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從全家省到你家

PanSci_96
・2014/08/24 ・2736字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

Credit: SimonQ錫濛譙 via Flickr
Credit: SimonQ錫濛譙 via Flickr

便利超商是夏季最棒的避暑樂園,在烈陽下快被晒成人乾時,前方白綠相間的招牌就像沙漠中浮起的綠洲,讓你重新對生命燃起希望,奔向那發著聖光的小屋,悅耳的歡迎鈴聲隨著自動門響起,涼爽的氣體瞬間貫徹全身,深吸一口便通體舒暢,彷彿置身仙境,順便再來一支冰淇淋。這時你想,疑?在全民抗漲的時代,竟然還有人能恣意的開冷氣,難道真的誤闖異次元了?

全家超商之所以可以超大方開放空調,不是因為他們很凱,而是因為他們有偷偷節能的秘密武器--能源管理系統(energy management system, EMS)。這項由工研院研發的系統結合了即時電力量測,可以監控超商的運作規律,自動調控冷氣、冰箱、冷凍櫃等設施。若有間全家設在小學附近,放學時間進出店內的人數會明顯增加,EMS記下這個事件後,會在放學前自動將冷氣開強,等到人群散去再減弱空調,這樣一來可為全家省下大約4%的用電量,加上契約容量的調整,可以省下大約8%的電費。

為了讓電力量測資訊更加完整而即時,許多國家開始安裝智慧電表,也就是在用戶端裝設具備通訊功能的數位電表,使電力公司能夠掌握訊迅掌握用戶的用電細節。雖然智慧電表看似節能的法寶,其實它只是智慧電網整合資料的基礎。任職於工研院綠能所電能技術組,研究智慧電網與能源管理的梁佩芳組長表示,智慧電網不僅可以讓用戶適時省電、協助電力公司擬定合理的價格策略,也能促成再生能源的發展。

智慧電網聰明在哪?

2003年美國東北部無預警大停電,僅僅數小時的熄火就影響了5000萬人的作息,造成龐大的經濟、醫療損失[1]。導致508部發電機組供電中斷的原因之一,就是跟不上時代的電網。供電不同於供水,電網必須維持供需兩端的平衡才能穩定運作,當供需的差異過大時,電網中的設備會自動跳脫以保護設備自身或電力網的安全,當發電機組跳脫時,供應不足的問題就更加嚴重,使得其他發電機組相繼跳脫,如果缺乏即時的電網調控,停電範圍將如同推倒骨牌般的擴展,最終造成2003北美大停電的悲劇。

由於氣候與社會活動的變化,四季的用電自然不同,甚至一天之中也可能有大幅的變化。在台灣,炎熱的夏季就是一年中的用電高峰,尖峰時期北部地區的供電不足,經由輸電網路南電北送以補足供應量 [2],輸配電自動化的基礎建設已經賦予電網相當的智慧。然而,伴隨用電量的成長、綠色能源的大幅應用與供電裕度的限制,現有電網控制體系可能無法支撐更複雜的電力系統,因此需要更加聰明的智慧電網(smart grid)。智慧電網之所以聰明是因為整合了更周延的即時資訊、進行更有效率的決策,以及導入更好的控制設備或電網架構。梁佩芳組長說:「相較於既有電網,智慧電網通常有三個主要目標:整合更多再生能源、促成節能減碳,並且在日益複雜的電網中提升供電可靠度。」

Credit: Rolls-Royce Power Systems AG via Flickr
Credit: Rolls-Royce Power Systems AG via Flickr

靠天吃飯的再生能源

氣候變遷跟福島事件驅使各國更加重視再生能源,再生能源雖然是環保的綠色能源,但是可能產生「靠天吃飯」的風險,現階段應用最多的風力發電與太陽光電都是不可控的再生能源,即使是新竹風城也不可能全年無休的刮大風。台灣海峽是非常好的風場,但是一年的滿發時數仍然不到4000小時,相對於一年8670小時,所裝設的風力發電機有一半以上的時間是輸出較低,甚至無法運轉的;台灣南部的日照比北部充足,太陽光電系統每1kW每天平均發電量仍然不到4.5度,相當於平均每天日光直射4.5小時。

再生能源常有可運轉時數較低跟輸出不穩定的問題,當再生能源在電網中所占的比例愈來愈多時,恐怕難以避免傳統電廠出面救援,而再生能源輸出的快速變動也需要儲能系統作為緩衝。在智慧電網中,運用適當的感測器、天候資料以及演算邏輯,電力調度單位能夠預測再生能源的發電量與使用者的電力需求,即時調控傳統電廠進行適當的補償,甚至協調簽約的電力用戶調降電力使用量,以最低的成本維持電網穩定運作,才能大幅提高再生能源的應用比例。

