地熱這個示範點,從 2018 年開始,也有台東知本溫泉業者利用既有溫泉資源進行發電,且併入台電電網,成為臺灣小規模地熱發電首例。

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宜蘭清水地熱河床。圖/地熱發電單一服務窗口

那麼,臺灣的地熱發電就此熱熱鬧鬧熱到家了嗎?倒也不是。我們可以從兩個面向,行政流程和開發誘因分別討論。

臺灣的地熱發電關卡:繁複的行政流程

長久以來,臺灣在地熱資源的開發一直缺乏適當的法規和配套流程。若要進行開發,必須依照《溫泉法》和《水利法》申請,但卻沒有任何一項是跟發電直接相關,法規細節也不符合地熱發電的特性。

此外,土地使用根據涉及的區域,仍須依《都市計畫法》、《區域計畫法》、《森林法》、《國家公園法》、《地質法》、《災害防救法》、《水土保持法》等規定辦理,不但要面對中央和地方政府許多不同單位,行政程序亦曠日廢時,相當不容易。

就像兩人交往之前,得先經過她爸、她媽、二舅、大嬸婆、還有指導教授跟前男友同意才行。以才剛重新啟用的清水地熱電廠來說,雖然施工只要一年多,跑行政流程卻花了四年。這樣冗長繁複的申設程序,無疑拖累了臺灣的地熱發電發展。

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有鑑於此,最近的「再生能源發展條例」修正草案,簡化了地熱發電申請的行政程序,也新增相關規範,並於 2022 年 12 月初在行政院通過,後續將送往立法院審議,值得我們關注後續的發展。

臺灣的地熱發電關卡:開發誘因不足

地熱發電要付諸實行,除了技術和法規必須到位之外,還必須有經濟效益,才可能成真。

我們可分別從計畫的探勘期、開發期、和營運期三個階段來說明。

首先,地熱發電計畫在探勘期風險極大,很有可能挖了探勘井,卻沒有好的熱源,回不了本。

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舉例來說,從 2017 年底開始,台電在綠島進行了兩口地熱試驗井的鑽探工程,最終卻發現溫度並不理想,而暫時將計畫擱置。

而在開發期,臺灣目前沒有保障地熱探勘者優先開發的權利,就算找到熱源,卻可能被其他業者搭便車,捷足先登開發,得不償失。相關法規後續要怎麼訂定,是值得討論的議題。

2018 年仁澤三號井。 圖/環境資訊中心

最後,營運期的收入,若無法彌補成本並獲利,就也不可能吸引廠商投入。為此,躉購費率,也就是再生能源保證收購制度的訂定就非常重要。

縱上所述,因為地熱計畫存在諸多風險,初期又需要龐大的經費,如果沒有政府支持,民間廠商非常不容易投入。

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目前來說,臺灣政府設有「地熱能發電系統示範獎勵辦法」,針對探勘給予補助;既有的地熱探勘初步資料在「地熱發電單一服務窗口」網站也都可查詢,並由經濟部中央地質調查所邀請國內 12 個與地科、地質相關校系,籌組「地熱探勘學研合作平台」,投入前期的地質調查,讓廠商有開發的參考依據。同時,地熱發電做為再生能源的一環,每年也會重新修訂躉購費率。

至於這些措施合不合宜、是否真能發揮效用,增加廠商投資意願,就有待我們觀察。

隨著再生能源越來越受到重視,全球的地熱發電於這十幾年內增加了許多。

雖然在總容量上,與其他主流能源還有不小差距,但因為技術的進步,地熱發電逐漸能夠擺脫地域的限制,更廣泛地被運用。

全球地熱熱點分布。圖/Energy Education

而台灣位處環太平洋火山帶,深具地熱發展潛力。可惜的是,即使是臺灣最容易開發、深度較淺的地熱能源,其潛能亦尚未完全發揮。經濟部原本設定 2025 年地熱發電目標要達 200MW,卻因為行政流程繁瑣和開發誘因不足等各種原因,導致開發進度緩慢,只能下修目標。

現在,台灣地熱累積的併網裝置容量約 5MW,雖然還有二十多個地熱計畫正在進行中,也有民間公司積極投入,宣布最快要在 2030 年累積建置達 200MW。但上述問題一日不解決,臺灣的地熱就難以真正施展拳腳。

如果我們希望臺灣的地熱發電能夠更蓬勃發展,那麼,相關法規的訂定和行政流程的簡化是一定要做的,接著要完善獎勵措施和補助機制,並設定合理的電價制度。在整個過程中,一些地熱發展良好的鄰近島嶼國家,如日本、菲律賓、印尼、紐西蘭的相關政策,也值得我們借鏡。另一方面,在土地的使用上,如何和在地民眾溝通與協商,也是重要的工作。

可以說,不需要燃料,極低碳排放,但是前期建置成本佔比高,營運費用相對低廉,是地熱發電的特色。儘管潛力巨大且有著諸多好處,但技術上的挑戰,和地理條件的限制也擺在那邊。

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PanSci_96
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