達到供需平衡,戰勝用電高峰

節能減碳跟盡情享受冷氣像是魚與熊掌不可兼得,但比起加蓋電廠,削減夏季用電高峰更為可行。以價制量是各國普遍採用的手段,例如台電的夏月電價高於非夏月;而時間電價方案中,尖峰時段的電價又高於離峰時段,以促使用戶在尖峰時期節約用電。此外,工廠、企業等用電大戶若能配合台電需求而適時調降用電量,台電還有需量反應等價格優惠方案,鼓勵需求端動態配合供應端減少用電,避免毫無節制的啟用備援電廠或建設新電廠。為了提升電力系統的整體運作效率,使用者必須加強自身的用電管理,而電廠則需要掌握用戶的用電習慣以及其他影響負載的環境變化。

智慧電表系統是進行電力負載調控的基本工具,智慧電表記錄用戶每15分鐘的用電情況,使得電力公司能夠知道所有用戶的用電細節,一方面能夠評估用戶在不同時段的節能潛力;另一方面能夠更精確地進行配電管理與電力架構調整,以提高效率。用戶本身也可以由智慧電表檢視用電情形,評估節約用電或改變用電模式的可能性,搭配適當的電價方案,創造電力公司與用戶雙贏的局面。

Credit: Jonathan Potts via Flickr
Credit: Jonathan Potts via Flickr

電網升級,減碳可期

電網就像一座城市的心血管系統,不僅要保持流暢、穩定的電力輸配,更要有危機處理的彈性,才能維持城市生命。智慧電網的責任是維持電力供應的穩定度,這種聰明的電力供應網包含智慧化輸配電網路、先進的智慧電表以及與供應端互動的智慧用戶,這個架構能夠順利整合各類再生能源、儲能裝置、甚至電動車輛,並且具備良好的資訊安全機制與分析決策系統,以支持複雜的未來電力系統維持穩定運作。

終端能源的使用涵蓋多種形式,例如家庭中使用的瓦斯、車輛使用的汽油與柴油、工廠鍋爐使用的煤或天然氣等等,而電力大約占其中的一半,所以良好的電網運作對國家的節能減碳極為重要。容納更多的再生能源,智慧電網的排碳量可望大幅降低,而需求端與供應端的整合協調能夠進一步提高系統效率。在電力公司與用戶的共同努力之下,節能減碳不再是遙不可及的夢想。

參考資料

  1. Noweast blackout of 2003. Wikipedia
  2. 台電系統介紹,台灣電力公司
  3. 國際智慧電網發展策略與現況,經濟部能源局──能源報導

延伸閱讀

 

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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邁向淨零排碳的未來:去碳燃氫技術!
研之有物│中央研究院_96
・2022/12/10 ・6194字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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。

陳洋元向研之有物團隊介紹「去碳燃氫」技術。
圖|研之有物

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。

碳捕捉、再利用與封存(CCUS),就是將燃燒產生的二氧化碳,收集與分離出來,拿去工廠再利用或是封存於特殊地層。
圖|研之有物(資料來源|聯合國歐洲經濟委員會

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):

只要有足夠的能量,甲烷就能裂解為固態碳和氫氣。
圖|研之有物

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

如圖所示,此為天然氣裂解的簡易流程,當天然氣進入管柱時,需要熔融合金 Ni-Bi 作為催化劑,以便在高溫環境下轉化為固態碳(C)和氫氣(H2)。
圖|研之有物(資料來源|Science

為什麼需要催化劑?為了降低化學反應的難度。

化學反應的過程就像冒險者從小鎮(反應物)出發,克服山頂上的巨龍(活化能),並取得山谷寶藏(生成物)。而催化劑就像是幫冒險者開外掛的流浪法師,短暫加入冒險者一伙,開啟原本沒有的秘密通道,讓冒險者不用打龍就輕鬆取得寶藏。
圖|研之有物(資料來源|chemorphesis

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。

上述催化性熔融金屬用在天然氣裂解,理論上可行,但是陳洋元團隊實作發現,熔融金屬的蒸氣會把碳包住,會在金屬表面(如管壁)形成岩漿般的黏稠流體,必須不斷暫停實驗,把廢碳渣撈出去。
圖|研之有物(資料來源|Science、陳洋元)

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。

2013 年韓國 Seung Chul Lee 等人提出了利用碳黑作為催化劑的甲烷熱裂解裝置。
圖|Korean Journal of Chemical Engineering

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。

中研院天然氣熱裂解裝置的實體照片。天然氣高溫裂解系統,包含:控溫電子儀器、高溫爐與流量計。放大區域顯示高溫爐上面的構造,白色為隔熱棉,石英管管壁已經有少許的碳渣附著。
圖|研之有物(資料來源|陳洋元)

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。

中研院陳洋元團隊打造的「去碳燃氫」技術,利用臺灣既有天然氣和燃氣電廠的基礎建設,維持穩定的電力供給,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。
圖|研之有物

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。

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【水獺媽媽專欄:從日常學永續】我也好想像太陽一樣,可以發光又發電!
PanSci_96
・2022/11/02 ・830字 ・閱讀時間約 1 分鐘

「隨手關燈,節能減碳」這是在我們日常生活中,絕對會看見或聽見的標語!在家裡被爸爸媽媽隨時叮嚀、到學校被老師耳提面命、忘記關燈而被罵的記憶肯定不會少。

建立節能好習慣很重要,但我們現在還有哪些跟能源相關的永續行動呢?

台灣的發電來源,主要仰賴燃煤、燃氣等化石燃料,比重高達80%,但提供穩定電量讓人類使用的同時,卻也大量排放二氧化碳及空氣汙染物、加劇氣候變遷,灰濛濛的天空就是最直接的證據。

近年,政府積極推動能源轉型,希望降低對化石燃料的依賴,發展再生能源,尤其是太陽光電和離岸風力發電。

像是今年夏天,家長跟小朋友都很期待的「班班有冷氣」政策,除了讓大家可以舒適上課,也同步規劃「校校會發電」,降低對地球的負擔。

近年,政府積極推動能源轉型,希望降低對化石燃料的依賴,發展再生能源,尤其是太陽光電和離岸風力發電。圖/水獺媽媽提供

不過大家有發現,學校的發電設備裝在哪裡嗎?

原本烈日長期曝曬,又熱又空的學校頂樓,竟然可以搖身一變,成為設置太陽能板的最佳基地!而當地球最豐沛的資源——陽光,照射到板內的矽晶片時,光子會撞擊電子並產生電流。

這些我們肉眼看不到的次原子粒子,卻悄悄在太陽能板中移動,而且發電的過程不會排放任何溫室氣體,也不會造成空氣汙染,非常不可思議!

陽光照射到板內的矽晶片時,光子會撞擊電子並產生電流。圖/水獺媽媽提供

也許我們都沒想過,學校可以從原本「電的消費者」變成「電的供給者」,將能源轉型落實在校園中,那麼大家趕快找個時間,去看看自己的學校,有沒有用來發電的太陽能板吧!

隨手關燈,一起節能愛地球!圖/水獺媽媽提供

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從全家省到你家
PanSci_96
・2014/08/24 ・2736字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 543 ・八年級

Credit: SimonQ錫濛譙 via Flickr
Credit: SimonQ錫濛譙 via Flickr

便利超商是夏季最棒的避暑樂園,在烈陽下快被晒成人乾時,前方白綠相間的招牌就像沙漠中浮起的綠洲,讓你重新對生命燃起希望,奔向那發著聖光的小屋,悅耳的歡迎鈴聲隨著自動門響起,涼爽的氣體瞬間貫徹全身,深吸一口便通體舒暢,彷彿置身仙境,順便再來一支冰淇淋。這時你想,疑?在全民抗漲的時代,竟然還有人能恣意的開冷氣,難道真的誤闖異次元了?

全家超商之所以可以超大方開放空調,不是因為他們很凱,而是因為他們有偷偷節能的秘密武器--能源管理系統(energy management system, EMS)。這項由工研院研發的系統結合了即時電力量測,可以監控超商的運作規律,自動調控冷氣、冰箱、冷凍櫃等設施。若有間全家設在小學附近,放學時間進出店內的人數會明顯增加,EMS記下這個事件後,會在放學前自動將冷氣開強,等到人群散去再減弱空調,這樣一來可為全家省下大約4%的用電量,加上契約容量的調整,可以省下大約8%的電費。

為了讓電力量測資訊更加完整而即時,許多國家開始安裝智慧電表,也就是在用戶端裝設具備通訊功能的數位電表,使電力公司能夠掌握訊迅掌握用戶的用電細節。雖然智慧電表看似節能的法寶,其實它只是智慧電網整合資料的基礎。任職於工研院綠能所電能技術組,研究智慧電網與能源管理的梁佩芳組長表示,智慧電網不僅可以讓用戶適時省電、協助電力公司擬定合理的價格策略,也能促成再生能源的發展。

智慧電網聰明在哪?

2003年美國東北部無預警大停電,僅僅數小時的熄火就影響了5000萬人的作息,造成龐大的經濟、醫療損失[1]。導致508部發電機組供電中斷的原因之一,就是跟不上時代的電網。供電不同於供水,電網必須維持供需兩端的平衡才能穩定運作,當供需的差異過大時,電網中的設備會自動跳脫以保護設備自身或電力網的安全,當發電機組跳脫時,供應不足的問題就更加嚴重,使得其他發電機組相繼跳脫,如果缺乏即時的電網調控,停電範圍將如同推倒骨牌般的擴展,最終造成2003北美大停電的悲劇。

由於氣候與社會活動的變化,四季的用電自然不同,甚至一天之中也可能有大幅的變化。在台灣,炎熱的夏季就是一年中的用電高峰,尖峰時期北部地區的供電不足,經由輸電網路南電北送以補足供應量 [2],輸配電自動化的基礎建設已經賦予電網相當的智慧。然而,伴隨用電量的成長、綠色能源的大幅應用與供電裕度的限制,現有電網控制體系可能無法支撐更複雜的電力系統,因此需要更加聰明的智慧電網(smart grid)。智慧電網之所以聰明是因為整合了更周延的即時資訊、進行更有效率的決策,以及導入更好的控制設備或電網架構。梁佩芳組長說:「相較於既有電網,智慧電網通常有三個主要目標:整合更多再生能源、促成節能減碳,並且在日益複雜的電網中提升供電可靠度。」

Credit: Rolls-Royce Power Systems AG via Flickr
Credit: Rolls-Royce Power Systems AG via Flickr

靠天吃飯的再生能源

氣候變遷跟福島事件驅使各國更加重視再生能源,再生能源雖然是環保的綠色能源,但是可能產生「靠天吃飯」的風險,現階段應用最多的風力發電與太陽光電都是不可控的再生能源,即使是新竹風城也不可能全年無休的刮大風。台灣海峽是非常好的風場,但是一年的滿發時數仍然不到4000小時,相對於一年8670小時,所裝設的風力發電機有一半以上的時間是輸出較低,甚至無法運轉的;台灣南部的日照比北部充足,太陽光電系統每1kW每天平均發電量仍然不到4.5度,相當於平均每天日光直射4.5小時。

再生能源常有可運轉時數較低跟輸出不穩定的問題,當再生能源在電網中所占的比例愈來愈多時,恐怕難以避免傳統電廠出面救援,而再生能源輸出的快速變動也需要儲能系統作為緩衝。在智慧電網中,運用適當的感測器、天候資料以及演算邏輯,電力調度單位能夠預測再生能源的發電量與使用者的電力需求,即時調控傳統電廠進行適當的補償,甚至協調簽約的電力用戶調降電力使用量,以最低的成本維持電網穩定運作,才能大幅提高再生能源的應用比例。

達到供需平衡,戰勝用電高峰

節能減碳跟盡情享受冷氣像是魚與熊掌不可兼得,但比起加蓋電廠,削減夏季用電高峰更為可行。以價制量是各國普遍採用的手段,例如台電的夏月電價高於非夏月;而時間電價方案中,尖峰時段的電價又高於離峰時段,以促使用戶在尖峰時期節約用電。此外,工廠、企業等用電大戶若能配合台電需求而適時調降用電量,台電還有需量反應等價格優惠方案,鼓勵需求端動態配合供應端減少用電,避免毫無節制的啟用備援電廠或建設新電廠。為了提升電力系統的整體運作效率,使用者必須加強自身的用電管理,而電廠則需要掌握用戶的用電習慣以及其他影響負載的環境變化。

智慧電表系統是進行電力負載調控的基本工具,智慧電表記錄用戶每15分鐘的用電情況,使得電力公司能夠知道所有用戶的用電細節,一方面能夠評估用戶在不同時段的節能潛力;另一方面能夠更精確地進行配電管理與電力架構調整,以提高效率。用戶本身也可以由智慧電表檢視用電情形,評估節約用電或改變用電模式的可能性,搭配適當的電價方案,創造電力公司與用戶雙贏的局面。

Credit: Jonathan Potts via Flickr
Credit: Jonathan Potts via Flickr

電網升級,減碳可期

電網就像一座城市的心血管系統,不僅要保持流暢、穩定的電力輸配,更要有危機處理的彈性,才能維持城市生命。智慧電網的責任是維持電力供應的穩定度,這種聰明的電力供應網包含智慧化輸配電網路、先進的智慧電表以及與供應端互動的智慧用戶,這個架構能夠順利整合各類再生能源、儲能裝置、甚至電動車輛,並且具備良好的資訊安全機制與分析決策系統,以支持複雜的未來電力系統維持穩定運作。

終端能源的使用涵蓋多種形式,例如家庭中使用的瓦斯、車輛使用的汽油與柴油、工廠鍋爐使用的煤或天然氣等等,而電力大約占其中的一半,所以良好的電網運作對國家的節能減碳極為重要。容納更多的再生能源,智慧電網的排碳量可望大幅降低,而需求端與供應端的整合協調能夠進一步提高系統效率。在電力公司與用戶的共同努力之下,節能減碳不再是遙不可及的夢想。

參考資料

  1. Noweast blackout of 2003. Wikipedia
  2. 台電系統介紹,台灣電力公司
  3. 國際智慧電網發展策略與現況,經濟部能源局──能源報導

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